李文江，王小元，汪壯壯

一款概念自行車的設(shè)計與研究

李文江，王小元，汪壯壯

本文設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)簡潔、款式新穎并且造型優(yōu)美，同時滿足消費者時尚需求的概念自行車。其特點：采用齒輪傳動系統(tǒng)和自主設(shè)計的軸承式回轉(zhuǎn)機構(gòu)，實現(xiàn)無輪輻結(jié)構(gòu)；采用雙減震器和軸承式回轉(zhuǎn)機構(gòu)；優(yōu)化坐墊模型，提高了人體舒適性；大膽的對自行車結(jié)構(gòu)進行了簡化，根據(jù)空氣動力學(xué)原理設(shè)計出動感的車架。設(shè)計結(jié)果表明該款自行車結(jié)構(gòu)切實可行，符合消費者的消費需求，同時為新款自行車的設(shè)計研發(fā)開辟了一條新途徑。

概念自行車；無輪輻結(jié)構(gòu)；雙減震器；軸承式回轉(zhuǎn)機構(gòu)

隨著生活節(jié)奏的加快，交通擁堵、環(huán)境惡化、人們健康水平下降等問題普遍存在［1］。越來越多的人們在改變著自己的出行方式，選擇自行車作為交通和健身工具。騎自行車不僅方便快捷、節(jié)能減排，而且還有益于身心健康。以自行車作為代步健身工具，不失為當(dāng)前最積極主動、最綠色環(huán)保的一種方法［2-3］。

圖1為傳統(tǒng)自行車結(jié)構(gòu)示意圖，傳統(tǒng)自行車存在輻條安裝麻煩，鏈條裝配、調(diào)試、維修不方便等缺陷。針對這些缺陷，作者設(shè)計了一款外形簡約、時尚無輪輻結(jié)構(gòu)的概念自行車。

圖1 傳統(tǒng)自行車結(jié)構(gòu)示意圖

一、概念自行車的設(shè)計研發(fā)思路

概念自行車預(yù)示著未來自行車的發(fā)展前景。由于普通自行車結(jié)構(gòu)繁雜，維修費時，本文采用新機構(gòu)替代傳統(tǒng)復(fù)雜的機構(gòu)，進而達到概念自行車的設(shè)計目的。

概念自行車設(shè)計研發(fā)的基本思路是：在設(shè)計靈感基礎(chǔ)上進行PS手繪，通過手繪圖紙進行機構(gòu)設(shè)計和產(chǎn)品造型，建立數(shù)學(xué)模型，并對其可行性進行理論分析，進而獲得理想的設(shè)計結(jié)果。

二、概念自行車的主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

（一）PS手繪

為了快速建立三維模型，首先PS手繪表達出概念自行車的效果圖，如圖2所示，用于指導(dǎo)3D模型的建立。

圖2 PS手繪效果圖

（二）無輪輻結(jié)構(gòu)

概念自行車的核心是無輪輻機構(gòu)的實現(xiàn)。自行車的鋼圈并非普通鋼圈，它由一個普通鋼圈、一個內(nèi)齒輪和一個軸承構(gòu)成，而鋼圈兩側(cè)則是通過后輪支撐板壓住鋼圈里面的鋼球，這樣，形成了一個類似于軸承的車輪，如圖3所示。

圖3 無輪輻結(jié)構(gòu)設(shè)計

自行車的前后輪都采用了無輪輻結(jié)構(gòu)，內(nèi)部鋼圈是普通鋼圈、內(nèi)齒輪和軸承的結(jié)合體。鋼圈被兩邊的后輪支撐板壓住，后面部分相當(dāng)于一個外面支撐板不動，里面鋼圈在動的軸承。當(dāng)自行車由齒輪驅(qū)動時，支撐板不動，鋼球有效地將滑動摩擦變成滾動摩擦，鋼圈和輪胎一起轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)了無輪輻車輪機構(gòu)。

（三）齒輪傳動

概念自行車采用圓形齒輪作傳動系統(tǒng)，優(yōu)化組合齒輪構(gòu)成傳動比較大的輪系，如圖4所示，取代傳統(tǒng)的鏈傳動。其中齒輪1和2、7和8組成周轉(zhuǎn)輪系，齒輪3和4、5和6組成定軸輪系，齒輪1是輸入齒輪，齒輪8是輸出齒輪。齒輪傳動不但能克服鏈傳動時有噪音和磨損后容易發(fā)生跳齒，不易用于載荷變化大、高速和急速反向的傳動等缺陷，而且具有傳動平穩(wěn)可靠、傳動比穩(wěn)定、工作效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長等優(yōu)點［4］。

圖4 傳動齒輪

齒輪的簡化模型如圖5所示，已知各齒輪的齒數(shù)Z1=72，Z2=24，Z3=52，Z4=26，Z5=48，Z6=16，Z7=25，Z8=200，有兩對齒輪外嚙合和兩對齒輪內(nèi)嚙合，根據(jù)傳動比計算公式［5］，計算其傳動比i18為：

