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自行車創(chuàng)新設(shè)計(jì)論文
智能自行車的興起,使得人們?cè)桨l(fā)關(guān)注自行車出行,然而,市面上的智能自行車大多為騎行愛(ài)好者設(shè)計(jì)，本文是對(duì)自行車創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究的論文，一起來(lái)看看吧！
摘要：在當(dāng)今迅速發(fā)展的時(shí)代，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新需要更豐富的跨學(xué)科知識(shí)體系，更復(fù)雜的技術(shù)力量支撐，更完善的創(chuàng)新理論基礎(chǔ)。創(chuàng)新技術(shù)能將多種領(lǐng)域的科學(xué)知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，促使設(shè)計(jì)者拓寬思維，打破思維定勢(shì)，獲得突破性的創(chuàng)新知識(shí)，為產(chǎn)品創(chuàng)新提供創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)方案。用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，首先需要清楚人是如何進(jìn)行思維的，這一點(diǎn)尤為重要。思維過(guò)程的模型包括:對(duì)象選例模型、約束聯(lián)想模型、分解綜合模型、抽象逆反模型。而創(chuàng)新與其中兩種思維模型有著密切的關(guān)系，一是抽象和聯(lián)想，一是分解(分析)和綜合。這兩種思維操作，有助于設(shè)計(jì)出相應(yīng)的創(chuàng)新性計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)幫助人進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：自行車 創(chuàng)新 設(shè)計(jì) 系統(tǒng)
創(chuàng)新性計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)是將輔助設(shè)計(jì)與人工智能、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和工業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，運(yùn)用抽象、聯(lián)想、分析、綜合等模型，協(xié)助人研制開(kāi)發(fā)出含有新概念、新形狀、新功能、新技術(shù)的產(chǎn)品。重點(diǎn)研究方向是將信息技術(shù)與新技術(shù)運(yùn)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程中去。
理想的產(chǎn)品創(chuàng)新過(guò)程需要數(shù)據(jù)庫(kù)做有利支撐，除此之外還要求具備不斷搜索新數(shù)據(jù)庫(kù)的能力，及時(shí)將合適的新技術(shù)綜合到產(chǎn)品中去。這要求系統(tǒng)具有分解和綜合產(chǎn)品的能力，通過(guò)分解功能，根據(jù)子功能進(jìn)行聯(lián)想，用相關(guān)技術(shù)進(jìn)行替換;因此，創(chuàng)新過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)不斷地分解與綜合的過(guò)程，在此過(guò)程中充分調(diào)用抽象與聯(lián)想功能尋找各種替換物，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新。潘云鶴院士就特別強(qiáng)調(diào)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展重點(diǎn)在于通過(guò)對(duì)產(chǎn)品概念和功能的分析與綜合，形成一種發(fā)散性思維，通過(guò)聯(lián)想和類比，將適合的新技術(shù)找出來(lái)替代原有技術(shù)的過(guò)程。
現(xiàn)代自行車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)越來(lái)越注重創(chuàng)新，例如色彩的設(shè)計(jì)，新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用以及多功能設(shè)計(jì)。本文以大家都比較熟悉的自行車為對(duì)象，在研究自行車發(fā)展史、結(jié)構(gòu)功能、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、派生形式等多方面資料的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)自行車計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的創(chuàng)新軟件。充分利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)技術(shù)及多媒體仿真技術(shù)，提供多種自行車設(shè)計(jì)方案，準(zhǔn)確而生動(dòng)地模擬出自行車創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程，能夠促使人們積極思考、分析、探索，提高創(chuàng)新能力。同時(shí)對(duì)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期，增強(qiáng)設(shè)計(jì)的直觀性、形象性，以便集中精力用于創(chuàng)造性研究，具有重要意義和應(yīng)用價(jià)值。本論文的宗旨是為大學(xué)生提供一個(gè)以自行車為對(duì)象的輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)仿真教學(xué)軟件，以便他們用此軟件進(jìn)行自行車的方案設(shè)計(jì)，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。
1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1.1創(chuàng)新技術(shù)
(1)計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新技術(shù)
創(chuàng)新理論的研究經(jīng)歷了50年代的分解研究和創(chuàng)立階段，70年代的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)階段，80年代的綜合化、專門(mén)化研究階段。九十年代以來(lái)，以為理論基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新技術(shù)在歐美國(guó)家得到了廣泛研究與應(yīng)用，成為國(guó)外知名企業(yè)在尖端技術(shù)領(lǐng)域中解決技術(shù)難題、實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的有效工具。TRIZ稱為發(fā)明創(chuàng)造方法學(xué)，是將人們思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程科學(xué)化，為問(wèn)題的創(chuàng)造性解決提供正確探索方法的科學(xué)方法。由Invention Machine公司開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新軟件TechOptimizer通過(guò)建立問(wèn)題分析定義、工程學(xué)原理知識(shí)庫(kù)、創(chuàng)新原理、系統(tǒng)改善預(yù)測(cè)等四大模塊，有效地輔助設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)階段提出無(wú)妥協(xié)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，成為企業(yè)提高新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力和經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。
(2)機(jī)械創(chuàng)斷設(shè)計(jì)技術(shù)
隨著人工智能、智能CAD、認(rèn)識(shí)科學(xué)及思維科學(xué)等領(lǐng)域的迅速發(fā)展及自身需要，許多專家與學(xué)者對(duì)各自研究領(lǐng)域的創(chuàng)造性思維、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)等問(wèn)題表現(xiàn)出濃厚的興趣，機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)和新型機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新構(gòu)思已逐步提上議程并日益受到重視。
機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大多是結(jié)構(gòu)方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)極富創(chuàng)造性，是形象思維和抽象思維綜合作用的結(jié)果。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)探索機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)明的機(jī)理、模式及方法，描述創(chuàng)新過(guò)程，將之程序化、定量化、符號(hào)化、算法化。而機(jī)構(gòu)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)過(guò)程不僅涉及大量的理論推導(dǎo)和數(shù)據(jù)計(jì)算，而且需要專家系統(tǒng)和智能工程的支持，完成知識(shí)庫(kù)的設(shè)計(jì)，推理機(jī)及人機(jī)接口的開(kāi)發(fā)。利用運(yùn)動(dòng)仿真，精確反映機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，及時(shí)將參數(shù)改變對(duì)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的影響顯示在屏幕上，為設(shè)計(jì)者正確判斷、選擇方案提供有益的幫助。
美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家首先提倡重視機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并己取得顯著的成果，形成了獨(dú)特的設(shè)計(jì)體系和風(fēng)格。美國(guó)Johnson PC.教授于八十年代初較早從設(shè)計(jì)方法學(xué)的觀點(diǎn)總結(jié)出機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過(guò)程和方法，認(rèn)為必須在結(jié)構(gòu)形式綜合上投入創(chuàng)造性力量以及在材料和尺寸的優(yōu)選上投入大量技術(shù)支持。他運(yùn)用連桿機(jī)構(gòu)分類法、邏輯模塊法、蘊(yùn)含綜合法、線圖法以及人腦智暴法、自行質(zhì)疑法、形態(tài)矩形法、比擬法等創(chuàng)造性思維法進(jìn)行了大量的工業(yè)事例創(chuàng)新設(shè)計(jì)并獲得成功。
