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1、機械械創(chuàng)新設計案例,案例10 自行車的演變和開發(fā),1自行車的演變史,17世紀初期人們開始研究用人力驅(qū)動車輪的交通工具。機械師加賽納首先提出一種手驅(qū)動的方式，駕駛者騎在車座上，用力拉一條繞在車上并能帶動輪子轉(zhuǎn)動的環(huán)狀繩子，使車前進。 1816年至1818年在法國出現(xiàn)了兩輪間用木梁聯(lián)接的雙輪車，騎車者騎坐在梁上，用兩腳交替蹬地來推動車子前進。這種車稱為“趣馬”(Hobby Horse)，如圖例10la。當時它是貴族青年的玩物，不久就過時了。 一種真正的雙輪自行車(Bicycle)是1830年由蘇格蘭鐵匠麥克米倫發(fā)明的。他在兩輪小車的后輪上安裝曲柄，曲柄與腳踏板用兩根連桿相連，如圖例101b，只要
2、反復蹬踏懸在前支架上的踏板，駕駛者不用蹬地就可驅(qū)動車子前進。,趣馬,曲柄+連桿+腳踏板式,為了提高騎行的速度，法國人拉利門特在1865年進行了改進，將回轉(zhuǎn)曲柄置于前輪上，騎行者直接蹬踏曲柄驅(qū)車前進。此時前輪裝在車架前端可轉(zhuǎn)動的叉座上，能較靈活地把握方向；后輪上有杠桿制動，騎行者對車的控制能力加強了，如圖例101c。這種自行車腳踏板轉(zhuǎn)動一周，車子前進的距離與前輪周長相等。 為了加快速度，人們不斷增大前輪直徑(但為了減輕重量，同時將后輪縮小)，有的前輪大至56in(1.42m)、64in(1.63m)，甚至80in(2.03m)，如圖例101d。如此結(jié)構(gòu)使騎行者上下車很不方便且不安全，影響了這種“
3、高位自行車”的使用。,回轉(zhuǎn)曲柄式,1879年英格蘭人勞森又重新考慮采用后輪驅(qū)動，設計了鏈傳動的自行車，采用較大的傳動比，從而排除了采用大輪子的必要性，使騎行者安全地騎坐在合適高度的座位上，它稱為安全自行車，如圖例101e。在這時期隨著科學技術的發(fā)展，自行車結(jié)構(gòu)還做了不少改進。如采用受力合理的菱形鋼管支架，這樣既提高了強度，又能減輕重量；用滾動軸承提高效率；1888年鄧洛普引入充氣輪胎，使自行車行走更加平穩(wěn)。由此，自行車逐漸定型，成為普遍使用的交通工具。 由于不斷提出新的需求，經(jīng)過種種改革，使自行車的功能和結(jié)構(gòu)逐步完善起來，而從開始研究到定型差不多經(jīng)過了80年。,,,,,2新型自行車的開發(fā),隨著
4、科學技術發(fā)展，人們生活水平不斷提高，發(fā)現(xiàn)原有自行車有不少缺點，同時也根據(jù)需要提出一些希望點，在此基礎上開發(fā)了多種新型自行車。 1)助力車 為省力開發(fā)出多種助力車，為避免對環(huán)境的污染，電動車較受歡迎，小巧的電機和減速裝置放于后輪轂中，直接驅(qū)動車輪，電源則采用干電池。 2)考慮宜人性的新型車 英國發(fā)明家伯羅斯發(fā)明躺式三輪車，車上座位根據(jù)人體工程學設計，躺式蹬車省力，時速可達50km。,搖桿式自行車將回轉(zhuǎn)蹬踏變?yōu)閮赡_往復蹬踏，這樣能充分使人蹬車時在90-120范圍內(nèi)做有用功，而去除做無用功的動作。兩擺桿通過鏈條分別帶動超越離合器使后輪轉(zhuǎn)動。,3)傳動系統(tǒng)的變異 鏈傳動易磨損掉鏈。新開發(fā)的齒輪傳
