水上自行車的改良設(shè)計(jì)實(shí)踐研究

咼智強(qiáng) 李倩玟

摘? 要：水上自行車是我們現(xiàn)代娛樂場(chǎng)所中經(jīng)常接觸到的一類產(chǎn)品。一款設(shè)計(jì)完善的水上自行車產(chǎn)品能夠給我們的生活帶來便利，為我們的生活增添樂趣。通過對(duì)水上自行車的改良設(shè)計(jì)，不僅提高水上自行車的能量利用率，還能幫助企業(yè)用低成本、風(fēng)險(xiǎn)小的方式，獲得產(chǎn)品的創(chuàng)新，提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，還能使得用戶有更好的使用體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：改良設(shè)計(jì);水上自行車;水上休閑

隨著國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技力量的增強(qiáng)，人們的生活水平不斷提高，對(duì)科技產(chǎn)品創(chuàng)新方面的關(guān)注越來越高，特別是休閑娛樂方面的產(chǎn)品創(chuàng)新。在各種娛樂場(chǎng)所中健身娛樂用品琳瑯滿目，隨處可見，數(shù)目甚至高達(dá)千種之多。在這些休閑娛樂用品中，水上自行車以其獨(dú)特的新穎性在各個(gè)休閑娛樂場(chǎng)所得到廣泛的推廣。

一、水上自行車的設(shè)計(jì)研究

（一）研究內(nèi)容

為了能讓水上自行車更好地發(fā)展，我們要將改良設(shè)計(jì)應(yīng)用到水上自行車上，不僅要從外觀和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改變，還要提高能量利用率，使盡量多的零件能夠大規(guī)模生產(chǎn)。為了實(shí)現(xiàn)更好的人機(jī)體驗(yàn)，使機(jī)器操作更加簡便、安全，使人更加省力、舒適，我們要充分考慮人—機(jī)系統(tǒng)的特性，使之能夠達(dá)到最佳效果。

（二）研究意義

改良設(shè)計(jì)是目前在工業(yè)設(shè)計(jì)中非常重要的一部分，是在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)之上，找出產(chǎn)品的不足，對(duì)問題進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

我國目前迫切需要大力提升和發(fā)展科技創(chuàng)新，而屬于休閑娛樂用品的水上自行車就是科技創(chuàng)新產(chǎn)品，并且改良設(shè)計(jì)在消費(fèi)經(jīng)濟(jì)中起到創(chuàng)新引領(lǐng)的作用。所以對(duì)水上自行車的改良設(shè)計(jì)研究能促進(jìn)我國的制造產(chǎn)業(yè)向產(chǎn)業(yè)鏈高端轉(zhuǎn)移，提升了產(chǎn)品的附加值，推動(dòng)了中國的消費(fèi)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)，對(duì)中國現(xiàn)階段的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要意義。

其次，改良設(shè)計(jì)出的水上自行車，是循序漸進(jìn)地對(duì)產(chǎn)品更新?lián)Q代，符合消費(fèi)者的消費(fèi)習(xí)慣。所以，對(duì)企業(yè)而言，水上自行車的改良設(shè)計(jì)，能夠使產(chǎn)品長期穩(wěn)定發(fā)展、循序漸進(jìn)發(fā)展，也是提升自身競(jìng)爭(zhēng)力的明智選擇。

二、改良設(shè)計(jì)在水上自行車中的應(yīng)用

（一）發(fā)展前景

作為一種廣受人民喜歡的創(chuàng)新型娛樂休閑產(chǎn)品，水上自行車得到了短時(shí)間的發(fā)展，但是它的生產(chǎn)成本高、拆裝不便、效率低下限制了它的發(fā)展規(guī)模。