國(guó)內(nèi)肖云龍教授結(jié)合大量機(jī)電新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基本特征、設(shè)計(jì)原理與創(chuàng)新方法等做了方法學(xué)上的較系統(tǒng)而通俗的闡述。
目前，機(jī)械方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)支持已取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。國(guó)際上，以發(fā)明創(chuàng)造方法學(xué)為理論基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新技術(shù)目前在歐美國(guó)家有著廣泛的研究與應(yīng)用;智能技術(shù)廣泛應(yīng)用于這一領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)專家已研制出智能化的計(jì)算機(jī)輔助機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，但它主要針對(duì)桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型綜合、擴(kuò)大設(shè)計(jì)空間、優(yōu)化方案選擇。華中理工大學(xué)機(jī)械CAD中心、清華大學(xué)等院校。在產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)方面做了大量的工作，先后實(shí)現(xiàn)多個(gè)方案設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)工具，對(duì)總體方案設(shè)計(jì)思想、知識(shí)表達(dá)、求解策略和控制結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了詳細(xì)的描述。總的來(lái)說(shuō)，目前，對(duì)于機(jī)械創(chuàng)新技術(shù)，雖然進(jìn)行了許多相關(guān)的理論方面的研究或探索，但是在實(shí)用化方面尚有許多工作待做。
1.2自行車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究
自行車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究主要包括以下幾個(gè)方面:生物力學(xué)、結(jié)構(gòu)功能、造型設(shè)計(jì)、傳動(dòng)系統(tǒng)、新型材料、能源驅(qū)動(dòng)等。
(1)自行車的生物力學(xué)研究
近年來(lái)，自行車創(chuàng)新以人機(jī)工程學(xué)為出發(fā)點(diǎn)，主要集中在生物力學(xué)特性的研究方面對(duì)騎行中的自行車做了受力分析，指出騎行開(kāi)始時(shí)蹬踏力可達(dá)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(xué)，用五桿平面機(jī)構(gòu)模擬具有圓鏈輪驅(qū)動(dòng)的腳蹬自行車系統(tǒng)，探討了腳蹬力和腳蹬速率如何影響騎行過(guò)程以及鉸鏈力矩節(jié)奏的關(guān)系。RayP.S .Han著眼于非圓鏈輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析與研究，并對(duì)人體作用進(jìn)行評(píng)估，包括關(guān)節(jié)力矩、腿的角加速度、輸出力等。通過(guò)將兩自由度的五桿模型簡(jiǎn)化為桿件長(zhǎng)隨曲柄變化的等效四桿機(jī)構(gòu)，再求解兩鏈輪臂連桿頂部的位置，得到非圓驅(qū)動(dòng)鏈輪的形狀。同時(shí)建議將橢圓鏈輪和圓鏈輪結(jié)合起來(lái)運(yùn)用:在低速狀態(tài)下，使用前者，在高速狀態(tài)下，切換到后者。Redfield對(duì)腳踏數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，估計(jì)出曲柄轉(zhuǎn)角和腳踏角的關(guān)系。國(guó)內(nèi)研究人員鄧國(guó)光從力學(xué)角度較為詳細(xì)地研究了自行車運(yùn)動(dòng)員的蹬踏方式，并用微機(jī)控制閉環(huán)系統(tǒng)—自行車運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練測(cè)試臺(tái)得出的數(shù)據(jù)，研究出曲柄旋轉(zhuǎn)角與蹬踏角的關(guān)系。
(Z)自行車的多種創(chuàng)新形式
在造型設(shè)計(jì)方面，現(xiàn)代自行車創(chuàng)新更注重色彩設(shè)計(jì)、新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝的應(yīng)用以及多功能的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)上由原來(lái)的粘接成型車架到整體成型車架再到混合型車架;風(fēng)格上表現(xiàn)出多樣性和仿生性，出現(xiàn)“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;而盡可能減少空氣阻力與增強(qiáng)視覺(jué)效果的“流線型”結(jié)構(gòu)和改變駕駛者姿態(tài)的“躺式”造型是自行車造型發(fā)展的新趨勢(shì)。
在能源驅(qū)動(dòng)方面，出現(xiàn)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)、蒸汽驅(qū)動(dòng)、夜光型、以及很有發(fā)展前景的電力驅(qū)動(dòng)自行車。電動(dòng)自行車作為一種有效替代燃油汽車的綠色環(huán)保交通工具，在減輕或消除城市環(huán)境污染方面發(fā)揮作用。
碳纖維、復(fù)合材料、鎂合金、鋁合金等新型材料因其優(yōu)良的材料特性而被有效地運(yùn)用到自行車特別是賽車上。開(kāi)發(fā)生產(chǎn)碳纖維自行車和鎂鋁合金自行車是當(dāng)今自行車工業(yè)領(lǐng)域致力研究的課題。
非圓鏈輪傳動(dòng)以其在大中心距傳動(dòng)和繞性傳動(dòng)上比變速齒輪傳動(dòng)更具獨(dú)到特性而運(yùn)用于自行車上。國(guó)內(nèi)外自行車大賽上常能欣賞到以帶傳動(dòng)、圓錐齒輪傳動(dòng)、軸傳動(dòng)、棘輪棘爪傳動(dòng)、無(wú)鏈傳動(dòng)等多種傳動(dòng)形式設(shè)計(jì)的新型自行車。
自行車的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，封閉式、獨(dú)輪式、三輪式、雙輪式、多人式等等。而折疊式電動(dòng)自行車以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、攜帶方便成為行業(yè)人士的關(guān)注焦點(diǎn);全懸臂式前后叉避震賽車成為運(yùn)動(dòng)比賽的亮麗風(fēng)景線。
多功能自行車是高科技發(fā)展的結(jié)果，將多種特性有效地集中于一輛自行車上，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(dòng)等等。
專家預(yù)測(cè)，電動(dòng)、環(huán)保、折疊、鎂合金材質(zhì)為特色的自行車將成為二十一世紀(jì)市場(chǎng)的先鋒產(chǎn)品，有取代登山車及避震車的趨勢(shì)。
1.3動(dòng)畫(huà)仿真技術(shù)
無(wú)論是從自行車設(shè)計(jì)本身，還是從創(chuàng)新軟件開(kāi)發(fā)的角度，動(dòng)畫(huà)仿真技術(shù)都是一個(gè)有利的工具。系統(tǒng)模擬以及動(dòng)畫(huà)技術(shù)常用于表現(xiàn)真實(shí)對(duì)象或模擬對(duì)象隨時(shí)間變化的行為。利用計(jì)算機(jī)造型和仿真技術(shù)，構(gòu)造出產(chǎn)品或裝置的幾何模型和功能模型，對(duì)它們進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及其他性能的分析和模擬，可以使設(shè)計(jì)思想更加直觀清晰，設(shè)計(jì)過(guò)程更加合理，從而降低制造成本和試驗(yàn)強(qiáng)度，避免危險(xiǎn)性操作。
動(dòng)畫(huà)仿真有二維圖形動(dòng)畫(huà)、三維線框圖動(dòng)畫(huà)和三維實(shí)體圖動(dòng)畫(huà)。二維實(shí)現(xiàn)不存在消隱和陰影處理;三維實(shí)體動(dòng)畫(huà)效果最形象、最生動(dòng)，但要進(jìn)行消隱和陰影等復(fù)雜處理，畫(huà)面刷新的計(jì)算量很大。當(dāng)仿真軟件用于系統(tǒng)性能分析時(shí)，一般不考慮實(shí)體是否有碰撞干涉，采用二維圖形動(dòng)畫(huà)即可，以大大縮短動(dòng)畫(huà)刷新時(shí)間，加快模型執(zhí)行速度;當(dāng)仿真用于處理設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程時(shí)，三維實(shí)體動(dòng)畫(huà)是最佳選擇。從性質(zhì)上看，動(dòng)畫(huà)仿真主要有如下兩種方式叫:
(1)關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)。在這種方式下，先運(yùn)行仿真程序，實(shí)體運(yùn)行軌跡連同仿真時(shí)鐘全部保存，仿真運(yùn)行結(jié)束后，作為動(dòng)畫(huà)的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)模型畫(huà)面的刷新。這種后處理動(dòng)畫(huà)輸出方式需要大量的存儲(chǔ)開(kāi)銷，并且由于動(dòng)畫(huà)畫(huà)面不是基于圖形模型描述，難免出現(xiàn)動(dòng)畫(huà)畫(huà)面與模型的不一致性。另外，也不能在仿真運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控，不能及時(shí)根據(jù)動(dòng)畫(huà)顯示的仿真結(jié)果修改仿真模型，不具備動(dòng)畫(huà)與仿真的交互能力。
(2)實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)。在這種方式下，動(dòng)畫(huà)刷新與仿真模型在時(shí)間上、數(shù)據(jù)上同步執(zhí)行，仿真運(yùn)行結(jié)果及時(shí)通過(guò)動(dòng)畫(huà)顯示出來(lái);兩者交互，用戶可中斷運(yùn)行中的仿真程序，修改模型，運(yùn)行仿真程序時(shí)，直接看到修改處引起的變化。因此，相對(duì)于較傳統(tǒng)的動(dòng)畫(huà)技術(shù)，實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)仿真保證了由實(shí)體的狀態(tài)、事件、活動(dòng)、進(jìn)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(guó)外在動(dòng)畫(huà)仿真研究領(lǐng)域比較先進(jìn)，但相關(guān)文獻(xiàn)大都針對(duì)特定問(wèn)題進(jìn)行單項(xiàng)動(dòng)畫(huà)仿真研究，有關(guān)動(dòng)畫(huà)仿真軟件的資料也只是介紹使用方法和操作過(guò)程。美國(guó)在動(dòng)畫(huà)仿真技術(shù)上卓越的體現(xiàn)是波音777飛機(jī)的設(shè)計(jì)。波音公司采用法國(guó)達(dá)索/IBM的CATITS三維設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)，用并行方式處理，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化定義，用三維實(shí)體模型數(shù)字化預(yù)裝配檢驗(yàn)干涉情況，其精度達(dá)到前所未有的程度。
