技術報告編號：98A5-01E

經濟部98年度科技專案技術報告 自行車暨衍生系統關鍵技術開發計畫（3/3）

總計畫主持人：吳宏生

分項計畫主持人：陳維隆

子計畫主持人：黃裕哲

執行工程師：黃偉峻、黃信福

財團法人自行車暨健康科技工業研究發展中心

中 華 民 國 98 年 12 月

經 濟 部

創新自行車機構研究

科技專案成果

1

目 錄

一、摘要………………………………………………………………1

二、前言………………………………………………………………2

(一)研究背景…………………………………………………………2

(二)產業現況及需求(國內、外)……………………………………3

(三)研究目的…………………………………………………………5

(四)研究範圍…………………………………………………………6

三、研究方法…………………………………………………………7

(一)理論基礎…………………………………………………………7

(二)限制條件…………………………………………………………9

(三)系統架構…………………………………………………………10

(四)研究步驟…………………………………………………………11

四、研究成果…………………………………………………………12

五、成果評估與應用…………………………………………………25

六、後續工作方向……………………………………………………26

七、結論………………………………………………………………26

八、參考文獻…………………………………………………………27

2

一、 摘要：

行動是生物與生俱來的本能，而隨著科技的進步，自行車產品已經

成為打破活動限制的重要憑藉之一；對於因為現代的城市都會區而言，

自行車其實是延伸行動距離最重要也最直接的工具。

台灣自行車騎乘人口從 95 年的 33 萬人次成長到 96 年的 46 萬人次，

估計今年可能成長到 70 萬人甚至更高，而其中有八成比例是非專業級玩

家，以騎乘自行車環島的這項活動而言，不是人人都具備踩踏台灣一周的

體力，目前市面上的自行車皆為固定騎乘姿勢的設計，因此面對如此廣大

的市場需求，若能設計出一種重量適當、操作方便、可以變更前後輪距、

變換不同騎乘姿勢、機構簡單及穩定性佳之休閒式的特殊自行車，必定能

在廣大的市場中佔有一席之地。

本計劃設計開發單人使用之新型電動載具，使用者可以依據喜好選用

操控靈敏之高坐姿-短軸距狀態、或是舒適穩定的低坐姿-長軸距狀態行

駛，來適應旅途中各種不同路況，本研究運用連桿位置產生器設計，成功

運用單一自由度之連桿機構達成軸距可變、座位升降以及握把位置轉換三

種動作需求。

3

二、前言：

（一）研究背景

行動是生物與生俱來的本能，而隨著科技的進步，自行車產品已經

成為打破活動限制的重要憑藉之一；對於因為現代的城市都會區而言，

自行車其實是延伸行動距離最重要也最直接的工具。

國內近幾年吹起一股自行車環島的風氣，依靠身體的力量來旅行，在

這段漫長的過程中，能夠體驗到各地不同的生活型態；以自行車產業的現

況而言，過去台灣自行車的產品使用材料的演進主要從鐵材、鋁合金、鎂

合金、鈦合金更甚複合材的應用等，目的即為使產品輕量化；而在零組件

的設計演化部份，例如變速器的研發、碟煞的應用、輻絲形式的改變、避

震器的設計等，目的即在提昇產品的功能與性能；另外，在坐墊造型的改

變、車架、座管的調整，其目的在於使得自行車的產品更符合人體工學的

需求；以上零零種種的演進，莫不在於自行車業者為順應時代趨勢，符合

消費者所需，所因醞而出的設計。

雖處自行車騎乘熱潮期間，騎乘人數屢創高峰，若該熱潮不能持續延

燒，對於國內通勤族習慣以汽機車代步的情況評判，對公用自行車的使用

率是一大隱憂；是危機抑或是轉機，在於民眾對騎乘自行車運動習慣的養

成與否，及仰賴中央政府對周邊硬體環境和法令之推行建構。隨著自行車

使用者對於產品要求的逐步提升，像摺疊車的設計即為減少收藏空間，以

便於攜帶；另外，像電動車及帳棚車的設計則訴求產品的多功能性，諸多

種類的新型自行車被研發設計出來，就是為了如何滿足使用者的需求。以

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騎乘自行車環島的這項活動而言，不是人人都具備踩踏台灣一周的體力，

