應(yīng)用于人行護(hù)欄的自行車起步助力樁研究

摘?要：發(fā)現(xiàn)問題并解決問題是產(chǎn)品創(chuàng)新之根本，本文針對路口自行車起動慢，容易造成擁堵碰擦這一問題，立足于城市家具領(lǐng)域，提出一項(xiàng)新產(chǎn)品解決方案，并通過對其使用環(huán)境要素、人機(jī)功能原理的分析，從而實(shí)現(xiàn)更加合理的功能效果，確定最具可行性的產(chǎn)品方案并且配以圖示進(jìn)行詳細(xì)的說明。

關(guān)鍵詞：城市家具;自行車;起動助力;發(fā)明創(chuàng)新

一、應(yīng)用背景

隨著城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)與國家“十四五”發(fā)展規(guī)劃綱領(lǐng)性文件的發(fā)布，全面提升城市品質(zhì)與提高城市精細(xì)化管理水平將是今后一段時(shí)期城市發(fā)展的主要方向，逐漸告別了盲目的粗放型發(fā)展，提倡更加低碳、環(huán)保、健康的出行方式，更加合理地規(guī)劃機(jī)動車道、非機(jī)動車道、人行道等“三行”系統(tǒng)，非機(jī)動車專用車道建設(shè)成為現(xiàn)代道路規(guī)劃的重要組成部分，為道路上日益增多的騎車出行的人們提供安全與便利的騎行條件。

由于非機(jī)動車逐漸增多，有電力驅(qū)動的助力車也與自行車混行于非機(jī)動車道內(nèi)，當(dāng)路口信號燈為紅燈時(shí)，助動車停止時(shí)，騎行者可以坐在座位上并用雙腳支撐平衡，而自行車的騎行者由于是雙腿跨騎并且座高大于腿長，因此停止時(shí)很難靠腳直接接觸地面保持平衡，通常會靠向右側(cè)路邊，靠立緣石的高度來支撐人車的平衡。當(dāng)綠色通行信號燈亮起時(shí)，助動車憑借其重心低，電動機(jī)驅(qū)動的優(yōu)勢可以快速達(dá)到保持騎行慣性平衡的速度;但是自行車是靠人力來驅(qū)動，起動時(shí)只能用腳蹬地來，依靠地面的反作用力來獲取起動的初速度，由于前進(jìn)方向與蹬地方向不一致，反作用于腿部的力量并沒有全部用來推進(jìn)車身，不但不能快速獲得起動速度，還由于反作用于其他方向的分力影響了身體的平衡，使車身擺動，騎行人被迫快速扭動車把反制車身擺動，形成不明確行駛路線，從而引發(fā)磕碰的小事故，還因不能快速通行造成路口局部擁堵，影響了通行效率。

二、解決方法

如何使騎行人能夠快速達(dá)到平穩(wěn)騎行的初速度是要解決的問題。為了獲得較快的起動初速度，我們可以借鑒參考一些實(shí)際案例，例如，為了在有限的滑行助跑距離獲取足夠的起飛速度，航空母艦上的飛行甲板上除了彈射器之外，每條彈射道還有一個(gè)“尾流擋板”，不但能遮擋戰(zhàn)機(jī)尾部力量巨大的熱氣流，同時(shí)吹向擋板氣流的反向作用力也為飛機(jī)起跑提供了有效的助推，如果沒有擋板，飛機(jī)就需要更長的跑道來獲取足夠的起飛速度。再比如，短跑運(yùn)動員在起跑時(shí)都需要應(yīng)用起跑器，通過起跑時(shí)腿部快速蹬踏起跑器的傾斜表面來獲取瞬時(shí)向前的推力，以助于快速達(dá)到最佳速度。

綜合多種實(shí)際例子發(fā)現(xiàn)，起動時(shí)借助有效的助力裝置，使運(yùn)動的主體快速地獲得前進(jìn)方向上的有效反作用力，是解決自行車起步時(shí)快速獲得平衡前行所需慣性速度的有效辦法。

三、分析與論證

依據(jù)通常騎行習(xí)慣作為參考，車座高度通常調(diào)節(jié)為接近騎行腿伸展長度時(shí)比較舒適，如圖高度（D）接近于鞍管（a）立管（b）曲柄（c）長度之和[2]。當(dāng)停止時(shí)，車身直立狀態(tài)腿部屈伸擺動不能有效觸及地面獲得需要的反作用力，需要一個(gè)合適位置的承力點(diǎn)來支撐助力（圖1）。

