水上自行車的改良設計實踐研究

咼智強 李倩玟

摘? 要：水上自行車是我們現代娛樂場所中經常接觸到的一類產品。一款設計完善的水上自行車產品能夠給我們的生活帶來便利，為我們的生活增添樂趣。通過對水上自行車的改良設計，不僅提高水上自行車的能量利用率，還能幫助企業用低成本、風險小的方式，獲得產品的創新，提升企業的競爭力，促進國家經濟的發展，還能使得用戶有更好的使用體驗。

關鍵詞：改良設計;水上自行車;水上休閑

隨著國家經濟實力和科技力量的增強，人們的生活水平不斷提高，對科技產品創新方面的關注越來越高，特別是休閑娛樂方面的產品創新。在各種娛樂場所中健身娛樂用品琳瑯滿目，隨處可見，數目甚至高達千種之多。在這些休閑娛樂用品中，水上自行車以其獨特的新穎性在各個休閑娛樂場所得到廣泛的推廣。

一、水上自行車的設計研究

（一）研究內容

為了能讓水上自行車更好地發展，我們要將改良設計應用到水上自行車上，不僅要從外觀和結構上進行改變，還要提高能量利用率，使盡量多的零件能夠大規模生產。為了實現更好的人機體驗，使機器操作更加簡便、安全，使人更加省力、舒適，我們要充分考慮人—機系統的特性，使之能夠達到最佳效果。

（二）研究意義

改良設計是目前在工業設計中非常重要的一部分，是在原有產品的基礎之上，找出產品的不足，對問題進行優化和改進。

我國目前迫切需要大力提升和發展科技創新，而屬于休閑娛樂用品的水上自行車就是科技創新產品，并且改良設計在消費經濟中起到創新引領的作用。所以對水上自行車的改良設計研究能促進我國的制造產業向產業鏈高端轉移，提升了產品的附加值，推動了中國的消費經濟轉型升級，對中國現階段的經濟發展有重要意義。

其次，改良設計出的水上自行車，是循序漸進地對產品更新換代，符合消費者的消費習慣。所以，對企業而言，水上自行車的改良設計，能夠使產品長期穩定發展、循序漸進發展，也是提升自身競爭力的明智選擇。

二、改良設計在水上自行車中的應用

（一）發展前景

作為一種廣受人民喜歡的創新型娛樂休閑產品，水上自行車得到了短時間的發展，但是它的生產成本高、拆裝不便、效率低下限制了它的發展規模。

水上休閑設備在娛樂場所隨處可見，例如用手操作能夠帶動人行駛的船，用明輪驅動的水上車，用槳劃動的船等，這些水上娛樂設備都是通過人的機械運動來使之驅動行駛。雖然在我們的娛樂生活中存在很多這樣的設備，但是往往沒有創新性，缺乏人與機器的交流，所以人們在第一次進行娛樂設備玩耍時很容易喪失游玩的興趣。而水上自行車與這些娛樂設備不同，其上半部分的構造往往是根據普通自行車進行設計，在人們玩耍時能夠實現人與機器的交流，更加娛樂身心。

隨著經濟的增長，人們生活質量的提高，水上娛樂設備在近幾年快速發展，國內市場對水上自行車的適用性的需求變得更加迫切，因此對水上自行車的研究與設計有著深刻的意義。

（二）特點分析

世界上最早的有水上自行車運動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人體的需要進行調整，腳蹬設有防滑裝置，可以進行前后運動。

水上自行車的速度可達到11公里/時，安全性能很高，當人覺得身體疲勞時還可以停下來休息，也不會翻車，并且水上自行車沒有嚴格的年齡限制，男女老少都可以進行娛樂游玩。

水上自行車可以單人騎行也可以雙人共同騎行，能夠加強人們的團結合作精神。

（三）改良設計在水上自行車中的案例分析

水上自行車的改良設計，對于一個企業來說，無疑能提高了自身的競爭力。通過對水上自行車功能和外形的改良，更有助于企業建立用戶的忠誠度。對于消費者來說，對水上自行車的結構和造型、功能的改良設計，不僅使產品更加人性化，更加符合消費者的使用習慣，還拓展了產品的使用功能，滿足了人們對多樣生活方式的需求。

這款水上自行車（如圖1）是采用質量超輕的材料制作的，便于組裝運輸，它的改良目的是在進行水上自動便捷運行時，可以和他人一同乘坐享受，外形設計得十分具有動感，符合人機工程學操縱設計原理。

