（机械设计及理论专业论文）电动自行车自动检测系统及相关技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ne l e c t r i c b i c y c l e a u t o m a t i c t e s t i n g s y s t e m a n dt h ec o r r e l a t i v e t e c h n o l o g y a b s t r a c t a i m e dt ot h ee l e c t r i cb i c y c l et e s t i n gt e c h n o l o g yi s n ta d a p tt ot h er e q u i r e m e n t s o f v o l u m e - p r o d u c ei nm o d e me n t e r p r i s ew i t ht h ee l e c t r i cb i c y c l ei n d u s t r yg r o w i n g ，a e l e c t r i cb i c y c l ea u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e mi sr e s e a r c h e da n dm a n u f a c t u r e db yu s i n go f t h em o d e m d e s i g nm e t h o d o l o g y a n d t h ec o r r e l a t i v et e c h n o l o g i e sa r er e s e a r c h e d t h e r e s e a r c hw o r kf o c u s e so nt h ef o l l o w i n gf i v em a i ni n v e s t i g a t i o n s ： ( 1 ) ae l e c t r i cb i c y c l ea u t o m a t i ct e s t i n gt e c h n o l o g yi sp r o p o s e di no r d e rt oa v o i d t h es h o r t a g eo ft h er o a d d r i v i n g t e s t i n g f i r s t l y , b ya n a l y z i n g t h em a t h e m a t i cm o d e lo f r o a dr e s i s t a n c e ，d y n a m i c sm o d e l eo fe l e c t r i c b i c y c l e i s f o u n d e d s e c o n d l y , t h e m e a s u r ea n da n a l o gm e t h o d so fr o a dr e s i s t a n c eo fe l e c t r i c b i c y c l ea r e i n t r o d u c e d f i n a l l y , i ti sp r o v e df e a s i b l et os i m u l a t et h er o a d d r i v i n gc o n d i t i o no f e l e c t r i cb i c y c l e o nt h et e s t i n gp l a t f o r m t h ec o l l e c t i v i t yp r o g r a m m i n go fe l e c t r i cb i c y c l ea u t o m a t i c t e s t i n gs y s t e mi sm a k e no u t ，i n c l u d i n gt h es i m u l a t e da p p l i c a t i o ns t r a t e g ya n dm e t h o d o fr o a d - r e s i s t a n c ea n d w h e e l i n gi n e r t i a ，d e s i g np r i n c i p l ea n d e v a l u a t i o ns y s t e m ( 2 ) b a s e do nt h ee x p a t i a t i n go nd e s i g np r o c e s sa n dm a i nc o n t e n to fm e c h a n i c a l p r o d u c t s ，t h e m o d e l so ff u n c t i o n a l r e p r e s e n t a t i o n a n df f m c t i o n a l r e a s o n i n g i n c o n c e p t u a ld e s i g na r e i n t r o d u c e d d e t a i l e d l y t h es y s t e m a t i cd e s i g n m