騎行過程中，雙腿反復(fù)屈伸，踩踏腳蹬，通過雙曲柄連接中軸[1]，圍繞中軸往復(fù)運(yùn)動，分別經(jīng)過最高點(diǎn)A與最遠(yuǎn)端B兩個(gè)極限位置時(shí)的腿部狀態(tài)（圖2），助力樁的高度l3，應(yīng)滿足l1-l2<l3<l1+l2范圍，可見支持舒適騎行的中軸位置，是滿足雙腿擺動范圍的平均位置，也是最優(yōu)高度，助力樁高度設(shè)置采用與自行車中軸高度近似是合理的高度位置設(shè)定。

自行車種類繁多，有山地自行車、公路賽車、普通自行車等諸多類型。由于功能不同，其輪徑、車架、曲柄等不同結(jié)構(gòu)組件有各自不同的結(jié)構(gòu)尺寸，使中軸距地面高度也不盡相同。為滿足最廣泛的使用群體需求，基于城市使用場景，選取使用范圍最廣，適合各類人群騎行的共享單車結(jié)構(gòu)尺寸，作為主要分析參照，以確定大部分人群使用高度的助力樁高度。

市面主流的共享單車（圖3），代表了適合絕大多數(shù)騎行人的人體工學(xué)尺寸車型，其都采用了24寸尺寸的車輪，由于其都采用實(shí)心輪胎，所以其整車高度基本恒定，不受胎壓與重量的影響，實(shí)測中軸距地面的高度分別為285cm、28.5cm、27.5cm，實(shí)測曲柄長度分別為17cm、17cm、17cm，取得l3最小值為10.5cm，最大值為45.5cm，l3高度區(qū)間在10.5～45.5cm范圍內(nèi)設(shè)置助力樁都滿足騎行高度的腿部的人體工學(xué)要求。（見表1）

四、環(huán)境設(shè)施分析

道路交叉口的自行車專用車道停止線后的路邊，主要組成設(shè)施有立緣石和人行護(hù)欄，絕大部分的道路建設(shè)完成后，立緣石和人行護(hù)欄的鋪設(shè)都已完成，能利用的空間非常有限，從成本和技術(shù)兩方面來考量，自行車起動助力樁的設(shè)置與其二者結(jié)合考量才更有可實(shí)現(xiàn)性，因此立緣石和人行護(hù)欄是否標(biāo)準(zhǔn)化決定了助力樁的設(shè)置是否具有廣泛的通用性，接下來對二者規(guī)格尺寸與關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析。

立緣石是指頂面高出路面的路緣石，有標(biāo)定車行道范圍和縱向引導(dǎo)排除路面水的作用。其外露高度是考慮滿足行人上下及車門開啟的要求確定的，一般高出路面10～20cm。城市道路立緣石設(shè)置在路側(cè)帶兩側(cè)時(shí)，外露高度宜為10～15cm[3]，厚度通常為10cm和15cm。

人行護(hù)欄單片長度以3m為宜，從人行道緣石坡道結(jié)束位置開始布設(shè)，人行護(hù)欄及樁柱緊貼路緣石內(nèi)邊線布設(shè)[4]，人行護(hù)欄底部橫梁從安全角度考量，通常為了避免小孩子鉆過，距離地面的高度通常設(shè)計(jì)為15～20cm，規(guī)格多采用4cm×4cm方管或同直徑圓管。

人行護(hù)欄底部橫梁距離車行道地面高度區(qū)間l4為27cm<l4<37cm范圍（圖4），此高度范圍區(qū)間在l3的高度范圍內(nèi)，符合助力樁在自行車騎車人起動時(shí)應(yīng)用場景下的人體工學(xué)要求，所以標(biāo)準(zhǔn)化的立緣石與人行護(hù)欄的實(shí)施方式與規(guī)格為助力樁以人行護(hù)欄底部橫梁為載體實(shí)施設(shè)計(jì)提供了可實(shí)現(xiàn)的理論依據(jù)。

五、具體實(shí)施方案

（一）過程分析

自行車起步助力樁的使用過程是一個(gè)腳部對其實(shí)施“踩踏——蹬踏”的過程（圖5），當(dāng)車沒有停到相應(yīng)位置的時(shí)候，騎行者的腳部對樁體的后上部踩踏以尋求緩沖和停車時(shí)的支撐;當(dāng)要起步時(shí)，腳掌移向助力樁前上部，依托受力點(diǎn)蹬踏，依靠蹬踏的反作用力把人車向前推進(jìn)以快速獲得滿足平衡騎行的慣性速度。整個(gè)過程中，腳部始終與助力樁的頂部接觸，沒有固定的承力點(diǎn)位要求，騎行人根據(jù)自身位置與舒適感自行調(diào)整踩踏位置，所以助力樁外形以圓柱形主體為主，由于起動時(shí)，腳部蹬踏時(shí)需要一個(gè)相對明確的發(fā)力方向，這就需要助力樁提供一個(gè)足夠的受力面積與角度，使發(fā)力蹬踏時(shí)腳掌能夠獲得一個(gè)足夠面積的蹬踏區(qū)間與穩(wěn)定合理的力反饋方向。（圖6）

