自行車創新設計研究

tags:    時間:2014-03-07 10:45:19
自行車創新設計研究簡介
摘要:在當今迅速發展的時代,產品開發與創新需要更豐富的跨學科知識體系,更複雜的技術力量支撐,更完善的創新理論基礎。創新技術能將多種領域的科學知識有機地結合起來,促使設計者拓寬思維,打破……
自行車創新設計研究正文

摘要:在當今迅速發展的時代,產品開發與創新需要更豐富的跨學科知識體系,更複雜的技術力量支撐,更完善的創新理論基礎。創新技術能將多種領域的科學知識有機地結合起來,促使設計者拓寬思維,打破思維定勢,獲得突破性的創新知識,為產品創新提供創造性的設計方案。用計算機輔助技術進行創新設計,首先需要清楚人是如何進行思維的,這一點尤為重要。思維過程的模型包括:對象選例模型、約束聯想模型、分解綜合模型、抽象逆反模型。而創新與其中兩種思維模型有著密切的關係,一是抽象和聯想,一是分解(分析)和綜合。這兩種思維操作,有助於設計出相應的創新性計算機輔助設計系統幫助人進行創新設計。

 

關鍵詞:自行車 創新 設計 系統

 

    創新性計算機輔助設計系統是將輔助設計與人工智慧、計算機網路、資料庫技術和工業設計結合起來,運用抽象、聯想、分析、綜合等模型,協助人研製開發出含有新概念、新形狀、新功能、新技術的產品。重點研究方向是將信息技術與新技術運用到產品設計的過程中去。

    理想的產品創新過程需要資料庫做有利支撐,除此之外還要求具備不斷搜索新資料庫的能力,及時將合適的新技術綜合到產品中去。這要求系統具有分解和綜合產品的能力,通過分解功能,根據子功能進行聯想,用相關技術進行替換;因此,創新過程實際上是一個不斷地分解與綜合的過程,在此過程中充分調用抽象與聯想功能尋找各種替換物,實現產品的創新。潘雲鶴院士就特彆強調,計算機輔助設計的發展重點在於通過對產品概念和功能的分析與綜合,形成一種發散性思維,通過聯想和類比,將適合的新技術找出來替代原有技術的過程。

    現代自行車產品開發越來越注重創新,例如色彩的設計,新材料、新工藝、新結構的應用以及多功能設計。本文以大家都比較熟悉的自行車為對象,在研究自行車發展史、結構功能、傳動機構、派生形式等多方面資料的基礎上,開發自行車計算機輔助設計的創新軟體。充分利用面向對象技術、計算機動畫技術及多媒體模擬技術,提供多種自行車設計方案,準確而生動地模擬出自行車創新設計過程,能夠促使人們積極思考、分析、探索,提高創新能力。同時對提高設計質量,縮短設計周期,增強設計的直觀性、形象性,以便集中精力用於創造性研究,具有重要意義和應用價值。本論文的宗旨是為大學生提供一個以自行車為對象的輔助創新設計模擬教學軟體,以便他們用此軟體進行自行車的方案設計,培養創新精神和創新設計的能力。

 

1國內外研究現狀及發展趨勢

 

1.1創新技術

 

    (1)計算機輔助創新技術

 

    創新理論的研究經歷了50年代的分解研究和創立階段,70年代的系統開發階段,80年代的綜合化、專門化研究階段。九十年代以來,以為理論基礎的計算機輔助創新技術在歐美國家得到了廣泛研究與應用,成為國外知名企業在尖端技術領域中解決技術難題、實現創新的有效工具。TRIZ稱為發明創造方法學,是將人們思考問題、解決問題的過程科學化,為問題的創造性解決提供正確探索方法的科學方法。由Invention Machine公司開發的計算機輔助創新軟體TechOptimizer通過建立問題分析定義、工程學原理知識庫、創新原理、系統改善預測等四大模塊,有效地輔助設計人員在產品的概念設計、方案設計階段提出無妥協的創新設計方案,成為企業提高新產品開發能力和經濟效益的重要手段。

 

    (2)機械創斷設計技術

 

    隨著人工智慧、智能CAD、認識科學及思維科學等領域的迅速發展及自身需要,許多專家與學者對各自研究領域的創造性思維、設計開發等問題表現出濃厚的興趣,機械創新設計和新型機構的創新構思已逐步提上議程並日益受到重視。

    機械創新設計大多是結構方案的創新設計。結構方案設計極富創造性,是形象思維和抽象思維綜合作用的結果。機械創新設計過程中,應探索機械產品創新發明的機理、模式及方法,描述創新過程,將之程序化、定量化、符號化、演算法化。而機構系統方案設計過程不僅涉及大量的理論推導和數據計算,而且需要專家系統和智能工程的支持,完成知識庫的設計,推理機及人機介面的開發。利用運動模擬,精確反映機構的運動狀態,及時將參數改變對運動帶來的影響顯示在屏幕上,為設計者正確判斷、選擇方案提供有益的幫助。

    美國、德國等國家首先提倡重視機械創新設計,並己取得顯著的成果,形成了獨特的設計體系和風格。美國Johnson PC.教授於八十年代初較早從設計方法學的觀點總結出機械創新設計的過程和方法,認為必須在結構形式綜合上投入創造性力量以及在材料和尺寸的優選上投入大量技術支持。他運用連桿機構分類法、邏輯模塊法、蘊含綜合法、線圖法以及人腦智暴法、自行質疑法、形態矩形法、比擬法等創造性思維法進行了大量的工業事例創新設計並獲得成功。

    國內肖雲龍教授結合大量機電新產品的設計,對創新設計的基本特徵、設計原理與創新方法等做了方法學上的較系統而通俗的闡述。

    目前,機械方案創新設計的計算機支持已取得實質性的進展。國際上,以發明創造方法學為理論基礎的計算機輔助創新技術目前在歐美國家有著廣泛的研究與應用;智能技術廣泛應用於這一領域。國內專家已研製出智能化的計算機輔助機構創新設計軟體系統,但它主要針對桿機構的結構類型綜合、擴大設計空間、優化方案選擇。華中理工大學機械CAD中心、清華大學等院校。在產品方案設計專家系統方面做了大量的工作,先後實現多個方案設計專家系統和開發工具,對總體方案設計思想、知識表達、求解策略和控制結構等方面進行了詳細的描述。總的來說,目前,對於機械創新技術,雖然進行了許多相關的理論方面的研究或探索,但是在實用化方面尚有許多工作待做。

 

1.2自行車的創新設計研究

 

    自行車的創新設計研究主要包括以下幾個方面:生物力學、結構功能、造型設計、傳動系統、新型材料、能源驅動等。

 

    (1)自行車的生物力學研究

 

    近年來,自行車創新以人機工程學為出發點,主要集中在生物力學特性的研究方面對騎行中的自行車做了受力分析,指出騎行開始時蹬踏力可達到人體體重的三倍。Hull和他的合作者們研究了騎行生物力學,用五桿平面機構模擬具有圓鏈輪驅動的腳蹬自行車系統,探討了腳蹬力和腳蹬速率如何影響騎行過程以及鉸鏈力矩節奏的關係。RayP.S .Han著眼於非圓鏈輪驅動系統運動學和動力學分析與研究,並對人體作用進行評估,包括關節力矩、腿的角加速度、輸出力等。通過將兩自由度的五桿模型簡化為桿件長隨曲柄變化的等效四桿機構,再求解兩鏈輪臂連桿頂部的位置,得到非圓驅動鏈輪的形狀。同時建議將橢圓鏈輪和圓鏈輪結合起來運用:在低速狀態下,使用前者,在高速狀態下,切換到後者。Redfield對腳踏數據進行測量,估計出曲柄轉角和腳踏角的關係。國內研究人員鄧國光從力學角度較為詳細地研究了自行車運動員的蹬踏方式,並用微機控制閉環系統—自行車運動訓練測試台得出的數據,研究出曲柄旋轉角與蹬踏角的關係。

