自行車設(shè)計(jì)中的安全性

殷陳君 許皓

【摘要】自行車是隨著人類社會(huì)的發(fā)展而形成的，其在不同的歷史階段扮演者不同的社會(huì)角色，在當(dāng)前，自行車是是最為簡(jiǎn)單的代步工具，并成為了娛樂(lè)以及長(zhǎng)途旅行和健身等多樣化用途的交通工具。對(duì)自行車進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，最為重要的就是安全性，自行車的鞍座設(shè)計(jì)在這一過(guò)程中就顯得格外重要，對(duì)自行車鞍座進(jìn)行實(shí)施改善是自行車制造商提升自身產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段，基于此，本文則主要就自行車設(shè)計(jì)的安全性及相關(guān)理論進(jìn)行詳細(xì)分析，并將自行車鞍座設(shè)計(jì)的有關(guān)理論加以論述，希望通過(guò)此次理論研究對(duì)實(shí)際發(fā)展有所裨益。

【關(guān)鍵詞】自行車設(shè)計(jì)；安全性；鞍座設(shè)計(jì)

引言

自行車的發(fā)展已經(jīng)有上百年歷史，而對(duì)于自行車的鞍座設(shè)計(jì)卻還有諸多的問(wèn)題沒(méi)有得到有效解決，尤其是在自行車的舒適性方面。我國(guó)作為自行車生產(chǎn)大國(guó)，自行車是大眾最為常用的交通工具，長(zhǎng)時(shí)間的騎車會(huì)給人帶來(lái)諸多的不適，所以加強(qiáng)自行車的鞍座舒適性以及安全性的設(shè)計(jì)就成了重要的一個(gè)內(nèi)容。在這一發(fā)展下加強(qiáng)對(duì)自行車設(shè)計(jì)中鞍座的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論研究就有著實(shí)質(zhì)性意義。

1.自行車的發(fā)展演變及鞍座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

1.1自行車的發(fā)展演變歷程分析

自行車在其演變過(guò)程中逐漸向著人性化的方向發(fā)展，從其發(fā)展的歷程來(lái)看，經(jīng)歷了幾個(gè)重要的階段。十八世紀(jì)九十年代，法國(guó)人西弗拉克受到四輪馬車啟發(fā)在進(jìn)行了多次試驗(yàn)之后就發(fā)明了最為原始的自行車，和現(xiàn)代的自行車一樣只有兩個(gè)輪子，但在兩輪間并無(wú)自動(dòng)傳動(dòng)裝置，需騎在上面雙腳滑動(dòng)，并且不能轉(zhuǎn)彎，在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中就比較吃力。

到了十九十九世紀(jì)八十年代，英國(guó)約翰·K·思達(dá)雷制造了第一輛現(xiàn)代自行車，并將其命名為安全自行車，在這一制造的自行車結(jié)構(gòu)上最為主要的特點(diǎn)就是呈現(xiàn)出菱形的車架，所以在車身的強(qiáng)度上就相對(duì)比較高，并是在鏈條的驅(qū)動(dòng)下通過(guò)后輪來(lái)驅(qū)動(dòng)車子前進(jìn)，然后通過(guò)把手來(lái)掌握方向[1]。到了二十世紀(jì)五十年代中期，對(duì)自行車的鏈條擋灰板外形進(jìn)行了改善，保障了在自身車行駛中不會(huì)由于顛倒使得機(jī)油弄臟褲子，并且在穩(wěn)定和速度權(quán)衡上針對(duì)不同的人群有了新的設(shè)計(jì)樣式。

這樣在自行車的類型上就能夠分為多種樣式，主要有公路自行車以及場(chǎng)地自行車和速降自行車等。其中的公路自行車主要是在較為平滑的路面上行駛的，所以根據(jù)這一特點(diǎn)進(jìn)行的自行車設(shè)計(jì)就在穩(wěn)定性方面較強(qiáng)，對(duì)速度的發(fā)揮比較重視。從公路自行車的設(shè)計(jì)上來(lái)看，主要是采用下彎把手，在輪胎上相對(duì)比較窄并充氣的氣壓相對(duì)較高，這些方面的設(shè)計(jì)主要是降低自行車風(fēng)阻系數(shù)以及地面阻力[2]。另外就是場(chǎng)地自行車，這一類型的自行車主要就是采取競(jìng)賽使用，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中主要是減少車重以及阻力，從而實(shí)現(xiàn)最佳的騎行速度；除此之外就是速降自行車，這一類型的自行車主要就是在山坡這些極限運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行設(shè)計(jì)的，有著較長(zhǎng)的減震功能，在輪胎上也相對(duì)較寬以此增加摩擦力和穩(wěn)定性。

