自行车鞍座的人机工学设计
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自行车鞍座的人机工学设计
2005年
第3期
工程图学学报
JOURNALOFENG眦EIUNGGRAPHICS
2005
自行车鞍座的人机工学设计
黄海波,丁玉兰
(同济大学机械工程学院,上海200092)
摘要:鞍座的舒适性一直是困扰人们骑乘自行车的一个难题.分析了现有鞍座存
在的问题,从不同座姿分析了鞍座对人体的受力;从国内外现有自行车鞍座分析了人机工学
鞍座的特点,找出了其不足之处;以人机工学,医学,力学和美学等学科的理论为依据,对
鞍座进行了全方位综合研究,得出了较为科学的自行车鞍座设计方法;并在此思想基础上设
计了自行车鞍座的创新方案.
关键词:工业设计;鞍座设计分析;人机工程学;保健
中图分类号:TH12
文献标识码:A文章编号:1003-0158(2005)03-0106—05
鞍座是用来支撑身体的自行车部件,其设计
直接影响骑乘舒适程度.虽然自行车已经有上百
年的历史,但是,自行车鞍座的的设计方面仍存
在很多的问题,特别是鞍座的舒适性问题.因此,
对自行车鞍座进行系统研究有重要的理论和现
实意义.
中国是世界闻名的”自行车王国”.自行车是
广大工薪阶层最常使用的交通工具.骑车外出,
不但可以锻炼身体,而且经济方便.但是在方便 的同时,有些自行车”骑士”常常感到会阴部胀
痛,腹部坠胀,长时间骑车后还会感到阴部发麻,
如不及时休息,治疗,症状会逐渐加重,引起尿
痛,尿频,睾丸疼痛等症状.这是由于骑车时会
阴部长期受到挤压,致使前列腺充血,肿胀,发
生慢性炎症的缘故【lJ.
另据一家外国研究机构的统计,在他们调查
的人群中,有90%骑自行车的男士睾丸存在畸
形.有一半的被调查人群会感到阴囊不适或存在
勃起障碍【2I.另据我国的男性学医学报告,骑行
自行车在我国前列腺炎的发病诱因中占很大比
重.因此,怎样解决鞍座一人体构成的人机系统
问题,提高鞍座的舒适程度,是一项非常紧迫和
必要的课题.
1现有鞍座存在的问题
图1是人体骨盆在普通鞍座上的位置.当人
骑在鞍座上时坐骨生殖区(位于坐骨结节和耻骨
联合部之间,分布有大量的血管,神经和软组织)
靠在平坦的座面上,鞍座会压迫到坐骨生殖区的
组织和脂肪(见图1(a));坐骨生殖区的组织里含
有丰富的血管,软组织和大量的神经及神经末
梢,在骑行时,上躯体的部分重量压迫到这些血
管和神经,造成人体会阴区的疼痛和麻木(见图
1(b));而且会阴区深层中含有泌尿组织,血管及
生殖动脉和传导神经,如图2所示,这样也会造
成生殖区域的麻木和缺血,严重的会导致生殖系
统障碍.
收稿日期:2004-03-28
作者简介:黄海波(1978-),男,山东临沂人,博士研究生,主要研究领域为人一机一环境工程学及产品人机关系.
第3期黄海波等:自行车鞍座的人机工学设计?lO7?
(b)
图1现有鞍座存在问题示意图
图2人体在鞍座上时臀部组织的分布简图
2自行车骑行受力分析
下面作者以骑乘者上躯体与水平面夹角作
为分类依据来分别说明人体在骑行时的受力情
况:
小角度,30度公路赛车运动员多采用这
种骑乘姿势,见图3(a】.骑乘者上躯体与地面的
的倾斜角小于30度,可以有效的减小身体对空
气的阻力,加快骑行的速度.座面狭长,减少了
大腿与鞍座的摩擦,有利于运动员来回往复的蹬
踏,提高速度.座面较硬,使坐骨结节不至于产
生较大的相对位移和摩擦,提高了蹬踏效率,由
于没有较好的缓冲,降低了运动员的骑乘舒适
度.图3(b)和3(c)是人体坐骨结节在运动型鞍座
上的位置结构图:可以看到坐骨生殖区几乎都坐
在鞍座上,承担上躯体的大部分重量,形成了对
坐骨生殖区的压迫,这对运动员的坐骨生殖区是
十分有害的.
30度
(c)
图3小角度30度压力分布图(白色=高压力区域/灰
色=低压力区域)
中角度30”-60度对于骑乘角度在30”--60度
(见图4(a))之间的骑乘者来说,其骑乘的舒适程
度要比0～30度之间的运动员要优越许多.这种
鞍座比公路赛车的鞍座宽大,柔软,由于身体前 倾的角度减小,鞍座与坐骨生殖区的接触面积明
显减少(见图4(b)),坐骨结节分担了坐骨生殖
工程图学学报2005丘
区的一部分压力,对坐骨生殖区的压迫明显减
轻,见图4(c),这样臀部与鞍座之间的接触面积
变大,坐起来更加舒适和柔软.
(c)
图4适中角度30----,60度压力分布图(白色=高压力区域
/灰色=低压力区域)
大角度60,-,90度身体与水平面的夹角呈
60～90度就骑乘者来说是较舒适的角度,因为这
时身体基本上直立(见图5(a)),人体在骑乘时上
躯体的重量基本上都移到了坐骨结节的位置,坐
骨生殖区与鞍座的接触面积进一步减小(见图
5(b)),承受的压力也大幅度的减轻;坐骨结节承
受了上躯体绝大部分重量,坐骨生殖区承受的压
力较小(图5(c)).
