人机工程学意义下自行车骑姿分析

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人机工程学意义下

摘

自行车骑姿分析

●文/林霜

要：此文结合人机工程学分析了影响自行车骑姿的主要因素，同时利用MannequinPro人机仿真系

统软件分析了各因素之间的相对位置，并就最普遍的骑姿进行了相关分析，提出了相应的改进方法。

关键词：自行车；骑姿；人机工程学

Abstract:ThisarticleanalyzesthemainfactorsofbicycleridingpositionthroughergonomicsandanalyzestherelativepositionamongthemthroughMannequinProsoftware.Besides,thisarticleanalyzesthemostcommonridingpositionandprovidestheimprovingmethods.

Keyword:bicycle;ridingposition;ergonomics

引言

随着人民生活水平的不断提高，环保意识的加强，自行车已不仅作为大众的交通工具，它在健身、节能、环保、旅游等方面的作用日益被人们所认识。自行车的发展在我国尤显其重要性。许多人认为骑自行车谁都会，没什么新鲜的。其实不然，骑车不但要安全行驶，还要骑得舒服、骑得美，才能算会骑车。有人骑车时间不太长就感到疲乏，产生臀部痛、臀与腿酸痛等现象。究其原因，这是骑行姿势所导致的。还有许多人对骑行姿势不重视，不管车的高低是否适合自己的身材，也不管车把的高低、远近，鞍座的高低是否合适，只是随意地使用，这样，时间不太长就会感到疲乏。

1.1车架形态与车架大小

车架是自行车的骨架，在很大程度上决定了自行车的结构和性能，进而决定了自行车的骑姿和骑行舒适性。现在的车架设计多采用经验法，即以现有的车型为参考来确定车架的关键参数，在此基础上进行形态创新。这样设计出来的车架延续了以往的骑姿，未能真正做到设计以人为本。事实上，自行车车架的大小应该根据自行车型号来计算，理想的自行车车架的大小可以用一步的长度乘以0.61,举个例子：如果某人的一步长度为82cm,那么这个车架的大小为82cm*0.61=

50.02cm,精确到50cm[1]。

1影响自行车骑姿的因素

自行车骑姿是由骑乘者与自行车的尺寸、把手、鞍座以及脚蹬的相对位置来决定的。骑乘者的手、臀部、脚在车上的相对位置决定了骑行的舒适程度和骑行的效率。从人机工程学观点出发，要提高自行车骑行时的舒适性，就应该合理定位把手、鞍座以及脚蹬三者之间的位置，让骑行者在骑行过程中身体各部分尽可能处于自然状态。正确的骑姿可以提高骑行效率，使骑行不易产生不适和疲劳，同时还能降低危险发生的几率。骑姿分析是自行车设计工作中的一项重要内容，与自行车骑姿相关的因素主要有：

1.2车把与鞍座之间的相对位置

车把与鞍座之间的相对位置决定了骑乘者上半身的姿势。车把过低会使骑行者的上肢承受很大的静压，时间稍长手臂和手掌易发生疲劳，同时过低的上身也会压迫腹部，但力容易传递到车。提高车把高度可使背部弯曲度变浅，可以避免对腹部的压迫，但力不易传递到前轮[2]。从生物力学角度来看，当人体脊柱处于非自然弯曲状态时，会引起椎间盘压力改变，致使腰部疼痛。所以良好的骑姿应使骑车者与舒适地坐在椅子上的姿势是相似的，身体应稍向倾斜，手臂肘部略有弯曲。这样可以利用上半身肌群的平行成分，辅助蹬踏。图1是结合

38中国自行车

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MannequinPRO人机仿真系统来分析车把与鞍座以及蹬踏位置，

设鞍座重点为S点，车把握点为H点，那么一般情况下，上翘式或平车把的H点高度比鞍座的S点高5厘米左右。而下垂式赛车车把一般应与鞍座高度相同，这样有利于减少空气阻力。表1列举了各项自行车运动员上体倾斜度的示例。倾斜角是由通过髋关节的水平线和"髋关节中心--颈部中心"连线来确定的。通过表分析得出，运动员是为了减少空气的阻力才放低车把以及弯曲脊柱，而且可以看出，时间越长，弯曲程度越小，这是因为要考虑身体条件所容许的限度。相关研究也证明，头部作最大的倾斜或上体成

1.4中轴

中轴是传动机构，同时承受骑车者的部分体重。中轴高度应根据自行车的使用环境来决定，高中轴自行车适用于凹凸不平的路面，低中轴自行车在失控时具有更大的稳定性。

2现行骑姿人机特性分析

2.1蹬踏运动

假定蹬踏力，竖直向下，如图2所示，当脚蹬处于最高位置A和最低位置C时，蹬踏力F通过中轴轴心，此时力臂d为零，力矩M=

F×d=0，F不做功，无法驱动自行车前行。位置A和C分别称为上

死点和下死点。从A点到C点，蹬踏力F可分为Fl(与曲柄垂直)与

45-90°的倾斜时，使内耳对感受器的压力改变，会减小伸肌的紧

张程度[3]。因此，骑车者在骑行时就必须要调节好自行车车把和鞍座的位置。

表1部分自行车项目运动员上体倾斜的示例

F2(沿曲柄轴线)两个分力。分力F2通过中轴轴心,力矩等于零，只

有F1做功。此时，力矩M=F1×d。因此，要获得更大的力矩，就应该增大F1。由此可知，要提高骑行效率，脚的用力方向应尽量与曲柄垂直。在实际骑行过程中，蹬踏力的方向不断改变，蹬踏上死点和下死点的位置不一定在最高点和最低点处，它们主要由鞍座与脚蹬之间的位置决定。