我國(guó)在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)和動(dòng)畫(huà)仿真方面的研究及應(yīng)用起步較晚，主要處于引進(jìn)、吸收和消化階段。目前主要應(yīng)用領(lǐng)域是二維動(dòng)畫(huà)片制作、電視廣告、影視片頭制作，少量用于視覺(jué)模擬和計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)。與國(guó)外相比，無(wú)論在研究開(kāi)發(fā)還是在應(yīng)用的普及范圍上都存在較大差距。我國(guó)引進(jìn)的三維計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)有法國(guó)的Explofe、美國(guó)的Advanced Visualiger, Softmage 3D和加拿大的Alias Animator，微機(jī)上運(yùn)行的3D MAX三維動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)等。自行研制的動(dòng)畫(huà)仿真軟件有IMSS 25和HMPS X28等。IMSS (Integrated ManufacturingSimulation Software)由清華大學(xué)自動(dòng)化系和航天航空部204所共同研制，用于制造系統(tǒng)性能分析的一體化制造，具有二維動(dòng)畫(huà)功能;HMPS (HorizontalMachining Process Simulator)由清華大學(xué)自動(dòng)化系、華中理工大學(xué)機(jī)械工程系以及精密儀器系合作開(kāi)發(fā)，以機(jī)械加工中心加工過(guò)程為仿真對(duì)象，具有三維實(shí)體圖的動(dòng)畫(huà)功能。
2創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論及方法
設(shè)計(jì)在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中占有相當(dāng)重要的位置，從根本上說(shuō)，決定著產(chǎn)品的品質(zhì)、質(zhì)量及成本。只有基于認(rèn)識(shí)理論上的設(shè)計(jì)過(guò)程模型才是充分可靠的。將智能過(guò)程模擬出來(lái)，必須從思維出發(fā)。而創(chuàng)造性思維反映著物質(zhì)屬性和內(nèi)在、外在的有機(jī)聯(lián)系，是一種可以物化的思想心理活動(dòng)。在產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，最關(guān)鍵的便是創(chuàng)造性構(gòu)思與最佳方案的選擇。為了進(jìn)行自行車創(chuàng)新設(shè)計(jì)，本章在檢索、閱讀、整理國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，介紹有關(guān)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的理論及方法。
2.1設(shè)計(jì)方法
2.1.1設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展
設(shè)計(jì)技術(shù)從發(fā)展歷程上看可以分為三個(gè)發(fā)展階段:傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)和先進(jìn)設(shè)計(jì)。
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)首先主要以人工設(shè)計(jì)形式為代表，后以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)為代表。傳統(tǒng)CAD技術(shù)依靠算法的結(jié)構(gòu)性能分析和計(jì)算機(jī)輔助繪圖這兩大特征，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中獲得了廣泛應(yīng)用。它能完成如最優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析、計(jì)算機(jī)繪圖等各種計(jì)算型工作，但難以勝任推理型工作。
事實(shí)上，新產(chǎn)品的研究與開(kāi)發(fā)是一種智能行為，是人的創(chuàng)造力與環(huán)境條件交互作用的過(guò)程，需要充分應(yīng)用多學(xué)科知識(shí)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、分析推理、運(yùn)籌決策、綜合評(píng)價(jià)才能取得圓滿結(jié)果。智能CAD系統(tǒng)則是在傳統(tǒng)CAD基礎(chǔ)上融入了知識(shí)處理系統(tǒng)，能夠提供推理、知識(shí)庫(kù)管理、查詢結(jié)構(gòu)等多方面的信息處理功能。將人工智能與數(shù)值處理有機(jī)結(jié)合起來(lái)，計(jì)算機(jī)就能更多地參與到方案決策、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能分析、圖形處理等設(shè)計(jì)的全過(guò)程當(dāng)中。
計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)在八十年代迅速發(fā)展，先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)以人機(jī)智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)為代表，更強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的集成性，對(duì)設(shè)計(jì)全過(guò)程提供一體化的計(jì)算機(jī)支持。人機(jī)智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)相對(duì)于現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)階段的設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)，具有如下更充分的優(yōu)越性:
(1)人機(jī)智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)是一種面向整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的開(kāi)放性知識(shí)體系結(jié)構(gòu)。
(2)人機(jī)智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠處理多領(lǐng)域、多種描述形式的知識(shí)，是集成化的大規(guī)模知識(shí)處理環(huán)境。
(3)考慮專家思維、推理和決策的模型以及設(shè)計(jì)產(chǎn)品的模型，讓計(jì)算機(jī)在更大范圍內(nèi)、更高水平上對(duì)人類專家群體的推理過(guò)程進(jìn)行模擬，做出準(zhǔn)確而具體的設(shè)計(jì)決策。
2.1.2設(shè)計(jì)分類
設(shè)計(jì)的本質(zhì)是革新和創(chuàng)造。根據(jù)設(shè)計(jì)活動(dòng)中創(chuàng)造性的大小，可將設(shè)計(jì)分為三類:常規(guī)設(shè)計(jì)、革新設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。
常規(guī)設(shè)計(jì)以成熟技術(shù)為基礎(chǔ)，在工業(yè)生產(chǎn)中大量存在。為滿足市場(chǎng)需求，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，必須改進(jìn)舊產(chǎn)品，改進(jìn)生產(chǎn)加工工藝、研制新品種。創(chuàng)新設(shè)計(jì)和革新設(shè)計(jì)都具有創(chuàng)造性，但前者在設(shè)計(jì)探索中最富有挑戰(zhàn)性，沒(méi)有現(xiàn)成的設(shè)計(jì)規(guī)劃，甚至沒(méi)有類似的已有設(shè)計(jì)作為借鑒，很大程度上憑借設(shè)計(jì)者的靈感去創(chuàng)造。創(chuàng)新設(shè)計(jì)的成果一般具有較高的社會(huì)價(jià)值，形式新穎且獨(dú)特，值得提倡。后者也稱為改進(jìn)設(shè)計(jì)，是為增加原有產(chǎn)品的功能或適用范圍，提高性能或改進(jìn)結(jié)構(gòu)、尺寸而進(jìn)行的部分創(chuàng)造性活動(dòng)。
設(shè)計(jì)是一項(xiàng)思維活動(dòng)，與人的思維密切相關(guān)。關(guān)于思維科學(xué)，著名學(xué)者錢(qián)學(xué)森先生有過(guò)深入而系統(tǒng)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，并指出人的每種思維活動(dòng)過(guò)程并非單純的一種思維在起作用〔川。這三種思維形式在創(chuàng)造性方面有不同的表現(xiàn):靈感思維最強(qiáng)，形象思維次之，邏輯思維最次。靈感思維的突發(fā)性、偶然性、獨(dú)創(chuàng)性、模糊性往往是科學(xué)研究發(fā)生重大突破，對(duì)人類產(chǎn)生重大影響。通常，常規(guī)設(shè)計(jì)主要是通過(guò)邏輯思維實(shí)現(xiàn)的。創(chuàng)新設(shè)計(jì)通常是采用發(fā)散而不是聚合的思維過(guò)程的設(shè)計(jì)，這使得形象思維乃至靈感思維在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中顯得尤為重要和突出。
這樣，我們可以知道了，(1)設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)基本屬于常規(guī)設(shè)計(jì)和革新設(shè)計(jì)的范疇，主要模擬人類專家的邏輯思維，解決的主要問(wèn)題是模式設(shè)計(jì)以及方案設(shè)計(jì)(precept design)。 (2)人機(jī)智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括創(chuàng)新設(shè)計(jì)和革新設(shè)計(jì)，主要模擬人類專家的形象思維和靈感思維，解決創(chuàng)造性設(shè)計(jì)問(wèn)題，以及并行設(shè)計(jì)(concuurrent design)。
2.2創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新原理
創(chuàng)造性思維指能對(duì)客觀事物之間的聯(lián)系進(jìn)行新的探索，并能創(chuàng)造出新的思維形態(tài)(如概念、假設(shè)、原理和理論等)來(lái)概括、反映這些聯(lián)系的思維過(guò)程。其本質(zhì)是在社會(huì)實(shí)踐需要的制約下，在一定心理結(jié)構(gòu)和操作中，對(duì)存儲(chǔ)信息和外來(lái)信息，經(jīng)過(guò)鑒別和篩選，重新聯(lián)接和組合的過(guò)程。