    (Z)自行車的多種創新形式

    在造型設計方面,現代自行車創新更注重色彩設計、新結構、新材料、新工藝的應用以及多功能的設計。設計上由原來的粘接成型車架到整體成型車架再到混合型車架;風格上表現出多樣性和仿生性,出現“羚羊型”、“鹿角型”、“白天鵝型”等仿生自行車,“淑女型”等輕便自行車;而儘可能減少空氣阻力與增強視覺效果的“流線型”結構和改變駕駛者姿態的“躺式”造型是自行車造型發展的新趨勢。

    在能源驅動方面,出現太陽能驅動、蒸汽驅動、夜光型、以及很有發展前景的電力驅動自行車。電動自行車作為一種有效替代燃油汽車的綠色環保交通工具,在減輕或消除城市環境污染方面發揮作用。

    碳纖維、複合材料、鎂合金、鋁合金等新型材料因其優良的材料特性而被有效地運用到自行車特別是賽車上。開發生產碳纖維自行車和鎂鋁合金自行車是當今自行車工業領域致力研究的課題。

    非圓鏈輪傳動以其在大中心距傳動和繞性傳動上比變速齒輪傳動更具獨到特性而運用於自行車上。國內外自行車大賽上常能欣賞到以帶傳動、圓錐齒輪傳動、軸傳動、棘輪棘爪傳動、無鏈傳動等多種傳動形式設計的新型自行車。

    自行車的結構形式多種多樣,封閉式、獨輪式、三輪式、雙輪式、多人式等等。而摺疊式電動自行車以其結構簡便、攜帶方便成為行業人士的關注焦點;全懸臂式前後叉避震賽車成為運動比賽的亮麗風景線。

    多功能自行車是高科技發展的結果,將多種特性有效地集中於一輛自行車上,為人們的使用提供了極大的方便,如水陸兩用、多檔變速、登山越野、健身保健、智能電動等等。

    專家預測,電動、環保、摺疊、鎂合金材質為特色的自行車將成為二十一世紀市場的先鋒產品,有取代登山車及避震車的趨勢。

 

1.3動畫模擬技術

 

    無論是從自行車設計本身,還是從創新軟體開發的角度,動畫模擬技術都是一個有利的工具。系統模擬以及動畫技術常用於表現真實對象或模擬對象隨時間變化的行為。利用計算機造型和模擬技術,構造出產品或裝置的幾何模型和功能模型,對它們進行運動學及其他性能的分析和模擬,可以使設計思想更加直觀清晰,設計過程更加合理,從而降低製造成本和試驗強度,避免危險性操作。

    動畫模擬有二維圖形動畫、三維線框圖動畫和三維實體圖動畫。二維實現不存在消隱和陰影處理;三維實體動畫效果最形象、最生動,但要進行消隱和陰影等複雜處理,畫面刷新的計算量很大。當模擬軟體用於系統性能分析時,一般不考慮實體是否有碰撞干涉,採用二維圖形動畫即可,以大大縮短動畫刷新時間,加快模型執行速度;當模擬用於處理設備的運轉過程時,三維實體動畫是最佳選擇。從性質上看,動畫模擬主要有如下兩種方式叫:

    (1)關鍵幀動畫。在這種方式下,先運行模擬程序,實體運行軌跡連同模擬時鐘全部保存,模擬運行結束后,作為動畫的驅動數據實現模型畫面的刷新。這種后處理動畫輸出方式需要大量的存儲開銷,並且由於動畫畫面不是基於圖形模型描述,難免出現動畫畫面與模型的不一致性。另外,也不能在模擬運行過程中實時監控,不能及時根據動畫顯示的模擬結果修改模擬模型,不具備動畫與模擬的交互能力。

    (2)實時動畫。在這種方式下,動畫刷新與模擬模型在時間上、數據上同步執行,模擬運行結果及時通過動畫顯示出來;兩者交互,用戶可中斷運行中的模擬程序,修改模型,運行模擬程序時,直接看到修改處引起的變化。因此,相對於較傳統的動畫技術,實時動畫模擬保證了由實體的狀態、事件、活動、進程組成的抽象空間和由文本、圖形組成的形象空間完全一致。

    目前,國外在動畫模擬研究領域比較先進,但相關文獻大都針對特定問題進行單項動畫模擬研究,有關動畫模擬軟體的資料也只是介紹使用方法和操作過程。美國在動畫模擬技術上卓越的體現是波音777飛機的設計。波音公司採用法國達索/IBM的CATITS三維設計與模擬系統,用并行方式處理,實現三維數字化定義,用三維實體模型數字化預裝配檢驗干涉情況,其精度達到前所未有的程度。

    我國在計算機動畫和動畫模擬方面的研究及應用起步較晚,主要處於引進、吸收和消化階段。目前主要應用領域是二維動畫片製作、電視廣告、影視片頭製作,少量用於視覺模擬和計算機輔助教學。與國外相比,無論在研究開發還是在應用的普及範圍上都存在較大差距。我國引進的三維計算機動畫有法國的Explofe、美國的Advanced Visualiger, Softmage 3D和加拿大的Alias Animator,微機上運行的3D MAX三維動畫系統等。自行研製的動畫模擬軟體有IMSS 25和HMPS X28等。IMSS (Integrated ManufacturingSimulation Software)由清華大學自動化系和航天航空部204所共同研製,用於製造系統性能分析的一體化製造,具有二維動畫功能;HMPS (HorizontalMachining Process Simulator)由清華大學自動化系、華中理工大學機械工程系以及精密儀器系合作開發,以機械加工中心加工過程為模擬對象,具有三維實體圖的動畫功能。

 

2創新設計理論及方法

 

    設計在產品的整個生命周期中佔有相當重要的位置,從根本上說,決定著產品的品質、質量及成本。只有基於認識理論上的設計過程模型才是充分可靠的。將智能過程模擬出來,必須從思維出發。而創造性思維反映著物質屬性和內在、外在的有機聯繫,是一種可以物化的思想心理活動。在產品的創新設計中,最關鍵的便是創造性構思與最佳方案的選擇。為了進行自行車創新設計,本章在檢索、閱讀、整理國內外相關文獻的基礎上,介紹有關創新設計的理論及方法。

 

2.1設計方法

 

2.1.1設計技術的發展

 

    設計技術從發展歷程上看可以分為三個發展階段:傳統設計、現代設計和先進設計。

    傳統設計首先主要以人工設計形式為代表,后以計算機輔助設計(CAD)為代表。傳統CAD技術依靠演算法的結構性能分析和計算機輔助繪圖這兩大特徵,在產品設計中獲得了廣泛應用。它能完成如最優化設計、有限元分析、計算機繪圖等各種計算型工作,但難以勝任推理型工作。

