王男

摘要：基于用戶(hù)Fitting的車(chē)架參數(shù)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參數(shù)及其約束，建立車(chē)架參數(shù)化模型；再結(jié)合人機(jī)工程學(xué)，得出與車(chē)架相關(guān)的人體關(guān)鍵尺寸參數(shù)和人與車(chē)架之間的人機(jī)約束關(guān)系，建立用戶(hù)Fitting的參數(shù)化系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)是可視的，并且具有可控性，用戶(hù)輸入?yún)?shù)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序，生成符合其身體尺寸的車(chē)架模型及車(chē)架尺寸，為用戶(hù)選擇車(chē)架或裝車(chē)Fitting時(shí)提供數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：用戶(hù)Fitting 車(chē)架結(jié)構(gòu) 約束 參數(shù)化設(shè)計(jì)

前言

用戶(hù)Fitting是用戶(hù)根據(jù)其人體特征選擇和裝配符合自身尺寸的自行車(chē)。自行車(chē)的尺寸結(jié)構(gòu)業(yè)界已經(jīng)有成熟的數(shù)據(jù)庫(kù)，一般通過(guò)有限的系列化以適應(yīng)騎行者身體及自行車(chē)生產(chǎn)制造的需求，但用戶(hù)Fitting能使自行車(chē)與人體更加匹配，騎行保持更好的狀態(tài)，并減少因?yàn)閱诬?chē)尺寸不合適引起的身體不舒服和疼痛。

一、用戶(hù)Fitting分析

針對(duì)自行車(chē)硬體與人體之間關(guān)系的研究很久以前已經(jīng)出現(xiàn)，但是直到20世紀(jì)70年代，對(duì)這種課題的研究才定義為Fitting。在此之前，自行車(chē)的造型和自行車(chē)各部件的尺寸數(shù)據(jù)，是憑著設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)利用普通工具測(cè)量用戶(hù)身體的部分?jǐn)?shù)據(jù)，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)最終決定自行車(chē)各部件的尺寸。20世紀(jì)80年代早期，座墊高度尺寸開(kāi)始套用計(jì)算公式，法國(guó)設(shè)計(jì)師克勞德通過(guò)研究賽車(chē)手腿長(zhǎng)和座墊的關(guān)系，座墊的高度=跨下長(zhǎng)×0.885，但公式?jīng)]有涉及身體比例的差異。近年來(lái)，出現(xiàn)了相對(duì)精確的自行車(chē)靜態(tài)Fitting工具，使用專(zhuān)業(yè)測(cè)量工具，在固定姿態(tài)下完成測(cè)量，相對(duì)精確。21世紀(jì)以來(lái)，出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)Fitting工具，美國(guó)RETUL將人體在騎行中重要的8個(gè)點(diǎn)作為采集目標(biāo)，使用紅外線(xiàn)以及3D攝像機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)采集騎行者數(shù)據(jù)，不但提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，而且豐富了測(cè)量?jī)?nèi)容，所有的數(shù)據(jù)都可作為自行車(chē)Fitting時(shí)參考依據(jù)。

基于用戶(hù)Fitting參數(shù)化系統(tǒng)是以車(chē)架結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的，根據(jù)“人-車(chē)”系統(tǒng)中人機(jī)關(guān)系理論，將人體的腿長(zhǎng)、上身長(zhǎng)度、臂長(zhǎng)等身體尺寸與車(chē)架座管、上管建立尺寸約束關(guān)系，利用數(shù)學(xué)公式將人體尺寸與車(chē)架對(duì)應(yīng)尺寸聯(lián)系起來(lái)，車(chē)架結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型的建立也就完成了基于用戶(hù)Fitting的車(chē)架參數(shù)化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

二、車(chē)架結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)及求解

（一）車(chē)架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸參數(shù)

