人机工程学的自行车设计
人机工程学的自行车设计
随着人们生活水平、消费水平的提高以及健身意识的增强，自行车越来越受
到人们的青睐。从工业设计的角度讲，面向中国市场的自行车是时尚、人机工程、
功能齐全等因素的统一体。如何完成自行车的设计成为一项极具意义的研究内容。
本文主要分为五章内容。第一章概述了课题背景和研究目的。第二章通过网
络调研和现场实地调研，介绍了自行车发展史，列举分析了常见的自行车种类十
大品牌自行车。第三章进行了自行车的人机工程学研究。第四章就上一章的描述， 对自行车的主要元素进行分类分析，主要从外观、功能和材料工艺方面着手，进行设计。第五章最后进行自行车的设计，得出自行车最终设计方案。
人机工程学在自行车设计中也占据了很重要的部分。自行车与人体有多个部
位紧密接触，在设计时应统筹考虑自行车的结构和骑自行车的人的生理和心理特
点，才能做到人与自行车的协调统一。正是基于人机工程学，本文在产品研究板
块，主要分析了自行车的结构和人体特征，然后应用人机工程学的相关理论进行
自行车设计。20191028193128
关键词：自行车；人机工程学；设计
3.1 人机工程学用于自行车的研究现状
经过 200 多年的演变和改进，自行车设计不断提高和完善，功能也逐渐增多，
结构日趋合理和稳定。
在自行车的发展历程中，驱动方面是自行车设计的一个关键点，不断提高骑
行效率，是自行车最本质的要求。从最开始的由双脚向前推动的自行车，到现如
今的链条带动传动的自行车，人们在自行车的设计领域中，攀登到了新的高峰。
近年来，人们对自行车的研究方向主要转移至新材料、减震、折叠、外观等。
同时，自行车骑行的舒适与否也成为人们的把，人机工程学理论随之被引入到自
行车设计中，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，给人们带来便利。
从人机工程学的角度，利用现在市面上所用的自行车的骑姿入手，主要从鞍
座、车把方面来分析自行车[6]，并利用人机工程学原理对自行车进行改良设计，使
人们在骑乘过程中更加舒适。
3.2 骑姿分析
自行车骑姿是由骑乘者与自行车的车把、鞍座以及脚踏板之间的相对位置来
决定的。[27]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
定位车把、鞍座以及脚踏板三者之间的位置，让骑乘者在骑行过程中身体各部分
尽可能地处于自然状态。
一般自行车的鞍座和车把位置可在一定范围内调整，[21]现在常用的确定骑姿
的方法是：骑乘者坐在鞍座上，将一只脚踏板转到最低点，用脚后跟踩脚踏板，
至感觉膝关节稍稍弯曲的位置。如果脚后跟够不着脚蹬就需要将鞍座降低一些，
如果情况相反，膝关节弯曲得厉害就应该将鞍座提高。[7]这样定位后，便可使腿部
在蹬踏时稍稍弯曲，可使肌肉在紧张以后能够得到充分的休息。
如图 3.1 所示，首先假设手、脚和躯干都是刚性结构，人体骨骼在肌肉的带
动下可以绕关节转动。并假设在蹬踏过程中脚与小腿轴线之间为垂直以简化计算。
而实际骑行过程中，骑乘者会提起或放下脚尖，以尽可能的使脚的用力方向与曲
柄垂直，所以将脚与小腿轴线之间简化为垂直关系是合理的。在骑自行车的时候，
13
骑乘者的上体几乎处于静止状态，大腿在一定的角度范围内摆动，脚绕中轴轴心
做圆周运动，并带动小腿运动。
当 L 取得最小值时，从蹬踏运动的过程中，膝关节在 60°～119°的范围内活
动，处于膝关节的舒适调节范围内。如图 3.2 所示。
