基于轻量化自行车设计探析

李翠玉 夏礼超 （湖北工业大学 430068 ）

基于轻量化自行车设计探析

李翠玉 夏礼超 （湖北工业大学 430068 ）

本文针对自行车的轻型性进行研究，根据情感化设计及人机工程学的设计方法进行设计研究。从产品形态结构、人机工程学、材料学、情感化和用户需求的角度出发剖析现有产品现状。旨在解决市场现有自行车的个性化问题，设计出轻巧、造型美观的自行车。

轻量化；结构设计；用户体验；人机工程学

概述：当前城市中人们在出现方式日益丰富，因此在交通工具上有更多的选择。如今，在倡导环保出行的号召下，自行车出行无疑是最佳选择，骑自行车也是体验慢生活的最佳方式。自行车使用也出现了二次复苏，虽然当前也有许多轻量化自行车研究及应用，并且也取得了极大的成绩，但自行车仍然不够轻巧。

一、 现有轻量化自行车分析

随着如雨后春笋般的共享单车经济迅猛发展，当前自行车的使用频率、使用数量又出现再次攀升，使工作、生活在城市中的人们出行更加便利多样化，不仅满足短途出行的需求，也为业余生活提供一份乐趣，大家也对单车再次掀起了狂热追捧，当前的共享单车在质量上和骑行的轻便性都让大家感到各种不满，这也要求有必要提高单车的可靠轻便性。为此做了以下探讨研究：

1.现有产品的形态分析

自行车的发展至今已经有了一百多年，自行车的造型也从最初的前轮大，后轮小的单一形态，变得越来越多样化，根据不同用途其在形态上也具有显著的差别。我们日常中使用自行车大致可以分为这几类：变速自行车，折叠自行，通勤单车、死飞车。变速自行车是在自行车上利用飞轮组成的变速系统，目的在于减轻车身重量，使自行车更加的轻便，高速省力，车架为平行四边形结构，前叉有减震，鞍座较窄，且长，无前后泥板；折叠车，这一类自行车初衷是为方便出行携带，小巧轻便。有前后泥板，轮胎与变速自行车相比较来说要小，车骨架无横梁，在折叠方式车架大梁折叠形式为主流方式；通勤单车，形态上和折叠自行差别不大，近几年在造型上逐渐变的以复古怀旧为主，车的骨架是平行四边形结构无横梁。

2.现有产品人机工程学分析

安全舒适的自行车设计极大的要求在设计上特别要注重人体工学应用，在骑行自行车的过程中，骑行的动作会带到骑行者的全身肌肉的运动，整个自行车体结构设计的合理性也就显得格外重要，自行的车结构设计尤其是与人体接触部位的位置关系都应该按找人机工学中测量的暑假为基准。在骑行过程中肌肉处于不同的施力状态，其中在静止状态下施力的身体部位主要是前臂，上臂，肩部，背部和腰部。根据人体施力特征，静态施力变速系统：包括（指拨或者转把）、前拨、后拨、变速线。变速系统的作用是配合牙盘和飞轮，对应不同的路况选择不同的传动比，以达到最佳的骑行效果。

3.现有产品材料分析

当前，自行车的材料主要有钢材、铝合金、炭纤维、钛合金这些材料。钢材是最早用作自行车材料的，在加工上也较好处理，现在对钢材的加工设备和工艺也是最完善的。钢材在焊接上不需要热处理，容易拼合，是当前自行车材料中最为经济的一种。应用于自行车车架的刚种类主要有铬钼钢、铬锰钢以及碳素钢等。

在自行车中使用最广泛的铝合金是6000系（Al-Mg-Si）和7000系（Al-Zn-Mg-Cu）两种。要经过加热处理改变性能，才能满足实际的应用需求。而铝合金的强度没有钢铁要高，抗疲劳度低，通常会使用喷丸硬化加工工艺的管材，这种通过表面处理的合金材料其疲劳寿命要比之前高40%。铝合金车架的最大优点是：重量轻，耐腐蚀性好，铝在氧气会生成氧化铝会对基体有较强的保护作用。其缺点：刚性较低，需要进行热处理。

钛合金也是当前自行市场上使用较为普遍的一种材料，一般来说钛合金是在钛中加入钒、铝等元素。由于具有重量轻、强度高、韧性好以及耐腐蚀性强等优点，在空气状态中基本不会发生腐蚀，在使用材料时可以不对其进行表面处理。

在20世纪80年代碳纤维开始应用于自行车车架。碳纤维优点主要集中在，强度，冲击吸收力以及整体成型，拉伸强度比钢高。用碳纤维制成的自行车车架质量轻、较具弹性、骑乘感稳定、舒适度高。碳纤维的缺点也特别明显：复杂的应力计算，加工成型后无法更改尺寸。