    事實上,新產品的研究與開發是一種智能行為,是人的創造力與環境條件交互作用的過程,需要充分應用多學科知識、實踐經驗、分析推理、運籌決策、綜合評價才能取得圓滿結果。智能CAD系統則是在傳統CAD基礎上融入了知識處理系統,能夠提供推理、知識庫管理、查詢結構等多方面的信息處理功能。將人工智慧與數值處理有機結合起來,計算機就能更多地參與到方案決策、結構設計、性能分析、圖形處理等設計的全過程當中。

    計算機集成製造系統(CIMS)在八十年代迅速發展,先進位造技術應運而生。先進設計技術以人機智能設計系統為代表,更強調系統的集成性,對設計全過程提供一體化的計算機支持。人機智能設計系統相對於現代設計技術階段的設計型專家系統,具有如下更充分的優越性:

    (1)人機智能設計系統是一種面向整個設計過程的開放性知識體系結構。

    (2)人機智能設計系統能夠處理多領域、多種描述形式的知識,是集成化的大規模知識處理環境。

    (3)考慮專家思維、推理和決策的模型以及設計產品的模型,讓計算機在更大範圍內、更高水平上對人類專家群體的推理過程進行模擬,做出準確而具體的設計決策。

 

2.1.2設計分類

 

    設計的本質是革新和創造。根據設計活動中創造性的大小,可將設計分為三類:常規設計、革新設計和創新設計。

    常規設計以成熟技術為基礎,在工業生產中大量存在。為滿足市場需求,提高產品競爭力,必須改進舊產品,改進生產加工工藝、研製新品種。創新設計和革新設計都具有創造性,但前者在設計探索中最富有挑戰性,沒有現成的設計規劃,甚至沒有類似的已有設計作為借鑒,很大程度上憑藉設計者的靈感去創造。創新設計的成果一般具有較高的社會價值,形式新穎且獨特,值得提倡。後者也稱為改進設計,是為增加原有產品的功能或適用範圍,提高性能或改進結構、尺寸而進行的部分創造性活動。

    設計是一項思維活動,與人的思維密切相關。關於思維科學,著名學者錢學森先生有過深入而系統的研究。他將人的思維劃為三種形式:邏輯思維、形象思維和靈感思維,並指出人的每種思維活動過程並非單純的一種思維在起作用〔川。這三種思維形式在創造性方面有不同的表現:靈感思維最強,形象思維次之,邏輯思維最次。靈感思維的突發性、偶然性、獨創性、模糊性往往是科學研究發生重大突破,對人類產生重大影響。通常,常規設計主要是通過邏輯思維實現的。創新設計通常是採用發散而不是聚合的思維過程的設計,這使得形象思維乃至靈感思維在創新設計中顯得尤為重要和突出。

    這樣,我們可以知道了,(1)設計型專家系統基本屬於常規設計和革新設計的範疇,主要模擬人類專家的邏輯思維,解決的主要問題是模式設計以及方案設計(precept design)。 (2)人機智能設計系統包括創新設計和革新設計,主要模擬人類專家的形象思維和靈感思維,解決創造性設計問題,以及并行設計(concuurrent design)。

 

2.2創造性思維和創新原理

 

    創造性思維指能對客觀事物之間的聯繫進行新的探索,並能創造出新的思維形態(如概念、假設、原理和理論等)來概括、反映這些聯繫的思維過程。其本質是在社會實踐需要的制約下,在一定心理結構和操作中,對存儲信息和外來信息,經過鑒別和篩選,重新聯接和組合的過程。

    創造性思維具有目的性、求異性、突變性等特徵,表現為邏輯思維和非邏輯思維兩種基本類型。邏輯思維主要運用概念、判斷、推理的思維形式,包括歸納邏輯、演繹邏輯和數理邏輯,對產品創新進行程序化、量化或公式化分析。變換合成法是一典型的以邏輯思維為基礎的創新技法。非邏輯思維包括聯想、形象思維、靈感、創造性想象等多種方式,經過理性分析后的知覺材料,在頭腦中重新加以組合和聯想,從而形成新構思、新形象。許多重大理論的發現直接來源於這種直覺思維。但在整個產品創新過程中,兩種思維是相互結合進行的。在感性認識與實踐的基礎上,利用有意識的邏輯思維獲得和完善對產品創新問題的理性認識,進一步地,利用潛意識活動能力,開展非邏輯思維,將理性認識綜合化、形象化、具體化,繼而又用邏輯思維予以完善、修正和檢驗。我們能從具有創造力的人群中發現他們具有的共性:

    (1)善於從全局出發,站在較高的水平來明確問題,制定系統性的發展策略。這種能力是他們衝破常規,從外面的特定領域進行思考與處理。而最好的新念頭往往來自於能夠把設計從一種產品轉向另一種產品的過程中。

    (2)極具個性,沒有單一固定的方式。他們寧願自己去提出問題而不是由別人來提問。

    (3)完成創新性設計,並非機遇或偶然事件,而是始於對原有產品模型及系統的熟悉掌握與深入研究,其發展是必然的結果。

    人工智慧專家與心理學家對創造性思維的認知過程本質作了深入的研究,提出了基於事例的推理、類比移植推理以及分解綜合推理等幾種典型的人工智慧創造性思維模式。

 

2.2.1創造性思維模式

 

    (1)基於事例的推理

    基於事例的推理是一種認知行為,通過借鑒先前的成功或不成功的範例來指導現在的問題求解。它是一種基於記憶的重要的設計思維模擬方法。事例庫模擬了人腦的記憶,其中存儲過去的經歷,並按照一定的方式組織,以便需要時被迅速提取。提取過程就是檢索相關事例的過程,檢出的事例可能與新事例不一致,需加以修改、預測,若仍然不合適新情況,仍需進一步修改。最後將正確解答納入事例庫,新的索引被建立和存儲,形成新知識。這種創造性思維模式是在原有基礎上進行局部調整,屬於革新設計。

    (2)類比移桂推理

    類比推理指依據兩個事物之間的相關性,從己知一對象的某種性質推出另一對象具有某種相應性質的推理過程。即提取一個新事例情境的某些己知特徵,與事先記憶的事例情境逐一比較,若相似則推出該情境具有與事例情境的其它特徵相類似的特徵。類比推理的核心是一個匹配過程(遵循語義相似性原則和結構一致性原則)和一個映射過程(映射內在特徵而非外在表現)。類比移植包含繼承、改進、變異及創新,可以在技術結構、技術原理、思想方法、不同技術領域間或同一技術領域內不同結構之間等方面進行移植。類比推理的主要特徵是:

    (1)屬或然性推理,能得到繼承性和創新性結論;

    (2)核心強調情境間的相似聯繫,而不是命題的真假。結論需驗證正確性;

    (3)存在的聯繫是內在的相關性,而不是外在的表現;

    (4)是一種極具創造力的思維方法,體現原理層創新,繼承中創新的思想。在產品設計中的應用體現是創新設計。

    (3)分解蛛合推理

    分解綜合推理是一種複合推理模式,包括邏輯思維(分解過程)和形象思維(求解過程、綜合過程)。這種思維模式最具創新力,因為分解過程能夠依據已有的知識經驗將新問題分解為一系列老問題,具備強勁的解決新問題的能力;求解過程的基於事例的推理模式和類比推理模式都具有創新能力;綜合過程採用不同的策略得到不同結果,更具有創新力。

