基于用戶Fitting的自行車車架結構參數(shù)化設計

王男

摘要：基于用戶Fitting的車架參數(shù)化系統(tǒng)設計，對車架結構進行分析，得出車架結構設計的參數(shù)及其約束，建立車架參數(shù)化模型；再結合人機工程學，得出與車架相關的人體關鍵尺寸參數(shù)和人與車架之間的人機約束關系，建立用戶Fitting的參數(shù)化系統(tǒng)，整個系統(tǒng)是可視的，并且具有可控性，用戶輸入?yún)?shù)，系統(tǒng)就會自動驅(qū)動程序，生成符合其身體尺寸的車架模型及車架尺寸，為用戶選擇車架或裝車Fitting時提供數(shù)據(jù)參考。

關鍵詞：用戶Fitting 車架結構 約束 參數(shù)化設計

前言

用戶Fitting是用戶根據(jù)其人體特征選擇和裝配符合自身尺寸的自行車。自行車的尺寸結構業(yè)界已經(jīng)有成熟的數(shù)據(jù)庫，一般通過有限的系列化以適應騎行者身體及自行車生產(chǎn)制造的需求，但用戶Fitting能使自行車與人體更加匹配，騎行保持更好的狀態(tài)，并減少因為單車尺寸不合適引起的身體不舒服和疼痛。

一、用戶Fitting分析

針對自行車硬體與人體之間關系的研究很久以前已經(jīng)出現(xiàn)，但是直到20世紀70年代，對這種課題的研究才定義為Fitting。在此之前，自行車的造型和自行車各部件的尺寸數(shù)據(jù)，是憑著設計師的經(jīng)驗，通過利用普通工具測量用戶身體的部分數(shù)據(jù)，再根據(jù)經(jīng)驗最終決定自行車各部件的尺寸。20世紀80年代早期，座墊高度尺寸開始套用計算公式，法國設計師克勞德通過研究賽車手腿長和座墊的關系，座墊的高度=跨下長×0.885，但公式?jīng)]有涉及身體比例的差異。近年來，出現(xiàn)了相對精確的自行車靜態(tài)Fitting工具，使用專業(yè)測量工具，在固定姿態(tài)下完成測量，相對精確。21世紀以來，出現(xiàn)了動態(tài)Fitting工具，美國RETUL將人體在騎行中重要的8個點作為采集目標，使用紅外線以及3D攝像機技術來實現(xiàn)動態(tài)采集騎行者數(shù)據(jù)，不但提高了數(shù)據(jù)的準確度，而且豐富了測量內(nèi)容，所有的數(shù)據(jù)都可作為自行車Fitting時參考依據(jù)。

基于用戶Fitting參數(shù)化系統(tǒng)是以車架結構參數(shù)化設計為基礎開發(fā)的，根據(jù)“人-車”系統(tǒng)中人機關系理論，將人體的腿長、上身長度、臂長等身體尺寸與車架座管、上管建立尺寸約束關系，利用數(shù)學公式將人體尺寸與車架對應尺寸聯(lián)系起來，車架結構的參數(shù)化模型的建立也就完成了基于用戶Fitting的車架參數(shù)化系統(tǒng)的開發(fā)。

二、車架結構參數(shù)化設計的相關參數(shù)及求解

（一）車架結構的關鍵尺寸參數(shù)

車架是整個自行車系統(tǒng)的骨架，它的結構尺寸設計合理與否決定著騎行者的舒適程度和自行車整體性能。車架結構尺寸包括首管長度、上管長度、座管長度、首管角度、座管角度和車架中軸位置等尺寸。

