自行车创新设计研究

自行车创新设计研究目录TOC\o"1-4"\h\u摘要 引言随着经济与技术的高速发展，为人们带来便利的同时也增加了环境、资源与交通各方面的压力。自行车作为一种无污染的出行产品，在人们的日常生活中备受青睐。自18世纪末，由西夫拉克发明的最早的自行车到19世纪初世界上第一批实用型自行车问世至今已有230年历史，中国作为自行车产量大国，至2019年已累计产量超过10亿辆。在超高使用量的背景下人们对自行车性能和舒适度要求不断提高。因此，自行车在创新设计的同时，高性能、高舒适度、高性价比已被越来越多的人所重视。自行车创新设计研究背景及发展现状概述1.1课题研究的背景随着时代的进步，各种技术日益成熟，人们的出行工具也越来越多，上世纪初小汽车的出现对人们的出行方式带来极大的改变。随着资源、环境、交通压力不断增加，社会文明在不断进步的背景下人们的环保意识逐渐增强，低碳、环保、绿色等词不断出现在人们的生活中，自行车又重新得到大众的重视。随着经济的发展，自行车各类产品层出不穷，设计师针对自行车不断进行优化、改进、创新，使自行车的外形和性能不断进步。传统自行车、变速自行车、山地车、折叠自行车、无链条自行车等各种款式层出不穷。各种类型自行车不断问世，五花八门的创新型自行车各具特色，极尽完美，代表着设计师们的智慧结晶，为人们的出行方式添姿加彩。在当今交通拥堵严重、环境污染问题日益突出的背景下，响应低碳生活，绿色出行的口号，自行车成为人们主要的出行工具，也日益突出了自行车的问题所在；传统自行车的链条问题、新时代创新的无链条自行车的造价成本问题，让我们不得不从自行车的结构方面提出创新设计，通过对传统的驱动方式进行优化创新，在低成本的前提下把传统的链条和轮盘驱动方式改变成齿轮传动，从而使其具有最大程度的社会推广价值。1.2发展现状概述目前我国普遍使用的自行车基本上全是有链条自行车,这种自行车在成本,材料,简易程度上赢得普罗大众的欢心。简易的结构也让自行车出现毛病时更加容易解决。传动系统采用轴传动和带传动两种类型的自行车在发达国家有适当的普及,比如说日本和美国。但是在我国国内基本上属于自行车发烧友的收藏钟爱。毕竟高昂的价格和不便修理的情况制约着这两种自行车的流行程度。虽然链条和轮盘传动的自行车已经有极尽完美的推广普及度,但是仍有许多设计者发挥着自己的聪明才智,设计出五花八门的创新型自行车。在提供实用价值的同时满足了人们的好奇心和锻炼了设计者敢于创新的精神。近年来,自行车创新以人机工程学为出发点,主要集中在生物力学特性的研究方面对骑行中的自行车做了受力分析,指出骑行开始时蹬踏力可达到人体体重的三倍。国外研究人员HILL等研究了骑行生物力学,用五杆平面机构模拟具有圆链轮驱动的脚蹬自行车系统,探讨了脚蹬力和脚蹬速率如何影响骑行过程以及较链力矩节奏的关系。国内研究人员邓国光从力学角度较为详细地研究了自行车运动员的蹬踏方式,并用微机控制闭环系统一自行车运动训练测试台得出的数据,研究出曲柄旋转角与蹬踏角的关系。在传动方面,非圆链轮传动以其在大中心距传动和绕性传动上比变速齿轮传动更具独到特性而运用于自行车上。国内外自行车大赛上常能欣赏到以带传动、圆锥齿轮传动、轴传动、棘轮棘爪传动、无链传动等多种传动形式设计的新型自行车。在材料方面,碳纤维、复合材料、镁合金、铝合金等新型材料因其优良的材料特性而被有效地运用到自行车特别是赛车上。开发生产碳纤维自行车和镁铝合金自行车是当今自行车工业领域致力研究的课题。国内外各种企业机构都在研发新型自行车,以满足人们对自行车高性能、工艺简易、行驶安全、运行快速的需求。如果能够开发出这样的新型自行车,还是很有市场前景的。