    在創造性思維過程中,必然繼承原有的科學知識的概念、命題、原理和定律,並與之發生種種邏輯聯繫;必然有新的事實、新的聯繫等內容假如於其中。基於事例的推理與類比推理的本質區別在於,前者強調新問題與事例間的邏輯聯繫,按一定的索引方式檢索己有的事例,其創造性是後來的修改。而後者強調新問題與類比問題之間的形象聯繫,依據兩者在某方面的類似性,推理出一者的解具有與另一者的解相類似的結構。分解綜合推理體現創造性思維過程解決問題的完整過程,前兩項推理過程側重於創造性思維過程的求解過程。

 

2.2.2創新原理

 

    創造性思維只有在一定原理的約束和導向下才能得到有效的創造性結果。G. S. Altshuller通過對上萬件發明專利的研究與分析,抽出40個發明創造所遵循的原理,成為解決技術矛盾的關鍵。下列幾項原則具有指導性意義:

    (1)綜合:組合相同性質的物體;將相近性質的作業在同一時間內組合;使物體具有複合功能。如電子計算機是大規模集成電路技術、計算數學、精密機械的綜合;激光技術是光學、機械、電學的技術綜合等。

    (2)還原:圍繞產品功能進行創新。如在應用系統化設計法進行原理方案設計,先從功能分析入手,利用創造性構思等方法求解多種方案,然後進行技術經濟評價,通過選擇和優化,求得最佳方案。

    (3)類比:借鑒成熟的原理與技術加以比較,找到相似點。

    (4)移植:多種技術的移植嫁接,形成新技術、新材料、新產品、新工藝。如系統間相互替換(機械系統、光學系統、聽覺系統、嗅覺系統、場強等),機構間的相互利用(氣壓機構、水壓機構、油壓機構、機械機構等)。

    (5)離散:將原有產品技術進行分離,形成新構思。如隱形眼鏡是鏡片與鏡框分離的結果;音箱是揚聲器與收錄機分離的結果。

    (6)強化:如採用金屬粉末熱噴塗強化工藝,提高機械零件表面強度、硬度和耐磨性;採用複合材料增強結構剛度、穩定性、減震性。

    (7)換元:如採用材料替代、零件替代、方法替代、包裝替代、品牌替代等。

    (8)迂迴:面臨困難時擴大搜索範圍,從其它領域尋找啟發,激發創意,解決問題。

    (9)逆反:突破傳統的思維定勢,進行逆向思維,引出新的創意。

    (10)仿形:從產品造型上模仿。如鳥的翅膀與飛機機翼,海洋生物的流線型軀體與潛艇造型等。

    (11)群體:依靠群體智慧,相互啟發,集思廣益。

 

2.3創新設計

 

    現代設計的核心是創新設計,根據以往的設計經驗、新興技術所提供的新原理、新方法進行產品的分析、設計。開發創新思維,學習和掌握創新設計方法,是現代設計的需要。正向、逆向、側向等多種思維有助於我們從不同深度、廣度進行思考,提出創新構思和解決問題的方法。創新設計的方法有很多,如智力思維法、推理思維法、聯想思維法、組合創新法等。文則將面向產品創新設計的CAD方法歸納為基於分解的功能方案設計方法、面向功能單元的結構設計方法、面向全過程的設計方法。前兩類是創新設計過程的兩個主要階段,第三類主要從設計方法學角度論述計算機輔助設計方法的設計過程模型。

 

2.3.1基於分解的功能方案設計方法

 

    技術創新時,首先要明確新產品應該具備的功能。產品的功能方案設計處於整個設計過程的最初階段,但是地位最重要。對功能的各種可能方案進行優選,關鍵是進行廣泛而深入的功能分析和功能分解,包括設計目標的辨認和確定,功能的描述和定界,並用多種實體結構(功能載體)去實現。將抽象的產品設計轉化為具體的、現實的功能,充分體現著人的創造性活動。

    功能邏輯分解法和功能行為狀態分解法是目前研究的兩種典型方法。功能邏輯分解法的關鍵在於如何建立一個豐富功能定義庫以及定義一個功能塊關係描述定義集。功能行為狀態分解法是基於行為的分解,關鍵是如何將功能一行為一狀態一基本物理模型有機地結合在一起,是功能分解具有認知理論的依據。

 

2.3.2面向功能單元的結構設計方法

 

    這種方法強調如何將功能性的描述轉化為能實現這些功能的具有形狀、尺寸以及相互關係的零部件的描述,其核心是一個映射過程。採用功能一結構一裝配三個層次的轉換方法,即建立一個中間結構層,完成從功能視圖向裝配體視圖的遷移。

 

2.3.3面向全過程的設計方法及模型

 

    對於面向全過程的設計方法及模型,根據其發展過程有三種觀點:

    (1)面向對象設計模型

    面向對象設計模型代表設計方法學的組裝創新設計階段。它認為設計過程應是從功能分解的高層向低層不斷進行基於專家經驗知識庫的虛功能特化和再分解的過程。特化過程指當知識庫存在能夠滿足虛功能對象的時候,產生該對象的實例。再分解過程指在不滿足的情況下,按照知識庫中的分解方法將虛功能再次分解為子虛功能,直到全由特化對象實例來完成,形成多叉樹結構,分叉點是分解,葉結點是特化。

    (2)一般性的設計理論模型GDT (General Design Theory)

    GDT模型體現創新設計方法學的創新思維過程(分解、映射、綜合),代表開環設計階段。它認為設計核心是分解—映射—綜合的過程。功能目錄列出了所有基本功能單元和一對多對應的實現方案,該模型以功能目錄為依據,基本組成都出自功能目錄庫。

    (3)逐步求精模型

    逐步求精模型認為設計應從需求描述(包括功能、行為、屬性等方面)入手。這種描述在設計過程中不斷被細化、修正和測試,直到產品成形,形成一個不斷遞歸循環的子單元設計過程。該模型能充分體現人的創新思維模式:繼承中創新、反覆迭代、代表工程設計方法學的閉環控制創新設計階段。第三章自行車創新發展

    自行車是人們日常生活中不可缺少的代步工具,其造價低廉、維修簡單、使用方便,無污染,深受人們喜愛。目前,國內自行車行業紛紛加快產品開發步伐,出現了花色繁多,系列品種趨於齊全、結構新穎的新局面。為了進行自行車創新設計,本章通過收集、整理有關文獻,介紹自行車創新的發展現狀及其創新內容。

 

2.4自行車的發展歷史

 

    自行車歷史淵源久長。據史料文字記載,大約公元前2300年,中國、埃及、印度都出現過人類原始的自行車雛形。義大利龐貝城中的壁畫是最早的圖形記載。世界上第一輛真正的自行車是由法國人米狄·德,西福拉克於1790年發明的兩輪腳蹬自行車。鏈條式驅動裝置的發明者是英國人丁·斯塔利和勞森。1888年英國人鄧洛普將實心輪胎改為充氣輪胎,使行駛更為便輕。但縱觀早期自行車發展,由於沒有系統的理論作指導,製造技術相對落後,自行車發展很緩慢。

 


3自行車的創新體現

 

    隨著社會發展、科技進步和人類審美觀念的不斷變化,自行車產品在近代和現代得到了迅速發展,造型日趨完美,功能日趨完善。在造型設計、動力驅動、新型材料、傳動方式、結構功能等多方面不斷改造與創新,體現出良好的發展前景。

 

3.1傳動系統

 