5、動自行車腳蹬帶動齒輪通過傳動軸將運動傳至后輪，提高傳動效率。傳動體包覆，無絞人裙擺、褲腳之憂。上海凱瑞馳自行車公司已生產(chǎn)這種自行車系列。 根據(jù)需要將單速車改型為變速車，最多可達15種變速。開發(fā)自適應調(diào)速裝置，在上坡或蹬踏阻力大處自動調(diào)至低速擋。,4)塑料自行車 工程塑料的引入對自行車性能有很大改進。碳纖維自行車采用碳纖維模壓做成整體無骨架式車身。其特點是強度高，避免有焊接薄弱點；無橫梁，重心低，行車便于控制；流線外形，風阻??；重量輕(約11kg，比金屬架車輕1.5kg)；速度快(比金屬架車每公里快3s)。在巴塞羅那奧運會，一名美國車手騎著定做的一輛碳纖維自行車取得金牌并破世界紀錄。,全塑自行
6、車,圖為車架、車輪皆為塑料整體結(jié)構(gòu)，一次模壓成型；車把為整流罩式全握把，整車呈流線型。日本伊嘉制作公司開發(fā)的全塑自行車整車重量僅7.5kg。,高速自行車 美國加利福尼亞大學學生弗朗斯等人設計的半躺式Dexter Hysol“獵豹”自行車車速達68.73mi1eh，創(chuàng)世界新紀錄。(獵豹奔跑時速可達68mi1eh。 圖所示的這種高速自行車具有以下特點： (1)采用“躺式”，騎車者能發(fā)揮最大動力，并減小風阻面積； (2)雙級鏈傳動升速； (3)以高強度碳纖維復合材料注塑整體車座和大梁。采用碳纖維車把和立柱，鋁制鏈套和中軸套，連同碳纖維車外罩，全車總重量只有29.5lb(約13.4kg)； (4)采用
7、宇航粘合劑取代傳統(tǒng)緊固件，既減輕重量，又使載荷和應力均布在更大面積上，增加強度，減少振動； (5)運用空氣動力學原理對車外罩形狀進行 優(yōu)化設計，形成籠罩騎車者的流線型封閉艙， 提高空氣動力學效率30以上。,圖所示為巡警用自行車，車上裝有內(nèi)藏式無線電通話設備、手電筒支架，還配備了便于上被追擊用的電動助力裝置。 雙人自行車成家庭型自行車(雙人前后蹬踏，中間有幾個孩子的車座)由兩個人驅(qū)動，分別設有單向離合器，使驅(qū)動力同時推動車輪而不互相干涉。,7)小型自行車 為便于搬上高樓或放在汽車后廂外出旅游運動，開發(fā)了多種折疊式小型自行車。美國開發(fā)的一種便于攜帶的折疊式自行車，折疊后最小體積僅27in 8.5
8、in8.5in，可放于汽車或火車座位底下，打開只需15s。 其它類型的自行車 旅行箱式折疊自行車 旅行箱式折疊自行車1 旅行箱式折疊自行車2 具有革新精神的自行車 三合一自行車 世界上最小的折疊自行車,3幾點啟示 1)小小普通的自行車可以有多種新型原理和結(jié)構(gòu)，而且還會不斷改進、翻新?？梢娞幪幱袆?chuàng)新之物，創(chuàng)新設計是大有可為的。 2)人類和社會的需要是創(chuàng)造發(fā)明的源泉。社會的需要促使了自行車的演變，也正是社會的需要產(chǎn)生了各種新型功能和結(jié)構(gòu)的自行車。緊緊抓住社會的需要，將使創(chuàng)新設計史具有生命力。 3)不斷發(fā)展的科學理論和新技術的引入，使產(chǎn)品日趨先進和完善。如高速自行車的開發(fā)中考慮到空氣動力學和人體力學，采用了新型材料和先進結(jié)構(gòu)，還應用計算機輔助手段進行優(yōu)化，故具有先進的性能。實踐證明，充分利用先進設計理論和科學技術是創(chuàng)新設計中必須重視的問題。,
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