1.2自從車鞍座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

自行車的安全性設(shè)計(jì)比較重要的就是鞍座的設(shè)計(jì)，鞍座是自行車的重要構(gòu)成，從目前市場(chǎng)上所存在的鞍座設(shè)計(jì)主要是通過(guò)皮面以及發(fā)泡和底殼、彈簧等所構(gòu)成的，自行車鞍座基本是通過(guò)PVC材料所組成，然后在設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)下采取紋理加以處理，這樣就使得鞍座有著多樣化的式樣，對(duì)不同消費(fèi)者的需求都能夠得到滿足。鞍座是固定在自行車上支撐騎車者身體的關(guān)鍵部件，所以在舒適度上就比較重要[3]。

當(dāng)前所使用的自行車鞍座設(shè)計(jì)有著諸多的缺陷，對(duì)鞍座的設(shè)計(jì)是決定騎車者坐姿的重要因素，所以人的身體越是向前傾就會(huì)使得脊柱的彎曲度越大，這地人的健康有著很大的損傷。座墊是鞍座的重要構(gòu)成部分，也是對(duì)人體直接接觸的重要部分，所以座墊的設(shè)計(jì)就對(duì)人的舒適度有著直接影響，由于座墊的設(shè)計(jì)沒(méi)有合理化就會(huì)造成騎車者長(zhǎng)時(shí)間騎車之后容易造成身體的疲勞，從而造成很強(qiáng)的不適感。造成這些方面最為主要的就是座墊的形狀，從鞍座形狀來(lái)看主要有窄型以及中型和寬型幾種，倘若是長(zhǎng)時(shí)間坐在鞍座上就會(huì)使得臀部和陰部由于壓迫帶來(lái)不適，并會(huì)對(duì)騎車者的尿生殖系統(tǒng)造成一定影響[4]。窄鞍座主要是職業(yè)車手所喜愛(ài)的，這樣能減少和臀部接觸面積，這樣在實(shí)際的騎行過(guò)程中就相對(duì)比較自由。

2.自行車鞍座設(shè)計(jì)工程機(jī)理及鞍座材料對(duì)人體影響分析

2.1自行車鞍座設(shè)計(jì)工程機(jī)理分析

自行車鞍座的設(shè)計(jì)對(duì)騎行者的舒適度以及健康都有著直接的影響，鞍座設(shè)計(jì)的不科學(xué)所形成的問(wèn)題主要就是鞍座表面受壓力分布沒(méi)有達(dá)到均勻，從而造成陰部擠壓過(guò)度從而產(chǎn)生不適。騎車者在實(shí)際的騎車過(guò)程中由于軀體和水平面夾角對(duì)坐骨生殖區(qū)壓力有著重要影響，從而會(huì)造成椎間盤的壓力增大，這樣就比較容易對(duì)人體造成脊椎疾病。自行車鞍座設(shè)計(jì)壓力非均勻原則，在人體騎自行車過(guò)程中，鞍座是和人體臀部有著直接接觸的構(gòu)件，在這一過(guò)程中人體大部分重量都會(huì)通過(guò)臀部來(lái)傳遞到鞍座上，這樣在臀部的坐骨結(jié)節(jié)以及鞍座之間的緊密度就會(huì)得到增加，從而相當(dāng)于在極小面積上承受著大部分人體的重量，所以長(zhǎng)時(shí)間處在這一狀態(tài)下就比較容易造成疼痛感和疲勞感[5]。

由于人體騎車的姿勢(shì)不同所以在鞍座的受力方面也會(huì)存在著差異，從運(yùn)動(dòng)員的姿勢(shì)上來(lái)看，為能夠加快速度就要對(duì)空氣和人體的阻力進(jìn)一步減少，這時(shí)的騎車者在和地面的夾角要小于三十度，并且鞍座面越是狹長(zhǎng)就越能夠?qū)Π白痛笸乳g摩擦得到降低，這樣在速度上也就能最大化的呈現(xiàn)。倘若是鞍座稍硬那么坐骨結(jié)節(jié)所產(chǎn)生的相應(yīng)對(duì)位移和摩擦就不會(huì)很大，在腳踏的效率上能夠得到有效提升，而由于緩沖不好所以騎車的舒適性也不是很好。

