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自行車創(chuàng)新設計論文
智能自行車的興起,使得人們越發(fā)關(guān)注自行車出行,然而,市面上的智能自行車大多為騎行愛好者設計，本文是對自行車創(chuàng)新設計研究的論文，一起來看看吧！
摘要：在當今迅速發(fā)展的時代，產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新需要更豐富的跨學科知識體系，更復雜的技術(shù)力量支撐，更完善的創(chuàng)新理論基礎(chǔ)。創(chuàng)新技術(shù)能將多種領(lǐng)域的科學知識有機地結(jié)合起來，促使設計者拓寬思維，打破思維定勢，獲得突破性的創(chuàng)新知識，為產(chǎn)品創(chuàng)新提供創(chuàng)造性的設計方案。用計算機輔助技術(shù)進行創(chuàng)新設計，首先需要清楚人是如何進行思維的，這一點尤為重要。思維過程的模型包括:對象選例模型、約束聯(lián)想模型、分解綜合模型、抽象逆反模型。而創(chuàng)新與其中兩種思維模型有著密切的關(guān)系，一是抽象和聯(lián)想，一是分解(分析)和綜合。這兩種思維操作，有助于設計出相應的創(chuàng)新性計算機輔助設計系統(tǒng)幫助人進行創(chuàng)新設計。
關(guān)鍵詞：自行車 創(chuàng)新 設計 系統(tǒng)
創(chuàng)新性計算機輔助設計系統(tǒng)是將輔助設計與人工智能、計算機網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和工業(yè)設計結(jié)合起來，運用抽象、聯(lián)想、分析、綜合等模型，協(xié)助人研制開發(fā)出含有新概念、新形狀、新功能、新技術(shù)的產(chǎn)品。重點研究方向是將信息技術(shù)與新技術(shù)運用到產(chǎn)品設計的過程中去。
理想的產(chǎn)品創(chuàng)新過程需要數(shù)據(jù)庫做有利支撐，除此之外還要求具備不斷搜索新數(shù)據(jù)庫的能力，及時將合適的新技術(shù)綜合到產(chǎn)品中去。這要求系統(tǒng)具有分解和綜合產(chǎn)品的能力，通過分解功能，根據(jù)子功能進行聯(lián)想，用相關(guān)技術(shù)進行替換;因此，創(chuàng)新過程實際上是一個不斷地分解與綜合的過程，在此過程中充分調(diào)用抽象與聯(lián)想功能尋找各種替換物，實現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新。潘云鶴院士就特別強調(diào)，計算機輔助設計的發(fā)展重點在于通過對產(chǎn)品概念和功能的分析與綜合，形成一種發(fā)散性思維，通過聯(lián)想和類比，將適合的新技術(shù)找出來替代原有技術(shù)的過程。
現(xiàn)代自行車產(chǎn)品開發(fā)越來越注重創(chuàng)新，例如色彩的設計，新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)的應用以及多功能設計。本文以大家都比較熟悉的自行車為對象，在研究自行車發(fā)展史、結(jié)構(gòu)功能、傳動機構(gòu)、派生形式等多方面資料的基礎(chǔ)上，開發(fā)自行車計算機輔助設計的創(chuàng)新軟件。充分利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、計算機動畫技術(shù)及多媒體仿真技術(shù)，提供多種自行車設計方案，準確而生動地模擬出自行車創(chuàng)新設計過程，能夠促使人們積極思考、分析、探索，提高創(chuàng)新能力。同時對提高設計質(zhì)量，縮短設計周期，增強設計的直觀性、形象性，以便集中精力用于創(chuàng)造性研究，具有重要意義和應用價值。本論文的宗旨是為大學生提供一個以自行車為對象的輔助創(chuàng)新設計仿真教學軟件，以便他們用此軟件進行自行車的方案設計，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和創(chuàng)新設計的能力。
1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1.1創(chuàng)新技術(shù)
(1)計算機輔助創(chuàng)新技術(shù)
創(chuàng)新理論的研究經(jīng)歷了50年代的分解研究和創(chuàng)立階段，70年代的系統(tǒng)開發(fā)階段，80年代的綜合化、專門化研究階段。九十年代以來，以為理論基礎(chǔ)的計算機輔助創(chuàng)新技術(shù)在歐美國家得到了廣泛研究與應用，成為國外知名企業(yè)在尖端技術(shù)領(lǐng)域中解決技術(shù)難題、實現(xiàn)創(chuàng)新的有效工具。TRIZ稱為發(fā)明創(chuàng)造方法學，是將人們思考問題、解決問題的過程科學化，為問題的創(chuàng)造性解決提供正確探索方法的科學方法。由Invention Machine公司開發(fā)的計算機輔助創(chuàng)新軟件TechOptimizer通過建立問題分析定義、工程學原理知識庫、創(chuàng)新原理、系統(tǒng)改善預測等四大模塊，有效地輔助設計人員在產(chǎn)品的概念設計、方案設計階段提出無妥協(xié)的創(chuàng)新設計方案，成為企業(yè)提高新產(chǎn)品開發(fā)能力和經(jīng)濟效益的重要手段。
(2)機械創(chuàng)斷設計技術(shù)
隨著人工智能、智能CAD、認識科學及思維科學等領(lǐng)域的迅速發(fā)展及自身需要，許多專家與學者對各自研究領(lǐng)域的創(chuàng)造性思維、設計開發(fā)等問題表現(xiàn)出濃厚的興趣，機械創(chuàng)新設計和新型機構(gòu)的創(chuàng)新構(gòu)思已逐步提上議程并日益受到重視。
機械創(chuàng)新設計大多是結(jié)構(gòu)方案的創(chuàng)新設計。結(jié)構(gòu)方案設計極富創(chuàng)造性，是形象思維和抽象思維綜合作用的結(jié)果。機械創(chuàng)新設計過程中，應探索機械產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)明的機理、模式及方法，描述創(chuàng)新過程，將之程序化、定量化、符號化、算法化。而機構(gòu)系統(tǒng)方案設計過程不僅涉及大量的理論推導和數(shù)據(jù)計算，而且需要專家系統(tǒng)和智能工程的支持，完成知識庫的設計，推理機及人機接口的開發(fā)。利用運動仿真，精確反映機構(gòu)的運動狀態(tài)，及時將參數(shù)改變對運動帶來的影響顯示在屏幕上，為設計者正確判斷、選擇方案提供有益的幫助。
美國、德國等國家首先提倡重視機械創(chuàng)新設計，并己取得顯著的成果，形成了獨特的設計體系和風格。美國Johnson PC.教授于八十年代初較早從設計方法學的觀點總結(jié)出機械創(chuàng)新設計的過程和方法，認為必須在結(jié)構(gòu)形式綜合上投入創(chuàng)造性力量以及在材料和尺寸的優(yōu)選上投入大量技術(shù)支持。他運用連桿機構(gòu)分類法、邏輯模塊法、蘊含綜合法、線圖法以及人腦智暴法、自行質(zhì)疑法、形態(tài)矩形法、比擬法等創(chuàng)造性思維法進行了大量的工業(yè)事例創(chuàng)新設計并獲得成功。
國內(nèi)肖云龍教授結(jié)合大量機電新產(chǎn)品的設計，對創(chuàng)新設計的基本特征、設計原理與創(chuàng)新方法等做了方法學上的較系統(tǒng)而通俗的闡述。
