应用于人行护栏的自行车起步助力桩研究

摘 要：发现问题并解决问题是产品创新之根本，本文针对路口自行车起动慢，容易造成拥堵碰擦这一问题，立足于城市家具领域，提出一项新产品解决方案，并通过对其使用环境要素、人机功能原理的分析，从而实现更加合理的功能效果，确定最具可行性的产品方案并且配以图示进行详细的说明。

关键词：城市家具;自行车;起动助力;发明创新

一、应用背景

随着城市化进程不断推进与国家“十四五”发展规划纲领性文件的发布，全面提升城市品质与提高城市精细化管理水平将是今后一段时期城市发展的主要方向，逐渐告别了盲目的粗放型发展，提倡更加低碳、环保、健康的出行方式，更加合理地规划机动车道、非机动车道、人行道等“三行”系统，非机动车专用车道建设成为现代道路规划的重要组成部分，为道路上日益增多的骑车出行的人们提供安全与便利的骑行条件。

由于非机动车逐渐增多，有电力驱动的助力车也与自行车混行于非机动车道内，当路口信号灯为红灯时，助动车停止时，骑行者可以坐在座位上并用双脚支撑平衡，而自行车的骑行者由于是双腿跨骑并且座高大于腿长，因此停止时很难靠脚直接接触地面保持平衡，通常会靠向右侧路边，靠立缘石的高度来支撑人车的平衡。当绿色通行信号灯亮起时，助动车凭借其重心低，电动机驱动的优势可以快速达到保持骑行惯性平衡的速度;但是自行车是靠人力来驱动，起动时只能用脚蹬地来，依靠地面的反作用力来获取起动的初速度，由于前进方向与蹬地方向不一致，反作用于腿部的力量并没有全部用来推进车身，不但不能快速获得起动速度，还由于反作用于其他方向的分力影响了身体的平衡，使车身摆动，骑行人被迫快速扭动车把反制车身摆动，形成不明确行驶路线，从而引发磕碰的小事故，还因不能快速通行造成路口局部拥堵，影响了通行效率。

二、解决方法

如何使骑行人能够快速达到平稳骑行的初速度是要解决的问题。为了获得较快的起动初速度，我们可以借鉴参考一些实际案例，例如，为了在有限的滑行助跑距离获取足够的起飞速度，航空母舰上的飞行甲板上除了弹射器之外，每条弹射道还有一个“尾流挡板”，不但能遮挡战机尾部力量巨大的热气流，同时吹向挡板气流的反向作用力也为飞机起跑提供了有效的助推，如果没有挡板，飞机就需要更长的跑道来获取足够的起飞速度。再比如，短跑运动员在起跑时都需要应用起跑器，通过起跑时腿部快速蹬踏起跑器的倾斜表面来获取瞬时向前的推力，以助于快速达到最佳速度。

综合多种实际例子发现，起动时借助有效的助力装置，使运动的主体快速地获得前进方向上的有效反作用力，是解决自行车起步时快速获得平衡前行所需惯性速度的有效办法。

三、分析与论证

依据通常骑行习惯作为参考，车座高度通常调节为接近骑行腿伸展长度时比较舒适，如图高度（D）接近于鞍管（a）立管（b）曲柄（c）长度之和[2]。当停止时，车身直立状态腿部屈伸摆动不能有效触及地面获得需要的反作用力，需要一个合适位置的承力点来支撑助力（图1）。

骑行过程中，双腿反复屈伸，踩踏脚蹬，通过双曲柄连接中轴[1]，围绕中轴往复运动，分别经过最高点A与最远端B两个极限位置时的腿部状态（图2），助力桩的高度l3，应满足l1-l2<l3<l1+l2范围，可见支持舒适骑行的中轴位置，是满足双腿摆动范围的平均位置，也是最优高度，助力桩高度设置采用与自行车中轴高度近似是合理的高度位置设定。

自行车种类繁多，有山地自行车、公路赛车、普通自行车等诸多类型。由于功能不同，其轮径、车架、曲柄等不同结构组件有各自不同的结构尺寸，使中轴距地面高度也不尽相同。为满足最广泛的使用群体需求，基于城市使用场景，选取使用范围最广，适合各类人群骑行的共享单车结构尺寸，作为主要分析参照，以确定大部分人群使用高度的助力桩高度。

市面主流的共享单车（图3），代表了适合绝大多数骑行人的人体工学尺寸车型，其都采用了24寸尺寸的车轮，由于其都采用实心轮胎，所以其整车高度基本恒定，不受胎压与重量的影响，实测中轴距地面的高度分别为285cm、28.5cm、27.5cm，实测曲柄长度分别为17cm、17cm、17cm，取得l3最小值為10.5cm，最大值为45.5cm，l3高度区间在10.5～45.5cm范围内设置助力桩都满足骑行高度的腿部的人体工学要求。（见表1）

四、环境设施分析

道路交叉口的自行车专用车道停止线后的路边，主要组成设施有立缘石和人行护栏，绝大部分的道路建设完成后，立缘石和人行护栏的铺设都已完成，能利用的空间非常有限，从成本和技术两方面来考量，自行车起动助力桩的设置与其二者结合考量才更有可实现性，因此立缘石和人行护栏是否标准化决定了助力桩的设置是否具有广泛的通用性，接下来对二者规格尺寸与关联性进行分析。

