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机械械创新设计案例案例10自行车的演变和开发1．自行车的演变史17世纪初期人们开始研究用人力驱动车轮的交通工具。机械师加赛纳首先提出一种手驱动的方式，驾驶者骑在车座上，用力拉一条绕在车上并能带动轮子转动的环状绳子，使车前进。1816年至1818年在法国出现了两轮间用木梁联接的双轮车，骑车者骑坐在梁上，用两脚交替蹬地来推动车子前进。这种车称为“趣马”(HobbyHorse)，如图例10—la。当时它是贵族青年的玩物，不久就过时了。一种真正的双轮自行车(Bicycle)是1830年由苏格兰铁匠麦克米伦发明的。他在两轮小车的后轮上安装曲柄，曲柄与脚踏板用两根连杆相连，如图例10—1b，只要反复蹬踏悬在前支架上的踏板，驾驶者不用蹬地就可驱动车子前进。趣马曲柄+连杆+脚踏板式为了提高骑行的速度，法国人拉利门特在1865年进行了改进，将回转曲柄置于前轮上，骑行者直接蹬踏曲柄驱车前进。此时前轮装在车架前端可转动的叉座上，能较灵活地把握方向；后轮上有杠杆制动，骑行者对车的控制能力加强了，如图例10—1c。这种自行车脚踏板转动一周，车子前进的距离与前轮周长相等。为了加快速度，人们不断增大前轮直径(但为了减轻重量，同时将后轮缩小)，有的前轮大至56in(1.42m)、64in(1.63m)，甚至80in(2.03m)，如图例10—1d。如此结构使骑行者上下车很不方便且不安全，影响了这种“高位自行车”的使用。回转曲柄式1879年英格兰人劳森又重新考虑采用后轮驱动，设计了链传动的自行车，采用较大的传动比，从而排除了采用大轮子的必要性，使骑行者安全地骑坐在合适高度的座位上，它称为安全自行车，如图例10—1e。在这时期随着科学技术的发展，自行车结构还做了不少改进。如采用受力合理的菱形钢管支架，这样既提高了强度，又能减轻重量；用滚动轴承提高效率；1888年邓洛普引入充气轮胎，使自行车行走更加平稳。由此，自行车逐渐定型，成为普遍使用的交通工具。由于不断提出新的需求，经过种种改革，使自行车的功能和结构逐步完善起来，而从开始研究到定型差不多经过了80年。2．新型自行车的开发随着科学技术发展，人们生活水平不断提高，发现原有自行车有不少缺点，同时也根据需要提出一些希望点，在此基础上开发了多种新型自行车。1)助力车为省力开发出多种助力车，为避免对环境的污染，电动车较受欢迎，小巧的电机和减速装置放于后轮毂中，直接驱动车轮，电源则采用干电池。2)考虑宜人性的新型车英国发明家伯罗斯发明躺式三轮车，车上座位根据人体工程学设计，躺式蹬车省力，时速可达50km。摇杆式自行车将回转蹬踏变为两脚往复蹬踏，这样能充分使人蹬车时在90°-120°范围内做有用功，而去除做无用功的动作。两摆杆通过链条分别带动超越离合器使后轮转动。3)传动系统的变异链传动易磨损掉链。新开发的齿轮传动自行车脚蹬带动齿轮通过传动轴将运动传至后轮，提高传动效率。传动体包覆，无绞人裙摆、裤脚之忧。上海凯瑞驰自行车公司已生产这种自行车系列。根据需要将单速车改型为变速车，最多可达15种变速。开发自适应调速装置，在上坡或蹬踏阻力大处自动调至低速挡。4)塑料自行车工程塑料的引入对自行车性能有很大改进。碳纤维自行车采用碳纤维模压做成整体无骨架式车身。其特点是强度高，避免有焊接薄弱点；无横梁，重心低，行车便于控制；流线外形，风阻小；重量轻(约11kg，比金属架车轻1.5kg)；速度快(比金属架车每公里快3s)。在巴塞罗那奥运会，一名美国车手骑着定做的一辆碳纤维自行车取得金牌并破世界纪录。全塑自行车图为车架、车轮皆为塑料整体结构，一次模压成型；车把为整流罩式全握把，整车呈流线型。日本伊嘉制作公司开发的全塑自行车整车重量仅7.5kg。高速自行车美国加利福尼亚大学学生弗朗斯等人设计的半躺式DexterHysol“猎豹”自行车车速达68.73mi1e／h，创世界新纪录。(猎豹奔跑时速可达68mi1e／h。图所示的这种高速自行车具有以下特点：(1)采用“躺式”，骑车者能发挥最大动力，并减小风阻面积；(2)双级链传动升速；(3)以高强度碳纤维复合材料注塑整体车座和大梁。采用碳纤维车把和立柱，铝制链套和中轴套，连同碳纤维车外罩，全车总重量只有29.5lb(约13.4kg)；(4)采用宇航粘合剂取代传统紧固件，既减轻重量，又使载荷和应力均布在更大面积上，增加强度，减少振动；(5)运用空气动力学原理对车外罩形状进行优化设计，形成笼罩骑车者的流线型封闭舱，提高空气动力学效率30％以上。图所示为巡警用自行车，车上装有内藏式无线电通话设备、手电筒支架，还配备了便于上被追击用的电动助力装置。双人自行车成家庭型自行车(双人前后蹬踏，中间有几个孩子的车座)由两个人驱动，分别设有单向离合器，使驱动力同时推动车轮而不互相干涉。7)小型自行车为便于搬上高楼或放在汽车后厢外出旅游运动，开发了多种折叠式小型自行车。美国开发的一种便于携带的折叠式自行车，折叠后最小体积仅27in×8.5in×8.5in，可放于汽车或火车座位底下，打开只需15s。其它类型的自行车旅行箱式折叠自行车旅行箱式折叠自行车1旅行箱式折叠自行车2具有革新精神的自行车三合一自行车世界上最小的折叠自行车3．几点启示1)小小普通的自行车可以有多种新型原理和结构，而且还会不断改进、翻新。可见处处有创新之物，创新设计是大有可为的。2)人类和社会的需要是创造发明的源泉。社会的需要促使了自行车的演变，也正是社会的需要产生了各种新型功能和结构的自行车。紧紧抓住社会的需要，将使创新设计史具有生命力。3)不断发展的科学理论和新技术的引入，使产品日趋先进和完善。如高速自行车的开发中考虑到空气动力学和人体力学，采用了新型材料和先进结构，还应用计算机辅助手段进行优化，故具有先进的性能。实践证明，充分利用先进设计理论和科学技术是创新设计中必须重视的问题。