e t h o di s d i s c u s s e di nd e t a i lw i t ht h ef u n c t i o n a ld e s i g no ft h ee l e c t r i cb i c y c l ea u t o m a t i ct e s t i n g s y s t e m ( 3 ) b yr e s e a r c ht h ec o n f o r m a t i o na n dd e s i g nr o l e o fp r i n c i p l es c h e m ed e s i g n c a t a l o g u e s ，c l a m pf u n c t i o nd e s i g nc a t a l o g u ei s r e s e a r c h e db yd e s i g n i n gt h ec l a m p d e v i c eo ft h ee l e c t r i cb i c y c l ea u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e m t h ed e s i g np r o c e s so fc l a m p f i m c t i o n d e s i g nc a t a l o g u e i si n t r o d u c e df r o m c o l l e c t i v i t yp r o g r a m m i n gt o e a c h c o m p o s e dc a t a l o g u e t h er e s e a r c hm a d ea na t t e m p tt ot h ed e s i g na u t o m a t i z a t i o no f c l a m p ( 4 ) t h es c h e m ed e s i g np r o c e s so fm a i ns u b - f u n c t i o n so ft h ee l e c t r i c b i c y c l e a u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e mi si n t r o d u c e d t h ed e s i g ns c h e m e sa r eo p t i m i z e db yf u z z y s y n t h e t i c a le v a l u a t i o nm e t h o d ( 5 ) t h es t r u c t u r eo fe l e c t r i cb i c y c l ea u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e mi si l l u s t r a t e d t h e t e s t i n gr e s u l t sa r ec o r r e c t e di nt h ee l e c t r i cb i c y c l ea u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e m ，v a l i d a t e d 浙江太举硕士学位论文 b y c o n t r a s t e dt e s t i n g k e yw o r d s ： e l e c t r i c b i c y c l e a u t o m a t i c t e s t i n g r o a d - r e s i s t a n c es i m u l a t i o n c o n c e p t u a ld e s i g n s c h e m e d e s i g n d e s i g nc a t a l o g u e c l a m p f u n c t i o nd e s i g nc a t a l o g u e i i l 浙江大学硕士学位论文：电动自行车自动检测系统及相关技术研究 第一章绪论 【摘要】通过分析电动自行车产业的快速发展与其整车检测技术现状之间的矛 盾，阐述了本课题的研究意义。讨论了课题研究的国内外现状，提出了本课题的 研究内容，给出了全文的结构框架。 1 1 课题的提出及意义 1 1 1 电动自行车产业迅猛发展 多年以来，自行车一直是我国大多数居民的主要交通工具。但随着城市规模 与人们日常活动范围的逐渐扩大，骑车就比较辛苦，特别是遇到顶风、爬坡的隋 况下。鉴于目前我国居民的收入隋况，小轿车普遍进入家庭还不太可能，况且从 燃油、环境和停车场地等多方面因素都制约着汽车不可能成为大众化的代步工 具；摩托车曾一度成为许多城市比较普及的交通工具，但由于交通安全和环境保 护等因素的影响( 摩托车尾气已经成为许多城市的重要污染源) ，所以近年来， 许多大中城市都对摩托车采取了限制措施；而电动自行车具有摩托车与自行车的 综合优势：轻便、无污染、低噪音且价格较为低廉等，无疑是解决城镇居民日常 交通的重要发展方向。 