自行车的用户调研分析调研过程说明2.1.1调研目的在解决经济发展带来的环境、交通压力的背景下，以使用自行车为出行工具的绿色出行方式为代表积极响应“低碳生活，绿色出行”的号召。尽管这种出行方式有效的缓解了交通压力，但自行车本身仍存在一些问题。研究的主要内容是针对三大类自行车的使用者进行网上问卷调研，从自行车的价格、性能、材料等方面进行比较研究。研究的主要目的有：（1）充分了解用户对目前市场上已有的自行车产品的关注因素。（2）通过问卷形式了解用户对本次提出的目前市场上已有的产品所存在问题的态度。（3）通过此次用户调研更好了解大众需求，为更好的交通出行产品献出自己的绵薄之力。2.1.2调研对象调研对象中学生、大学生、上班族。2.2线上用户调研线上用户调研的目的是为了快速获取调研的相关资料，为进一步的设计研究提供可参考的对象，从而提出切实可行的解决方案。作为分析自行车存在的问题点，进行合理设计的依据。2.3调研结果与分析大部分的用户对于自行车的关注因素大概为：自行车的外观、舒适度、质量、功能、价格等。通过问卷情况整理发现，问卷回收中学生回收的比例较高，其中女生比例偏高；问卷调查显示，在使用自行车过程中64.5%的用户表示遇到过自行车掉链的情况，有72%的用户表示他们不会修理自己的自行车链条，同时，消费者在对自行车购买时主要考虑的是自行车的性能方面，占同类比较中50%，其次外观占28.3%，价格占18.3%，主要目的是代步，且易于接受的价位在300-500之间。对于自行车的款式，42%的人偏向于轻便型，22.2%的用户偏向折叠和山地车类型。通过对以上信息整理发现，自行车的消费人群在购买自行车的时候主要目的用来代步和载人或物，这一部分人群为没有独立的经济消费能力或者是经济消费的能力不高。同时，主要的消费群体为学生，他们对于自行车的性能要求比较高，而在学生群体里，女生占比偏高，在这部分消费群体里，她们比较还更看重自行车的外观，并且有大部分的人不会修理自行车链条。在市场初步的目标人群定位中，主要用户为在校大学生，根据前期目标观察发现大学生的消费水平高于其他人群，并且对于自行车的使用频率比较高。自行车的市场调研及同类产品分析3.1自行车的市场调研目前市场概况伴随城市化不断进步，我国的小汽车保有量一直呈现着逐年上升的趋势，城市的交通拥堵越来越严重，为了节能环保，保护自己的安全，增强自己的健康体魄，很大一部分人选择自行车作为自己的出行方式，因此自行车市场在我国的市场前景仍属可观，截至2019年11月我国自行车社会保有量已近4亿辆，自行车行业持续保持健康向好和高质量发展的态势。3.1.2市场上自行车知名品牌排名1、捷安特（中国驰名商标，中国名牌，一线品牌/牌子，十大自行车品牌）2、美利达（十大自行车品牌，于1972年台湾，台湾自行车第一品牌）3、永久（中国驰名商标，中国名牌，一线品牌/牌子，十大自行车品牌）4、凤凰（中国驰名商标，中国名牌，一线品牌/牌子，十大自行车品牌）5、阿米尼（十大自行车品牌，中华自行车集团出品，大型企业）6、宝马（十大自行车品牌，世界品牌，知名品牌)7、邦德.富士达（中国驰名商标，中国名牌，一线品牌/牌子，十大自行车品牌）8、TREK崔克（十大自行车品牌，于1976年美国，世界品牌）9、飞鸽（中国名牌，一线品牌/牌子，十大自行车品牌）10、捷马（中国驰名商标，十大自行车品牌，知名品牌）3.1.3市场上已有的自行车种类目前市场上已有的自行车种类如下：山地车、公路车、城市车、沙滩车、小轮车等。第一类——普通单车：特点：舒适度较高，长时间骑行不易疲劳，但骑行姿势不易加速，很难达到高速。（如图1）图1普通单车第二类——山地车：特点：车身轻盈，轮毂宽，适应在复杂、山区地形，带有前避震或是前后避震，一般车架材质为碳钎维或是铝合金。