自行车的设计论文设计Word格式.docx

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关键词:

折叠；

自行车；

设计；

机构；

体积

第一章绪论

〔一〕、自行车的背景与需求

自行车发明至今已有200多年的历史。

今天，自行车作为交通代步、锻炼身体、越野旅游、运动比赛以与少量货物运送工具，已遍与到世界的每个角落。

由于自行车是依靠人体自身的驱动力和骑车技能而行驶的，因此控制灵活方便，能快速地对驾驶者的操作做出反响，速度直接由人脚部运动直接控制，虽然原始，但却更可以贴近人们的生活。

据近几年来得研究明确，骑自行车和跑步、游泳一样，是一种非常有效的健身方法和最能改善人们心肺功能的耐力性锻炼。

骑自行车还能够减少空气污染与噪声污染，保护了人们赖以生存的环境。

自行车锻炼的好处是不限时间，不限速度。

骑自行车不但可以减肥，而且还可以使身材均匀。

由于自行车运动是需要大量氧气的运动，所以还可以强化心脏功能。

同还能防止高血压，有时比药物更有效。

踩自行车压缩血管，使得血液循环加速，大脑摄入更多的氧气，再参加吸入大量新鲜空气，会觉得脑筋更清楚。

骑在车上你会感觉十分自由且畅快无比。

它不再只是一种代步工具，更是愉悦心灵的方式。

由此看出，自行车的需求依然很高。

〔二〕、折叠自行车的好处

折叠自行车特征是

1、驾驭自如：

依据人体力学而设计的折叠自行车，车轮不大，通过调整前后齿比，骑行舒适快速省力，把手、坐垫上下均可调整。

2、灵活携带：

折叠后其体积不到普通自行车的五分之一，体积小，重量轻，提着它上下楼、上下电梯、乘坐公交车和地铁都十分方便。

3、快速折叠:

折叠与打开时均无需工具，整个过程只需十几秒钟而已。

4、防止丢失：

折叠后随身携带或存在商场物品存放处防止丢失。

5、保持时尚：

折叠车外形靓丽，做工精美，绝对是时尚一族的顶好装备。

6、送礼佳品：

价格、外观、功能，都决定它是送礼的好选择。

7、健身环保：

骑折叠自行车不仅是最好的有氧运动之一，也是身体力行的环保途径之一。

〔三〕、市场分析

现在的市场上存在着各种各样的折叠自行车，厂家们也在争先地推出其崭新的产品，为求能够吸引更多消费者的注意力，增加销售量。

但是在这些款式中，大局部折叠自行车的折叠机构都是千篇一律、小异的，多数都只不过在颜色和材料或者是小部件上有所区分，没什么设计能真正做到真正意义上的改良。

市场上大局部的折叠自行车虽然折叠后体积是比不可折叠自行车小一点，但对于广阔用户而言，市场上很多折叠自行车折叠后还是很难携带，尽管也有一些折叠车品牌陆续推出了折叠车提包，但提包体积很大，非人力可以携带行走。

因此，折叠自行车已经成为自行车的一种开展优势，人们在选购自行车是都会首先考虑折叠自行车，所以，所以，现在人们对购置选择自行车的要求已经不仅仅局限于使用舒适，还包括外形、结构和存放空间等等，所以只是简单的改变一些小部件，改变颜色和材料等得改良已经不存在着什么明显的优势。

如何能把折叠自行车折叠后的体积更小，折叠操作更方便、省时、灵活，已经成为广阔折叠自行车的开发者的挑战。

第二章设计方案确实定

〔一〕、创新来源

本设计主要是在现有的折叠自行车的根底上作出改良与创新。

现有的折叠自行车折叠后的体积都比拟大，所以要首先在合理的构造的前提下思考如何在减少折叠后的体积这一点上下手，不只是简单的的直线伸缩，还利用各种的机构，在传统的载人自行车的根底上去掉了后座，这样子就能够更加扩大节省材料和体积的可能性，为我们的创新设计创造更大的思维空间。