創(chuàng)造性思維具有目的性、求異性、突變性等特征，表現(xiàn)為邏輯思維和非邏輯思維兩種基本類型。邏輯思維主要運(yùn)用概念、判斷、推理的思維形式，包括歸納邏輯、演繹邏輯和數(shù)理邏輯，對(duì)產(chǎn)品創(chuàng)新進(jìn)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(chǔ)的創(chuàng)新技法。非邏輯思維包括聯(lián)想、形象思維、靈感、創(chuàng)造性想象等多種方式，經(jīng)過(guò)理性分析后的知覺(jué)材料，在頭腦中重新加以組合和聯(lián)想，從而形成新構(gòu)思、新形象。許多重大理論的發(fā)現(xiàn)直接來(lái)源于這種直覺(jué)思維。但在整個(gè)產(chǎn)品創(chuàng)新過(guò)程中，兩種思維是相互結(jié)合進(jìn)行的。在感性認(rèn)識(shí)與實(shí)踐的基礎(chǔ)上，利用有意識(shí)的邏輯思維獲得和完善對(duì)產(chǎn)品創(chuàng)新問(wèn)題的理性認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步地，利用潛意識(shí)活動(dòng)能力，開(kāi)展非邏輯思維，將理性認(rèn)識(shí)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(yàn)。我們能從具有創(chuàng)造力的人群中發(fā)現(xiàn)他們具有的共性:
(1)善于從全局出發(fā)，站在較高的水平來(lái)明確問(wèn)題，制定系統(tǒng)性的發(fā)展策略。這種能力是他們沖破常規(guī)，從外面的特定領(lǐng)域進(jìn)行思考與處理。而最好的新念頭往往來(lái)自于能夠把設(shè)計(jì)從一種產(chǎn)品轉(zhuǎn)向另一種產(chǎn)品的過(guò)程中。
(2)極具個(gè)性，沒(méi)有單一固定的方式。他們寧愿自己去提出問(wèn)題而不是由別人來(lái)提問(wèn)。
(3)完成創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，并非機(jī)遇或偶然事件，而是始于對(duì)原有產(chǎn)品模型及系統(tǒng)的熟悉掌握與深入研究，其發(fā)展是必然的結(jié)果。
人工智能專家與心理學(xué)家對(duì)創(chuàng)造性思維的認(rèn)知過(guò)程本質(zhì)作了深入的研究，提出了基于事例的推理、類比移植推理以及分解綜合推理等幾種典型的人工智能創(chuàng)造性思維模式。
2.2.1創(chuàng)造性思維模式
(1)基于事例的推理
基于事例的推理是一種認(rèn)知行為，通過(guò)借鑒先前的成功或不成功的范例來(lái)指導(dǎo)現(xiàn)在的問(wèn)題求解。它是一種基于記憶的重要的設(shè)計(jì)思維模擬方法。事例庫(kù)模擬了人腦的記憶，其中存儲(chǔ)過(guò)去的經(jīng)歷，并按照一定的方式組織，以便需要時(shí)被迅速提取。提取過(guò)程就是檢索相關(guān)事例的過(guò)程，檢出的事例可能與新事例不一致，需加以修改、預(yù)測(cè)，若仍然不合適新情況，仍需進(jìn)一步修改。最后將正確解答納入事例庫(kù)，新的索引被建立和存儲(chǔ)，形成新知識(shí)。這種創(chuàng)造性思維模式是在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行局部調(diào)整，屬于革新設(shè)計(jì)。
(2)類比移桂推理
類比推理指依據(jù)兩個(gè)事物之間的相關(guān)性，從己知一對(duì)象的某種性質(zhì)推出另一對(duì)象具有某種相應(yīng)性質(zhì)的推理過(guò)程。即提取一個(gè)新事例情境的某些己知特征，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征相類似的特征。類比推理的核心是一個(gè)匹配過(guò)程(遵循語(yǔ)義相似性原則和結(jié)構(gòu)一致性原則)和一個(gè)映射過(guò)程(映射內(nèi)在特征而非外在表現(xiàn))。類比移植包含繼承、改進(jìn)、變異及創(chuàng)新，可以在技術(shù)結(jié)構(gòu)、技術(shù)原理、思想方法、不同技術(shù)領(lǐng)域間或同一技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)不同結(jié)構(gòu)之間等方面進(jìn)行移植。類比推理的主要特征是:
(1)屬或然性推理，能得到繼承性和創(chuàng)新性結(jié)論;
(2)核心強(qiáng)調(diào)情境間的相似聯(lián)系，而不是命題的真假。結(jié)論需驗(yàn)證正確性;
(3)存在的聯(lián)系是內(nèi)在的相關(guān)性，而不是外在的表現(xiàn);
(4)是一種極具創(chuàng)造力的思維方法，體現(xiàn)原理層創(chuàng)新，繼承中創(chuàng)新的思想。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用體現(xiàn)是創(chuàng)新設(shè)計(jì)。
(3)分解蛛合推理
分解綜合推理是一種復(fù)合推理模式，包括邏輯思維(分解過(guò)程)和形象思維(求解過(guò)程、綜合過(guò)程)。這種思維模式最具創(chuàng)新力，因?yàn)榉纸膺^(guò)程能夠依據(jù)已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)將新問(wèn)題分解為一系列老問(wèn)題，具備強(qiáng)勁的解決新問(wèn)題的能力;求解過(guò)程的基于事例的推理模式和類比推理模式都具有創(chuàng)新能力;綜合過(guò)程采用不同的策略得到不同結(jié)果，更具有創(chuàng)新力。
在創(chuàng)造性思維過(guò)程中，必然繼承原有的科學(xué)知識(shí)的概念、命題、原理和定律，并與之發(fā)生種種邏輯聯(lián)系;必然有新的事實(shí)、新的聯(lián)系等內(nèi)容假如于其中。基于事例的推理與類比推理的本質(zhì)區(qū)別在于，前者強(qiáng)調(diào)新問(wèn)題與事例間的邏輯聯(lián)系，按一定的索引方式檢索己有的事例，其創(chuàng)造性是后來(lái)的修改。而后者強(qiáng)調(diào)新問(wèn)題與類比問(wèn)題之間的形象聯(lián)系，依據(jù)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(jié)構(gòu)。分解綜合推理體現(xiàn)創(chuàng)造性思維過(guò)程解決問(wèn)題的完整過(guò)程，前兩項(xiàng)推理過(guò)程側(cè)重于創(chuàng)造性思維過(guò)程的求解過(guò)程。
2.2.2創(chuàng)新原理
創(chuàng)造性思維只有在一定原理的約束和導(dǎo)向下才能得到有效的創(chuàng)造性結(jié)果。G. S. Altshuller通過(guò)對(duì)上萬(wàn)件發(fā)明專利的研究與分析，抽出40個(gè)發(fā)明創(chuàng)造所遵循的原理，成為解決技術(shù)矛盾的關(guān)鍵。下列幾項(xiàng)原則具有指導(dǎo)性意義:
(1)綜合:組合相同性質(zhì)的物體;將相近性質(zhì)的作業(yè)在同一時(shí)間內(nèi)組合;使物體具有復(fù)合功能。如電子計(jì)算機(jī)是大規(guī)模集成電路技術(shù)、計(jì)算數(shù)學(xué)、精密機(jī)械的綜合;激光技術(shù)是光學(xué)、機(jī)械、電學(xué)的技術(shù)綜合等。
(2)還原:圍繞產(chǎn)品功能進(jìn)行創(chuàng)新。如在應(yīng)用系統(tǒng)化設(shè)計(jì)法進(jìn)行原理方案設(shè)計(jì)，先從功能分析入手，利用創(chuàng)造性構(gòu)思等方法求解多種方案，然后進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，通過(guò)選擇和優(yōu)化，求得最佳方案。
(3)類比:借鑒成熟的原理與技術(shù)加以比較，找到相似點(diǎn)。
(4)移植:多種技術(shù)的移植嫁接，形成新技術(shù)、新材料、新產(chǎn)品、新工藝。如系統(tǒng)間相互替換(機(jī)械系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)、嗅覺(jué)系統(tǒng)、場(chǎng)強(qiáng)等)，機(jī)構(gòu)間的相互利用(氣壓機(jī)構(gòu)、水壓機(jī)構(gòu)、油壓機(jī)構(gòu)、機(jī)械機(jī)構(gòu)等)。
(5)離散:將原有產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)行分離，形成新構(gòu)思。如隱形眼鏡是鏡片與鏡框分離的結(jié)果;音箱是揚(yáng)聲器與收錄機(jī)分離的結(jié)果。
(6)強(qiáng)化:如采用金屬粉末熱噴涂強(qiáng)化工藝，提高機(jī)械零件表面強(qiáng)度、硬度和耐磨性;采用復(fù)合材料增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度、穩(wěn)定性、減震性。
(7)換元:如采用材料替代、零件替代、方法替代、包裝替代、品牌替代等。
(8)迂回:面臨困難時(shí)擴(kuò)大搜索范圍，從其它領(lǐng)域?qū)ふ覇l(fā)，激發(fā)創(chuàng)意，解決問(wèn)題。
(9)逆反:突破傳統(tǒng)的思維定勢(shì)，進(jìn)行逆向思維，引出新的創(chuàng)意。
(10)仿形:從產(chǎn)品造型上模仿。如鳥(niǎo)的翅膀與飛機(jī)機(jī)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(fā)，集思廣益。
2.3創(chuàng)新設(shè)計(jì)
現(xiàn)代設(shè)計(jì)的核心是創(chuàng)新設(shè)計(jì)，根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、新興技術(shù)所提供的新原理、新方法進(jìn)行產(chǎn)品的分析、設(shè)計(jì)。開(kāi)發(fā)創(chuàng)新思維，學(xué)習(xí)和掌握創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的需要。正向、逆向、側(cè)向等多種思維有助于我們從不同深度、廣度進(jìn)行思考，提出創(chuàng)新構(gòu)思和解決問(wèn)題的方法。創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方法有很多，如智力思維法、推理思維法、聯(lián)想思維法、組合創(chuàng)新法等。文則將面向產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的CAD方法歸納為基于分解的功能方案設(shè)計(jì)方法、面向功能單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、面向全過(guò)程的設(shè)計(jì)方法。前兩類是創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程的兩個(gè)主要階段，第三類主要從設(shè)計(jì)方法學(xué)角度論述計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)過(guò)程模型。
2.3.1基于分解的功能方案設(shè)計(jì)方法