鞍座下陷坐骨曲率能夠?qū)?duì)鞍座的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，從凹陷型的發(fā)展來(lái)看主要是在其坐面會(huì)呈現(xiàn)出18mm這樣一個(gè)區(qū)域，從而能使得騎車者保持平穩(wěn)的狀態(tài)，而在骨盆承受壓力方面就會(huì)進(jìn)一步增加，所以對(duì)股骨是有著損害的。在人體的坐骨承受自座面壓力和座面凹陷程度是呈現(xiàn)出反比例的[6]。另外對(duì)鞍座的凸面型進(jìn)行分析，在這一方面凸面型鞍座是在鞍座后部和人體接觸的部分是突出的，而在單側(cè)方賣弄的面積小于27平方厘米，也會(huì)造成人體而對(duì)不適。

2.2自行車鞍座材料對(duì)人體影響分析

自行車的鞍座材料對(duì)騎車者的舒適性和身體健康也會(huì)產(chǎn)生影響，通過(guò)對(duì)鞍座的材料參數(shù)進(jìn)行改變來(lái)實(shí)施有限元的分析，從而來(lái)探究鞍座材料對(duì)人體所造成的影響。首先對(duì)鞍座的聚乙烯底殼的彈性模量進(jìn)行改變，自行車騎車者的姿勢(shì)為休閑姿勢(shì)過(guò)程中，通過(guò)下圖就能夠進(jìn)行縱向的對(duì)比，就能夠看出聚乙烯的彈性模量相對(duì)較低和較高過(guò)程中鞍座的表皮以及底殼就會(huì)隨著彈性模量上升而發(fā)生下降的態(tài)勢(shì)，這樣在騎車者的臀部載荷量就會(huì)加大[7]。

再者就是在自行車騎車者的姿勢(shì)是休閑姿勢(shì)時(shí)候的縱向比能夠看出聚氨酯的彈性模量在最低或者是最高的時(shí)候，鞍座的表皮及底殼的受力就會(huì)隨著模量上升的降低，趴姿勢(shì)進(jìn)行騎車行駛過(guò)程中的受力就會(huì)隨彈性模量的增大而增大，通過(guò)下圖就能夠看出。

而在帶有凹槽型的鞍座結(jié)構(gòu)方面對(duì)騎行者的舒適度也會(huì)帶來(lái)影響，在人體是休閑姿勢(shì)并且鞍座是水平放置狀態(tài)下，鞍座帶凹槽就會(huì)使得陰部下陷，而作用在人體臀部接觸壓力也就會(huì)因此而減少，在接觸面積呈現(xiàn)出對(duì)稱分布過(guò)程中是比較符合實(shí)際人體接觸形狀的。凹槽的鞍座和無(wú)凹槽的鞍座相比較而言更加的符合人體生理學(xué)，這樣就有利于騎車中騎車者的生理健康。另外運(yùn)動(dòng)員的騎行姿勢(shì)對(duì)騎車者的舒適性也會(huì)有著很大的影響，從運(yùn)動(dòng)員姿勢(shì)下的鞍座有限元結(jié)構(gòu)分析情況來(lái)看，在騎車的姿勢(shì)上這要有休閑姿勢(shì)一起坐姿和趴姿這幾種類型[8]。

休閑騎車姿勢(shì)不同聚氨酯彈性模量對(duì)人體受載荷圖

實(shí)施趴姿的騎車過(guò)程中對(duì)人體和鞍座耦合模型的有限元分析得出，聚氨酯的表皮UY位移的最大處是在長(zhǎng)鼻子處，人臀部的直接接觸區(qū)域位移變形量則是五十毫米，和休閑的騎車姿勢(shì)相比較而言，在應(yīng)力值方面同比增加了48KPa，鞍座比較容易發(fā)生失效變形。趴姿勢(shì)的騎車過(guò)程中有限元分析主要是和鞍座接觸部位表現(xiàn)出的接觸壓力及接觸區(qū)域有了很大的變化，此時(shí)的接觸壓力有了很大的增加，并且是在接觸壓力的分布上并沒(méi)有休閑騎行時(shí)不均勻，所以總體而言人體和鞍座實(shí)施的有限元分析主要是受到來(lái)自人體騎行時(shí)的姿勢(shì)以及鞍座擺放位置等諸多因素的影響。

