前言 . ................................................................................................................................................................ 1
1. 设计课题的提出 . ........................................................................................................................................ 2
1.1设计选题的背景及意义 .............................................................................................................................. 2
1.2课题研究的重要性与必要性 ...................................................................................................................... 3
1.3作为课题研究所要达到的目的 .................................................................................................................. 3
1.4 国内外研究的历史与现状 . ......................................................................................................................... 3
1.4.1 人机工程学的研究现状 . .......................................................................................................................... 3
1.4.2 人机工程学用于自行车的研究现状 . ...................................................................................................... 6
2. 自行车设计中的人机因素分析 .................................................................................................................. 8
2.1 人机工程学理论 . ......................................................................................................................................... 8
2.2 自行车设计中人机工程学的应用 . ............................................................................................................. 9
2.3 尺寸测量.................................................................................................................................................... 10
2.3.1 人体静态尺寸 . ........................................................................................................................................ 10
2.3.3 百分位 .................................................................................................................................................... 10
2.4 人骑行自行车的特点和运动分析 . ........................................................................................................... 12
2.5 自行车设计中重要的物因要素 . ............................................................................................................... 13
2.5.1 自行车形态............................................................................................................................................. 13
2.5.2 自行车材料............................................................................................................................................. 13
2.5.3 自行车的表面装饰和色彩 . .................................................................................................................... 14
3. 自行车结构 ...............................................................................................................................................15
3.1 基于人体生物力学的车架结构设计 . ....................................................................................................... 15
3.1.1 车架结构改进 . ........................................................................................................................................ 15
3.1.2 改变角度 . .............................................................................................................................................. 15
3.1.3 改变管件的厚度 . .................................................................................................................................... 16
3.1.4 改变车架材料 . ........................................................................................................................................ 16
3.2 自行车车把设计 . ....................................................................................................................................... 16
3.3 自行车零件................................................................................................................................................ 17
3.3.1 前叉 ........................................................................................................................................................ 17
3.3.2 鞍座 ........................................................................................................................................................ 18
3.3.3 车轮 ........................................................................................................................................................ 18
3.3.4 踏板组合件............................................................................................................................................. 19
3.3.5 后座、挡泥板、链盒 . ............................................................................................................................ 20
4. 人与自行车系统 . .......................................................................................................................................22
4.1 人与支撑部件的关系 . ............................................................................................................................... 22
4.2 人与动力接受部件关系 . ........................................................................................................................... 22
4.3 人与传动部件关系 . ................................................................................................................................... 22
4.4 人与工作部件关系 . ................................................................................................................................... 22
4.5 自行车设计原则 . ....................................................................................................................................... 23
4.5.1基本原则 ................................................................................................................................................. 23
4.5.2 结构尺寸确定 . ........................................................................................................................................ 23
5. 结束语 .........................................................................................................................................................25
参考文献 ........................................................................................................................................................26