表1

1.3鞍座与脚蹬之间的相对位置

鞍座的前后位置与骑行者的大腿骨、胫骨的长度（组成"连杆"机构），鞍座与脚蹬之间的相对位置直接影响蹬踏方式，由鞍座相对中轴轴心的位置和曲柄长度决定。鞍座相对中轴轴心的位置是决定下肢肌肉群的肌力能否有效利用的-个关键，即是影响踏力和踏速能否获得最佳配合的关键[4]。正确的鞍座与脚蹬之间B点的位置应该是膝盖和踏板成直角（图1）。

图2蹬踏运动的受力分析

2.2休闲车骑车姿势

自行车作为代步工具，最常见的成年女子骑车姿势就是休闲车骑姿（图3所示）。在这种骑姿下骑车者上体稍向前倾30°，前倾的骑姿改变脊柱的自然弯曲为后凸，时间一长容易引起背部酸疼。手臂呈直线状态，手臂除了控制行进方向外，还要承受部分体重，静态受力加速了手臂及肩关节的疲劳，落在鞍座上的体重由会阴和臀部共同承担，为了防止骑车者从鞍座上滑下，鞍座通常向后倾斜一定角度，这导致会阴与鞍座之间的摩擦加剧，危害骑乘者的健康，而且在视野上也有局限性，由人机工程学可知，人在垂直平面内颜色辨别界限在标准视线以上30°和标准视线以下40°，站立时人的自然视线低于标准视线10°，坐着时低于标准视线15°[5]。所以在这种骑姿下，为了保证能看清道路，骑车者的脖子需向后仰20°～30°。

图1踏力位置时的腿部情况

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图3休闲车骑车姿势

2.3运动员骑车姿势

对于运动员来说，骑行姿势在相当大的程度上决定于运动员

身材的高矮。正确的骑行姿势不会使运动员感到紧张或不便，并能更好地蹬踏和更轻松地操纵车子，以推迟疲劳的。运动员的骑行姿势是因人而异的，它需要根据运动员身材的大小和身材各部分的结构来决定。一般骑行姿势应为上体前倾，腰部稍屈曲，头部不过分伸出，两臂屈曲，肘关节稍向两边分开，两腿的膝关节保持稍屈的姿势。自行车虽有各种各样的骑行姿势，但在原则上只有两种不同的姿势（图4）：

图5两种扶把姿势下的前方视野

3骑姿设计改进分析

通过上文分析可相应得出结论，自行车骑姿改进的设计主要是围绕车架、鞍座、车把和脚蹬进行改进。在车架方面，骑行者可根据自己的身高来确定自行车的尺寸，成人自行车的尺寸主要有

18寸、20寸、22寸、24寸、26寸、27寸和28寸，根据人机工程学成

年男人第50百分位来看，对应的身高是：154cm、158cm、160cm、

168cm、175cm、178cm和180cm。在鞍座、车把以及脚蹬之间的位

置应该满足以上所提的三点法。除此之外，可考虑在自行车的鞍座后面设置一个适当的靠背，对鞍座进行改进设计。因为靠背对于脊椎部能起适度的支持作用，肌肉紧张较小，背部压力在椎骨上分布也较均匀。大于90度的靠背还可防止骨盆的旋转，增加坐姿的稳定性[5]。总之，通过以上的这些改进，我们就能达到骑行的舒适要求。

图4运动员骑车姿势

双脚在"在臀部下方"蹬踏，或叫做"中心式"姿势（左边骑车者）；还有另一种是双脚"在臀部前方"蹬踏（右边骑车者）。在目前的自行车比赛中，赛车车把（下垂车把）也影响着骑行者的骑姿和视野（图5）。平常骑行时，手扶车把的上部，其三点位置应满足上述要求。顶风和上坡或加速时，手扶下垂部，这时身体前倾，视野减小，此时要保证足够的视野，可适当调整一下车把的高度。

参考文献：

[1]乌尔斯·格瑞西.山地自行车[M].北京：人民体育出版社，2001.[2]http://www.lsgz.com/关于自行车的研究报告.

[3]俞继英.奥林匹克自行车[M].北京：人民体育出版社，2005:53-67.[4]宋贤敦.自行车设计[J].中国自行车，1989，3：38-40.[5]丁玉兰.人因工程学[M].北京：北京理工大学出版社，2004.

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