（如图2）图2山地车第三类——公路车：特点：超轻车身，公路比赛用车大多是它，速度快，风阻小，车架的材质一般都是碳钎维材质。（如图3）图3公路车第四类——城市车：特点：车身轻盈，速度快，骑行比较舒适，大部分车的座垫杆带有避震，一般使用铝合金材质做车架。（如图4）图4城市车第五类——沙滩车：特点：沙滩车车身较重，骑行很舒适，适合在海滩边骑行使用。（如图5）图5沙滩车第六类——小轮车：特点：车身结实并且比较重，一般适用于特技表演、极限运动表演、小轮车比赛使用，大多数材质为铁。（如图6）图6小轮车第七类——儿童单车：特点：儿童单车还配有保护轮（平衡轮），它能使骑车者保持平衡。（如图7）图7儿童单车第八类——多人单车：特点：有两人以上合作使用，第一位掌控方向。一般在旅游景点供情侣游客、家庭成员、朋友游玩使用。（如图8）图8多人单车第九类——轴传动单车：特点：摒弃传统链条，杜绝断链、掉链等链条问题，干净无油污，安全平稳，价格偏高。（如图9）图9轴传动单车3.2同类产品3.2.1自行车同类产品调研1、佳德兴——远征军一号（如图10）图10远征军一号产品参数产品名称：远征军一号颜色：黑色、红色产品尺寸：26*17寸系列：旅行车产品配置表车体部分：【立管】TDJDC铝合金旅行专用立管【碗组】NECOH176∮44M【车把手】带海绵铝合金铝合金蝴蝶把【车座】KS9040G加厚旅行车座垫【货架】AAyJ-030铝合金加厚货架【刹把】VL428DG铝合金刹把【车架】TDJDC佳德兴高强度6061铝合金车架【前叉】信隆141带V刹座28.6*30*191L【座管】TDJDC铝合金座垫车组部分：【车圈】HJCDA—250铝合金【前花鼓】SJ-M808FDQ【轮胎】建大K19726*1.95【前碟刹】信隆DB-680双动碟器【后碟刹】SHIMANO罗拉式BR-C6000-R变速部分：【传动轴】佳德兴高精密传动轴【变速器】SHIMANO7速可视档位变速器【后花鼓】SHIMANO内7速碟刹花鼓SG-C3000-7R佳德兴——RS200(如图11）图11佳德兴RS200产品配置表车体部分：【车架】TDJDC700C不锈钢车架【前叉】高强度铝合金6061前叉【座管】TDJDC铝合金轻座管【碗组】NECOH145培林式车头组件【线管】SP4.0BK前/700*840mm附铝尾套后/1500*1670mm附铝尾套【车把手】TDJDC铝合金轻把手【坐垫】TDJDC黑色仿真皮座垫车组部分：【刀圈】HJCDA-280700C*2314G*32H【刹把】章新VL212DG【外胎】KENDAK176700C*28【辐条】270/272mm14G【花鼓】SJ-RA801F规格14G*32H*100【后刹车夹器】章新AS2.4D变速部分：【传动轴】TDJDC高精密传动轴【后花鼓】SHIMANO内三速SG-3R40变速花鼓【变速器】SHIMANO内三速SL-3S35转把变速器佳德兴——领域400（如图12）图12领域400产品配置表车体部分：【车架】TDJDC26*17.5铝合金车架【碗组】NECO隐藏式H145碗组【前叉】信隆铝肩油压可锁死前叉【座管】TDJDC铝合金轻座管【线管】SP4.0BK前/700*840mm附铝尾套后/1500*1670mm附铝尾套【车把手】TDJDC铝合金轻把手【坐垫】TDJDC黑色仿真皮座垫车组部分：【刀圈】HJCDA-1826.1.5514G*32H不磨边【外胎】正新C174726*2.10【辐条】14G*259/260*326X【花鼓】SJ-M808FDQ32H*14G*100MM刹车系统：【前碟刹】信蝶HB-100