車(chē)架是整個(gè)自行車(chē)系統(tǒng)的骨架，它的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)合理與否決定著騎行者的舒適程度和自行車(chē)整體性能。車(chē)架結(jié)構(gòu)尺寸包括首管長(zhǎng)度、上管長(zhǎng)度、座管長(zhǎng)度、首管角度、座管角度和車(chē)架中軸位置等尺寸。

首管長(zhǎng)度：車(chē)架首管長(zhǎng)度是指連接車(chē)把和前叉接點(diǎn)之間的距離，首管的長(zhǎng)度決定著車(chē)把安裝的高度和騎行者的前傾程度，首管、上管和下管三者之間夾角是衡量用戶(hù)騎行時(shí)舒適程度和車(chē)架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要參數(shù)。座管長(zhǎng)度1：車(chē)架座管長(zhǎng)度1是指從五通管中心到座管上表面的直線(xiàn)距離。座管的長(zhǎng)度影響著首管的長(zhǎng)度，是成正比例的。座管長(zhǎng)度2：車(chē)架座管長(zhǎng)度2是指上管與座管中心結(jié)構(gòu)線(xiàn)交點(diǎn)到座管上表面之間的距離。上管長(zhǎng)度：上管長(zhǎng)度是指從上管與首管相交處到座管與上管相交處之間的直線(xiàn)距離。在車(chē)架的幾何參數(shù)中，上管長(zhǎng)度對(duì)自行車(chē)舒適性所起的作用是最大的，上管長(zhǎng)度決定了騎行者上身的活動(dòng)范圍，并讓手臂可以舒服地伸展。下管長(zhǎng)度：下管長(zhǎng)度是指下管上端與首管之間的交點(diǎn)到五通管中心的距離。下管是車(chē)架幾何形體前三角的以邊，起到支撐上管和首管穩(wěn)定性的作用。首管角度：首管角度是指首管上下兩部分中心連線(xiàn)與五通管中心所在的橫向水平線(xiàn)之間的夾角。車(chē)架首管的角度決定了自行車(chē)的操控靈活度及穩(wěn)定性，控制著前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，體現(xiàn)在身體給予首管去帶動(dòng)整個(gè)自行車(chē)前行的壓力大小。座管角度：座管角度是指座管向后傾斜的角度。座管角度用以補(bǔ)償騎行者的腿長(zhǎng)，根據(jù)自行車(chē)設(shè)計(jì)師多年的知識(shí)積累，設(shè)定可以滿(mǎn)足大部分用戶(hù)的座管角度為73°，這個(gè)角度可以彌補(bǔ)不同腿長(zhǎng)的騎行者。

（二）與用戶(hù)Fitting相關(guān)的人體尺寸參數(shù)

運(yùn)動(dòng)自行車(chē)是人們?nèi)粘３鲂泻湾憻捫蓍e的基礎(chǔ)性交通工具，它是通過(guò)騎行者的操作和控制來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的功能，它的主體使用者是人，人能否舒適操作自行車(chē)，很大程度上取決于自行車(chē)尺寸是否與騎行者的人體尺寸相匹配，所以運(yùn)動(dòng)自行車(chē)的車(chē)架設(shè)計(jì)一定要參照使用者的人體尺寸。設(shè)計(jì)師為了使其設(shè)計(jì)出來(lái)的自行車(chē)能夠適合于騎行者，需要測(cè)量與自行車(chē)騎行相關(guān)的人體尺寸，與自行車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)相關(guān)的人體尺寸分別是身高、上身長(zhǎng)度、大腿長(zhǎng)度、小腿長(zhǎng)度和手臂長(zhǎng)。

身高：身高是指縱方向上人體的長(zhǎng)度，從頭的頂端到腳底部的垂直距離。上身長(zhǎng)度：是指兩肩胛間的脊部到骶部的直線(xiàn)距離。大腿長(zhǎng)：是指下肢股骨上邊緣大轉(zhuǎn)子點(diǎn)到膝蓋脛骨點(diǎn)之間的直線(xiàn)距離。小腿長(zhǎng)度：是指從膝蓋脛骨點(diǎn)到腳步內(nèi)踝點(diǎn)的直線(xiàn)距離。胯高：是指胯部到地面的垂直距離。手臂長(zhǎng)：是指人手虎口處到肩軸節(jié)點(diǎn)的直線(xiàn)距離。