    自行車傳動系統的形式多樣,曾出現過槓桿驅動、雙重曲柄式、腳蹬上下式、無鏈傳動、軸傳動、棘輪棘爪傳動、齒輪傳動、鏈條鑄輪傳動等各種形式。許多方式都因傳動效率不高或不適合而被淘汰,但自行車的齒輪傳動方式、鏈條鏈輪傳動方式等依然適用,並在此基礎上持續發展。

    變速傳動是機械傳動系統的一個分支,其理論發展已有60多年的歷史。非圓鏈輪傳動作為一種變速比傳動,以其獨特的優點,在近十年期間,得到國內外有心人士的關注,將它有效的運用到自行車上。國內王展國的角速度凸圓鏈輪傳動裝置,根據人腳踏作用力的變化情況,設定曲柄位置,設定在最佳受力夾角處,使人力腳踏容易發揮較大腳踏力且鏈輪傳動比加大,從而提高傳動效率。日本奧特克公司開發的新型自行車驅動裝置,將傳統的圓形鏈條輪改造成橢圓形,把傳動方式由鏈條改為齒輪傳動。這種騎行時腳的運動軌跡是橢圓形,便於腿發力且節約運行距離。IPD公司己生產出凸輪驅動系統;日本島野公司有非圓鏈輪產品。這些非圓鏈輪傳動系統的優點在於人騎車時省力、舒適、不易疲勞,是一種很有發展前景的自行車。

 

3.2新型材料

 

    運用在自行車上的材料多種多樣,目前比較流行的材質有鋼材、鋁合金、鎂合金、欽合金、高分子碳纖維材料、複合材料等。

    鋁合金是目前最看好的材質,在80年代初期就己經開始被大量運用在自行車製造上,雖然鋁合金車架重量輕、延伸性相當好,但應力較集中,所以性能較差。近年來鋁合金材質在車架上運用了新技術,其中漸進式抽管法最被看好,即分數次將鋁材逐漸抽薄,減少重量而又不損失強度,消除了車架接縫處的潛在斷裂處。

    英國設計者Kirk Precision大膽地利用新型材料—高純度鎂,通過鎂合金澆注成模方法,再結合高科技製造設備和計算機輔助設計手段,成功地將大規模製造的優勢運用到傳統手工製造的自行車行業中來,生產出比相同大小和重量的鋼管車架質量更輕、剛度更高,性能更佳、動感更強的合金管車架。

    欽合金在航空工業上普遍被運用,同時也漸漸被自行車行業所注意。欽合金穩定性高、不易氧化.強度高、抗腐蝕性好.吸震性也十分好,如此多的優點和製造難度使得欽合金車架的價格一直十分昂貴.

    複合材料在運動器材方面蓬勃發展,加上製造技術漸趨成熟,引起有心人士投入複合材料代替金屬的開發。

    碳纖維是一種纖維補強的熱固樹脂,屬於非金屬材料,它重量輕、可塑性大、耐牢性卓越,防震性能好,與同質量的金屬相比有更優良的強度與剛硬度;將碳纖維管狀物與鋁合金接頭這兩種截然不同性能的物體以高分子接著劑膠合組成一體化成型車架,最適用於競賽型的自行車。碳纖維自行車的國內外發展狀況如下所述。

    80年代中期,義大利、法國、英國和美國利用複合材料和工程塑料方面的技術優勢.相繼開發成功了用碳纖維管和鋁合金接頭粘接成車架的碳纖維自行車。隨後,歐美等國對自行車進行計算機輔助受力分析和強度計算,使計算機外形更符合人機工程學的要求,研製出碳纖維整體車架成型工藝。90年代初,國外廠商將粘接型和整體性進行混合技術,即用碳纖維管和多通接頭作“底”.外敷纏繞碳纖維層,使多通接管掩埋在裡面,外部看起來似整體成型。以確保自行車的強度。

    台灣最大的自行車廠商—捷安特Giantl公司與台灣材料研究室共同開發碳纖維自行車,成功開發一種新穎的鋁合金金屬壓注接頭膠接碳纖維自行車構架。隨後.公司於1993年聯合開發整體碳纖維自行車構架,便台灣自行車工業發展上一新台階。近年來台灣自行車業者將諸多新開發的高科技材料大量運用於傳統的自行車產品.提高功能性和實用性,大幅度減輕自行車重量,使產品的附加價值大為增加。

    1993年,我國天津飛鴿自行車(集團)公司和北京環航複合材料公司聯合投資開發粘接型碳纖維自行車。深圳中華自行車公司自行研製可焊接碳纖維自行車。但整體成型碳纖維車架國內目前還是空白。

 

3.3動力班動

 

    (1)電動自行本

    電動自行車被譽為“綠色交通工具”,它充分運用了當今的新技術、新材料,尤其是採用集成電路,電子元器件,提高了自行車控制器的質量,具有很好的可靠性、安全性和靈活性。

    電動自行車以蓄電池能源進行電力驅動,通過控制系統驅動電動輪轉動,從而達到騎行目的。採用的電池主要有三類:鉛酸電池、鎳鍋電池、鎳氫電池。電動自行車是高新技術產品,只有當電池、電機、控制器、充電器等技術達到較高的水平時方可大量生產。目前,電力自行車是自行車行業開發新產品中最大的熱點。

    a.國外電動自行車發展狀況

    美國ZAP、尤尼克、克萊斯勒等多家著名汽車公司都己開發和生產出了相當數量電力助動車,美國通用汽車公司為電動自行車提供新型電池。德國的賓士公司、法國的標誌公司也把眼光投入到這一產品上來了。日本除積極開發電動汽車外,積極開發出各類電動自行車,產值己超過了越野車、迷你車,僅次於居第一位的輕便車。日本三菱重工業公司最近推出了電動自行車新產品,加入經濟競爭的行列。1997年,日本最大的自行車廠家“石橋”、“宮田”、“丸石”等也相繼加入電動自行車的競爭行列。日本把電動自行車作為最有發展前景的綠色交通工具來發展。

    b.台灣電動自行車發展狀況

    台灣自行車產業頗具實力。美利達公司開發出鉛酸電池自行車,市場銷路很好;奇能、巨馬和瑞祥等多家電動機車製造廠商,均致力於開發一種超輕型專供短程使用的電動自行車。瑞祥公司推出第二代電動自行車的重量只在52公斤以下,奇能公司的全新設計EPED電動自行車重量只有30多公斤。

    最近,為推動高科技電動自行車產業發展,自行車工業研發中心已著手部署第三代電動自行車開發設計,將在馬達、控制器、電池等方面大幅強化效能的提升。個性化電動輔助自行車與摺疊式電動輔助自行車等兩型車款將進一步減輕重量。

    c.國內電動自行車發展狀況

    我國電動自行車開發尚處起步階段,但還是比較重視電動車的開發和生產。廣州和汕頭南澳縣是國家重點開發電動車的基地;江蘇省政府和常州建立了中外合資常州山康電動車有限公司和常州電動車充換電有限公司。早在1996年上海市政府就支持和鼓勵電動車發展。目前,已有20多家企業參與電動車的開發和生產,各種電動自行車、電力助動車、高性能電池、電機和控制器等相繼面世。上海於近日取得電力助動車在電池研製關鍵技術上的重要突破,一些專業企業也已經能夠批量生產,其使用壽命可達到充電400-500次,一次充電可行使40-50公里。

