自行车设计中的安全性

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  【摘要】自行车是随着人类社会的发展而形成的,其在不同的历史阶段扮演者不同的社会角色,在当前,自行车是是最为简单的代步工具,并成为了娱乐以及长途旅行和健身等多样化用途的交通工具。对自行车进行设计过程中,最为重要的就是安全性,自行车的鞍座设计在这一过程中就显得格外重要,对自行车鞍座进行实施改善是自行车制造商提升自身产品竞争力的重要手段,基于此,本文则主要就自行车设计的安全性及相关理论进行详细分析,并将自行车鞍座设计的有关理论加以论述,希望通过此次理论研究对实际发展有所裨益。
  【关键词】自行车设计;安全性;鞍座设计
  引言
  自行车的发展已经有上百年历史,而对于自行车的鞍座设计却还有诸多的问题没有得到有效解决,尤其是在自行车的舒适性方面。我国作为自行车生产大国,自行车是大众最为常用的交通工具,长时间的骑车会给人带来诸多的不适,所以加强自行车的鞍座舒适性以及安全性的设计就成了重要的一个内容。在这一发展下加强对自行车设计中鞍座的优化设计理论研究就有着实质性意义。
  1.自行车的发展演变及鞍座结构设计分析
  1.1自行车的发展演变历程分析
  自行车在其演变过程中逐渐向着人性化的方向发展,从其发展的历程来看,经历了几个重要的阶段。十八世纪九十年代,法国人西弗拉克受到四轮马车启发在进行了多次试验之后就发明了最为原始的自行车,和现代的自行车一样只有两个轮子,但在两轮间并无自动传动装置,需骑在上面双脚滑动,并且不能转弯,在实际的运行过程中就比较吃力。
  到了十九十九世纪八十年代,英国约翰·K·思达雷制造了第一辆现代自行车,并将其命名为安全自行车,在这一制造的自行车结构上最为主要的特点就是呈现出菱形的车架,所以在车身的强度上就相对比较高,并是在链条的驱动下通过后轮来驱动车子前进,然后通过把手来掌握方向[1]。到了二十世纪五十年代中期,對自行车的链条挡灰板外形进行了改善,保障了在自身车行驶中不会由于颠倒使得机油弄脏裤子,并且在稳定和速度权衡上针对不同的人群有了新的设计样式。
  这样在自行车的类型上就能够分为多种样式,主要有公路自行车以及场地自行车和速降自行车等。其中的公路自行车主要是在较为平滑的路面上行驶的,所以根据这一特点进行的自行车设计就在稳定性方面较强,对速度的发挥比较重视。从公路自行车的设计上来看,主要是采用下弯把手,在轮胎上相对比较窄并充气的气压相对较高,这些方面的设计主要是降低自行车风阻系数以及地面阻力[2]。另外就是场地自行车,这一类型的自行车主要就是采取竞赛使用,对其进行设计过程中主要是减少车重以及阻力,从而实现最佳的骑行速度;除此之外就是速降自行车,这一类型的自行车主要就是在山坡这些极限运动中进行设计的,有着较长的减震功能,在轮胎上也相对较宽以此增加摩擦力和稳定性。
  1.2自从车鞍座结构设计分析
  自行车的安全性设计比较重要的就是鞍座的设计,鞍座是自行车的重要构成,从目前市场上所存在的鞍座设计主要是通过皮面以及发泡和底壳、弹簧等所构成的,自行车鞍座基本是通过PVC材料所组成,然后在设计师的设计下采取纹理加以处理,这样就使得鞍座有着多样化的式样,对不同消费者的需求都能够得到满足。鞍座是固定在自行车上支撑骑车者身体的关键部件,所以在舒适度上就比较重要[3]。
  当前所使用的自行车鞍座设计有着诸多的缺陷,对鞍座的设计是决定骑车者坐姿的重要因素,所以人的身体越是向前倾就会使得脊柱的弯曲度越大,这地人的健康有着很大的损伤。座垫是鞍座的重要构成部分,也是对人体直接接触的重要部分,所以座垫的设计就对人的舒适度有着直接影响,由于座垫的设计没有合理化就会造成骑车者长时间骑车之后容易造成身体的疲劳,从而造成很强的不适感。造成这些方面最为主要的就是座垫的形状,从鞍座形状来看主要有窄型以及中型和宽型几种,倘若是长时间坐在鞍座上就会使得臀部和阴部由于压迫带来不适,并会对骑车者的尿生殖系统造成一定影响[4]。窄鞍座主要是职业车手所喜爱的,这样能减少和臀部接触面积,这样在实际的骑行过程中就相对比较自由。