完整的應(yīng)用過程中，由于騎行人出于自身安全的考量，會保持車體與立緣石邊緣有一個(gè)相對安全的距離，所以與助力樁的全接觸過程中，腿部是呈現(xiàn)一個(gè)向外屈伸的姿態(tài)去踩踏樁體（圖7）。為了保持整個(gè)接觸過程中，樁體的力反饋能夠直接作用于腿部方向，而減少其他方向的分力帶給腳部、腿部等部位的不適感，整個(gè)樁體的接觸部分應(yīng)該設(shè)計(jì)成傾斜表面，以最大限度地滿足使用過程中的人機(jī)工程學(xué)條件。

根據(jù)人的身體部位擺動角度范圍參考（圖8）（表2），髖關(guān)節(jié)帶動大腿外展角度在45°以內(nèi)滿足人體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動機(jī)能要求，所以助力樁的面傾角只要小于45°即可。

助力樁使用全過程都與腳掌面接觸，踩踏與蹬踏過程的支撐與助力樁長度相關(guān)，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)（表3）（表4），中國成年男人（18～60歲）足寬為86～107mm，中國成年女性（18～55歲）足寬為78～98mm[5]。為滿足最廣泛的使用需求，足寬取成年男最大值107mm與成年女最小值78mm作為參考數(shù)值范圍，取近似均值90mm作為樁體長度數(shù)據(jù)。

（二）方案實(shí)施

基于上述數(shù)據(jù)與分析，設(shè)計(jì)出滿足上述要求的應(yīng)用于人行護(hù)欄的自行車起動助力樁裝置，具體方案如下：

適用于3m單體人行護(hù)欄的自行車起動助力樁裝置，其主要結(jié)構(gòu)如圖9、圖10所示。采用改性PP材料一體注塑成型的正、背兩面外殼，耐腐蝕，成本低廉;用扎帶綁定與人行護(hù)欄下橫梁，之后用反光貼片遮蓋綁線槽，兼顧美觀度與安全提示雙重作用。圖11、圖12助力樁主體外殼安裝完成后的整體厚度小于立緣石厚度，所以不會伸出立緣石邊緣，保證靠邊騎行的人不會被助力樁絆住。

結(jié)語

（1）本次研究的過程，是一個(gè)發(fā)現(xiàn)問題并通過數(shù)據(jù)分析研究并解決問題的過程，通過認(rèn)真地對問題發(fā)生的原因進(jìn)行分析，并聯(lián)想到類似場景的解決方式，從而確定解決該問題的目標(biāo)與方向。

（2）通過深入分析這個(gè)特定問題涉及的人、車、道三方面因素，對于解決問題的方法有了更深入的了解，并通過細(xì)致的數(shù)據(jù)分析，明確了解決辦法的可行性。

（3）通過結(jié)合實(shí)際的道路建設(shè)情況，依據(jù)分析過程得出的數(shù)據(jù)參考結(jié)論，設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)、可行的產(chǎn)品方案，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品更具市場價(jià)值。

（4）通過對自行車路口起動緩慢不平穩(wěn)的問題分析研究并最終設(shè)計(jì)出解決問題的產(chǎn)品方案，填補(bǔ)了又一項(xiàng)城市家具領(lǐng)域的空白，對于該產(chǎn)品的市場前景充滿信心，其分析過程與參考數(shù)據(jù)不僅適用于本次研究針對的路口特定場景和人行護(hù)欄的捆綁使用方式，更具有其廣闊的擴(kuò)展應(yīng)用前景，相信隨著低碳出行方式的普及，自行車起動助力樁裝置也將形成巨大需求市場，帶來明顯的市場效應(yīng)，也使企業(yè)認(rèn)識到創(chuàng)新是企業(yè)發(fā)展壯大的原生動力。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB/T356493，自行車部件分類、名稱和主要術(shù)語[S].

[2]QB18802008，自行車車架國家標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]CJJ372012，城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]T/CAS3712019，城市家具單體設(shè)計(jì)指南[S].

[5]GB1000088，中國成年人人體尺寸[S].

作者簡介：梁偉（1978—?），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，本科，工程師，城市家具研發(fā)總監(jiān)，研究方向：城市家具智能化。