水上自行车的改良设计实践研究

呙智强 李倩玟

摘  要：水上自行车是我们现代娱乐场所中经常接触到的一类产品。一款设计完善的水上自行车产品能够给我们的生活带来便利，为我们的生活增添乐趣。通过对水上自行车的改良设计，不仅提高水上自行车的能量利用率，还能帮助企业用低成本、風险小的方式，获得产品的创新，提升企业的竞争力，促进国家经济的发展，还能使得用户有更好的使用体验。

关键词：改良设计;水上自行车;水上休闲

随着国家经济实力和科技力量的增强，人们的生活水平不断提高，对科技产品创新方面的关注越来越高，特别是休闲娱乐方面的产品创新。在各种娱乐场所中健身娱乐用品琳琅满目，随处可见，数目甚至高达千种之多。在这些休闲娱乐用品中，水上自行车以其独特的新颖性在各个休闲娱乐场所得到广泛的推广。

一、水上自行车的设计研究

（一）研究内容

为了能让水上自行车更好地发展，我们要将改良设计应用到水上自行车上，不仅要从外观和结构上进行改变，还要提高能量利用率，使尽量多的零件能够大规模生产。为了实现更好的人机体验，使机器操作更加简便、安全，使人更加省力、舒适，我们要充分考虑人—机系统的特性，使之能够达到最佳效果。

（二）研究意义

改良设计是目前在工业设计中非常重要的一部分，是在原有产品的基础之上，找出产品的不足，对问题进行优化和改进。

我国目前迫切需要大力提升和发展科技创新，而属于休闲娱乐用品的水上自行车就是科技创新产品，并且改良设计在消费经济中起到创新引领的作用。所以对水上自行车的改良设计研究能促进我国的制造产业向产业链高端转移，提升了产品的附加值，推动了中国的消费经济转型升级，对中国现阶段的经济发展有重要意义。

其次，改良设计出的水上自行车，是循序渐进地对产品更新换代，符合消费者的消费习惯。所以，对企业而言，水上自行车的改良设计，能够使产品长期稳定发展、循序渐进发展，也是提升自身竞争力的明智选择。

二、改良设计在水上自行车中的应用

（一）发展前景

作为一种广受人民喜欢的创新型娱乐休闲产品，水上自行车得到了短时间的发展，但是它的生产成本高、拆装不便、效率低下限制了它的发展规模。

水上休闲设备在娱乐场所随处可见，例如用手操作能够带动人行驶的船，用明轮驱动的水上车，用桨划动的船等，这些水上娱乐设备都是通过人的机械运动来使之驱动行驶。虽然在我们的娱乐生活中存在很多这样的设备，但是往往没有创新性，缺乏人与机器的交流，所以人们在第一次进行娱乐设备玩耍时很容易丧失游玩的兴趣。而水上自行车与这些娱乐设备不同，其上半部分的构造往往是根据普通自行车进行设计，在人们玩耍时能够实现人与机器的交流，更加娱乐身心。

随着经济的增长，人们生活质量的提高，水上娱乐设备在近几年快速发展，国内市场对水上自行车的适用性的需求变得更加迫切，因此对水上自行车的研究与设计有着深刻的意义。

（二）特点分析

世界上最早的有水上自行车运动的国家可以追溯到加拿大，水上自行车骑行起来十分方便，车把手是赛车型，方便人来操纵，并且鞍座高度可以根据人体的需要进行调整，脚蹬设有防滑装置，可以进行前后运动。

水上自行车的速度可达到11公里/时，安全性能很高，当人觉得身体疲劳时还可以停下来休息，也不会翻车，并且水上自行车没有严格的年龄限制，男女老少都可以进行娱乐游玩。

水上自行车可以单人骑行也可以双人共同骑行，能够加强人们的团结合作精神。

（三）改良设计在水上自行车中的案例分析

水上自行车的改良设计，对于一个企业来说，无疑能提高了自身的竞争力。通过对水上自行车功能和外形的改良，更有助于企业建立用户的忠诚度。对于消费者来说，对水上自行车的结构和造型、功能的改良设计，不仅使产品更加人性化，更加符合消费者的使用习惯，还拓展了产品的使用功能，满足了人们对多样生活方式的需求。

这款水上自行车（如图1）是采用质量超轻的材料制作的，便于组装运输，它的改良目的是在进行水上自动便捷运行时，可以和他人一同乘坐享受，外形设计得十分具有动感，符合人机工程学操纵设计原理。

这款水上自行车（如图2）可由70到100公斤以内的人们使用，采用水下机翼和电动驱动器。改良之处采用电动马达推动螺旋桨运动，产生向前的推力，方便拆卸。

三、“水上折叠自行车”的设计实践

（一）改良方案分析

1.车身

水上自行车的车身造型对骑行速度有一定影响，且水上行进遇到的阻力也受到造型的影响，因此通过流体力学分析，采用流线型浮筒受阻力最小。

2.传动系统

通过对水上自行车各个传动部分进行分析。

3.推进系统

（1）明轮

明轮，又称明轮推进器，在轮的周围装上若干个叶片，使整个明轮的局部浸没在水中，通过人的机械运动，带动明轮转动，从而使叶片拨水，产生向前的驱动力（如图3）。

缺点：占用面积大，整体笨重且结构复杂，效率低下，尤其是在风浪天气中，更难以行驶。

（2）螺旋桨

可有两个或者较多的叶与毂相连，又叫车叶，叶的靠后的那一面类似于螺旋面。整个螺旋桨在车身尾部的水线以下，通过人的机械运动的转动功率转化为推进力（如图4）。

优点：占用面积小，整体轻便且结构简单，效率高，更重要的是在行驶过程中，整体在水线下，有保护作用。

经过比较，螺旋桨的应用更为广泛且更为便捷，所以选用螺旋桨作为推进器。

4.导向机构

在水上正常行驶的时候，由于导向机构对整个水上自行车的行驶并不会产生阻力影响，因此采用简洁的形式即可。BDED5C69-BB78-4C10-A59E-DE6F2AD3BD84