水上休閑設(shè)備在娛樂場(chǎng)所隨處可見，例如用手操作能夠帶動(dòng)人行駛的船，用明輪驅(qū)動(dòng)的水上車，用槳?jiǎng)潉?dòng)的船等，這些水上娛樂設(shè)備都是通過人的機(jī)械運(yùn)動(dòng)來使之驅(qū)動(dòng)行駛。雖然在我們的娛樂生活中存在很多這樣的設(shè)備，但是往往沒有創(chuàng)新性，缺乏人與機(jī)器的交流，所以人們?cè)诘谝淮芜M(jìn)行娛樂設(shè)備玩耍時(shí)很容易喪失游玩的興趣。而水上自行車與這些娛樂設(shè)備不同，其上半部分的構(gòu)造往往是根據(jù)普通自行車進(jìn)行設(shè)計(jì)，在人們玩耍時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)人與機(jī)器的交流，更加娛樂身心。

隨著經(jīng)濟(jì)的增長，人們生活質(zhì)量的提高，水上娛樂設(shè)備在近幾年快速發(fā)展，國內(nèi)市場(chǎng)對(duì)水上自行車的適用性的需求變得更加迫切，因此對(duì)水上自行車的研究與設(shè)計(jì)有著深刻的意義。

（二）特點(diǎn)分析

世界上最早的有水上自行車運(yùn)動(dòng)的國家可以追溯到加拿大，水上自行車騎行起來十分方便，車把手是賽車型，方便人來操縱，并且鞍座高度可以根據(jù)人體的需要進(jìn)行調(diào)整，腳蹬設(shè)有防滑裝置，可以進(jìn)行前后運(yùn)動(dòng)。

水上自行車的速度可達(dá)到11公里/時(shí)，安全性能很高，當(dāng)人覺得身體疲勞時(shí)還可以停下來休息，也不會(huì)翻車，并且水上自行車沒有嚴(yán)格的年齡限制，男女老少都可以進(jìn)行娛樂游玩。

水上自行車可以單人騎行也可以雙人共同騎行，能夠加強(qiáng)人們的團(tuán)結(jié)合作精神。

（三）改良設(shè)計(jì)在水上自行車中的案例分析

水上自行車的改良設(shè)計(jì)，對(duì)于一個(gè)企業(yè)來說，無疑能提高了自身的競(jìng)爭(zhēng)力。通過對(duì)水上自行車功能和外形的改良，更有助于企業(yè)建立用戶的忠誠度。對(duì)于消費(fèi)者來說，對(duì)水上自行車的結(jié)構(gòu)和造型、功能的改良設(shè)計(jì)，不僅使產(chǎn)品更加人性化，更加符合消費(fèi)者的使用習(xí)慣，還拓展了產(chǎn)品的使用功能，滿足了人們對(duì)多樣生活方式的需求。

這款水上自行車（如圖1）是采用質(zhì)量超輕的材料制作的，便于組裝運(yùn)輸，它的改良目的是在進(jìn)行水上自動(dòng)便捷運(yùn)行時(shí)，可以和他人一同乘坐享受，外形設(shè)計(jì)得十分具有動(dòng)感，符合人機(jī)工程學(xué)操縱設(shè)計(jì)原理。

這款水上自行車（如圖2）可由70到100公斤以內(nèi)的人們使用，采用水下機(jī)翼和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。改良之處采用電動(dòng)馬達(dá)推動(dòng)螺旋槳運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生向前的推力，方便拆卸。

三、“水上折疊自行車”的設(shè)計(jì)實(shí)踐

（一）改良方案分析

1.車身

水上自行車的車身造型對(duì)騎行速度有一定影響，且水上行進(jìn)遇到的阻力也受到造型的影響，因此通過流體力學(xué)分析，采用流線型浮筒受阻力最小。

2.傳動(dòng)系統(tǒng)

通過對(duì)水上自行車各個(gè)傳動(dòng)部分進(jìn)行分析。

3.推進(jìn)系統(tǒng)

（1）明輪

明輪，又稱明輪推進(jìn)器，在輪的周圍裝上若干個(gè)葉片，使整個(gè)明輪的局部浸沒在水中，通過人的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)明輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使葉片撥水，產(chǎn)生向前的驅(qū)動(dòng)力（如圖3）。

