基于輕量化自行車設計探析

李翠玉 夏禮超 （湖北工業大學 430068 ）

基于輕量化自行車設計探析

李翠玉 夏禮超 （湖北工業大學 430068 ）

本文針對自行車的輕型性進行研究，根據情感化設計及人機工程學的設計方法進行設計研究。從產品形態結構、人機工程學、材料學、情感化和用戶需求的角度出發剖析現有產品現狀。旨在解決市場現有自行車的個性化問題，設計出輕巧、造型美觀的自行車。

輕量化；結構設計；用戶體驗；人機工程學

概述：當前城市中人們在出現方式日益豐富，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。自行車使用也出現了二次復蘇，雖然當前也有許多輕量化自行車研究及應用，并且也取得了極大的成績，但自行車仍然不夠輕巧。

一、 現有輕量化自行車分析

隨著如雨后春筍般的共享單車經濟迅猛發展，當前自行車的使用頻率、使用數量又出現再次攀升，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.現有產品的形態分析

自行車的發展至今已經有了一百多年，自行車的造型也從最初的前輪大，后輪小的單一形態，變得越來越多樣化，根據不同用途其在形態上也具有顯著的差別。我們日常中使用自行車大致可以分為這幾類：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，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構，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構無橫梁。

2.現有產品人機工程學分析

安全舒適的自行車設計極大的要求在設計上特別要注重人體工學應用，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，整個自行車體結構設計的合理性也就顯得格外重要，自行的車結構設計尤其是與人體接觸部位的位置關系都應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，其中在靜止狀態下施力的身體部位主要是前臂，上臂，肩部，背部和腰部。根據人體施力特征，靜態施力變速系統：包括（指撥或者轉把）、前撥、后撥、變速線。變速系統的作用是配合牙盤和飛輪，對應不同的路況選擇不同的傳動比，以達到最佳的騎行效果。

3.現有產品材料分析

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，現在對鋼材的加工設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濟的一種。應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。要經過加熱處理改變性能，才能滿足實際的應用需求。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點，在空氣狀態中基本不會發生腐蝕，在使用材料時可以不對其進行表面處理。

在20世紀80年代碳纖維開始應用于自行車車架。碳纖維優點主要集中在，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量輕、較具彈性、騎乘感穩定、舒適度高。碳纖維的缺點也特別明顯：復雜的應力計算，加工成型后無法更改尺寸。

4.現有產品情感化分析

一件產品是否能夠真正的去關懷用戶也是產品取得成功的關鍵所在，將情感通過造型、性能融入到產品的設計中，使產品好用并且更有魅力。這里則包括產品的形態、色彩、材料，使用環境這些影響因素。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，表現出了質量，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計定位

在面向輕量化自行車設計時，自行車的所用材料是實現自行車輕量化的核心。輕量化自行車要求在材質上首先要做到，材質自身的密度要小，即質量輕，這是輕量化自行車選擇材料的首要因素，需要設計師對不同材質進行深入研究，才能真正做到自行車的輕量化，需要設計設計者去衡量比較多種不同材質的密度、彈性模度、抗拉強度、伸長率等參數，從選出最優的材質作為自行車設計的基礎。此外，設計師不僅要對材料應用，而且要求要對用戶加以分析，通過用戶研究與設計調研，發現用戶其它需求，分析不同用戶的需求點，以此設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計，同時還必須做到安全、省力、使用舒適等的要求，應該做到騎行省力，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計策略

輕量化自行車設計的理念，大概可以集中在以下幾個方面：首先，新材料技術出現的應用；其次，是利用結構創新設計，創造出一種新的結構，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計理念融入其中，任何產品的設計生產都不能脫離人這一點基本點。在實踐中，對輕量化自行車設計，對材料的把握顯得尤為重要。

1.輕量化自行車材料設計原則

在第一部分已經詳細分析了現有自行車所有使用的材料，之所以不斷分析材料，是因為材料是實現輕量化自行車設計的必要前提。只有解決了材料問題，才能算的上真正的解決輕量化設計問題。從自行車材料發展來看，自行車架材料從鉻鉬鋼為主，到現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。不同材質都會對自行車車架的鋼性、重量、強度、用戶感受產生直接作用。

車架材質的組成上，除了影響材質的密度外，還有一個重中之重就是車架的拉伸強度以及彈性系數。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.輕量化自行車結構設計原則

車架結構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有決定性影響，自行車結構中大致可以將結構分為了兩類固定結構和運動結構。固定結構主要有車架、鞍座等，運動結構主要指把手，腳踏板、車閘。設計師需要在固定的車架尺寸基礎之上進行造型的創新。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造。

在對待車把手這樣的運動結構，可以根據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造成影響，因此車把的設計在高度上應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。車把設計原則應該使頸關節、胸關節、腰關節、髓關節、肩關節、肘關節和腕關節處于舒適的調節范圍內。

四、結論

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

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

[2]唐納德·A·諾曼.設計心理學—情感化設計[M].北京：中信出版社.

[3]黃景明.人性化在自行車設計中的應用研究[D].武漢：湖北工業大學，2011.

李翠玉，女，湖北武漢，副教授，研究方向：產品設計。

夏禮超，男，江蘇新沂，碩士研究生，研究方向：交通工具設計。