本设计在结构上做了很大程度上的改良，外形也有了很大的突破。

折叠后比以往的设计体积更小，折叠方式更方便，重量更轻。

有些折叠自行车虽然体积是变小了，车的齿轮的传动比太少，只有一级传动，骑上去后脚即使把脚踏板踩得飞快，相比于普通自行车的车速依然显得非常逊色，因此就要思考一下可以用什么方法来解决这一问题。

参考了牙箱的传动机构，就想到在传动上不是仅仅只能局限在一级传动上，所以齿轮就在普遍的链条与齿轮的一级传动改成了链条与齿轮的二级传动，以此来增加脚踏板的转动轴与车轮的传动比，是人能够在不用拼命的踩就能得到一定的车速，达到悠闲地行驶的效果。

最普遍的折叠方式是车头与车座位置的伸缩和单纯的把折叠自行车从中间折叠一半，也并不能缩小多少的体积，自行车还是大大的一台在那里。

现今已存在的折叠扇就是折叠机构中很成功的例子，因此可以把折叠扇的折叠方式借鉴或灵活运用到折叠自行车上面去。

把伸缩与旋转折叠的方式相结合，就可以做到更大限度的节省空间。

〔二〕、主要技术要求

1、采用现代设计方法完成各局部的设计；

2、使用该设备能实现展开后安全正常行使，折叠后便于携带等功能，

3、要求总体结构尺寸最小化，关键零部件强度、刚度足够；

4、动作安全可靠，工作时运动平稳；

5、整体结构布局优化。

6、主要技术参数

传动比：

脚踏一圈与车轮转动圈数之比，1:

4

最小折叠尺寸：

750*450**800

最大承重：

100kg

最高时速：

40km/h

刹车线：

1.5MM不锈钢〔固定螺钉设计，取消圆孔下部的螺纹，不锈钢材料。

强度增加一倍〕。

车轮直径：

205mm

〔三〕、研究方法

设计这一折叠自行车可以从查阅现有的文献资料中对现有自行车的机构进展了解分析，理解现有折叠自行车工作原理与运转方式。

对研发部所提供的自行车实物尽心观察，分析各零部件的功能以与尺寸。

借鉴优良的设计，把已掌握的根本机械设计知识运用到折叠自行车的设计与创新中去。

理论与实际相结合，不一味的寻求另类和创新，

〔四〕、设计过程

通过观察市场上的折叠自行车，在一般的折叠自行车设计中发现其中存在的问题有：

折叠之后占用空间大和车身重量比拟重，这样设计只在名义上做到折叠，实际折叠之后占用的空间减小量不大，自行车车的重量却与非折叠式自行车的重量差不多，有的设计选用的材料强度好但比拟稀有加上零部件采用非标准件，价格便不是一般人能承受的，以与有些折叠自行车虽然结构精巧，但是，由于传动部件也随车身的要求而缩小，传动比小，给使用者带来很大的麻烦。

所以此类设计只达到美观以与方便运输的目的，而没有达到大众化且携带方便使用轻松的目的。

针对这些问题，我们找到目前折叠自行车设计中的可以改善的空间。

确定设计纲要

整理已找到的问题与可改善的机会，建立我们对折叠自行车设计的纲要。

车身材料采用较常见的自行车材料

可以采用普通的Q235钢，整台自行车的价格尽量控制在平民能承受的围。

车的零部件采用普通的标准件

可以防止使用过程中自行车出问题时需更换专用零件遇到的麻烦，维修简单。

结构尽量简单

使用简单的结构，一方面可以简化制造加工与装配流程，减少生产的本钱，另一方面可以方便使用者装拆自行车。

车身占用空间小

无论在运输还是外出旅行，车身占用的空间越小，给人带来的便利就越大，也能相应减少自行车的本钱。

传动部件传动比要大

使自行车车身占用空间小的话，车轮直径的小尺寸是最起作用的，但是由于车轮小又要满足使用者不至于费很大力气却不能使车的速度达到普通自行车的速度，所以考虑到用大传动比，小结构的折叠自行车用两个齿轮传动是不能达到大的传动比，我们综合考虑之后，采用二级齿轮传动来加大小空间使用的传动比。