目前，機械方案創(chuàng)新設計的計算機支持已取得實質(zhì)性的進展。國際上，以發(fā)明創(chuàng)造方法學為理論基礎(chǔ)的計算機輔助創(chuàng)新技術(shù)目前在歐美國家有著廣泛的研究與應用;智能技術(shù)廣泛應用于這一領(lǐng)域。國內(nèi)專家已研制出智能化的計算機輔助機構(gòu)創(chuàng)新設計軟件系統(tǒng)，但它主要針對桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型綜合、擴大設計空間、優(yōu)化方案選擇。華中理工大學機械CAD中心、清華大學等院校。在產(chǎn)品方案設計專家系統(tǒng)方面做了大量的工作，先后實現(xiàn)多個方案設計專家系統(tǒng)和開發(fā)工具，對總體方案設計思想、知識表達、求解策略和控制結(jié)構(gòu)等方面進行了詳細的描述。總的來說，目前，對于機械創(chuàng)新技術(shù)，雖然進行了許多相關(guān)的理論方面的研究或探索，但是在實用化方面尚有許多工作待做。
1.2自行車的創(chuàng)新設計研究
自行車的創(chuàng)新設計研究主要包括以下幾個方面:生物力學、結(jié)構(gòu)功能、造型設計、傳動系統(tǒng)、新型材料、能源驅(qū)動等。
(1)自行車的生物力學研究
近年來，自行車創(chuàng)新以人機工程學為出發(fā)點，主要集中在生物力學特性的研究方面對騎行中的自行車做了受力分析，指出騎行開始時蹬踏力可達到人體體重的三倍。Hull和他的合作者們研究了騎行生物力學，用五桿平面機構(gòu)模擬具有圓鏈輪驅(qū)動的腳蹬自行車系統(tǒng)，探討了腳蹬力和腳蹬速率如何影響騎行過程以及鉸鏈力矩節(jié)奏的關(guān)系。RayP.S .Han著眼于非圓鏈輪驅(qū)動系統(tǒng)運動學和動力學分析與研究，并對人體作用進行評估，包括關(guān)節(jié)力矩、腿的角加速度、輸出力等。通過將兩自由度的五桿模型簡化為桿件長隨曲柄變化的等效四桿機構(gòu)，再求解兩鏈輪臂連桿頂部的位置，得到非圓驅(qū)動鏈輪的形狀。同時建議將橢圓鏈輪和圓鏈輪結(jié)合起來運用:在低速狀態(tài)下，使用前者，在高速狀態(tài)下，切換到后者。Redfield對腳踏數(shù)據(jù)進行測量，估計出曲柄轉(zhuǎn)角和腳踏角的關(guān)系。國內(nèi)研究人員鄧國光從力學角度較為詳細地研究了自行車運動員的蹬踏方式，并用微機控制閉環(huán)系統(tǒng)—自行車運動訓練測試臺得出的數(shù)據(jù)，研究出曲柄旋轉(zhuǎn)角與蹬踏角的關(guān)系。
(Z)自行車的多種創(chuàng)新形式
在造型設計方面，現(xiàn)代自行車創(chuàng)新更注重色彩設計、新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝的應用以及多功能的設計。設計上由原來的粘接成型車架到整體成型車架再到混合型車架;風格上表現(xiàn)出多樣性和仿生性，出現(xiàn)“羚羊型”、“鹿角型”、“白天鵝型”等仿生自行車，“淑女型”等輕便自行車;而盡可能減少空氣阻力與增強視覺效果的“流線型”結(jié)構(gòu)和改變駕駛者姿態(tài)的“躺式”造型是自行車造型發(fā)展的新趨勢。
在能源驅(qū)動方面，出現(xiàn)太陽能驅(qū)動、蒸汽驅(qū)動、夜光型、以及很有發(fā)展前景的電力驅(qū)動自行車。電動自行車作為一種有效替代燃油汽車的綠色環(huán)保交通工具，在減輕或消除城市環(huán)境污染方面發(fā)揮作用。
碳纖維、復合材料、鎂合金、鋁合金等新型材料因其優(yōu)良的材料特性而被有效地運用到自行車特別是賽車上。開發(fā)生產(chǎn)碳纖維自行車和鎂鋁合金自行車是當今自行車工業(yè)領(lǐng)域致力研究的課題。
非圓鏈輪傳動以其在大中心距傳動和繞性傳動上比變速齒輪傳動更具獨到特性而運用于自行車上。國內(nèi)外自行車大賽上常能欣賞到以帶傳動、圓錐齒輪傳動、軸傳動、棘輪棘爪傳動、無鏈傳動等多種傳動形式設計的新型自行車。
自行車的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，封閉式、獨輪式、三輪式、雙輪式、多人式等等。而折疊式電動自行車以其結(jié)構(gòu)簡便、攜帶方便成為行業(yè)人士的關(guān)注焦點;全懸臂式前后叉避震賽車成為運動比賽的亮麗風景線。
多功能自行車是高科技發(fā)展的結(jié)果，將多種特性有效地集中于一輛自行車上，為人們的使用提供了極大的方便，如水陸兩用、多檔變速、登山越野、健身保健、智能電動等等。
專家預測，電動、環(huán)保、折疊、鎂合金材質(zhì)為特色的自行車將成為二十一世紀市場的先鋒產(chǎn)品，有取代登山車及避震車的趨勢。
1.3動畫仿真技術(shù)
無論是從自行車設計本身，還是從創(chuàng)新軟件開發(fā)的角度，動畫仿真技術(shù)都是一個有利的工具。系統(tǒng)模擬以及動畫技術(shù)常用于表現(xiàn)真實對象或模擬對象隨時間變化的行為。利用計算機造型和仿真技術(shù)，構(gòu)造出產(chǎn)品或裝置的幾何模型和功能模型，對它們進行運動學及其他性能的分析和模擬，可以使設計思想更加直觀清晰，設計過程更加合理，從而降低制造成本和試驗強度，避免危險性操作。
動畫仿真有二維圖形動畫、三維線框圖動畫和三維實體圖動畫。二維實現(xiàn)不存在消隱和陰影處理;三維實體動畫效果最形象、最生動，但要進行消隱和陰影等復雜處理，畫面刷新的計算量很大。當仿真軟件用于系統(tǒng)性能分析時，一般不考慮實體是否有碰撞干涉，采用二維圖形動畫即可，以大大縮短動畫刷新時間，加快模型執(zhí)行速度;當仿真用于處理設備的運轉(zhuǎn)過程時，三維實體動畫是最佳選擇。從性質(zhì)上看，動畫仿真主要有如下兩種方式叫:
(1)關(guān)鍵幀動畫。在這種方式下，先運行仿真程序，實體運行軌跡連同仿真時鐘全部保存，仿真運行結(jié)束后，作為動畫的驅(qū)動數(shù)據(jù)實現(xiàn)模型畫面的刷新。這種后處理動畫輸出方式需要大量的存儲開銷，并且由于動畫畫面不是基于圖形模型描述，難免出現(xiàn)動畫畫面與模型的不一致性。另外，也不能在仿真運行過程中實時監(jiān)控，不能及時根據(jù)動畫顯示的仿真結(jié)果修改仿真模型，不具備動畫與仿真的交互能力。
(2)實時動畫。在這種方式下，動畫刷新與仿真模型在時間上、數(shù)據(jù)上同步執(zhí)行，仿真運行結(jié)果及時通過動畫顯示出來;兩者交互，用戶可中斷運行中的仿真程序，修改模型，運行仿真程序時，直接看到修改處引起的變化。因此，相對于較傳統(tǒng)的動畫技術(shù)，實時動畫仿真保證了由實體的狀態(tài)、事件、活動、進程組成的抽象空間和由文本、圖形組成的形象空間完全一致。
目前，國外在動畫仿真研究領(lǐng)域比較先進，但相關(guān)文獻大都針對特定問題進行單項動畫仿真研究，有關(guān)動畫仿真軟件的資料也只是介紹使用方法和操作過程。美國在動畫仿真技術(shù)上卓越的體現(xiàn)是波音777飛機的設計。波音公司采用法國達索/IBM的CATITS三維設計與仿真系統(tǒng)，用并行方式處理，實現(xiàn)三維數(shù)字化定義，用三維實體模型數(shù)字化預裝配檢驗干涉情況，其精度達到前所未有的程度。
我國在計算機動畫和動畫仿真方面的研究及應用起步較晚，主要處于引進、吸收和消化階段。目前主要應用領(lǐng)域是二維動畫片制作、電視廣告、影視片頭制作，少量用于視覺模擬和計算機輔助教學。與國外相比，無論在研究開發(fā)還是在應用的普及范圍上都存在較大差距。我國引進的三維計算機動畫有法國的Explofe、美國的Advanced Visualiger, Softmage 3D和加拿大的Alias Animator，微機上運行的3D MAX三維動畫系統(tǒng)等。自行研制的動畫仿真軟件有IMSS 25和HMPS X28等。IMSS (Integrated ManufacturingSimulation Software)由清華大學自動化系和航天航空部204所共同研制，用于制造系統(tǒng)性能分析的一體化制造，具有二維動畫功能;HMPS (HorizontalMachining Process Simulator)由清華大學自動化系、華中理工大學機械工程系以及精密儀器系合作開發(fā)，以機械加工中心加工過程為仿真對象，具有三維實體圖的動畫功能。
