创新设计实例：自行车与电风扇

例13.1　自行车的开发和创新。

18世纪末，法国人西夫拉克发明了最早的自行车。这辆最早的自行车是木制的，它的结构比较简单，既没有驱动装置，也没有转向装置，骑车人靠双脚用力蹬地前行，改变方向时也只能下车搬动车子。1816—1818年在法国出现了两轮间用木梁连接的双轮车，骑车者骑坐在梁上，用两脚交替蹬地来推动车子前进，见图13.4（a）。一种真正的双轮脚踏自行车是由苏格兰铁匠麦克米伦发明的，他在两轮小车的后轮上安装曲柄，曲柄与脚踏板用两根连杆相连，见图13.4（b），只要反复蹬踏悬在前支架上的踏板，驾驶者不用蹬地就可驱动车子前进。为了提高骑行的速度，法国人拉利门特在1865年进行了改进，将回转曲柄置于前轮上，骑行者直接蹬踏曲柄驱车前进。此时前轮装在车架前端可转动的叉座上，能较灵活地把握方向；后轮上有杠杆制动，骑行者对车的控制能力加强了，见图13.4（c）。这种自行车脚踏板转动一周，车子前进的距离与前轮周长相等。为了加快速度，人们不断增大前轮直径（但为了减轻质量，同时将后轮缩小），见图13.4（d），这种结构使骑行者上下车很不方便且不安全，影响了这种“高位自行车”的使用。后来，英格兰人劳森又考虑采用后轮驱动，设计了链传动的自行车，采用较大的传动比，从而排除了采用大轮子的必要性，使骑行者安全地骑坐在合适高度的座位上，它称为安全自行车，如图13.4（e）。由此，自行车逐渐定型，成为普遍使用的交通工具。而从开始研究到定型差不多经过了80年。

随着科学技术的发展，人们生活水平的不断提高，人们发现原有自行车不能满足多样性的需求，在此基础上应用组合技法、类比技法、反向探索法等创新开发了多种新型自行车。

图13.4　自行车发展过程

（1）助力车

为了省力和提高骑行速度，开发出多种助力车。为避免对环境的污染，电动车是比较受欢迎的，小巧的电机和减速装置放于后轮毂中，直接驱动车轮，电源则采用干电池。一次充电可行驶60~80km，速度一般在20~40km/h，如图13.5所示。

图13.5　助力车

图13.6　双人自行车

（2）双人自行车

两个人骑的自行车，可以双人共同踩踏，多出现在旅游场所，可享受共同合作骑乘的乐趣，也有三人和四人自行车，但双人自行车较为普遍，其舒适便利的代步成为更多旅游人士的选择，如图13.6所示。

（3）折叠自行车

一般折叠车由车架折叠关节和立管折叠关节构成。通过车架折叠，将前后两轮对折在一起，可减少45%左右的长度，整车在折叠后可放入折叠包以及汽车的后备厢。在折叠的过程中也不需要借助外来工具，可手动将车折叠展开，在折叠后通过座杆作为支撑点以使折叠后能立稳。折叠自行车携带、使用方便，如图13.7所示。

图13.7　折叠自行车

图13.8　变速自行车

（4）变速自行车

变速自行车是一种赛车，车轮细窄，目的是最大限度减轻车身质量，使骑行轻便、高速。自行车变速系统的作用就是通过改变链条和不同的前、后大小的齿轮盘的配合来改变车速快慢。前齿盘的大小和后齿盘的大小决定了自行车旋动脚蹬时的力度。前齿盘越大，后齿盘越小时，脚蹬越感到费力。前齿盘越小，后齿盘越大时，脚蹬越感到轻松。根据不同车手的能力，可通过调整前、后齿盘的大小调整自行车的车速或应对不同的路况，如图13.8所示。

（5）水陆两用自行车

如图13.9所示，对普通自行车进行改装，变成水陆两用自行车。前后轮两侧各装有两个可上下自由翻动的泡沫塑料的浮子，在车子的后轮钢丝上装上叶片，在陆上行驶时，浮子向上翻起，和普通自行车一样在陆上向前骑行。当遇到河沟时，将前后轮两侧的四个浮子翻下，车就平稳地浮在水面，踩踏脚板，后轮转动，叶片驱动自行车前进，前轮可对自行车起导向作用。这种自行车行驶平稳、安全，既可作为代步工具，又可以作为一种有趣的健身器具，很经济实用。(www.xing528.com)