当 L 取得最大值时，让大腿轴线与身体轴线之间的夹角为 95°，可避免压迫
腹部，如图 3.3 所示，处于舒适调节范围中。
图 3.1 人体结构图 图 3.2 L 取最小值时下肢图 图 3.3 L 最大值时下肢图
3.2.1 影响自行车骑姿的因素分析
正确的骑姿可以提高骑行效率，使骑行不易产生不适和疲劳，同时还能降低
危险发生的几率。[22]骑姿设计是自行车设计工作中的一项重要内容，与自行车骑
姿相关的因素主要有：
(1)车把与鞍座之间的相对位置
车把与鞍座之间的相对位置决定了骑乘者上半身的姿势。[23]车把过低会使骑
行者的上肢承受很大的静压，时间稍长手臂和手掌易发生疲劳。同时过低的上身
也会压迫腹部，导致呼吸不畅：但此姿势下力容易传递到车。提高车把高度可使
背部弯曲度变浅，可以避免对腹部的压迫，但力不易传递到前轮[8]。从生物力学角
度来看，当人体脊柱处于非自然弯曲状态时，会引起椎间盘压力改变，致使腰部
疼痛，所以良好的骑姿应使骑乘者脊柱接近正常形态。
14
(2)鞍座与脚踏之间的相对位置
鞍座与脚踏之间的相对位置直接影响蹬踏方式，由鞍座相对中轴轴心的位置
和曲柄长度决定[24]。鞍座相对中轴轴心的位置是决定下肢肌肉群的肌力能否有效
利用的一个关键，即是影响踏力和踏速能否获得最佳配合的关键[9]。鞍座的位置由
鞍座的高度和坐管倾角共同决定：鞍座的高度与胯高关系紧密；大的坐管倾角使
骑乘者重心靠前，有利于高速骑行，但不能长时间骑行；小的坐管倾角使骑乘者
在慢速行使中获得更大的动力和更好的稳定性。
曲柄长度决定了大腿骨的运动角度和有关肌肉群的收缩程度。过长的曲柄将
引起肌肉的过度伸长和过度缩短。曲柄过短将使宝贵的肌肉收缩力不能被充分利
用。此外，曲柄的长度还直接影响合理的踏速[9]。现在有两种比较流行的确定曲柄
长度的方法，一种是从股骨的顶端到地面距离的 18．5％为所需曲柄的长度，还有
一种是取为身高的 1／10。[10]
3.2.2 现行骑姿的人机特性分析
(1)赛车
赛车是以追求速度为主要目的的，长时间骑行会导致身体多个部位的不适。
在赛车运动中空气的阻力是不可忽视的因素，尤其是时速超过 40km 时，
[25]人本身
的“马达”所发出的 200-350 瓦的能量，一半以上消耗在对空气的阻抗上。[9]赛车
的骑姿如图 3.4 所示，由图可以看出赛车的中轴在水平方向上靠近鞍座，车把离
鞍座较远、且低于鞍座。此时运动员上半身弯曲到几乎与地面平行，肩关节的角
度呈 90°，肘关节的角度呈 90°～120°。[10]前倾的骑姿增大了身体与鞍座的接
触面积，人的体重大部分落到鞍座上。为了防止鞍座妨碍运动员的频繁蹬踏运动，
赛车的鞍座尺寸一般偏小。前倾的骑姿加上尺寸偏小的鞍座加重了身体的负担。
同时前俯的骑姿改变脊柱的自然弯曲状态为后凸状态，时间一长容易引起腰部酸
疼。运动员手臂除了控制行进方向外，还要承受部分体重，静态受力加速了手臂
的疲劳。同时，腹部受压、呼吸不畅[7]。
由人机工程学可以知道，[11]人在垂直平面内颜色辨别界限在标准视线以上，
和标准视线以下 40°。站立时人的自然视线低于标准视线 10°，坐着时低于标准
视线 15°。[11]在赛车运动中，运动员必须把头朝后仰 70°左右才能更好地观看前
面的道路，这增加了脖子的负担，容易引起颈椎病。
摘 要I
ABSTRACT.II
第 1 章 绪论. 1
1.1 课题的背景和分析.1
1.2 研究自行车的目的.1 第 2 章 自行车的调研及分析. 2