2創(chuàng)新設計理論及方法
設計在產(chǎn)品的整個生命周期中占有相當重要的位置，從根本上說，決定著產(chǎn)品的品質(zhì)、質(zhì)量及成本。只有基于認識理論上的設計過程模型才是充分可靠的。將智能過程模擬出來，必須從思維出發(fā)。而創(chuàng)造性思維反映著物質(zhì)屬性和內(nèi)在、外在的有機聯(lián)系，是一種可以物化的思想心理活動。在產(chǎn)品的創(chuàng)新設計中，最關(guān)鍵的便是創(chuàng)造性構(gòu)思與最佳方案的選擇。為了進行自行車創(chuàng)新設計，本章在檢索、閱讀、整理國內(nèi)外相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，介紹有關(guān)創(chuàng)新設計的理論及方法。
2.1設計方法
2.1.1設計技術(shù)的發(fā)展
設計技術(shù)從發(fā)展歷程上看可以分為三個發(fā)展階段:傳統(tǒng)設計、現(xiàn)代設計和先進設計。
傳統(tǒng)設計首先主要以人工設計形式為代表，后以計算機輔助設計(CAD)為代表。傳統(tǒng)CAD技術(shù)依靠算法的結(jié)構(gòu)性能分析和計算機輔助繪圖這兩大特征，在產(chǎn)品設計中獲得了廣泛應用。它能完成如最優(yōu)化設計、有限元分析、計算機繪圖等各種計算型工作，但難以勝任推理型工作。
事實上，新產(chǎn)品的研究與開發(fā)是一種智能行為，是人的創(chuàng)造力與環(huán)境條件交互作用的過程，需要充分應用多學科知識、實踐經(jīng)驗、分析推理、運籌決策、綜合評價才能取得圓滿結(jié)果。智能CAD系統(tǒng)則是在傳統(tǒng)CAD基礎(chǔ)上融入了知識處理系統(tǒng)，能夠提供推理、知識庫管理、查詢結(jié)構(gòu)等多方面的信息處理功能。將人工智能與數(shù)值處理有機結(jié)合起來，計算機就能更多地參與到方案決策、結(jié)構(gòu)設計、性能分析、圖形處理等設計的全過程當中。
計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)在八十年代迅速發(fā)展，先進制造技術(shù)應運而生。先進設計技術(shù)以人機智能設計系統(tǒng)為代表，更強調(diào)系統(tǒng)的集成性，對設計全過程提供一體化的計算機支持。人機智能設計系統(tǒng)相對于現(xiàn)代設計技術(shù)階段的設計型專家系統(tǒng)，具有如下更充分的優(yōu)越性:
(1)人機智能設計系統(tǒng)是一種面向整個設計過程的開放性知識體系結(jié)構(gòu)。
(2)人機智能設計系統(tǒng)能夠處理多領(lǐng)域、多種描述形式的知識，是集成化的大規(guī)模知識處理環(huán)境。
(3)考慮專家思維、推理和決策的模型以及設計產(chǎn)品的模型，讓計算機在更大范圍內(nèi)、更高水平上對人類專家群體的推理過程進行模擬，做出準確而具體的設計決策。
2.1.2設計分類
設計的本質(zhì)是革新和創(chuàng)造。根據(jù)設計活動中創(chuàng)造性的大小，可將設計分為三類:常規(guī)設計、革新設計和創(chuàng)新設計。
常規(guī)設計以成熟技術(shù)為基礎(chǔ)，在工業(yè)生產(chǎn)中大量存在。為滿足市場需求，提高產(chǎn)品競爭力，必須改進舊產(chǎn)品，改進生產(chǎn)加工工藝、研制新品種。創(chuàng)新設計和革新設計都具有創(chuàng)造性，但前者在設計探索中最富有挑戰(zhàn)性，沒有現(xiàn)成的設計規(guī)劃，甚至沒有類似的已有設計作為借鑒，很大程度上憑借設計者的靈感去創(chuàng)造。創(chuàng)新設計的成果一般具有較高的社會價值，形式新穎且獨特，值得提倡。后者也稱為改進設計，是為增加原有產(chǎn)品的功能或適用范圍，提高性能或改進結(jié)構(gòu)、尺寸而進行的部分創(chuàng)造性活動。
設計是一項思維活動，與人的思維密切相關(guān)。關(guān)于思維科學，著名學者錢學森先生有過深入而系統(tǒng)的研究。他將人的思維劃為三種形式:邏輯思維、形象思維和靈感思維，并指出人的每種思維活動過程并非單純的一種思維在起作用〔川。這三種思維形式在創(chuàng)造性方面有不同的表現(xiàn):靈感思維最強，形象思維次之，邏輯思維最次。靈感思維的突發(fā)性、偶然性、獨創(chuàng)性、模糊性往往是科學研究發(fā)生重大突破，對人類產(chǎn)生重大影響。通常，常規(guī)設計主要是通過邏輯思維實現(xiàn)的。創(chuàng)新設計通常是采用發(fā)散而不是聚合的思維過程的設計，這使得形象思維乃至靈感思維在創(chuàng)新設計中顯得尤為重要和突出。
這樣，我們可以知道了，(1)設計型專家系統(tǒng)基本屬于常規(guī)設計和革新設計的范疇，主要模擬人類專家的邏輯思維，解決的主要問題是模式設計以及方案設計(precept design)。 (2)人機智能設計系統(tǒng)包括創(chuàng)新設計和革新設計，主要模擬人類專家的形象思維和靈感思維，解決創(chuàng)造性設計問題，以及并行設計(concuurrent design)。
2.2創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新原理
創(chuàng)造性思維指能對客觀事物之間的聯(lián)系進行新的探索，并能創(chuàng)造出新的思維形態(tài)(如概念、假設、原理和理論等)來概括、反映這些聯(lián)系的思維過程。其本質(zhì)是在社會實踐需要的制約下，在一定心理結(jié)構(gòu)和操作中，對存儲信息和外來信息，經(jīng)過鑒別和篩選，重新聯(lián)接和組合的過程。
創(chuàng)造性思維具有目的性、求異性、突變性等特征，表現(xiàn)為邏輯思維和非邏輯思維兩種基本類型。邏輯思維主要運用概念、判斷、推理的思維形式，包括歸納邏輯、演繹邏輯和數(shù)理邏輯，對產(chǎn)品創(chuàng)新進行程序化、量化或公式化分析。變換合成法是一典型的以邏輯思維為基礎(chǔ)的創(chuàng)新技法。非邏輯思維包括聯(lián)想、形象思維、靈感、創(chuàng)造性想象等多種方式，經(jīng)過理性分析后的知覺材料，在頭腦中重新加以組合和聯(lián)想，從而形成新構(gòu)思、新形象。許多重大理論的發(fā)現(xiàn)直接來源于這種直覺思維。但在整個產(chǎn)品創(chuàng)新過程中，兩種思維是相互結(jié)合進行的。在感性認識與實踐的基礎(chǔ)上，利用有意識的邏輯思維獲得和完善對產(chǎn)品創(chuàng)新問題的理性認識，進一步地，利用潛意識活動能力，開展非邏輯思維，將理性認識綜合化、形象化、具體化，繼而又用邏輯思維予以完善、修正和檢驗。我們能從具有創(chuàng)造力的人群中發(fā)現(xiàn)他們具有的共性:
(1)善于從全局出發(fā)，站在較高的水平來明確問題，制定系統(tǒng)性的發(fā)展策略。這種能力是他們沖破常規(guī)，從外面的特定領(lǐng)域進行思考與處理。而最好的新念頭往往來自于能夠把設計從一種產(chǎn)品轉(zhuǎn)向另一種產(chǎn)品的過程中。
(2)極具個性，沒有單一固定的方式。他們寧愿自己去提出問題而不是由別人來提問。
(3)完成創(chuàng)新性設計，并非機遇或偶然事件，而是始于對原有產(chǎn)品模型及系統(tǒng)的熟悉掌握與深入研究，其發(fā)展是必然的結(jié)果。