搜集资料阶段，我们能接触的资源有：

现有的自行车；

网络资源；

图书资料；

与对自行车有点研究的朋友或维修店师傅。

而我们做最多是采用网络资源，带着自己对折叠自行车的designbrief通过上网找关于折叠自行车，下载折叠自行车的图片与参数，主要是上淘宝网上搜集参数，也可以参考自己要搜索的自行车的市场价格。

经过搜索，发现市场上折叠自行车的结构根本采用平行四边形，即折叠的形式是两个三角形合并，但这种折叠方式需要空间比拟大。

有一种结构是采用雨伞式折叠结构，折叠之后就像收伞的效果，占用空间小。

还有一种折叠方式像多功能小刀的折叠方式，但是这样结构强度方面比拟差。

整理多个方案之后，我们选用雨伞式折叠结构的设计，即A-Bike公司的设计，这种结构简单，占用空间小，这种结构的设计比拟接近我们的设计目的。

综上，我们选用的设计方案是：

总体结构是雨伞式折叠结构，车身材料主要用Q235钢，零部件采用通用标准件，直径220mm左右的小车轮，传动齿轮采用二级传动。

组员分工合作整理设计方案，计算修改各部件尺寸与强度，设计齿轮与飞轮的直径和齿数，定车轮的直径，和进一步设计折叠机构。

手绘各个部件与自行车总体的草图，对局部机构进展修改，组员一起用PROE软件绘制出自行车的零件图与装配图。

确定折叠方式为了使折叠自行车能够实现展开后安全正常行驶，折叠后便于携带等功能；

总体结构尺寸最小化，关键零部件强度、刚度足够；

动作安全可靠，工作时运动平稳；

整个结构布局优化，结合各种折叠自行车方案实力，结合实际生活经验，最终确定了如图2-1所示的总体结构框架。

图2-1

确定传动机构目前，国外普遍采用一级传动，速度稍慢于普通自行车，所以为了增大传动比，可以采用二级传动或者是三级传动来增大传动比，但因为三级传动结构过于复杂，所占空间过大，对折叠后的尺寸有所影响，同时也加大了自行车自身的重量，最关键的是发现由于传动比过大骑行是所需的力比拟大，在骑行时就可能把休闲代步变成一种超大负荷的运动。

为了改变这种缺陷，我们最后还是采用二级传动，这样不仅减小自行车折叠后的尺寸、总重量和骑行是所需的力，同时也使结构变得更加简单、合理。

第三章结构设计

〔一〕、结构分析

1、设计中的不同点

设计一款可折叠、尺寸小、质量轻、携带方便的自行车，其车体局部的设计尤为重要，也是能否设计出一款小巧的折叠自行车的关键，这也是我们本小组设计的重点。

目前市场上出现得最多人折叠自行车是将两个轮相互叠并在个起得折叠方式，尽管对折了差不多一半，但还是占挺大空间的，而且在结构上也比拟简单，一般只需一个或两个关节折就行，当然在本钱上也会比拟廉价。

可折叠自行车不仅要考虑每条连接杆的杆身的受力还要考虑到每个关节处的受力是否满足强度或者其他要求，也即是对结构的要求会更高，各大部件主要有支撑部件、动力承受部件、传动部件，还有工作部件。