首管長度：車架首管長度是指連接車把和前叉接點之間的距離，首管的長度決定著車把安裝的高度和騎行者的前傾程度，首管、上管和下管三者之間夾角是衡量用戶騎行時舒適程度和車架結構穩(wěn)定性的重要參數(shù)。座管長度1：車架座管長度1是指從五通管中心到座管上表面的直線距離。座管的長度影響著首管的長度，是成正比例的。座管長度2：車架座管長度2是指上管與座管中心結構線交點到座管上表面之間的距離。上管長度：上管長度是指從上管與首管相交處到座管與上管相交處之間的直線距離。在車架的幾何參數(shù)中，上管長度對自行車舒適性所起的作用是最大的，上管長度決定了騎行者上身的活動范圍，并讓手臂可以舒服地伸展。下管長度：下管長度是指下管上端與首管之間的交點到五通管中心的距離。下管是車架幾何形體前三角的以邊，起到支撐上管和首管穩(wěn)定性的作用。首管角度：首管角度是指首管上下兩部分中心連線與五通管中心所在的橫向水平線之間的夾角。車架首管的角度決定了自行車的操控靈活度及穩(wěn)定性，控制著前輪的轉動，體現(xiàn)在身體給予首管去帶動整個自行車前行的壓力大小。座管角度：座管角度是指座管向后傾斜的角度。座管角度用以補償騎行者的腿長，根據(jù)自行車設計師多年的知識積累，設定可以滿足大部分用戶的座管角度為73°，這個角度可以彌補不同腿長的騎行者。

（二）與用戶Fitting相關的人體尺寸參數(shù)

運動自行車是人們?nèi)粘３鲂泻湾憻捫蓍e的基礎性交通工具，它是通過騎行者的操作和控制來實現(xiàn)特定的功能，它的主體使用者是人，人能否舒適操作自行車，很大程度上取決于自行車尺寸是否與騎行者的人體尺寸相匹配，所以運動自行車的車架設計一定要參照使用者的人體尺寸。設計師為了使其設計出來的自行車能夠適合于騎行者，需要測量與自行車騎行相關的人體尺寸，與自行車車架設計相關的人體尺寸分別是身高、上身長度、大腿長度、小腿長度和手臂長。

身高：身高是指縱方向上人體的長度，從頭的頂端到腳底部的垂直距離。上身長度：是指兩肩胛間的脊部到骶部的直線距離。大腿長：是指下肢股骨上邊緣大轉子點到膝蓋脛骨點之間的直線距離。小腿長度：是指從膝蓋脛骨點到腳步內(nèi)踝點的直線距離?？韪撸菏侵缚璨康降孛娴拇怪本嚯x。手臂長：是指人手虎口處到肩軸節(jié)點的直線距離。

三、車架結構參數(shù)化設計的約束及求解

（一）車架結構的幾何約束及求解

車架結構的幾何約束是以一系列具有代表性的自行車為信息來源。車架結構約束指各管間的幾何位置關系，運動自行車車架幾何造型比較規(guī)則，各管間的位置關系相對統(tǒng)一。不同型號的運動自行車車架其結構參數(shù)是不同的，以滿足不同人體特征的需求，下面以WHEELER-HILIIGHT品牌的HM800系列的運動自行車各型號車架的尺寸參數(shù)為依據(jù)，為車架參數(shù)化系統(tǒng)的建立提供參數(shù)約束關系。

