・62・ 新产品开发 机械 2017年第6期 第44卷 躺式自行车自顶向下的参数化设计 张敏，沈精虎，张文彬 （青岛大学 机电工程学院，青岛 266071） 摘要：介绍了用自顶向下设计理念以及参数化设计一辆躺式自行车。与传统的自行车相比，该自行车的车架及传动结构被重新设计，使得该自行车更加舒适，适用于追求个性的人群。该车采用自顶向下的设计理念，与传统的自底向上理念相比，这种理念更符合设计人员的思维习惯。该设计理念缩短了产品开发周期，减少了因产品参数变化而引起的重新装配的次数，大大提高了工作效率。在对该自行车进行参数化设计过程中，人机工程学相关知识的运用使得设计出的自行车更符合人体需求。该车座椅下方设有可调节螺钉，可以调节座椅与水平地面之间的夹角，以便达到更为舒适的效果。通过以上设计，在对该自行车进行干涉检查时，未发现干涉现象。在进行运动仿真时，该车能够正常运动。 关键词：躺式自行车；舒适；自顶向下；人机工程 中图分类号：TH12 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2017.06.013 文章编号：1006－0316 (2017) 06－0062－05 The Top-Down Parametric Design of a Lying Bicycle ZHANG Min，SHEN Jinghu，ZHANG Wenbin ( College of Mechanical & Electronic Engineering, Qingdao University, Qingdao 266071, China ) Abstract：This article introduces the concept of top-down design and parametric design of a new type of lying bicycle. Compared with the traditional bicycle, the frame and the driving structure of the bicycle are redesigned, so that the bicycle is more comfortable, and is suitable for the pursuit of individuality. This bicycle uses the top-down design concept. Compared with the traditional bottom-up concept, this concept is more in line with the design staff's thinking habits. The design concept has shortened the product development cycle, reduced the number of reassembly due to changes in product parameters, and greatly improved the efficiency of the work. In the process of parametric design of the bicycle, the use of the relevant knowledge of Human Engineering makes the design of the bicycle more in line with the needs of the human body. The lower part of the bicycle seat is provided with an adjustable screw, which can adjust the angle between the seat and the horizontal ground so as to achieve a more comfortable effect. Through the above design, the interference phenomenon was not found in the interference check of the bicycle. And in the motion simulation, the bicycle can move normally. Key words：lying bicycle；comfortable；top-down；human engineering 自行车的发展迄今已经有200多年的历史，由于其不消耗能源、骑行方便，因此，无论是在发达国家还是发展中国家，自行车都深——————————————— 受人们喜爱。随着科技的进步，人们对于自己出行的代步工具要求越来越高，更加注重舒适、便捷。虽然在发展的过程中不断涌现出电动车、收稿日期：2016－12－19 作者简介：张敏（1993－），女，山东青岛人，硕士研究生，主要研究方向为机械CAD/CAM；沈精虎（1963－），男，甘肃岷县人，硕士，教授，主要研究方向为机械CAD/CAM。 机械 2017年第6期 第44卷 新产品开发 ・63・ 汽车等更为先进的代步工具，但这些代步工具不仅消耗能源而且易造成污染。 