前言
近年来，社会经济的持续快速发展使得各国城市化、机动化水平迅速提升。然而，在城市化、机动化发展过程中所发生的交通堵塞、能源短缺、环境污染等一系列问题越来越突出。与此同时，人们对休闲娱乐的要求不断提高，更加渴望拥有绿色环保的生活环境。在这种状况下，自行车以其无污染、无噪声、占用空间小、灵活方便、自主性好、舒适型强、造价低廉、经济耐用和便于维修等特点，得到越来越多的重视，发展迅速。
自行车，又称脚踏车或单车。人骑上车后，以脚踏板为动力，是绿色环保的交通工具。其种类包含单人自行车、双人自行车和多人自行车。自行车可以作为环保的交通工具用来代步、出行；越来越多的人将自行车作为健身器材用来骑行锻炼、自行车出游；自行车本身也是一项体育竞技运动，有公路自行车赛、山地自行车赛、场地自行车赛和特地自行车比赛等。
自行车从诞生至今已有200年历史，期间人类在不断的尝试与研发过程中，将玩具式的木马车转换到今日各式新颖的休闲、运动自行车，其发展的目的也从最早的娱乐用途变为交通代步及休闲运动，竞赛领域的发展更使自行车的研发工作不断精益求精。
本着自行车设计将更强调体现人文精神，将人与自行车完美和谐地结合起来，在设计中对高科技的利用将大幅度提升，大批量面向大众的自行车设计将有下降趋势，而针对局部人群的更加个性化的小批量定向设计受到欢迎。从人体的尺寸、动作范围以及运动生理等方面出发，改进设计影响骑姿在身体各部分之间进行合理的功能分配，脚踩踏板驱动自行车前行，臀部和腰支撑上体的体重，手操纵把手控制前行方向。在此基础上进行车架设计能提高骑行的舒适性。
关键字：自行车车架人机工程学
1. 设计课题的提出
1.1设计选题的背景及意义
现代社会物质变化迅速，首当其冲的应该就是地球的环境变化，人造建筑逐渐增多，矿物质燃料的燃烧造成大气层严重的污染，大量金属类资源的粗放型消耗，尤其是汽车产业链所带来的资源、能源消耗和污染，能源的日趋枯竭和环境的日趋恶化己经成为人类关注的主题之一。
作为制造业中最大的资源消耗源和最大的环境污染源之一的汽车产业来说，2004
全世界拥有各型汽车近7亿辆，新车的年生产量约5000万辆，根据目前的估计，预计到2010年，汽车的总保有量将超过8亿辆。近年来，我国汽车工业发展迅速，汽车产量不断增长。与此同时，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，汽车消费量也在持续增长，早在2005年中国机动车消耗的石油已占全国石油需求的43%，预计到2010年机动车的石油消耗将占当年石油需求的57%。要从根本上解决这个问题还是要从人类的意识和基本生活的方方面面出发，而自行车的普及却能够实质性地缓解石油类资源，钢铁类材料消耗问题等等。符合绿色设计的长久可持续发展的理念。
在欧洲, 很多人为了减少因驾车带来的空气污染而愿意骑自行车上班，这样的人被视为环保卫士而受到尊敬。美国的报纸经常动员人们去超级市场购物时，尽量多买一些必需品，减少去超市的次数，以便节省汽油，同时减少空气污染。颇有影响的美国自行车协会一直呼吁政府在建公路时修自行车道。在德国，很多家庭喜欢和近邻用同一辆轿车甚至结伴骑行外出，以减少可能的汽车尾气排放。为洁净城市空气，伊朗首都德黑兰规定了无私车日，在这一天，伊朗总统也和市民一道乘公共汽车上班。在上海，一些公司职员经常合乘一辆出租车，名曰：“拼车”。
现有的中国自行车市场不说鱼龙混杂，也至少是参差不齐，缺少强劲有力的竞争品牌，自行车以及相关产品的高端市场一直在被诸如捷安特(Giant)，禧玛诺(Shimano)，宝马(BMw)，美利达(Merida)，闪电(Lightning)等国外品牌所把握，国内曾经的老品牌诸如凤凰，永久之类的企业也因为样式老化、新近转型和加入世贸组织受到国外品牌的冲击而在市场的占有率上显得捉襟见肘。所以在这个时候国内的自行车产业做一个结合人机工程学对于车架造型的分析、解剖、再生的调整显得尤为重要。
1.2课题研究的重要性与必要性
现今，越来越多不同年龄、不同职业的人们正渐渐喜爱上自行车这项运动，人们也不再把它仅仅当作是昔日的一个代步工具而已，更多的是一个锻炼的方式甚至是一个能陪伴的朋友，自行车文化也在慢慢以它独具一格的风采吸引着更多人投入对于这种运动的参与。但是市场上现有的自行车品种和构造还有待进一步的开发和改进，相信一经与产品设计和人机工程学相结合，就会拥有一种不可思议的能量使得本已可能被冷落的产品获得新生，给予人类幸福感受的同时，日渐改变人类的价值观念和生活方式。使越来越多的人在可以选择的情况下加入到使用自行车的行列，从而直接实现这一产业的复兴，间接地实现保护环境节约资源的目的。
1.3作为课题研究所要达到的目的
对于自行车这种工业化大生产的产物，在产品设计领域中尽展其特有的潜质之后，便一定能成为促进相关产业链得以迅速发展并具有持久扩张力的关键环节。但是，自行车车架造型特征与人机工程学理论的结合在产品设计中的应用价值还没有得到很好的执行。在资源、能源快速消耗，地球生态环境遭到严重破坏，自行车造型深度开发的过渡商业化，无节制的粗制滥造以及缺乏理性消费的时代，必须重视从人机工程学出发的自行车车架造型设计改良任务的紧迫性。无论是保证产品能够适合市场的同时具备能与同类产品竞争相媲美的能力，还是对保护环境与促进经济发展，都具有重要作用。
1.4 国内外研究的历史与现状
1.4.1人机工程学的研究现状
人机工程学又称人类工效学、人体工程学等，是二次世界大战后发展起来的一门新的综合性边缘学科。它将人一机器一环境当成一个系统来研究，以获取系统最高效率。国际人类工效学学会(简称IEA) 将人机工程学定义为：研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学方面的因素，研究人和机器及环境的相互作用，研究在工作中、家庭生活中和休假时怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题的学科。H1我国对人机工程学给出了以下定义：人机工程学是一门新兴的边缘学科。它是运用人体测量学、生理学、心理学和生物力学以及工程学等学科的研究方法和手段，综合地进行人体结构、功能、心理以及力学等问题研究的学科。用以设计使操作者能发挥最大效能
的机械、仪器和控制装置，并研究控制台上各个仪表的最适位置。醢1人机工程学是研究人在操作过程中合理地、适度地劳动和用力的规律的一门学科，该学科在自身发展过程中，有机地融入了其它相关学科的理论和方法，研究内容不断扩展，研究方法也不断完善。
人机工程学研究包括理论研究和应用研究两个方面，且重在应用。近期国外人机工程学研究的方向为：
①工作负荷研究，包括体力活动、智力活动、工作紧张等因素引起的生理负荷和心理负荷；
②工作环境研究，包括高空、深水、地下、加速、高温、低温和辐射等异常工作环境条件下的生理效应，以及一般工作与生活环境中振动、噪音、空气、照明等因素的人机工程学研究；
③工作场地、工作空间、工具装备的人机工程学研究；
④信息显示的人机工程学问题，特别是计算机终端显示中人的因素研究；
⑤计算机设计与使用的人机工程学研究；
⑥安全管理的人机工程学研究；
⑦工作成效的测量与评定；
⑧机器人设计的智能模拟等。
谢正文在对近十年来(1994～2003年) 我国近4000种主要科技期刊上发表的有关人机工程学应用研究方面的中文学术论文进行综合检索、分析研究的基础上，指出人机工程学在工程技术领域的应用研究大大领先于经济管理等其他领域，占论文总数的71．4％，且人机工程学的应用研究呈逐年上升趋势。由此可见人机工程学为其他领域注入了新的活力，同时自身的理论体系也在应用中不断发展与完善。
人机工程学的应用领域非常广泛，主要集中在人机界面设计、产品设计、作业空间设计三方面。
人通过视觉、听觉和触觉等感觉器官接受来自机器的信息，然后经过人脑的处理、决策，做出相应的动作。人与机器之间信息交流和操纵控制都发生在人机界面上。在人机工程学中人机界面是最重要的一个研究分支，它是指人机间相互施加影响的区域，凡参与人机信息交流的一切领域都属于人机界面。广义的人机界面是指人与机之间的信息交流和控制活动发生的界面，狭义的人机界面是指计算机系统中的人机界面。人机界面
设计的好坏，直接影响到人与机之间信息的交流以及操纵控制的实施。随着信息产业和软件工程学的发展，人机界面设计已成为国际计算机界最活跃的研究方向。
具体到产品上来说，人机工程学就是在产品的设计和制造方面按照人体的生理和心理需求来进行，使产品更加有益于人的身心健康。现代设计已逐渐从功能主义走向人性化，在产品设计中广泛应用了人机工程学，企业纷纷将“以人为本”、“人体工学”作为产品的卖点，推出各种符合人机工程学的产品，在市场上取得了良好的经济效益。近年来将人机工程学用于产品设计取得了巨大成功，同时也为消费者提供了更多更舒适好用的人性化产品。
人在操纵机器时所需要的操作活动空间和机器、设备、工具、被加工对象所占有的空间的总和，称为作业空间。作业空间的设计应根据人的操作活动要求，充分考虑操作者的生理和心理需求，对机器、设备、工具和被加工对象等进行合理的布局和安排，以达到操作者能舒适方便、安全可靠地操作，提高整个系统的工作效率。作业空间设计是人机工程学应用的又一重大领域，设计的好坏直接影响到完成工作的效率和疲劳的产生。作业空间设计主要包括工作区域设计、作业空间布置、座椅设计、工作台设计以及环境设计等。作业空间布置对于复杂的系统的效率影响很大，比如：车间内机器设备的布置、控制室内仪表盘上控制按钮的排列等，合理的布局能使操作者准确迅速的操作，且能减 少人的疲劳。所以在设计时应先考虑到人及其采用的作业姿势，再考虑设备，先考虑总体布局，再考虑局部设计，按照设备的使用频率和操作顺序进行布置，并把常用的显示控制设备布置在操作者的最佳作业范围内。由于很多作业采用坐姿，且坐姿是未来作业的主要工作姿势，所以座椅设计成为人机工程学研究的热门课题。座椅设计时应从座椅的使用功能出发，充分考虑到人体坐姿的生理和生物力学，让就座者能舒适地就座，方便地变换和调节坐姿。在这方面轿车驾驶座椅是研究较多的课题，研究分析了驾驶过程中疲劳产生的原因，逐步立了轿车驾驶疲劳模型，并从人机工程学的角度提出了防止和缓解驾驶疲劳的有效措施，为轿车的座椅设计提供了宝贵的设计参考。
今天，产品设计与开发更多的是在计算机辅助环境下进行的，在人机设计中引入计算机辅助设计也将成为今后人机工程学发展的一个主要趋势。计算机技术对人机工程的辅助主要表现在两个方面：一是对人机工程方法的辅助，二是对人机工程应用的辅助。利用计算机建立人体模型以及交互式虚拟仿真评价平台，将人机工程学的理论引入产品设计环节，能缩短设计周期、提高产品的安全性和舒适性。目前，常用的计算机辅助人
机工程方法包括：静态施力分析、低背受力分析、作业姿势分析、视域分析、疲劳恢复分析、舒适度分析、NIOSH 提升分析、RULA(Rapid Upper Limb Assessment)姿态分析、OWAS(Ovako Working Posture Analysis SyStem)分析方法、可及度分析及能量代谢分析等。
为了让人机工程学专家的研究成果能被其他领域的研究人员使用，开发了很多基于专家系统的人机分析软件，如Budnick 等开发的原型系统CDEEP 为设计师提供设计建议，Chen 等开发的计算机辅助人机工程学分析系统(EASY)等。
数字人体模型在人机工程学研究中的应用是从飞机、汽车的设计以及军事训练开始的。目前，在数字人体模型中，由宾西法尼亚大学开发的人机分析评价软件JACK 是其中比较典型的一个，JACK 中的人体模型不仅具有运动学特性，而且还具有动力学特性。他将人体模型分为皮肤和骨骼两层，骨骼层用来实现人体的运动、受力等的分析。加拿大蒙特利尔理工大学的研究人员开发的人机仿真软件SAFEWORK ，可以进行姿态舒适性评估，可视域及可达性判断，其人体模型软件既可生成单个个体的模型，也可生成一定百分位的人体模型。数字人体模型为人机工程学的研究提供了强有力的工具，成为人机工程学研究的一个重要课题。
1.4.2人机工程学用于自行车的研究现状
自行车经过200多年的不断演变和改进，性能不断得到提高和完善，功能也逐渐增多，结构日趋合理和稳定。从最开始的在玩具木马上装两个木制车轮，用脚蹬地驱动自行车开始，逐渐增加了能控制行进方向的车把，将木制车轮改为钢制车轮，引入充气轮胎改善骑行的舒适性，自行车的结构在1900年前后臻于完善。
在自行车的发展历程中，人们试图在驱动方面做改进，以提高骑行效率。比如：能把人体在鞍座上的颠簸转化为自行车前进动力的双重驱动自行车、用电来驱动的电动自行车、采用杠杆传动的自行车、采用齿轮传动的自行车等等。针对不同的目标用户群也出现了一些特殊的自行车，比如：多人骑自行车、水陆两用自行车、农用自行车、飞行自行车等等。
近年来人们对自行车的研究主要集中在新材料、减震、折叠、外观等方面，对自行车零部件的研究较多。自行车骑行舒适性方面的研究比较关注于鞍座和把套等部件的形态设计。但对自行车整体车架结构进行分析，我们会发现变化不大。把人机工程学理论
引入到自行车设计中，将会使自行车的结构发生改变，并使自行车的性能有很大的改善。人机工程学在自行车行业的应用，将会推动自行车朝着舒适高效的方向发展，也许还将带来自行车设计的新时代。
自行车的研究比较多的方面是自行车的舒适性：64％的被调查者抱怨骑车不舒服，其中女性比男性的比例更高，女性为74％，男性为55％。对于女性来说年龄是一个重要的因素，因为更多的抱怨者是老年人(76．69％) 。其中抱怨最多的是：前臂和手掌疼痛(手腕，手指，肘32％) ，臀部疼痛(臀部、生殖器29％) ，脖子和肩膀疼痛(18％) ，膝盖疼痛(10％) ，通常这些疼痛是同时出现的。这一问卷调查给自行车设计提出了舒适性方面的要求。
自行车的另一个研究比较多的方面是，空气阻力对骑行速度的影响以及如何充分发挥赛车运动员的最大潜能，以提高自行车的骑行速度和骑行效率。不同骑行姿势的空气阻力，发现空气阻力随风速增大而显著增大，运动员姿势角由110°减小到90°时，空气阻力增加14％；姿势角由90°减小到70°时，空气阻力增加19％。大腿股四头肌力量训练对提高膝关节速度、法向加速度、切向加速度与大腿摆动角速度、角加速度及其重要；小腿三头肌瞬时功率增加可以提高曲柄的角加速度及角速度，有利于骑行速度的提高；骑行蹬踏过程中，踝关节肌肉力量的强弱直接决定完成动作时支撑的稳固性及膝关节作用力的效率。相关学者提出了以下建议：注重大腿肌群力量的训练，尤其是股四头肌的强化训练，提高其专项摆动能力，以获得较高的角速度及髋、膝、踝关节的速度；培养运动员下肢肌肉收缩与放松迅速交替的能力，以保证下肢运动骨杠杆的协调运动与动作的连贯性，避免蹬踏运动的僵硬；蹬踏过程中，接近“死点”位置时，处于下“死点”位置的足踝应积极做出踏提动作，以获得其角速度的提高，从而利于曲柄角速度的增加，并且还有利于上“死点”位置的踏点顺利平滑渡过“死点”，加强该专项能力训练时应多强化小腿三头肌肌力和踝关节柔韧训练。