圖5 齒輪系簡化圖

當(dāng)自行車行駛時，主動齒輪（即輸入齒輪）由腳踏板驅(qū)動，通過齒輪傳動將動力由輸入齒輪傳遞到輸出齒輪，從而驅(qū)動自行車鋼圈轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)自行車的前進。

（四）雙減震器

為了提高騎車人的舒適度和車身的強度，車架與車身采用雙減震器連接，如圖6所示。這樣不但可以加速車架與后輪支撐板振動的衰減，改善自行車行駛過程中的平順性，而且可以保證兩者的連接強度。

圖6 雙減震器透視圖

（五）軸承式回轉(zhuǎn)中心

車架與后輪支撐板處使用自主設(shè)計的軸承式回轉(zhuǎn)機構(gòu)進行連接，如圖7所示。在保證整車強度的同時使得車身相對于后輪支撐板運動自由，其與減震器配合使用，共同加速震動的衰減，使得整車舒適性更強。

圖7 軸承式回轉(zhuǎn)機構(gòu)

（六）動感外形車架

車架部分根據(jù)空氣動力學(xué)原理進行設(shè)計，造型簡潔獨特，輪廓線流暢優(yōu)美，現(xiàn)代感強，符合人們審美要求，便于騎乘。由圖8可見，車身骨架采用高級復(fù)合型塑質(zhì)材料注塑而成，使得整車輕便，實現(xiàn)了車身輕量化，可有效減少阻力，提高車速。

圖8 動感外形車間模型

（七）坐墊優(yōu)化

坐墊部分使用UG強大的曲面造型功能進行建模，如圖9所示。

圖9 概念自行車坐墊

為了提高騎車人的舒服度，使用Ansys模擬分析了其在常規(guī)路面正常行駛過程中的變形和受力情況。坐墊的變形量越大、應(yīng)力越小，騎車人的舒服度越高。根據(jù)人體獨特結(jié)構(gòu)，通過反復(fù)優(yōu)化坐墊外形尺寸，在材質(zhì)允許范圍內(nèi)增大坐墊變形量，減小坐墊的應(yīng)力，從而達到提高騎車人舒適度的目的，優(yōu)化后的結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10 坐墊變形圖

圖11 坐墊受力圖

（八）整車裝配圖

在建模的基礎(chǔ)上，采用3ds max強勁的渲染模塊進行渲染，獲得外形時尚、動感的概念自行車，裝配圖如圖12所示。

圖12 概念自行車裝配圖

三、結(jié)論

這款新型概念自行車以市場需求為導(dǎo)向，打破傳統(tǒng)自行車設(shè)計思路的束縛，大膽采用新機構(gòu)替代傳統(tǒng)機構(gòu)，根據(jù)實際需求設(shè)計新部件，主要優(yōu)點是：

（1）車輪采用無輪輻結(jié)構(gòu)，不僅可以使整車外形簡約、時尚，而且避開輻條的繁雜安裝。

（2）為保證無輪輻結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，在車架與后輪支撐板處使用自主設(shè)計的軸承式回轉(zhuǎn)中心，在保證整車強度的同時，車身相對于后輪支撐板運動自由。軸承式回轉(zhuǎn)中心與雙減震器的配合使用，整車舒適性更強。

（3）采用齒輪傳動實現(xiàn)無鏈傳動，在自行車生產(chǎn)過程中除去了鏈條裝配的繁瑣，有效地提高了生產(chǎn)效率。

（4）坐墊根據(jù)人體工程學(xué)進行設(shè)計，通過反復(fù)優(yōu)化坐墊模型，使坐墊的變形和受力理想化，提高了人體舒適性。

（5）整車造型動感時尚，采用以紅色為主的純度高的暖色，搭配鄰近色黃色，非常醒目。色彩識別度高。也可有其他純度較高色彩的不同搭配選擇。該款概念自行車的設(shè)計，能夠滿足人們追求時尚、新潮的心理，符合自行車的發(fā)展趨勢。

［1］馬洪全，嚴海霞.體育運動與現(xiàn)代社會生活方式［J］.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2007，6（4）：47-48.

［2］趙建有，高謀榮.中國自行車交通與城市交通可持續(xù)發(fā)展［J］.長安大學(xué)學(xué)報，2007，27（4）：70-74.

［3］祝 浩.概念自行車設(shè)計［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2010（12）：27.

［4］鄭文維，吳克堅.機械原理［M］.北京：高等教育出版社，1997.

［5］薛莉英.齒輪傳動比的計算機輔助設(shè)計［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，1998，7：36-37.

TB47

A

1673-1794（2014）03-0080-03

李文江，安徽工程大學(xué)藝術(shù)學(xué)院講師，碩士，研究方向：工業(yè)設(shè)計理論及產(chǎn)品造型設(shè)計；王小元，汪壯壯，安徽工程大學(xué)（安徽蕪湖241000）。

安徽省哲學(xué)社科規(guī)劃項目（AHSK09-10D43）

2013-10-21

王詩根