机械线拉油碟【前碟片】信蝶Type-S带六孔碟片【后碟刹】SHIMANO罗拉式DBRIM31RFE带散热片变速部分：【传动轴】TDJDC高精密3速传动轴【后花鼓】SHIMANO内三速SG-3R40变速花鼓【变速器】SHIMANO内三速SL-3S35转把变速器日本丸石——HNA2733(如图13）图13丸石HNA2733产品配置表【车架】轴传动铝合金车架【操控系统】不锈钢车把/把力【闸把】铝合金闸把【变速系统】SHIMANO内三速【轮胎】MARUISHICST车胎【车首灯】日本三洋LED感应大灯【车尾灯】太阳能猫眼感应尾灯【车锁】MARUISHI前后车锁【刹车系统】SHIMANO罗拉闸【传动系统】MARUISHI新型传动轴【后花鼓】SHIMANO内7速碟刹花鼓SG-C3000-7R【车圈】不锈钢车圈日本丸石——CMA2033(如图14）图14丸石CMA产品参数产品材质：铝合金轴传动专用车架产品尺寸：20寸颜色：亚黑、消光合金红、珍珠白产品重量：16.6KG产品配置表【车架】铝合金传动专用车架【操控系统】铝合金车把、不锈钢把力【车圈】铝合金双层刀圈【轮胎】INNOHUA色彩轮胎【把套】OGK把套【车首灯】三洋LED自动灯【刹车系统】SHIMANO罗拉闸【传动系统】MARUISHI专利新型传动轴【变速系统】SHIMANO内三速【车筐】不锈钢车筐卡帕奇——玲珑马1872（如图15）图15玲珑马1872产品参数产品名称：玲珑马1872颜色：黑色、红色产品配置表【车架】特制不锈钢异型车架【前叉】复古式仿减震前叉【立管】铝合金分体车把立管【车把手】铝合金高强度把手【脚踏】复古型铁制脚踏【轮胎】台湾建大内外胎【花鼓】铝合金轴承式前后花鼓【碟刹】后置高档碟刹装置【驱动】无链条前轮轴心驱动【前轮】27*13/8寸3.2.1.1同类产品总结分析（如表1）表1：自行车同类产品总结产品型号市场报价产品特点佳德兴-远征军一号6599RMB一体式轴承碗组，干净无油污，轻量灵活，顺畅省力，200M铝肩避震，前叉可以根据不同的路型切换不同状态。佳德兴-RS2003680RMB采用行星齿轮轴内部变速，变速高，顺畅稳定，轮胎摩擦力大，抓地力强，产品外在轻盈内在承受力强。佳德兴-领域4004380RMB轮胎轻软，骑行弹性好，防滑、耐磨，具有绝佳操控性传动轴，高密封性，不用维护，外观流畅，撞击影响小。日本丸石-HNA27333880RMB轻便、平稳、省力。上桥、上坡、逆风减少体能消耗，方便行驶，适应多种路况。车把转向锁死设计，固定车把，防止框内物品散落，应对各种突发情况。日本丸石-CMA20333589RMB左右一个整体传动轴配件与车架连接，骑行稳定性强，使用寿命更长久，长时间骑行产品不会变形。卡帕奇-玲珑马18722980RMB复古式特殊设计构造，造型独特，无链条，前轮轴心驱动。3.2.1.2同类概念产品调研1、NuBike图16NuBike摒弃了传统的传动方式，借助杠杆原理和重力机械优势，骑行者只要上下踩动踏板就能在骑行过程产生持续不断的动力。并且，该产品行驶过程不做圆周运动，有效的减少在使用过程中对臀部、膝盖和脚踝产生的伤害(如图16）。Driven图17Driven除了没有链条，设计者一并把变速器和滑轮舍弃了，消除了传统结构中8个滑动摩擦点，让功率损失减少，使自行车使用的时候速度更加快速(如图17）。自行车创新设计研究4.1.自行车创新设计的概念阶段在进行自行车创新设计过程中，其关键是在保证产品性能、舒适性、安全性的前提下对自行车传动系统进行创新设计。该设计采用齿轮传动，骑行者腿部只作垂直踩踏即可驱动。垂直踩踏板不在圆周运动中踩踏，可以减少臀部、膝盖和脚踝因过度受力所引起的弯曲产生的伤害，从而降低骑自行车对腿部的伤害。