自行车作为一种传统的代步工具，在当今被视为环保型的代步工具，同时许多健身爱好者也会将自行车视为健身器材之一。本文中所涉及到的躺式自行车是一种新型的自行车，是对传统自行车的结构进行重新设计而成的，相对于传统的自行车而言，更加舒适，长时间骑行也不会造成腰、颈、腕的疲劳，并且在骑行的过程中可以欣赏沿途的风景。 该躺式自行车运用了自顶向下设计，该设计将各个相关零件之间的数据与约束联系在一起，当某一零件的数据发生变化时，与之相关的数据会随之改变，大大减少了重新设计时的工作量，提高了工作效率。同时，人机工程学的运用使得该车设计更加合理。人机工程学是人体科学、工程科学、环境科学等交叉形成的一门重要学科[1]。它的应用范围非常广泛，涉及到建筑、交通、机械等领域。它以人的心理和生理为依据，建立人与产品之间良好的人机关系，使产品更符合人们的需求。自行车的结构简单，并且以人为动力，因此，自行车的设计与其使用者之间有密切的关系，所以，在设计自行车时非常有必要把人机工程学引入其中。 1 自顶向下设计 产品的设计是一个渐进的过程，一般经过概念设计、参数化设计和详细设计三个阶段。这种渐进的设计过程，称为自顶向下（Top-Down）[2]设计。设计师首先从产品的整体出发，对所设计的产品有一个比较全面的理解，然后从整体开始，逐步分解，逐步求精，这符合产品设计过程中设计人员的思维过程。在概念设计阶段，零部件的详细几何特征是不确定的，无法明确表达，而是在设计过程中逐 步细化和具体化的。自顶向下的设计使得零件之间通过数据关联，当某一零件修改时与之关联的零件也随之同步变化，无需重新定义约束关系，也无需重新装配，能够很好的建立和控制产品信息和零部件的相关信息。图1所示表示自顶而下设计的过程。 产品定义产品设计意图分析形成产品设计方案修改设计方案形成产品参数化结构模型修改参数化模型构建零件，形成详细模型修改零件产品分析 图1 Top-Down设计 2 自行车结构及关键尺寸 2.1 自行车的结构 自行车有车架、轮胎、链条等25个部件，其基本部件缺一不可。按照各个部件的工作特点，大致可以分为导向系统、驱动系统和制动系统三个部份[3]。 （1）导向系统由车把、前叉、前轴、前轮部件组成。乘骑者可以通过操纵车把来改变行驶方向并保持车身平衡。 （2）驱动（传动或行走）系统由脚蹬、曲柄、链条、后轴、后轮等部件组成。脚的蹬力是靠脚蹬通过曲柄，链轮、链条、飞轮、后轴等部件传动的，从而使自行车不断前进。 （3）制动系统由车闸部件组成。乘骑者可以随时操纵车闸，使行驶的自行车减速、停驶、确保行车安全。 根据需要还可增加一些附件，如保险叉、挡泥板、气筒等。图2描述了自行车的结构。 ・64・ 新产品开发 机械 2017年第6期 第44卷 2.2 关键尺寸 在设计机构时并不是关心所有的尺寸和参数，关键尺寸主要是一些影响机构性能的尺寸。一个设计往往无法满足人体的所有要求，一般只能按照一部分人的人体尺寸来进行设计。为使设计适用于尽可能多的使用者，有时会使设计对象的性质在一定范围内可调，比如办公椅的高度、汽车车座的前后位置等，通常这种情况下会使用从第5百分位的女性尺度到第95百分位的男性尺度作为可调整范围[4]。由于男性和女性的身体尺寸存在重叠的部分，所以这一可调范围能满足95%的人。图3是人体部分尺寸定义图，表1为对应的相关尺寸。 1 2 3 4 5 6 7 27 8 9 26 25 24 1023 11 1222 13 1421 1520 161719 181.曲柄牙盘 2.电缆 3.链条罩支架 4.大灯后罩 5.仪表护罩 6.大灯前罩 7.车篮支架 8.车篮 9.挡风板 10.泥板扣 11.车篮支撑 12.八件碗 13.前挡泥板 14.前闸 15.前叉 16.前撑丝 17.泥板扣 18.前轮 19.链条 20.飞轮 21.后轮 22.后支撑和后撑丝 23.泥板扣和后挡泥板 24.反光器 25.后衣架 26.链条罩 27.右脚蹬 图2 自行车结构 4.3 3.1 4.4 4. 11.1 4.1 5.1 6.1 4.5 图3 人体部分尺寸定义图 根据上述人体尺寸可确定躺式自行车的关 键尺寸。图4所示表示该车的关键尺寸。根据图4所示可知该自行车的关键尺寸包括：脚踏板的宽度尺寸、前后车轮的外径尺寸、座椅椅面宽度、座椅靠背倾角和各链轮的分度圆直径。 表1 人体主要尺寸及水平尺寸（mm） 尺寸 标号测量项目男性（18～60 岁） 女性（18～55岁）5%50%95% 5% 50% 95%1.1身高 158316781775 1484 1570 16591.3上臂长289313338 262 284 3081.4前臂长216237258 193 213 2341.5大腿长428465505 402 438 4761.6小腿长338369403 313 344 3764.1胸宽 253280315 233 260 2994.3肩宽 344375403 320 351 3774.4最大肩宽398431469 363 397 4384.5臀宽 282306334 290 217 346 宽度 外径2 角度 宽度 外径1分度圆直径1 分度圆直径2图4 躺式自行车关键尺寸 （1）脚踏板宽度尺寸：通常是在空间允许的条件下，以宽为好，以方便脚用力蹬。通常以男性足宽尺寸的第95百分位数进行设计，以满足最宽人体需要。取105～115 mm为宜。 （2）前后车轮外径尺寸：ISO（国际标准化组织）制定了一套通用的轮胎尺寸体系，这种体系以前被称为“E.T.R.T.O”体系，是由欧洲轮胎及车圈技术组织制定的[5]。