2. 自行车设计中的人机因素分析
2.1 人机工程学理论
人机工程学 (Ergonomics)是一门兼容技术科学、人体科学和社会科学的综合性新兴边缘学科，处于许多学科和专业技术的接合部上。它除了同有关工程技术学科关系密切以外，还与生理学、心理学、人体解剖学、人体测量学、人类学、环境保护学、管理科学、色彩学和信息学等学科都有密切联系。因此，它是技术科学和社会科学工作者共同研究的课题。心理学中的工程心理学，是当今人机工程学的主要基础学科之一，它所研究的对象虽然都是人机系统中“人”这一环节，但工程心理学侧重于对人的心理活动的研究。人机工程学则是在综合各门学科的基础上，全面考虑“人的因素”，从而对人机系统的设计、使用提供更全面的依据。人体解剖学提供了人的肢体所能发挥的力量及肌肉关节等动作限度的资料，这将有助于人机系统的设计。人体测量学对人体静态和动态尺寸（如人体身高，上、下肢的长度，人坐着或站立时肢体运动的角度和尺寸等）的测量资料，为人机系统的设计和工作空间布置提供了科学依据。生理学及环境保护学研究人体各方面的机能和效率，以及各种环境对人体的影响。人机工程学常常应用它们的研究结果来提高人机系统设计的质量，创造良好的工作环境和保证人体正常的生理活动，从而达到提高人机系统工作效率的目的。技术学科往往是研究工程技术设计的具体内容和方法，而人机工程学所要解决的不是这些设计中的具体技术问题，而是工程设计如何才能适合于人的使用的问题，并从这个角度出发，向设计人员提供必要的参数和要求，使设计更加合理，更加适合于人的生理和心理要求。可见，人机工程学的研究内容是很广泛的，它涉及到设备和仪表设计（包括人机系统设计）、工艺选择、环境保护、安全工程、劳动保护、劳动卫生、劳动生理、工业心理、人体测量、工业美术设计、行为科学及劳动的科学组织管理等知识或学科。在人机系统中，人同机器的关系总是相互作用、相互配合与相互制约和发展的，但起主要作用的始终是人。因此，为了能充分地发挥人和机器设备的作用，使整个人机系统高效、可靠、安全以及操纵的方便，设计人机系统时就得充分考虑人和机器的特征与机能，使之相互协调配合，构成有机整体，达到人们生产活动的最佳效果。为了达到上述的设计目的，在设计人机系统时，考虑人机界面的合理匹配则是至关重要的。如果人机界面的设计匹配不合理，人机系统总体效能的发挥将受到严重影响，甚至出现重大事故。
而人类所谓人性化的产品，就是包含人机工程的产品，只要是“人”所使用的产品，都应在人机工程上加以考虑，产品的造型与人机工程无疑是结合在一起的。可以将创门描述为：以心理为圆心，生理为半径，用以建立人与物（产品）之间和谐关系的方式，最大限度地挖掘人的潜能，综合平衡地使用人的肌能，保护人体健康，从而提高生产率。仅从工业设计这一范畴来看，大至宇航系统、城市规划、建筑设施、自动化工厂、机械设备、交通工具，小至家具、服装、文具以及盆、杯、碗筷之类各种生产与生活所创造的“物”，在设计和制造时都必须把“人的因素”作为一个重要的条件来考虑。若将产品类别区分为专业用品和一般用品的话，专业用品在人机工程上则会有更多的考虑，它比较偏重于生理学的层面；而一般性产品则必须兼顾心理层面的问题，需要更多的符合美学及潮流的设计，也就是应以产品人性化的需求为主。
自行车骑姿是由骑乘者与自行车的把手、鞍座以及脚踏板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、鞍座以及脚踏板三者之间的位置，让骑行者在骑行过程中身体各部分尽可能处于自然状态。
2.2 自行车设计中人机工程学的应用
人机工程学在自行车设计中的应用不仅包括自行车的整体结构设计的合理性、舒 适性，还要包括人体在内的自行车主要分类三大部件分，即前部（以人的肩宽与车把 的宽度、前叉翘度、前轮的质量等），中部（以人的臂长与车架上管的长度、立管的 高度、前叉斜度）和后部（以人的腿长度和鞍座位置，曲柄长度及链轮与飞轮的速比， 达到最佳的驱动效果）。
德国HP VELTECHNIK 公司在“2003科隆国际自行车展”上推出的一款“GRASSHOPPER ”的靠背式自行车，“GRASSHOPPER ”最明显的特征主要体现在其配有一种按“人机工程学原理”设计、采用坚固的“硬壳件”精心制作而成的靠背座椅。此种由骨盆形支撑件或浴盆形支架以及可调式“中心部件”组成、结构奇特的靠背座椅，可通过一种快速夹紧装置进行调节。由此，那些喜欢外出长途旅游的骑车者，就可借助于此种快速夹紧装置，在极短的时间内，将靠背座椅的高度、宽度调整到位，从而使其能完全同自己的身材、身高或使用目的相吻合。总的来说，该自行车充分考虑到自行车整体舒适性，躺式的骑行姿势可以加速骑行速度。中国的捷安特生产的Revive DX 型自行车座椅靠背的多位置
腰部支撑式可以让骑行者处于一种安全自然的状态，减轻骑行者骑行所带来的腰部疲劳，完美的人机工程设计让骑行者更舒服。
美国的spiderflex 公司运用人机工程学设计出spider 自行车鞍座，Spider 鞍座的主要特点是:（1）大面积的座位可以更好的分布压力。（2）从人机角度出发设计的分离型的中部中空可以消除对阴部的压力。（3）通风槽可以减小温度和湿度的累积。（4）消除大腿内侧的摩擦。（5）适合任何自行车型用。因此，spider 自行车鞍座真正解决了鞍座设计缺陷导致人体的生理压力以及心理压力。
总而言之，人机工程学在自行车设计中的应用越来越广，从鞍座、车把和靠背各零部件到自行车的整体设计都不可或缺。
2.3 尺寸测量
2.3.1 人体静态尺寸
人体静态尺度一般是指人体所占有的三维空间，包括人体高度、宽度和胸廓前后 径，以及各部分肢体的大小等。人体尺度会随国家、地区、民族、性别、年龄、职业、 生活状态等的不同而有差异。一般来说，某一个体的测量尺寸不能作为设计的依据。 为使产品适合于一个群体的使用，设计中需要的是一个群体的测量尺寸。然而，全面 测量是不现实的，通常是通过测量群体中较少量个体的尺寸，然后经过均值、方差、 标准差、抽样误差、百分位数的数学统计理论方法，获得所需群体尺寸的统计规律和 特征参数圈。
2.3.3 百分位
人体测量的数据常以百分位来表示人体尺寸等，百分位数是一种位置指标，一个 界值，它不是某一确定的数值，而是表示了某一测量数值所标志的群体数量与整个群 体之间的百分比关系。百分位的定义是：表示具有某一人体尺寸和小于该尺寸的人占 统计对象总人数的百分比，以符号P K 表示。一个百分位数将总体或样本的全部测量值 分为两部分，有K%的测量值等于或小于此数，有（100-K ）%的测量值大于此数。最常 用的是第5、50、95三个百分位数，分别记作P 5、P 50、P 95其中,P 5代表“小”身材的人群，指的是有5%的人群身材尺寸小于此值，而有95%的人群身材尺寸大于此值；P 95代表“大”身材的人群，指的是有95%的人群身材尺寸小于此值，而有5%的人群身材尺寸大于此值：P 50代表“中”身材的人群，指的是有50%的人群身材尺寸小于此值，而
有50%的人群身材尺寸大于此值，第50百分位的数值可以说接近平均值，但绝不能理解为有“平均人”这样的尺寸。事实上几乎没有任何人真正够得上“平均人”。美国的Hertz 一bexy 博士在讨论关于“平均人”的时候指出：“没有平均的男人和女人存在，或许只是个别一两项上（如身高、体重或坐高、是平均值）”。
当今的自行车市场上所供应的自行车品种繁多，样式各异。在这里，主要对自行车的大小进行分类，按照大小分为：儿童车12~20英寸，成人车22~28英寸，山地自行车和城市自行车26英寸，跑车27英寸。在自行车的设计中，需要利用双限值设计作为设计的依据。双限值设计指的是利用两个人体尺寸百分位数作为尺寸上限值和下限值。因为为了使骑行者的手和脚能够很方便地操作车把和脚踏板，以及通过调节鞍座的位置来达到舒适度。这样，在确定自行车的尺寸时，可以采取第1~99百分位数据作为尺寸设计的依据；在确定鞍座的高低调节范围时，就需要两个设计界限值--上限值和下限值，宜取坐姿眼高的第95、5百分位尺寸数据作为上、下限值的依据。表2.1是人体尺寸、百分位以及自行车型号的关系。我国自行车型号编制的方法是按国家标准GB3565-83规定的，由两个汉语拼音字母和2~3个阿拉伯数字组成，第一个汉语字母代表自行车的种类。P-普通车；Q-轻便车；Z-载重车；S-赛车；X-小轮车；T-特种车。
2.4 人骑行自行车的特点和运动分析
在人与自行车构成的系统中，人为主要因素，因为人要完成控制和驱动的作用，所以在自行车设计中应考虑到人自身的特点：
（1）人的蹬力：人的蹬力与姿势及用力方向、足的位置有关。若坐姿有靠背支撑可产生最大的蹬力。除此之外，还与速比和左右腿有关。
（2）人体动作的用力特点：人体大肌肉关节的突然弯曲或伸直，可以产生很大的爆发力，并伴有运动肢体的冲力，可以获得较大的力量。
（3）人体动作的灵活性特点：人体肢体在水平面上的运动比垂直面的运动速度快；肢体从上往下较从下往上运动速度快。
人体在骑行自行车的时候，身体前倾，身体上肢的重心位于鞍座和车把之间。双臂向延伸分开两手握把，臀部坐在鞍座上，坐骨结节支撑上肢重量，同时耻骨也在鞍座上作辅助支撑，臀部臀大肌和皮下脂肪起到缓冲的作用。大腿以骸臼窝为支点在作曲伸运动。蹬踏踏板的时候，大腿曲髓时骼腰肌、股直肌分别收缩；伸骸时臀大肌、股二头肌、半键肌、半膜肌分别收缩；半键肌位于大腿的内侧，与鞍座的宽度有一定的联系。大腿后侧脂肪较厚，骑行时它与鞍座后缘会有一定的摩擦和阻碍。这种情况会促使臀部前移，摩擦臀部的肌肉，对骑行者造成一定的影响。
2.5 自行车设计中重要的物因要素
2.5.1 自行车形态
传统自行车设计，最能体现自行车形态是车架造型。车架的造型设计是体现自行车整车形体、风格和款式等最重要的部分，也是车辆保证质量和性能的基础。
车架的设计形式可以有多种衍化，然而车架造型设计又是比较困难的，尤其是车架的受力分析。许多设计人员往往对车架的受力分析及计算难以掌握，故造型设计常拘于传统。在自行车设计中可以用轮距、中轴高、翘度、伸距、前角、主管角等参数来协调车架的具体形状和位置尺寸的变化。这些尺寸只要保证在一定技术规定以及人体尺寸的分布范围内。选择方式就可以形成多种形式。
2.5.2 自行车材料
自行车材料是自行车生产的关键问题之一，一直受到自行车设计! 制造和使用者的高度重视。
1790年，法国人米狄#德#西福拉克制成的世界上第一辆自行车是全木结构的，人们称其为木马轮。1839年，苏格兰人麦克米伦将木制结构的改为钢铁结构，这是自行车材料方面的一次重大革命。钢铁工业的发展极大地促进了自行车工业的发展。
随着生活水平的提高，人们对自行车的要求越来越高，不但要求式样新颖、美观大方、重量轻、行速快，而且还要求售价适当，这就对自行车材料提出了更高的要求。自行车的材料己从当初以普通碳素钢、铬铝钢、铬锰钢以及铝合金材料为主，逐步发展到采用工程合成塑料、热塑性材料（重量和弹性与碳纤维相仿，具有复原性能好、可塑性强、耐撞击、吸震性强等特性）、AERMETIOO 超强合金钢、模压高级复合材料（用环氧树脂、玻璃纤维等材料制成，可制造车架用管材）、不锈钢、铁合金、镁合金、抗合金、
碳纤维、玻璃纤维合成材料(特点:耐气候、抗损伤、抗拉强度较高) 等一系列科技含量较高的新型材料。
新材料的应用对于自行车设计与工程来说，始终都是人们所追求的。如今每年许多自行车公司都会推出各式各样的概念车，其中就会有很多新材料在车上的大胆运用。他们一般都会具有独特的使用及视觉效果，或能减低生产成本或能减少污染等，只要它们一旦得到社会的积极反映，就会有可能被运用到之后推出的量产车之中。这样人们也就会很快感受到新材料在自行车上的运用带来的舒适感受。
2.5.3 自行车的表面装饰和色彩
在上世纪，仅被人们作为健身、娱乐、代步工具的自行车，外观造型千篇一律，色彩单一，大多是黑白金属色，产品缺乏视觉的审美性。而今天，经济发展已经达到了生活必需品十分丰富的地步，商品生产供大于求，人们在自行车的选购上已经不满足于作为单纯的代步工具, 而是通过车的造型、五颜六色的色彩来体现自己的审美情趣，并以它所具有的丰富多彩的视觉传达效应，来表达自己的个性和爱好，自行车的装饰逐渐趋向时装化、人性化。我们可以从凤凰自行车的发展以及自行车概念设计与自行车交易会上，自行车定货成交数量看出，造型新颖、彰显个性色彩的自行车备受消费者的青睐。这是因为好多人买自行车也像买时装一样喜欢挑挑拣拣，这种情况现在国外相当普遍。
现在的自行车颜色可谓丰富多彩，一般均为多色、双色镶拼和多种色彩组合而成的色彩（有三色、四色、五色甚至更多）以及立体感较强的荧光丝纹贴花、花色贴花，各种莹光漆、珠光漆、裂纹漆、条纹漆更为常见。因此，无论喜欢何种颜色的人均能买到自己喜欢的自行车。在德国、英国、荷兰、法国、意大利、美国、加拿大等一些工业发达的欧美国家中，单色的自行车己排不上号，取而代之的是各式纹理漆、精细的彩色花纹、各种精美绝伦的抽象派和现代派油画式图案以及许多几乎能体现水花和山水花纹、颜色如同大理石一般的亮丽色彩。除此之外，表现各种人物和动物的艺术图案现也纷纷进入车架表面涂饰这一领域，有的厂家己将生动活泼的动物图案、儿童卡通画搬上自行车的鞍座和车架，甚至自行车运动竞赛冠军（各种不同的比赛运动项目冠军）及电影明星画像也搬上粗犷的山地自行车或越野自行车车架。为了使自行车色彩更为和谐，有部分厂家在车把立管上还采用了色彩和车架相仿的多彩朦胧艺术图案的表面装饰，这种饰使人在视觉和触觉上始终有一种新鲜的感觉，目前已成为自行车市场上的一种流行趋势。
3. 自行车结构
3.1 基于人体生物力学的车架结构设计
针对一个身高为 1740mm 的人体，以中轴为坐标原点，得到鞍座位置参数坐标（191，580），车把位置参数坐标为（-429，693），分析得到车把、鞍座、中轴三个位置的载荷如表 3-1 所示。
表3-1 车架所受荷载
图3-1 车架结构模型
3.1.1车架结构改进
下面以适合此人体特征参数的自行车车架结构为前提，从结构角度修改模型的可变参数，选取三种在实际中可行的方案进行结构改进，探寻降低应力的方法。
3.1.2 改变角度
所谓改变角度，就是改变每个管件之间的夹角。本文所改变的角度是立管相对于地面的倾角，上文分析了特定人体参数对应的车架结构的强度，其中立管和水平地面的夹角为72 ，下面将分析立管和水平地面夹角为75 的自行车车架。车把、鞍座、中轴三个位置的载荷如表 3-2 所示。
表3-2 车架所受荷载
车架的最大应力值为 71.047Mpa，应力值有所减小，但是降低幅度不大。表明适合人体特征参数的自行车车架具有良好的骑行性能。
3.1.3改变管件的厚度
由上文知，适合人体特征参数的自行车车架最大应力值远小于许用应力，将车架的上管和下管壁厚由 1.8mm 减小到 1.6mm。车架的最大等效应力值增大到 85.901Mpa，但是仍然小于许用应力，因此，在车架强度足够的前提下，可以考虑减小壁厚，从而减轻整车重量，也节省了材料。
