李翠玉 夏禮超 （湖北工業(yè)大學 430068 ）

基于輕量化自行車設(shè)計探析

李翠玉 夏禮超 （湖北工業(yè)大學 430068 ）

本文針對自行車的輕型性進行研究，根據(jù)情感化設(shè)計及人機工程學的設(shè)計方法進行設(shè)計研究。從產(chǎn)品形態(tài)結(jié)構(gòu)、人機工程學、材料學、情感化和用戶需求的角度出發(fā)剖析現(xiàn)有產(chǎn)品現(xiàn)狀。旨在解決市場現(xiàn)有自行車的個性化問題，設(shè)計出輕巧、造型美觀的自行車。

輕量化；結(jié)構(gòu)設(shè)計；用戶體驗；人機工程學

概述：當前城市中人們在出現(xiàn)方式日益豐富，因此在交通工具上有更多的選擇。如今，在倡導環(huán)保出行的號召下，自行車出行無疑是最佳選擇，騎自行車也是體驗慢生活的最佳方式。自行車使用也出現(xiàn)了二次復蘇，雖然當前也有許多輕量化自行車研究及應(yīng)用，并且也取得了極大的成績，但自行車仍然不夠輕巧。

一、 現(xiàn)有輕量化自行車分析

隨著如雨后春筍般的共享單車經(jīng)濟迅猛發(fā)展，當前自行車的使用頻率、使用數(shù)量又出現(xiàn)再次攀升，使工作、生活在城市中的人們出行更加便利多樣化，不僅滿足短途出行的需求，也為業(yè)余生活提供一份樂趣，大家也對單車再次掀起了狂熱追捧，當前的共享單車在質(zhì)量上和騎行的輕便性都讓大家感到各種不滿，這也要求有必要提高單車的可靠輕便性。為此做了以下探討研究：

1.現(xiàn)有產(chǎn)品的形態(tài)分析

自行車的發(fā)展至今已經(jīng)有了一百多年，自行車的造型也從最初的前輪大，后輪小的單一形態(tài)，變得越來越多樣化，根據(jù)不同用途其在形態(tài)上也具有顯著的差別。我們?nèi)粘Ｖ惺褂米孕熊嚧笾驴梢苑譃檫@幾類：變速自行車，折疊自行，通勤單車、死飛車。變速自行車是在自行車上利用飛輪組成的變速系統(tǒng)，目的在于減輕車身重量，使自行車更加的輕便，高速省力，車架為平行四邊形結(jié)構(gòu)，前叉有減震，鞍座較窄，且長，無前后泥板；折疊車，這一類自行車初衷是為方便出行攜帶，小巧輕便。有前后泥板，輪胎與變速自行車相比較來說要小，車骨架無橫梁，在折疊方式車架大梁折疊形式為主流方式；通勤單車，形態(tài)上和折疊自行差別不大，近幾年在造型上逐漸變的以復古懷舊為主，車的骨架是平行四邊形結(jié)構(gòu)無橫梁。

2.現(xiàn)有產(chǎn)品人機工程學分析

安全舒適的自行車設(shè)計極大的要求在設(shè)計上特別要注重人體工學應(yīng)用，在騎行自行車的過程中，騎行的動作會帶到騎行者的全身肌肉的運動，整個自行車體結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性也就顯得格外重要，自行的車結(jié)構(gòu)設(shè)計尤其是與人體接觸部位的位置關(guān)系都應(yīng)該按找人機工學中測量的暑假為基準。在騎行過程中肌肉處于不同的施力狀態(tài)，其中在靜止狀態(tài)下施力的身體部位主要是前臂，上臂，肩部，背部和腰部。根據(jù)人體施力特征，靜態(tài)施力變速系統(tǒng)：包括（指撥或者轉(zhuǎn)把）、前撥、后撥、變速線。變速系統(tǒng)的作用是配合牙盤和飛輪，對應(yīng)不同的路況選擇不同的傳動比，以達到最佳的騎行效果。