人工智能專家與心理學家對創(chuàng)造性思維的認知過程本質(zhì)作了深入的研究，提出了基于事例的推理、類比移植推理以及分解綜合推理等幾種典型的人工智能創(chuàng)造性思維模式。
2.2.1創(chuàng)造性思維模式
(1)基于事例的推理
基于事例的推理是一種認知行為，通過借鑒先前的成功或不成功的范例來指導現(xiàn)在的問題求解。它是一種基于記憶的重要的設計思維模擬方法。事例庫模擬了人腦的記憶，其中存儲過去的經(jīng)歷，并按照一定的方式組織，以便需要時被迅速提取。提取過程就是檢索相關(guān)事例的過程，檢出的事例可能與新事例不一致，需加以修改、預測，若仍然不合適新情況，仍需進一步修改。最后將正確解答納入事例庫，新的索引被建立和存儲，形成新知識。這種創(chuàng)造性思維模式是在原有基礎(chǔ)上進行局部調(diào)整，屬于革新設計。
(2)類比移桂推理
類比推理指依據(jù)兩個事物之間的相關(guān)性，從己知一對象的某種性質(zhì)推出另一對象具有某種相應性質(zhì)的推理過程。即提取一個新事例情境的某些己知特征，與事先記憶的事例情境逐一比較，若相似則推出該情境具有與事例情境的其它特征相類似的特征。類比推理的核心是一個匹配過程(遵循語義相似性原則和結(jié)構(gòu)一致性原則)和一個映射過程(映射內(nèi)在特征而非外在表現(xiàn))。類比移植包含繼承、改進、變異及創(chuàng)新，可以在技術(shù)結(jié)構(gòu)、技術(shù)原理、思想方法、不同技術(shù)領(lǐng)域間或同一技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)不同結(jié)構(gòu)之間等方面進行移植。類比推理的主要特征是:
(1)屬或然性推理，能得到繼承性和創(chuàng)新性結(jié)論;
(2)核心強調(diào)情境間的相似聯(lián)系，而不是命題的真假。結(jié)論需驗證正確性;
(3)存在的聯(lián)系是內(nèi)在的相關(guān)性，而不是外在的表現(xiàn);
(4)是一種極具創(chuàng)造力的思維方法，體現(xiàn)原理層創(chuàng)新，繼承中創(chuàng)新的思想。在產(chǎn)品設計中的應用體現(xiàn)是創(chuàng)新設計。
(3)分解蛛合推理
分解綜合推理是一種復合推理模式，包括邏輯思維(分解過程)和形象思維(求解過程、綜合過程)。這種思維模式最具創(chuàng)新力，因為分解過程能夠依據(jù)已有的知識經(jīng)驗將新問題分解為一系列老問題，具備強勁的解決新問題的能力;求解過程的基于事例的推理模式和類比推理模式都具有創(chuàng)新能力;綜合過程采用不同的策略得到不同結(jié)果，更具有創(chuàng)新力。
在創(chuàng)造性思維過程中，必然繼承原有的科學知識的概念、命題、原理和定律，并與之發(fā)生種種邏輯聯(lián)系;必然有新的事實、新的聯(lián)系等內(nèi)容假如于其中。基于事例的推理與類比推理的本質(zhì)區(qū)別在于，前者強調(diào)新問題與事例間的邏輯聯(lián)系，按一定的索引方式檢索己有的事例，其創(chuàng)造性是后來的修改。而后者強調(diào)新問題與類比問題之間的形象聯(lián)系，依據(jù)兩者在某方面的類似性，推理出一者的解具有與另一者的解相類似的結(jié)構(gòu)。分解綜合推理體現(xiàn)創(chuàng)造性思維過程解決問題的完整過程，前兩項推理過程側(cè)重于創(chuàng)造性思維過程的求解過程。
2.2.2創(chuàng)新原理
創(chuàng)造性思維只有在一定原理的約束和導向下才能得到有效的創(chuàng)造性結(jié)果。G. S. Altshuller通過對上萬件發(fā)明專利的研究與分析，抽出40個發(fā)明創(chuàng)造所遵循的原理，成為解決技術(shù)矛盾的關(guān)鍵。下列幾項原則具有指導性意義:
(1)綜合:組合相同性質(zhì)的物體;將相近性質(zhì)的作業(yè)在同一時間內(nèi)組合;使物體具有復合功能。如電子計算機是大規(guī)模集成電路技術(shù)、計算數(shù)學、精密機械的綜合;激光技術(shù)是光學、機械、電學的技術(shù)綜合等。
(2)還原:圍繞產(chǎn)品功能進行創(chuàng)新。如在應用系統(tǒng)化設計法進行原理方案設計，先從功能分析入手，利用創(chuàng)造性構(gòu)思等方法求解多種方案，然后進行技術(shù)經(jīng)濟評價，通過選擇和優(yōu)化，求得最佳方案。
(3)類比:借鑒成熟的原理與技術(shù)加以比較，找到相似點。
(4)移植:多種技術(shù)的移植嫁接，形成新技術(shù)、新材料、新產(chǎn)品、新工藝。如系統(tǒng)間相互替換(機械系統(tǒng)、光學系統(tǒng)、聽覺系統(tǒng)、嗅覺系統(tǒng)、場強等)，機構(gòu)間的相互利用(氣壓機構(gòu)、水壓機構(gòu)、油壓機構(gòu)、機械機構(gòu)等)。
(5)離散:將原有產(chǎn)品技術(shù)進行分離，形成新構(gòu)思。如隱形眼鏡是鏡片與鏡框分離的結(jié)果;音箱是揚聲器與收錄機分離的結(jié)果。
(6)強化:如采用金屬粉末熱噴涂強化工藝，提高機械零件表面強度、硬度和耐磨性;采用復合材料增強結(jié)構(gòu)剛度、穩(wěn)定性、減震性。
(7)換元:如采用材料替代、零件替代、方法替代、包裝替代、品牌替代等。
(8)迂回:面臨困難時擴大搜索范圍，從其它領(lǐng)域?qū)ふ覇l(fā)，激發(fā)創(chuàng)意，解決問題。
(9)逆反:突破傳統(tǒng)的思維定勢，進行逆向思維，引出新的創(chuàng)意。
(10)仿形:從產(chǎn)品造型上模仿。如鳥的翅膀與飛機機翼，海洋生物的流線型軀體與潛艇造型等。
(11)群體:依靠群體智慧，相互啟發(fā)，集思廣益。
2.3創(chuàng)新設計
現(xiàn)代設計的核心是創(chuàng)新設計，根據(jù)以往的設計經(jīng)驗、新興技術(shù)所提供的新原理、新方法進行產(chǎn)品的分析、設計。開發(fā)創(chuàng)新思維，學習和掌握創(chuàng)新設計方法，是現(xiàn)代設計的需要。正向、逆向、側(cè)向等多種思維有助于我們從不同深度、廣度進行思考，提出創(chuàng)新構(gòu)思和解決問題的方法。創(chuàng)新設計的方法有很多，如智力思維法、推理思維法、聯(lián)想思維法、組合創(chuàng)新法等。文則將面向產(chǎn)品創(chuàng)新設計的CAD方法歸納為基于分解的功能方案設計方法、面向功能單元的結(jié)構(gòu)設計方法、面向全過程的設計方法。前兩類是創(chuàng)新設計過程的兩個主要階段，第三類主要從設計方法學角度論述計算機輔助設計方法的設計過程模型。
2.3.1基于分解的功能方案設計方法
技術(shù)創(chuàng)新時，首先要明確新產(chǎn)品應該具備的功能。產(chǎn)品的功能方案設計處于整個設計過程的最初階段，但是地位最重要。對功能的各種可能方案進行優(yōu)選，關(guān)鍵是進行廣泛而深入的功能分析和功能分解，包括設計目標的辨認和確定，功能的描述和定界，并用多種實體結(jié)構(gòu)(功能載體)去實現(xiàn)。將抽象的產(chǎn)品設計轉(zhuǎn)化為具體的、現(xiàn)實的功能，充分體現(xiàn)著人的創(chuàng)造性活動。
功能邏輯分解法和功能行為狀態(tài)分解法是目前研究的兩種典型方法。功能邏輯分解法的關(guān)鍵在于如何建立一個豐富功能定義庫以及定義一個功能塊關(guān)系描述定義集。功能行為狀態(tài)分解法是基于行為的分解，關(guān)鍵是如何將功能一行為一狀態(tài)一基本物理模型有機地結(jié)合在一起，是功能分解具有認知理論的依據(jù)。
2.3.2面向功能單元的結(jié)構(gòu)設計方法