技術(shù)創(chuàng)新時(shí)，首先要明確新產(chǎn)品應(yīng)該具備的功能。產(chǎn)品的功能方案設(shè)計(jì)處于整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的最初階段，但是地位最重要。對(duì)功能的各種可能方案進(jìn)行優(yōu)選，關(guān)鍵是進(jìn)行廣泛而深入的功能分析和功能分解，包括設(shè)計(jì)目標(biāo)的辨認(rèn)和確定，功能的描述和定界，并用多種實(shí)體結(jié)構(gòu)(功能載體)去實(shí)現(xiàn)。將抽象的產(chǎn)品設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為具體的、現(xiàn)實(shí)的功能，充分體現(xiàn)著人的創(chuàng)造性活動(dòng)。
功能邏輯分解法和功能行為狀態(tài)分解法是目前研究的兩種典型方法。功能邏輯分解法的關(guān)鍵在于如何建立一個(gè)豐富功能定義庫(kù)以及定義一個(gè)功能塊關(guān)系描述定義集。功能行為狀態(tài)分解法是基于行為的分解，關(guān)鍵是如何將功能一行為一狀態(tài)一基本物理模型有機(jī)地結(jié)合在一起，是功能分解具有認(rèn)知理論的依據(jù)。
2.3.2面向功能單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
這種方法強(qiáng)調(diào)如何將功能性的描述轉(zhuǎn)化為能實(shí)現(xiàn)這些功能的具有形狀、尺寸以及相互關(guān)系的零部件的描述，其核心是一個(gè)映射過(guò)程。采用功能一結(jié)構(gòu)一裝配三個(gè)層次的轉(zhuǎn)換方法，即建立一個(gè)中間結(jié)構(gòu)層，完成從功能視圖向裝配體視圖的遷移。
2.3.3面向全過(guò)程的設(shè)計(jì)方法及模型
對(duì)于面向全過(guò)程的設(shè)計(jì)方法及模型，根據(jù)其發(fā)展過(guò)程有三種觀點(diǎn):
(1)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)模型
面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)模型代表設(shè)計(jì)方法學(xué)的組裝創(chuàng)新設(shè)計(jì)階段。它認(rèn)為設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)是從功能分解的高層向低層不斷進(jìn)行基于專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)的虛功能特化和再分解的過(guò)程。特化過(guò)程指當(dāng)知識(shí)庫(kù)存在能夠滿足虛功能對(duì)象的時(shí)候，產(chǎn)生該對(duì)象的實(shí)例。再分解過(guò)程指在不滿足的情況下，按照知識(shí)庫(kù)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(duì)象實(shí)例來(lái)完成，形成多叉樹(shù)結(jié)構(gòu)，分叉點(diǎn)是分解，葉結(jié)點(diǎn)是特化。
(2)一般性的設(shè)計(jì)理論模型GDT (General Design Theory)
GDT模型體現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法學(xué)的創(chuàng)新思維過(guò)程(分解、映射、綜合)，代表開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)階段。它認(rèn)為設(shè)計(jì)核心是分解—映射—綜合的過(guò)程。功能目錄列出了所有基本功能單元和一對(duì)多對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方案，該模型以功能目錄為依據(jù)，基本組成都出自功能目錄庫(kù)。
(3)逐步求精模型
逐步求精模型認(rèn)為設(shè)計(jì)應(yīng)從需求描述(包括功能、行為、屬性等方面)入手。這種描述在設(shè)計(jì)過(guò)程中不斷被細(xì)化、修正和測(cè)試，直到產(chǎn)品成形，形成一個(gè)不斷遞歸循環(huán)的子單元設(shè)計(jì)過(guò)程。該模型能充分體現(xiàn)人的創(chuàng)新思維模式:繼承中創(chuàng)新、反復(fù)迭代、代表工程設(shè)計(jì)方法學(xué)的閉環(huán)控制創(chuàng)新設(shè)計(jì)階段。第三章自行車創(chuàng)新發(fā)展
自行車是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚拇焦ぞ撸湓靸r(jià)低廉、維修簡(jiǎn)單、使用方便，無(wú)污染，深受人們喜愛(ài)。目前，國(guó)內(nèi)自行車行業(yè)紛紛加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)步伐，出現(xiàn)了花色繁多，系列品種趨于齊全、結(jié)構(gòu)新穎的新局面。為了進(jìn)行自行車創(chuàng)新設(shè)計(jì)，本章通過(guò)收集、整理有關(guān)文獻(xiàn)，介紹自行車創(chuàng)新的發(fā)展現(xiàn)狀及其創(chuàng)新內(nèi)容。
2.4自行車的發(fā)展歷史
自行車歷史淵源久長(zhǎng)。據(jù)史料文字記載，大約公元前2300年，中國(guó)、埃及、印度都出現(xiàn)過(guò)人類原始的自行車雛形。意大利龐貝城中的壁畫(huà)是最早的圖形記載。世界上第一輛真正的自行車是由法國(guó)人米狄·德，西福拉克于1790年發(fā)明的兩輪腳蹬自行車。鏈條式驅(qū)動(dòng)裝置的發(fā)明者是英國(guó)人丁·斯塔利和勞森。1888年英國(guó)人鄧洛普將實(shí)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(fā)展，由于沒(méi)有系統(tǒng)的理論作指導(dǎo)，制造技術(shù)相對(duì)落后，自行車發(fā)展很緩慢。
隨著社會(huì)發(fā)展、科技進(jìn)步和人類審美觀念的不斷變化，自行車產(chǎn)品在近代和現(xiàn)代得到了迅速發(fā)展，造型日趨完美，功能日趨完善。在造型設(shè)計(jì)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、新型材料、傳動(dòng)方式、結(jié)構(gòu)功能等多方面不斷改造與創(chuàng)新。
3.良好的發(fā)展前景。
3.1傳動(dòng)系統(tǒng)
自行車傳動(dòng)系統(tǒng)的形式多樣，曾出現(xiàn)過(guò)杠桿驅(qū)動(dòng)、雙重曲柄式、腳蹬上下式、無(wú)鏈傳動(dòng)、軸傳動(dòng)、棘輪棘爪傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、鏈條鑄輪傳動(dòng)等各種形式。許多方式都因傳動(dòng)效率不高或不適合而被淘汰，但自行車的齒輪傳動(dòng)方式、鏈條鏈輪傳動(dòng)方式等依然適用，并在此基礎(chǔ)上持續(xù)發(fā)展。
變速傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)分支，其理論發(fā)展已有60多年的歷史。非圓鏈輪傳動(dòng)作為一種變速比傳動(dòng)，以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在近十年期間，得到國(guó)內(nèi)外有心人士的關(guān)注，將它有效的運(yùn)用到自行車上。國(guó)內(nèi)王展國(guó)的角速度凸圓鏈輪傳動(dòng)裝置，根據(jù)人腳踏作用力的變化情況，設(shè)定曲柄位置，設(shè)定在最佳受力夾角處，使人力腳踏容易發(fā)揮較大腳踏力且鏈輪傳動(dòng)比加大，從而提高傳動(dòng)效率。日本奧特克公司開(kāi)發(fā)的新型自行車驅(qū)動(dòng)裝置，將傳統(tǒng)的圓形鏈條輪改造成橢圓形，把傳動(dòng)方式由鏈條改為齒輪傳動(dòng)。這種騎行時(shí)腳的運(yùn)動(dòng)軌跡是橢圓形，便于腿發(fā)力且節(jié)約運(yùn)行距離。IPD公司己生產(chǎn)出凸輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);日本島野公司有非圓鏈輪產(chǎn)品。這些非圓鏈輪傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于人騎車時(shí)省力、舒適、不易疲勞，是一種很有發(fā)展前景的自行車。
3.2新型材料
運(yùn)用在自行車上的材料多種多樣，目前比較流行的材質(zhì)有鋼材、鋁合金、鎂合金、欽合金、高分子碳纖維材料、復(fù)合材料等。
鋁合金是目前最看好的材質(zhì)，在80年代初期就己經(jīng)開(kāi)始被大量運(yùn)用在自行車制造上，雖然鋁合金車架重量輕、延伸性相當(dāng)好，但應(yīng)力較集中，所以性能較差。近年來(lái)鋁合金材質(zhì)在車架上運(yùn)用了新技術(shù)，其中漸進(jìn)式抽管法最被看好，即分?jǐn)?shù)次將鋁材逐漸抽薄，減少重量而又不損失強(qiáng)度，消除了車架接縫處的潛在斷裂處。
英國(guó)設(shè)計(jì)者Kirk Precision大膽地利用新型材料—高純度鎂，通過(guò)鎂合金澆注成模方法，再結(jié)合高科技制造設(shè)備和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段，成功地將大規(guī)模制造的優(yōu)勢(shì)運(yùn)用到傳統(tǒng)手工制造的自行車行業(yè)中來(lái)，生產(chǎn)出比相同大小和重量的鋼管車架質(zhì)量更輕、剛度更高，性能更佳、動(dòng)感更強(qiáng)的合金管車架。
欽合金在航空工業(yè)上普遍被運(yùn)用，同時(shí)也漸漸被自行車行業(yè)所注意。欽合金穩(wěn)定性高、不易氧化.強(qiáng)度高、抗腐蝕性好.吸震性也十分好，如此多的優(yōu)點(diǎn)和制造難度使得欽合金車架的價(jià)格一直十分昂貴.
復(fù)合材料在運(yùn)動(dòng)器材方面蓬勃發(fā)展，加上制造技術(shù)漸趨成熟，引起有心人士投入復(fù)合材料代替金屬的開(kāi)發(fā)。
碳纖維是一種纖維補(bǔ)強(qiáng)的熱固樹(shù)脂，屬于非金屬材料，它重量輕、可塑性大、耐牢性卓越，防震性能好，與同質(zhì)量的金屬相比有更優(yōu)良的強(qiáng)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，最適用于競(jìng)賽型的自行車。碳纖維自行車的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r如下所述。
80年代中期，意大利、法國(guó)、英國(guó)和美國(guó)利用復(fù)合材料和工程塑料方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì).相繼開(kāi)發(fā)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。隨后，歐美等國(guó)對(duì)自行車進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助受力分析和強(qiáng)度計(jì)算，使計(jì)算機(jī)外形更符合人機(jī)工程學(xué)的要求，研制出碳纖維整體車架成型工藝。90年代初，國(guó)外廠商將粘接型和整體性進(jìn)行混合技術(shù)，即用碳纖維管和多通接頭作“底”.外敷纏繞碳纖維層，使多通接管掩埋在里面，外部看起來(lái)似整體成型。以確保自行車的強(qiáng)度。