3.1.4改变车架材料
由于人们购买自行车时越来越多的考虑骑行使用轻便快捷的问题，因此很多中高档车型都使用了新型材料，如碳纤维、镁合金、铝合金等，将本文中车架材料采用的铬钼钢改为 6061 型铝合金。铝合金的屈服强度为 276Mpa，车架的最大等效应力70.128Mpa ，小于许用应力，由于车架体积没变，铝合金的密度又大约是钢的 1/3，所以在减小应力的同时，减轻了车架的质量，这种新型材料值得大力推广。
3.2 自行车车把设计
车把是自行车操控的主要部件之一，主要由把横、把立与把套或把带组成，有时候会根据实际需要而增加副把。选择合适的车把，可以为骑行带来更好的骑乘舒适性与操控体验。
按材料有钢管车把，铝合金管车把，钛合金管车把，碳纤维及复合材料的车把。现在国际标准的车把长度通常有是560mm ，580mm ，610mm 640mm 680mm这几种常用的规格。(测量长度通常都是用mm 作为单位计数)
目前自行车车把有四种，分别是弯把、直把、雁把和蝴蝶把：（1）直把的特性是车把距离短，操控性比较灵活，重量轻。一般的距离在560-580mm 之间，如果配合上副把之后，当站立蹬踏摇车加速时都是很方便的，唯一不足就是由于车把长度限制，操作动作活动的角度不是很大，感觉骑车表现出的动作都很“温柔”。所以通常使用在越野车上比较多。（2）雁把在一些地方又称为“雁翅”，因为样子极像大雁展开的翅膀所以相性化的叫做雁把。雁把的特性是距离长，管径粗，冷拔变径管技术使用频繁，加工热处理技术复杂。有多种弯曲度的可以供爱好者挑选。在舒适程度上也要要高于直把，但重量上略高于直把，由于管径粗，弯曲角度的原因。车把的缓冲性上有了很大的提高，
通常使用在一些运动比较激烈的车种上面，比如DS (双人回转) DH (速降) 车种上面。通常使用的长度都在640mm 以上，不过部分长度为610mm 的雁把也用常常在山地越野车上面。（3）弯把主要用于公路车上的车把，测量方法也和平常的山地车把长度测量不一样，其测量方法是车把末端的左右圆心之间的距离即为车把的长度，一般说来有40mm ，42mm 44mm 这几个常用规格，在跑车方面还有一些形状比较怪异的专用车把，比如个人计时赛上面的车把。这种车把局限性更大，使用的一般都是在专业比赛上。很少有车能与这类车把兼容。（4）蝴蝶把顾名思义就是车把的样子极为像一个展开翅膀的蝴蝶，这种车把常使用在长途旅行自行车上面，由于车把的整体范围宽广，加上车把各种本身角度的弯曲，可以使骑行者有不同的姿势进行更换，以便于防止负重骑行时造成运动损伤。很好的操控性成为旅行自行车的首选。
所以选择弯把，车把长度为42mm 的规格。如图3-2所示。
图3-2 弯把
3.3 自行车零件
3.3.1 前叉
前叉是自行车的导向部件之一。
前叉在自行车结构中处于前方部位，它的上端与车把部件相连，车架部件与前管配合，下端与前轴部件配合，组成自行车的导向系统。转动车把和前叉，可以使前轮改变方向，起到了自行车的导向作用。此外，还可以起到控制自行车行驶的作用。
前叉部件的受力情况属悬臂梁性质，故前叉部件必须具有足够的强度等性质。车胎充足气后，车轮与道路的接触面积小，摩擦阻力相应减小，使得行驶较轻松。但是，一旦遇上高低不平的道路，就会颠簸不稳，特别是前叉震动更加厉害。
因此，近几年来，人们又研究出了具有减震作用的前叉——避震前叉。避震前叉将自行车的车架和前轮弹性的连接在一起，
可吸收并缓解因路面不平而传递给车架的冲击
和震动，保持骑行的舒适和平稳。由于减震装雹具有缓冲作用，可以避免某些零件因过分震动而损坏。
3.3.2 鞍座
鞍座是保证长时间骑行不疲劳的关键部件，运动车一般采用无弹簧式鞍座一一鞍座面下应采用较硬的海绵，形状以狭长为宜。鞍座的长度、宽度的鞍梁的结构是以车型和乘者的性别、习惯来确定。鞍座的结构设计应充分考虑乘者舒适。
鞍座依靠鞍管与车架做钢性连接，用来承受人体的重量。具体来说：鞍座面：是人体体重的支撑面，具有良好的强度和弹性，它由鞍座面皮和垫皮组成。
鞍座架：又称鞍梁，是鞍座的主体，其结构比较复杂，一般由前后撑板，左右鞍撑，上下梁组成，并连接和支撑鞍面。
鞍座簧：实质上是鞍座架的一部分。它支撑着鞍座架和鞍座面，起着缓冲和减震的作用。鞍座簧的形式有立簧、卧簧和拉簧等几种。
鞍座夹：又称鞍座卡，是由夹紧螺钉，座夹和夹板等组成，用来将鞍座固定在鞍簧上。自行车的座垫下安装弹簧，可以利用它的缓冲作用以减小震动。
3.3.3车轮
自行车的车轮属于导向系统（前轮）也属于驱动系统（后轮），其种类型主要分为传统型（辐条型）和实体型。
传统的自行车车轮由轮胎（内胎、外胎）、辐条，花毂等组成，其结构造型其中，车轮的外胎又分软边胎和硬边胎两种。软边胎断面宽，能全部裹住内胎，着地面积比较大，能适宜多种道路行驶。硬边胎自重轻，着地面积小适宜在平坦的道路上行驶，具有阻力小，行驶轻快等优点。外胎上的花纹是为了增加与地面的摩擦力。山地自行车的外胎宽度特别宽，花纹较深也是适应越野山地用。车轮的辐条一般是等径的，为了减轻重力，也有制成两端大、中间小的变径辐条，还有为了减少空气阻力将辐条制成扁流线。但近几年，市场上出现了脱离传统的车轮——实体车轮，整个车轮都是一体的。这些造型奇特的车轮一般都用在运动型自行车上。
两种类型的车轮相较，辐条车轮较轻，但实体车轮更符合空气动力学原理。
3.3.4 踏板组合件
踏板是自行车驱动系统的主要部件，是自行车驱动力——蹬力的“传点”。在这组组合件中包含中轴、曲柄等多种零件，具体组装三维模型
1、脚蹬部件
脚蹬部件装配在中轴部件的左右曲柄上，是一个将平动力转化为转动力的装置，自行车骑行时，脚踏力首先传递给脚蹬部件，然后由脚蹬轴转动曲柄，中轴，链条飞轮，使后轮转动，从而使自行车前进。因此脚蹬部件的结构和规格是否合适，将直接影响骑车人的放脚位置是否合适，自行车的驱动能否顺利进行。
2、脚踏板
脚踏板可分为整体式脚踏板和组合式脚踏板。无论什么款式的脚踏板都必须有脚
踏面，必须安全可靠，并且具有一定的防滑性能，制造材料可以选用橡胶、塑料或金属。脚踏板必须转动灵活。脚踏板是整个车子，旋转部位的动力源，过去的踏板其鞋底板自出力点中央至曲柄的距离都超过５２哪。近年来国外有新品，踏板轴的长度缩短为４７ｒａｍ是可增加力矩的。
3、曲柄
曲柄的长度使用上，原则以下肢长来调配，此外还得考虑项目的应用，一般曲柄大众化的尺寸，都是从16.5 cm起，每隔0.25 cm为一标准，到17.5 cm，(165、167.5、170、172.5、175) 等五种，但实际应用时对其尺寸的要求更为精密化。
4、链条
链条又称车链、滚子链，安装在链轮和飞轮上。其作用是将脚踏力由曲柄、链轮传递到飞轮和后轮上，带动自行车前进。
创建一个新的装配体，在前视基准面创建一个自行车草图，在该草图中绘制关键零件，并把每个零件生成块，其中块的名称修改成零件的名称，每个块只需要表达零件的关键形状、尺寸和位置即可，不需要画上全部的细节。
5、链轮
链轮需用高强度钢材制成，保证其达到需要的拉力强度。
6、飞轮
飞轮以内螺纹旋拧固定在后轴的右端，与链轮保持同一平面，并通过链条与链轮相连接，构成自行车的驱动系统。
飞轮从结构上可分为单级飞轮和多级飞轮两大类。
单级飞轮又称为单链轮片飞轮，主要由外套、平挡和芯子、千斤、千斤簧、垫圈等零件组成。单级飞轮的工作原理：当向前踏动脚踏是，链条带动飞轮向前转动，这时飞轮内齿和千斤相含，飞轮的转动力通过千斤传到芯子，芯子带动后轴和后轮转动，自行车就前进了。当停止踏动脚踏板时，链条和外套都不旋转，但后轮在惯性作用下仍然带动芯子和千斤向前转动，这时飞轮内齿产生相对滑动，由此将芯子压缩到芯子的槽口内，千斤又压缩了千斤簧。当千斤齿顶滑到飞轮内齿顶端时，千斤簧被压缩得最多，再稍微向前滑一点，千斤被千斤簧弹到齿根上，发出“嗒嗒”的声响。芯子转动加快，千斤也很快在各个飞轮内齿上滑动，发出“嗒嗒”的声音。当反向踏动脚踏时，外套反向转动，会加速千斤的滑动。使“嗒嗒”声响的更急促。
多级飞轮是自行车变速装置中的一个重要部件。多级飞轮是在单级飞轮的基础上，增加几片飞轮片，与中轴上的链轮结合，组成各种不同的传递比，从而改变了自行车的速度。
3.3.5 后座、挡泥板、链盒
自行车的部件除了上述的几种主要部件，还包括挡泥板、撑脚、车闸等附件，具体功用、造型如下所述：
１、挡泥板：
挡泥板属可选择性部件，休闲自行车一般都会安装，但运动车一般以不装挡泥板为宜，有时也可采用窄形挡泥板。
2、后座
后座又称货架，其功用主要用来承载，一般自行车都有安装，运动车则很少安装。后座的造型非常多，图2-11及是比较常见的造型
3、车闸
车闸是保证骑乘者安全的结构，其优点是刹车的制动点不在轮缘上，不会损坏车圈的电镀层。车间按制动点的位置来分，可以分为轮缘闸和轴闸两大类，我们重点介绍最常见的轮缘闸。
轮缘闸是一种通过机械杠杆、推杆、拉杆或钢丝绳等直接将高摩擦因素的闸皮压向车圈边缘后轮胎，将转动中的车轮刹停的装置。轮缘闸结构简单，维修保养方便，因此被广泛使用。但是，如果接触车圈轮缘不正，或雨水淋湿的影响，会降低摩擦，从而影响制动的效果。常见的有：
（1）普通闸：优点为接触面合理，制动力矩大，制动灵敏，刹车性能可靠，结构简单和安装修理方便。
（2）钳形闸：当刹车时，其左右闸叉和闸皮就像钳子一样，紧紧地钳住车圈的两个端边，达到使车减速或停的目的。优点是刹车时力臂大，制动效果好，传动零件少，调节和维修方便，重力轻，外形美观。悬臂闸：优点为悬臂闸刹车时的力矩比钳形闸更大。制动性能好，结构简单。重力轻，调节和维修方便。前触闸：前触闸是靠杠杆原理制动的。当手握紧闸把时，闸把的另一头梅接头、拉杆、拉管向下压，使闸皮向下压至与轮胎接触，产生摩擦制动力。其缺点是刹车教果与轮胎充气程度有关。充气不足时，会使摩擦力减小，影响刹车效果。脚闸：优点为由于刹车是用脚力的，所以在脚闸上产生的正压力越大，刹车效果越好。
4. 人与自行车系统
组成自行车的功能是供人骑行，就发挥自行车的功能作用而言，把人看作自行车的组成部分是完全合理的。因此，人在骑车时组成了人一车系统，该人一车系统中的人一车界面关系可由图来进行分析。
4.1 人与支撑部件的关系
支撑部件主要有车架、前叉、鞍座和车把等，是自行车的构架。支撑部分将其他零部件固定在相互间正确的位置上，保证自行车的整体性，实现自行车的功能。从人机关系来看，鞍座、车把和车架等的位置和大小，以及它们间的相互关系，与骑车人的位置和肌肉的动作有着性的设计参数。
4.2 人与动力接受部件关系
动力接受部件主要是脚蹬和曲柄。动力是靠骑车人的双脚踩在脚蹬上，下肢运动的力使曲柄转动而产生的。为了使人省力和有舒适感，必须在骑自行车人的体格和体力与自行车元件的尺寸关系上下功夫，即研究人体下肢肌肉的收缩运动与曲柄转动之间的能量转换问题。
4.3 人与传动部件关系
传动部件主要是滚珠、链条和链轮。人的作用力是通过链条和链轮传动而带动后轮转动，从而使自行车前移。传动部分的设计关键是要有较高的传动效率和可靠性，且有易操纵的变速机构。保证较高的传动效率，才能使人用一定的肌力而获得较大的输出功率。
4.4 人与工作部件关系
工作部件就是车轮，即车圈、轮胎等。绝大部分轮胎是充气的，少数是实心的。车轮一方面把骑车人的肌肉力量，有效地转换为同地面接触而向前运动的力；另一方面将骑车人的握力转换为与接地部分所产生的刹车阻力。在设计自行车的各部分尺寸、车闸及变速器等时，应该着眼于骑车人——动力——传动——工作的连贯性，才可能设计出同骑车人手的大小或握力相适应的闸把、刹车力适当的车闸，才不会发生刹车阻力不够而造成失误现象。
4.5 自行车设计原则
自行车设计要从材料强度、骑行运动学、加工工艺，可靠性等各个方面进行考虑，这些因素都直接影响着车架的外观美感、强度大小和弹性优劣。而车架造型很大程度上决定着自行车骑行好坏、易转性能、骑行舒畅感等。车架管材的长短、构成的角度等影响整体自行车的特性。除考虑车架的造型结构尺寸外，尤其应该考虑自行车与人的协调关系，以及身体尺寸与自行车各部件之间的关系。主要的基本技术参数有:前管轴线与地面夹角、立管轴线与地面夹角p 、传动中心距C 、前后轮中心距D 、中接头中心离地距离E 等。只有这些参数均趋于合理，才能保证自行车的稳定性和操纵性。下面以大众车为例，讨论如何确定车架设计方案。
4.5.1基本原则
（1）自行车的性能是通过人来体现的，它的结构设计应以人为主，充分考虑到人体工程学、自行车运动学、形态美学等方面的知识。
（2）车架的形状和尺度与其功能有关。要求外形尺寸合适，以提高骑行舒适性; 要求所受阻力最小，骑行的输出性能最佳。
（3）要求有足够的刚性和强度，并且尽量减少重量。具有良好的抗冲击、耐疲劳性，以保证寿命使用。
4.5.2 结构尺寸确定
1. 车架规格
运动员下肢(大腿、小腿、脚) 的长短，决定车架的高度。上肢(上臂、下臂和手腕) 的长短与胸之和，决定车架的长度。
2. 前角和后角
前角指前管对于车架的倾斜度。前角为710时，操纵性和稳定性都比较好，确定其范围为650 -750。赛车车架的前角更陡，采用730-750，这样在骑行时反应快，速度灵活。坐管角取与前角相同，陡的角度可使骑车者前扑在中轴的上方，从而获得较大的蹬力。后角指立管轴线与地面夹角。后角决定了骑行者在自行车上的重心位置，一般认为在680 -73。范围内。当传动中心距设定的值较小时，角度偏小，反之偏大。
3. 前又翘度
前叉翘度指前管中心线和前轮轴之间的垂直距离。为提高自行车的的导向灵活性，一般取较小的值。
4. 上管长度
从鞍立管接头到前叉接头的长度，角度较陡的赛车车架相应地使上管缩短了。这样可使骑车者能下扑着双手握住车把骑行，以减小风的阻力并增强脚踏的力量。
5. 转距
为了减少自行车的重量，提高运动性能，必须考虑尽量缩短轮距。前、后轮中心距的尺寸大小与传动中心距有关，当传动中心距较小时前、后轮中心距可取小一些，反之取大一点。
6. 后心距
从保证车架的刚性和良好的加速性能出发，尽量缩短后心距。
5. 结束语
本文结合某邮政局提出的对现用邮政投递自行车的改进要求，基于骑行安全性与舒适性的自行车设计方法，对目前国内现用的自行车和国外某型自行车分别进行了三维造型和车架的分析，通过数据的对比分析，找出了存在的问题，分析结果选用了三种方法对车架进行了改进，分别是改变壁厚，改变管径，改变材料，使车架的设计更合理。对自行车检测方法进行了阐述，将实验数据与自行车检测标准中设定的数据进行对比分析，自行车检测实验方法与实际骑行情况有较大区别，在此基础上提出了自行车的检测标准应结合不同车型分别制定。
本文的研究成果对于自行车的自主创新设计具有重要的理论意义和实际应用价值。
参考文献
1. 基于人机工程学的自行车车架造型特征研究杨峰
2. 基于人机工程学的自行车设计研究旷红梅
3. 自行车设计中的人机因素分析与研究林霜
4. 安全人机工程学中国劳动保障出版社张力等