此外，为了更好的完成本次设计，需要以人机工程学和行为特征以及现有的技术作为设计参考。4.1.1市场已有的自行车产品目前市场已有的产品：链条自行车、轴传动自行车（如图18、19）所示。图18链条自行车图19轴传动自行车4.1.2目前市场产品所存在的不足现在市场存在的无链条自行车比较少，且传动方式都是轴传动，虽然解决了传统的自行车链条问题，但造价成本高导致市场报价高，不适合大众推广使用。而使用比较多的传统链条自行车，在使用时又容易存在脱链、断链、油污等问题，在骑行过程中会因为链条问题带来危险。同类的概念产品也因为造价问题而不能量产。这些问题让我们不得不从自行车的结构方面提出创新设计，通过对传统的驱动方式进行优化创新，在低成本的前提下把传统的链条和轮盘驱动方式改变成齿轮传动，从而使其具有最大程度的社会推广价值。4.2自行车人机分析人体尺寸是工业设计中确定自行车使用尺寸的重要依据之一。而在自行车设计过程中除了需要考虑整体车架尺寸设计外，还需要考虑人与车之间的人机关系，以及不同年龄和不同身高尺寸的用户与自行车的各部件之间的关系。主要技术参数有车把轴线与地面的夹角、前轮与后轮中心距、飞轮轴与后轮轴中心距、轮轴中心与地面距离、鞍座与车把距离等。当这些技术参数都设计合理，才能确保自行车产品的安全性和操纵稳定性。表1与表2为（GB10000-88《中国成年人人体尺寸》）中国承认的男女人体主要尺寸与中国承认的男女人体功能尺寸。表2中国承认的男女人体主要尺寸性别男（18-60岁）女（18-55岁）白分位数/％510509095510509095身髙/mm1583160416781754175514841503157016401659上臂长/mm28929431333338262267284303308前臂长/mm216220237253258193198213229234大腿长/mm428436465496505402410438467476小腿长/mm338334369396403313319344370375立姿会阴高/mm728741790840856673686732779792坐姿肩高/mm557566598631641518526556585594表3中国承认的男女人体功能尺寸性别男（18-6岁）女（18-55岁）百分位数/%5509555095坐姿上肢前伸长/mm777834892712764818坐姿上肢功能前伸长/mm673730789607657707如图20为人的自行车骑乘图，可以作为自行车设计过程中的参考依据。图20人的自行车骑乘图自行车与人体有密切接触，靠人力驱动，因此，人机工程学在自行车设计内应用，不仅仅是对自行车整体进行设计，同时还需要将自行车与用户之间的磨合程度考虑在内，这就需要将自行车前后部分都包含在内。并且将人-车作为一个整体来考虑，建立人-车系统模型。人一车系统中的人一车界面关系可由图21进行分析。图21人一车系统中的人一车界面关系对人性化设计在自行车设计中应用分析，利用人机工程学及人性化设计等有关概念作为基础理论，按照自行车发展流程，对自行车设计内所包含的人性化设计进行分析研究。因为人要完成控制和驱动的作用，所以在自行车设计中应该充分考虑到人自身的特点，这不仅仅包括人的结构尺寸，更要包括人的一些生理特点。如操作空间应与人体外形测量尺寸相适应，操作机构应与人的形体和最佳用力范围相适应，各部件应适合人的视觉、听觉和触觉的常规要求等。4.3自行车创新设计的方案阶段4.3.1设计思路从对市场现有产品的调查研究到对现有概念产品的分析和归纳，对其进行优点提取和摒弃不足进行优化创新，从儿童玩具手压风扇中获得传动系统的设计灵感。