2.1 自行车的发展史.2
2.1.1 自行车的设计雏形 2
2.1.2 自行车的改进历史 2
2.2 自行车的调研及分析.3
2.3 十大自行车品牌市场调查.6
2.4 市场调查结果分析.11
第 3 章 自行车的人机工程学研究. 12
3.1 人机工程学用于自行车的研究现状.12
3.2 骑姿分析.12
3.2.1 影响自行车骑姿的因素分析 13
3.2.2 现行骑姿的人机特性分析 14
3.3 鞍座的人机工程学分析.15
3.3.1 鞍座的人机工程学原理分析 15
3.3.2 现有鞍座的人机工程学分析及鞍座设计参考 16
3.3.3 带腰靠的自行车鞍座人机工程学分析与设计参考 18
3.4 自行车车把及把套的人机工程学分析.18
3.4.1 自行车车把的人机工程学分析及设计参考 18
3.4.2 把套的人机工程学分析及设计参考 19
第 4 章 自行车主要元素的分类分析. 21
4.1 自行车外观分析21
4.2 自行车功能分析21
4.3 自行车材料分析23
4.3.1 车架材料分析. 23
4.3.2 鞍座的材料分析. 24
4.3.3 车把及把套材料分析. 24
4.4 自行车配色24
第 5 章 自行车的设计研究. 26
5.1 自行车设计定位.26
5.2 自行车的设计提案.26
5.2.1 自行车草图. 26
5.2.2 自行车初步设计方案. 29
5.3 最终方案的确定及效果展示34
5.3.1 确定方案. 34
5.3.2 整体效果图. 34
5.3.3 使用情境图. 35
5.3.4 细节展示图. 35
5.3.5 配色方案图 37
5.3.6 产品三视图 38
总结39
参考文献41
致谢43
随着人们生活水平、消费水平的提高以及健身意识的增强，自行车越来越受
到人们的青睐。从工业设计的角度讲，面向中国市场的自行车是时尚、人机工程、
功能齐全等因素的统一体。如何完成自行车的设计成为一项极具意义的研究内容。
本文主要分为五章内容。第一章概述了课题背景和研究目的。第二章通过网
络调研和现场实地调研，介绍了自行车发展史，列举分析了常见的自行车种类十
大品牌自行车。第三章进行了自行车的人机工程学研究。第四章就上一章的描述， 对自行车的主要元素进行分类分析，主要从外观、功能和材料工艺方面着手，进行设计。第五章最后进行自行车的设计，得出自行车最终设计方案。
人机工程学在自行车设计中也占据了很重要的部分。自行车与人体有多个部
位紧密接触，在设计时应统筹考虑自行车的结构和骑自行车的人的生理和心理特
点，才能做到人与自行车的协调统一。正是基于人机工程学，本文在产品研究板
块，主要分析了自行车的结构和人体特征，然后应用人机工程学的相关理论进行
自行车设计。20191028193128
关键词：自行车；人机工程学；设计
3.1 人机工程学用于自行车的研究现状
经过 200 多年的演变和改进，自行车设计不断提高和完善，功能也逐渐增多，
结构日趋合理和稳定。
在自行车的发展历程中，驱动方面是自行车设计的一个关键点，不断提高骑
行效率，是自行车最本质的要求。从最开始的由双脚向前推动的自行车，到现如
今的链条带动传动的自行车，人们在自行车的设计领域中，攀登到了新的高峰。
近年来，人们对自行车的研究方向主要转移至新材料、减震、折叠、外观等。
同时，自行车骑行的舒适与否也成为人们的把，人机工程学理论随之被引入到自
行车设计中，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，给人们带来便利。
