應用于人行護欄的自行車起步助力樁研究

摘?要：發現問題并解決問題是產品創新之根本，本文針對路口自行車起動慢，容易造成擁堵碰擦這一問題，立足于城市家具領域，提出一項新產品解決方案，并通過對其使用環境要素、人機功能原理的分析，從而實現更加合理的功能效果，確定最具可行性的產品方案并且配以圖示進行詳細的說明。

關鍵詞：城市家具;自行車;起動助力;發明創新

一、應用背景

隨著城市化進程不斷推進與國家“十四五”發展規劃綱領性文件的發布，全面提升城市品質與提高城市精細化管理水平將是今后一段時期城市發展的主要方向，逐漸告別了盲目的粗放型發展，提倡更加低碳、環保、健康的出行方式，更加合理地規劃機動車道、非機動車道、人行道等“三行”系統，非機動車專用車道建設成為現代道路規劃的重要組成部分，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。

由于非機動車逐漸增多，有電力驅動的助力車也與自行車混行于非機動車道內，當路口信號燈為紅燈時，助動車停止時，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，因此停止時很難靠腳直接接觸地面保持平衡，通常會靠向右側路邊，靠立緣石的高度來支撐人車的平衡。當綠色通行信號燈亮起時，助動車憑借其重心低，電動機驅動的優勢可以快速達到保持騎行慣性平衡的速度;但是自行車是靠人力來驅動，起動時只能用腳蹬地來，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到平穩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“尾流擋板”，不但能遮擋戰機尾部力量巨大的熱氣流，同時吹向擋板氣流的反向作用力也為飛機起跑提供了有效的助推，如果沒有擋板，飛機就需要更長的跑道來獲取足夠的起飛速度。再比如，短跑運動員在起跑時都需要應用起跑器，通過起跑時腿部快速蹬踏起跑器的傾斜表面來獲取瞬時向前的推力，以助于快速達到最佳速度。

綜合多種實際例子發現，起動時借助有效的助力裝置，使運動的主體快速地獲得前進方向上的有效反作用力，是解決自行車起步時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

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

騎行過程中，雙腿反復屈伸，踩踏腳蹬，通過雙曲柄連接中軸[1]，圍繞中軸往復運動，分別經過最高點A與最遠端B兩個極限位置時的腿部狀態（圖2），助力樁的高度l3，應滿足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，也是最優高度，助力樁高度設置采用與自行車中軸高度近似是合理的高度位置設定。

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、曲柄等不同結構組件有各自不同的結構尺寸，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構尺寸，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騎行人的人體工學尺寸車型，其都采用了24寸尺寸的車輪，由于其都采用實心輪胎，所以其整車高度基本恒定，不受胎壓與重量的影響，實測中軸距地面的高度分別為285cm、28.5cm、27.5cm，實測曲柄長度分別為17cm、17cm、17cm，取得l3最小值為10.5cm，最大值為45.5cm，l3高度區間在10.5～45.5cm范圍內設置助力樁都滿足騎行高度的腿部的人體工學要求。（見表1）

四、環境設施分析

道路交叉口的自行車專用車道停止線后的路邊，主要組成設施有立緣石和人行護欄，絕大部分的道路建設完成后，立緣石和人行護欄的鋪設都已完成，能利用的空間非常有限，從成本和技術兩方面來考量，自行車起動助力樁的設置與其二者結合考量才更有可實現性，因此立緣石和人行護欄是否標準化決定了助力樁的設置是否具有廣泛的通用性，接下來對二者規格尺寸與關聯性進行分析。

立緣石是指頂面高出路面的路緣石，有標定車行道范圍和縱向引導排除路面水的作用。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。城市道路立緣石設置在路側帶兩側時，外露高度宜為10～15cm[3]，厚度通常為10cm和15cm。

人行護欄單片長度以3m為宜，從人行道緣石坡道結束位置開始布設，人行護欄及樁柱緊貼路緣石內邊線布設[4]，人行護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計為15～20cm，規格多采用4cm×4cm方管或同直徑圓管。

人行護欄底部橫梁距離車行道地面高度區間l4為27cm<l4<37cm范圍（圖4），此高度范圍區間在l3的高度范圍內，符合助力樁在自行車騎車人起動時應用場景下的人體工學要求，所以標準化的立緣石與人行護欄的實施方式與規格為助力樁以人行護欄底部橫梁為載體實施設計提供了可實現的理論依據。

五、具體實施方案

（一）過程分析

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

完整的應用過程中，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，腿部是呈現一個向外屈伸的姿態去踩踏樁體（圖7）。為了保持整個接觸過程中，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，整個樁體的接觸部分應該設計成傾斜表面，以最大限度地滿足使用過程中的人機工程學條件。

根據人的身體部位擺動角度范圍參考（圖8）（表2），髖關節帶動大腿外展角度在45°以內滿足人體結構的運動機能要求，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，根據國家標準數據（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作為參考數值范圍，取近似均值90mm作為樁體長度數據。

（二）方案實施

基于上述數據與分析，設計出滿足上述要求的應用于人行護欄的自行車起動助力樁裝置，具體方案如下：

適用于3m單體人行護欄的自行車起動助力樁裝置，其主要結構如圖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。

結語

（1）本次研究的過程，是一個發現問題并通過數據分析研究并解決問題的過程，通過認真地對問題發生的原因進行分析，并聯想到類似場景的解決方式，從而確定解決該問題的目標與方向。

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

（3）通過結合實際的道路建設情況，依據分析過程得出的數據參考結論，設計出經濟、可行的產品方案，使設計的產品更具市場價值。

（4）通過對自行車路口起動緩慢不平穩的問題分析研究并最終設計出解決問題的產品方案，填補了又一項城市家具領域的空白，對于該產品的市場前景充滿信心，其分析過程與參考數據不僅適用于本次研究針對的路口特定場景和人行護欄的捆綁使用方式，更具有其廣闊的擴展應用前景，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，也使企業認識到創新是企業發展壯大的原生動力。

參考文獻：

[1]GB/T356493，自行車部件分類、名稱和主要術語[S].

[2]QB18802008，自行車車架國家標準[S].

[3]CJJ372012，城市道路工程設計規范[S].

[4]T/CAS3712019，城市家具單體設計指南[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，城市家具研發總監，研究方向：城市家具智能化。