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1、機(jī)械械創(chuàng)新設(shè)計(jì)案例,案例10 自行車(chē)的演變和開(kāi)發(fā),1自行車(chē)的演變史,17世紀(jì)初期人們開(kāi)始研究用人力驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的交通工具。機(jī)械師加賽納首先提出一種手驅(qū)動(dòng)的方式，駕駛者騎在車(chē)座上，用力拉一條繞在車(chē)上并能帶動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的環(huán)狀繩子，使車(chē)前進(jìn)。 1816年至1818年在法國(guó)出現(xiàn)了兩輪間用木梁聯(lián)接的雙輪車(chē)，騎車(chē)者騎坐在梁上，用兩腳交替蹬地來(lái)推動(dòng)車(chē)子前進(jìn)。這種車(chē)稱(chēng)為“趣馬”(Hobby Horse)，如圖例10la。當(dāng)時(shí)它是貴族青年的玩物，不久就過(guò)時(shí)了。 一種真正的雙輪自行車(chē)(Bicycle)是1830年由蘇格蘭鐵匠麥克米倫發(fā)明的。他在兩輪小車(chē)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(fù)蹬踏懸在前支架上的踏板，駕駛者不用蹬地就可驅(qū)動(dòng)車(chē)子前進(jìn)。,趣馬,曲柄+連桿+腳踏板式,為了提高騎行的速度，法國(guó)人拉利門(mén)特在1865年進(jìn)行了改進(jìn)，將回轉(zhuǎn)曲柄置于前輪上，騎行者直接蹬踏曲柄驅(qū)車(chē)前進(jìn)。此時(shí)前輪裝在車(chē)架前端可轉(zhuǎn)動(dòng)的叉座上，能較靈活地把握方向；后輪上有杠桿制動(dòng)，騎行者對(duì)車(chē)的控制能力加強(qiáng)了，如圖例101c。這種自行車(chē)腳踏板轉(zhuǎn)動(dòng)一周，車(chē)子前進(jìn)的距離與前輪周長(zhǎng)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(shí)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(chē)很不方便且不安全，影響了這種“

3、高位自行車(chē)”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(dòng)，設(shè)計(jì)了鏈傳動(dòng)的自行車(chē)，采用較大的傳動(dòng)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(chēng)為安全自行車(chē)，如圖例101e。在這時(shí)期隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自行車(chē)結(jié)構(gòu)還做了不少改進(jìn)。如采用受力合理的菱形鋼管支架，這樣既提高了強(qiáng)度，又能減輕重量；用滾動(dòng)軸承提高效率；1888年鄧洛普引入充氣輪胎，使自行車(chē)行走更加平穩(wěn)。由此，自行車(chē)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(guò)種種改革，使自行車(chē)的功能和結(jié)構(gòu)逐步完善起來(lái)，而從開(kāi)始研究到定型差不多經(jīng)過(guò)了80年。,,,,,2新型自行車(chē)的開(kāi)發(fā),隨著

4、科學(xué)技術(shù)發(fā)展，人們生活水平不斷提高，發(fā)現(xiàn)原有自行車(chē)有不少缺點(diǎn)，同時(shí)也根據(jù)需要提出一些希望點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了多種新型自行車(chē)。 1)助力車(chē) 為省力開(kāi)發(fā)出多種助力車(chē)，為避免對(duì)環(huán)境的污染，電動(dòng)車(chē)較受歡迎，小巧的電機(jī)和減速裝置放于后輪轂中，直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，電源則采用干電池。 2)考慮宜人性的新型車(chē) 英國(guó)發(fā)明家伯羅斯發(fā)明躺式三輪車(chē)，車(chē)上座位根據(jù)人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，躺式蹬車(chē)省力，時(shí)速可達(dá)50km。,搖桿式自行車(chē)將回轉(zhuǎn)蹬踏變?yōu)閮赡_往復(fù)蹬踏，這樣能充分使人蹬車(chē)時(shí)在90-120范圍內(nèi)做有用功，而去除做無(wú)用功的動(dòng)作。兩擺桿通過(guò)鏈條分別帶動(dòng)超越離合器使后輪轉(zhuǎn)動(dòng)。,3)傳動(dòng)系統(tǒng)的變異 鏈傳動(dòng)易磨損掉鏈。新開(kāi)發(fā)的齒輪傳