HM800系列運動自行車車架幾何形體比較規(guī)則，并且彼此造型相似，整體呈現(xiàn)“前三角”、“后三角”的幾何造型。不同型號車架首管角度在70°至71°范圍內(nèi)，座管角度在72°至73°范圍內(nèi)，根據(jù)車架的首管角度和座管角度，可以得出座管、首管的之間的位置約束，座管后傾與后下叉夾角為72°至73°之間，通常設定為73°，首管后傾與車架中軸軸心橫向的水平直線的夾角為70°至71°范圍內(nèi)，通常設定為71°。車架的上管、座管、下管的中軸軸心線和后叉、后下叉結構的對稱線在同一水平面上，所以對稱線和中心軸線構成前三角形和后三角形，上管與座管之間的所夾銳角M與上管與首管之間的所夾銳角N建立參數(shù)約束關系M=360°（180°E）-D（180°N），其中D為首管角度，E為座管角度。首管延長線經(jīng)過前輪軸心，后叉、后下叉的對稱線經(jīng)過后輪軸心，所以確定前后輪軸心就可以確定后叉和后下叉末端點的位置約束，根據(jù)運動自行車車架中軸位置的分析，中軸到前軸直線距離為F1和中軸到后軸直線距離F2之間的比例關系為3：2，再結合后下叉長度，設定中軸的軸心位置前后軸距后，就能確定前后軸心位置約束關系，從而確定后叉和后下叉的位置約束關系。運動自行車車架的下管的起點固定在車架中軸軸心上，終點連在首管上，所以下管受到車架中軸軸心和首管位置的約束，再根據(jù)下管長度，就能確定下管終點的位置，下管的位置關系是由下管長度和中軸軸心和首管位置之間的約束決定的。endprint

（二）基于人機關系的車架約束及求解

人在騎車時，“人-車”組成了人機系統(tǒng)，基于人機工程學知識，將車架的構成部件與人體尺寸建立約束關系，進行車架幾何參數(shù)的約束求解，得出車架尺寸與人體尺寸間的約束關系式，這樣就可以根據(jù)騎行者的人體尺寸來確定車架的幾何尺寸，再結合車架結構的幾何約束關系建立車架的參數(shù)化模型，這樣的模型是以人機關系為基礎建立的，所以可以為用戶Fitting時輸入身體數(shù)據(jù)，輸出適合其人體特征的車架尺寸數(shù)據(jù)。

車架的設計首先要確定車架的尺寸，也就是通常說的車架的大小，它是騎行者選擇自行車尺寸時最基本的參考。車架大小的測量一般是以座管的長短作為標準，即計算五通中心到上管立管接頭處的距離。座管長的車架，車身長度也愈長。對于大多數(shù)用戶來說，可以參考下面兩個簡單的公式來計算得到適合自己的車架，座管長度為A，人體腿長為LT，其中A和LT的單位為厘米：

山地自行車車架尺寸：A=（LT×0.67-11.0）×0.394×2.54（單位為厘米）；公路自行車車架尺寸：A=LT×0.67（單位為厘米）；用戶在騎行過程中，人體上身向前傾，手臂伸展雙手握住自行車車把，人體身長，臂長和上管長構成三角形，設上身與手臂夾角為，身長Ls、臂長Lg、上管長度為C由三角形余弦定理知：

根據(jù)人機工程學相關資料研究表明，人們在騎行過程中，上身與手臂所成的角度是55°時，騎行者最能發(fā)揮關節(jié)和肌肉的效能，達到騎行的最大功效。

基于人機關系約束的車架座管、上管的尺寸確定之后，結合車架結構的幾何約束和各型號車架的尺寸數(shù)據(jù)表，其他組成車架的各管也就能確定下來?；谌藱C工程學，將人體尺寸與車架尺寸關聯(lián)起來，建立的車架參數(shù)化模型就可以用作車架Fitting時，輸入自己身體尺寸，得到符合自己身體特征的車架參數(shù)。

四、基于用戶Fitting的車架結構設計

車架結構的參數(shù)化設計分為三個過程，車架參數(shù)的尋找，車架結構約束的確定，用參數(shù)化軟件將參數(shù)通過約束關系組織在一起建立車架參數(shù)化模型。通過對車架結構的關鍵尺寸分析，得出車架尺寸參數(shù)，對車架結構組成進行研究得出車架各管間的幾何約束關系，從用戶Fitting方面考慮，車架模型要有人機約束，通過對人體的測量，得到人體相關尺寸參數(shù)，結合人機工程學得到人體尺寸與車架尺寸匹配的約束關系，最終實現(xiàn)參數(shù)及其約束關系的求解，形成建模邏輯，利用Grasshopper完成車架的參數(shù)化系統(tǒng)的建立（圖1）。endprint