  2.自行车鞍座设计工程机理及鞍座材料对人体影响分析
  2.1自行车鞍座设计工程机理分析
  自行车鞍座的设计对骑行者的舒适度以及健康都有着直接的影响,鞍座设计的不科学所形成的问题主要就是鞍座表面受压力分布没有达到均匀,从而造成阴部挤压过度从而产生不适。骑车者在实际的骑车过程中由于躯体和水平面夹角对坐骨生殖区压力有着重要影响,从而会造成椎间盘的压力增大,这样就比较容易对人体造成脊椎疾病。自行车鞍座设计压力非均匀原则,在人体骑自行车过程中,鞍座是和人体臀部有着直接接触的构件,在这一过程中人体大部分重量都会通过臀部来传递到鞍座上,这样在臀部的坐骨结节以及鞍座之间的紧密度就会得到增加,从而相当于在极小面积上承受着大部分人体的重量,所以长时间处在这一状态下就比较容易造成疼痛感和疲劳感[5]。
  由于人体骑车的姿势不同所以在鞍座的受力方面也会存在着差异,从运动员的姿势上来看,为能够加快速度就要对空气和人体的阻力进一步减少,这时的骑车者在和地面的夹角要小于三十度,并且鞍座面越是狭长就越能够对鞍座和大腿间摩擦得到降低,这样在速度上也就能最大化的呈现。倘若是鞍座稍硬那么坐骨结节所产生的相应对位移和摩擦就不会很大,在脚踏的效率上能够得到有效提升,而由于缓冲不好所以骑车的舒适性也不是很好。
  鞍座下陷坐骨曲率能够对对鞍座的设计提供理论依据,从凹陷型的发展来看主要是在其坐面会呈现出18mm这样一个区域,从而能使得骑车者保持平稳的状态,而在骨盆承受压力方面就会进一步增加,所以对股骨是有着损害的。在人体的坐骨承受自座面压力和座面凹陷程度是呈现出反比例的[6]。另外对鞍座的凸面型进行分析,在这一方面凸面型鞍座是在鞍座后部和人体接触的部分是突出的,而在单侧方卖弄的面积小于27平方厘米,也会造成人体而对不适。   2.2自行车鞍座材料对人体影响分析
  自行车的鞍座材料对骑车者的舒适性和身体健康也会产生影响,通过对鞍座的材料参数进行改变来实施有限元的分析,从而来探究鞍座材料对人体所造成的影响。首先对鞍座的聚乙烯底壳的弹性模量进行改变,自行车骑车者的姿势为休闲姿势过程中,通过下图就能够进行纵向的对比,就能够看出聚乙烯的弹性模量相对较低和较高过程中鞍座的表皮以及底壳就会随着弹性模量上升而发生下降的态势,这样在骑车者的臀部载荷量就会加大[7]。
  再者就是在自行车骑车者的姿势是休闲姿势时候的纵向比能够看出聚氨酯的弹性模量在最低或者是最高的时候,鞍座的表皮及底壳的受力就会随着模量上升的降低,趴姿势进行骑车行驶过程中的受力就会随弹性模量的增大而增大,通过下图就能够看出。
  而在带有凹槽型的鞍座结构方面对骑行者的舒适度也会带来影响,在人体是休闲姿势并且鞍座是水平放置状态下,鞍座带凹槽就会使得阴部下陷,而作用在人体臀部接触压力也就会因此而减少,在接触面积呈现出对称分布过程中是比较符合实际人体接触形状的。凹槽的鞍座和无凹槽的鞍座相比较而言更加的符合人体生理学,这样就有利于骑车中骑车者的生理健康。另外运动员的骑行姿势对骑车者的舒适性也会有着很大的影响,从运动员姿势下的鞍座有限元结构分析情况来看,在骑车的姿势上这要有休闲姿势一起坐姿和趴姿这几种类型[8]。
  休闲骑车姿势不同聚氨酯弹性模量对人体受载荷图
  实施趴姿的骑车过程中对人体和鞍座耦合模型的有限元分析得出,聚氨酯的表皮UY位移的最大处是在长鼻子处,人臀部的直接接触区域位移变形量则是五十毫米,和休闲的骑车姿势相比较而言,在应力值方面同比增加了48KPa,鞍座比较容易发生失效变形。趴姿势的骑车过程中有限元分析主要是和鞍座接触部位表现出的接触压力及接触区域有了很大的变化,此时的接触压力有了很大的增加,并且是在接触压力的分布上并没有休闲骑行时不均匀,所以总体而言人体和鞍座实施的有限元分析主要是受到来自人体骑行时的姿势以及鞍座摆放位置等诸多因素的影响。