這種方法強調(diào)如何將功能性的描述轉(zhuǎn)化為能實現(xiàn)這些功能的具有形狀、尺寸以及相互關(guān)系的零部件的描述，其核心是一個映射過程。采用功能一結(jié)構(gòu)一裝配三個層次的轉(zhuǎn)換方法，即建立一個中間結(jié)構(gòu)層，完成從功能視圖向裝配體視圖的遷移。
2.3.3面向全過程的設計方法及模型
對于面向全過程的設計方法及模型，根據(jù)其發(fā)展過程有三種觀點:
(1)面向?qū)ο笤O計模型
面向?qū)ο笤O計模型代表設計方法學的組裝創(chuàng)新設計階段。它認為設計過程應是從功能分解的高層向低層不斷進行基于專家經(jīng)驗知識庫的虛功能特化和再分解的過程。特化過程指當知識庫存在能夠滿足虛功能對象的時候，產(chǎn)生該對象的實例。再分解過程指在不滿足的情況下，按照知識庫中的分解方法將虛功能再次分解為子虛功能，直到全由特化對象實例來完成，形成多叉樹結(jié)構(gòu)，分叉點是分解，葉結(jié)點是特化。
(2)一般性的設計理論模型GDT (General Design Theory)
GDT模型體現(xiàn)創(chuàng)新設計方法學的創(chuàng)新思維過程(分解、映射、綜合)，代表開環(huán)設計階段。它認為設計核心是分解—映射—綜合的過程。功能目錄列出了所有基本功能單元和一對多對應的實現(xiàn)方案，該模型以功能目錄為依據(jù)，基本組成都出自功能目錄庫。
(3)逐步求精模型
逐步求精模型認為設計應從需求描述(包括功能、行為、屬性等方面)入手。這種描述在設計過程中不斷被細化、修正和測試，直到產(chǎn)品成形，形成一個不斷遞歸循環(huán)的子單元設計過程。該模型能充分體現(xiàn)人的創(chuàng)新思維模式:繼承中創(chuàng)新、反復迭代、代表工程設計方法學的閉環(huán)控制創(chuàng)新設計階段。第三章自行車創(chuàng)新發(fā)展
自行車是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚拇焦ぞ撸湓靸r低廉、維修簡單、使用方便，無污染，深受人們喜愛。目前，國內(nèi)自行車行業(yè)紛紛加快產(chǎn)品開發(fā)步伐，出現(xiàn)了花色繁多，系列品種趨于齊全、結(jié)構(gòu)新穎的新局面。為了進行自行車創(chuàng)新設計，本章通過收集、整理有關(guān)文獻，介紹自行車創(chuàng)新的發(fā)展現(xiàn)狀及其創(chuàng)新內(nèi)容。
2.4自行車的發(fā)展歷史
自行車歷史淵源久長。據(jù)史料文字記載，大約公元前2300年，中國、埃及、印度都出現(xiàn)過人類原始的自行車雛形。意大利龐貝城中的壁畫是最早的圖形記載。世界上第一輛真正的自行車是由法國人米狄·德，西福拉克于1790年發(fā)明的兩輪腳蹬自行車。鏈條式驅(qū)動裝置的發(fā)明者是英國人丁·斯塔利和勞森。1888年英國人鄧洛普將實心輪胎改為充氣輪胎，使行駛更為便輕。但縱觀早期自行車發(fā)展，由于沒有系統(tǒng)的理論作指導，制造技術(shù)相對落后，自行車發(fā)展很緩慢。
隨著社會發(fā)展、科技進步和人類審美觀念的不斷變化，自行車產(chǎn)品在近代和現(xiàn)代得到了迅速發(fā)展，造型日趨完美，功能日趨完善。在造型設計、動力驅(qū)動、新型材料、傳動方式、結(jié)構(gòu)功能等多方面不斷改造與創(chuàng)新。
3.良好的發(fā)展前景。
3.1傳動系統(tǒng)
自行車傳動系統(tǒng)的形式多樣，曾出現(xiàn)過杠桿驅(qū)動、雙重曲柄式、腳蹬上下式、無鏈傳動、軸傳動、棘輪棘爪傳動、齒輪傳動、鏈條鑄輪傳動等各種形式。許多方式都因傳動效率不高或不適合而被淘汰，但自行車的齒輪傳動方式、鏈條鏈輪傳動方式等依然適用，并在此基礎(chǔ)上持續(xù)發(fā)展。
變速傳動是機械傳動系統(tǒng)的一個分支，其理論發(fā)展已有60多年的歷史。非圓鏈輪傳動作為一種變速比傳動，以其獨特的優(yōu)點，在近十年期間，得到國內(nèi)外有心人士的關(guān)注，將它有效的運用到自行車上。國內(nèi)王展國的角速度凸圓鏈輪傳動裝置，根據(jù)人腳踏作用力的變化情況，設定曲柄位置，設定在最佳受力夾角處，使人力腳踏容易發(fā)揮較大腳踏力且鏈輪傳動比加大，從而提高傳動效率。日本奧特克公司開發(fā)的新型自行車驅(qū)動裝置，將傳統(tǒng)的圓形鏈條輪改造成橢圓形，把傳動方式由鏈條改為齒輪傳動。這種騎行時腳的運動軌跡是橢圓形，便于腿發(fā)力且節(jié)約運行距離。IPD公司己生產(chǎn)出凸輪驅(qū)動系統(tǒng);日本島野公司有非圓鏈輪產(chǎn)品。這些非圓鏈輪傳動系統(tǒng)的優(yōu)點在于人騎車時省力、舒適、不易疲勞，是一種很有發(fā)展前景的自行車。
3.2新型材料
運用在自行車上的材料多種多樣，目前比較流行的材質(zhì)有鋼材、鋁合金、鎂合金、欽合金、高分子碳纖維材料、復合材料等。
鋁合金是目前最看好的材質(zhì)，在80年代初期就己經(jīng)開始被大量運用在自行車制造上，雖然鋁合金車架重量輕、延伸性相當好，但應力較集中，所以性能較差。近年來鋁合金材質(zhì)在車架上運用了新技術(shù)，其中漸進式抽管法最被看好，即分數(shù)次將鋁材逐漸抽薄，減少重量而又不損失強度，消除了車架接縫處的潛在斷裂處。
英國設計者Kirk Precision大膽地利用新型材料—高純度鎂，通過鎂合金澆注成模方法，再結(jié)合高科技制造設備和計算機輔助設計手段，成功地將大規(guī)模制造的優(yōu)勢運用到傳統(tǒng)手工制造的自行車行業(yè)中來，生產(chǎn)出比相同大小和重量的鋼管車架質(zhì)量更輕、剛度更高，性能更佳、動感更強的合金管車架。
欽合金在航空工業(yè)上普遍被運用，同時也漸漸被自行車行業(yè)所注意。欽合金穩(wěn)定性高、不易氧化.強度高、抗腐蝕性好.吸震性也十分好，如此多的優(yōu)點和制造難度使得欽合金車架的價格一直十分昂貴.
復合材料在運動器材方面蓬勃發(fā)展，加上制造技術(shù)漸趨成熟，引起有心人士投入復合材料代替金屬的開發(fā)。
碳纖維是一種纖維補強的熱固樹脂，屬于非金屬材料，它重量輕、可塑性大、耐牢性卓越，防震性能好，與同質(zhì)量的金屬相比有更優(yōu)良的強度與剛硬度;將碳纖維管狀物與鋁合金接頭這兩種截然不同性能的物體以高分子接著劑膠合組成一體化成型車架，最適用于競賽型的自行車。碳纖維自行車的國內(nèi)外發(fā)展狀況如下所述。
80年代中期，意大利、法國、英國和美國利用復合材料和工程塑料方面的技術(shù)優(yōu)勢.相繼開發(fā)成功了用碳纖維管和鋁合金接頭粘接成車架的碳纖維自行車。隨后，歐美等國對自行車進行計算機輔助受力分析和強度計算，使計算機外形更符合人機工程學的要求，研制出碳纖維整體車架成型工藝。90年代初，國外廠商將粘接型和整體性進行混合技術(shù)，即用碳纖維管和多通接頭作“底”.外敷纏繞碳纖維層，使多通接管掩埋在里面，外部看起來似整體成型。以確保自行車的強度。
臺灣最大的自行車廠商—捷安特Giantl公司與臺灣材料研究室共同開發(fā)碳纖維自行車，成功開發(fā)一種新穎的鋁合金金屬壓注接頭膠接碳纖維自行車構(gòu)架。隨后.公司于1993年聯(lián)合開發(fā)整體碳纖維自行車構(gòu)架，便臺灣自行車工業(yè)發(fā)展上一新臺階。近年來臺灣自行車業(yè)者將諸多新開發(fā)的高科技材料大量運用于傳統(tǒng)的自行車產(chǎn)品.提高功能性和實用性，大幅度減輕自行車重量，使產(chǎn)品的附加價值大為增加。
1993年，我國天津飛鴿自行車(集團)公司和北京環(huán)航復合材料公司聯(lián)合投資開發(fā)粘接型碳纖維自行車。深圳中華自行車公司自行研制可焊接碳纖維自行車。但整體成型碳纖維車架國內(nèi)目前還是空白。
3.3動力班動
(1)電動自行本
