万物运行的奥秘结课论文——自行车设计的发展.doc

自行车设计的发展江哲宇，3140103425浙江大学电子信息工程专业摘要：自行车是一种基本的出行交通工具。虽然在当今社会，有更多可选择的新型交通工具可供人选择，但在提倡低碳生活的今天，自行车作为绿色交通工具更被人们所青睐，并成为人们生活中不可分割的一部分。本文对自行车的发展演变历程，设计风潮以及自行车的人机工程学进行分析，并提出了自行车更量轻化，功能更多样化，材料更高科技化和设计更潮流化等设计方向发展。 对自行车历史和演变进行全面阐释，对过去自行车的发展历史进行概括，并在功能上对自行车的发展进行展望和总结，使得自行车能更好的为人类服务。关键词：自行车 设计 发展；中图法分类号：U484 文献标识码：AThe Development of Bicycles DesignJiang Zheyu, Student No.3140103425Dept. of Engineering Course, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang, ChinaAbstract: Bicycle is one of the basic means of transport. Although in todays society, there is more alternative mode of transportation for people to choose, but in promoting low carbon living today, a bike as a green transport was favored by more and become an integral part of peoples lives. Therefore, the design of bicycles should be even more people-oriented, making the bike more functional, practical and entertaining, while consumer groups to meet different individual requirements，in order to make bikes serve people more attentively. Key words: Bikes Design Development;1 前言自行车是人们日常生活中关系最密切的交通工具之一。自行车的发明及使用到现在已有两百年的历史，这两百年间人类在不断的尝试与研发过程中，将玩具式的木马车转换到今日各式新颖休闲运动自行车，自行车发展的目的也从最早的娱乐用途变为交通代步及休闲运动用途。自行车在 20 世纪初至少 20 世纪中期，是人们的主要出行交通工具，随着社会现代化进程的发展，摩托车，小轿车等各式新型交通工具逐步进入了人们的生活，逐渐代替了自行车。 然而随着汽车数量的不断增加，马路上常常被挤得水泄不通。引擎声、喇叭声让人得不到片刻安宁。更为可怕的是，汽车排放出的有害气体正逐渐的地毁坏着人类生存的环境。相比较而言，自行车无污染、无噪声、占地少、价格低廉，有利于身体健康.而哥本哈根世界气候大会的召开，更是提出了低碳生活，这促使自行车以公共的形式回归成了必然的趋势。因此，自行车设计，一方面要满足消费者的需求，使自行车具有功能性，人性化，另一方面要符合当前社会科技发展的要求，具有时代性。2 自行车的组成大部分的自行车都由以下零件所构成：自行车体部分：包括前叉（前叉避震）、车架，前叉碗组，车把，鞍座等，为自行车的主体。 自行车的传动部分：包括了链条，曲柄，飞轮，大齿盘，转动中轴，由人驱动脚踏，通过以上零件，驱动自行车的前行。 转动部分：包括轮胎，车圈，内胎，辐条，花鼓灯。 警示装置：包括车闸刹车、摩电灯、车玲、反光片等。 附件：如菜篮，后货架，打气筒，备用内胎等，同时许多高档变速车还配有变速器和控制器等。 3 自行车的发展历程概述3. 