臺(tái)灣最大的自行車廠商—捷安特Giantl公司與臺(tái)灣材料研究室共同開(kāi)發(fā)碳纖維自行車，成功開(kāi)發(fā)一種新穎的鋁合金金屬壓注接頭膠接碳纖維自行車構(gòu)架。隨后.公司于1993年聯(lián)合開(kāi)發(fā)整體碳纖維自行車構(gòu)架，便臺(tái)灣自行車工業(yè)發(fā)展上一新臺(tái)階。近年來(lái)臺(tái)灣自行車業(yè)者將諸多新開(kāi)發(fā)的高科技材料大量運(yùn)用于傳統(tǒng)的自行車產(chǎn)品.提高功能性和實(shí)用性，大幅度減輕自行車重量，使產(chǎn)品的附加價(jià)值大為增加。
1993年，我國(guó)天津飛鴿自行車(集團(tuán))公司和北京環(huán)航復(fù)合材料公司聯(lián)合投資開(kāi)發(fā)粘接型碳纖維自行車。深圳中華自行車公司自行研制可焊接碳纖維自行車。但整體成型碳纖維車架國(guó)內(nèi)目前還是空白。
3.3動(dòng)力班動(dòng)
(1)電動(dòng)自行本
電動(dòng)自行車被譽(yù)為“綠色交通工具”，它充分運(yùn)用了當(dāng)今的新技術(shù)、新材料，尤其是采用集成電路，電子元器件，提高了自行車控制器的質(zhì)量，具有很好的可靠性、安全性和靈活性。
電動(dòng)自行車以蓄電池能源進(jìn)行電力驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到騎行目的。采用的電池主要有三類:鉛酸電池、鎳鍋電池、鎳氫電池。電動(dòng)自行車是高新技術(shù)產(chǎn)品，只有當(dāng)電池、電機(jī)、控制器、充電器等技術(shù)達(dá)到較高的水平時(shí)方可大量生產(chǎn)。目前，電力自行車是自行車行業(yè)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品中最大的熱點(diǎn)。
a.國(guó)外電動(dòng)自行車發(fā)展?fàn)顩r
美國(guó)ZAP、尤尼克、克萊斯勒等多家著名汽車公司都己開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)出了相當(dāng)數(shù)量電力助動(dòng)車，美國(guó)通用汽車公司為電動(dòng)自行車提供新型電池。德國(guó)的奔馳公司、法國(guó)的標(biāo)志公司也把眼光投入到這一產(chǎn)品上來(lái)了。日本除積極開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車外，積極開(kāi)發(fā)出各類電動(dòng)自行車，產(chǎn)值己超過(guò)了越野車、迷你車，僅次于居第一位的輕便車。日本三菱重工業(yè)公司最近推出了電動(dòng)自行車新產(chǎn)品，加入經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)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(dòng)自行車的競(jìng)爭(zhēng)行列。日本把電動(dòng)自行車作為最有發(fā)展前景的綠色交通工具來(lái)發(fā)展。
b.臺(tái)灣電動(dòng)自行車發(fā)展?fàn)顩r
臺(tái)灣自行車產(chǎn)業(yè)頗具實(shí)力。美利達(dá)公司開(kāi)發(fā)出鉛酸電池自行車，市場(chǎng)銷路很好;奇能、巨馬和瑞祥等多家電動(dòng)機(jī)車制造廠商，均致力于開(kāi)發(fā)一種超輕型專供短程使用的電動(dòng)自行車。瑞祥公司推出第二代電動(dòng)自行車的重量只在52公斤以下，奇能公司的全新設(shè)計(jì)EPED電動(dòng)自行車重量只有30多公斤。
最近，為推動(dòng)高科技電動(dòng)自行車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，自行車工業(yè)研發(fā)中心已著手部署第三代電動(dòng)自行車開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，將在馬達(dá)、控制器、電池等方面大幅強(qiáng)化效能的提升。個(gè)性化電動(dòng)輔助自行車與折疊式電動(dòng)輔助自行車等兩型車款將進(jìn)一步減輕重量。
c.國(guó)內(nèi)電動(dòng)自行車發(fā)展?fàn)顩r
我國(guó)電動(dòng)自行車開(kāi)發(fā)尚處起步階段，但還是比較重視電動(dòng)車的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。廣州和汕頭南澳縣是國(guó)家重點(diǎn)開(kāi)發(fā)電動(dòng)車的基地;政府和常州建立了中外合資常州山康電動(dòng)車有限公司和常州電動(dòng)車充換電有限公司。早在1996年政府就支持和鼓勵(lì)電動(dòng)車發(fā)展。目前，已有20多家企業(yè)參與電動(dòng)車的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，各種電動(dòng)自行車、電力助動(dòng)車、高性能電池、電機(jī)和控制器等相繼面世。上海于近日取得電力助動(dòng)車在電池研制關(guān)鍵技術(shù)上的重要突破，一些專業(yè)企業(yè)也已經(jīng)能夠批量生產(chǎn)，其使用壽命可達(dá)到充電400-500次，一次充電可行使40-50公里。
(2)太陽(yáng)能自行車
太陽(yáng)能自行車是將太陽(yáng)能直接變成電能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)行駛的自行車。主要由太陽(yáng)電池、直流電機(jī)、蓄電池和自行車組成。太陽(yáng)能電池是自行車的發(fā)電機(jī)，蓄電池把太陽(yáng)能變成的電能儲(chǔ)存起來(lái)，供自行車啟動(dòng)時(shí)較大的啟動(dòng)電流，或陰雨天和晚上使用。
太陽(yáng)能電池是固態(tài)器件，吸收陽(yáng)光并將光能直接轉(zhuǎn)變成電能，完全依靠?jī)?nèi)部的固體結(jié)構(gòu)完成這一功能，沒(méi)有任何活動(dòng)部件。要求太陽(yáng)能電池能提供120瓦功率的電源。南京航空航天大學(xué)范炳鶴教授研制出大面積硅太陽(yáng)電池應(yīng)用集成電路技術(shù)，把N型硅和P型硅與連接導(dǎo)線一起集成在光學(xué)玻璃基板上，組成305毫米X 305毫米方形太陽(yáng)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(yáng)能自行車，太陽(yáng)能電源由NPS硅太陽(yáng)電池和復(fù)旦大學(xué)BEST全密封維護(hù)蓄電池組合成。
太陽(yáng)能自行車是新生事物，集中“能源、環(huán)保、交通和新材料”四大領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，不斷完善后將成為特色小康型交通工具。
(3)落汽自行車
德國(guó)機(jī)械工程師赫爾貝特.勒特里希研制成一種以蒸汽為動(dòng)力的新型自行車。該車前輪左側(cè)部位裝有一只立式蒸汽鍋，右側(cè)部位裝有一臺(tái)活塞蒸汽機(jī)。蒸汽機(jī)所產(chǎn)生的傳動(dòng)力則是依靠一只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(diǎn)火器、安全閥門(mén)、強(qiáng)制式給水泵、手動(dòng)式供水泵、儲(chǔ)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(guò)車上的一只目鏡，檢查蒸汽鍋內(nèi)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(mén)設(shè)計(jì)并制造了一種夜光自行車。這種自行車并無(wú)任何結(jié)構(gòu)上的改變，只是在自行車兩只輪的輪圈上，粘貼一層涂有發(fā)光的彈性錫箔之類的膜。實(shí)驗(yàn)證明，這種車在夜間行駛時(shí)，可以在150米之內(nèi)被人們發(fā)現(xiàn)，即使是以每小時(shí)80公里的速度急馳的汽車，也來(lái)得及緊急處理情況，從而排除夜間的交通事故。
3.4造型
現(xiàn)代自行車造型設(shè)計(jì)的一大特點(diǎn)就是應(yīng)用新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)。有種無(wú)輻條、前后輪均為碳素鋼輪的自行車，其前輪略小，后輪略大，造型整體呈前傾狀態(tài)，高速行駛時(shí)，能減少空氣阻力具有較強(qiáng)的速度感和力感。1999年臺(tái)北自行車展示會(huì)上，Elebike公司展出了由工程學(xué)院的學(xué)生設(shè)計(jì)的兩人同時(shí)駕駛的新型三輪電動(dòng)自行車。車的前輪有一個(gè)轉(zhuǎn)矩，電池安裝在座墊下面，車駕與擋泥板創(chuàng)造出一種優(yōu)美的流線形。“羚羊型”、“白天鵝型”等使自行車造型趨于多樣化。“流線型”結(jié)構(gòu)造型以及改變駕駛者的姿態(tài)的“身尚式”造型是自行車造型發(fā)展的新趨勢(shì)。
3.5結(jié)構(gòu)
自行車的結(jié)構(gòu)多樣，金屬板、塑料的組合式、管式、組成式、軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、橡膠車架、碳精纖維車架、無(wú)幅條車輪、單輪車式、曲柄式往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、鋼絲幅條車輪、無(wú)滾珠軸承、蛇腹車架、雙管車架、雙圓棒車架、蜂窩結(jié)構(gòu)、玻璃纖維車架、流線型結(jié)構(gòu)、整體車輪、驅(qū)動(dòng)部與后軸的整體連結(jié)、無(wú)螺絲安裝、帶式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、流式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等m。而折疊式自行車是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型結(jié)構(gòu)的自行車.結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)便，性能更高.
(1)獨(dú)轉(zhuǎn)健身自行豐
一種獨(dú)輪健身自行車，由搖動(dòng)手柄、腳踏，輪子和保護(hù)架構(gòu)成，搖動(dòng)手柄和腳踏分別與棘爪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的棘爪固定，棘輪與車輪同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。使用者通過(guò)兩手的前后搖動(dòng)和腳踩腳踏兩種方式連續(xù)驅(qū)動(dòng)車輪行走。
(2)折圣式自行豐
德國(guó)斯圖嘉特市車輛設(shè)計(jì)鍛造公司最近開(kāi)發(fā)成功一種隨意放入任何一種行李箱內(nèi)的微型折疊式自行車。它裝有可調(diào)式支承座的鞍管和車架上的避震器可迅速?gòu)能嚰苌闲断拢嚰芡ㄟ^(guò)一種新式中軸活絡(luò)關(guān)節(jié)一步折疊到位。車架制造采用“中空事骨架件”方法，既有效提高車架抗扭強(qiáng)度.又可顯著減輕車架重量。
日本成功制造出總重量?jī)H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。車體材料采用堅(jiān)固而較輕的欽合金，所有框架采用中空工藝加工，框架管子的壁厚僅有1毫米，此外，輪胎采用了聚氨酷橡膠等輕量材料，所有部位盡可能設(shè)法變輕.折疊設(shè)計(jì)方面，對(duì)折疊后的高度、厚度都進(jìn)行了嚴(yán)格調(diào)查比較，產(chǎn)品最終實(shí)現(xiàn)了能滿足多種情況下的攜帶與放置。