电动自行车在7 0 8 0 年代经历了几次大起大落以后，充分运用当今新技术、 新材料，尤其采用集成电路、新型电机、蓄电池等，提高了电动自行车质量，使 其可靠性、安全性、灵活性得到了很大提高， ，2 到9 0 年代初又再度形成热点，顺应了2 1 世纪 钆长 世界环保的潮流( 它又称为绿色代步工具) 。 3 0 近年来国内电动自行车市场正在异军突起、方2 0 兴未艾，销售量持续猛增“”( 如图1 1 所示) 。 11 国外的日本、美国、欧盟，我国的台湾地区对 5 电动自行车的需求更是大幅度增长。大力发展 电动自行车行业，已经成为许多省市的重要目 1 9 9 7 1 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 1 年份 标n “”，。图1 1 电动自行车销量增长图 国内现今主要生产电动自行车的企业有上海市永久、凤凰，南京的天地、天 行，浙江迅鹿、天津富士达等近二百家企业。许多摩托车厂家也都推出了自己的 电动自行车产品，如济南轻骑、重庆建设等。值得一提的是我国台湾省积极发展 电动自行车，以美利达为代表，有奇能、巨马、瑞祥等大公司都在致力开发新型 电动自行车，较著名的有美利达、拉福莱、小精灵、中广、捷安特等品牌。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 电动自行车整车检测手段落后 我国上海市在1 9 9 7 年率先制订了地方标准：电力助动车 d b 3 1 2 0 0 一1 9 9 7 、 电动自行车通用安全技术条件d b 3 3 2 0 4 - - 1 9 9 7 。1 9 9 9 年我国制定了的国家 标准：电动自行车通用技术条件g b l 7 7 6 1 1 9 9 9 ，使电动自行车行业走上了有 序发展与竞争。该标准从车辆正常行驶状态的角度对整车性能试验做了规定。该 试验方法中包括最高车速试验、整车质量测定、脚踏行驶能力试验、续行里程试 验、最大骑行噪音试验、百公里电耗试验、电动机功率试验：制动性能试验等等。 目前我国电动自行车生产企业还在不断增加，产品质量已成为市场竞争的关 键。只有先发现问题，才能设法解决问题，提高产品质量的关键在于检测手段。 目前各生产厂家普遍采用路检方法，即国标中规定的试验方法。该方法主要存在 以下问题： ( 1 ) 由于采用人工逐项检测，续行里程、一次充电最大行程、百公里电耗等 指标的检测费时费力； ( 2 ) 受测试环境和人为因素的影响，检测周期长、精度低、重复性差； ( 3 ) 各项指标的检测在不同环境下或采用不同的装置完成，数据的记录与汇 总工作由人工完成，过于繁杂且车辆性能情况得不到及时反馈； ( 4 ) 对检测车辆本身会造成一定的磨损和污染，检测人员有一定的危险性； ( 5 ) 许多厂家只对最高车速、制动距离、脚踏行驶能力等少数项目进行抽测， 无法对车辆的总体技术状况做出完整评价。 鉴于以上原因，若能研制一种电动自行车自动检测设备，使其具有以下功能： ( 1 ) 完成国家标准中规定的检测项目； ( 2 ) 替代目前的人工检测方式，模拟实际路面行驶检测环境； ( 3 ) 提高检测效率、精度，避免环境与人为因素的干扰； ( 4 ) 对检测数据实时处理，初步进行故障诊断： 则该电动自动车自动检测系统将有利于实现对产品质量的实时监控，满足电 动自行车生产企业的需求，具有很好的现实意义。再者，若能通过该检测设备对 车辆的某些特性( 例如适于山地骑行等) 进行针对性试验，指导电动自行车的设 计开发，则对整个电动自行车技术的发展将起到积极的推动作用。 1 2 电动自行车自动检测技术现状 电动自行车整车性能自动检测系统尚不多见，南京大学物理学系与应用物理 研究所曾研制过整车路试检测系统。”。该系统由条码阅读器、报警装置、调速电 机、凸轮电机、油压负载、电磁制动器等设备以及计算机、控制系统构成。主要 功能有行驶速度测量、过流值测量、路障颠簸试验、爬坡试验等。 主要测试指标检测原理：行驶速度通过霍尔传感器测量；堵车试验由电磁制 动闸对后轮强行制动后测量；爬坡试验利用加载油缸加载实现：路障颠簸试验由 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 调速电机带动凸轮模拟。该系统主要存在以下问题： ( 1 ) 不能完全替代路检，对行驶阻力的模拟程度不够，只有坡阻通过油压负 载来模拟； ( 2 ) 测试指标不够完整，噪声、制动距离等检测指标没有得到反映。 ( 3 ) 操作不方便，加载与电磁制动闸都在平台上方，上下车辆不便。 ( 4 ) 自动化程度不够，操作过程比较繁杂。 1 3 相关技术背景与发展概况 1 3 1 摩托车整车检测技术发展现状 考虑到两轮摩托车与电动自行车有许多相似之处，特别是轻型摩托车的检测 技术可以作为我们设计的参考，下面简要介绍有关摩托车检测技术的发展现状。 目前国内摩托车各生产厂家和技术监督部门对摩托车检测手段多是路检o “， 只能对最高车速、制动距离、加速性能等少数项目进行检测，无法对车辆总体技 术状况做出完整评价，并受环境和人为因素的制约，对车辆有一定程度的磨损和 污染，难度很大。 有少数规模较大的厂家( 嘉陵、建设、轻骑、金城、春兰等) 采用国外进口 的摩托车专用检测系统，如日本的c h - - d y 3 0 k w 、c h - - d y 7 5 k w 、a v l z o e l l n e r 等 摩托车底盘模拟试验台。“。这些设备模拟精度高，逼近速度快，直观性好，可 以直接测取摩托车的驱动力、发动机功率等指标，但其价格昂贵。 