ISO体系使用两个数字。第一个是轮胎或车圈的宽度，单位为mm。第二个ISO数字是一个关键数字，是车圈轮毂底的直径，单位是mm。通常来说，如果这个数字相同，轮胎就能安装到车圈里。 （3）座椅椅面宽度和座椅靠背倾角：其中椅面宽度是在空间允许的条件下，以宽为好，以方便就坐着变换姿势。通常以女性臀宽尺寸的第95百分位数进行设计，以满足最宽人体需要。一般取为400～450 mm。靠背倾角是指靠背与椅面之间的夹角。从保持脊柱的正常自然机械 2017年第6期 第44卷 新产品开发 ・65・ 形态，增加舒适感考虑，最适宜的角度约为115°。通常可根据座椅用途确定，工作用椅可取95°～105°；学校学生读书用椅，可取95°～100°；休息用椅可取105°～110°[6]。该自行车的靠背倾角宜用休息座椅的靠背倾角来确定，取值为105°，同时，座椅下方的可调节螺钉也可以调节座椅与水平地面之间的夹角。以便达到更为舒适的效果。 （4）各链轮的分度圆直径：链轮的分度圆直径大小就会影响到整个机构的总体尺寸，因此可把分度圆直径定义为关键参数，而链轮上的小孔的直径尺寸对整个机构定没有多大影响，这样就没必要设置其为关键参数。分度圆直径为： d＝p/[sin(180/Z)] 式中：p为节距；Z为齿数。 3 躺式自行车造型 3.1 把手 图5所示是自行车把手造型，由于躺式自行车重心低，把手可能会遮挡视线，因此把手的横梁应该低一些，但是太低又会影响下方空间，因此将车的横梁设计成M型，既避免遮挡视线又可以给下方留有空间。 图5 把手 3.2 链条与链轮 ISO链号：选用08A节距p＝12.7 mm，滚子直径选用d1＝7.92 mm，内链节内宽选用b1 ＝7.85 mm，销轴直径选用d2＝3.98 mm，内链板高度选用h2＝12.07 mm，采用单排链。为防止跳齿和脱齿现象设计该传动比小于6，包角大于120度。 由于链节数是偶数，为使链条和链磨损均匀，并尽可能与链节数互质，小链轮采用齿数Z1为17，大链轮采用齿数Z2为25。链轮采用孔板式既美观又可以减轻重量。图6所示为链及链轮的三维造型。 图6 链及链轮 3.3 车轮 图7所示为该自行车前车轮造型及爆炸图，在设计该自行车车轮时采用了电动车车轮的设计方法，增加了车轮的宽度，并且降低了前车轮的高度，使得车在骑行的时候更加平稳。 图7 前车轮及其爆炸图 ・66・ 新产品开发 机械 2017年第6期 第44卷 3.4 躺式自行车整车造型 图8所示表示了自行车的整体结构，该自行车是一种新型的躺式自行车，该自行车的车架及传动机构等被重新设计，改善了骑行的舒适度。 自顶向下的设计理念以及人机工程学的运用使得该车更加符合人们需求。该车优点有以下几点： （1）骑行时上半身基本处于休息状态，要求腿部及膝盖力量大一些，这样长途骑行不至于造成腰、颈、腕的疲劳。 （2）前方视野良好，可以让骑行者放松身体欣赏沿途风景。 （3）能满足追求个性的群体。 4 总结 通过自顶向下设计的方法实现了躺式自行车的参数化设计，并运用人机工程学与该车各机构结合来确定其关键尺寸，同时，该车座椅下方的可调节螺钉也可以调节座椅与水平地面之间的夹角。以便达到更为舒适的效果。通过三维建模创建各结构的三维造型，最后通过干涉检查未发现干涉现象，在运动仿真时，该躺式自行车能正常运动。 参考文献： [1]吕杰锋，陈建新，徐进波. 人机工程学[M]. 北京：清华大学出版社，2009. [2]咸斌. 基于关联技术的自顶向下设计技术的应用研究[J]. 机械设计与制造，2005（7）：29-31. [3]刘东岳，邱虹. 自行车结构分析与设计[J]. 城市建设理论研究（电子版），2013（30）：10-12. [4]王秀玲. 人机工程学的应用与发展[J]. 机械设计与制造，2007（1）：30-33. [5]金李伟，胡志彭，彭卫军. 自行车轮胎尺寸体系的发展历史及 图8 躺式自行车整体造型图 现状[J]. 中国橡胶，2014（1）：25-27. [6]苏胜. 基于人机工程学的座椅设计[J]. 科技信息（学术版），2008（28）：20-23.工业机器人是智能制造重要基石 第十二届全国人大五次会议上，“人工智能”首入全国政府工作报告，表明国家对新兴产业的重视，人工智能将成为新一轮技术变革的核心。李克强总理指出要深入实施《中国制造2025》，把发展智能制造作为主攻方向。 工业机器人是智能制造的重要基石，机器人行业的发展将会为中国高端智能制造业带来新的机遇。国产机器人企业在关键零部件等核心技术领域对外依存度高，自主创新能力不强，严重制约了我国智能制造的发展，亟须提升机器人产品的质量，引领机器人产业创新高端发展。“高质量的产品是生产出来的，不是检测出来的”，因此，要提升国产机器人质量，不能光靠制定行业标准，提高行业门槛。从企业的角度出发，倒逼加推动的双重机制才是关键点。 国产机器人企业特别是中小企业确实面临着诸多挑战。真正有效的提升国产机器人质量需要解决的重点在于以下三点： （1）制定行业标准，倒逼企业提升质量。对于国内机器人行业来说，标准的缺失是造成机器人产品良莠不齐、低端发展的主要因素。 （2）加强国产品牌应用，高质量的产品要敢生产、能生产。 （3）强化企业自主创新，助力本土企业突围。提升机器人产品质量，不仅需要国家和地方的支持引导，还需要切实提高企业自身的创新能力。 （信息来源：http://www.jx.cn 下载时间：2017-06-15）