臺(tái)灣展開(kāi)發(fā)公司推出的折疊式電動(dòng)自行車獲日本外觀及結(jié)構(gòu)專利權(quán)。全車僅32公斤，攜帶方便、機(jī)動(dòng)性高。該車采用微電腦控制器，剎車自動(dòng)斷電，電源歸零起動(dòng)，具有電量指示燈，啟動(dòng)扭力大，速度可達(dá)25公里/hr，充電時(shí)間4-6小時(shí)，平地續(xù)航力可達(dá)40公里。前輪配置的12. 5英寸避震器已獲臺(tái)灣專利權(quán)，是目前臺(tái)灣行程尺寸最短的避震器。
我國(guó)柯思達(dá)發(fā)明的折疊自行車系列產(chǎn)品，性能上具有折疊迅速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，與同類產(chǎn)品相比，體積小1/2，重量輕1/3，折疊時(shí)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(lè)、競(jìng)賽等多方面功能。隨著高新技術(shù)的不斷提高，一運(yùn)用越來(lái)越廣泛，功能越來(lái)越完備，出現(xiàn)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(nèi)裝、外裝、手動(dòng)無(wú)級(jí)變速、電氣式自動(dòng)無(wú)級(jí)變速、流體變速、細(xì)繩式、帶式、隨動(dòng)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(jī)式、柱塞式、和諧傳動(dòng)、行星齒輪式、照相機(jī)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，變速的范圍較大，多用于山地車。內(nèi)裝變速器暗藏于后花鼓中，由于設(shè)計(jì)的空間有限，變速的范圍較有限，一般用于城市內(nèi)騎行的輕便車。森威系列中的摩擦式換檔變速器，采用低接觸式走線方式和擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)前、后自動(dòng)定位定檔工NDEX調(diào)速。它選用高強(qiáng)度的壓鑄鋁、塑脂件，采用旋轉(zhuǎn)手柄、GD型飛輪，具有預(yù)撥功能，使得工NDEX系統(tǒng)達(dá)到平順、準(zhǔn)確的變速性能。最新產(chǎn)品中還有通過(guò)電腦感應(yīng)和微型馬達(dá)來(lái)自動(dòng)進(jìn)行變速的全自動(dòng)內(nèi)變速系統(tǒng)。通過(guò)變速把上的電腦液晶FLGHT DECK電子顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)顯示時(shí)間、平均速度、騎行總距離等17種的功能。
(2)山地自行牟
山地自行車適于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(lián)合開(kāi)發(fā)的山地自行車，用一根管材構(gòu)成的龍骨代替了傳統(tǒng)的四邊形車架。此車將后輪，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(jī)構(gòu)中的鏈條張緊力不受到車輪跳動(dòng)的影響，解決了后懸掛系統(tǒng)的自行車經(jīng)常遇到的問(wèn)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(fā)揮乘騎者的最大極限，提高耐沖擊性，普遍采用高性能的前后叉避震設(shè)計(jì)，懸吊式后避震系統(tǒng)和彈簧壓迫式的傳動(dòng)系統(tǒng)。在把手、避震座管、立管等各部分均采用創(chuàng)新的材料，使自行車的“減震”功能幾乎可以與機(jī)車相媲美。同時(shí)，為了減少抗風(fēng)阻系數(shù)，以往管狀的車身已逐漸為扁平的設(shè)計(jì)所代替。第四章車架造型設(shè)計(jì)
自行車創(chuàng)新設(shè)計(jì)包括所示的各個(gè)方面，本論文重點(diǎn)討論車架造型、傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。本章首先研究車架造型設(shè)計(jì)。
4自行車造型個(gè)性化設(shè)計(jì)程序與方法
4.1自行車造型個(gè)性化設(shè)計(jì)的基本方法
4.1.1目標(biāo)消費(fèi)群體分析
根據(jù)上一章分析的內(nèi)容，自行車的消費(fèi)行為取決十目標(biāo)消費(fèi)群體的兩方面?zhèn)�性:其中動(dòng)機(jī)、態(tài)度、消費(fèi)觀決定了其購(gòu)買(mǎi)自行車的類型、使用情境和檔次;而個(gè)性氣質(zhì)以及感知尺度決定了自行車的風(fēng)格特征。因此，設(shè)計(jì)自行車或零件造型，需要先分析目標(biāo)消費(fèi)群體這兩方面的信息。
具體的過(guò)程是，首先了解影響消費(fèi)群體購(gòu)買(mǎi)自行車行為的客觀因素，如當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)文化、目標(biāo)消費(fèi)群體所處的社會(huì)階層、當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境等等;其次，分析目標(biāo)消費(fèi)群體的購(gòu)買(mǎi)動(dòng)機(jī)、態(tài)度及其消費(fèi)觀，判斷適合目標(biāo)消費(fèi)群體使用的自行車的功能和檔次;最后分析目標(biāo)消費(fèi)群體的個(gè)性與氣質(zhì)，以及市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手產(chǎn)品的風(fēng)格特征，判斷出合適的自行車造型風(fēng)格特征。
4.1.2自行車消費(fèi)動(dòng)機(jī)需求的分類
建立基十使用情境的自行車個(gè)性尺度模型，需要首先了解消費(fèi)者的購(gòu)買(mǎi)動(dòng)機(jī)，不同動(dòng)機(jī)的消費(fèi)者，對(duì)自行車的各種屬性的態(tài)度會(huì)有很大不同。根據(jù)上文提及的“影響自行車消費(fèi)的客觀因素”，以及第二章提及的現(xiàn)代自行車的功能特性差異，筆者對(duì)消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)自行車的使用的動(dòng)機(jī)需求概括為“代步”、“休閑”、“旅游”、“表演”、“競(jìng)速”、“極限運(yùn)動(dòng)”、“運(yùn)輸”七類，而其中“運(yùn)輸”需求，因?yàn)樽孕熊嚨乃俣取⑦\(yùn)輸能力、機(jī)動(dòng)性能等限制，已逐漸被電動(dòng)車、汽車等其他交通工具代替。因此建立模型時(shí)，動(dòng)機(jī)需求中放棄了“運(yùn)輸”這一項(xiàng)。
4.1.2.1代步
從自行車發(fā)明以來(lái)，代步就是自行車最基本的功能。通過(guò)蹬踏自行車，可以加快到達(dá)目的地的速度，節(jié)省時(shí)間和體能。時(shí)至今口，人們使用自行車的動(dòng)機(jī)還有不少是用十代步。屬十代步范圍的動(dòng)機(jī)有:上下班、上學(xué)放學(xué)、購(gòu)物、買(mǎi)菜、走訪親友，參加其他活動(dòng)等等口常生活以及公務(wù)活動(dòng)，自行車僅僅作為交通工具來(lái)使用。
4.1.2.2休閑
休閑是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的特征之一。隨著科技進(jìn)步，文明程度提高，我國(guó)用工時(shí)間不斷規(guī)范和縮短，普通人有越來(lái)越多的休息時(shí)間。五天工作制和各種傳統(tǒng)節(jié)口的制定，都為大眾提供了更多進(jìn)行休閑活動(dòng)的機(jī)會(huì)。過(guò)去休閑方式以看電視，瀏覽報(bào)紙，等被動(dòng)休息為主，而現(xiàn)在人們的觀念逐漸發(fā)生改變，意識(shí)到需要積極主動(dòng)地尋找適合自己的活動(dòng)方式，因此利用自行車進(jìn)行休閑活動(dòng)成為現(xiàn)在的熱門(mén)休閑活動(dòng)之一。“休閑”和“代步”兩種動(dòng)機(jī)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(dòng)中扮演重要的角色。屬十休閑范圍的動(dòng)機(jī)有:外出兜風(fēng)、公園內(nèi)騎行、短距離的戶外活動(dòng)(如露營(yíng)、野炊、登山、越野)等等。自行車為人們的休閑活動(dòng)增添了樂(lè)趣，貼近了自然，越來(lái)越受到人們的歡迎。
4.1.2.3旅游
旅游也屬十廣義休閑的一種，產(chǎn)生“旅游”動(dòng)機(jī)的原因與“休閑”類似，而在自行車“旅游”動(dòng)機(jī)中，更關(guān)心的是通過(guò)自行車游歷其他地區(qū)，攜帶大量行李，在遠(yuǎn)離自己住所的其他環(huán)境中體驗(yàn)不一樣的生活。很多時(shí)候，使用自行車旅游的人會(huì)被稱為“驢友”。屬十旅游范圍的動(dòng)機(jī)有:騎行至外地，或者在外地騎行;到旅游景點(diǎn)地區(qū)游覽等等。
4.1.2.4表演
表演指使用者利用自行車進(jìn)行某些需要經(jīng)過(guò)訓(xùn)練、常人難以做到的動(dòng)作，并配合音樂(lè)、道具、場(chǎng)景以取悅觀眾。這些活動(dòng)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(yè)。屬十“表演”動(dòng)機(jī)的范圍有:平地花式BMX,攀爬、街式等，或者一些DH自行車活動(dòng)。
4.1.2.5競(jìng)速
競(jìng)速屬十專業(yè)運(yùn)動(dòng)范疇，指在特定的場(chǎng)地中，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成指定路線的騎行，并與其他競(jìng)速選手競(jìng)爭(zhēng)完成時(shí)間，速度最快者獲勝。競(jìng)速動(dòng)機(jī)基本表現(xiàn)在參加自行車比賽的行為上。隨著我國(guó)自行車水平的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)各種專業(yè)和業(yè)余的自行車比賽數(shù)量口益增加，如“禧碼諾車迷節(jié)”、“黃山賽”等，因?yàn)楦?jìng)速動(dòng)機(jī)而購(gòu)買(mǎi)自行車的消費(fèi)者也越來(lái)越多。屬十“競(jìng)速”動(dòng)機(jī)的范圍有:山地自行車比賽、公路自行車比賽、個(gè)人計(jì)時(shí)賽、鐵人二項(xiàng)比賽等等。
4.1.2.6極限運(yùn)動(dòng)
極限運(yùn)動(dòng)是特別的自行車運(yùn)動(dòng)，使用者通過(guò)自行車挑戰(zhàn)極高難度的路況和動(dòng)作，以超越人類極限為目標(biāo)，追求過(guò)程中的刺激感。極限活動(dòng)具有很大的危險(xiǎn)性，因此要求自行車及護(hù)具的強(qiáng)度要足夠勝任。屬十“極限運(yùn)動(dòng)”動(dòng)機(jī)的范圍有:自由騎、墜山、街式等高強(qiáng)度的山地騎行活動(dòng)，以及平地花式等以技巧性為主的騎行活動(dòng)。
4.1.3自行車造型特征的設(shè)計(jì)
