殷陳君 許皓

【摘要】自行車是隨著人類社會的發(fā)展而形成的，其在不同的歷史階段扮演者不同的社會角色，在當(dāng)前，自行車是是最為簡單的代步工具，并成為了娛樂以及長途旅行和健身等多樣化用途的交通工具。對自行車進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，最為重要的就是安全性，自行車的鞍座設(shè)計(jì)在這一過程中就顯得格外重要，對自行車鞍座進(jìn)行實(shí)施改善是自行車制造商提升自身產(chǎn)品競爭力的重要手段，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，希望通過此次理論研究對實(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，而對于自行車的鞍座設(shè)計(jì)卻還有諸多的問題沒有得到有效解決，尤其是在自行車的舒適性方面。我國作為自行車生產(chǎn)大國，自行車是大眾最為常用的交通工具，長時(shí)間的騎車會給人帶來諸多的不適，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

自行車在其演變過程中逐漸向著人性化的方向發(fā)展，從其發(fā)展的歷程來看，經(jīng)歷了幾個(gè)重要的階段。十八世紀(jì)九十年代，法國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，但在兩輪間并無自動傳動裝置，需騎在上面雙腳滑動，并且不能轉(zhuǎn)彎，在實(shí)際的運(yùn)行過程中就比較吃力。

到了十九十九世紀(jì)八十年代，英國約翰·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)度上就相對比較高，并是在鏈條的驅(qū)動下通過后輪來驅(qū)動車子前進(jìn)，然后通過把手來掌握方向[1]。到了二十世紀(jì)五十年代中期，對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)，對速度的發(fā)揮比較重視。從公路自行車的設(shè)計(jì)上來看，主要是采用下彎把手，在輪胎上相對比較窄并充氣的氣壓相對較高，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]。另外就是場地自行車，這一類型的自行車主要就是采取競賽使用，對其進(jìn)行設(shè)計(jì)過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)動中進(jìn)行設(shè)計(jì)的，有著較長的減震功能，在輪胎上也相對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，從目前市場上所存在的鞍座設(shè)計(jì)主要是通過皮面以及發(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，也是對人體直接接觸的重要部分，所以座墊的設(shè)計(jì)就對人的舒適度有著直接影響，由于座墊的設(shè)計(jì)沒有合理化就會造成騎車者長時(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，從鞍座形狀來看主要有窄型以及中型和寬型幾種，倘若是長時(shí)間坐在鞍座上就會使得臀部和陰部由于壓迫帶來不適，并會對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)車手所喜愛的，這樣能減少和臀部接觸面積，這樣在實(shí)際的騎行過程中就相對比較自由。

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)所形成的問題主要就是鞍座表面受壓力分布沒有達(dá)到均勻，從而造成陰部擠壓過度從而產(chǎn)生不適。騎車者在實(shí)際的騎車過程中由于軀體和水平面夾角對坐骨生殖區(qū)壓力有著重要影響，從而會造成椎間盤的壓力增大，這樣就比較容易對人體造成脊椎疾病。自行車鞍座設(shè)計(jì)壓力非均勻原則，在人體騎自行車過程中，鞍座是和人體臀部有著直接接觸的構(gòu)件，在這一過程中人體大部分重量都會通過臀部來傳遞到鞍座上，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不同所以在鞍座的受力方面也會存在著差異，從運(yùn)動員的姿勢上來看，為能夠加快速度就要對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)對位移和摩擦就不會很大，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)Π白脑O(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，從凹陷型的發(fā)展來看主要是在其坐面會呈現(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進(jìn)一步增加，所以對股骨是有著損害的。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，也會造成人體而對不適。

2.2自行車鞍座材料對人體影響分析

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

再者就是在自行車騎車者的姿勢是休閑姿勢時(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隨著模量上升的降低，趴姿勢進(jìn)行騎車行駛過程中的受力就會隨彈性模量的增大而增大，通過下圖就能夠看出。

而在帶有凹槽型的鞍座結(jié)構(gòu)方面對騎行者的舒適度也會帶來影響，在人體是休閑姿勢并且鞍座是水平放置狀態(tài)下，鞍座帶凹槽就會使得陰部下陷，而作用在人體臀部接觸壓力也就會因此而減少，在接觸面積呈現(xiàn)出對稱分布過程中是比較符合實(shí)際人體接觸形狀的。凹槽的鞍座和無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)動員的騎行姿勢對騎車者的舒適性也會有著很大的影響，從運(yùn)動員姿勢下的鞍座有限元結(jié)構(gòu)分析情況來看，在騎車的姿勢上這要有休閑姿勢一起坐姿和趴姿這幾種類型[8]。

休閑騎車姿勢不同聚氨酯彈性模量對人體受載荷圖

實(shí)施趴姿的騎車過程中對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。趴姿勢的騎車過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自人體騎行時(shí)的姿勢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

對自行車的安全設(shè)計(jì)最為主要而對還是對鞍座的安全設(shè)計(jì)，以上對鞍座對人體的健康影響進(jìn)行了相應(yīng)的分析，所以通過鞍座的設(shè)計(jì)演化角度的分析，對鞍座進(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)如果是沒有得到科學(xué)合理化的設(shè)計(jì)就會對騎行者的泌尿系統(tǒng)帶來一些影響，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，對自行車的鞍座設(shè)計(jì)也比較多樣化，這不只是對人們的實(shí)際造型需求有著滿足，同時(shí)也是從安全角度出發(fā)，通過中空造型對透氣性加以完善，對鞍座的底殼材料主要是通過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存在著一定的差異，故此這就需要對消費(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夾傷兒童，針對這一問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程中不會受到傷害。還有的一些年齡相對較小的孩童可能會穿開襠褲，這就關(guān)系著設(shè)計(jì)過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)施開發(fā)，從而制作出專用的清潔用品，從而保證兒童肌膚。

對于兒童的安全來看，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，通過平蹬擺式可將鞍座構(gòu)造成四邊形的形狀，通過四段曲線所組成，也可將鞍座以寬大的形式得以體現(xiàn)，從而讓人在騎行過程中感受到舒適度。

4.結(jié)語

總而言之，交通工具中的自行車是人們最為常用的，所以對其的安全性要能得到充分重視，自行車的鞍座對人體的影響主要是在坐骨結(jié)節(jié)方面，故此要能針對性的對鞍座加以設(shè)計(jì)。隨性和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，這對自行車的鞍座設(shè)計(jì)的科學(xué)性也會起到促進(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)的新型自動售貨機(jī)研發(fā)，項(xiàng)目編號 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。