1 自行车的发展史古时候，如果要离开住处，不论路程远近，都只能靠双脚步行。相传公元前 500 多年年的春秋战国时代，我们的祖先已经创造初独轮车。到了三国时期，诸葛亮发明的“木牛流马”，是最早的自行车雏形。见图 1。据史书记载，清朝康熙年间，有一位庄氏制造出“双轮小车一辆，长三尺余。”可以说，我们的祖先在很早在自行车的发明上，显示出了自己的聪明才智。图 1 木马国外有的学者认为，意大利文艺复兴时代的大艺术家，科学家达芬奇为自行车发明的鼻祖。依据是人们在 1965 年发现了他的一份手稿，其背后有一幅自行车的草图。如图2图 2 达芬奇手稿 1861 年，世界上第一辆批量生产的自行车诞生了，由四轮马车小型的车厢体，和三轮脚踏车的设计者法国的米肖父子生产，他们提出在下车时，坡道会让双脚不舒服，因此他们就有改良前轮踏板的想法。早期的自行车属于人类创造的初期，没有人机工程学，设计理论的辅导和支撑。主要以功能为主的设计。但是早期的自行车设计已经逐渐出现了雏形。3. 2 近代自行车的发展 19 世纪下半叶起，随着欧洲工业大继续发展，各种新型材料和新工艺的出现推动了自行车的发展。并且在使用中发现了许多的规律。 1869 年，英国人雷特首先采用以辐条拉紧轮辋，并在轮辋上装上实心橡胶轮胎，同时还采用了钢管制成的车架，使自行车的重量大的减轻。早期自行车的特点是前轮大，后轮小。因为人们发现，前轮直径越大，其速度和骑行效率就越显著。不过自由的自行车很容易因前倾而发生摔倒事故的，并且，要坐上鞍座也相当的困难。如图3 图 3 图 41874 年，真正具有现代形态感的自行车诞生了。英国人罗松别出心裁地在他设计的自行车上，安装了链条和链轮，采用后轮作为原动力驱动前轮。但是，其稳定性依旧不好。但是它为今后的安全自行车的问世奠定了设计的基础，如图41885 年，英国人 john Kemp 发明了“安全”自行车，并且于 1888 年展出了他的图纸。安全自行车被评价为现代自行车的鼻祖（safely bicycle is considered to be the mother of the modern bicycle designed and built in 1885 by john）.安全自行车的设计亮点是把自行车换成了大小一致的轮子，这样平衡性就大大的改善了，并且使用了滚轮轴承，并且将钢管组成菱形车架。由于采用了链条传动，因此人们今后对自行车传动比的研究。并且该自行车满足了人们出行方便，安全的需要. 图 5 是 1888 年 john Kemp 使用安全自行车。图 51893 年，爱尔兰兽医邓吕普又发明了充气轮胎，显著的提高了自行车的性能。此后，又有人发明了在菱形的车架上装上立管，使车架的强度和刚度都得到了提高。1895 年，安全自行车经过改良后，正式投入大批量生产，生产的公司是伦敦的玛丽特公司（Marriot& cooper of London）如图 6 图 6 安全自行车除生产男款自行车以外，还有专门为女士设计的自行车。在 1887 年左右，英国为女士设计出一款专用的自行车，除了车驾采用了非横条式的车架以方便女士穿裙上下车的设计外，其余大部分设计于改良后的安全自行车类似。虽然最初起源于英国，但后来逐渐在荷兰，法国和德国等地流行起来，逐步奠定了欧洲女士车的设计外型。直到现在，欧洲女士自行车都还能看到当年早起自行车设计的雏形。如图 7 为早起女士自行车的海报。到了 19 世界末期，自行车经过欧洲工业技术发展以及不断改良，其外型结构以基本完备。虽然这个时期里，对自行车的美观以及人机工程学没有进一步深入研究，但是已经对未来自行车的发展提供了有力的发展基础，并且使人们认识到了其重要性 可以说从各方面完善自行车的发展逐步在进行，外型和配备功能也逐渐接近现代自行车。设计者从自行车的速度，避震，舒适度，装运开始思考，逐渐产生了链条带动齿轮的传动比，避震弹簧，充气轮胎，以及货架，并且采用菱形车架使得自行车更坚固简单，使用大小一致轮子使得自行车行驶更平稳安全，成为今后日益普遍的交通工具。图 7 女式自行车3. 