    (2)太陽能自行車

    太陽能自行車是將太陽能直接變成電能,驅動電機行駛的自行車。主要由太陽電池、直流電機、蓄電池和自行車組成。太陽能電池是自行車的發電機,蓄電池把太陽能變成的電能儲存起來,供自行車啟動時較大的啟動電流,或陰雨天和晚上使用。

    太陽能電池是固態器件,吸收陽光並將光能直接轉變成電能,完全依靠內部的固體結構完成這一功能,沒有任何活動部件。要求太陽能電池能提供120瓦功率的電源。南京航空航天大學范炳鶴教授研製出大面積硅太陽電池應用集成電路技術,把N型硅和P型硅與連接導線一起集成在光學玻璃基板上,組成305毫米X 305毫米方形太陽能電池,工作電壓12伏,輸出功率5千瓦。他本人自裝了一輛太陽能自行車,太陽能電源由NPS硅太陽電池和復旦大學BEST全密封維護蓄電池組合成。

    太陽能自行車是新生事物,集中“能源、環保、交通和新材料”四大領域的優勢,不斷完善後將成為特色小康型交通工具。

    (3)落汽自行車

    德國機械工程師赫爾貝特.勒特里希研製成一種以蒸汽為動力的新型自行車。該車前輪左側部位裝有一隻立式蒸汽鍋,右側部位裝有一台活塞蒸汽機。蒸汽機所產生的傳動力則是依靠一隻摩擦輪傳遞到前輪上的。此自行車還配有氣壓表、蒸汽鍋加熱點火器、安全閥門、強制式給水泵、手動式供水泵、儲水箱及煤氣罐等裝置。為確保蒸汽鍋安全,騎車者還可以通過車上的一隻目鏡,檢查蒸汽鍋內的水位情況。

    (4)夜光自行車

    加拿大的科研人員為使夜間騎自行車的人能在微弱光線的大街小巷中安全行駛,專門設計並製造了一種夜光自行車。這種自行車並無任何結構上的改變,只是在自行車兩隻輪的輪圈上,粘貼一層塗有發光的彈性錫箔之類的膜。實驗證明,這種車在夜間行駛時,可以在150米之內被人們發現,即使是以每小時80公里的速度急馳的汽車,也來得及緊急處理情況,從而排除夜間的交通事故。

 

3.4造型

 

    現代自行車造型設計的一大特點就是應用新材料、新工藝、新結構。有種無輻條、前後輪均為碳素鋼輪的自行車,其前輪略小,後輪略大,造型整體呈前傾狀態,高速行駛時,能減少空氣阻力具有較強的速度感和力感。1999年台北自行車展示會上,Elebike公司展出了由工程學院的學生設計的兩人同時駕駛的新型三輪電動自行車。車的前輪有一個轉矩,電池安裝在座墊下面,車駕與擋泥板創造出一種優美的流線形。“羚羊型”、“白天鵝型”等使自行車造型趨於多樣化。“流線型”結構造型以及改變駕駛者的姿態的“身尚式”造型是自行車造型發展的新趨勢。

 

3.5結構

 

    自行車的結構多樣,金屬板、塑料的組合式、管式、組成式、軸傳動機構、橡膠車架、碳精纖維車架、無幅條車輪、單輪車式、曲柄式往複運動機構、鋼絲幅條車輪、無滾珠軸承、蛇腹車架、雙管車架、雙圓棒車架、蜂窩結構、玻璃纖維車架、流線型結構、整體車輪、驅動部與后軸的整體連結、無螺絲安裝、帶式驅動機構、流式驅動機構等m。而摺疊式自行車是近幾年發展起來的一種新型結構的自行車.結構更簡便,性能更高.

    (1)獨轉健身自行豐

    一種獨輪健身自行車,由搖動手柄、腳踏,輪子和保護架構成,搖動手柄和腳踏分別與棘爪傳動機構的棘爪固定,棘輪與車輪同軸轉動。使用者通過兩手的前後搖動和腳踩腳踏兩種方式連續驅動車輪行走。

    (2)折聖式自行豐

    德國斯圖嘉特市車輛設計鍛造公司最近開發成功一種隨意放入任何一種行李箱內的微型摺疊式自行車。它裝有可調式支承座的鞍管和車架上的避震器可迅速從車架上卸下,車架通過一種新式中軸活絡關節一步摺疊到位。車架製造採用“中空事骨架件”方法,既有效提高車架抗扭強度.又可顯著減輕車架重量。

    日本成功製造出總重量僅為6. 5千克的一種新型的安全可靠的折盛式輕便自行車,堪稱世界上最輕量的自行車。車體材料採用堅固而較輕的欽合金,所有框架採用中空工藝加工,框架管子的壁厚僅有1毫米,此外,輪胎採用了聚氨酷橡膠等輕量材料,所有部位儘可能設法變輕.摺疊設計方面,對摺疊后的高度、厚度都進行了嚴格調查比較,產品最終實現了能滿足多種情況下的攜帶與放置。

    台灣展開發公司推出的摺疊式電動自行車獲日本外觀及結構專利權。全車僅32公斤,攜帶方便、機動性高。該車採用微電腦控制器,剎車自動斷電,電源歸零起動,具有電量指示燈,啟動扭力大,速度可達25公里/hr,充電時間4-6小時,平地續航力可達40公里。前輪配置的12. 5英寸避震器已獲台灣專利權,是目前台灣行程尺寸最短的避震器。

    我國柯思達發明的摺疊自行車系列產品,性能上具有摺疊迅速、結構簡便的特點,與同類產品相比,體積小1/2,重量輕1/3,摺疊時間為2-4秒,可隨意掛靠,攜帶便利。

 

3.6功能

 

    自行車除了作為一種交通工具,還具有健身、娛樂、競賽等多方面功能。隨著高新技術的不斷提高,一運用越來越廣泛,功能越來越完備,出現了水陸兩用自行車、多檔變速自行車、登山越野自行車等多功能型自行車。

    (1)多檔變速自行車

    變速裝置的形式很多,內裝、外裝、手動無級變速、電氣式自動無級變速、流體變速、細繩式、帶式、隨動式、離合器式、磁力式、連桿式、摩擦離合器式、摩擦板式、離心力式、異型電機式、柱塞式、和諧傳動、行星齒輪式、照相機光圈式、改變鏈輪徑、凸輪偏心式(帶行星齒輪和鏈輪)、橡膠變速式、滾珠螺絲變速等等。

    外裝變速器直接接觸外部空間,變速的範圍較大,多用于山地車。內裝變速器暗藏於后花鼓中,由於設計的空間有限,變速的範圍較有限,一般用於城市內騎行的輕便車。森威系列中的摩擦式換檔變速器,採用低接觸式走線方式和擺動機構,實現前、后自動定位定檔工NDEX調速。它選用高強度的壓鑄鋁、塑脂件,採用旋轉手柄、GD型飛輪,具有預撥功能,使得工NDEX系統達到平順、準確的變速性能。最新產品中還有通過電腦感應和微型馬達來自動進行變速的全自動內變速系統。通過變速把上的電腦液晶FLGHT DECK電子顯示系統實現顯示時間、平均速度、騎行總距離等17種的功能。