電動自行車被譽為“綠色交通工具”，它充分運用了當今的新技術(shù)、新材料，尤其是采用集成電路，電子元器件，提高了自行車控制器的質(zhì)量，具有很好的可靠性、安全性和靈活性。
電動自行車以蓄電池能源進行電力驅(qū)動，通過控制系統(tǒng)驅(qū)動電動輪轉(zhuǎn)動，從而達到騎行目的。采用的電池主要有三類:鉛酸電池、鎳鍋電池、鎳氫電池。電動自行車是高新技術(shù)產(chǎn)品，只有當電池、電機、控制器、充電器等技術(shù)達到較高的水平時方可大量生產(chǎn)。目前，電力自行車是自行車行業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品中最大的熱點。
a.國外電動自行車發(fā)展狀況
美國ZAP、尤尼克、克萊斯勒等多家著名汽車公司都己開發(fā)和生產(chǎn)出了相當數(shù)量電力助動車，美國通用汽車公司為電動自行車提供新型電池。德國的奔馳公司、法國的標志公司也把眼光投入到這一產(chǎn)品上來了。日本除積極開發(fā)電動汽車外，積極開發(fā)出各類電動自行車，產(chǎn)值己超過了越野車、迷你車，僅次于居第一位的輕便車。日本三菱重工業(yè)公司最近推出了電動自行車新產(chǎn)品，加入經(jīng)濟競爭的行列。1997年，日本最大的自行車廠家“石橋”、“宮田”、“丸石”等也相繼加入電動自行車的競爭行列。日本把電動自行車作為最有發(fā)展前景的綠色交通工具來發(fā)展。
b.臺灣電動自行車發(fā)展狀況
臺灣自行車產(chǎn)業(yè)頗具實力。美利達公司開發(fā)出鉛酸電池自行車，市場銷路很好;奇能、巨馬和瑞祥等多家電動機車制造廠商，均致力于開發(fā)一種超輕型專供短程使用的電動自行車。瑞祥公司推出第二代電動自行車的重量只在52公斤以下，奇能公司的全新設計EPED電動自行車重量只有30多公斤。
最近，為推動高科技電動自行車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，自行車工業(yè)研發(fā)中心已著手部署第三代電動自行車開發(fā)設計，將在馬達、控制器、電池等方面大幅強化效能的提升。個性化電動輔助自行車與折疊式電動輔助自行車等兩型車款將進一步減輕重量。
c.國內(nèi)電動自行車發(fā)展狀況
我國電動自行車開發(fā)尚處起步階段，但還是比較重視電動車的開發(fā)和生產(chǎn)。廣州和汕頭南澳縣是國家重點開發(fā)電動車的基地;政府和常州建立了中外合資常州山康電動車有限公司和常州電動車充換電有限公司。早在1996年政府就支持和鼓勵電動車發(fā)展。目前，已有20多家企業(yè)參與電動車的開發(fā)和生產(chǎn)，各種電動自行車、電力助動車、高性能電池、電機和控制器等相繼面世。上海于近日取得電力助動車在電池研制關(guān)鍵技術(shù)上的重要突破，一些專業(yè)企業(yè)也已經(jīng)能夠批量生產(chǎn)，其使用壽命可達到充電400-500次，一次充電可行使40-50公里。
(2)太陽能自行車
太陽能自行車是將太陽能直接變成電能，驅(qū)動電機行駛的自行車。主要由太陽電池、直流電機、蓄電池和自行車組成。太陽能電池是自行車的發(fā)電機，蓄電池把太陽能變成的電能儲存起來，供自行車啟動時較大的啟動電流，或陰雨天和晚上使用。
太陽能電池是固態(tài)器件，吸收陽光并將光能直接轉(zhuǎn)變成電能，完全依靠內(nèi)部的固體結(jié)構(gòu)完成這一功能，沒有任何活動部件。要求太陽能電池能提供120瓦功率的電源。南京航空航天大學范炳鶴教授研制出大面積硅太陽電池應用集成電路技術(shù)，把N型硅和P型硅與連接導線一起集成在光學玻璃基板上，組成305毫米X 305毫米方形太陽能電池，工作電壓12伏，輸出功率5千瓦。他本人自裝了一輛太陽能自行車，太陽能電源由NPS硅太陽電池和復旦大學BEST全密封維護蓄電池組合成。
太陽能自行車是新生事物，集中“能源、環(huán)保、交通和新材料”四大領(lǐng)域的優(yōu)勢，不斷完善后將成為特色小康型交通工具。
(3)落汽自行車
德國機械工程師赫爾貝特.勒特里希研制成一種以蒸汽為動力的新型自行車。該車前輪左側(cè)部位裝有一只立式蒸汽鍋，右側(cè)部位裝有一臺活塞蒸汽機。蒸汽機所產(chǎn)生的傳動力則是依靠一只摩擦輪傳遞到前輪上的。此自行車還配有氣壓表、蒸汽鍋加熱點火器、安全閥門、強制式給水泵、手動式供水泵、儲水箱及煤氣罐等裝置。為確保蒸汽鍋安全，騎車者還可以通過車上的一只目鏡，檢查蒸汽鍋內(nèi)的水位情況。
(4)夜光自行車
加拿大的科研人員為使夜間騎自行車的人能在微弱光線的大街小巷中安全行駛，專門設計并制造了一種夜光自行車。這種自行車并無任何結(jié)構(gòu)上的改變，只是在自行車兩只輪的輪圈上，粘貼一層涂有發(fā)光的彈性錫箔之類的膜。實驗證明，這種車在夜間行駛時，可以在150米之內(nèi)被人們發(fā)現(xiàn)，即使是以每小時80公里的速度急馳的汽車，也來得及緊急處理情況，從而排除夜間的交通事故。
3.4造型
現(xiàn)代自行車造型設計的一大特點就是應用新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)。有種無輻條、前后輪均為碳素鋼輪的自行車，其前輪略小，后輪略大，造型整體呈前傾狀態(tài)，高速行駛時，能減少空氣阻力具有較強的速度感和力感。1999年臺北自行車展示會上，Elebike公司展出了由工程學院的學生設計的兩人同時駕駛的新型三輪電動自行車。車的前輪有一個轉(zhuǎn)矩，電池安裝在座墊下面，車駕與擋泥板創(chuàng)造出一種優(yōu)美的流線形。“羚羊型”、“白天鵝型”等使自行車造型趨于多樣化。“流線型”結(jié)構(gòu)造型以及改變駕駛者的姿態(tài)的“身尚式”造型是自行車造型發(fā)展的新趨勢。
3.5結(jié)構(gòu)
自行車的結(jié)構(gòu)多樣，金屬板、塑料的組合式、管式、組成式、軸傳動機構(gòu)、橡膠車架、碳精纖維車架、無幅條車輪、單輪車式、曲柄式往復運動機構(gòu)、鋼絲幅條車輪、無滾珠軸承、蛇腹車架、雙管車架、雙圓棒車架、蜂窩結(jié)構(gòu)、玻璃纖維車架、流線型結(jié)構(gòu)、整體車輪、驅(qū)動部與后軸的整體連結(jié)、無螺絲安裝、帶式驅(qū)動機構(gòu)、流式驅(qū)動機構(gòu)等m。而折疊式自行車是近幾年發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)的自行車.結(jié)構(gòu)更簡便，性能更高.
(1)獨轉(zhuǎn)健身自行豐
一種獨輪健身自行車，由搖動手柄、腳踏，輪子和保護架構(gòu)成，搖動手柄和腳踏分別與棘爪傳動機構(gòu)的棘爪固定，棘輪與車輪同軸轉(zhuǎn)動。使用者通過兩手的前后搖動和腳踩腳踏兩種方式連續(xù)驅(qū)動車輪行走。
(2)折圣式自行豐
德國斯圖嘉特市車輛設計鍛造公司最近開發(fā)成功一種隨意放入任何一種行李箱內(nèi)的微型折疊式自行車。它裝有可調(diào)式支承座的鞍管和車架上的避震器可迅速從車架上卸下，車架通過一種新式中軸活絡關(guān)節(jié)一步折疊到位。車架制造采用“中空事骨架件”方法，既有效提高車架抗扭強度.又可顯著減輕車架重量。
日本成功制造出總重量僅為6. 5千克的一種新型的安全可靠的折盛式輕便自行車，堪稱世界上最輕量的自行車。車體材料采用堅固而較輕的欽合金，所有框架采用中空工藝加工，框架管子的壁厚僅有1毫米，此外，輪胎采用了聚氨酷橡膠等輕量材料，所有部位盡可能設法變輕.折疊設計方面，對折疊后的高度、厚度都進行了嚴格調(diào)查比較，產(chǎn)品最終實現(xiàn)了能滿足多種情況下的攜帶與放置。
臺灣展開發(fā)公司推出的折疊式電動自行車獲日本外觀及結(jié)構(gòu)專利權(quán)。全車僅32公斤，攜帶方便、機動性高。該車采用微電腦控制器，剎車自動斷電，電源歸零起動，具有電量指示燈，啟動扭力大，速度可達25公里/hr，充電時間4-6小時，平地續(xù)航力可達40公里。前輪配置的12. 5英寸避震器已獲臺灣專利權(quán)，是目前臺灣行程尺寸最短的避震器。