前言 . ................................................................................................................................................................ 1
1. 设计课题的提出 . ........................................................................................................................................ 2
1.1设计选题的背景及意义 .............................................................................................................................. 2
1.2课题研究的重要性与必要性 ...................................................................................................................... 3
1.3作为课题研究所要达到的目的 .................................................................................................................. 3
1.4 国内外研究的历史与现状 . ......................................................................................................................... 3
1.4.1 人机工程学的研究现状 . .......................................................................................................................... 3
1.4.2 人机工程学用于自行车的研究现状 . ...................................................................................................... 6
2. 自行车设计中的人机因素分析 .................................................................................................................. 8
2.1 人机工程学理论 . ......................................................................................................................................... 8
2.2 自行车设计中人机工程学的应用 . ............................................................................................................. 9
2.3 尺寸测量.................................................................................................................................................... 10
2.3.1 人体静态尺寸 . ........................................................................................................................................ 10
2.3.3 百分位 .................................................................................................................................................... 10
2.4 人骑行自行车的特点和运动分析 . ........................................................................................................... 12
2.5 自行车设计中重要的物因要素 . ............................................................................................................... 13
2.5.1 自行车形态............................................................................................................................................. 13
2.5.2 自行车材料............................................................................................................................................. 13
2.5.3 自行车的表面装饰和色彩 . .................................................................................................................... 14
3. 自行车结构 ...............................................................................................................................................15
3.1 基于人体生物力学的车架结构设计 . ....................................................................................................... 15
3.1.1 车架结构改进 . ........................................................................................................................................ 15
3.1.2 改变角度 . .............................................................................................................................................. 15
3.1.3 改变管件的厚度 . .................................................................................................................................... 16
3.1.4 改变车架材料 . ........................................................................................................................................ 16
3.2 自行车车把设计 . ....................................................................................................................................... 16
3.3 自行车零件................................................................................................................................................ 17
3.3.1 前叉 ........................................................................................................................................................ 17
3.3.2 鞍座 ........................................................................................................................................................ 18
3.3.3 车轮 ........................................................................................................................................................ 18
3.3.4 踏板组合件............................................................................................................................................. 19
3.3.5 后座、挡泥板、链盒 . ............................................................................................................................ 20
4. 人与自行车系统 . .......................................................................................................................................22
4.1 人与支撑部件的关系 . ............................................................................................................................... 22
4.2 人与动力接受部件关系 . ........................................................................................................................... 22
4.3 人与传动部件关系 . ................................................................................................................................... 22
4.4 人与工作部件关系 . ................................................................................................................................... 22
4.5 自行车设计原则 . ....................................................................................................................................... 23
4.5.1基本原则 ................................................................................................................................................. 23
4.5.2 结构尺寸确定 . ........................................................................................................................................ 23
5. 结束语 .........................................................................................................................................................25
参考文献 ........................................................................................................................................................26