    (2)山地自行牟

    山地自行車適於行駛在不平整的路面上。由Bertone公司和通用(GM)的子公司歐寶聯合開發的山地自行車,用一根管材構成的龍骨代替了傳統的四邊形車架。此車將後輪,車鏈連接腳蹬子的中軸作成一體,減震器安裝在鎂管中,從而使得24速換檔機構中的鏈條張緊力不受到車輪跳動的影響,解決了后懸挂系統的自行車經常遇到的問題。

    (3)遭震賽車

    在登山自行車、下坡賽車上,為了降低自行車車輛重量,發揮乘騎者的最大極限,提高耐衝擊性,普遍採用高性能的前後叉避震設計,懸吊式后避震系統和彈簧壓迫式的傳動系統。在把手、避震座管、立管等各部分均採用創新的材料,使自行車的“減震”功能幾乎可以與機車相媲美。同時,為了減少抗風阻係數,以往管狀的車身已逐漸為扁平的設計所代替。第四章車架造型設計

    自行車創新設計包括所示的各個方面,本論文重點討論車架造型、傳動系統方案設計。本章首先研究車架造型設計。

 

4自行車造型個性化設計程序與方法

 

4.1自行車造型個性化設計的基本方法

 

4.1.1目標消費群體分析

 

      根據上一章分析的內容,自行車的消費行為取決十目標消費群體的兩方面個性:其中動機、態度、消費觀決定了其購買自行車的類型、使用情境和檔次;而個性氣質以及感知尺度決定了自行車的風格特徵。因此,設計自行車或零件造型,需要先分析目標消費群體這兩方面的信息。

      具體的過程是,首先了解影響消費群體購買自行車行為的客觀因素,如當地的社會文化、目標消費群體所處的社會階層、當地的地理環境等等;其次,分析目標消費群體的購買動機、態度及其消費觀,判斷適合目標消費群體使用的自行車的功能和檔次;最後分析目標消費群體的個性與氣質,以及市場上競爭對手產品的風格特徵,判斷出合適的自行車造型風格特徵。

 

4.1.2自行車消費動機需求的分類

 

    建立基十使用情境的自行車個性尺度模型,需要首先了解消費者的購買動機,不同動機的消費者,對自行車的各種屬性的態度會有很大不同。根據上文提及的“影響自行車消費的客觀因素”,以及第二章提及的現代自行車的功能特性差異,筆者對消費者購買自行車的使用的動機需求概括為“代步”、“休閑”、“旅遊”、“表演”、“競速”、“極限運動”、“運輸”七類,而其中“運輸”需求,因為自行車的速度、運輸能力、機動性能等限制,已逐漸被電動車、汽車等其他交通工具代替。因此建立模型時,動機需求中放棄了“運輸”這一項。

 

4.1.2.1代步

 

    從自行車發明以來,代步就是自行車最基本的功能。通過蹬踏自行車,可以加快到達目的地的速度,節省時間和體能。時至今口,人們使用自行車的動機還有不少是用十代步。屬十代步範圍的動機有:上下班、上學放學、購物、買菜、走訪親友,參加其他活動等等口常生活以及公務活動,自行車僅僅作為交通工具來使用。

 

4.1.2.2休閑

 

    休閑是現代社會發展的特徵之一。隨著科技進步,文明程度提高,我國用工時間不斷規範和縮短,普通人有越來越多的休息時間。五天工作制和各種傳統節口的制定,都為大眾提供了更多進行休閑活動的機會。過去休閑方式以看電視,瀏覽報紙,等被動休息為主,而現在人們的觀念逐漸發生改變,意識到需要積極主動地尋找適合自己的活動方式,因此利用自行車進行休閑活動成為現在的熱門休閑活動之一。“休閑”和“代步”兩種動機的差別是:“休閑”中自行車已不僅是交通工具,在人們參與的活動中扮演重要的角色。屬十休閑範圍的動機有:外出兜風、公園內騎行、短距離的戶外活動(如露營、野炊、登山、越野)等等。自行車為人們的休閑活動增添了樂趣,貼近了自然,越來越受到人們的歡迎。

 

4.1.2.3旅遊

 

    旅遊也屬十廣義休閑的一種,產生“旅遊”動機的原因與“休閑”類似,而在自行車“旅遊”動機中,更關心的是通過自行車遊歷其他地區,攜帶大量行李,在遠離自己住所的其他環境中體驗不一樣的生活。很多時候,使用自行車旅遊的人會被稱為“驢友”。屬十旅遊範圍的動機有:騎行至外地,或者在外地騎行;到旅遊景點地區遊覽等等。

 

4.1.2.4表演

 

    表演指使用者利用自行車進行某些需要經過訓練、常人難以做到的動作,並配合音樂、道具、場景以取悅觀眾。這些活動需要使用者有很好的靈活性,掌握大量的操控技巧,以保持自己在自行車上的平衡,因此用十表演的自行車零件非常專業。屬十“表演”動機的範圍有:平地花式BMX,攀爬、街式等,或者一些DH自行車活動。

 

4.1.2.5競速

 

    競速屬十專業運動範疇,指在特定的場地中,在儘可能短的時間內完成指定路線的騎行,並與其他競速選手競爭完成時間,速度最快者獲勝。競速動機基本表現在參加自行車比賽的行為上。隨著我國自行車水平的不斷發展,國內各種專業和業餘的自行車比賽數量口益增加,如“禧碼諾車迷節”、“黃山賽”等,因為競速動機而購買自行車的消費者也越來越多。屬十“競速”動機的範圍有:山地自行車比賽、公路自行車比賽、個人計時賽、鐵人二項比賽等等。

 

4.1.2.6極限運動

 

    極限運動是特別的自行車運動,使用者通過自行車挑戰極高難度的路況和動作,以超越人類極限為目標,追求過程中的刺激感。極限活動具有很大的危險性,因此要求自行車及護具的強度要足夠勝任。屬十“極限運動”動機的範圍有:自由騎、墜山、街式等高強度的山地騎行活動,以及平地花式等以技巧性為主的騎行活動。

 

4.1.3自行車造型特徵的設計

 

      自行車的造型設計需要服從十功能,具有很大的局限性。但是局限並不代表無法設計。自行車框架是最重要的設計部件,在滿足功能需求及成本的前提下,其選用的材料、管材線條的造型、車架和前叉外管的塗裝都屬十可塑造的部分。同日寸,坐墊、座桿、把組的形狀、塗裝也影響整車的風格。然後是自行車的其他系統部分,屬十造型的細節設計。如曲柄的表面、快拆、后撥、剎把、火器等,出色的設計可以起點綴的作用,讓整車風格更加協調。對整車造型影響不大的零件有:花鼓、腳踏、飛輪、前撥、碗組等體積較小,功能性遠大十造型表徵性的零部件。

 

4. 2設計原則

 

    自行車設計要從材料強度、騎行運動學、加工工藝,可靠性等各個方面進行考慮,這些因素都直接影響著車架的外觀美感、強度大小和彈性優劣。而車架造型很大程度上決定著自行車騎行好壞、易轉性能、騎行舒暢感等。車架管材的長短、構成的角度等影響整體自行車的特性。除考慮車架的造型結構尺寸外,尤其應該考慮自行車與人的協調關係,以及身體尺寸與自行車各部件之間的關係。主要的基本技術參數有:前管軸線與地面夾角。、立管軸線與地面夾角p、傳動中心距C、前後輪中心距D、中接頭中心離地距離E等。只有這些參數均趨於合理,才能保證自行車的穩定性和操縱性。下面以賽車為例,討論如何確定車架設計方案。

 

