基于人机工程学儿童自行车设计

赵珊 张菁 于宝群

摘 要：主要针对儿童童车领域，以年龄较大儿童使用的自行车为主要论述和设计对象，运用理论研究和调查相结合的方式。通过收集资 料，调查研究，理论学习入手设计儿童自行车。

关键词：儿童自行车;新颖;造型;人性化

通过观察市场上已有的童车，对于单调统一的造型，让我对儿童自行车的车架造型设计产生了浓厚的兴趣。在进行头脑风暴后，通过手绘作图画出自己理想的造型，然后对其进行人机尺寸计算。由于其中一个设计要点是增加使用时间效率，因此，在某些部件的尺寸计算上需要考虑一个变动范围。紧接着对方案进行实际尺寸建模。

根据设计定位，此次设计主要是针对儿童产品进行人机设计产品，儿童自行车的大体结构及形状与自行车相似，故计算公式采用自行车计算。尺寸计算主要包括：

1 确定曲柄长L1和中轴高H

首先从国际规定的标准轮径中取轮径508mm，按照车架设计的一般方法，取曲柄长 L1为轮半径R车轮的1/2，即：

L1≈R 车轮/2=508mm÷4=127mm 为了满足整车的运动性能，中轴高高度与曲柄长和轮半径关系为：L1

儿童自行车规格选择20寸，轮径=20×25.4=508mm（轮半径=254mm）根据自行车安全要求（GB 3565-83），曲柄端与地面应有一定距离，取此距离100，则：曲柄长度 L1≈ r车轮/2≈254/2=127mm 中轴高度h中轴≈L1+100×r 车轮/254=227mm。

鞍座与五通中心距离 H2=大腿长+小腿加足高+鞋厚-曲柄高+功能=430+367+20-127+160=850mm。

2 立管、上管长度计算：

根据人机工程学原理，一般在骑车者手臂与上胸夹角为50°左右时骑姿最为舒适。按余弦定理，易知上管长A可由下式：

A=L2s+L2-2×Ls×cos50°

其中Ls为上臂长，L为裆部到锁骨之间V字槽底的距离，可以近似用坐姿颈椎点高减去曲柄长，即：B

按照经验方法，一般取B≈L腿-1.8L1

对于第50百分位的11-12岁的男童而言：

LS=271mm、L=L坐姿颈椎点高-修正量=541mm-100mm=441mm;

H大腿长=430mm、H小腿加足高=367mm

L腿=H大腿长+H小腿加足高=430mm+367mm=797mm

A=2712+4412-2×271×441×cos50°=338mm

B

3 设计立管、前管倾角

一般地：65°≦α≦75°，65°≦β≦75°，α略大于β。其中α取大值则骑行效率高，取小值则整车稳定性好。β取大值则车架刚性好;取小值则吸振性好。故确定α=72°，则β自行车前管、下管长度的定中的d1与d2来确定。其中d2与脚蹬宽度有关，而脚蹬宽度可取足长1/3-1/4。

按整车技术要求，对于20英寸车：

d1=60×R车轮/254=60×254/254=60mm

d2>89×R车轮/254=89×254/254=89mm取d2=90mm，取β=70°

4 鞍座距离地面高度H1

与小腿长、足高、大腿长等下肢功能长度有关，加适当修正量。高度一般在435-635mm。小于435mm的童车，另外还要符合GB6675-2003《国家玩具安全技术规范》。

H1=109%×会阴高+功能修正量（鞋厚、踮脚）=109%×647+25=730mm。

5 鞍座与五通中心距离H2及曲柄长度L1

查询国家标准：“中国未成年人体尺寸”GB/T 26158-2010中的未成年男子第50百分位的大腿长、小腿加足高分别为：

H大腿长=430mm、H小腿加足高=367mm

下肢长=大腿长+小腿加足高=430+367=797mm

H2和L1之和要小于下肢长：

H2+L1

L1=127mm H2=H1-L1-离地高度=730mm-127mm-100mm=503mm

H2+L1=503mm+127mm=630mm<797mm 合适

6 脚蹬与距离地面的安全距离H3

该距离要适当，应要保证自行车傾斜20°时脚蹬不触及地面。另外需要考虑足尖间隙，即脚蹬和前轮胎或前泥板之间的间隙至少为89mm。

故取脚蹬与距离地面的安全距离H3=100mm。

7 车架形态与结构设计

这款自行车车架利用大雁的形态为原型，对其进行改造，表面光滑无突出物，更加安全。并在中间设计空洞，减少材料，减轻重量。

本次设计主体颜色采用金属红色和金属银色，主要适合大龄男童追求个性，彰显自我品味。金属光泽使得自行车配色靓丽，让人眼前一亮。与此同时，红色给人以热烈、热情、活力、动感的感受，迎合青少年儿童当下的心理需求。

自行车效果图

参考文献：

[1]张峻霞，王新亭.人机工程学与设计应用.国防工业出版社，2010.1.

[2]赵江洪，谭浩.人机工程学教程.高等教育出版社，2001（第一版）.

[3]《中国未成年人人体尺寸》GB/T 10000-88.

[4]《自行车车架》QB 1880-2008.