支撑部件主要有车架、前叉、鞍座和车把等，是自行车的构架。

支撑局部将其他零部件固定在相互间正确的位置上，保证自行车的整体性，实现自行车的功能。

从人机关系来看，鞍座、车把和车架等的位置和大小，以与它们间的相互关系，与骑车人的位置和肌肉的动作有着严密的联系。

动力承受部件主要是脚蹬和曲柄。

动力靠的是骑车人的双脚踩在脚蹬上用力，下肢运动的力使曲柄转动而产生动力。

为了使人省力和有舒适感，必须在骑自行车人的体格和体力与自行车元件的尺寸关系上下多做些功夫，即研究人体下肢肌肉的收缩运动与曲柄转动之间的能量转换的问题。

传动部件主要是轴承、链条和链轮。

人的作用力是通过链条和链轮传动而带动后轮转动，从而使自行车前移。

传动局部的设计关键是要有较高的传动效率和可靠性，且有易操纵的机构。

保证较高的传动效率，才能使人用一定的肌力而获得较大的输出功率。

工作部件就是车轮，即车圈、轮胎等。

绝大局部轮胎是充气的，少数是实心的，在本设计中由于车轮比拟小，因此我们采用无需充气的实心轮胎。

车轮一方面把骑车人的肌肉力量，有效地转换为同地面接触而向前运动的力；

另一方面将骑车人的握力转换为与接地局部所产生的刹车阻力。

在设计自行车的各局部尺寸、车闸等时，应该着眼于骑车人一动力一传动一工作的连贯性，才可能设计出同骑车人手的大小或握力相适应的闸把、刹车力适当的车闸，才不会发生刹车阻力不够而造成失误现象。

如图3-1所示，一辆整车由两百多种、一千多个零件组成。

这里把它们归纳为20个根本部件或部件组合和18个配件。

自行车的根本部件包括：

车架部件、车把部件、前叉部件、轮轴部件、中轴部件、飞轮部件、链条部件、车轮部件、泥板部件、车闸部件、脚蹬部件、鞍座部件。

在这些部件中，由车把、前叉、前轴、前轮等部件组成导向系统；

由脚蹬、中轴、链条、飞轮、后轴、后轮等部件组成驱动系统；

车把和车闸组成制动系统。

图3-1

以上这部车即是由中间折叠的典型结构，而且还是变速式可折叠自行车，大体看来除了可折叠外跟其他普通自行车没多大区别，其缺点就是折叠之后并没有出现全新的功能，并且折叠之后的形体由于还是相当大，所以很难随身携带。

所以此次我们小组所设计的可折叠自行车就是为了解决包括这个问题，与传统的自行车有很大的不同，如图3-2所示，它是既有折叠又有伸缩结构，共有三步，首先是车身前后对折，然后是车头与鞍座向下收缩，再就是车头向后旋转，与鞍座向下折叠。

该设计源自于A-bike的设计风格，真正的A-bike分四步折叠，它还有最后一步是将把手跟踏板再向下折叠一下。

从图看，结构上比拟简洁，只有几个局部而已，一是车头，二是车身构架，三是鞍座，四是脚踏局部，五是齿轮传动局部，六是刹车结构，七是车轮结构。

图3-2

车头结构靠两个轴承将车头与车身的转动连接于一起，以往的自行车都是靠珠子转动，并不是轴承式的，用轴承的会比拟简便，因为轴承本身就是一个标准件，所以找装配也会比拟容易；

车头上方也是靠轴承支撑其与上身之间的旋转，由于位置关系不能用一般的轴承，而是用滚筒式的，也就是那种不是用滚珠而是靠滑动摩擦的；

车身由几根摆动轴组成，因此在强度要求的考虑上需要比拟严格，车身由于有伸缩功能，所以需要用到弹簧销去固定，当需要折叠时可以向侧压，再将管向下伸缩；

传动机构采用二级传动，靠链传动来带动车轮；

刹车机构用目前市场上比拟流行的利用橡胶摩擦轮毂的方式，在手把处改良成用手扭转的方式去拉动钢丝绳，从而带动橡胶使其向下压缩，最终达到刹车的功能，此处是根据变速车把手扭转变速的结构而引申出来的，这样在外观上少了以往的那个刹车把手，看起来简洁了许多。

2、车的折叠过程

如图3-3所示自行车各折叠部位，图中共有四个折叠部位：

图3-3

经过图中向上的箭头折叠后成了图3-4所示：

图3-4

最后经过向下伸缩、车头旋转90度、鞍座向下旋转成为最终想图3-5所示：

图3-5

〔二〕关节机构

1、车头把手机构

刹车装置与伸缩装置组成，如图3-6所示，该结构是根据以往变速自行车的变速装置改良过来的，它的原理是利用手把外套与手把之间的相对运动来拉动钢丝绳，从而使轮毂边的刹车橡胶紧缩达到制动的效果：