還有行李、補給物資需要運送，因此若是一家大小要出遊環台，想必會遭

遇很大的考驗，體力較差的成員雖然可以騎機車跟隨，但是與自行車速度

上的差異，因此難以一同進行旅程，若是能夠設計一款適合長途旅行的輕

型電動車，將能夠提升旅行便利性，拓展自行車環島旅行的族群，進而讓

人更加深入了解這塊孕育我們生命的家園，並且進而刺激自行車銷售市

場，促進國民身體健康與心靈的成長。

（二）產業現況及需求（國內、外）

近年來原油價格節節上升，使消費者對電動車需求日益增加，但現

有可變軸距此構想在單人載具領域是屬於較創新的設計構想，因此本研

究在功能創新部分將有很廣大的發揮空間；因應都會地狹人稠的交通需

求，以及全球暖化議題持續延燒，世界各大先進都市，如紐約、倫敦、

巴黎、東京以至新加坡等，皆致力推動自行車作為代步工具，逐步取代

燃油動力系統，以解決都會區令人頭痛的交通問題。

根據蓋洛普市場調查，台灣自行車騎乘人口從 95 年的 33 萬人次成長

到 96 年的 46 萬人次，估計今年可能成長到 70 萬人甚至更高，而其中有

八成比例是非專業級玩家；我們統稱自行車族群為“拜客族＂ 意即

BIKER，全球自行車騎乘人口數近兩年來成長將近一億人。

因應都會地狹人稠的交通需求，以及全球暖化議題持續延燒，世界各

大先進都市，如紐約、倫敦、巴黎、東京以至新加坡等，皆致力推動自行

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車作為代步工具，逐步取代燃油動力系統，以解決都會區令人頭痛的交通