缺點(diǎn)：占用面積大，整體笨重且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率低下，尤其是在風(fēng)浪天氣中，更難以行駛。

（2）螺旋槳

可有兩個(gè)或者較多的葉與轂相連，又叫車葉，葉的靠后的那一面類似于螺旋面。整個(gè)螺旋槳在車身尾部的水線以下，通過人的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)功率轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力（如圖4）。

優(yōu)點(diǎn)：占用面積小，整體輕便且結(jié)構(gòu)簡單，效率高，更重要的是在行駛過程中，整體在水線下，有保護(hù)作用。

經(jīng)過比較，螺旋槳的應(yīng)用更為廣泛且更為便捷，所以選用螺旋槳作為推進(jìn)器。

4.導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

在水上正常行駛的時(shí)候，由于導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對(duì)整個(gè)水上自行車的行駛并不會(huì)產(chǎn)生阻力影響，因此采用簡潔的形式即可。BDED5C69-BB78-4C10-A59E-DE6F2AD3BD84

（二）方案設(shè)計(jì)

1.人機(jī)工程設(shè)計(jì)

把人的因素作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要原則和條件就是人機(jī)工程設(shè)計(jì)。我們?cè)谒献孕熊嚨脑O(shè)計(jì)中運(yùn)用到人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)，考慮人在使用過程中的心理特點(diǎn)、身體特點(diǎn)以及用力特點(diǎn)，然后用系統(tǒng)的方法對(duì)自行車的整體或者局部進(jìn)行適當(dāng)?shù)母牧忌踔潦侵匦略O(shè)計(jì)，使水上自行車能夠滿足安全、可靠、高效、方便、省力、舒適的特點(diǎn)。

（1）速比

騎行所需要的必要速度和速率與速比有著一定的關(guān)系，速比要符合實(shí)際，如果過小，無論騎行的人用多大的力，輸出功率都不會(huì)大，就達(dá)不到必要的速度;如果過大，就需要人的踏力很大，才能達(dá)到必要的速度，但人很容易疲勞。所以我們按照人所能承受最大負(fù)擔(dān)的百分之十來決定速比。

（2）曲柄長度

曲柄長度與車架長度有關(guān)，它決定著騎車使用者的所踩圓周直徑，從而影響人的騎車姿勢(shì)，如果直徑變大，為了使曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，那么大腿和膝蓋的肌肉就要加大收縮，肌肉受力就會(huì)變大;如果曲柄過長，所需要的車架長度就會(huì)增長，人在騎行時(shí)，臀部就容易疲勞，甚至有痛感。為了我們能夠有舒適、省力的騎車姿勢(shì)，再結(jié)合大量數(shù)據(jù)研究，我們按照人身長的十分之一來決定曲柄長度。

（3）三接點(diǎn)位置

騎車的姿勢(shì)是否省力舒適，與車把、鞍座、腳蹬這三者的位置有關(guān)，按照三點(diǎn)調(diào)整法，車把距離鞍座的位置應(yīng)該與鞍座距離腳蹬的位置約等，鞍座略低于車把，大約差為5厘米。

（4）鞍座設(shè)計(jì)

坐墊寬度：考慮到減少坐墊前端與人體的摩擦，所以坐墊前端不能太寬，約為7厘米最為合適，坐墊后端相對(duì)來說要寬一些，根據(jù)男女之間的坐骨節(jié)點(diǎn)距不同，選擇26.5厘米最為合適。

坐墊長度：人在坐姿狀態(tài)下，人的坐骨點(diǎn)與臀部后邊緣的距離大約為12厘米，坐骨中心到會(huì)陰點(diǎn)大約為6厘米，加上余量的5厘米，所以坐墊長度大約為三者之和為23厘米。

坐墊傾角：人的身體向前傾斜而坐可以減少空氣阻力，能夠更好地發(fā)力和提高騎行速度，并且能夠減少背部肌肉壓力，所以我們選擇15°的前傾角度最為合適，舒服的同時(shí)還能更好地發(fā)力前行。