三、車(chē)架結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)的約束及求解

（一）車(chē)架結(jié)構(gòu)的幾何約束及求解

車(chē)架結(jié)構(gòu)的幾何約束是以一系列具有代表性的自行車(chē)為信息來(lái)源。車(chē)架結(jié)構(gòu)約束指各管間的幾何位置關(guān)系，運(yùn)動(dòng)自行車(chē)車(chē)架幾何造型比較規(guī)則，各管間的位置關(guān)系相對(duì)統(tǒng)一。不同型號(hào)的運(yùn)動(dòng)自行車(chē)車(chē)架其結(jié)構(gòu)參數(shù)是不同的，以滿(mǎn)足不同人體特征的需求，下面以WHEELER-HILIIGHT品牌的HM800系列的運(yùn)動(dòng)自行車(chē)各型號(hào)車(chē)架的尺寸參數(shù)為依據(jù)，為車(chē)架參數(shù)化系統(tǒng)的建立提供參數(shù)約束關(guān)系。

HM800系列運(yùn)動(dòng)自行車(chē)車(chē)架幾何形體比較規(guī)則，并且彼此造型相似，整體呈現(xiàn)“前三角”、“后三角”的幾何造型。不同型號(hào)車(chē)架首管角度在70°至71°范圍內(nèi)，座管角度在72°至73°范圍內(nèi)，根據(jù)車(chē)架的首管角度和座管角度，可以得出座管、首管的之間的位置約束，座管后傾與后下叉夾角為72°至73°之間，通常設(shè)定為73°，首管后傾與車(chē)架中軸軸心橫向的水平直線(xiàn)的夾角為70°至71°范圍內(nèi)，通常設(shè)定為71°。車(chē)架的上管、座管、下管的中軸軸心線(xiàn)和后叉、后下叉結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)線(xiàn)在同一水平面上，所以對(duì)稱(chēng)線(xiàn)和中心軸線(xiàn)構(gòu)成前三角形和后三角形，上管與座管之間的所夾銳角M與上管與首管之間的所夾銳角N建立參數(shù)約束關(guān)系M=360°（180°E）-D（180°N），其中D為首管角度，E為座管角度。首管延長(zhǎng)線(xiàn)經(jīng)過(guò)前輪軸心，后叉、后下叉的對(duì)稱(chēng)線(xiàn)經(jīng)過(guò)后輪軸心，所以確定前后輪軸心就可以確定后叉和后下叉末端點(diǎn)的位置約束，根據(jù)運(yùn)動(dòng)自行車(chē)車(chē)架中軸位置的分析，中軸到前軸直線(xiàn)距離為F1和中軸到后軸直線(xiàn)距離F2之間的比例關(guān)系為3：2，再結(jié)合后下叉長(zhǎng)度，設(shè)定中軸的軸心位置前后軸距后，就能確定前后軸心位置約束關(guān)系，從而確定后叉和后下叉的位置約束關(guān)系。運(yùn)動(dòng)自行車(chē)車(chē)架的下管的起點(diǎn)固定在車(chē)架中軸軸心上，終點(diǎn)連在首管上，所以下管受到車(chē)架中軸軸心和首管位置的約束，再根據(jù)下管長(zhǎng)度，就能確定下管終點(diǎn)的位置，下管的位置關(guān)系是由下管長(zhǎng)度和中軸軸心和首管位置之間的約束決定的。endprint