前言
近年来，社会经济的持续快速发展使得各国城市化、机动化水平迅速提升。然而，在城市化、机动化发展过程中所发生的交通堵塞、能源短缺、环境污染等一系列问题越来越突出。与此同时，人们对休闲娱乐的要求不断提高，更加渴望拥有绿色环保的生活环境。在这种状况下，自行车以其无污染、无噪声、占用空间小、灵活方便、自主性好、舒适型强、造价低廉、经济耐用和便于维修等特点，得到越来越多的重视，发展迅速。
自行车，又称脚踏车或单车。人骑上车后，以脚踏板为动力，是绿色环保的交通工具。其种类包含单人自行车、双人自行车和多人自行车。自行车可以作为环保的交通工具用来代步、出行；越来越多的人将自行车作为健身器材用来骑行锻炼、自行车出游；自行车本身也是一项体育竞技运动，有公路自行车赛、山地自行车赛、场地自行车赛和特地自行车比赛等。
自行车从诞生至今已有200年历史，期间人类在不断的尝试与研发过程中，将玩具式的木马车转换到今日各式新颖的休闲、运动自行车，其发展的目的也从最早的娱乐用途变为交通代步及休闲运动，竞赛领域的发展更使自行车的研发工作不断精益求精。
本着自行车设计将更强调体现人文精神，将人与自行车完美和谐地结合起来，在设计中对高科技的利用将大幅度提升，大批量面向大众的自行车设计将有下降趋势，而针对局部人群的更加个性化的小批量定向设计受到欢迎。从人体的尺寸、动作范围以及运动生理等方面出发，改进设计影响骑姿在身体各部分之间进行合理的功能分配，脚踩踏板驱动自行车前行，臀部和腰支撑上体的体重，手操纵把手控制前行方向。在此基础上进行车架设计能提高骑行的舒适性。
关键字：自行车车架人机工程学
1. 设计课题的提出
1.1设计选题的背景及意义
现代社会物质变化迅速，首当其冲的应该就是地球的环境变化，人造建筑逐渐增多，矿物质燃料的燃烧造成大气层严重的污染，大量金属类资源的粗放型消耗，尤其是汽车产业链所带来的资源、能源消耗和污染，能源的日趋枯竭和环境的日趋恶化己经成为人类关注的主题之一。
作为制造业中最大的资源消耗源和最大的环境污染源之一的汽车产业来说，2004
全世界拥有各型汽车近7亿辆，新车的年生产量约5000万辆，根据目前的估计，预计到2010年，汽车的总保有量将超过8亿辆。近年来，我国汽车工业发展迅速，汽车产量不断增长。与此同时，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，汽车消费量也在持续增长，早在2005年中国机动车消耗的石油已占全国石油需求的43%，预计到2010年机动车的石油消耗将占当年石油需求的57%。要从根本上解决这个问题还是要从人类的意识和基本生活的方方面面出发，而自行车的普及却能够实质性地缓解石油类资源，钢铁类材料消耗问题等等。符合绿色设计的长久可持续发展的理念。
在欧洲, 很多人为了减少因驾车带来的空气污染而愿意骑自行车上班，这样的人被视为环保卫士而受到尊敬。美国的报纸经常动员人们去超级市场购物时，尽量多买一些必需品，减少去超市的次数，以便节省汽油，同时减少空气污染。颇有影响的美国自行车协会一直呼吁政府在建公路时修自行车道。在德国，很多家庭喜欢和近邻用同一辆轿车甚至结伴骑行外出，以减少可能的汽车尾气排放。为洁净城市空气，伊朗首都德黑兰规定了无私车日，在这一天，伊朗总统也和市民一道乘公共汽车上班。在上海，一些公司职员经常合乘一辆出租车，名曰：“拼车”。
现有的中国自行车市场不说鱼龙混杂，也至少是参差不齐，缺少强劲有力的竞争品牌，自行车以及相关产品的高端市场一直在被诸如捷安特(Giant)，禧玛诺(Shimano)，宝马(BMw)，美利达(Merida)，闪电(Lightning)等国外品牌所把握，国内曾经的老品牌诸如凤凰，永久之类的企业也因为样式老化、新近转型和加入世贸组织受到国外品牌的冲击而在市场的占有率上显得捉襟见肘。所以在这个时候国内的自行车产业做一个结合人机工程学对于车架造型的分析、解剖、再生的调整显得尤为重要。
1.2课题研究的重要性与必要性
现今，越来越多不同年龄、不同职业的人们正渐渐喜爱上自行车这项运动，人们也不再把它仅仅当作是昔日的一个代步工具而已，更多的是一个锻炼的方式甚至是一个能陪伴的朋友，自行车文化也在慢慢以它独具一格的风采吸引着更多人投入对于这种运动的参与。但是市场上现有的自行车品种和构造还有待进一步的开发和改进，相信一经与产品设计和人机工程学相结合，就会拥有一种不可思议的能量使得本已可能被冷落的产品获得新生，给予人类幸福感受的同时，日渐改变人类的价值观念和生活方式。使越来越多的人在可以选择的情况下加入到使用自行车的行列，从而直接实现这一产业的复兴，间接地实现保护环境节约资源的目的。
1.3作为课题研究所要达到的目的
对于自行车这种工业化大生产的产物，在产品设计领域中尽展其特有的潜质之后，便一定能成为促进相关产业链得以迅速发展并具有持久扩张力的关键环节。但是，自行车车架造型特征与人机工程学理论的结合在产品设计中的应用价值还没有得到很好的执行。在资源、能源快速消耗，地球生态环境遭到严重破坏，自行车造型深度开发的过渡商业化，无节制的粗制滥造以及缺乏理性消费的时代，必须重视从人机工程学出发的自行车车架造型设计改良任务的紧迫性。无论是保证产品能够适合市场的同时具备能与同类产品竞争相媲美的能力，还是对保护环境与促进经济发展，都具有重要作用。
1.4 国内外研究的历史与现状
1.4.1人机工程学的研究现状
人机工程学又称人类工效学、人体工程学等，是二次世界大战后发展起来的一门新的综合性边缘学科。它将人一机器一环境当成一个系统来研究，以获取系统最高效率。国际人类工效学学会(简称IEA) 将人机工程学定义为：研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学方面的因素，研究人和机器及环境的相互作用，研究在工作中、家庭生活中和休假时怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题的学科。H1我国对人机工程学给出了以下定义：人机工程学是一门新兴的边缘学科。它是运用人体测量学、生理学、心理学和生物力学以及工程学等学科的研究方法和手段，综合地进行人体结构、功能、心理以及力学等问题研究的学科。用以设计使操作者能发挥最大效能
的机械、仪器和控制装置，并研究控制台上各个仪表的最适位置。醢1人机工程学是研究人在操作过程中合理地、适度地劳动和用力的规律的一门学科，该学科在自身发展过程中，有机地融入了其它相关学科的理论和方法，研究内容不断扩展，研究方法也不断完善。
人机工程学研究包括理论研究和应用研究两个方面，且重在应用。近期国外人机工程学研究的方向为：
①工作负荷研究，包括体力活动、智力活动、工作紧张等因素引起的生理负荷和心理负荷；
②工作环境研究，包括高空、深水、地下、加速、高温、低温和辐射等异常工作环境条件下的生理效应，以及一般工作与生活环境中振动、噪音、空气、照明等因素的人机工程学研究；
③工作场地、工作空间、工具装备的人机工程学研究；
④信息显示的人机工程学问题，特别是计算机终端显示中人的因素研究；
⑤计算机设计与使用的人机工程学研究；
⑥安全管理的人机工程学研究；
⑦工作成效的测量与评定；
⑧机器人设计的智能模拟等。
谢正文在对近十年来(1994～2003年) 我国近4000种主要科技期刊上发表的有关人机工程学应用研究方面的中文学术论文进行综合检索、分析研究的基础上，指出人机工程学在工程技术领域的应用研究大大领先于经济管理等其他领域，占论文总数的71．4％，且人机工程学的应用研究呈逐年上升趋势。由此可见人机工程学为其他领域注入了新的活力，同时自身的理论体系也在应用中不断发展与完善。
人机工程学的应用领域非常广泛，主要集中在人机界面设计、产品设计、作业空间设计三方面。
人通过视觉、听觉和触觉等感觉器官接受来自机器的信息，然后经过人脑的处理、决策，做出相应的动作。人与机器之间信息交流和操纵控制都发生在人机界面上。在人机工程学中人机界面是最重要的一个研究分支，它是指人机间相互施加影响的区域，凡参与人机信息交流的一切领域都属于人机界面。广义的人机界面是指人与机之间的信息交流和控制活动发生的界面，狭义的人机界面是指计算机系统中的人机界面。人机界面
设计的好坏，直接影响到人与机之间信息的交流以及操纵控制的实施。随着信息产业和软件工程学的发展，人机界面设计已成为国际计算机界最活跃的研究方向。
具体到产品上来说，人机工程学就是在产品的设计和制造方面按照人体的生理和心理需求来进行，使产品更加有益于人的身心健康。现代设计已逐渐从功能主义走向人性化，在产品设计中广泛应用了人机工程学，企业纷纷将“以人为本”、“人体工学”作为产品的卖点，推出各种符合人机工程学的产品，在市场上取得了良好的经济效益。近年来将人机工程学用于产品设计取得了巨大成功，同时也为消费者提供了更多更舒适好用的人性化产品。
人在操纵机器时所需要的操作活动空间和机器、设备、工具、被加工对象所占有的空间的总和，称为作业空间。作业空间的设计应根据人的操作活动要求，充分考虑操作者的生理和心理需求，对机器、设备、工具和被加工对象等进行合理的布局和安排，以达到操作者能舒适方便、安全可靠地操作，提高整个系统的工作效率。作业空间设计是人机工程学应用的又一重大领域，设计的好坏直接影响到完成工作的效率和疲劳的产生。作业空间设计主要包括工作区域设计、作业空间布置、座椅设计、工作台设计以及环境设计等。作业空间布置对于复杂的系统的效率影响很大，比如：车间内机器设备的布置、控制室内仪表盘上控制按钮的排列等，合理的布局能使操作者准确迅速的操作，且能减 少人的疲劳。所以在设计时应先考虑到人及其采用的作业姿势，再考虑设备，先考虑总体布局，再考虑局部设计，按照设备的使用频率和操作顺序进行布置，并把常用的显示控制设备布置在操作者的最佳作业范围内。由于很多作业采用坐姿，且坐姿是未来作业的主要工作姿势，所以座椅设计成为人机工程学研究的热门课题。座椅设计时应从座椅的使用功能出发，充分考虑到人体坐姿的生理和生物力学，让就座者能舒适地就座，方便地变换和调节坐姿。在这方面轿车驾驶座椅是研究较多的课题，研究分析了驾驶过程中疲劳产生的原因，逐步立了轿车驾驶疲劳模型，并从人机工程学的角度提出了防止和缓解驾驶疲劳的有效措施，为轿车的座椅设计提供了宝贵的设计参考。
今天，产品设计与开发更多的是在计算机辅助环境下进行的，在人机设计中引入计算机辅助设计也将成为今后人机工程学发展的一个主要趋势。计算机技术对人机工程的辅助主要表现在两个方面：一是对人机工程方法的辅助，二是对人机工程应用的辅助。利用计算机建立人体模型以及交互式虚拟仿真评价平台，将人机工程学的理论引入产品设计环节，能缩短设计周期、提高产品的安全性和舒适性。目前，常用的计算机辅助人
机工程方法包括：静态施力分析、低背受力分析、作业姿势分析、视域分析、疲劳恢复分析、舒适度分析、NIOSH 提升分析、RULA(Rapid Upper Limb Assessment)姿态分析、OWAS(Ovako Working Posture Analysis SyStem)分析方法、可及度分析及能量代谢分析等。
为了让人机工程学专家的研究成果能被其他领域的研究人员使用，开发了很多基于专家系统的人机分析软件，如Budnick 等开发的原型系统CDEEP 为设计师提供设计建议，Chen 等开发的计算机辅助人机工程学分析系统(EASY)等。
数字人体模型在人机工程学研究中的应用是从飞机、汽车的设计以及军事训练开始的。目前，在数字人体模型中，由宾西法尼亚大学开发的人机分析评价软件JACK 是其中比较典型的一个，JACK 中的人体模型不仅具有运动学特性，而且还具有动力学特性。他将人体模型分为皮肤和骨骼两层，骨骼层用来实现人体的运动、受力等的分析。加拿大蒙特利尔理工大学的研究人员开发的人机仿真软件SAFEWORK ，可以进行姿态舒适性评估，可视域及可达性判断，其人体模型软件既可生成单个个体的模型，也可生成一定百分位的人体模型。数字人体模型为人机工程学的研究提供了强有力的工具，成为人机工程学研究的一个重要课题。
1.4.2人机工程学用于自行车的研究现状
自行车经过200多年的不断演变和改进，性能不断得到提高和完善，功能也逐渐增多，结构日趋合理和稳定。从最开始的在玩具木马上装两个木制车轮，用脚蹬地驱动自行车开始，逐渐增加了能控制行进方向的车把，将木制车轮改为钢制车轮，引入充气轮胎改善骑行的舒适性，自行车的结构在1900年前后臻于完善。
在自行车的发展历程中，人们试图在驱动方面做改进，以提高骑行效率。比如：能把人体在鞍座上的颠簸转化为自行车前进动力的双重驱动自行车、用电来驱动的电动自行车、采用杠杆传动的自行车、采用齿轮传动的自行车等等。针对不同的目标用户群也出现了一些特殊的自行车，比如：多人骑自行车、水陆两用自行车、农用自行车、飞行自行车等等。
近年来人们对自行车的研究主要集中在新材料、减震、折叠、外观等方面，对自行车零部件的研究较多。自行车骑行舒适性方面的研究比较关注于鞍座和把套等部件的形态设计。但对自行车整体车架结构进行分析，我们会发现变化不大。把人机工程学理论
引入到自行车设计中，将会使自行车的结构发生改变，并使自行车的性能有很大的改善。人机工程学在自行车行业的应用，将会推动自行车朝着舒适高效的方向发展，也许还将带来自行车设计的新时代。
自行车的研究比较多的方面是自行车的舒适性：64％的被调查者抱怨骑车不舒服，其中女性比男性的比例更高，女性为74％，男性为55％。对于女性来说年龄是一个重要的因素，因为更多的抱怨者是老年人(76．69％) 。其中抱怨最多的是：前臂和手掌疼痛(手腕，手指，肘32％) ，臀部疼痛(臀部、生殖器29％) ，脖子和肩膀疼痛(18％) ，膝盖疼痛(10％) ，通常这些疼痛是同时出现的。这一问卷调查给自行车设计提出了舒适性方面的要求。
自行车的另一个研究比较多的方面是，空气阻力对骑行速度的影响以及如何充分发挥赛车运动员的最大潜能，以提高自行车的骑行速度和骑行效率。不同骑行姿势的空气阻力，发现空气阻力随风速增大而显著增大，运动员姿势角由110°减小到90°时，空气阻力增加14％；姿势角由90°减小到70°时，空气阻力增加19％。大腿股四头肌力量训练对提高膝关节速度、法向加速度、切向加速度与大腿摆动角速度、角加速度及其重要；小腿三头肌瞬时功率增加可以提高曲柄的角加速度及角速度，有利于骑行速度的提高；骑行蹬踏过程中，踝关节肌肉力量的强弱直接决定完成动作时支撑的稳固性及膝关节作用力的效率。相关学者提出了以下建议：注重大腿肌群力量的训练，尤其是股四头肌的强化训练，提高其专项摆动能力，以获得较高的角速度及髋、膝、踝关节的速度；培养运动员下肢肌肉收缩与放松迅速交替的能力，以保证下肢运动骨杠杆的协调运动与动作的连贯性，避免蹬踏运动的僵硬；蹬踏过程中，接近“死点”位置时，处于下“死点”位置的足踝应积极做出踏提动作，以获得其角速度的提高，从而利于曲柄角速度的增加，并且还有利于上“死点”位置的踏点顺利平滑渡过“死点”，加强该专项能力训练时应多强化小腿三头肌肌力和踝关节柔韧训练。