刹车转套

图3-6

2、前身下部结构

如图3-7所示，本设计利用两个轴承固定与车轴上，作为车头与车身间相对运动的中介，使用的是比拟普通的标准深沟球滚珠轴承，刹车装置是用圆盘式的，里面有一橡胶圈，由钢丝绳绑着，钢丝绳一旦受力向里收缩，使橡胶压着轮毂的突出部位靠他们之间的摩擦让车轮制动，这就是刹车机构的根本原理，现在市面上很多自行车都使用这种刹车装置：

刹车装置

转轴轴承

图3-7

3、车身与鞍座结构

如图3-8所示，此机构涉与的关节比拟多，是强度与刚度必需重点考虑的对象，同时也是受力最大的部位，鞍座的支撑主要靠中间的横梁与旁边的支撑柱，横梁起到防止鞍座受力后往后运动的作用，而支撑柱既起到横梁的作用外，还起到向上支撑的作用，其下方有一伸缩支撑轴：

伸缩中所用到的销与关节

双关节结构

图3-8

4、传动机构

如图3-9所示，该折叠自行车的传动装置也用普通的链传动，只是并非一级传动，而是采用二级传动，这样一来不但可以加大齿轮的传动比，还可以改变第二级传动齿轮的位置，可以调整齿轮位置，到达一预留度的作用：

二级传动

一级传动

图3-9

〔1〕滚链与链轮。

采用滚链传动的一个最大原因是滚子链可以远距离传动，正适合自行车的结构配合，滚子链传动是具有中间挠性件的非共轭啮合传动，其链轮齿廓的几何形状具有一定的灵活性，但又影响传动质量、使用寿命以与加工的难易度。

本次的自行车设计采用的是二级传动，我们共用到了三个链轮，两个为单齿轮，另中一个是中间连接齿轮，为双层齿链轮。

大小链轮的齿数比，与链轮的到4.0的围。

利用速比之间的关系可以得到自行车骑行时所需要的功率与必要的速度。

考虑到人性化问题，所以所选择的速比要相当适宜，如果太小，无论人的力气有多大，都不能充分提高转速，也就得不到比拟大的输出功率。

相反而言，如果速比太小的话，在限定的曲柄转速下，也得不到必要的骑行速度，即后轮的转速。

速比过大，要求人的脚踏力也要大，在这种情况下容易使人疲劳。

为了保持不疲倦的持续骑行，一般要求人的肌肉负担为最大肌力的10%，按此条件去选择速比和曲柄转速，可得到较好的效果。

但另一方面考虑到本次设计的自行车的车轮比拟小，其转一圈才走了半米多一点，行程比拟小，所以我们在传动比上选取得比拟大，初步确定传动比大概是1比4，根据这个比数再根据齿轮的放置位空间的大小初步确定链轮齿数分别为，踏板连接齿轮的齿数为Z1=17，中间起搭接作用齿轮齿数为Z2=9/22，与后轮配合的飞轮齿齿数为Z3=11，并确定与各链齿轮所配用的链条节距为P=8mm，滚子外径D=5mm，链条的排距Pt=5.64mm。

根据齿轮齿数与所选用的模数计算的齿轮1的齿顶圆直径为120mm，齿根圆直径为100mm，齿轮2的大齿顶圆直径为120mm，齿根直径为112mm，小齿顶圆直径为50mm，齿根直径为40mm，齿轮3的齿顶圆直径为62mm，齿根直径为52mm。

〔2〕棘轮机构。

其结构是由棘轮与棘爪所组成的一种单项间歇运动机构，它将连续转动或往复运动转换成单向步进运动，如图3-10所示，棘轮轮齿通常用单向齿，棘爪铰接与摇杆上，当摇杆逆时针方向摆动时，会驱动棘爪便使其插入棘轮中以推动棘轮的同向转动，当摇杆顺时针方向摆动时，棘爪在棘轮上滑过，棘轮停止转动。

根据这一结构，自行车在棘轮同向转动的同时会被带动一起向前运动，当链轮顺时针方向旋转时带动棘轮逆时针转动，棘爪在棘轮上滑过，棘轮停止转动，此时自行车并不受其影响，继续向前做惯性运动，等待下一次的同向转动，就这样不断地继续下去，自行车就能不断地行走着，其特点是结构上相当紧凑，外形尺寸相比照拟小。