从上面的分析可以看出,自行车鞍座的舒适
程度与骑姿角度有很大的关系.简而言之,即是
否挤压坐骨生殖区以及挤压的程度如何.
(b)(c)
图5大角度60~90度压力分布图(白色=高压力区】或/
灰色=低压力区域)
3国内外现有鞍座的人机工学分析
直竿形自行车鞍座直竿形自行车鞍座(见
图6)只由一个横向的直杆构成,没有传统自行
车鞍座的突出窄小部分,避免了传统自行车鞍座
对人体坐骨生殖区的挤压和摩擦,不会压迫到会
阴区的神经和血管,避免了对生殖系统的负面影 响L3J.但是,从力学的角度来分析,由于鞍座是
桶型的,会大大减少臀部与鞍座之间的受力面
积,坐骨结节和相应的臀大肌所承受的压力会很
大,加速骨质和肌肉软组织的疼痛和疲劳.同时,
骑乘者为了坐稳身体,重心前倾加重上肢的负
担,加速了上肢的疲劳.
图6直竿形自行车鞍座
月牙型人机工程鞍座美国
公司【所设计的月牙型人机工程鞍座见图7(a).
图7(b)是人体骨骼在普通鞍座上的位置,受压橡
胶球说明坐骨生殖区的神经和软组织受到了挤
第3期黄海波等:自行车鞍座的人机工学设计
压;图7(c)和图7(d)表示人体在月牙型人机工程
鞍座上的情况,说明鞍座在避免坐骨生殖区的压
迫上是设计的十分成功的.从单纯的避免人体器
官和组织压迫的角度来考虑,其有一定的道理和
可实施性;但是从另一个骑乘舒适的角度来说,
由于没有了前部必要的支撑,骑乘者会有缺乏支
撑部的感觉;它的大腿导向设计的并不是很合
理,前弯的造型限制了腿部的左右运动,而且上
下车也不是很方便.
(c)(d)
图7月牙型人机工程鞍座
从上面的实例可以看出,鞍座设计者将最大
程度的减少人体软组织和器官挤压和摩擦为主
要设计准则,即减少对坐骨生殖区的挤压和摩
擦,通过凹陷,凿孔,改变鞍座的形状等方法来
实现这一主要准则,同时考虑舒适和安全.
4自行车鞍座的创新设计 通过对上述各种现有自行车鞍座和人机工
程鞍座的分析和研究,可以看出国外人机工程鞍
座的设计一直是围绕怎样减少对人体坐骨生殖
区的挤压和摩擦为主要目的;围绕前面所论述的
人体相关部位的结构和尺寸以及骑行受力分析
和设计要求,作者对鞍座设计要素进行了分析,
提出了新的鞍座设计方案.
鞍座设计要素分析
尺寸决定鞍座宽度的因素主要是人体的
生理结构,如坐骨结节的距离,骨盆的大小等等.
其中起关键作用的是坐骨结节间的距离.这段距
离基本上决定了鞍座后部的宽度,它的宽度保证
人体坐骨结节在鞍座上时的距离位置:过小容易
使结节间软组织受到挤压,过大容易影响鞍座的
平衡.坐骨结节一般9～12cm[~】.因为女性的髋骨
要宽于男性,在设计时鞍座宽度要比男性的宽一
些.
弧度弧度是指从鞍座后部过渡到鞍座鼻
部弧线的弯曲程度.由鞍座的宽度,长度,以及
骑乘者大腿内侧的脂肪厚度,髋臼窝的深浅和鞍
座的用途等决定.
垫料垫料是自行车鞍座舒适与否的一个
重要因素.它决定了鞍座的变形程度.如果垫料
过软,坐骨结节就会陷入到鞍座中,导致人体组
织的麻木和缺血;如果垫料太硬,将会导致人体
组织的疼痛.所以,垫料的柔软程度和大小是设
计中一个非常重要的因素.另外,包覆材料的透
气性,防水性,防变形性等也是应该考虑的因素.
5实例分析
下面作者以上述理论作为指导,以休闲型自 行车鞍座为例进行了计算机仿真建模设计实践,
以验证作者的指导思想.
外观造型在设计的过程中,作者主要考虑
鞍座怎样避免和减少对人体坐骨生殖区的影响.
鞍座的中部嵌入了比两侧更加柔软的垫料;从正
视图看,这一区域下陷,很好的减轻了对坐骨生
殖区的挤压.外观造型和具体设计理论原则见图
8说明.
图8休闲型自行车鞍座方位图
人体解剖学分析鞍座中间凹陷,减少了对
坐骨生殖区的压迫,开有4个圆孔,有利于散热;
鞍座前部比后部稍低,减轻了对耻骨联合部的压
迫;鞍座头部比一般自行车鞍座短窄,减轻了对
大腿内侧的摩擦;前后连接的弧度比一般自行车
鞍座要小一些,使鞍座增加了表面受力面积,减
工程图学学报
轻了对臀部的挤压,如图9所示.
图9休闲型自行车鞍座人体解剖学分析
6结束语
作者通过对鞍座的人机工学设计,借鉴相关
理论【5】,指出自行车鞍座对人体的影响主要集中
在坐骨生殖区,即坐骨结节与尺骨联合部之间的
三角形区域.因此,怎样避免和减少鞍座对坐骨
生殖区的压迫是鞍座人机工学设计的一个重要
内容.
通过总结分析,作者得出鞍座的设计原则:
①人体的生理结构决定了鞍座的宽度尺寸;②
弧度的大小由鞍座的宽度,长度和鞍座的用途
等等决定;③垫料是鞍座直接与人体接触的元