4.2.1基本原則

 

(1)賽車的性能是通過人來體現的,它的結構設計應以人為主,充分考慮到人體工程學、自行車運動學、形態美學等方面的知識。

    (2)賽車車架的形狀和尺度與其功能有關。要求外形尺寸合適,以提高騎行舒適性;要求所受阻力最小,騎行的輸出性能最佳。

    (3)要求有足夠的剛性和強度,並且盡量減少重量。具有良好的抗衝擊、耐疲勞性,以保證壽命使用。

 

4.2.2形態設計

 

碳纖維賽車車架造型採用流線型整體結構,其性能分析有以下優點:互磨擦、流線型結構:可最大限度地減少空氣阻力,提高騎行速度。整體式結構:人體做功力傳遞效率高。避免了普通車架因部件多,相接觸變形造成的人體動力傳遞損耗。

 

4.2.3結構尺寸確定

 

    (1)車架規格

    運動員下肢(大腿、小腿、腳)的長短,決定車架的高度。上肢(上臂、下臂和手腕)的長短與胸之和,決定車架的長度。

    (2)前角和后角

    前角指前管對於車架的傾斜度。前角為710時,操縱性和穩定性都比較好,確定其範圍為650 -750。賽車車架的前角更陡,採用730-750,這樣在騎行時反應快,速度靈活。坐管角取與前角相同,陡的角度可使騎車者前撲在中軸的上方,從而獲得較大的蹬力。后角指立管軸線與地面夾角。后角決定了騎行者在自行車上的重心位置,一般認為在680 -73。範圍內。當傳動中心距設定的值較小時,角度偏小,反之偏大。

    (3)前又翹度

    前叉翹度指前管中心線和前輪軸之間的垂直距離。為提高自行車的的導向靈活性,一般取較小的值。

    (4)上管長度

    從鞍立管接頭到前叉接頭的長度,角度較陡的賽車車架相應地使上管縮短了。這樣可使騎車者能下撲著雙手握住車把騎行,以減小風的阻力並增強腳踏的力量。

    (5)轉距

    為了減少自行車的重量,提高運動性能,必須考慮盡量縮短輪距。前、後輪中心距的尺寸大小與傳動中心距有關,當傳動中心距較小時前、後輪中心距可取小一些,反之取大一點。

    (6)后心距

    從保證車架的剛性和良好的加速性能出發,盡量縮短后心距。

 

5傳動系統方案設計

 

    根據創新性基本原理和思維活動方式中的發散思維,自行車傳動形式不局限於機械傳動,還有液動、氣動、磁動、電動等多種新型式。機械動力傳動的具體形式又有鏈傳動、帶傳動、軸傳動、齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、棘輪棘爪傳動,等等,可供設計者參考選擇。

 

    鏈傳動是一種具有中間繞性件的非共轆嚙合傳動,一般分為動力驅動和運輸傳動兩種方式。有滾子鏈、齒形鏈、雙節距長環滾子鏈。自行車鏈條與相同節距規格的傳動用滾子鏈相比,寬度窄、重量輕、精度低、機械性能低,但價格便宜。

    鏈條鏈輪傳動因為有其它傳動形式所無法比擬的優點而成為現代自行車傳動系統的主要表現形式。

    鏈傳動和齒輪傳動都無彈性滑動,傳動比準確,傳動效率高。對要求轉速恆定的兩軸傳動和多軸傳動,採用鏈和齒輪都很適宜。鏈條對軸作用力較小,鏈預緊力比帶傳動小得多,減輕軸和軸承上的壓力,減小磨損。同時結構尺寸較緊湊,裝拆方便。

    當然,鏈傳動也存在其無法克服的缺點。當空間限制要求有中心距小;瞬時傳動比要求恆定;傳動比大;轉速極高;雜訊要求小的時候,鏈傳動的使用性能不如齒輪傳動。當空間限制要求有中心距很長;轉速極高;無潤滑油,雜訊要求小的時候,鏈傳動的使用性能不如帶傳動。當要求運動連續光滑時,鏈傳動的使用性能不如軸傳動。

    鏈的使用壽命受到鉸鏈磨損的限制。磨損使鏈節距增大,擺動速度不斷變化,工作中的銷軸和套筒之間的接觸中心幾乎不能形成流體動力潤滑油膜,且摩擦係數高,會出現局部粘著現象。為提高使用壽命和效率,需設置張緊裝置(張緊輪、張緊軌道)來補償由磨損引起的滾子鏈伸長。由於鏈傳動具有由多邊形效應引起的運轉不均勻性併產生衝擊力,傳動平穩性欠佳,因此,必須使鏈和鏈輪質量減小,鏈節距和鏈環長在充分利用鏈的強度條件下限制到最小值。

    鏈輪齒形設計對提高傳動鏈條承載能力,實現共輛嚙合鏈傳動具有重要的作用。美國摩斯公司推出的鏈輪採用30度壓力角的漸開線齒形,形成HV鏈傳動專利產品,具有良好的高速性能,鏈輪最高轉速可達12000r/min,傳遞的最大功率可達4000kw。因此,針對配用鏈條的結構特點,按照鏈傳動的嚙合機理,研究鏈輪的齒形是鏈輪發展的一個重要領域。

    非圓鏈輪技術近年來得到發展與運用。變速自行車採用非圓驅動鏈輪有助於減少自行車鏈輪大拐處在垂直位置時對傳動效率的不利影響,便於腿發力且節約運動距離。

 

結語

 

      自行車產品有其特殊性,它的結構既承擔物理功能,又直接體現外觀。它的個性化和其他產品相比較有一定的難度,但隨著技術的發展,這種產品的形式和內涵存在著變化的可能性,也具有一定的典型性和代表性。從1818年第一台自行車誕生開始,它就沒停止過發展的腳步,至今已經有十幾類不同功能、造型的自行車。自行車用途的多樣化,和自行車部件介面的標準化,讓現代自行車的造型充滿了無數的可能性,每一種,甚至每一輛自行車都擁有自己獨特的個性。因此要研究自行車個性,需要從它的構件、使用情境,消費者的需求等方面入手,通過分析目標消費群體的消費心理,消費過程,找對自行車的受眾及個性化需求,才能提高競爭力。

    影響消費者購買自行車的因素有很多,內部因素有消費者自身的個性,氣質,消費觀,外部因素有社會文化,生活環境,人口因素等等。消費者的動機、態度消費觀決定了自行車的種類;消費者的個性、氣質決定了自行車的風格;消費者的感觀尺度決定了自行車的效果尺度。分析自行車造型的個性化,要從兩方面入手。一是按消費者的動機需求劃分,這是根據自行車的使用情境進行分析;二是按自行車的造型和塗裝等風格劃分,這是根據目標消費人群的需求和個性進行分析。通過兩種分析結合,就可以對某一自行車的個性找到其目標消費群體,或者通過分析目標消費群體,確定他們樂意接受的自行車的個性風格。

    中國屬十自行車消費大國,自行車曾經是國人眼裡的“大件”商品。但在汽車文化盛行的今天,自行車逐漸失去了國人的關注。而八十年代后國外自行車產業的飛速發展,以及國內同行停滯不前,使得國產自行車水平漸漸與國際水平脫節,國內許多廠商面臨巨大的生存壓力。如何提高自行車的技術和質量,發展自行車產品的個性化,是國內自行車產業的當務之急。

 

參考文獻:

 

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