图13.9　水陆两用自行车

图13.10　高速自行车

（6）高速自行车

高速自行车通过优化车身，使轮廓变得流畅而不产生巨大的分离涡流，能够使空气动力阻力减少到原来的1/20。在空气动力学、机械效率和骑行阻力方面的逐步提升将使该自行车的速度有可能超过140km/h。如图13.10所示，这款自行车是由一个加拿大的学生团队发明的，被誉为世界上速度最快的人力驱动车辆。只需一个人骑行，其速度就可超过每小时87miles（约合140km）。在2016世界人力极速挑战赛上再次刷新了世界最快人力自行车的记录，时速达到了144.17km/h。

自行车创新的例子还有很多，人们在应用时根据各种需求，不断进行改进，可以从此过程中得到启示：

①小小的自行车可以有多种新型原理和结构，而且还会不断改进、翻新。可见处处有创新之物，创新设计是大有可为的。

②人类和社会的需要是创造发明的源泉。社会的需要促使了自行车的演变，也正是社会的需要产生了各种新型功能和结构的自行车。紧紧抓住社会的需要，将使创新设计具有生命力。

③不断发展的科学理论和新技术的引入，使产品日趋先进和完善。如高速自行车的开发中考虑到空气动力学和人体力学，采用了新型材料和先进结构，还应用计算机辅助手段进行优化，使其具有先进的性能。实践证明，充分利用先进设计理论和科学技术是创新设计中必须重视的问题。

例13.2　电风扇的发明与创新。

机械风扇起源于1830年，一个叫詹姆斯·拜伦的美国人从钟表的结构中受到启发，发明了一种可以固定在天花板上，用发条驱动的机械风扇。这种风扇转动扇叶带来的徐徐凉风使人感到舒适，但得爬上梯子去上发条。1872年，一个叫约瑟夫的法国人又研制出一种靠发条涡轮启动，用齿轮链条装置传动的机械风扇，这个风扇比拜伦发明的机械风扇更精致，使用也方便一些。1880年，美国人舒乐首次将叶片直接装在电动机上，再接上电源，叶片飞速转动，阵阵凉风扑面而来。

随着时代的发展和人们生活水平的改善，对于家庭生活中常用的电扇提出了更多的要求，给电风扇的创新发展提供了市场需求，多类型多功能的电风扇纷纷出现。

①时控电风扇：只需要设置好电扇工作的时间，它就会根据使用者的设置，按时开、按时关。

②声控电风扇：美国通用电气公司研制出的一种声控电风扇，该风扇上装有微型电子接收器，只需在不超过一定方位的地方用声音就可以控制电风扇开启或关闭。

③冷气风电风扇：欧洲市场上推出了一种风扇与冰箱相结合的新型电风扇，其风扇有一个制冷机芯，机芯的中心圆筒中有混合液体，将此机芯置于冰箱中3h后取出配用，即可吹出冷风。

④无噪声电风扇：日本三菱公司开发的一种几乎没有噪声的电风扇，装有特制的鸟翅状叶片，可产生一股涡动气流，且采用直流电机，不加防护罩，很适合在安静的场所使用。

⑤四季电风扇：德国生产出的一种四季都能用的电风扇，配有远红外线加热器和负离子发生器，能夏季送凉风，冬季送热风，一年四季送负离子风，具有送凉取暖，净化空气的功效。

⑥模糊微控电风扇：日本东芝公司推出的这种电风扇，设有强、普通、弱等7级风量，可根据传感器测定的温度和湿度，自动选择最佳送风。如果有人碰到网罩，还会自动停止转动。

⑦防伤手指电风扇：美国罗伯逊工业公司推出一种新型风扇，只要人的手指碰到这种电扇的外罩，就会给其控制系统传递一个电脉冲信号，使电扇停止转动，以免手指受伤。

⑧无叶风扇：无叶风扇也叫空气增倍机，它能产生自然持续的凉风，由于没有叶片，不会覆盖尘土，或者伤到手指。它的造型奇特，外表流线设计，给人清爽的视觉效果。和大多数桌上风扇一样，空气增倍机能转动90°，而且还可以自由调整俯仰角、遥控控制、液晶显示室内温度及日期时间，在设计上更容易操作，更具人性化。无叶风扇设计新颖时尚，因为没有风叶，阻力更小，没有噪声和污染排放，更加节能、环保、安全。

如今的电风扇已一改人们印象中的传统形象，在外观和功能上都更追求个性化，而电脑控制、自然风、睡眠风、负离子功能等这些本属于空调器的功能，也被众多的电风扇厂家采用，并增加了照明、驱蚊等实用功能。这些外观不拘一格并且功能多样的产品，预示了整个电风扇行业的发展趋势。