现在普遍使用的自行车几乎都是有链条自行车，这导致行驶过程中有很多安全隐患。有链条自行车在行驶过程中途脱链、断链、夹裤脚这些问题不仅会给我们带来一些麻烦，严重的还会带来危险。因此针对自行车的传动系统进行优化创新，从手压风扇中获得灵感，摒弃传统的链条轮盘传动系统，采用齿轮传动的全新传动系统，并与齿轮拨片、弹簧相结合，使驱动踏板作上下踩踏运动，减少臀部、膝盖和脚踝因过度受力所引起的弯曲而产生的伤害，从而降低骑自行车对腿部的伤害。4.3.2自行车传动系统的灵感来源图22通过不同尺寸的齿轮进行传动，一方面可以提高自行车的行驶速度，另一方面可以解决传统自行车链条、轮盘传动系统所带来的问题，并且造价成本低于轴传动的无链条自行车，在保证价廉的同时达到物美（如图22）。4.3.3草图设计阶段经过多次推演迭代，结合人机工程学和美学的理论知识，综合考虑自行车的安全性、舒适性与价格，采用活动的车架，一方面在座垫部分可以起到避震作用，另一方面在运输上减少成本。动力方面采用齿轮传动，利用齿轮的不同尺寸来提升行车速度，并且解决传统的轮盘和链条所存在的问题。（如图23）4.3.4计算机辅助建模阶段如图24在计算机辅助建模阶段，不断与导师讨论自行车模型的形态结构，以达到最合理的形态，带着让用户既在购买时感觉物美价廉，又在使用时物超所值的目标，并在骑行过程中达到安全、舒适，因此在这个环节中，仔细考虑自行车的每一个细节和尺寸。为了更好的把产品呈现给大众，在计算机建模的时候，充分考虑产品的人机结构，达到产品的结构合理性（如图24）。4.3.5完善建模阶段在制作实物模型的过程中与厂家多番交流以后，不断改进一些细小的问题，并在多轮的改动与调整之后，最终确定了模型的部件制作方案。在这个阶段中，除了一些必要的部件采用3D打印技术之外，为了更好了解自行结构，作者还进行手工制作了部分的自行车零部件，为了更好的展现设计作品，在这个过程中模型也在不断完善（如图25）。4.4自行车创新设计完成阶段4.4.1造型设计整个产品的设计亮点就是驱动系统的创新设计，这也是整个设计的中心点，在骑行的时候不同尺寸的齿轮进行传动，一是改变了传统链条自行车存在的问题，提高自行车骑行安全，二是在驱动基础上提高自行车的行驶速度。改变一体式车架，本次设计车架采用模块化设计，目的在于降低自行车运输成本，并且在舒适度上有一个提升。本次设计自行车的后插是双管结合形式，旨在增加自行车的稳定性。自行车的车架前部采用模块化设计，目的在于增加避震功能，提高自行车行驶过程的舒适性。适应时代的发展，自行车采用碟刹设计，其优点是减少刹车对自行车的损害。色彩分析：自行车车身整体以黑色和红色为主，以银色为辅。黑色给人未知、神秘的感觉，但也容易让人忽略，使用在一般自行车都会使用的部分，如：座垫、车把、脚蹬等；稍微暗沉的红色代表热情的同时又不会让人觉得太过跳脱，又缓和了黑色让人会忽略的感觉，并且带给人一种沉稳的感觉，使用在车架部分，即会提醒人它的存在的同时又能给人沉稳的感觉；神秘的黑色和热情的红色融合，恰到好处的时髦和高雅。细节与螺丝部分采用银色作为点缀与强调（如图26）。4.4.2尺寸设计人机分析：动力接受部件主要是脚蹬和曲柄。动力是靠骑车人的双脚踩在脚蹬上，下肢运动的力使曲柄转动而产生的。然后人的作用力是通过齿轮和踏板传动而带动后轮转动，从而使自行车前行。因此，在设计过程中依照《中国人体尺寸》，参考人的自行车骑乘图和人一车系统中的人一车界面关系来完成自行车的尺寸设计。4.4.3结构设计以用户心理特征为依据。自行车整体造型设计在视觉上较为流畅，稳定，以适应简单、安全、快速的骑行体验。前后轮采用辐条轮毂，使车身整体较为轻盈