我國柯思達發(fā)明的折疊自行車系列產(chǎn)品，性能上具有折疊迅速、結(jié)構(gòu)簡便的特點，與同類產(chǎn)品相比，體積小1/2，重量輕1/3，折疊時間為2-4秒，可隨意掛靠，攜帶便利。
3.6功能
自行車除了作為一種交通工具，還具有健身、娛樂、競賽等多方面功能。隨著高新技術(shù)的不斷提高，一運用越來越廣泛，功能越來越完備，出現(xiàn)了水陸兩用自行車、多檔變速自行車、登山越野自行車等多功能型自行車。
(1)多檔變速自行車
變速裝置的形式很多，內(nèi)裝、外裝、手動無級變速、電氣式自動無級變速、流體變速、細繩式、帶式、隨動式、離合器式、磁力式、連桿式、摩擦離合器式、摩擦板式、離心力式、異型電機式、柱塞式、和諧傳動、行星齒輪式、照相機光圈式、改變鏈輪徑、凸輪偏心式(帶行星齒輪和鏈輪)、橡膠變速式、滾珠螺絲變速等等。
外裝變速器直接接觸外部空間，變速的范圍較大，多用于山地車。內(nèi)裝變速器暗藏于后花鼓中，由于設計的空間有限，變速的范圍較有限，一般用于城市內(nèi)騎行的輕便車。森威系列中的摩擦式換檔變速器，采用低接觸式走線方式和擺動機構(gòu)，實現(xiàn)前、后自動定位定檔工NDEX調(diào)速。它選用高強度的壓鑄鋁、塑脂件，采用旋轉(zhuǎn)手柄、GD型飛輪，具有預撥功能，使得工NDEX系統(tǒng)達到平順、準確的變速性能。最新產(chǎn)品中還有通過電腦感應和微型馬達來自動進行變速的全自動內(nèi)變速系統(tǒng)。通過變速把上的電腦液晶FLGHT DECK電子顯示系統(tǒng)實現(xiàn)顯示時間、平均速度、騎行總距離等17種的功能。
(2)山地自行牟
山地自行車適于行駛在不平整的路面上。由Bertone公司和通用(GM)的子公司歐寶聯(lián)合開發(fā)的山地自行車，用一根管材構(gòu)成的龍骨代替了傳統(tǒng)的四邊形車架。此車將后輪，車鏈連接腳蹬子的中軸作成一體，減震器安裝在鎂管中，從而使得24速換檔機構(gòu)中的鏈條張緊力不受到車輪跳動的影響，解決了后懸掛系統(tǒng)的自行車經(jīng)常遇到的問題。
(3)遭震賽車
在登山自行車、下坡賽車上，為了降低自行車車輛重量，發(fā)揮乘騎者的最大極限，提高耐沖擊性，普遍采用高性能的前后叉避震設計，懸吊式后避震系統(tǒng)和彈簧壓迫式的傳動系統(tǒng)。在把手、避震座管、立管等各部分均采用創(chuàng)新的材料，使自行車的“減震”功能幾乎可以與機車相媲美。同時，為了減少抗風阻系數(shù)，以往管狀的車身已逐漸為扁平的設計所代替。第四章車架造型設計
自行車創(chuàng)新設計包括所示的各個方面，本論文重點討論車架造型、傳動系統(tǒng)方案設計。本章首先研究車架造型設計。
4自行車造型個性化設計程序與方法
4.1自行車造型個性化設計的基本方法
4.1.1目標消費群體分析
根據(jù)上一章分析的內(nèi)容，自行車的消費行為取決十目標消費群體的兩方面?zhèn)�性:其中動機、態(tài)度、消費觀決定了其購買自行車的類型、使用情境和檔次;而個性氣質(zhì)以及感知尺度決定了自行車的風格特征。因此，設計自行車或零件造型，需要先分析目標消費群體這兩方面的信息。
具體的過程是，首先了解影響消費群體購買自行車行為的客觀因素，如當?shù)氐纳鐣幕⒛繕讼M群體所處的社會階層、當?shù)氐牡乩憝h(huán)境等等;其次，分析目標消費群體的購買動機、態(tài)度及其消費觀，判斷適合目標消費群體使用的自行車的功能和檔次;最后分析目標消費群體的個性與氣質(zhì)，以及市場上競爭對手產(chǎn)品的風格特征，判斷出合適的自行車造型風格特征。
4.1.2自行車消費動機需求的分類
建立基十使用情境的自行車個性尺度模型，需要首先了解消費者的購買動機，不同動機的消費者，對自行車的各種屬性的態(tài)度會有很大不同。根據(jù)上文提及的“影響自行車消費的客觀因素”，以及第二章提及的現(xiàn)代自行車的功能特性差異，筆者對消費者購買自行車的使用的動機需求概括為“代步”、“休閑”、“旅游”、“表演”、“競速”、“極限運動”、“運輸”七類，而其中“運輸”需求，因為自行車的速度、運輸能力、機動性能等限制，已逐漸被電動車、汽車等其他交通工具代替。因此建立模型時，動機需求中放棄了“運輸”這一項。
4.1.2.1代步
從自行車發(fā)明以來，代步就是自行車最基本的功能。通過蹬踏自行車，可以加快到達目的地的速度，節(jié)省時間和體能。時至今口，人們使用自行車的動機還有不少是用十代步。屬十代步范圍的動機有:上下班、上學放學、購物、買菜、走訪親友，參加其他活動等等口常生活以及公務活動，自行車僅僅作為交通工具來使用。
4.1.2.2休閑
休閑是現(xiàn)代社會發(fā)展的特征之一。隨著科技進步，文明程度提高，我國用工時間不斷規(guī)范和縮短，普通人有越來越多的休息時間。五天工作制和各種傳統(tǒng)節(jié)口的制定，都為大眾提供了更多進行休閑活動的機會。過去休閑方式以看電視，瀏覽報紙，等被動休息為主，而現(xiàn)在人們的觀念逐漸發(fā)生改變，意識到需要積極主動地尋找適合自己的活動方式，因此利用自行車進行休閑活動成為現(xiàn)在的熱門休閑活動之一。“休閑”和“代步”兩種動機的差別是:“休閑”中自行車已不僅是交通工具，在人們參與的活動中扮演重要的角色。屬十休閑范圍的動機有:外出兜風、公園內(nèi)騎行、短距離的戶外活動(如露營、野炊、登山、越野)等等。自行車為人們的休閑活動增添了樂趣，貼近了自然，越來越受到人們的歡迎。
4.1.2.3旅游
旅游也屬十廣義休閑的一種，產(chǎn)生“旅游”動機的原因與“休閑”類似，而在自行車“旅游”動機中，更關(guān)心的是通過自行車游歷其他地區(qū)，攜帶大量行李，在遠離自己住所的其他環(huán)境中體驗不一樣的生活。很多時候，使用自行車旅游的人會被稱為“驢友”。屬十旅游范圍的動機有:騎行至外地，或者在外地騎行;到旅游景點地區(qū)游覽等等。
4.1.2.4表演
表演指使用者利用自行車進行某些需要經(jīng)過訓練、常人難以做到的動作，并配合音樂、道具、場景以取悅觀眾。這些活動需要使用者有很好的靈活性，掌握大量的操控技巧，以保持自己在自行車上的平衡，因此用十表演的自行車零件非常專業(yè)。屬十“表演”動機的范圍有:平地花式BMX,攀爬、街式等，或者一些DH自行車活動。
4.1.2.5競速
競速屬十專業(yè)運動范疇，指在特定的場地中，在盡可能短的時間內(nèi)完成指定路線的騎行，并與其他競速選手競爭完成時間，速度最快者獲勝。競速動機基本表現(xiàn)在參加自行車比賽的行為上。隨著我國自行車水平的不斷發(fā)展，國內(nèi)各種專業(yè)和業(yè)余的自行車比賽數(shù)量口益增加，如“禧碼諾車迷節(jié)”、“黃山賽”等，因為競速動機而購買自行車的消費者也越來越多。屬十“競速”動機的范圍有:山地自行車比賽、公路自行車比賽、個人計時賽、鐵人二項比賽等等。
4.1.2.6極限運動
極限運動是特別的自行車運動，使用者通過自行車挑戰(zhàn)極高難度的路況和動作，以超越人類極限為目標，追求過程中的刺激感。極限活動具有很大的危險性，因此要求自行車及護具的強度要足夠勝任。屬十“極限運動”動機的范圍有:自由騎、墜山、街式等高強度的山地騎行活動，以及平地花式等以技巧性為主的騎行活動。
4.1.3自行車造型特征的設計
自行車的造型設計需要服從十功能，具有很大的局限性。但是局限并不代表無法設計。自行車框架是最重要的設計部件，在滿足功能需求及成本的前提下，其選用的材料、管材線條的造型、車架和前叉外管的涂裝都屬十可塑造的部分。同日寸，坐墊、座桿、把組的形狀、涂裝也影響整車的風格。然后是自行車的其他系統(tǒng)部分，屬十造型的細節(jié)設計。如曲柄的表面、快拆、后撥、剎把、火器等，出色的設計可以起點綴的作用，讓整車風格更加協(xié)調(diào)。對整車造型影響不大的零件有:花鼓、腳踏、飛輪、前撥、碗組等體積較小，功能性遠大十造型表征性的零部件。
4. 2設計原則