問題。此發展趨勢不僅迎合都市『綠色交通』的發展策略，同時紓緩公共

交通系統輸送壓力，落實城市達到節能、減碳的目標，亦為『軟經濟』發

展以及推動 GDP 持續增長提供了良好辦法。

圖 1：台灣自行車出口情形統計

此發展趨勢不僅迎合都市『綠色交通』的發展策略，同時紓緩公共

交通系統輸送壓力，落實城市達到節能、減碳的目標，亦為『軟經濟』

發展以及推動 GDP 持續增長提供了良好辦法。有鑑於此，推動國內新型

的自行車的系統或產品的建置，實屬刻不容緩之要務。

各先進國家為節能減碳，皆已大量鼓勵自行車的使用與騎乘，透過各

種不同模式營運管理。國內交通部和各縣市政府也正因應未來油價高漲提

台灣自行車出口情形 Y1991-Y2007

0

200

400

600

800

1000

1200

1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 20070

50

100

150

200

250出 口 量 平 均 單 價 出 口 值

6

出相關政策，眼見騎乘自行車人口已由 2006 年 33 萬人提高至預計 2008

年 76 萬人，成長 123 %，實須重新思考規劃自行車路權問題，並將自行

車納入重要之綠色交通工具。因應大環境趨勢，台灣確實應盡快建立適合

本土之自行車發展政策，並且多多鼓勵新型自行車的研發與上路政策的運

作。

（三）研究目的

對於國內而言，由於自行車專用道的設施不足，盡管在各大城市的街

道上都已有斜坡可直接上下人行道，但在城市之外還是仍有許多地區有對

於自行車的騎乘而言是屬於蠻大的限制，讓自行車使用者外出及日常生活

中行動中，無法隨心所欲的行動。

這些愛好自行車的使用者，對於各種自行車的需求也日益升高，若要

能夠滿足不同使用者在騎乘上的喜好或操作性的需求，能夠變更前後輪距

及變換不同騎乘姿勢的特殊自行車較能符合他們的需求。目前市面上的自

行車皆為固定騎乘姿勢的設計，因此面對如此廣大的市場需求，若能設計

出一種重量適當、操作方便、可以變更前後輪距、變換不同騎乘姿勢、機

構簡單及穩定性佳之休閒式的特殊自行車，必定能在廣大的市場中佔有一

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席之地。

目前全世界先進國家，如紐約、倫敦、巴黎、東京以至新加坡，皆鼓

勵發展自行車成為交通工具，進而取代燃油動力系統，目的在於解決都會

區令人頭痛的交通問題。如何達成上述政策？能夠與其他交通運輸工具一

起結合的自行車正是其中一項良好的解決方案，尤其目前台灣自行車騎乘

風氣日盛，對於以自行車代步的方式，多數的民眾也相當認同。

本計劃之研究目的為提供使用者長途搭乘的載具，兼顧安全性、舒

適性、穩定性且操作便利性等特性，藉由自由切換坐姿、軸距，進而改

變車體性能適應路況，為求降低製作成本，須以單一致動器驅動車身上

所有連桿組，以為未來可能之新型電動載具開發預做準備。

（四）研究範圍

本研究主要針對車身連桿導引機構設計，並利用自行車人體工學資

料之歸納與分析執行新型電動收摺座椅機構之類型合成與分析，接著建

構電動收摺座椅機構之數學模型進行機構之尺寸合成及受力分析，並利

用電腦輔助工程軟體繪製設計圖，以及執行機構運動與結構應力分析，

修正結構與材質以達到足夠的安全因子，最後藉由設計修正產出新型可

變軸距輕型載具之最佳機構概念，進而評估本計畫未來打樣實體之表現。

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三、研究方法：

（一）理論基礎

本研究係以自行車骨架作為設計基礎，利用多連桿組導引改變車架結

構位置，使用者視路況於擁擠的市區中採用靈巧的高坐姿移動，並提升車

輛可見度，增加行駛安全性，長途移動時則切換成低座姿，降低行駛風阻

並提升搭乘舒適度，整體設計類似 Toyota 公司於 2004 年發表的可變軸距

車款 I-Unit 專利如下面圖中，並嘗試以更簡化桿件數量來達成此目標。

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圖 2： Toyota I-Unit 摺疊車機構示意圖

在自行車的人因工程設計裡面，如何擷取具有極大差異性的人體尺寸

來應用，是一門非常重要的學問；如下表中的台灣男性人體尺寸的計測值

中，一般的身高平均值（50 ％）為 168.7CM，而台灣女性人體尺寸的計測

值中，一般的身高平均值（50 ％）則為 156.3CM；本次研究以 50 ％的人

體尺寸為預定的目標使用族群，來進行本特殊車款的基本尺寸設定的基礎

依據。

表 1： 台灣男性人體尺寸計測值

人 體

尺 寸

小腿長

大腿長

臀高

軀幹長

頭長

上臂長

下臂長

腳掌長

腳掌寬

肩寬

臀寬

身高

5th% 408 382 55 500 290 270 310 235 85 380 330 1677

50th% 450 410 68 537 295 285 335 250 95 425 335 1687

95th% 493 437 80 575 300 300 360 265 105 470 370 1697

S D 26.1 19.0 7.3 22.5 3.0 9.1 15.2 9.1. 6.1 27.4 21.3 60.0