2. 自行车设计中的人机因素分析
2.1 人机工程学理论
人机工程学 (Ergonomics)是一门兼容技术科学、人体科学和社会科学的综合性新兴边缘学科，处于许多学科和专业技术的接合部上。它除了同有关工程技术学科关系密切以外，还与生理学、心理学、人体解剖学、人体测量学、人类学、环境保护学、管理科学、色彩学和信息学等学科都有密切联系。因此，它是技术科学和社会科学工作者共同研究的课题。心理学中的工程心理学，是当今人机工程学的主要基础学科之一，它所研究的对象虽然都是人机系统中“人”这一环节，但工程心理学侧重于对人的心理活动的研究。人机工程学则是在综合各门学科的基础上，全面考虑“人的因素”，从而对人机系统的设计、使用提供更全面的依据。人体解剖学提供了人的肢体所能发挥的力量及肌肉关节等动作限度的资料，这将有助于人机系统的设计。人体测量学对人体静态和动态尺寸（如人体身高，上、下肢的长度，人坐着或站立时肢体运动的角度和尺寸等）的测量资料，为人机系统的设计和工作空间布置提供了科学依据。生理学及环境保护学研究人体各方面的机能和效率，以及各种环境对人体的影响。人机工程学常常应用它们的研究结果来提高人机系统设计的质量，创造良好的工作环境和保证人体正常的生理活动，从而达到提高人机系统工作效率的目的。技术学科往往是研究工程技术设计的具体内容和方法，而人机工程学所要解决的不是这些设计中的具体技术问题，而是工程设计如何才能适合于人的使用的问题，并从这个角度出发，向设计人员提供必要的参数和要求，使设计更加合理，更加适合于人的生理和心理要求。可见，人机工程学的研究内容是很广泛的，它涉及到设备和仪表设计（包括人机系统设计）、工艺选择、环境保护、安全工程、劳动保护、劳动卫生、劳动生理、工业心理、人体测量、工业美术设计、行为科学及劳动的科学组织管理等知识或学科。在人机系统中，人同机器的关系总是相互作用、相互配合与相互制约和发展的，但起主要作用的始终是人。因此，为了能充分地发挥人和机器设备的作用，使整个人机系统高效、可靠、安全以及操纵的方便，设计人机系统时就得充分考虑人和机器的特征与机能，使之相互协调配合，构成有机整体，达到人们生产活动的最佳效果。为了达到上述的设计目的，在设计人机系统时，考虑人机界面的合理匹配则是至关重要的。如果人机界面的设计匹配不合理，人机系统总体效能的发挥将受到严重影响，甚至出现重大事故。
而人类所谓人性化的产品，就是包含人机工程的产品，只要是“人”所使用的产品，都应在人机工程上加以考虑，产品的造型与人机工程无疑是结合在一起的。可以将创门描述为：以心理为圆心，生理为半径，用以建立人与物（产品）之间和谐关系的方式，最大限度地挖掘人的潜能，综合平衡地使用人的肌能，保护人体健康，从而提高生产率。仅从工业设计这一范畴来看，大至宇航系统、城市规划、建筑设施、自动化工厂、机械设备、交通工具，小至家具、服装、文具以及盆、杯、碗筷之类各种生产与生活所创造的“物”，在设计和制造时都必须把“人的因素”作为一个重要的条件来考虑。若将产品类别区分为专业用品和一般用品的话，专业用品在人机工程上则会有更多的考虑，它比较偏重于生理学的层面；而一般性产品则必须兼顾心理层面的问题，需要更多的符合美学及潮流的设计，也就是应以产品人性化的需求为主。
自行车骑姿是由骑乘者与自行车的把手、鞍座以及脚踏板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、鞍座以及脚踏板三者之间的位置，让骑行者在骑行过程中身体各部分尽可能处于自然状态。
2.2 自行车设计中人机工程学的应用
人机工程学在自行车设计中的应用不仅包括自行车的整体结构设计的合理性、舒 适性，还要包括人体在内的自行车主要分类三大部件分，即前部（以人的肩宽与车把 的宽度、前叉翘度、前轮的质量等），中部（以人的臂长与车架上管的长度、立管的 高度、前叉斜度）和后部（以人的腿长度和鞍座位置，曲柄长度及链轮与飞轮的速比， 达到最佳的驱动效果）。
德国HP VELTECHNIK 公司在“2003科隆国际自行车展”上推出的一款“GRASSHOPPER ”的靠背式自行车，“GRASSHOPPER ”最明显的特征主要体现在其配有一种按“人机工程学原理”设计、采用坚固的“硬壳件”精心制作而成的靠背座椅。此种由骨盆形支撑件或浴盆形支架以及可调式“中心部件”组成、结构奇特的靠背座椅，可通过一种快速夹紧装置进行调节。由此，那些喜欢外出长途旅游的骑车者，就可借助于此种快速夹紧装置，在极短的时间内，将靠背座椅的高度、宽度调整到位，从而使其能完全同自己的身材、身高或使用目的相吻合。总的来说，该自行车充分考虑到自行车整体舒适性，躺式的骑行姿势可以加速骑行速度。中国的捷安特生产的Revive DX 型自行车座椅靠背的多位置
腰部支撑式可以让骑行者处于一种安全自然的状态，减轻骑行者骑行所带来的腰部疲劳，完美的人机工程设计让骑行者更舒服。
美国的spiderflex 公司运用人机工程学设计出spider 自行车鞍座，Spider 鞍座的主要特点是:（1）大面积的座位可以更好的分布压力。（2）从人机角度出发设计的分离型的中部中空可以消除对阴部的压力。（3）通风槽可以减小温度和湿度的累积。（4）消除大腿内侧的摩擦。（5）适合任何自行车型用。因此，spider 自行车鞍座真正解决了鞍座设计缺陷导致人体的生理压力以及心理压力。
总而言之，人机工程学在自行车设计中的应用越来越广，从鞍座、车把和靠背各零部件到自行车的整体设计都不可或缺。
2.3 尺寸测量
2.3.1 人体静态尺寸
人体静态尺度一般是指人体所占有的三维空间，包括人体高度、宽度和胸廓前后 径，以及各部分肢体的大小等。人体尺度会随国家、地区、民族、性别、年龄、职业、 生活状态等的不同而有差异。一般来说，某一个体的测量尺寸不能作为设计的依据。 为使产品适合于一个群体的使用，设计中需要的是一个群体的测量尺寸。然而，全面 测量是不现实的，通常是通过测量群体中较少量个体的尺寸，然后经过均值、方差、 标准差、抽样误差、百分位数的数学统计理论方法，获得所需群体尺寸的统计规律和 特征参数圈。
2.3.3 百分位
人体测量的数据常以百分位来表示人体尺寸等，百分位数是一种位置指标，一个 界值，它不是某一确定的数值，而是表示了某一测量数值所标志的群体数量与整个群 体之间的百分比关系。百分位的定义是：表示具有某一人体尺寸和小于该尺寸的人占 统计对象总人数的百分比，以符号P K 表示。一个百分位数将总体或样本的全部测量值 分为两部分，有K%的测量值等于或小于此数，有（100-K ）%的测量值大于此数。最常 用的是第5、50、95三个百分位数，分别记作P 5、P 50、P 95其中,P 5代表“小”身材的人群，指的是有5%的人群身材尺寸小于此值，而有95%的人群身材尺寸大于此值；P 95代表“大”身材的人群，指的是有95%的人群身材尺寸小于此值，而有5%的人群身材尺寸大于此值：P 50代表“中”身材的人群，指的是有50%的人群身材尺寸小于此值，而
有50%的人群身材尺寸大于此值，第50百分位的数值可以说接近平均值，但绝不能理解为有“平均人”这样的尺寸。事实上几乎没有任何人真正够得上“平均人”。美国的Hertz 一bexy 博士在讨论关于“平均人”的时候指出：“没有平均的男人和女人存在，或许只是个别一两项上（如身高、体重或坐高、是平均值）”。
当今的自行车市场上所供应的自行车品种繁多，样式各异。在这里，主要对自行车的大小进行分类，按照大小分为：儿童车12~20英寸，成人车22~28英寸，山地自行车和城市自行车26英寸，跑车27英寸。在自行车的设计中，需要利用双限值设计作为设计的依据。双限值设计指的是利用两个人体尺寸百分位数作为尺寸上限值和下限值。因为为了使骑行者的手和脚能够很方便地操作车把和脚踏板，以及通过调节鞍座的位置来达到舒适度。这样，在确定自行车的尺寸时，可以采取第1~99百分位数据作为尺寸设计的依据；在确定鞍座的高低调节范围时，就需要两个设计界限值--上限值和下限值，宜取坐姿眼高的第95、5百分位尺寸数据作为上、下限值的依据。表2.1是人体尺寸、百分位以及自行车型号的关系。我国自行车型号编制的方法是按国家标准GB3565-83规定的，由两个汉语拼音字母和2~3个阿拉伯数字组成，第一个汉语字母代表自行车的种类。P-普通车；Q-轻便车；Z-载重车；S-赛车；X-小轮车；T-特种车。
2.4 人骑行自行车的特点和运动分析
在人与自行车构成的系统中，人为主要因素，因为人要完成控制和驱动的作用，所以在自行车设计中应考虑到人自身的特点：
（1）人的蹬力：人的蹬力与姿势及用力方向、足的位置有关。若坐姿有靠背支撑可产生最大的蹬力。除此之外，还与速比和左右腿有关。
（2）人体动作的用力特点：人体大肌肉关节的突然弯曲或伸直，可以产生很大的爆发力，并伴有运动肢体的冲力，可以获得较大的力量。
（3）人体动作的灵活性特点：人体肢体在水平面上的运动比垂直面的运动速度快；肢体从上往下较从下往上运动速度快。
人体在骑行自行车的时候，身体前倾，身体上肢的重心位于鞍座和车把之间。双臂向延伸分开两手握把，臀部坐在鞍座上，坐骨结节支撑上肢重量，同时耻骨也在鞍座上作辅助支撑，臀部臀大肌和皮下脂肪起到缓冲的作用。大腿以骸臼窝为支点在作曲伸运动。蹬踏踏板的时候，大腿曲髓时骼腰肌、股直肌分别收缩；伸骸时臀大肌、股二头肌、半键肌、半膜肌分别收缩；半键肌位于大腿的内侧，与鞍座的宽度有一定的联系。大腿后侧脂肪较厚，骑行时它与鞍座后缘会有一定的摩擦和阻碍。这种情况会促使臀部前移，摩擦臀部的肌肉，对骑行者造成一定的影响。
2.5 自行车设计中重要的物因要素
2.5.1 自行车形态
传统自行车设计，最能体现自行车形态是车架造型。车架的造型设计是体现自行车整车形体、风格和款式等最重要的部分，也是车辆保证质量和性能的基础。
车架的设计形式可以有多种衍化，然而车架造型设计又是比较困难的，尤其是车架的受力分析。许多设计人员往往对车架的受力分析及计算难以掌握，故造型设计常拘于传统。在自行车设计中可以用轮距、中轴高、翘度、伸距、前角、主管角等参数来协调车架的具体形状和位置尺寸的变化。这些尺寸只要保证在一定技术规定以及人体尺寸的分布范围内。选择方式就可以形成多种形式。
2.5.2 自行车材料
自行车材料是自行车生产的关键问题之一，一直受到自行车设计! 制造和使用者的高度重视。
1790年，法国人米狄#德#西福拉克制成的世界上第一辆自行车是全木结构的，人们称其为木马轮。1839年，苏格兰人麦克米伦将木制结构的改为钢铁结构，这是自行车材料方面的一次重大革命。钢铁工业的发展极大地促进了自行车工业的发展。
随着生活水平的提高，人们对自行车的要求越来越高，不但要求式样新颖、美观大方、重量轻、行速快，而且还要求售价适当，这就对自行车材料提出了更高的要求。自行车的材料己从当初以普通碳素钢、铬铝钢、铬锰钢以及铝合金材料为主，逐步发展到采用工程合成塑料、热塑性材料（重量和弹性与碳纤维相仿，具有复原性能好、可塑性强、耐撞击、吸震性强等特性）、AERMETIOO 超强合金钢、模压高级复合材料（用环氧树脂、玻璃纤维等材料制成，可制造车架用管材）、不锈钢、铁合金、镁合金、抗合金、
碳纤维、玻璃纤维合成材料(特点:耐气候、抗损伤、抗拉强度较高) 等一系列科技含量较高的新型材料。
新材料的应用对于自行车设计与工程来说，始终都是人们所追求的。如今每年许多自行车公司都会推出各式各样的概念车，其中就会有很多新材料在车上的大胆运用。他们一般都会具有独特的使用及视觉效果，或能减低生产成本或能减少污染等，只要它们一旦得到社会的积极反映，就会有可能被运用到之后推出的量产车之中。这样人们也就会很快感受到新材料在自行车上的运用带来的舒适感受。
2.5.3 自行车的表面装饰和色彩
在上世纪，仅被人们作为健身、娱乐、代步工具的自行车，外观造型千篇一律，色彩单一，大多是黑白金属色，产品缺乏视觉的审美性。而今天，经济发展已经达到了生活必需品十分丰富的地步，商品生产供大于求，人们在自行车的选购上已经不满足于作为单纯的代步工具, 而是通过车的造型、五颜六色的色彩来体现自己的审美情趣，并以它所具有的丰富多彩的视觉传达效应，来表达自己的个性和爱好，自行车的装饰逐渐趋向时装化、人性化。我们可以从凤凰自行车的发展以及自行车概念设计与自行车交易会上，自行车定货成交数量看出，造型新颖、彰显个性色彩的自行车备受消费者的青睐。这是因为好多人买自行车也像买时装一样喜欢挑挑拣拣，这种情况现在国外相当普遍。
现在的自行车颜色可谓丰富多彩，一般均为多色、双色镶拼和多种色彩组合而成的色彩（有三色、四色、五色甚至更多）以及立体感较强的荧光丝纹贴花、花色贴花，各种莹光漆、珠光漆、裂纹漆、条纹漆更为常见。因此，无论喜欢何种颜色的人均能买到自己喜欢的自行车。在德国、英国、荷兰、法国、意大利、美国、加拿大等一些工业发达的欧美国家中，单色的自行车己排不上号，取而代之的是各式纹理漆、精细的彩色花纹、各种精美绝伦的抽象派和现代派油画式图案以及许多几乎能体现水花和山水花纹、颜色如同大理石一般的亮丽色彩。除此之外，表现各种人物和动物的艺术图案现也纷纷进入车架表面涂饰这一领域，有的厂家己将生动活泼的动物图案、儿童卡通画搬上自行车的鞍座和车架，甚至自行车运动竞赛冠军（各种不同的比赛运动项目冠军）及电影明星画像也搬上粗犷的山地自行车或越野自行车车架。为了使自行车色彩更为和谐，有部分厂家在车把立管上还采用了色彩和车架相仿的多彩朦胧艺术图案的表面装饰，这种饰使人在视觉和触觉上始终有一种新鲜的感觉，目前已成为自行车市场上的一种流行趋势。
3. 自行车结构
3.1 基于人体生物力学的车架结构设计
针对一个身高为 1740mm 的人体，以中轴为坐标原点，得到鞍座位置参数坐标（191，580），车把位置参数坐标为（-429，693），分析得到车把、鞍座、中轴三个位置的载荷如表 3-1 所示。
表3-1 车架所受荷载
图3-1 车架结构模型
3.1.1车架结构改进
下面以适合此人体特征参数的自行车车架结构为前提，从结构角度修改模型的可变参数，选取三种在实际中可行的方案进行结构改进，探寻降低应力的方法。
3.1.2 改变角度
所谓改变角度，就是改变每个管件之间的夹角。本文所改变的角度是立管相对于地面的倾角，上文分析了特定人体参数对应的车架结构的强度，其中立管和水平地面的夹角为72 ，下面将分析立管和水平地面夹角为75 的自行车车架。车把、鞍座、中轴三个位置的载荷如表 3-2 所示。
表3-2 车架所受荷载
车架的最大应力值为 71.047Mpa，应力值有所减小，但是降低幅度不大。表明适合人体特征参数的自行车车架具有良好的骑行性能。
3.1.3改变管件的厚度
由上文知，适合人体特征参数的自行车车架最大应力值远小于许用应力，将车架的上管和下管壁厚由 1.8mm 减小到 1.6mm。车架的最大等效应力值增大到 85.901Mpa，但是仍然小于许用应力，因此，在车架强度足够的前提下，可以考虑减小壁厚，从而减轻整车重量，也节省了材料。