从人机工程学的角度，利用现在市面上所用的自行车的骑姿入手，主要从鞍
座、车把方面来分析自行车[6]，并利用人机工程学原理对自行车进行改良设计，使
人们在骑乘过程中更加舒适。
3.2 骑姿分析
自行车骑姿是由骑乘者与自行车的车把、鞍座以及脚踏板之间的相对位置来
决定的。[27]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
定位车把、鞍座以及脚踏板三者之间的位置，让骑乘者在骑行过程中身体各部分
尽可能地处于自然状态。
一般自行车的鞍座和车把位置可在一定范围内调整，[21]现在常用的确定骑姿
的方法是：骑乘者坐在鞍座上，将一只脚踏板转到最低点，用脚后跟踩脚踏板，
至感觉膝关节稍稍弯曲的位置。如果脚后跟够不着脚蹬就需要将鞍座降低一些，
如果情况相反，膝关节弯曲得厉害就应该将鞍座提高。[7]这样定位后，便可使腿部
在蹬踏时稍稍弯曲，可使肌肉在紧张以后能够得到充分的休息。
如图 3.1 所示，首先假设手、脚和躯干都是刚性结构，人体骨骼在肌肉的带
动下可以绕关节转动。并假设在蹬踏过程中脚与小腿轴线之间为垂直以简化计算。
而实际骑行过程中，骑乘者会提起或放下脚尖，以尽可能的使脚的用力方向与曲
柄垂直，所以将脚与小腿轴线之间简化为垂直关系是合理的。在骑自行车的时候，
13
骑乘者的上体几乎处于静止状态，大腿在一定的角度范围内摆动，脚绕中轴轴心
做圆周运动，并带动小腿运动。
当 L 取得最小值时，从蹬踏运动的过程中，膝关节在 60°～119°的范围内活
动，处于膝关节的舒适调节范围内。如图 3.2 所示。
当 L 取得最大值时，让大腿轴线与身体轴线之间的夹角为 95°，可避免压迫
腹部，如图 3.3 所示，处于舒适调节范围中。
图 3.1 人体结构图 图 3.2 L 取最小值时下肢图 图 3.3 L 最大值时下肢图
3.2.1 影响自行车骑姿的因素分析
正确的骑姿可以提高骑行效率，使骑行不易产生不适和疲劳，同时还能降低
危险发生的几率。[22]骑姿设计是自行车设计工作中的一项重要内容，与自行车骑
姿相关的因素主要有：
(1)车把与鞍座之间的相对位置
车把与鞍座之间的相对位置决定了骑乘者上半身的姿势。[23]车把过低会使骑
行者的上肢承受很大的静压，时间稍长手臂和手掌易发生疲劳。同时过低的上身
也会压迫腹部，导致呼吸不畅：但此姿势下力容易传递到车。提高车把高度可使
背部弯曲度变浅，可以避免对腹部的压迫，但力不易传递到前轮[8]。从生物力学角
度来看，当人体脊柱处于非自然弯曲状态时，会引起椎间盘压力改变，致使腰部
疼痛，所以良好的骑姿应使骑乘者脊柱接近正常形态。
14
(2)鞍座与脚踏之间的相对位置
鞍座与脚踏之间的相对位置直接影响蹬踏方式，由鞍座相对中轴轴心的位置
和曲柄长度决定[24]。鞍座相对中轴轴心的位置是决定下肢肌肉群的肌力能否有效
利用的一个关键，即是影响踏力和踏速能否获得最佳配合的关键[9]。鞍座的位置由
鞍座的高度和坐管倾角共同决定：鞍座的高度与胯高关系紧密；大的坐管倾角使
骑乘者重心靠前，有利于高速骑行，但不能长时间骑行；小的坐管倾角使骑乘者
在慢速行使中获得更大的动力和更好的稳定性。
曲柄长度决定了大腿骨的运动角度和有关肌肉群的收缩程度。过长的曲柄将
引起肌肉的过度伸长和过度缩短。曲柄过短将使宝贵的肌肉收缩力不能被充分利
用。此外，曲柄的长度还直接影响合理的踏速[9]。现在有两种比较流行的确定曲柄