表 2： 台灣女性人體尺寸計測值

人體

尺寸

小腿長

大腿長

臀高

軀幹長

頭長

上臂長

下臂長

腳掌長

腳掌寬

肩寬

臀寬

身高

5th% 368 347 58 452 270 255 270 205 80 335 295 1554

50th% 415 370 68 495 280 260 300 225 85 385 330 1563

95th% 463 392 78 532 290 265 330 245 90 435 365 1572

S D 29.2 13.4 22.5 6.1 3.0 12.2 3.0 12.2 3.0 30.4 15.2 53.1

10

1. 座位高

表 3： 一般車及避震車座位高度表

車 型 項 目 座高 S1 座高 S2 座高 S3 座高 S4

一般車 730 674 618 562

避震車

座位高

706 674 642 610

2. 把手高

表 4： 一般車及避震車把手高度表

車 型 項 目 把手高 H1 把手高 H2

一般車 1005 968

避震車

把手高

991 913

（二）限制條件

在確定此款特殊創新的自行車機構的構造特性之後，即可列出設計

需求與限制如下：

1. 單一自由度。

2. 具有一輸入桿來與其它桿件相鄰與傳遞運動。

3. 所有桿件中，組成包括前抬桿、後抬桿，及耦桿等使主要桿件

能進行單一自由度的作動。

4. 主要桿件互不相接。

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（三）系統架構

本研究在確定了研究方向之後，擬積極從事特殊創新之自行車機構的

研發方向，配合現有的一些相關文獻及中國國家標準所制定出的規範，在

預防侵犯他人專利的情況下，為達成此計畫的目標，所研究的系統架構如

下：

相關規範之收集探討

現有可能之自行車機構之探討

訂定機能規格的設計需求

機構類型合成與尺寸合成

3D CAD Model 設計建置

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（四）研究步驟 本研究的主要幾個研究步驟表述如下：

1. 相關規範之收集探討

2. 現有可能之自行車機構之探討

3. 訂定機能規格的設計需求

4. 機構類型合成與尺寸合成

5. 3D CAD Model 設計建置

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四、研究成果

本研究的創新自行車機構之設計條件如下：

(A) 車輪規格採用直徑 20”、寬度 1”之細胎。

(B) 採用鋰電池驅動輪鼓馬達行進。

(C) 採用電動壓缸做為車身連桿驅動器，進行高、低坐姿切換。

(D) 使用者必須下車後才進行高低坐姿轉換。

(E) 須設計卡固裝置防止車身於行進間變型，降低壓缸承受衝擊負荷。

(F) 距變化長度。

(G) 高坐姿椅墊高度。

(H) 低坐姿椅墊與地面夾角為 15 度，高度則不設限。

(I) 高、低坐姿手把與座位之相對位置固定不變。

(J) 使用者自座位前方上車，因此跨高需小於 400mm。

(K) 踏板離地高度為 260mm，踏板高、低坐姿位置相同。

(L) 車底高度至少可通過 25 度斜坡之斜角。

(M) 車頭桿與地面夾角 61 度，踏板高、低坐姿角度相同。

本研究的人因工程之設計條件如下：

以預設目標騎乘者下肢長度及上體+上肢長度約為中間值 的人員，從

下表中去挑選 seate tube 及 top tube 的長度，進而以電腦上的騎乘姿勢模

擬，來進行車架基本尺寸的界定及設計。

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圖 3：人體關鍵尺寸與自行車零組件尺寸關聯圖

五點壓力的存在，當人體在騎乘自行車時，會有五個點與自行

車接觸如下圖 3.9A 所示，分別是 1.左手與把手握持點。2.右手與把

手握持點。3.臀部與座椅接觸點。4.左腳與踏板踩踏點。5.右腳與

踏板踩踏點。在靜態時這五個點所受的壓力，分別來自於騎者的重

量以及自行車之重量，我們可以在下圖 4 看出，左把手 a 點、又把

手 b 點及座椅 c 點，分別承受著上半身的重量，因此其壓力的大小

各為(頭重+驅幹重+手臂重+臀重)/3，而左踏板 d 點及右踏板 e 點，

則分別受到個自兩腿重的壓力，所以其壓力大小為(左腿重+右腿

重)/2。

15

圖 4： 自行車 5 點壓力圖

人體騎乘自行車時的人體騎姿形態下，各個部位間轉動的舒適性各有

其角度限制，而這些運動角度的合適範圍，對於人體騎乘自行車的操作性

能有很大的影響；而人體在處於一般騎乘姿勢狀態下的時候，人體上半身

主要是執行有關於自行車人車系統行進間的方向性及穩定性的控制，由於

人體上半身的運動狀態相對於下半身而言是比較不明顯的，而且對於人體

在整個踩踏的過程中的能量消耗影響的程度也相對不大；若是按照本研究

的探討對象而言，三輪輕型電動載具的確不太容易由騎乘者的踩踏動作所

控制，因此，本研究擬採全電動的方式來進行驅動系統的規劃設計。

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當本研究開始進行概念構想設計的發展階段時，以可以顧及穩定性為