5、動(dòng)自行車(chē)腳蹬帶動(dòng)齒輪通過(guò)傳動(dòng)軸將運(yùn)動(dòng)傳至后輪，提高傳動(dòng)效率。傳動(dòng)體包覆，無(wú)絞人裙擺、褲腳之憂。上海凱瑞馳自行車(chē)公司已生產(chǎn)這種自行車(chē)系列。 根據(jù)需要將單速車(chē)改型為變速車(chē)，最多可達(dá)15種變速。開(kāi)發(fā)自適應(yīng)調(diào)速裝置，在上坡或蹬踏阻力大處自動(dòng)調(diào)至低速擋。,4)塑料自行車(chē) 工程塑料的引入對(duì)自行車(chē)性能有很大改進(jìn)。碳纖維自行車(chē)采用碳纖維模壓做成整體無(wú)骨架式車(chē)身。其特點(diǎn)是強(qiáng)度高，避免有焊接薄弱點(diǎn)；無(wú)橫梁，重心低，行車(chē)便于控制；流線外形，風(fēng)阻??；重量輕(約11kg，比金屬架車(chē)輕1.5kg)；速度快(比金屬架車(chē)每公里快3s)。在巴塞羅那奧運(yùn)會(huì)，一名美國(guó)車(chē)手騎著定做的一輛碳纖維自行車(chē)取得金牌并破世界紀(jì)錄。,全塑自行

6、車(chē),圖為車(chē)架、車(chē)輪皆為塑料整體結(jié)構(gòu)，一次模壓成型；車(chē)把為整流罩式全握把，整車(chē)呈流線型。日本伊嘉制作公司開(kāi)發(fā)的全塑自行車(chē)整車(chē)重量?jī)H7.5kg。,高速自行車(chē) 美國(guó)加利福尼亞大學(xué)學(xué)生弗朗斯等人設(shè)計(jì)的半躺式Dexter Hysol“獵豹”自行車(chē)車(chē)速達(dá)68.73mi1eh，創(chuàng)世界新紀(jì)錄。(獵豹奔跑時(shí)速可達(dá)68mi1eh。 圖所示的這種高速自行車(chē)具有以下特點(diǎn)： (1)采用“躺式”，騎車(chē)者能發(fā)揮最大動(dòng)力，并減小風(fēng)阻面積； (2)雙級(jí)鏈傳動(dòng)升速； (3)以高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料注塑整體車(chē)座和大梁。采用碳纖維車(chē)把和立柱，鋁制鏈套和中軸套，連同碳纖維車(chē)外罩，全車(chē)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(yīng)力均布在更大面積上，增加強(qiáng)度，減少振動(dòng)； (5)運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)原理對(duì)車(chē)外罩形狀進(jìn)行 優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成籠罩騎車(chē)者的流線型封閉艙， 提高空氣動(dòng)力學(xué)效率30以上。,圖所示為巡警用自行車(chē)，車(chē)上裝有內(nèi)藏式無(wú)線電通話設(shè)備、手電筒支架，還配備了便于上被追擊用的電動(dòng)助力裝置。 雙人自行車(chē)成家庭型自行車(chē)(雙人前后蹬踏，中間有幾個(gè)孩子的車(chē)座)由兩個(gè)人驅(qū)動(dòng)，分別設(shè)有單向離合器，使驅(qū)動(dòng)力同時(shí)推動(dòng)車(chē)輪而不互相干涉。,7)小型自行車(chē) 為便于搬上高樓或放在汽車(chē)后廂外出旅游運(yùn)動(dòng)，開(kāi)發(fā)了多種折疊式小型自行車(chē)。美國(guó)開(kāi)發(fā)的一種便于攜帶的折疊式自行車(chē)，折疊后最小體積僅27in 8.5

8、in8.5in，可放于汽車(chē)或火車(chē)座位底下，打開(kāi)只需15s。 其它類(lèi)型的自行車(chē) 旅行箱式折疊自行車(chē) 旅行箱式折疊自行車(chē)1 旅行箱式折疊自行車(chē)2 具有革新精神的自行車(chē) 三合一自行車(chē) 世界上最小的折疊自行車(chē),3幾點(diǎn)啟示 1)小小普通的自行車(chē)可以有多種新型原理和結(jié)構(gòu)，而且還會(huì)不斷改進(jìn)、翻新。可見(jiàn)處處有創(chuàng)新之物，創(chuàng)新設(shè)計(jì)是大有可為的。 2)人類(lèi)和社會(huì)的需要是創(chuàng)造發(fā)明的源泉。社會(huì)的需要促使了自行車(chē)的演變，也正是社會(huì)的需要產(chǎn)生了各種新型功能和結(jié)構(gòu)的自行車(chē)。緊緊抓住社會(huì)的需要，將使創(chuàng)新設(shè)計(jì)史具有生命力。 3)不斷發(fā)展的科學(xué)理論和新技術(shù)的引入，使產(chǎn)品日趨先進(jìn)和完善。如高速自行車(chē)的開(kāi)發(fā)中考慮到空氣動(dòng)力學(xué)和人體力學(xué)，采用了新型材料和先進(jìn)結(jié)構(gòu)，還應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助手段進(jìn)行優(yōu)化，故具有先進(jìn)的性能。實(shí)踐證明，充分利用先進(jìn)設(shè)計(jì)理論和科學(xué)技術(shù)是創(chuàng)新設(shè)計(jì)中必須重視的問(wèn)題。,