3.自行車安全設(shè)計(jì)中鞍座設(shè)計(jì)分析

對(duì)自行車的安全設(shè)計(jì)最為主要而對(duì)還是對(duì)鞍座的安全設(shè)計(jì)，以上對(duì)鞍座對(duì)人體的健康影響進(jìn)行了相應(yīng)的分析，所以通過(guò)鞍座的設(shè)計(jì)演化角度的分析，對(duì)鞍座進(jìn)行詳細(xì)化的設(shè)計(jì)就顯得比較重要。鞍座的結(jié)構(gòu)如果是沒(méi)有得到科學(xué)合理化的設(shè)計(jì)就會(huì)對(duì)騎行者的泌尿系統(tǒng)帶來(lái)一些影響，從當(dāng)前的設(shè)計(jì)技術(shù)以及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展下，對(duì)自行車的鞍座設(shè)計(jì)也比較多樣化，這不只是對(duì)人們的實(shí)際造型需求有著滿足，同時(shí)也是從安全角度出發(fā)，通過(guò)中空造型對(duì)透氣性加以完善，對(duì)鞍座的底殼材料主要是通過(guò)PPE這一高性能的熱塑性的工程塑料進(jìn)行應(yīng)用，從而在耐熱性能以及強(qiáng)度性能方面都有著很大的優(yōu)化，并且在質(zhì)量上和以往相比較也有了改善[9]。

由于自行車的消費(fèi)群體不同，所以在鞍座的安全需求上也會(huì)存在著一定的差異，故此這就需要對(duì)消費(fèi)者的生活方式以及思維方式進(jìn)行詳細(xì)化的考慮。例如對(duì)兒童車的鞍座安全性的設(shè)計(jì)，基于兒童尚處在發(fā)育階段，所以在安全性的實(shí)際要求上就比較嚴(yán)格。首先在鞍座的彈簧方面有可能會(huì)夾傷兒童，針對(duì)這一問(wèn)題就要在彈簧的外部進(jìn)行采取防護(hù)的措施裝置，保障兒童在自行車的行駛過(guò)程中不會(huì)受到傷害。還有的一些年齡相對(duì)較小的孩童可能會(huì)穿開(kāi)襠褲，這就關(guān)系著設(shè)計(jì)過(guò)程中所采取的材料要能在透氣性以及衛(wèi)生安全方面得到保證，對(duì)鞍座的材料選用要嚴(yán)格的體現(xiàn)，并要能夠?qū)ε涮状胧?shí)施開(kāi)發(fā)，從而制作出專用的清潔用品，從而保證兒童肌膚。

對(duì)于兒童的安全來(lái)看，由于他們需要得到認(rèn)同，所以在歸屬感以及認(rèn)同感方面就有著重要的體現(xiàn)，對(duì)兒童的身體協(xié)調(diào)能力就要能夠得到充分的鍛煉。一些概念車型的出現(xiàn)對(duì)自行車的整體造型有了改變，而鞍座的設(shè)計(jì)也要能與時(shí)俱進(jìn)，如擺式自行車的鞍座設(shè)計(jì)過(guò)程中，這是現(xiàn)有的普通自行車基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的，其在驅(qū)動(dòng)輪上安裝了低位車座以及靠背，而在前叉下端和車輪是相連的，在上端和車把是固定的，這樣在實(shí)際的操作上比較方便。在低位車座的設(shè)置下能夠使得騎車者上身自然挺直[10]。從外觀造型方面鞍座的基礎(chǔ)考慮就是怎樣的曲線組成以及立體感的實(shí)現(xiàn)，鞍座的面料所選用的是有著較好透氣性的皮革材料，這樣在散熱以及外形上都有著較好的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于自行車的鞍座尺寸而言，這是影響人體坐骨結(jié)節(jié)以及骨盆等生理結(jié)構(gòu)的重要因素，通過(guò)平蹬擺式可將鞍座構(gòu)造成四邊形的形狀，通過(guò)四段曲線所組成，也可將鞍座以寬大的形式得以體現(xiàn)，從而讓人在騎行過(guò)程中感受到舒適度。

4.結(jié)語(yǔ)

總而言之，交通工具中的自行車是人們最為常用的，所以對(duì)其的安全性要能得到充分重視，自行車的鞍座對(duì)人體的影響主要是在坐骨結(jié)節(jié)方面，故此要能針對(duì)性的對(duì)鞍座加以設(shè)計(jì)。隨性和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，這對(duì)自行車的鞍座設(shè)計(jì)的科學(xué)性也會(huì)起到促進(jìn)作用，所以圍繞著鞍座的安全性設(shè)計(jì)原則才能保證其設(shè)計(jì)構(gòu)造的科學(xué)性。

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基金項(xiàng)目

1天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：基于4G網(wǎng)絡(luò)的新型自動(dòng)售貨機(jī)研發(fā)，項(xiàng)目編號(hào) 201410792014；2天津城建大學(xué)教改項(xiàng)目：人體工程學(xué)教學(xué)改革與研究。