立缘石是指顶面高出路面的路缘石，有标定车行道范围和纵向引导排除路面水的作用。其外露高度是考虑满足行人上下及车门开启的要求确定的，一般高出路面10～20cm。城市道路立缘石设置在路侧带两侧时，外露高度宜为10～15cm[3]，厚度通常为10cm和15cm。

人行护栏单片长度以3m为宜，从人行道缘石坡道结束位置开始布设，人行护栏及桩柱紧贴路缘石内边线布设[4]，人行护栏底部横梁从安全角度考量，通常为了避免小孩子钻过，距离地面的高度通常设计为15～20cm，规格多采用4cm×4cm方管或同直径圆管。

人行护栏底部横梁距离车行道地面高度区间l4为27cm<l4<37cm范围（图4），此高度范围区间在l3的高度范围内，符合助力桩在自行车骑车人起动时应用场景下的人体工学要求，所以标准化的立缘石与人行护栏的实施方式与规格为助力桩以人行护栏底部横梁为载体实施设计提供了可实现的理论依据。

五、具体实施方案

（一）过程分析

自行车起步助力桩的使用过程是一个脚部对其实施“踩踏——蹬踏”的过程（图5），当车没有停到相应位置的时候，骑行者的脚部对桩体的后上部踩踏以寻求缓冲和停车时的支撑;当要起步时，脚掌移向助力桩前上部，依托受力点蹬踏，依靠蹬踏的反作用力把人车向前推进以快速获得满足平衡骑行的惯性速度。整个过程中，脚部始终与助力桩的顶部接触，没有固定的承力点位要求，骑行人根据自身位置与舒适感自行调整踩踏位置，所以助力桩外形以圆柱形主体为主，由于起动时，脚部蹬踏时需要一个相对明确的发力方向，这就需要助力桩提供一个足够的受力面积与角度，使发力蹬踏时脚掌能够获得一个足够面积的蹬踏区间与稳定合理的力反馈方向。（图6）

完整的应用过程中，由于骑行人出于自身安全的考量，会保持车体与立缘石边缘有一个相对安全的距离，所以与助力桩的全接触过程中，腿部是呈现一个向外屈伸的姿态去踩踏桩体（图7）。为了保持整个接触过程中，桩体的力反馈能够直接作用于腿部方向，而减少其他方向的分力带给脚部、腿部等部位的不适感，整个桩体的接触部分应该设计成倾斜表面，以最大限度地满足使用过程中的人机工程学条件。

根据人的身体部位摆动角度范围参考（图8）（表2），髋关节带动大腿外展角度在45°以内满足人体结构的运动机能要求，所以助力桩的面倾角只要小于45°即可。

助力桩使用全过程都与脚掌面接触，踩踏与蹬踏过程的支撑与助力桩长度相关，根据国家标准数据（表3）（表4），中国成年男人（18～60岁）足宽为86～107mm，中国成年女性（18～55岁）足宽为78～98mm[5]。为满足最广泛的使用需求，足宽取成年男最大值107mm与成年女最小值78mm作为参考数值范围，取近似均值90mm作为桩体长度数据。

（二）方案实施

基于上述数据与分析，设计出满足上述要求的应用于人行护栏的自行车起动助力桩装置，具体方案如下：

适用于3m单体人行护栏的自行车起动助力桩装置，其主要结构如图9、图10所示。采用改性PP材料一体注塑成型的正、背两面外壳，耐腐蚀，成本低廉;用扎带绑定与人行护栏下横梁，之后用反光贴片遮盖绑线槽，兼顾美观度与安全提示双重作用。图11、图12助力桩主体外壳安装完成后的整体厚度小于立缘石厚度，所以不会伸出立缘石边缘，保证靠边骑行的人不会被助力桩绊住。

结语

（1）本次研究的过程，是一个发现问题并通过数据分析研究并解决问题的过程，通过认真地对问题发生的原因进行分析，并联想到类似场景的解决方式，从而确定解决该问题的目标与方向。

（2）通过深入分析这个特定问题涉及的人、车、道三方面因素，对于解决问题的方法有了更深入的了解，并通过细致的数据分析，明确了解决办法的可行性。

（3）通过结合实际的道路建设情况，依据分析过程得出的数据参考结论，设计出经济、可行的产品方案，使設计的产品更具市场价值。

（4）通过对自行车路口起动缓慢不平稳的问题分析研究并最终设计出解决问题的产品方案，填补了又一项城市家具领域的空白，对于该产品的市场前景充满信心，其分析过程与参考数据不仅适用于本次研究针对的路口特定场景和人行护栏的捆绑使用方式，更具有其广阔的扩展应用前景，相信随着低碳出行方式的普及，自行车起动助力桩装置也将形成巨大需求市场，带来明显的市场效应，也使企业认识到创新是企业发展壮大的原生动力。

参考文献：

[1]GB/T356493，自行车部件分类、名称和主要术语[S].

[2]QB18802008，自行车车架国家标准[S].

[3]CJJ372012，城市道路工程设计规范[S].

[4]T/CAS3712019，城市家具单体设计指南[S].

[5]GB1000088，中国成年人人体尺寸[S].

作者简介：梁伟（1978— ），男，汉族，黑龙江哈尔滨人，本科，工程师，城市家具研发总监，研究方向：城市家具智能化。