3.現(xiàn)有產(chǎn)品材料分析

當前，自行車的材料主要有鋼材、鋁合金、炭纖維、鈦合金這些材料。鋼材是最早用作自行車材料的，在加工上也較好處理，現(xiàn)在對鋼材的加工設(shè)備和工藝也是最完善的。鋼材在焊接上不需要熱處理，容易拼合，是當前自行車材料中最為經(jīng)濟的一種。應(yīng)用于自行車車架的剛種類主要有鉻鉬鋼、鉻錳鋼以及碳素鋼等。

在自行車中使用最廣泛的鋁合金是6000系（Al-Mg-Si）和7000系（Al-Zn-Mg-Cu）兩種。要經(jīng)過加熱處理改變性能，才能滿足實際的應(yīng)用需求。而鋁合金的強度沒有鋼鐵要高，抗疲勞度低，通常會使用噴丸硬化加工工藝的管材，這種通過表面處理的合金材料其疲勞壽命要比之前高40%。鋁合金車架的最大優(yōu)點是：重量輕，耐腐蝕性好，鋁在氧氣會生成氧化鋁會對基體有較強的保護作用。其缺點：剛性較低，需要進行熱處理。

鈦合金也是當前自行市場上使用較為普遍的一種材料，一般來說鈦合金是在鈦中加入釩、鋁等元素。由于具有重量輕、強度高、韌性好以及耐腐蝕性強等優(yōu)點，在空氣狀態(tài)中基本不會發(fā)生腐蝕，在使用材料時可以不對其進行表面處理。

在20世紀80年代碳纖維開始應(yīng)用于自行車車架。碳纖維優(yōu)點主要集中在，強度，沖擊吸收力以及整體成型，拉伸強度比鋼高。用碳纖維制成的自行車車架質(zhì)量輕、較具彈性、騎乘感穩(wěn)定、舒適度高。碳纖維的缺點也特別明顯：復雜的應(yīng)力計算，加工成型后無法更改尺寸。

4.現(xiàn)有產(chǎn)品情感化分析

一件產(chǎn)品是否能夠真正的去關(guān)懷用戶也是產(chǎn)品取得成功的關(guān)鍵所在，將情感通過造型、性能融入到產(chǎn)品的設(shè)計中，使產(chǎn)品好用并且更有魅力。這里則包括產(chǎn)品的形態(tài)、色彩、材料，使用環(huán)境這些影響因素。不同的自行車造型也在向用戶傳遞了不用的情感。當前的自行車在情感化設(shè)計上主要通過造型和色彩來傳遞不同的情感需求。例如黑色向用戶傳達了一種安全可靠的情感。自行以黑色主要色調(diào)，表現(xiàn)出了質(zhì)量，性能安全可靠，且黑色又有種神秘，莊重的色彩情感在里面。自行車的造型也影響消費者的購買情緒，這種情緒是人自行車溝通的橋梁。

二、基于輕量化自行車的設(shè)計定位

在面向輕量化自行車設(shè)計時，自行車的所用材料是實現(xiàn)自行車輕量化的核心。輕量化自行車要求在材質(zhì)上首先要做到，材質(zhì)自身的密度要小，即質(zhì)量輕，這是輕量化自行車選擇材料的首要因素，需要設(shè)計師對不同材質(zhì)進行深入研究，才能真正做到自行車的輕量化，需要設(shè)計設(shè)計者去衡量比較多種不同材質(zhì)的密度、彈性模度、抗拉強度、伸長率等參數(shù)，從選出最優(yōu)的材質(zhì)作為自行車設(shè)計的基礎(chǔ)。此外，設(shè)計師不僅要對材料應(yīng)用，而且要求要對用戶加以分析，通過用戶研究與設(shè)計調(diào)研，發(fā)現(xiàn)用戶其它需求，分析不同用戶的需求點，以此設(shè)計出不僅解決輕量化問題，也解決相對痛點的功能性問題，使自行車滿足各個層次用戶的需求。

基于輕量化自行車設(shè)計，同時還必須做到安全、省力、使用舒適等的要求，應(yīng)該做到騎行省力，有良好的用戶體驗，堅固耐用，造型美觀舒適。只有這樣才能贏得用戶的鐘愛。