4.现有产品情感化分析

一件产品是否能够真正的去关怀用户也是产品取得成功的关键所在，将情感通过造型、性能融入到产品的设计中，使产品好用并且更有魅力。这里则包括产品的形态、色彩、材料，使用环境这些影响因素。不同的自行车造型也在向用户传递了不用的情感。当前的自行车在情感化设计上主要通过造型和色彩来传递不同的情感需求。例如黑色向用户传达了一种安全可靠的情感。自行以黑色主要色调，表现出了质量，性能安全可靠，且黑色又有种神秘，庄重的色彩情感在里面。自行车的造型也影响消费者的购买情绪，这种情绪是人自行车沟通的桥梁。

二、基于轻量化自行车的设计定位

在面向轻量化自行车设计时，自行车的所用材料是实现自行车轻量化的核心。轻量化自行车要求在材质上首先要做到，材质自身的密度要小，即质量轻，这是轻量化自行车选择材料的首要因素，需要设计师对不同材质进行深入研究，才能真正做到自行车的轻量化，需要设计设计者去衡量比较多种不同材质的密度、弹性模度、抗拉强度、伸长率等参数，从选出最优的材质作为自行车设计的基础。此外，设计师不仅要对材料应用，而且要求要对用户加以分析，通过用户研究与设计调研，发现用户其它需求，分析不同用户的需求点，以此设计出不仅解决轻量化问题，也解决相对痛点的功能性问题，使自行车满足各个层次用户的需求。

基于轻量化自行车设计，同时还必须做到安全、省力、使用舒适等的要求，应该做到骑行省力，有良好的用户体验，坚固耐用，造型美观舒适。只有这样才能赢得用户的钟爱。

三、基于轻量化自行车设计策略

轻量化自行车设计的理念，大概可以集中在以下几个方面：首先，新材料技术出现的应用；其次，是利用结构创新设计，创造出一种新的结构，解决坚固和轻量；再次，要满足的功能特征，不能违背功能这个第一要素，最后还要将人性化设计理念融入其中，任何产品的设计生产都不能脱离人这一点基本点。在实践中，对轻量化自行车设计，对材料的把握显得尤为重要。

1.轻量化自行车材料设计原则

在第一部分已经详细分析了现有自行车所有使用的材料，之所以不断分析材料，是因为材料是实现轻量化自行车设计的必要前提。只有解决了材料问题，才能算的上真正的解决轻量化设计问题。从自行车材料发展来看，自行车架材料从铬钼钢为主，到现在铝合金及复合材料。无一不是为了使自行车更加轻便、强有力的韧性就必须运用合理的材料。不同材质都会对自行车车架的钢性、重量、强度、用户感受产生直接作用。

车架材质的组成上，除了影响材质的密度外，还有一个重中之重就是车架的拉伸强度以及弹性系数。也就是说，只有重量轻，没有达到足够的拉伸强度也是不行的。

2.轻量化自行车结构设计原则

车架结构在很大程度上不仅决定了自行车的安全性能和用户体验，而且也对用户的骑姿状态有决定性影响，自行车结构中大致可以将结构分为了两类固定结构和运动结构。固定结构主要有车架、鞍座等，运动结构主要指把手，脚踏板、车闸。设计师需要在固定的车架尺寸基础之上进行造型的创新。车架首先考虑的是承重问题，当前的自行车大多为类似平行四边形构造。

在对待车把手这样的运动结构，可以根据不同类型的自行车及不同的使用范围的要求，普通车把部件的模式一般可分为固定式和活动式。车把手对于用户体验起着决定性作用，车把手的不同高度会对人的尺骨神经造成影响，因此车把的设计在高度上应保证用户在其骑行时处于自然坐姿或接近自然坐姿。车把的宽度在人体工程学上，中等身材（50%的人群）的人最大肩宽，男为43.1cm，女为39.77cm，这样可以将车把的宽度定为39.7—43.1cm。车把设计原则应该使颈关节、胸关节、腰关节、髓关节、肩关节、肘关节和腕关节处于舒适的调节范围内。

四、结论

自行车设计引入轻量化设计概念，将会对自行车的骑行舒适度大大提高，提高用户体验。这样的自行车设计理念，有利于自行车设计新的实施方向；在进行轻量化自行车设计的过程中要求设计师，必须考虑到材料的特性，以及要求对自行车结构进行精准的把握。只有处理好用户需求，功能要素、材料、结构和人机之间的关系，才能设计出真正的适合市场发展需求，具有良好用户体验的自行车。

[1]陈恳.对折叠自行车的设计和开发[J].中国自行车，2004.（4）：24-25.

[2]唐纳德·A·诺曼.设计心理学—情感化设计[M].北京：中信出版社.

[3]黄景明.人性化在自行车设计中的应用研究[D].武汉：湖北工业大学，2011.

李翠玉，女，湖北武汉，副教授，研究方向：产品设计。

夏礼超，男，江苏新沂，硕士研究生，研究方向：交通工具设计。