国内对摩托车检测设备进行研究的单位也很多，下面简要介绍几家比较有代 表性的设备特点： ( 1 ) 上海交通大学与南京航空航天大学研制的轻型摩托车单转鼓检测系统， 采用机械传动结构、对转速、转矩、电流量等参数采用传感器测量，结合了计算 机测控技术”1 。 ( z ) 武汉工业大学研制的双轮摩托车质量检测台，采用微机与p c 联合控制， 协调检测过程的各个步骤，机械结构包括转鼓传动机构、垂直位置支持机构、后 轮定位机构等1 。 ( 3 ) 天津内燃机所在z d q i 型制动器试验台基础上开发了全车型摩托车检 测线。其主要特点是适应二、三轮摩托车。由两组滚筒构成，这两组滚筒之间由 离合器连接。采用机械模拟与电模拟相结合的方式模拟车轮转动惯量。转速和制 动力由计算机实行闭环控制，具有较高的控制精度和自动化程度。”1 。 ( 4 ) 中国兵器装备集团摩托车技术检测研究所开发的m s t 系列摩托车整车检 测流水线，特点是采用内置风扇模拟滚动阻力和空气阻力。 各设备具体机械结构区别较大，主要检测原理表现在以下几方面： ( 1 ) 对摩托车行驶阻力和转动惯量的模拟方式有机械模拟、电模拟以及两者 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 调速电机带动凸轮模拟。该系统主要存在以下问题： ( 1 ) 不能完全替代路检，对行驶阻力的模拟程度不够，只有坡阻通过油压负 载来模拟； ( 2 ) 测试指标不够完整，噪声、制动距离等检测指标没有得到反映。 ( 3 ) 操作不方便，加载与电磁制动闸都在平台上方，上下车辆不便。 ( 4 ) 自动化程度不够，操作过程比较繁杂。 1 3 相关技术背景与发展概况 1 3 1 摩托车整车检测技术发展现状 考虑到两轮摩托车与电动自行车有许多相似之处，特别是轻型摩托车的检测 技术可以作为我们设计的参考，下面简要介绍有关摩托车检测技术的发展现状。 目前国内摩托车各生产厂家和技术监督部门对摩托车检测手段多是路检o “， 只能对最高车速、制动距离、加速性能等少数项目进行检测，无法对车辆总体技 术状况做出完整评价，并受环境和人为因素的制约，对车辆有一定程度的磨损和 污染，难度很大。 有少数规模较大的厂家( 嘉陵、建设、轻骑、金城、春兰等) 采用国外进口 的摩托车专用检测系统，如日本的c h - - d y 3 0 k w 、c h - - d y 7 5 k w 、a v l z o e l l n e r 等 摩托车底盘模拟试验台。“。这些设备模拟精度高，逼近速度快，直观性好，可 以直接测取摩托车的驱动力、发动机功率等指标，但其价格昂贵。 国内对摩托车检测设备进行研究的单位也很多，下面简要介绍几家比较有代 表性的设备特点： ( 1 ) 上海交通大学与南京航空航天大学研制的轻型摩托车单转鼓检测系统， 采用机械传动结构、对转速、转矩、电流量等参数采用传感器测量，结合了计算 机测控技术”1 。 ( z ) 武汉工业大学研制的双轮摩托车质量检测台，采用微机与p c 联合控制， 协调检测过程的各个步骤，机械结构包括转鼓传动机构、垂直位置支持机构、后 轮定位机构等1 。 ( 3 ) 天津内燃机所在z d q i 型制动器试验台基础上开发了全车型摩托车检 测线。其主要特点是适应二、三轮摩托车。由两组滚筒构成，这两组滚筒之间由 离合器连接。采用机械模拟与电模拟相结合的方式模拟车轮转动惯量。转速和制 动力由计算机实行闭环控制，具有较高的控制精度和自动化程度。”1 。 ( 4 ) 中国兵器装备集团摩托车技术检测研究所开发的m s t 系列摩托车整车检 测流水线，特点是采用内置风扇模拟滚动阻力和空气阻力。 各设备具体机械结构区别较大，主要检测原理表现在以下几方面： ( 1 ) 对摩托车行驶阻力和转动惯量的模拟方式有机械模拟、电模拟以及两者 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 调速电机带动凸轮模拟。该系统主要存在以下问题： ( 1 ) 不能完全替代路检，对行驶阻力的模拟程度不够，只有坡阻通过油压负 载来模拟； ( 2 ) 测试指标不够完整，噪声、制动距离等检测指标没有得到反映。 ( 3 ) 操作不方便，加载与电磁制动闸都在平台上方，上下车辆不便。 ( 4 ) 自动化程度不够，操作过程比较繁杂。 1 3 相关技术背景与发展概况 1 3 1 摩托车整车检测技术发展现状 考虑到两轮摩托车与电动自行车有许多相似之处，特别是轻型摩托车的检测 技术可以作为我们设计的参考，下面简要介绍有关摩托车检测技术的发展现状。 目前国内摩托车各生产厂家和技术监督部门对摩托车检测手段多是路检o “， 只能对最高车速、制动距离、加速性能等少数项目进行检测，无法对车辆总体技 术状况做出完整评价，并受环境和人为因素的制约，对车辆有一定程度的磨损和 污染，难度很大。 有少数规模较大的厂家( 嘉陵、建设、轻骑、金城、春兰等) 采用国外进口 的摩托车专用检测系统，如日本的c h - - d y 3 0 k w 、c h - - d y 7 5 k w 、a v l z o e l l n e r 等 摩托车底盘模拟试验台。“。这些设备模拟精度高，逼近速度快，直观性好，可 以直接测取摩托车的驱动力、发动机功率等指标，但其价格昂贵。 国内对摩托车检测设备进行研究的单位也很多，下面简要介绍几家比较有代 表性的设备特点： ( 1 ) 上海交通大学与南京航空航天大学研制的轻型摩托车单转鼓检测系统， 采用机械传动结构、对转速、转矩、电流量等参数采用传感器测量，结合了计算 机测控技术”1 。 ( z ) 武汉工业大学研制的双轮摩托车质量检测台，采用微机与p c 联合控制， 协调检测过程的各个步骤，机械结构包括转鼓传动机构、垂直位置支持机构、后 轮定位机构等1 。 ( 3 ) 天津内燃机所在z d q i 型制动器试验台基础上开发了全车型摩托车检 测线。其主要特点是适应二、三轮摩托车。由两组滚筒构成，这两组滚筒之间由 离合器连接。采用机械模拟与电模拟相结合的方式模拟车轮转动惯量。转速和制 动力由计算机实行闭环控制，具有较高的控制精度和自动化程度。”1 。 ( 4 ) 中国兵器装备集团摩托车技术检测研究所开发的m s t 系列摩托车整车检 测流水线，特点是采用内置风扇模拟滚动阻力和空气阻力。 各设备具体机械结构区别较大，主要检测原理表现在以下几方面： ( 1 ) 对摩托车行驶阻力和转动惯量的模拟方式有机械模拟、电模拟以及两者 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 相结合等几种方式。例如对转动惯量的模拟：机械模拟方式需要一组惯性轮进行 不同组合。3 ，模拟精度越高需要的轮数越多，结构较复杂且存在模拟级差；电模 拟方式精度较低，电机容量较大，直流调速装置等配套设备功率较大，但结构简 单，控制方便；机械模拟与电模拟相结合方式则吸取两者的优点，但对控制系统 要求较高。 ( 2 ) 摩托车检测台多采用反力式结构1 ，检测方法大体上也与检测汽车。“3 2 1 相同。被检车轮放置在转鼓上，非被检车轮由夹紧装置固定。驱动方式多采用后 轮双滚筒驱动。 1 3 2 设计方法学 二十一世纪是知识经济的时代，经济趋于全球化，世界市场的产品竞争日趋 激烈，世界各国普遍重视新产品的开发，而设计活动是产品开发过程中最重要的 环节之一。产品设计阶段是从根本上保证产品的质量、性能和成本等要素的关键 环节。设计方法学从系统的和全局的观点出发，研究合理的设计进程、有效的设 计方法和设计技术，是产品设计阶段的指导理论，能够极大地提高设计的效率、 增强产品的创新程度、完善产品的性能，并有效地降低成本，从而提高产品的市 场竞争力。产品的激烈竞争和工业界对设计方法学的日益重视，激发了各国学者 和工程设计人员大力开展对设计方法学的理论研究和实际应用。设计方法学萌芽 于1 9 世纪后期，本世纪6 0 年代以来得到了很大发展“1 ”，到g o 年代已基本成 熟。在频繁的国际学术交流下，各国学者在设计方法学的很多方面达成共识。 1 3 2 1 产品设计进程、策略和方法 企业为了生存与发展要不断地发展其产品的核心技术，这些核心技术要 由元件或零部件的形式表现，并在产品系统集成中实现。企业如果能选择适 合于自身的设计过程、策略与方法，并将其运用到新产品开发之中，则将大 大提高企业的竞争力”1 。 ( 1 ) 设计进程 时间( t ) 、质量( q ) 、成本( c ) 、服务( s ) 是企业参与市场竞争的重要 因素“1 ，也是企业选择设计过程时的支配因素。按选择支配因素的不同，设 计过程的侧重点也有所不同，设计过程模型可分为顺序过程模型( s e q u e n t i a l m o d e l ) 、设计为中心的模型( d e s i g nc e n t e r e dm o d e l ) 、并行设计模型 ( c o n c u r r e n td e f i n i t i o r m o d e l ) 和动态过程模型( d y n a m i cm o d e l ) 四类 5 - t , ，各过程模型的主要阶段和各阶段的内容、工作顺序都有所不同。各设 计步骤穿插交错进行。 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 相结合等几种方式。例如对转动惯量的模拟：机械模拟方式需要一组惯性轮进行 不同组合。3 ，模拟精度越高需要的轮数越多，结构较复杂且存在模拟级差；电模 拟方式精度较低，电机容量较大，直流调速装置等配套设备功率较大，但结构简 单，控制方便；机械模拟与电模拟相结合方式则吸取两者的优点，但对控制系统 要求较高。 ( 2 ) 摩托车检测台多采用反力式结构1 ，检测方法大体上也与检测汽车。“3 2 1 相同。被检车轮放置在转鼓上，非被检车轮由夹紧装置固定。驱动方式多采用后 轮双滚筒驱动。 1 3 2 设计方法学 二十一世纪是知识经济的时代，经济趋于全球化，世界市场的产品竞争日趋 激烈，世界各国普遍重视新产品的开发，而设计活动是产品开发过程中最重要的 环节之一。产品设计阶段是从根本上保证产品的质量、性能和成本等要素的关键 环节。设计方法学从系统的和全局的观点出发，研究合理的设计进程、有效的设 计方法和设计技术，是产品设计阶段的指导理论，能够极大地提高设计的效率、 增强产品的创新程度、完善产品的性能，并有效地降低成本，从而提高产品的市 场竞争力。产品的激烈竞争和工业界对设计方法学的日益重视，激发了各国学者 和工程设计人员大力开展对设计方法学的理论研究和实际应用。设计方法学萌芽 于1 9 世纪后期，本世纪6 0 年代以来得到了很大发展“1 ”，到g o 年代已基本成 熟。在频繁的国际学术交流下，各国学者在设计方法学的很多方面达成共识。 1 3 2 1 产品设计进程、策略和方法 企业为了生存与发展要不断地发展其产品的核心技术，这些核心技术要 由元件或零部件的形式表现，并在产品系统集成中实现。