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1、机械械创新设计案例机械械创新设计案例案例案例10 自行车的演变和开发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”(Hobby Horse)，如图例10la。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
2、连杆相连，如图例101b，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n n为了提高骑行的速度，法国人拉利门特在为了提高骑行的速度，法国人拉利门特在18651865年进行了改进，将回转曲柄置于年进行了改进，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，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，如图例如图例10101c1c。这种自行车脚踏板转动一周，车子
3、前进的距离与前轮周长相等。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。n n为了加快速度，人们不断增大前轮直径为了加快速度，人们不断增大前轮直径(但为了减轻重量，同时将后轮缩小但为了减轻重量，同时将后轮缩小)，有，有的前轮大至的前轮大至56in(1.42m)56in(1.42m)、64in(1.63m)64in(1.63m)，甚至，甚至80in(2.03m)80in(2.03m)，如图例，如图例10101d1d。如此。如此结构使骑行者上下车很不方便且不安全，影响了这种结构使骑行者上下车很不方便且不安全，影响了这种“高位自行车高位自行车”的使用。的使用。回转曲柄式回转曲柄式n n18
4、791879年英格兰人劳森又重新考虑采用后轮驱动，设计了年英格兰人劳森又重新考虑采用后轮驱动，设计了链传动链传动的自行的自行车，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，它称为安全地骑坐在合适高度的座位上，它称为安全自行车安全自行车，如图例，如图例10101e1e。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；用滚受力合理的菱形钢管支架，这样既提高了强度，又能减轻
5、重量；用滚动轴承提高效率；动轴承提高效率；18881888年邓洛普引入充气轮胎，使自行车行走更加平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。稳。由此，自行车逐渐定型，成为普遍使用的交通工具。n n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完善起来，而从开始研究到定型差不多经过了8080年。年。2 2新型自行车的开发新型自行车的开发n n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随着科学技术发展，人们生活水平不断提
6、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。自行车。n n 1)1)助力车助力车n n 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，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。电池。n n 2)2)考虑宜人性的新型车考虑宜人性的新型车n n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，英国发明家伯罗斯发明躺式三轮车，车
7、上座位根据人体工程学设计，躺式蹬车省力，时速可达躺式蹬车省力，时速可达50km50km。n n摇杆式自行车将回转蹬踏变为两脚往复蹬踏，这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样能充分使人蹬车时在90-12090-120范围内做有用功，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。动超越离合器使后轮转动。n n 3)传动系统的变异n n链传动易磨损掉链。新开发的齿轮传动自行车脚蹬带动齿链传动易磨损掉链。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。传动体包轮通过传动轴
8、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。产这种自行车系列。n n 根据需要将单速车改型为变速车，最多可达根据需要将单速车改型为变速车，最多可达1515种变速。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。速挡。n n4)塑料自行车n n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；
9、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；重量轻无横梁，重心低，行车便于控制；流线外形，风阻小；重量轻(约约11kg11kg，比金属架车轻，比金属架车轻1.5kg)1.5kg)；速度快；速度快(比金属架车每公里快比金属架车每公里快3s)3s)。在巴塞罗那。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。界纪录。全塑自行车全塑自行车全塑自行车全塑自行车n n图为车架、车轮皆为塑料整体结构，一次模压成型；车把图为车架、车轮皆为塑料整体结构，一次
10、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发的全塑自行车整车重量仅7.5kg7.5kg。n n高速自行车高速自行车n n美国加利福尼亚大学学生弗朗斯等人设计的半躺式美国加利福尼亚大学学生弗朗斯等人设计的半躺式Dexter HysolDexter Hysol“猎豹猎豹”自自行车车速达行车车速达68.73mi1e68.73mi1eh h，创世界新纪录。，创世界新纪录。(猎豹奔跑时速可达猎豹奔跑时速可达68mi1e68mi1eh h。n n图所示的这种高速自行车具有以下特点：图所示的这种高速自行车具有以下
11、特点：(1)(1)采用采用“躺式躺式”，骑车者能发挥最大动力，并减小风阻面积；，骑车者能发挥最大动力，并减小风阻面积；(2)(2)双级链传动升速；双级链传动升速；(3)(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，全车总重量只有链套和中轴套，连同碳纤维车外罩，全车总重量只有29.5lb(29.5lb(约约13.4kg)13.4kg)；(4)(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
12、均布在更大面积上，增加强度，减少振动；积上，增加强度，减少振动；(5)(5)运用空气动力学原理对车外罩形状进行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，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提高空气动力学效率3030以上。以上。n n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。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双人前后蹬踏，中间有几个孩
13、子的车座)由两个人驱由两个人驱动，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。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。n n 7)7)小型自行车小型自行车n n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 8.5in8.5in27in 8.5in8.5in，可放于汽，可放于汽车或火车座位底下，打开只需车或火车座位底下，打开只需15s15s。n n其它类型的自
14、行车其它类型的自行车n n旅行箱式折叠自行车旅行箱式折叠自行车旅行箱式折叠自行车旅行箱式折叠自行车n n旅行箱式折叠自行车旅行箱式折叠自行车旅行箱式折叠自行车旅行箱式折叠自行车1 1 1 1n n旅行箱式折叠自行车旅行箱式折叠自行车旅行箱式折叠自行车旅行箱式折叠自行车2 2 2 2n n具有革新精神的自行车具有革新精神的自行车具有革新精神的自行车具有革新精神的自行车n n三合一自行车三合一自行车三合一自行车三合一自行车n n世界上最小的折叠自行车世界上最小的折叠自行车世界上最小的折叠自行车世界上最小的折叠自行车n n3 3几点启示几点启示 1)1)小小普通的自行车可以有多种新型原理和结构，而且
15、还会不断改进、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。可见翻新。可见处处有创新之物处处有创新之物，创新设计是大有可为创新设计是大有可为的。的。2)2)人类和社会的人类和社会的需要需要是创造发明的是创造发明的源泉源泉。社会的需要促使了自行车的演。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。住社会的需要，将使创新设计史具有生命力。3)3)不断发展的不断发展的科学理论科学理论和和新技术新技术的的引入引入，使产品日趋先进和完善。如，使产品日趋先进和完善。如高高速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。问题。