3 现代自行车的发展 人类从木质材制造出第一辆自行车发展到基本定型的近代自行车，用了近100 年的时间。后来人们又花了整整一百年的时间对自行车进行不断的改造，充实，完善和创新。20 世纪之前的自行车只是简单的对车身简单的改造，传动，完善基本功能等方面来达到使用的目的。例如，在自行车上装上变速装置，使人们在骑行使可以根据路面条件的不同而选择不同的速度。200 多年来，自行车无论在结构造型，用材和用途方面都发生了巨大的变化。然而，“自行车靠两个轮子转动，用脚力蹬踏作动力的”的基本特征却一直保持至今。随着科技的不断发展和新材料，与工艺的不断出现，自行车也在发展变化着，大体上自行车变化将从以下几个方便改进。结构造型上发生显著变化：出现了菱形车架，U 形车架，整体塑料车架，双管环形车架。菱形车架又出现了后叉和上管相接的加强式，上梁下移等多种形式，使车架结构紧凑，新颖， 强度高：1. 自行车材质发生重大突破：改变了过去只用钢材的局面，车架用塑料，碳纤维，铝合金等。泥板，连盖用不锈钢，塑料制成。中轴部件链轮，链条也用塑料制品等。2. 花色由单一向多色发展：车架出现彩斑，彩色或两色过度等，色调明快，色彩变化无穷。同一色彩分为有光，无光两大类。商标，标牌也采用涤纶贴花使车身变得五光十色。品种更加丰富：有了不同总类的变速车，又出现了各种不同样式的山地车。例如，意大利研制成功一种轻巧的海上脚踏自行车。这种车的后部有螺推进器，车上装有一个速度控制手柄，座位下设有长 330 厘米，宽 70 厘米的水面甲板，克载重 220 公斤，可在在海面上行进。3.由人力汽车开始发展助力型发展：近些年来先后推出了内燃助动自行车。车上的发动机助动力输出与车后轮摩擦方式传递，控制操纵器安在把上克随时转换助力大小。电动助动车，在车上装有电机，电源由蓄电池供电。4.运动车的骑行速度越快，骑行方式也由直坐式变成仰坐式，有些还模仿汽车的做法，设计出具备有流线型外壳。5.自行车由整体式发展为折叠式，便于携带。瑞典微型自行车公司生产一种轻便折叠自行车，车身厂 0.83 米，重 8.5 公斤，用一只手可以提起来，车身有六个“关节”。10 秒钟内可以叠或打开，可带乘坐公共汽车。1960 年 Alex moulton 博士用简单的线条和新型材料构造了一款小型自行车 moulton bicycle，之后，它在伦敦的 Earls Court show初次亮相受到大回响。初期是在自己的公司内制造、组装、之后是由 BMC 集团制造之后有10万台以上的 Moulton 型自行车被制造、在全世界中输出。 Moulton 自行车首次运用了小轮径轮子在城市车上，改变了人们的观念，提出了，短途，快捷方便的设计理念，它所使用的前后齿轮大小半径差别不大，骑行起来会比较舒适。图 8 Moulton Bicycle如图 8 ，1970 年诞生于美国西岸的旧金山。当时,一群热衷于骑沙滩自行车在山坡上玩乐的年轻人，突发奇想：“要是能骑着自行车从山上飞驰而下，一定非常有趣了。”于是便开始越野自行车的设计制，正式命名为山地车则是在两年后的事。从此，“速降竞技”作为体育比赛中的一个新项目崭露头脚，运动员骑山地车沿着规定的下坡线路高速滑降，速度快者为胜，吸引了众多的爱好者。自行车虽然始于欧洲，但美国人发明的山地车却一扫传统的自行车概念，将一股新风吹遍全球 经过 100 年的演变和改进和发展，自行车的设计无论从人机工程，色彩，造型等方面都有了很大的改进，自行车设计开始朝简洁，轻盈，美观，多样化，个性化和人性化的方向发展。 3. 4 现代自行车的功能发展和存在理由车辆的主要功能是交通和运输，包括货运以及客运。但是自行车在车辆的发展历史上是一个例外，它最早是作为代步工具出现的。早在公共交通车辆出现以前，人们外出主要依靠步行或乘船，行速十分缓慢，要快速只有骑马或者乘坐马车，这种昂贵的消费，不是一般人能做到的。自行车作为代步工具，对它的要求首先是快捷，其次是省力和舒适。现代自行车的功能是在自行要求的基础上发展起来的。 现代自行车的功能仍然以交通为主，并逐步开拓出竞赛竞技（自行车比赛，自行车攀岩，独轮自行车比赛等），运动（自行车越野，自行车旅行）和休闲健身等功能项目。