自行車的造型設(shè)計(jì)需要服從十功能，具有很大的局限性。但是局限并不代表無(wú)法設(shè)計(jì)。自行車框架是最重要的設(shè)計(jì)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、車架和前叉外管的涂裝都屬十可塑造的部分。同日寸，坐墊、座桿、把組的形狀、涂裝也影響整車的風(fēng)格。然后是自行車的其他系統(tǒng)部分，屬十造型的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。如曲柄的表面、快拆、后撥、剎把、火器等，出色的設(shè)計(jì)可以起點(diǎn)綴的作用，讓整車風(fēng)格更加協(xié)調(diào)。對(duì)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(yuǎn)大十造型表征性的零部件。
4. 2設(shè)計(jì)原則
自行車設(shè)計(jì)要從材料強(qiáng)度、騎行運(yùn)動(dòng)學(xué)、加工工藝，可靠性等各個(gè)方面進(jìn)行考慮，這些因素都直接影響著車架的外觀美感、強(qiáng)度大小和彈性優(yōu)劣。而車架造型很大程度上決定著自行車騎行好壞、易轉(zhuǎn)性能、騎行舒暢感等。車架管材的長(zhǎng)短、構(gòu)成的角度等影響整體自行車的特性。除考慮車架的造型結(jié)構(gòu)尺寸外，尤其應(yīng)該考慮自行車與人的協(xié)調(diào)關(guān)系，以及身體尺寸與自行車各部件之間的關(guān)系。主要的基本技術(shù)參數(shù)有:前管軸線與地面夾角。、立管軸線與地面夾角p、傳動(dòng)中心距C、前后輪中心距D、中接頭中心離地距離E等。只有這些參數(shù)均趨于合理，才能保證自行車的穩(wěn)定性和操縱性。下面以賽車為例，討論如何確定車架設(shè)計(jì)方案。
4.2.1基本原則
(1)賽車的性能是通過(guò)人來(lái)體現(xiàn)的，它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)以人為主，充分考慮到人體工程學(xué)、自行車運(yùn)動(dòng)學(xué)、形態(tài)美學(xué)等方面的知識(shí)。
(2)賽車車架的形狀和尺度與其功能有關(guān)。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(qiáng)度，并且盡量減少重量。具有良好的抗沖擊、耐疲勞性，以保證壽命使用。
4.2.2形態(tài)設(shè)計(jì)
碳纖維賽車車架造型采用流線型整體結(jié)構(gòu)，其性能分析有以下優(yōu)點(diǎn):互磨擦、流線型結(jié)構(gòu):可最大限度地減少空氣阻力，提高騎行速度。整體式結(jié)構(gòu):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(dòng)力傳遞損耗。
4.2.3結(jié)構(gòu)尺寸確定
(1)車架規(guī)格
運(yùn)動(dòng)員下肢(大腿、小腿、腳)的長(zhǎng)短，決定車架的高度。上肢(上臂、下臂和手腕)的長(zhǎng)短與胸之和，決定車架的長(zhǎng)度。
(2)前角和后角
前角指前管對(duì)于車架的傾斜度。前角為710時(shí)，操縱性和穩(wěn)定性都比較好，確定其范圍為650 -750。賽車車架的前角更陡，采用730-750，這樣在騎行時(shí)反應(yīng)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(rèn)為在680 -73。范圍內(nèi)。當(dāng)傳動(dòng)中心距設(shè)定的值較小時(shí)，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(dǎo)向靈活性，一般取較小的值。
(4)上管長(zhǎng)度
從鞍立管接頭到前叉接頭的長(zhǎng)度，角度較陡的賽車車架相應(yīng)地使上管縮短了。這樣可使騎車者能下?lián)渲p手握住車把騎行，以減小風(fēng)的阻力并增強(qiáng)腳踏的力量。
(5)轉(zhuǎn)距
為了減少自行車的重量，提高運(yùn)動(dòng)性能，必須考慮盡量縮短輪距。前、后輪中心距的尺寸大小與傳動(dòng)中心距有關(guān)，當(dāng)傳動(dòng)中心距較小時(shí)前、后輪中心距可取小一些，反之取大一點(diǎn)。
(6)后心距
從保證車架的剛性和良好的加速性能出發(fā)，盡量縮短后心距。
5傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
根據(jù)創(chuàng)新性基本原理和思維活動(dòng)方式中的發(fā)散思維，自行車傳動(dòng)形式不局限于機(jī)械傳動(dòng)，還有液動(dòng)、氣動(dòng)、磁動(dòng)、電動(dòng)等多種新型式。機(jī)械動(dòng)力傳動(dòng)的具體形式又有鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、軸傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、棘輪棘爪傳動(dòng)，等等，可供設(shè)計(jì)者參考選擇。
鏈傳動(dòng)是一種具有中間繞性件的非共轆嚙合傳動(dòng)，一般分為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和運(yùn)輸傳動(dòng)兩種方式。有滾子鏈、齒形鏈、雙節(jié)距長(zhǎng)環(huán)滾子鏈。自行車鏈條與相同節(jié)距規(guī)格的傳動(dòng)用滾子鏈相比，寬度窄、重量輕、精度低、機(jī)械性能低，但價(jià)格便宜。
鏈條鏈輪傳動(dòng)因?yàn)橛衅渌鼈鲃?dòng)形式所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)而成為現(xiàn)代自行車傳動(dòng)系統(tǒng)的主要表現(xiàn)形式。
鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)都無(wú)彈性滑動(dòng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)效率高。對(duì)要求轉(zhuǎn)速恒定的兩軸傳動(dòng)和多軸傳動(dòng)，采用鏈和齒輪都很適宜。鏈條對(duì)軸作用力較小，鏈預(yù)緊力比帶傳動(dòng)小得多，減輕軸和軸承上的壓力，減小磨損。同時(shí)結(jié)構(gòu)尺寸較緊湊，裝拆方便。
當(dāng)然，鏈傳動(dòng)也存在其無(wú)法克服的缺點(diǎn)。當(dāng)空間限制要求有中心距小;瞬時(shí)傳動(dòng)比要求恒定;傳動(dòng)比大;轉(zhuǎn)速極高;噪聲要求小的時(shí)候，鏈傳動(dòng)的使用性能不如齒輪傳動(dòng)。當(dāng)空間限制要求有中心距很長(zhǎng);轉(zhuǎn)速極高;無(wú)潤(rùn)滑油，噪聲要求小的時(shí)候，鏈傳動(dòng)的使用性能不如帶傳動(dòng)。當(dāng)要求運(yùn)動(dòng)連續(xù)光滑時(shí)，鏈傳動(dòng)的使用性能不如軸傳動(dòng)。
鏈的使用壽命受到鉸鏈磨損的限制。磨損使鏈節(jié)距增大，擺動(dòng)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(dòng)力潤(rùn)滑油膜，且摩擦系數(shù)高，會(huì)出現(xiàn)局部粘著現(xiàn)象。為提高使用壽命和效率，需設(shè)置張緊裝置(張緊輪、張緊軌道)來(lái)補(bǔ)償由磨損引起的滾子鏈伸長(zhǎng)。由于鏈傳動(dòng)具有由多邊形效應(yīng)引起的運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻性并產(chǎn)生沖擊力，傳動(dòng)平穩(wěn)性欠佳，因此，必須使鏈和鏈輪質(zhì)量減小，鏈節(jié)距和鏈環(huán)長(zhǎng)在充分利用鏈的強(qiáng)度條件下限制到最小值。
鏈輪齒形設(shè)計(jì)對(duì)提高傳動(dòng)鏈條承載能力，實(shí)現(xiàn)共輛嚙合鏈傳動(dòng)具有重要的作用。美國(guó)摩斯公司推出的鏈輪采用30度壓力角的漸開(kāi)線齒形，形成HV鏈傳動(dòng)專利產(chǎn)品，具有良好的高速性能，鏈輪最高轉(zhuǎn)速可達(dá)12000r/min，傳遞的最大功率可達(dá)4000kw。因此，針對(duì)配用鏈條的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按照鏈傳動(dòng)的嚙合機(jī)理，研究鏈輪的齒形是鏈輪發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。
非圓鏈輪技術(shù)近年來(lái)得到發(fā)展與運(yùn)用。變速自行車采用非圓驅(qū)動(dòng)鏈輪有助于減少自行車鏈輪大拐處在垂直位置時(shí)對(duì)傳動(dòng)效率的不利影響，便于腿發(fā)力且節(jié)約運(yùn)動(dòng)距離。
結(jié)語(yǔ)
自行車產(chǎn)品有其特殊性，它的結(jié)構(gòu)既承擔(dān)物理功能，又直接體現(xiàn)外觀。它的個(gè)性化和其他產(chǎn)品相比較有一定的難度，但隨著技術(shù)的發(fā)展，這種產(chǎn)品的形式和內(nèi)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年第一臺(tái)自行車誕生開(kāi)始，它就沒(méi)停止過(guò)發(fā)展的腳步，至今已經(jīng)有十幾類不同功能、造型的自行車。自行車用途的多樣化，和自行車部件接口的標(biāo)準(zhǔn)化，讓現(xiàn)代自行車的造型充滿了無(wú)數(shù)的可能性，每一種，甚至每一輛自行車都擁有自己獨(dú)特的個(gè)性。因此要研究自行車個(gè)性，需要從它的構(gòu)件、使用情境，消費(fèi)者的需求等方面入手，通過(guò)分析目標(biāo)消費(fèi)群體的消費(fèi)心理，消費(fèi)過(guò)程，找對(duì)自行車的受眾及個(gè)性化需求，才能提高競(jìng)爭(zhēng)力。
影響消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)自行車的因素有很多，內(nèi)部因素有消費(fèi)者自身的個(gè)性，氣質(zhì)，消費(fèi)觀，外部因素有社會(huì)文化，生活環(huán)境，人口因素等等。消費(fèi)者的動(dòng)機(jī)、態(tài)度消費(fèi)觀決定了自行車的種類;消費(fèi)者的個(gè)性、氣質(zhì)決定了自行車的風(fēng)格;消費(fèi)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(gè)性化，要從兩方面入手。一是按消費(fèi)者的動(dòng)機(jī)需求劃分，這是根據(jù)自行車的使用情境進(jìn)行分析;二是按自行車的造型和涂裝等風(fēng)格劃分，這是根據(jù)目標(biāo)消費(fèi)人群的需求和個(gè)性進(jìn)行分析。通過(guò)兩種分析結(jié)合，就可以對(duì)某一自行車的個(gè)性找到其目標(biāo)消費(fèi)群體，或者通過(guò)分析目標(biāo)消費(fèi)群體，確定他們樂(lè)意接受的自行車的個(gè)性風(fēng)格。
中國(guó)屬十自行車消費(fèi)大國(guó)，自行車曾經(jīng)是國(guó)人眼里的“大件”商品。但在汽車文化盛行的今天，自行車逐漸失去了國(guó)人的關(guān)注。而八十年代后國(guó)外自行車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，以及國(guó)內(nèi)同行停滯不前，使得國(guó)產(chǎn)自行車水平漸漸與國(guó)際水平脫節(jié)，國(guó)內(nèi)許多廠商面臨巨大的生存壓力。如何提高自行車的技術(shù)和質(zhì)量，發(fā)展自行車產(chǎn)品的個(gè)性化，是國(guó)內(nèi)自行車產(chǎn)業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。
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