自行車設計要從材料強度、騎行運動學、加工工藝，可靠性等各個方面進行考慮，這些因素都直接影響著車架的外觀美感、強度大小和彈性優(yōu)劣。而車架造型很大程度上決定著自行車騎行好壞、易轉(zhuǎn)性能、騎行舒暢感等。車架管材的長短、構(gòu)成的角度等影響整體自行車的特性。除考慮車架的造型結(jié)構(gòu)尺寸外，尤其應該考慮自行車與人的協(xié)調(diào)關(guān)系，以及身體尺寸與自行車各部件之間的關(guān)系。主要的基本技術(shù)參數(shù)有:前管軸線與地面夾角。、立管軸線與地面夾角p、傳動中心距C、前后輪中心距D、中接頭中心離地距離E等。只有這些參數(shù)均趨于合理，才能保證自行車的穩(wěn)定性和操縱性。下面以賽車為例，討論如何確定車架設計方案。
4.2.1基本原則
(1)賽車的性能是通過人來體現(xiàn)的，它的結(jié)構(gòu)設計應以人為主，充分考慮到人體工程學、自行車運動學、形態(tài)美學等方面的知識。
(2)賽車車架的形狀和尺度與其功能有關(guān)。要求外形尺寸合適，以提高騎行舒適性;要求所受阻力最小，騎行的輸出性能最佳。
(3)要求有足夠的剛性和強度，并且盡量減少重量。具有良好的抗沖擊、耐疲勞性，以保證壽命使用。
4.2.2形態(tài)設計
碳纖維賽車車架造型采用流線型整體結(jié)構(gòu)，其性能分析有以下優(yōu)點:互磨擦、流線型結(jié)構(gòu):可最大限度地減少空氣阻力，提高騎行速度。整體式結(jié)構(gòu):人體做功力傳遞效率高。避免了普通車架因部件多，相接觸變形造成的人體動力傳遞損耗。
4.2.3結(jié)構(gòu)尺寸確定
(1)車架規(guī)格
運動員下肢(大腿、小腿、腳)的長短，決定車架的高度。上肢(上臂、下臂和手腕)的長短與胸之和，決定車架的長度。
(2)前角和后角
前角指前管對于車架的傾斜度。前角為710時，操縱性和穩(wěn)定性都比較好，確定其范圍為650 -750。賽車車架的前角更陡，采用730-750，這樣在騎行時反應快，速度靈活。坐管角取與前角相同，陡的角度可使騎車者前撲在中軸的上方，從而獲得較大的蹬力。后角指立管軸線與地面夾角。后角決定了騎行者在自行車上的重心位置，一般認為在680 -73。范圍內(nèi)。當傳動中心距設定的值較小時，角度偏小，反之偏大。
(3)前又翹度
前叉翹度指前管中心線和前輪軸之間的垂直距離。為提高自行車的的導向靈活性，一般取較小的值。
(4)上管長度
從鞍立管接頭到前叉接頭的長度，角度較陡的賽車車架相應地使上管縮短了。這樣可使騎車者能下?lián)渲p手握住車把騎行，以減小風的阻力并增強腳踏的力量。
(5)轉(zhuǎn)距
為了減少自行車的重量，提高運動性能，必須考慮盡量縮短輪距。前、后輪中心距的尺寸大小與傳動中心距有關(guān)，當傳動中心距較小時前、后輪中心距可取小一些，反之取大一點。
(6)后心距
從保證車架的剛性和良好的加速性能出發(fā)，盡量縮短后心距。
5傳動系統(tǒng)方案設計
根據(jù)創(chuàng)新性基本原理和思維活動方式中的發(fā)散思維，自行車傳動形式不局限于機械傳動，還有液動、氣動、磁動、電動等多種新型式。機械動力傳動的具體形式又有鏈傳動、帶傳動、軸傳動、齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、棘輪棘爪傳動，等等，可供設計者參考選擇。
鏈傳動是一種具有中間繞性件的非共轆嚙合傳動，一般分為動力驅(qū)動和運輸傳動兩種方式。有滾子鏈、齒形鏈、雙節(jié)距長環(huán)滾子鏈。自行車鏈條與相同節(jié)距規(guī)格的傳動用滾子鏈相比，寬度窄、重量輕、精度低、機械性能低，但價格便宜。
鏈條鏈輪傳動因為有其它傳動形式所無法比擬的優(yōu)點而成為現(xiàn)代自行車傳動系統(tǒng)的主要表現(xiàn)形式。
鏈傳動和齒輪傳動都無彈性滑動，傳動比準確，傳動效率高。對要求轉(zhuǎn)速恒定的兩軸傳動和多軸傳動，采用鏈和齒輪都很適宜。鏈條對軸作用力較小，鏈預緊力比帶傳動小得多，減輕軸和軸承上的壓力，減小磨損。同時結(jié)構(gòu)尺寸較緊湊，裝拆方便。
當然，鏈傳動也存在其無法克服的缺點。當空間限制要求有中心距小;瞬時傳動比要求恒定;傳動比大;轉(zhuǎn)速極高;噪聲要求小的時候，鏈傳動的使用性能不如齒輪傳動。當空間限制要求有中心距很長;轉(zhuǎn)速極高;無潤滑油，噪聲要求小的時候，鏈傳動的使用性能不如帶傳動。當要求運動連續(xù)光滑時，鏈傳動的使用性能不如軸傳動。
鏈的使用壽命受到鉸鏈磨損的限制。磨損使鏈節(jié)距增大，擺動速度不斷變化，工作中的銷軸和套筒之間的接觸中心幾乎不能形成流體動力潤滑油膜，且摩擦系數(shù)高，會出現(xiàn)局部粘著現(xiàn)象。為提高使用壽命和效率，需設置張緊裝置(張緊輪、張緊軌道)來補償由磨損引起的滾子鏈伸長。由于鏈傳動具有由多邊形效應引起的運轉(zhuǎn)不均勻性并產(chǎn)生沖擊力，傳動平穩(wěn)性欠佳，因此，必須使鏈和鏈輪質(zhì)量減小，鏈節(jié)距和鏈環(huán)長在充分利用鏈的強度條件下限制到最小值。
鏈輪齒形設計對提高傳動鏈條承載能力，實現(xiàn)共輛嚙合鏈傳動具有重要的作用。美國摩斯公司推出的鏈輪采用30度壓力角的漸開線齒形，形成HV鏈傳動專利產(chǎn)品，具有良好的高速性能，鏈輪最高轉(zhuǎn)速可達12000r/min，傳遞的最大功率可達4000kw。因此，針對配用鏈條的結(jié)構(gòu)特點，按照鏈傳動的嚙合機理，研究鏈輪的齒形是鏈輪發(fā)展的一個重要領(lǐng)域。
非圓鏈輪技術(shù)近年來得到發(fā)展與運用。變速自行車采用非圓驅(qū)動鏈輪有助于減少自行車鏈輪大拐處在垂直位置時對傳動效率的不利影響，便于腿發(fā)力且節(jié)約運動距離。
結(jié)語
自行車產(chǎn)品有其特殊性，它的結(jié)構(gòu)既承擔物理功能，又直接體現(xiàn)外觀。它的個性化和其他產(chǎn)品相比較有一定的難度，但隨著技術(shù)的發(fā)展，這種產(chǎn)品的形式和內(nèi)涵存在著變化的可能性，也具有一定的典型性和代表性。從1818年第一臺自行車誕生開始，它就沒停止過發(fā)展的腳步，至今已經(jīng)有十幾類不同功能、造型的自行車。自行車用途的多樣化，和自行車部件接口的標準化，讓現(xiàn)代自行車的造型充滿了無數(shù)的可能性，每一種，甚至每一輛自行車都擁有自己獨特的個性。因此要研究自行車個性，需要從它的構(gòu)件、使用情境，消費者的需求等方面入手，通過分析目標消費群體的消費心理，消費過程，找對自行車的受眾及個性化需求，才能提高競爭力。
影響消費者購買自行車的因素有很多，內(nèi)部因素有消費者自身的個性，氣質(zhì)，消費觀，外部因素有社會文化，生活環(huán)境，人口因素等等。消費者的動機、態(tài)度消費觀決定了自行車的種類;消費者的個性、氣質(zhì)決定了自行車的風格;消費者的感觀尺度決定了自行車的效果尺度。分析自行車造型的個性化，要從兩方面入手。一是按消費者的動機需求劃分，這是根據(jù)自行車的使用情境進行分析;二是按自行車的造型和涂裝等風格劃分，這是根據(jù)目標消費人群的需求和個性進行分析。通過兩種分析結(jié)合，就可以對某一自行車的個性找到其目標消費群體，或者通過分析目標消費群體，確定他們樂意接受的自行車的個性風格。
中國屬十自行車消費大國，自行車曾經(jīng)是國人眼里的“大件”商品。但在汽車文化盛行的今天，自行車逐漸失去了國人的關(guān)注。而八十年代后國外自行車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，以及國內(nèi)同行停滯不前，使得國產(chǎn)自行車水平漸漸與國際水平脫節(jié)，國內(nèi)許多廠商面臨巨大的生存壓力。如何提高自行車的技術(shù)和質(zhì)量，發(fā)展自行車產(chǎn)品的個性化，是國內(nèi)自行車產(chǎn)業(yè)的當務之急。
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