企业如果能选择适 合于自身的设计过程、策略与方法，并将其运用到新产品开发之中，则将大 大提高企业的竞争力”1 。 ( 1 ) 设计进程 时间( t ) 、质量( q ) 、成本( c ) 、服务( s ) 是企业参与市场竞争的重要 因素“1 ，也是企业选择设计过程时的支配因素。按选择支配因素的不同，设 计过程的侧重点也有所不同，设计过程模型可分为顺序过程模型( s e q u e n t i a l m o d e l ) 、设计为中心的模型( d e s i g nc e n t e r e dm o d e l ) 、并行设计模型 ( c o n c u r r e n td e f i n i t i o r m o d e l ) 和动态过程模型( d y n a m i cm o d e l ) 四类 5 - t , ，各过程模型的主要阶段和各阶段的内容、工作顺序都有所不同。各设 计步骤穿插交错进行。 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 产品设计是一个复杂的创造性生产过程。对设计过程的描述，国内外有 很多，归纳起来主要有四种：一是p a h l 和b e i t z 的明确设计任务、概念设计、 技术设计和施工设计等四个阶段0 1 ；二是k o l l e r 认为包括产品规划、功能设 计、定型设计和定量设计四个阶段“”；三是f r e n c h 认为包括问题分析、概念 设计、方案具体化和详细设计等四个阶段。”；四是邹慧君教授提出的产品规 划、方案设计、详细设计和改进设计等四个阶段“。可以概括的分成两个阶 段：一是概念设计( c o n c e p t u a ld e s i g n ) ；二是构形设计( c o n f i g u r a t i o n d e s i g n ) 。前者的目的是制定出方案，后者是根据设计方案设计出具体产品模 型。 现代设计方法学一般将设计进程“表述为： 制订产品计划 即通过对当前经济、技术和市场等方面的形势分析，综合考虑企业战略 目标、企业优势、和周围环境，系统地寻求和选择有前途的产品主意并 对其跟踪，最终建立一张初步的要求表。 阐明任务书 即根据对解提出的要求、存在的条件及其重要性，以及设计开发和各个 后继工作步骤的需要，建立出明确的、完整的和详细的要求表。此要求 表为后续设计过程的标准和指南。 方案设计 即在阐明任务书以后，通过抽象化来认识本质问题，建立功能结构，并 通过寻求合适的作用原理再将其组合成作用结构，来确定原理解。 技术设计 即从作用结构或原理解出发，根据产品的技术性和经济性来明确地、完 整地拟订组合结构，也即完成产品的结构设计，确定总体技术设计方案。 施工设计 通过规定所有零件的形状、尺寸和表面质量，确定所有材料，来补充一 个技术产物的组合结构，并通过编制加工、装配和运输规程及使用说明 书完善生产文件，最终确定生产文件交付生产。 ( 2 ) 产品设计策略 设计策略决定概念设计过程，不同的概念设计过程适用于不同类型的产品。 当前的产品设计策略可归纳为两类”1 ： 策略1 ：设计过程要产生多个可能的解，经过分析、比较与评价，确定一个 较好的解，基于该解完成后续的设计内容。 该策略依据“以问题为中心( p r o b l e m f o c u s e d ) ”的设计思想，通过对问 题的抽象，产生一系列可能概念，即多个解，经过评价确定一个解。该策略适用 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 于创新设计、工程设计的理论研究。 策略2 ：设计过程中只产生一个解，经过修改、完善与评价，如果该解是一 个较好的解则进行后续的设计，反之，产生一个新解，直到找到一个较好的解。 该策略的依据是“以产品为中心( p r o d u c t f o c u s e d ) ”的设计思想，即待 设计产品的一个方案是在对已有产品的工作原理进行分析、总结的基础上提出来 的。特别适用于适应性设计及变参数设计。 电动自行车检测系统属于功能创新设计，我们采用第一种策略进行该系统的 方案设计。 ( 3 ) 设计方法 工程设计理论界在总结多年的研究和实际经验的基础上，已产生了多种适用 于不同设计阶段的设计方法。1 ，详见表1 1 。 表1 1 常用的设计方法 、设计过程 产品定义概念设计技术设计详细设计 设计方法、 文献及专利检索 术丰木木丰木木丰丰术 趋势分析 术誊术 市场分析 木出木 需求分析 木术幸 质量功能布置 丰术车丰 丰丰丰丰 木丰 性能规格说明 木木木 规格说明条目 丰枣木 目标树及功能分解 丰章丰 功能结构 丰 木 功能方法树 拳术木 设计目录 丰木丰木冲 木 形态学矩阵 半丰丰 公理设计 术车术 可行性预测 木牛水木丰丰 评价矩阵 半丰丰 性能评价 枣木丰木丰卑 产品生成 丰丰木丰丰卑 价值工程 丰丰丰斗丰幸木丰丰 稳健设计 木木木木冲 可靠性分析 丰木丰术木 快速原型与试验 丰年半 注：术 木首选木十次选木偶尔选择 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 2 2 设计方法学国内外研究现状 机电产品的设计类型可分为三种”“”： ( 1 ) 创新设计：在工作原理、产品结构等完全未知的情况下，按照一个系统的 设计要求，制定一个新的解的原理，并应用成熟的科学技术或经过实验证明是可 行的新技术，设计出过去没有的新型产品。