长度的方法，一种是从股骨的顶端到地面距离的 18．5％为所需曲柄的长度，还有
一种是取为身高的 1／10。[10]
3.2.2 现行骑姿的人机特性分析
(1)赛车
赛车是以追求速度为主要目的的，长时间骑行会导致身体多个部位的不适。
在赛车运动中空气的阻力是不可忽视的因素，尤其是时速超过 40km 时，
[25]人本身
的“马达”所发出的 200-350 瓦的能量，一半以上消耗在对空气的阻抗上。[9]赛车
的骑姿如图 3.4 所示，由图可以看出赛车的中轴在水平方向上靠近鞍座，车把离
鞍座较远、且低于鞍座。此时运动员上半身弯曲到几乎与地面平行，肩关节的角
度呈 90°，肘关节的角度呈 90°～120°。[10]前倾的骑姿增大了身体与鞍座的接
触面积，人的体重大部分落到鞍座上。为了防止鞍座妨碍运动员的频繁蹬踏运动，
赛车的鞍座尺寸一般偏小。前倾的骑姿加上尺寸偏小的鞍座加重了身体的负担。
同时前俯的骑姿改变脊柱的自然弯曲状态为后凸状态，时间一长容易引起腰部酸
疼。运动员手臂除了控制行进方向外，还要承受部分体重，静态受力加速了手臂
的疲劳。同时，腹部受压、呼吸不畅[7]。
由人机工程学可以知道，[11]人在垂直平面内颜色辨别界限在标准视线以上，
和标准视线以下 40°。站立时人的自然视线低于标准视线 10°，坐着时低于标准
视线 15°。[11]在赛车运动中，运动员必须把头朝后仰 70°左右才能更好地观看前
面的道路，这增加了脖子的负担，容易引起颈椎病。
摘 要I
ABSTRACT.II
第 1 章 绪论. 1
1.1 课题的背景和分析.1
1.2 研究自行车的目的.1 第 2 章 自行车的调研及分析. 2
2.1 自行车的发展史.2
2.1.1 自行车的设计雏形 2
2.1.2 自行车的改进历史 2
2.2 自行车的调研及分析.3
2.3 十大自行车品牌市场调查.6
2.4 市场调查结果分析.11
第 3 章 自行车的人机工程学研究. 12
3.1 人机工程学用于自行车的研究现状.12
3.2 骑姿分析.12
3.2.1 影响自行车骑姿的因素分析 13
3.2.2 现行骑姿的人机特性分析 14
3.3 鞍座的人机工程学分析.15
3.3.1 鞍座的人机工程学原理分析 15
3.3.2 现有鞍座的人机工程学分析及鞍座设计参考 16
3.3.3 带腰靠的自行车鞍座人机工程学分析与设计参考 18
3.4 自行车车把及把套的人机工程学分析.18
3.4.1 自行车车把的人机工程学分析及设计参考 18
3.4.2 把套的人机工程学分析及设计参考 19
第 4 章 自行车主要元素的分类分析. 21
4.1 自行车外观分析21
4.2 自行车功能分析21
4.3 自行车材料分析23
4.3.1 车架材料分析. 23
4.3.2 鞍座的材料分析. 24
4.3.3 车把及把套材料分析. 24
4.4 自行车配色24
第 5 章 自行车的设计研究. 26
5.1 自行车设计定位.26
5.2 自行车的设计提案.26
5.2.1 自行车草图. 26
5.2.2 自行车初步设计方案. 29
5.3 最终方案的确定及效果展示34
5.3.1 确定方案. 34
5.3.2 整体效果图. 34
5.3.3 使用情境图. 35
5.3.4 细节展示图. 35
5.3.5 配色方案图 37
5.3.6 产品三视图 38
总结39
参考文献41
致谢43
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