3.1.4改变车架材料
由于人们购买自行车时越来越多的考虑骑行使用轻便快捷的问题，因此很多中高档车型都使用了新型材料，如碳纤维、镁合金、铝合金等，将本文中车架材料采用的铬钼钢改为 6061 型铝合金。铝合金的屈服强度为 276Mpa，车架的最大等效应力70.128Mpa ，小于许用应力，由于车架体积没变，铝合金的密度又大约是钢的 1/3，所以在减小应力的同时，减轻了车架的质量，这种新型材料值得大力推广。
3.2 自行车车把设计
车把是自行车操控的主要部件之一，主要由把横、把立与把套或把带组成，有时候会根据实际需要而增加副把。选择合适的车把，可以为骑行带来更好的骑乘舒适性与操控体验。
按材料有钢管车把，铝合金管车把，钛合金管车把，碳纤维及复合材料的车把。现在国际标准的车把长度通常有是560mm ，580mm ，610mm 640mm 680mm这几种常用的规格。(测量长度通常都是用mm 作为单位计数)
目前自行车车把有四种，分别是弯把、直把、雁把和蝴蝶把：（1）直把的特性是车把距离短，操控性比较灵活，重量轻。一般的距离在560-580mm 之间，如果配合上副把之后，当站立蹬踏摇车加速时都是很方便的，唯一不足就是由于车把长度限制，操作动作活动的角度不是很大，感觉骑车表现出的动作都很“温柔”。所以通常使用在越野车上比较多。（2）雁把在一些地方又称为“雁翅”，因为样子极像大雁展开的翅膀所以相性化的叫做雁把。雁把的特性是距离长，管径粗，冷拔变径管技术使用频繁，加工热处理技术复杂。有多种弯曲度的可以供爱好者挑选。在舒适程度上也要要高于直把，但重量上略高于直把，由于管径粗，弯曲角度的原因。车把的缓冲性上有了很大的提高，
通常使用在一些运动比较激烈的车种上面，比如DS (双人回转) DH (速降) 车种上面。通常使用的长度都在640mm 以上，不过部分长度为610mm 的雁把也用常常在山地越野车上面。（3）弯把主要用于公路车上的车把，测量方法也和平常的山地车把长度测量不一样，其测量方法是车把末端的左右圆心之间的距离即为车把的长度，一般说来有40mm ，42mm 44mm 这几个常用规格，在跑车方面还有一些形状比较怪异的专用车把，比如个人计时赛上面的车把。这种车把局限性更大，使用的一般都是在专业比赛上。很少有车能与这类车把兼容。（4）蝴蝶把顾名思义就是车把的样子极为像一个展开翅膀的蝴蝶，这种车把常使用在长途旅行自行车上面，由于车把的整体范围宽广，加上车把各种本身角度的弯曲，可以使骑行者有不同的姿势进行更换，以便于防止负重骑行时造成运动损伤。很好的操控性成为旅行自行车的首选。
所以选择弯把，车把长度为42mm 的规格。如图3-2所示。
图3-2 弯把
3.3 自行车零件
3.3.1 前叉
前叉是自行车的导向部件之一。
前叉在自行车结构中处于前方部位，它的上端与车把部件相连，车架部件与前管配合，下端与前轴部件配合，组成自行车的导向系统。转动车把和前叉，可以使前轮改变方向，起到了自行车的导向作用。此外，还可以起到控制自行车行驶的作用。
前叉部件的受力情况属悬臂梁性质，故前叉部件必须具有足够的强度等性质。车胎充足气后，车轮与道路的接触面积小，摩擦阻力相应减小，使得行驶较轻松。但是，一旦遇上高低不平的道路，就会颠簸不稳，特别是前叉震动更加厉害。
因此，近几年来，人们又研究出了具有减震作用的前叉——避震前叉。避震前叉将自行车的车架和前轮弹性的连接在一起，
可吸收并缓解因路面不平而传递给车架的冲击
和震动，保持骑行的舒适和平稳。由于减震装雹具有缓冲作用，可以避免某些零件因过分震动而损坏。
3.3.2 鞍座
鞍座是保证长时间骑行不疲劳的关键部件，运动车一般采用无弹簧式鞍座一一鞍座面下应采用较硬的海绵，形状以狭长为宜。鞍座的长度、宽度的鞍梁的结构是以车型和乘者的性别、习惯来确定。鞍座的结构设计应充分考虑乘者舒适。
鞍座依靠鞍管与车架做钢性连接，用来承受人体的重量。具体来说：鞍座面：是人体体重的支撑面，具有良好的强度和弹性，它由鞍座面皮和垫皮组成。
鞍座架：又称鞍梁，是鞍座的主体，其结构比较复杂，一般由前后撑板，左右鞍撑，上下梁组成，并连接和支撑鞍面。
鞍座簧：实质上是鞍座架的一部分。它支撑着鞍座架和鞍座面，起着缓冲和减震的作用。鞍座簧的形式有立簧、卧簧和拉簧等几种。
鞍座夹：又称鞍座卡，是由夹紧螺钉，座夹和夹板等组成，用来将鞍座固定在鞍簧上。自行车的座垫下安装弹簧，可以利用它的缓冲作用以减小震动。
3.3.3车轮
自行车的车轮属于导向系统（前轮）也属于驱动系统（后轮），其种类型主要分为传统型（辐条型）和实体型。
传统的自行车车轮由轮胎（内胎、外胎）、辐条，花毂等组成，其结构造型其中，车轮的外胎又分软边胎和硬边胎两种。软边胎断面宽，能全部裹住内胎，着地面积比较大，能适宜多种道路行驶。硬边胎自重轻，着地面积小适宜在平坦的道路上行驶，具有阻力小，行驶轻快等优点。外胎上的花纹是为了增加与地面的摩擦力。山地自行车的外胎宽度特别宽，花纹较深也是适应越野山地用。车轮的辐条一般是等径的，为了减轻重力，也有制成两端大、中间小的变径辐条，还有为了减少空气阻力将辐条制成扁流线。但近几年，市场上出现了脱离传统的车轮——实体车轮，整个车轮都是一体的。这些造型奇特的车轮一般都用在运动型自行车上。
两种类型的车轮相较，辐条车轮较轻，但实体车轮更符合空气动力学原理。
3.3.4 踏板组合件
踏板是自行车驱动系统的主要部件，是自行车驱动力——蹬力的“传点”。在这组组合件中包含中轴、曲柄等多种零件，具体组装三维模型
1、脚蹬部件
脚蹬部件装配在中轴部件的左右曲柄上，是一个将平动力转化为转动力的装置，自行车骑行时，脚踏力首先传递给脚蹬部件，然后由脚蹬轴转动曲柄，中轴，链条飞轮，使后轮转动，从而使自行车前进。因此脚蹬部件的结构和规格是否合适，将直接影响骑车人的放脚位置是否合适，自行车的驱动能否顺利进行。
2、脚踏板
脚踏板可分为整体式脚踏板和组合式脚踏板。无论什么款式的脚踏板都必须有脚
踏面，必须安全可靠，并且具有一定的防滑性能，制造材料可以选用橡胶、塑料或金属。脚踏板必须转动灵活。脚踏板是整个车子，旋转部位的动力源，过去的踏板其鞋底板自出力点中央至曲柄的距离都超过５２哪。近年来国外有新品，踏板轴的长度缩短为４７ｒａｍ是可增加力矩的。
3、曲柄
曲柄的长度使用上，原则以下肢长来调配，此外还得考虑项目的应用，一般曲柄大众化的尺寸，都是从16.5 cm起，每隔0.25 cm为一标准，到17.5 cm，(165、167.5、170、172.5、175) 等五种，但实际应用时对其尺寸的要求更为精密化。
4、链条
链条又称车链、滚子链，安装在链轮和飞轮上。其作用是将脚踏力由曲柄、链轮传递到飞轮和后轮上，带动自行车前进。
创建一个新的装配体，在前视基准面创建一个自行车草图，在该草图中绘制关键零件，并把每个零件生成块，其中块的名称修改成零件的名称，每个块只需要表达零件的关键形状、尺寸和位置即可，不需要画上全部的细节。
5、链轮
链轮需用高强度钢材制成，保证其达到需要的拉力强度。
6、飞轮
飞轮以内螺纹旋拧固定在后轴的右端，与链轮保持同一平面，并通过链条与链轮相连接，构成自行车的驱动系统。
飞轮从结构上可分为单级飞轮和多级飞轮两大类。
单级飞轮又称为单链轮片飞轮，主要由外套、平挡和芯子、千斤、千斤簧、垫圈等零件组成。单级飞轮的工作原理：当向前踏动脚踏是，链条带动飞轮向前转动，这时飞轮内齿和千斤相含，飞轮的转动力通过千斤传到芯子，芯子带动后轴和后轮转动，自行车就前进了。当停止踏动脚踏板时，链条和外套都不旋转，但后轮在惯性作用下仍然带动芯子和千斤向前转动，这时飞轮内齿产生相对滑动，由此将芯子压缩到芯子的槽口内，千斤又压缩了千斤簧。当千斤齿顶滑到飞轮内齿顶端时，千斤簧被压缩得最多，再稍微向前滑一点，千斤被千斤簧弹到齿根上，发出“嗒嗒”的声响。芯子转动加快，千斤也很快在各个飞轮内齿上滑动，发出“嗒嗒”的声音。当反向踏动脚踏时，外套反向转动，会加速千斤的滑动。使“嗒嗒”声响的更急促。
多级飞轮是自行车变速装置中的一个重要部件。多级飞轮是在单级飞轮的基础上，增加几片飞轮片，与中轴上的链轮结合，组成各种不同的传递比，从而改变了自行车的速度。
3.3.5 后座、挡泥板、链盒
自行车的部件除了上述的几种主要部件，还包括挡泥板、撑脚、车闸等附件，具体功用、造型如下所述：
１、挡泥板：
挡泥板属可选择性部件，休闲自行车一般都会安装，但运动车一般以不装挡泥板为宜，有时也可采用窄形挡泥板。
2、后座
后座又称货架，其功用主要用来承载，一般自行车都有安装，运动车则很少安装。后座的造型非常多，图2-11及是比较常见的造型
3、车闸
车闸是保证骑乘者安全的结构，其优点是刹车的制动点不在轮缘上，不会损坏车圈的电镀层。车间按制动点的位置来分，可以分为轮缘闸和轴闸两大类，我们重点介绍最常见的轮缘闸。
轮缘闸是一种通过机械杠杆、推杆、拉杆或钢丝绳等直接将高摩擦因素的闸皮压向车圈边缘后轮胎，将转动中的车轮刹停的装置。轮缘闸结构简单，维修保养方便，因此被广泛使用。但是，如果接触车圈轮缘不正，或雨水淋湿的影响，会降低摩擦，从而影响制动的效果。常见的有：
（1）普通闸：优点为接触面合理，制动力矩大，制动灵敏，刹车性能可靠，结构简单和安装修理方便。
（2）钳形闸：当刹车时，其左右闸叉和闸皮就像钳子一样，紧紧地钳住车圈的两个端边，达到使车减速或停的目的。优点是刹车时力臂大，制动效果好，传动零件少，调节和维修方便，重力轻，外形美观。悬臂闸：优点为悬臂闸刹车时的力矩比钳形闸更大。制动性能好，结构简单。重力轻，调节和维修方便。前触闸：前触闸是靠杠杆原理制动的。当手握紧闸把时，闸把的另一头梅接头、拉杆、拉管向下压，使闸皮向下压至与轮胎接触，产生摩擦制动力。其缺点是刹车教果与轮胎充气程度有关。充气不足时，会使摩擦力减小，影响刹车效果。脚闸：优点为由于刹车是用脚力的，所以在脚闸上产生的正压力越大，刹车效果越好。
4. 人与自行车系统
组成自行车的功能是供人骑行，就发挥自行车的功能作用而言，把人看作自行车的组成部分是完全合理的。因此，人在骑车时组成了人一车系统，该人一车系统中的人一车界面关系可由图来进行分析。
4.1 人与支撑部件的关系
支撑部件主要有车架、前叉、鞍座和车把等，是自行车的构架。支撑部分将其他零部件固定在相互间正确的位置上，保证自行车的整体性，实现自行车的功能。从人机关系来看，鞍座、车把和车架等的位置和大小，以及它们间的相互关系，与骑车人的位置和肌肉的动作有着性的设计参数。
4.2 人与动力接受部件关系
动力接受部件主要是脚蹬和曲柄。动力是靠骑车人的双脚踩在脚蹬上，下肢运动的力使曲柄转动而产生的。为了使人省力和有舒适感，必须在骑自行车人的体格和体力与自行车元件的尺寸关系上下功夫，即研究人体下肢肌肉的收缩运动与曲柄转动之间的能量转换问题。
4.3 人与传动部件关系
传动部件主要是滚珠、链条和链轮。人的作用力是通过链条和链轮传动而带动后轮转动，从而使自行车前移。传动部分的设计关键是要有较高的传动效率和可靠性，且有易操纵的变速机构。保证较高的传动效率，才能使人用一定的肌力而获得较大的输出功率。
4.4 人与工作部件关系
工作部件就是车轮，即车圈、轮胎等。绝大部分轮胎是充气的，少数是实心的。车轮一方面把骑车人的肌肉力量，有效地转换为同地面接触而向前运动的力；另一方面将骑车人的握力转换为与接地部分所产生的刹车阻力。在设计自行车的各部分尺寸、车闸及变速器等时，应该着眼于骑车人——动力——传动——工作的连贯性，才可能设计出同骑车人手的大小或握力相适应的闸把、刹车力适当的车闸，才不会发生刹车阻力不够而造成失误现象。
4.5 自行车设计原则
自行车设计要从材料强度、骑行运动学、加工工艺，可靠性等各个方面进行考虑，这些因素都直接影响着车架的外观美感、强度大小和弹性优劣。而车架造型很大程度上决定着自行车骑行好坏、易转性能、骑行舒畅感等。车架管材的长短、构成的角度等影响整体自行车的特性。除考虑车架的造型结构尺寸外，尤其应该考虑自行车与人的协调关系，以及身体尺寸与自行车各部件之间的关系。主要的基本技术参数有:前管轴线与地面夹角、立管轴线与地面夹角p 、传动中心距C 、前后轮中心距D 、中接头中心离地距离E 等。只有这些参数均趋于合理，才能保证自行车的稳定性和操纵性。下面以大众车为例，讨论如何确定车架设计方案。
4.5.1基本原则
（1）自行车的性能是通过人来体现的，它的结构设计应以人为主，充分考虑到人体工程学、自行车运动学、形态美学等方面的知识。
（2）车架的形状和尺度与其功能有关。要求外形尺寸合适，以提高骑行舒适性; 要求所受阻力最小，骑行的输出性能最佳。
（3）要求有足够的刚性和强度，并且尽量减少重量。具有良好的抗冲击、耐疲劳性，以保证寿命使用。
4.5.2 结构尺寸确定
1. 车架规格
运动员下肢(大腿、小腿、脚) 的长短，决定车架的高度。上肢(上臂、下臂和手腕) 的长短与胸之和，决定车架的长度。
2. 前角和后角
前角指前管对于车架的倾斜度。前角为710时，操纵性和稳定性都比较好，确定其范围为650 -750。赛车车架的前角更陡，采用730-750，这样在骑行时反应快，速度灵活。坐管角取与前角相同，陡的角度可使骑车者前扑在中轴的上方，从而获得较大的蹬力。后角指立管轴线与地面夹角。后角决定了骑行者在自行车上的重心位置，一般认为在680 -73。范围内。当传动中心距设定的值较小时，角度偏小，反之偏大。
3. 前又翘度
前叉翘度指前管中心线和前轮轴之间的垂直距离。为提高自行车的的导向灵活性，一般取较小的值。
4. 上管长度
从鞍立管接头到前叉接头的长度，角度较陡的赛车车架相应地使上管缩短了。这样可使骑车者能下扑着双手握住车把骑行，以减小风的阻力并增强脚踏的力量。
5. 转距
为了减少自行车的重量，提高运动性能，必须考虑尽量缩短轮距。前、后轮中心距的尺寸大小与传动中心距有关，当传动中心距较小时前、后轮中心距可取小一些，反之取大一点。
6. 后心距
从保证车架的刚性和良好的加速性能出发，尽量缩短后心距。
5. 结束语
本文结合某邮政局提出的对现用邮政投递自行车的改进要求，基于骑行安全性与舒适性的自行车设计方法，对目前国内现用的自行车和国外某型自行车分别进行了三维造型和车架的分析，通过数据的对比分析，找出了存在的问题，分析结果选用了三种方法对车架进行了改进，分别是改变壁厚，改变管径，改变材料，使车架的设计更合理。对自行车检测方法进行了阐述，将实验数据与自行车检测标准中设定的数据进行对比分析，自行车检测实验方法与实际骑行情况有较大区别，在此基础上提出了自行车的检测标准应结合不同车型分别制定。
本文的研究成果对于自行车的自主创新设计具有重要的理论意义和实际应用价值。
参考文献
1. 基于人机工程学的自行车车架造型特征研究杨峰
2. 基于人机工程学的自行车设计研究旷红梅
3. 自行车设计中的人机因素分析与研究林霜
4. 安全人机工程学中国劳动保障出版社张力等