鞍座高度可調(diào)節(jié)，根據(jù)個(gè)人需要。

2.傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人的騎行運(yùn)動(dòng)是有一定規(guī)律的，一般是與人的心跳規(guī)律相關(guān)，正常人平均每分鐘心臟跳動(dòng)約70次，所以騎行為每分鐘蹬60圈最為合適?？紤]到水上自行車為娛樂休閑工具，因此以舒適娛樂為主。

為了降低生產(chǎn)成本，我們將鏈傳動(dòng)比為2.5作為優(yōu)先選擇。為了使自行車正常行駛且各部分性能保持優(yōu)良，因此踏踩速率為60r/min。

3.螺旋槳設(shè)計(jì)

關(guān)于螺旋槳的設(shè)計(jì)方法，我們采用更加方便可靠的圖譜計(jì)算方法，這種計(jì)算方法是從大量的實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證出來的，準(zhǔn)確性也比較高，與此同時(shí)還要考慮到浮筒吃水深度的限制。

4.其它設(shè)計(jì)

（1）顏色選擇

選擇黃色，例如像小黃帽，警示，顯眼，出現(xiàn)問題方便海上營救。

（2）材質(zhì)的選擇（耐海水腐蝕）

浮筒：采用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)版的經(jīng)過高溫?zé)岷虾褪止ふ辰佣傻腜VC涂層氣密布，耐磨損、耐老化。

螺旋槳：尼龍材料，結(jié)實(shí)耐用。

鏈條：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鏈條進(jìn)行防腐蝕、防銹（鍍鋅、鍍鎳、鍍鉻、發(fā)藍(lán)等）處理或者使用不銹鋼材質(zhì)。

主體為鋁合金材料，表面氧化處理。

車座高度可調(diào)節(jié)，腳踏板防滑，車把手為賽車型，易于操作。

（3）重量與浮力問題（浮筒）

總主尺寸（米）：3.0*1.2*0.75（單人）

浮筒長3米，直徑30cm，載重量（公斤）小于200，人的重量小于80公斤。

（4）連接問題（車身與浮筒之間在面對(duì)海水沖擊時(shí)的穩(wěn)定性問題）

重量輕，易操作。一人幾分鐘內(nèi)即可安裝拆卸完畢，無需任何工具。

新型伸縮桿與浮筒的連接（如圖5）。

新型伸縮桿（如圖6）：是由金屬材料卷制而成的可伸縮的空心圓柱體，具有自緊功能，使卷曲層始終具有對(duì)伸縮桿施加壓力的彈性勢(shì)能。

（5）動(dòng)力系統(tǒng)（轉(zhuǎn)向問題）

不是依靠舵的形式，采用全新的NuVinci360傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過改變兩個(gè)浮力結(jié)構(gòu)的方向進(jìn)行左右轉(zhuǎn)向。

（6）工作原理

采用人工腳踏螺旋槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（如圖7），通過腳踏動(dòng)踏板1帶動(dòng)齒輪和鏈條2、3轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使錐齒輪4轉(zhuǎn)動(dòng)，改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向，帶動(dòng)螺旋槳5轉(zhuǎn)動(dòng)，最終推動(dòng)水上自行車向前行駛。

四、結(jié)語

作為一個(gè)設(shè)計(jì)者，要不斷地學(xué)習(xí)，積極接受新的事物，才能走在大眾視野的前沿，才能設(shè)計(jì)出被大家所認(rèn)可的產(chǎn)品。并且還要承擔(dān)社會(huì)責(zé)任，運(yùn)用設(shè)計(jì)解決社會(huì)問題，在滿足商業(yè)需求的同時(shí)也要關(guān)注可持續(xù)的生態(tài)發(fā)展，盡可能地在不破壞生態(tài)平衡的條件下設(shè)計(jì)，促使人與自然的和諧。

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作者簡介：咼智強(qiáng)，山東科技大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)系主任、副教授、碩士研究生導(dǎo)師。

李倩玟，山東科技大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)碩士研究生。BDED5C69-BB78-4C10-A59E-DE6F2AD3BD84