（二）方案设计

1.人机工程设计

把人的因素作为系统设计的重要原则和条件就是人机工程设计。我们在水上自行车的设计中运用到人机工程学设计，考虑人在使用过程中的心理特点、身体特点以及用力特点，然后用系統的方法对自行车的整体或者局部进行适当的改良甚至是重新设计，使水上自行车能够满足安全、可靠、高效、方便、省力、舒适的特点。

（1）速比

骑行所需要的必要速度和速率与速比有着一定的关系，速比要符合实际，如果过小，无论骑行的人用多大的力，输出功率都不会大，就达不到必要的速度;如果过大，就需要人的踏力很大，才能达到必要的速度，但人很容易疲劳。所以我们按照人所能承受最大负担的百分之十来决定速比。

（2）曲柄长度

曲柄长度与车架长度有关，它决定着骑车使用者的所踩圆周直径，从而影响人的骑车姿势，如果直径变大，为了使曲柄转动，那么大腿和膝盖的肌肉就要加大收缩，肌肉受力就会变大;如果曲柄过长，所需要的车架长度就会增长，人在骑行时，臀部就容易疲劳，甚至有痛感。为了我们能够有舒适、省力的骑车姿势，再结合大量数据研究，我们按照人身长的十分之一来决定曲柄长度。

（3）三接点位置

骑车的姿势是否省力舒适，与车把、鞍座、脚蹬这三者的位置有关，按照三点调整法，车把距离鞍座的位置应该与鞍座距离脚蹬的位置约等，鞍座略低于车把，大约差为5厘米。

（4）鞍座设计

坐垫宽度：考虑到减少坐垫前端与人体的摩擦，所以坐垫前端不能太宽，约为7厘米最为合适，坐垫后端相对来说要宽一些，根据男女之间的坐骨节点距不同，选择26.5厘米最为合适。

坐垫长度：人在坐姿状态下，人的坐骨点与臀部后边缘的距离大约为12厘米，坐骨中心到会阴点大约为6厘米，加上余量的5厘米，所以坐垫长度大约为三者之和为23厘米。

坐垫倾角：人的身体向前倾斜而坐可以减少空气阻力，能够更好地发力和提高骑行速度，并且能够减少背部肌肉压力，所以我们选择15°的前倾角度最为合适，舒服的同时还能更好地发力前行。

鞍座高度可调节，根据个人需要。

2.传动系统设计

人的骑行运动是有一定规律的，一般是与人的心跳规律相关，正常人平均每分钟心脏跳动约70次，所以骑行为每分钟蹬60圈最为合适。考虑到水上自行车为娱乐休闲工具，因此以舒适娱乐为主。

为了降低生产成本，我们将链传动比为2.5作为优先选择。为了使自行车正常行驶且各部分性能保持优良，因此踏踩速率为60r/min。

3.螺旋桨设计

关于螺旋桨的设计方法，我们采用更加方便可靠的图谱计算方法，这种计算方法是从大量的实验中验证出来的，准确性也比较高，与此同时还要考虑到浮筒吃水深度的限制。

4.其它设计

（1）颜色选择

选择黄色，例如像小黄帽，警示，显眼，出现问题方便海上营救。

（2）材质的选择（耐海水腐蚀）

浮筒：采用进口优质版的经过高温热合和手工粘接而成的PVC涂层气密布，耐磨损、耐老化。

螺旋桨：尼龙材料，结实耐用。

链条：对标准链条进行防腐蚀、防锈（镀锌、镀镍、镀铬、发蓝等）处理或者使用不锈钢材质。

主体为铝合金材料，表面氧化处理。

车座高度可调节，脚踏板防滑，车把手为赛车型，易于操作。

（3）重量与浮力问题（浮筒）

总主尺寸（米）：3.0*1.2*0.75（单人）

浮筒长3米，直径30cm，载重量（公斤）小于200，人的重量小于80公斤。

（4）连接问题（车身与浮筒之间在面对海水冲击时的稳定性问题）

重量轻，易操作。一人几分钟内即可安装拆卸完毕，无需任何工具。

新型伸缩杆与浮筒的连接（如图5）。

新型伸缩杆（如图6）：是由金属材料卷制而成的可伸缩的空心圆柱体，具有自紧功能，使卷曲层始终具有对伸缩杆施加压力的弹性势能。

（5）动力系统（转向问题）

不是依靠舵的形式，采用全新的NuVinci360传动结构，通过改变两个浮力结构的方向进行左右转向。

（6）工作原理

采用人工脚踏螺旋桨驱动系统（如图7），通过脚踏动踏板1带动齿轮和链条2、3转动，从而使锥齿轮4转动，改变转动方向，带动螺旋桨5转动，最终推动水上自行车向前行驶。

四、结语

作为一个设计者，要不断地学习，积极接受新的事物，才能走在大众视野的前沿，才能设计出被大家所认可的产品。并且还要承担社会责任，运用设计解决社会问题，在满足商业需求的同时也要关注可持续的生态发展，尽可能地在不破坏生态平衡的条件下设计，促使人与自然的和谐。

参考文献：

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作者简介：呙智强，山东科技大学艺术与设计学院工业设计系主任、副教授、硕士研究生导师。

李倩玟，山东科技大学艺术与设计学院艺术设计专业硕士研究生。BDED5C69-BB78-4C10-A59E-DE6F2AD3BD84