这是一种完全创新的设计。 ( 2 ) 适应性设计：在原理方案基本保持不变的前提下，对产品作局部的变更或 设计一个新部件。使产品在质和量方面能满足使用要求。 ( 3 ) 变型设计：在工作原理方案基本都不变的情况下，变更现有产品的结构配 置和尺寸，使之适应于更多的要求。 随着科学技术的迅速进展，新产品不断涌现，产品的创新已成为增强现代产 品竞争力的焦点。机电产品的设计师己不再仅满足于适应性设计和变型设计，进 行产品的开发性的创新设计已成为他们设计的重点和难点。产品的开发性设计即 创新设计的关键在于原理方案的创新，而这正是设计进程中的原理方案设计也即 寻求原理解的过程的核心任务。 由于科学技术的飞速发展，产品质量进一步提高，产品成本逐步降低，产品 更新周期大幅度缩短，市场竞争更加激烈。为了提高产品在市场上的生存力和竞 争力，以产品创新为最终目标，各国加强了设计理论的研究及其应用实践。 ( 1 ) 德语地区学者的设计方法学理论 瑞士的v h u b k a 以系统理论为基础。1 ，把人的需求及其实现的全过程，看成 是一个系统。他的目的是建立一个普遍可用的、跨专业的有着较强格式的进程模 型，以实现设计的一定程度的自动化。他认为一个系统可以是一级系统，也可以 是多级系统。每一个子系统，都必包含一个技术过程，而该过程又必依赖一个技 术系统来实现。技术系统的工程实现，又必先经过一个设计过程。他的学术思想 是，以系统理论为基础，利用系统分析方法，以人的需求及其实现为根据，从拟 定技术过程、制定功能结构图、利用形态学矩阵获取多种可行技术方案，经评价 决策得到最优方案。 德国的g p a h l 和w b e i t z 研究以系统理论为基础“1 ，利用信息论原理，有 计划地达到设计目标的方法。提出了总功能由功能结构中各子层的分功能逐层组 合而成，这样就便于利用设计目录来求得多个分功能的组合以产生多种可行的方 案解。 德国的r o t h 把设计进程划分为任务阐明阶段、功能阶段和结构设计阶段“”。 他的进程方式的特点是“应用目录设计的算法选择法( a a k ) ”，将设计过程精细地 分解为明确定义的分步骤，并以设计目录的形式准备好解法或解元素，从而求得 更多的解的组合。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 德国的k o l l e r 1 对实现常用功能的物理效应作了系统整理和分析，研制了大 量相应的设计目录，给出了适用范围或选用准则，总结了原理方案变异规律。 g p a h l 、w b e i t z 、r o t h 和k o l l e r 等学者的基础性研究工作推动了设计目 录理论的研究、应用和发展。 德语地区学者强调设计中的系统性和设计进程的程式化研究，对设计进程作 出了详尽的阐述。近年来，他们也开始注重吸收英语学派的创新方法，努力促进 系统化设计与创造性设计的结合“。 ( 2 ) 英语地区学者的创新设计理论 英语地区学者的设计理论的基本思想，最突出的是发挥人的创造性，并为其 发挥创造条件，强调计算机技术、应用数学及跨学科技术在设计中的应用。同时， 他们的设计理论又受n g p a h l 和w b e i t z 的设计思想的影响，以系统理论为基础， 重视对设计过程的建模。“1 。 英国组织成立了设计管理委员会( d m c ) ，指导设计研究的开展，并建立了一 些设计研究中心。主要研究领域包括设计自动化、特征描述、专家系统、功能模 拟、组合优化和创造性工具及原理等方面，非常注重创新设计。 美国设计学方面的代表人物r c j o h n s o n 的设计思想。1 。他提出了设计综合 的方法，以优化为核心，以概念分析及优化数学为基础。强调创新性思维，但并 不否定技术性方法对创造能力的辅助作用，认为设计中的创造性主要体现在将目 标问题分解为多个小问题，并根据物理上的基本原理，抽象化后求出各个小问题 的解，通过组合而得到多解，也即功能分解和功能组合的方法。 当前，他们的研究方向和内容是”、“3 ：( 1 ) 研究设计模型和方法的科学基 础。包括设计进程的计算机表达；生成、组织和具体化设计知识；设计综合以及 冗余综合。( 2 ) 开发和改善设计支撑软件工具。( 3 ) 将设计与经济联系。加强质量 与成本建模，以产品创新来降低产品成本。( 4 ) 研究将人工智能技术尤其是专家 系统技术与工程设计相结合的合理方法。 ( 3 ) 日本学者的通用设计理论 日本学者对设计学研究的特点是，博采众家之长，具有明显的实用性、经济 性及面向市场性，侧重于与计算机技术的结合”1 。 h y o s h i k a w a 认为当前出现的各种设计方法都需要相互补充，提出了通用设 计理论。他认为，设计过程是由功能空间到属性空间的映射过程。其中，功能空 间是对设计要求的描述空间，而属性空间则是对设计方案、参数的描述空间。设 想在设计阶段，通过一定步骤，就可以将功能转化为所需的实体，进而形成实现 方案设计的c a d 系统，并向设计师工作装置系统发展。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 h n a k a z a w a 的观点：以系统理论为基础，提出工程系统设计模型和整体设计 原理。