通勤就是把自行车作为代步工具，自行车的这个原始功能仍在现代社会不断完善，并相继发展到城市车，助力车（例如电动自行车），折叠车等专用通勤车。4 自行车的发展趋势目前世界环境倡导无污染交通工具，因此自行车成为绿色交通工具最佳产品，世界各国开始更重视自行车的使用，因此对自行车的设计要求则更高，它和其他产品一样，伴随着科技的进步而发展的，其设计方向更倾向于人性化设计，多元化，形式多样化，高科技化，功能化，轻量化，复古化设计发展。并且，随着新兴材料的开发技术越发成熟，旧的材料加工工艺将会被完善，而新兴材料更会更大面积的运用于自行车设计上，除此之外，各种高科技产品将会有指向性的运用于各种自行车上。 4.1 自行车向多样化，人性化，高科技化路线发展设计者从第一辆自行车设计出来起，考虑到第一个除骑行外的功能是装载随身物品，随后出现了载货架；为了骑行更快速安全，出现了变速齿轮，变速器，避震器；为了骑行更舒适，设计者改变了骑行方式。根据不同使用人群和消费者量身定做的自行车功能设备，逐渐完善人们的生活，而未来自行车的功能化发展则会更多样化。 从单速自行车到三速，五速，发展到现在的二十七速的变速自行车；变速器也由原来的旋钮式发展为转把式，指拨式，定位指拨式；避震器也由原来的单一后下叉避震，发展为双肩前叉避震，鞍管避震等。自行车的发展会朝着科技发展的方向前进，其设计系统会朝导向一体化自行定位，随环境变速，趣味性发展。 4.2概念自行车的发展人们在对日常自行车设计的开发的同时，也对概念自行车的发展很关注。IBDC（international bicycle design competition）由中国台湾地区经济部技术处主办全球自行车设计比赛，是目前概念自行车设计的一个重要比赛，大赛从1995 年举办至今，已经经过了 15 界，有最初的亚洲范围为主的竞赛，成为今天真正意义上的国际大赛。 如图 9 所示，为斯洛伐克设计师“ErikVesely”所设计的概念自行车，他的设计改变了自行车的动力来源-通过小轮与大轮的摩擦来形成概念自行车 MAQUISARDS CONCEPT BIKE 的原动力，并且，取消了手把，改用腰部力量和平衡性来控制车体的方向。 图 9这里值得提出的是，在很多的概念自行车设计中，都会取消自行车车轮的辐条。这样设计的好处是减少风力对辐条的阻力，并且不会发生辐条在车轮转动过程中夹到意外物品的可能。这样的设计则要求新型概念轮胎所以的材料本身的硬度更大，韧性好，不易变形，这也为未来材料的设计运用埋下了伏笔。同时，该概念自行车设计的座椅位置符合人体工程学，乘坐的姿势可以让使用者感觉轻便舒服。 5 结语自行车的发明及使用到现在已有两百年的历史，这两百年间人类在不断的尝试与研发过程中，将玩具式的木马车转换到今日各式新颖休闲运动自行车，自行车发展的目的也从最早的娱乐用途变为交通代步及休闲运动用途。自行车在 20 世纪初至少 20 世纪中期，是人们的主要出行交通工具，随着社会现代化进程的发展，摩托车，小轿车等各式新型交通工具逐步进入了人们的生活，逐渐代替了自行车。 然而随着汽车数量的不断增加，马路上常常被挤得水泄不通。引擎声、喇叭声让人得不到片刻安宁。更为可怕的是，汽车排放出的有害气体正逐渐的地毁坏着人类生存的环境。相比较而言，自行车无污染、无噪声、占地少、价格低廉，有利于身体健康.而哥本哈根世界气候大会的召开，更是提出了低碳生活，这促使自行车以公共的形式回归成了必然的趋势。 因此，自行车设计，一方面要满足消费者的需求，使自行车具有功能性，人性化，另一方面要符合当前社会科技发展的要求，具有时代性。参考文献：1 程宪春，朱志伟，孙淑红.折叠自行车研究J.包装工程，2007，28（8）：162 2 概念自行车设计J. 科技创新导报, 2010,(12)3 那些骑在车上的日子自行车的发明J. 知识就是力量, 2009,(03)4 陈为. 基于自行车造型演变和发展的研究J. 南京理工大学学报, 1998,(05)5 陈黎,巩淼森. 从自行车的形制演变看需求与技术之互动发展J. 江南大学学报(人文社会科学版)