图3-10

设计棘轮机构主要考虑的是棘轮齿形的选择，模数以与齿数确实定，齿面倾斜角确实定，行程和动停比的调节方法等因素，正是因为棘轮机构的结构紧凑，所以比拟复杂，加工难度会比拟大，一般设计会考虑外购的方式，而不是自己加工，这样既可以节约时间，说不定还能节省金钱。

〔四〕强度校核

1、应力计算

每种机构或结构都是由假如干构件组成的，而这些构件的使用都是有其极限性的，而这些问题将会威胁到安全，实际工程中，常常会遇到构件受力过大导致出现破坏或更严重点的造成事故，另一情况就是在受力过大后产生过大的变形而影响机器或结构的正常工作，无论哪种情况，在实际运用中都是不允许的，所以每个产品都要求有足够的抵抗破坏的能力跟足够的抵抗变形的能力，也就是要有足够的强度跟刚度。

除了解决强度跟刚度的问题外还要考虑到稳定性，这也是结构设计上所必须注意的。

本次设计中我们小组所选用的材料是Q235钢，这是一种比拟常见的材料，性能上也相当可靠，自行车所承受的是变动载荷，所以安全系数需要更高一点，我们取的是n=1.5，Q235钢的许用应力为[σ]=140MPa，预计该单车所能承受的重量为1KN，即可承受的最大质量为100kg，主要校核的部位是车身那几个关节，根本上受力都集中在这些支撑柱与横梁，所以其中的各杆都必需满足强度与刚度甚至是稳定性的最低要求，本次设计的可折叠自行车车身结构如图3-11所示，主受力G，两个支撑力F1与F2，角度α1为55度，角度α2为85度，角度β1为35度，β2为50度，

图3-11

将数据代入以上公式可得：

F1=700kg,F2=769kg

再根据：

其中杆2的作用面积A1为210mm2

可算得横梁，即图中的杆2，受拉应力F1=3.33MPa，

2，所受拉应力为F2=3.02MPa，

由上面两个拉应力与Q235的许用应力140MPa相比照，可明显看出远远满足要求。

杆3主要受压应力与弯曲应力的作用，所受应力并没有杆2与杆4所受应力那么大，因此不用进展应力校核。

2、弯矩计算

由于杆4受力比拟大，也是主支撑构件，现对其受力情况做一简单分析，如图3-12所示是杆4的整体受力情况，现取整个杆作为受力对象：

图3-12

根据力的平衡方程：

代入各个参数，即可得：

F1=940N，F4=384N

现画出其弯矩图如图3-13所示：

图3-13

由图中可以看出，弯矩最大点在C处，算得该处的弯矩为126N。

杆4为空心圆形管，其横截面的抗弯截面系数计算公式为：

根据实际设计的尺寸，外径D=30mm，径d=24mm，从而可得α44，可得：

Wz=1.1059*10m

如此最大正应力经计算可得σmax=114MPa<

140MPa,所以所设计的自行车可以承受100Kg的重量。

由于Q235钢的许用应力为140MPa，根据公式可计算杆4所能承受的最大弯矩为：

由M=F*Sinβ.α可计算得：

F=914N

再由正弦定理可计算的自行车所能承受的最大承载重量：

Gmax=1187N

也就是说本次所设计的可折叠自行车所能承受的最大重量为118.7Kg，比预计要求的100Kg要大

虽然不是大多少，但根本可以满足设计要求，毕竟一个人的重量超过100Kg的应该不会考虑骑自行车了，而且该部可折叠自行车的设计初衷只是单人骑的，并不承载其他人员，经过各种强度应力的校核，从结果中可以确定本次设计的自行车各局部结构在一定的承重围是符合要求的，也满足强度条件，换句话说就是本次我们小组所设计的可折叠自行车达到了预期的要求，可以满足骑行的根本条件，完全可以使用。

第四章设计的改良

〔一〕、车头把手不能折叠

为了保证车头把手的强度