主的三輪結構來作為主要的思考方向，嘗試先以手繪的連續構想方式，構

思整車裡面人機界面的主軸，思考人與車體之間的互動模式，並且考慮是

否以車身可以摺疊的方向來發展。

圖 5：三輪電動式輕型載具人機界面構想發展圖

在人機界面的方式比較明朗之後，便開始進行車身本體主要的機構與

結構的大部尺寸設計及細部的機構作動模擬設計。

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本研究可將整體結構分割成五大部分：

1. 座位導引四連桿系統：負責引導座墊，切換座位高低與角度之四

連桿。

圖 6：坐墊導引機構構想圖

四連桿系統

座墊

18

2. 後叉導引四連桿系統：改變後輪前後位置，進而調整軸距之四連

桿。

圖 7：後叉導引機構構想圖

四連桿系統

後輪組

19

3. 握把角度調整四連桿系統：調整坐墊與握把維持固定間距之四連

桿。

圖 8：握把角度調整機構構想圖

四連桿系統

握把立管組

20

4. 轉向系統：前叉與握把之間設有一萬向接頭傳遞扭矩。

圖 9：轉向系統機構構想圖

萬向接頭組

前輪組

21

5. 車身：將上述三組四連桿之輸入桿結合為同一隻桿件(形成下圖中

綠色桿件)，便能使用單一驅動源導引全車連桿進行所需的作動；

將三組四連桿之地桿互相聯結(下圖中黃色桿件)，形成固定整體

結構的車身，形成八連桿十接頭自由度為一之連桿組(將車身視為

地桿)。

圖 10：創新自行車機構組合簡圖

經過初步的專利搜尋與分析後，發現目前相關文獻都只能做到坐姿

局部調整，本研究將以此作為改良，設計出能夠完整轉換「靠背式自行

車」與「斜躺車」兩者兼具之新型輕型載具，為獲得舒適正確人因尺寸，

本研究之高坐姿採用 Giant Revive 這台靠背式自行車，低坐姿則採

用 Bellandare med 斜躺車做為基本尺寸的設計依據，量測繪製出正確

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車架尺寸側視圖，再依據設計條件重疊兩種類型自行車，以獲得桿件指

定輸出位置，即可運用類型合成設計桿件接合型式，再利用運動產生器

來計算各桿件正確長度。

圖 11： 高坐姿與低坐姿重疊幾何尺寸比較圖

獲得車架各尺寸後，使用電腦輔助設計軟體 SolidWorks 進行 3D

模型繪製，進行詳細的零件尺寸設計，並考量加工性、成本之合理化，

當整體組合件於電腦上組合完成後，模擬作動確認零件間有無干涉或發

生無法安裝，上述情況加以修正確認後，更進一步將模型利用數值分析

軟體進行應力分析，尋找結構設計上之缺陷，並挑選合適的材料製作零

件，以獲得足夠的安全因素，如此一來便可確認所有的細結構造都能正

確無誤運作，最後針對立體模型進行彩現與動畫拍攝製作，便能進一步

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於實體打樣前確認外觀設計，模擬使用者操作狀態，以評估未來實體製

作完成之表現。

本研究利用具有單一自由度特性之八連桿十接頭多連桿組，設計而成

之可變軸距輕型載具，巧妙利用單一電動壓缸(下圖藍色件)進行驅動與定

位，並設有卡固裝置(坐墊下方旋鈕)，防止行進中因震動而產生移位。

圖 12： 高坐姿應力分機結果

Max=142.5MPa

24

圖 13： 低坐姿應力分機結果

Max=77.4MPa

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五、成果評估與應用

經過評估後，本研究成果可以廣泛應用於現有創新綠能的輕型電動載

具，並為大眾短中程的交通工具提供解決方案，進而更可複製於其它輕型

載具領域，帶動綠色通勤，打造台灣成為自行車生活島，塑造良好國際形

象。

根據二氧化碳排放統計，台灣每人每年碳排放量高居全球一二，更有

60%空污來自機動車輛，若藉本計畫帶動都會區短程通勤改由自行車取

代，降低國人對汽機車之倚賴，則對碳排放減量及身心健康皆具有相當之

助益，進而提升國家整體競爭力。

本研究最終結果成功地將靈巧的高坐姿移動，與搭乘舒適之低坐姿移

動，兩種截然不同的操控車體結合，提供一種更加安全的中、長途移動輕

型載具，其變型連桿結構未來亦可用於自行車設計，相信可轉換坐姿對於

紓解騎士長途騎乘痠痛感，預計將會有顯著之效果。

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六、後續工作方向

本研究尚未進入原型製作階段，目前設計之強度僅為分析數據上適

合，實際上原料生產製程、焊接型式、表面處理法…等不同皆會對成品最

終強度產生影響，故還是需要進行實體打樣方能驗證設計強度是否足夠，

此外本研究經過工業設計後模型還需要再次進行分析與驗證，以確保其保

有設計功能。

未來設計需要持續進行輕量化，嘗試以更精簡之結構設計，達到相同

甚至更佳之強度，如此才能節省成本，並提升行使效率、距離；此外電動

車長途旅行最大的困擾就是無處可充電，為此建議於車頂設計裝置太陽能

板之車棚，甚至加裝踏板升級成電動自行車，相信都能夠大幅提升續航力。

七、結論

本研究重點技術在於活用簡易的連桿機構達成載具操控性轉換，相較

於目前所蒐集之專利，具有單一驅動元件節省成本之優勢，以及大幅度坐

躺轉換能力，且設計具有預留以踏板驅動、或是利用氣壓棒取代電動壓缸

的可能性，對日後研發者提供一個切入可變軸距載具領域之絕佳基礎。

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八、參考文獻

【1】Toyota， I-Unit 摺疊車機構

http://www2.toyota.co.jp/en/tech/p_mobility/i-unit/

【2】Hong-Sen Yan, "Creative Design of Mechanical Devices,", 1998.