此模型从“确定设计系统功能”，经过“商业调查”、“提出设计方案”、“最 适化”到“确定产品”，强调“功能解析”、“工程系统及其经济性”和“最优化” 等。 ( 4 ) 国内学者的设计方法学研究 为了适应科技及生产发展需要，我国从7 0 年代末期开始开展设计方法学的 研究，至今已多次参加国际工程设计会议( i c e d ) ，举办全国现代设计理论与方 法学发展研讨会。我国学者在分析研究德国设计学成果的基础上，在建立有中国 特色的设计进程模式方面，在推广设计方法学的研究与应用方面都取得了一定的 成果。清华大学、浙江大学和华中理工大学等高校的众多学者在设计方法学的研 究与应用上做了大量卓有成效的工作。浙江大学在柔性优化、广义优化和设计目 录等方面的研究做出了有特色的突破“”1 ，华中理工大学和清华大学在c a d 软 件商品化上做出了有益的贡献。 1 4 本课题研究内容与论文安排 1 4 1 课题研究内容 目前的电动自行车检测技术明显滞后于整个行业的发展，生产企业对此有追 切的需求，但开展这方面研究的单位还很少，本文结合浙江大学机械设计研究所 在产品创新设计领域的优势，利用设计方法学的相关理论对电动自行车自动检测 系统进行了研究。课题主要内容如下： ( 1 ) 电动自行车自动检测系统的总体规划与理论建模； ( 2 ) 以电动自行车自动检测系统为实例，对概念设计相关内容进行研究，包 括功能推理和方案设计； ( 3 ) 以电动自行车自动检测系统夹紧装置的设计为实例，对夹紧功能设计目 录的研制与应用进行研究； ( 4 ) 电动自行车自动检测系统的结构实现与试验验证。 1 4 2 论文结构安排与主要内容 全文共分六章，结构安排如图1 2 所示。 各章主要内容如下： 第一章从介绍电动自行车产业的快速发展入手，分析其整车检测技术现状， 对研制电动白行车自动检测系统相关内容进行研究，提出了本课题的研究内容， 给出全文的结构框架。 第二章通过分析路面行驶阻力，建立电动自行车的动力学模型，并论证在测 试平台上模拟实际路面行驶的可行性。进而确定电动自行车自动检测系统的设计 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 h n a k a z a w a 的观点：以系统理论为基础，提出工程系统设计模型和整体设计 原理。此模型从“确定设计系统功能”，经过“商业调查”、“提出设计方案”、“最 适化”到“确定产品”，强调“功能解析”、“工程系统及其经济性”和“最优化” 等。 ( 4 ) 国内学者的设计方法学研究 为了适应科技及生产发展需要，我国从7 0 年代末期开始开展设计方法学的 研究，至今已多次参加国际工程设计会议( i c e d ) ，举办全国现代设计理论与方 法学发展研讨会。我国学者在分析研究德国设计学成果的基础上，在建立有中国 特色的设计进程模式方面，在推广设计方法学的研究与应用方面都取得了一定的 成果。清华大学、浙江大学和华中理工大学等高校的众多学者在设计方法学的研 究与应用上做了大量卓有成效的工作。浙江大学在柔性优化、广义优化和设计目 录等方面的研究做出了有特色的突破“”1 ，华中理工大学和清华大学在c a d 软 件商品化上做出了有益的贡献。 1 4 本课题研究内容与论文安排 1 4 1 课题研究内容 目前的电动自行车检测技术明显滞后于整个行业的发展，生产企业对此有追 切的需求，但开展这方面研究的单位还很少，本文结合浙江大学机械设计研究所 在产品创新设计领域的优势，利用设计方法学的相关理论对电动自行车自动检测 系统进行了研究。课题主要内容如下： ( 1 ) 电动自行车自动检测系统的总体规划与理论建模； ( 2 ) 以电动自行车自动检测系统为实例，对概念设计相关内容进行研究，包 括功能推理和方案设计； ( 3 ) 以电动自行车自动检测系统夹紧装置的设计为实例，对夹紧功能设计目 录的研制与应用进行研究； ( 4 ) 电动自行车自动检测系统的结构实现与试验验证。 1 4 2 论文结构安排与主要内容 全文共分六章，结构安排如图1 2 所示。 各章主要内容如下： 第一章从介绍电动自行车产业的快速发展入手，分析其整车检测技术现状， 对研制电动白行车自动检测系统相关内容进行研究，提出了本课题的研究内容， 给出全文的结构框架。 第二章通过分析路面行驶阻力，建立电动自行车的动力学模型，并论证在测 试平台上模拟实际路面行驶的可行性。进而确定电动自行车自动检测系统的设计 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 h n a k a z a w a 的观点：以系统理论为基础，提出工程系统设计模型和整体设计 原理。此模型从“确定设计系统功能”，经过“商业调查”、“提出设计方案”、“最 适化”到“确定产品”，强调“功能解析”、“工程系统及其经济性”和“最优化” 等。 ( 4 ) 国内学者的设计方法学研究 为了适应科技及生产发展需要，我国从7 0 年代末期开始开展设计方法学的 研究，至今已多次参加国际工程设计会议( i c e d ) ，举办全国现代设计理论与方 法学发展研讨会。我国学者在分析研究德国设计学成果的基础上，在建立有中国 特色的设计进程模式方面，在推广设计方法学的研究与应用方面都取得了一定的 成果。清华大学、浙江大学和华中理工大学等高校的众多学者在设计方法学的研 究与应用上做了大量卓有成效的工作。浙江大学在柔性优化、广义优化和设计目 录等方面的研究做出了有特色的突破“”1 ，