這款水上自行車（如圖2）可由70到100公斤以內的人們使用，采用水下機翼和電動驅動器。改良之處采用電動馬達推動螺旋槳運動，產生向前的推力，方便拆卸。

三、“水上折疊自行車”的設計實踐

（一）改良方案分析

1.車身

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

2.傳動系統

通過對水上自行車各個傳動部分進行分析。

3.推進系統

（1）明輪

明輪，又稱明輪推進器，在輪的周圍裝上若干個葉片，使整個明輪的局部浸沒在水中，通過人的機械運動，帶動明輪轉動，從而使葉片撥水，產生向前的驅動力（如圖3）。

缺點：占用面積大，整體笨重且結構復雜，效率低下，尤其是在風浪天氣中，更難以行駛。

（2）螺旋槳

可有兩個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。整個螺旋槳在車身尾部的水線以下，通過人的機械運動的轉動功率轉化為推進力（如圖4）。

優點：占用面積小，整體輕便且結構簡單，效率高，更重要的是在行駛過程中，整體在水線下，有保護作用。

經過比較，螺旋槳的應用更為廣泛且更為便捷，所以選用螺旋槳作為推進器。

4.導向機構

在水上正常行駛的時候，由于導向機構對整個水上自行車的行駛并不會產生阻力影響，因此采用簡潔的形式即可。BDED5C69-BB78-4C10-A59E-DE6F2AD3BD84

（二）方案設計

1.人機工程設計

把人的因素作為系統設計的重要原則和條件就是人機工程設計。我們在水上自行車的設計中運用到人機工程學設計，考慮人在使用過程中的心理特點、身體特點以及用力特點，然后用系統的方法對自行車的整體或者局部進行適當的改良甚至是重新設計，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。

（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系，速比要符合實際，如果過小，無論騎行的人用多大的力，輸出功率都不會大，就達不到必要的速度;如果過大，就需要人的踏力很大，才能達到必要的速度，但人很容易疲勞。所以我們按照人所能承受最大負擔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，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，如果直徑變大，為了使曲柄轉動，那么大腿和膝蓋的肌肉就要加大收縮，肌肉受力就會變大;如果曲柄過長，所需要的車架長度就會增長，人在騎行時，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，再結合大量數據研究，我們按照人身長的十分之一來決定曲柄長度。

（3）三接點位置

騎車的姿勢是否省力舒適，與車把、鞍座、腳蹬這三者的位置有關，按照三點調整法，車把距離鞍座的位置應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）鞍座設計

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，坐墊后端相對來說要寬一些，根據男女之間的坐骨節點距不同，選擇26.5厘米最為合適。

坐墊長度：人在坐姿狀態下，人的坐骨點與臀部后邊緣的距離大約為12厘米，坐骨中心到會陰點大約為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，舒服的同時還能更好地發力前行。

鞍座高度可調節，根據個人需要。

2.傳動系統設計

人的騎行運動是有一定規律的，一般是與人的心跳規律相關，正常人平均每分鐘心臟跳動約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。

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

3.螺旋槳設計

關于螺旋槳的設計方法，我們采用更加方便可靠的圖譜計算方法，這種計算方法是從大量的實驗中驗證出來的，準確性也比較高，與此同時還要考慮到浮筒吃水深度的限制。

4.其它設計

（1）顏色選擇

選擇黃色，例如像小黃帽，警示，顯眼，出現問題方便海上營救。

（2）材質的選擇（耐海水腐蝕）

浮筒：采用進口優質版的經過高溫熱合和手工粘接而成的PVC涂層氣密布，耐磨損、耐老化。

螺旋槳：尼龍材料，結實耐用。

鏈條：對標準鏈條進行防腐蝕、防銹（鍍鋅、鍍鎳、鍍鉻、發藍等）處理或者使用不銹鋼材質。

主體為鋁合金材料，表面氧化處理。

車座高度可調節，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海水沖擊時的穩定性問題）

重量輕，易操作。一人幾分鐘內即可安裝拆卸完畢，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伸縮桿施加壓力的彈性勢能。

（5）動力系統（轉向問題）

不是依靠舵的形式，采用全新的NuVinci360傳動結構，通過改變兩個浮力結構的方向進行左右轉向。

（6）工作原理

采用人工腳踏螺旋槳驅動系統（如圖7），通過腳踏動踏板1帶動齒輪和鏈條2、3轉動，從而使錐齒輪4轉動，改變轉動方向，帶動螺旋槳5轉動，最終推動水上自行車向前行駛。

四、結語

作為一個設計者，要不斷地學習，積極接受新的事物，才能走在大眾視野的前沿，才能設計出被大家所認可的產品。并且還要承擔社會責任，運用設計解決社會問題，在滿足商業需求的同時也要關注可持續的生態發展，盡可能地在不破壞生態平衡的條件下設計，促使人與自然的和諧。

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作者簡介：咼智強，山東科技大學藝術與設計學院工業設計系主任、副教授、碩士研究生導師。

李倩玟，山東科技大學藝術與設計學院藝術設計專業碩士研究生。BDED5C69-BB78-4C10-A59E-DE6F2AD3BD84