三、基于輕量化自行車設(shè)計策略

輕量化自行車設(shè)計的理念，大概可以集中在以下幾個方面：首先，新材料技術(shù)出現(xiàn)的應(yīng)用；其次，是利用結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計，創(chuàng)造出一種新的結(jié)構(gòu)，解決堅固和輕量；再次，要滿足的功能特征，不能違背功能這個第一要素，最后還要將人性化設(shè)計理念融入其中，任何產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)都不能脫離人這一點基本點。在實踐中，對輕量化自行車設(shè)計，對材料的把握顯得尤為重要。

1.輕量化自行車材料設(shè)計原則

在第一部分已經(jīng)詳細分析了現(xiàn)有自行車所有使用的材料，之所以不斷分析材料，是因為材料是實現(xiàn)輕量化自行車設(shè)計的必要前提。只有解決了材料問題，才能算的上真正的解決輕量化設(shè)計問題。從自行車材料發(fā)展來看，自行車架材料從鉻鉬鋼為主，到現(xiàn)在鋁合金及復合材料。無一不是為了使自行車更加輕便、強有力的韌性就必須運用合理的材料。不同材質(zhì)都會對自行車車架的鋼性、重量、強度、用戶感受產(chǎn)生直接作用。

車架材質(zhì)的組成上，除了影響材質(zhì)的密度外，還有一個重中之重就是車架的拉伸強度以及彈性系數(shù)。也就是說，只有重量輕，沒有達到足夠的拉伸強度也是不行的。

2.輕量化自行車結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

車架結(jié)構(gòu)在很大程度上不僅決定了自行車的安全性能和用戶體驗，而且也對用戶的騎姿狀態(tài)有決定性影響，自行車結(jié)構(gòu)中大致可以將結(jié)構(gòu)分為了兩類固定結(jié)構(gòu)和運動結(jié)構(gòu)。固定結(jié)構(gòu)主要有車架、鞍座等，運動結(jié)構(gòu)主要指把手，腳踏板、車閘。設(shè)計師需要在固定的車架尺寸基礎(chǔ)之上進行造型的創(chuàng)新。車架首先考慮的是承重問題，當前的自行車大多為類似平行四邊形構(gòu)造。

在對待車把手這樣的運動結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)不同類型的自行車及不同的使用范圍的要求，普通車把部件的模式一般可分為固定式和活動式。車把手對于用戶體驗起著決定性作用，車把手的不同高度會對人的尺骨神經(jīng)造成影響，因此車把的設(shè)計在高度上應(yīng)保證用戶在其騎行時處于自然坐姿或接近自然坐姿。車把的寬度在人體工程學上，中等身材（50%的人群）的人最大肩寬，男為43.1cm，女為39.77cm，這樣可以將車把的寬度定為39.7—43.1cm。車把設(shè)計原則應(yīng)該使頸關(guān)節(jié)、胸關(guān)節(jié)、腰關(guān)節(jié)、髓關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)處于舒適的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。

四、結(jié)論

自行車設(shè)計引入輕量化設(shè)計概念，將會對自行車的騎行舒適度大大提高，提高用戶體驗。這樣的自行車設(shè)計理念，有利于自行車設(shè)計新的實施方向；在進行輕量化自行車設(shè)計的過程中要求設(shè)計師，必須考慮到材料的特性，以及要求對自行車結(jié)構(gòu)進行精準的把握。只有處理好用戶需求，功能要素、材料、結(jié)構(gòu)和人機之間的關(guān)系，才能設(shè)計出真正的適合市場發(fā)展需求，具有良好用戶體驗的自行車。

[1]陳懇.對折疊自行車的設(shè)計和開發(fā)[J].中國自行車，2004.（4）：24-25.

[2]唐納德·A·諾曼.設(shè)計心理學—情感化設(shè)計[M].北京：中信出版社.

[3]黃景明.人性化在自行車設(shè)計中的應(yīng)用研究[D].武漢：湖北工業(yè)大學，2011.

李翠玉，女，湖北武漢，副教授，研究方向：產(chǎn)品設(shè)計。

夏禮超，男，江蘇新沂，碩士研究生，研究方向：交通工具設(shè)計。