  3.自行車安全设计中鞍座设计分析
  对自行车的安全设计最为主要而对还是对鞍座的安全设计,以上对鞍座对人体的健康影响进行了相应的分析,所以通过鞍座的设计演化角度的分析,对鞍座进行详细化的设计就显得比较重要。鞍座的结构如果是没有得到科学合理化的设计就会对骑行者的泌尿系统带来一些影响,从当前的设计技术以及科学技术的不断发展下,对自行车的鞍座设计也比较多样化,这不只是对人们的实际造型需求有着满足,同时也是从安全角度出发,通过中空造型对透气性加以完善,对鞍座的底壳材料主要是通过PPE这一高性能的热塑性的工程塑料进行应用,从而在耐热性能以及强度性能方面都有着很大的优化,并且在质量上和以往相比较也有了改善[9]。
  由于自行车的消费群体不同,所以在鞍座的安全需求上也会存在着一定的差异,故此这就需要对消费者的生活方式以及思维方式进行详细化的考虑。例如对儿童车的鞍座安全性的设计,基于儿童尚处在发育阶段,所以在安全性的实际要求上就比较严格。首先在鞍座的弹簧方面有可能会夹伤儿童,针对这一问题就要在弹簧的外部进行采取防护的措施装置,保障儿童在自行车的行驶过程中不会受到伤害。还有的一些年龄相对较小的孩童可能会穿开裆裤,这就关系着设计过程中所采取的材料要能在透气性以及卫生安全方面得到保证,对鞍座的材料选用要严格的体现,并要能够对配套措施实施开发,从而制作出专用的清洁用品,从而保证儿童肌肤。
  对于儿童的安全来看,由于他们需要得到认同,所以在归属感以及认同感方面就有着重要的体现,对儿童的身体协调能力就要能够得到充分的锻炼。一些概念车型的出现对自行车的整体造型有了改变,而鞍座的设计也要能与时俱进,如摆式自行车的鞍座设计过程中,这是现有的普通自行车基础上进行创新设计的,其在驱动轮上安装了低位车座以及靠背,而在前叉下端和车轮是相连的,在上端和车把是固定的,这样在实际的操作上比较方便。在低位车座的设置下能够使得骑车者上身自然挺直[10]。从外观造型方面鞍座的基础考虑就是怎样的曲线组成以及立体感的实现,鞍座的面料所选用的是有着较好透气性的皮革材料,这样在散热以及外形上都有着较好的实现。对于自行车的鞍座尺寸而言,这是影响人体坐骨结节以及骨盆等生理结构的重要因素,通过平蹬摆式可将鞍座构造成四边形的形状,通过四段曲线所组成,也可将鞍座以宽大的形式得以体现,从而让人在骑行过程中感受到舒适度。
  4.结语
  总而言之,交通工具中的自行车是人们最为常用的,所以对其的安全性要能得到充分重视,自行车的鞍座对人体的影响主要是在坐骨结节方面,故此要能针对性的对鞍座加以设计。随性和科学技术的不断进步,这对自行车的鞍座设计的科学性也会起到促进作用,所以围绕着鞍座的安全性设计原则才能保证其设计构造的科学性。
  参考文献
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  [8]刘霞,董黎敏,吴大将.基于Imageware和Pro/E的自行车鞍座曲面反求设计[J].组合机床与自动化加工技术,2013,(02).
  [9]刘极峰,吉绍山.平蹬摆式自行车鞍座之工效学研究[J].人类工效学,2013,(04).
  [10]黄海波,丁玉兰.自行车鞍座的人机工学设计[J].工程图学学报,2015,(03).
  基金项目
  1天津市大学生创新创业项目,项目名称:基于4G网络的新型自动售货机研发,项目编号 201410792014;2天津城建大学教改项目:人体工程学教学改革与研究。
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