（二）基于人機(jī)關(guān)系的車(chē)架約束及求解

人在騎車(chē)時(shí)，“人-車(chē)”組成了人機(jī)系統(tǒng)，基于人機(jī)工程學(xué)知識(shí)，將車(chē)架的構(gòu)成部件與人體尺寸建立約束關(guān)系，進(jìn)行車(chē)架幾何參數(shù)的約束求解，得出車(chē)架尺寸與人體尺寸間的約束關(guān)系式，這樣就可以根據(jù)騎行者的人體尺寸來(lái)確定車(chē)架的幾何尺寸，再結(jié)合車(chē)架結(jié)構(gòu)的幾何約束關(guān)系建立車(chē)架的參數(shù)化模型，這樣的模型是以人機(jī)關(guān)系為基礎(chǔ)建立的，所以可以為用戶(hù)Fitting時(shí)輸入身體數(shù)據(jù)，輸出適合其人體特征的車(chē)架尺寸數(shù)據(jù)。

車(chē)架的設(shè)計(jì)首先要確定車(chē)架的尺寸，也就是通常說(shuō)的車(chē)架的大小，它是騎行者選擇自行車(chē)尺寸時(shí)最基本的參考。車(chē)架大小的測(cè)量一般是以座管的長(zhǎng)短作為標(biāo)準(zhǔn)，即計(jì)算五通中心到上管立管接頭處的距離。座管長(zhǎng)的車(chē)架，車(chē)身長(zhǎng)度也愈長(zhǎng)。對(duì)于大多數(shù)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，可以參考下面兩個(gè)簡(jiǎn)單的公式來(lái)計(jì)算得到適合自己的車(chē)架，座管長(zhǎng)度為A，人體腿長(zhǎng)為L(zhǎng)T，其中A和LT的單位為厘米：

山地自行車(chē)車(chē)架尺寸：A=（LT×0.67-11.0）×0.394×2.54（單位為厘米）；公路自行車(chē)車(chē)架尺寸：A=LT×0.67（單位為厘米）；用戶(hù)在騎行過(guò)程中，人體上身向前傾，手臂伸展雙手握住自行車(chē)車(chē)把，人體身長(zhǎng)，臂長(zhǎng)和上管長(zhǎng)構(gòu)成三角形，設(shè)上身與手臂夾角為，身長(zhǎng)Ls、臂長(zhǎng)Lg、上管長(zhǎng)度為C由三角形余弦定理知：

根據(jù)人機(jī)工程學(xué)相關(guān)資料研究表明，人們?cè)隍T行過(guò)程中，上身與手臂所成的角度是55°時(shí)，騎行者最能發(fā)揮關(guān)節(jié)和肌肉的效能，達(dá)到騎行的最大功效。

基于人機(jī)關(guān)系約束的車(chē)架座管、上管的尺寸確定之后，結(jié)合車(chē)架結(jié)構(gòu)的幾何約束和各型號(hào)車(chē)架的尺寸數(shù)據(jù)表，其他組成車(chē)架的各管也就能確定下來(lái)?；谌藱C(jī)工程學(xué)，將人體尺寸與車(chē)架尺寸關(guān)聯(lián)起來(lái)，建立的車(chē)架參數(shù)化模型就可以用作車(chē)架Fitting時(shí)，輸入自己身體尺寸，得到符合自己身體特征的車(chē)架參數(shù)。

四、基于用戶(hù)Fitting的車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車(chē)架結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)分為三個(gè)過(guò)程，車(chē)架參數(shù)的尋找，車(chē)架結(jié)構(gòu)約束的確定，用參數(shù)化軟件將參數(shù)通過(guò)約束關(guān)系組織在一起建立車(chē)架參數(shù)化模型。通過(guò)對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸分析，得出車(chē)架尺寸參數(shù)，對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行研究得出車(chē)架各管間的幾何約束關(guān)系，從用戶(hù)Fitting方面考慮，車(chē)架模型要有人機(jī)約束，通過(guò)對(duì)人體的測(cè)量，得到人體相關(guān)尺寸參數(shù)，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)得到人體尺寸與車(chē)架尺寸匹配的約束關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)參數(shù)及其約束關(guān)系的求解，形成建模邏輯，利用Grasshopper完成車(chē)架的參數(shù)化系統(tǒng)的建立（圖1）。endprint