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原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 宁 XX 大学 毕业设计(论文) 双人并排座自行车的设计 所 在 学 院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指 导 老 师 年 月 日 2 摘 要 本题目是双人并排座自行车，休闲娱乐类自行车,为主要设计对象，设计出可同时容纳 两个人同时乘坐，并驾驶，动力由两个人共同提供，并且使用寿命长，容易维修，可在路面 长时间行驶，安全性能高的自行车。对象多为亲子或者情侣，因此应达到省力，美观，可营 造出温馨浪漫的气氛。 双人并排座自行车在现今市场上依旧比较少见，其原因主要在于其市面已有结构设计部 分不合理，使用的稳定性不高。，至此导致市面上多为双人并排座自行车较为少见。此次课 题设计，力求设计出优于市面原有的产品，完善双人并排座自行车的缺点，真正意义上的让 双人并排座自行车推广出来。 关键词：自行车，双人并排座自行车，健身，机械设计 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 Abstract This topic is recreational bicycle, double seat bicycle as the main design object, design can accommodate two people at the same time riding, and driving, power is provided by two individuals, and long service life, easy to repair, be on the road a long time, the safety performance of high bicycle. The object for many parents or lovers, so should be saving, beautiful, can create a warm and romantic atmosphere. Double seat bicycle in the current market is still relatively rare, the main reason is that the market has been part of the structural design is unreasonable, the stability is not high. This led to the market, more and more rare double seat of bicycle. This topic design, and strive to design better than the market existing products, improve the disadvantages of seat of bicycle double before and after, the true sense of the double side by side to promote a bicycle. Key Words: bicycle, double seat bicycles, fitness, mechanical design 4 目 录 摘 要2 Abstract 3 目 录4 第 1 章 绪论6 1.1 课题研究背景 6 1.2 课题研究目的 6 1.3 课题的意义. 7 1.4 种类发展现状 8 1.5 自行车的设计分析 12 第 2 章 人体工程学与自行车设计18 2.1 设计原则设计原则 . 18 2.2 人机工程设计设计人机工程设计设计 . 20 2.3 影响自行车性能的人体因素影响自行车性能的人体因素 . 21 2.4 自行车设计结构要素分析自行车设计结构要素分析 . 23 2.5 人一车动态特性分析人一车动态特性分析 26 第 3 章 双人并排座自行车双人并排座自行车总体方案 .28 3.1 双人并排座自行车的构成双人并排座自行车的构成 28 3.2 双人并排座自行车方案设计双人并排座自行车方案设计 . 29 第 4 章 双人并排座自行车机械部分计算31 4.1 功率的计算功率的计算 31 4.2 传动比传动比 32 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 4.3 前后链轮之间的链传动设计前后链轮之间的链传动设计 32 4.3.1 设计要求. 32 4.3.2 设计过程. 32 4.4 轴的设计轴的设计 . 35 4.4.1 链轮上力的计算 35 4.4.2 材料 35 4.4.3 计算轴的最小直径 35 4.4.4 轴的结构设计 35 4.5 轴的校核轴的校核 36 4.6 键的校核键的校核 37 4.7 轴承的校核轴承的校核 . 38 第 5 章 三维图的设计40 结 论46 参考文献47 致 谢49 6 第 1 章 绪论 1.1 课题研究背景 自行车价格较为廉价，已然普遍到各家各户，随着“时尚、运动、健康、绿色、环 保”理念的深入人心，自行车类产品的设计、材料、工艺、款式也跟随市场需求，新材 料、精加工、巧构思、高品质和高附加值的自行车精品不断涌现。自行车不但成为人们 的代步交通工具，而且进入运动、休闲、娱乐、时尚领域，并融入更多的科技、文化元 素，成为所有家庭的必备用具。自行车发展，在使用功能上说变化已很少了，现代自行 车的主要发展在于车架的造型行变化，表面的处理如烤漆、商标的变化使其外观更美； 对自车上的每一个零件进行精雕细琢的改进，使其更合理、美观；对自行车的材料上的 选用与开发。由此致使自行车功能上的变化也没有很大的改变。 现今，我国经济基本处于长期较快稳定的发展，有广阔的资金投入城市化建设，其 中有一大部分投入到公益社会文化建设，其中，城市公用自行车既是城市建设的一个重 要的投资点。而课题设计的双人并排座自行车可让如今越来越淡薄的人与人之间相互拉 近彼此距离，符合现今城市建设精神建设的主要需求。相信该课题的研究尤其良好的发 展前景，也有其一定的社会意义与社会价值。 1.2 课题研究目的 课题主要以设计双人并排座自行车的结构为主，进行一系列课题研究，从运行原理 到市场前景进行有力的分析，让该毕业设计达到可直接进行生产的阶段。填补市场上双 人并排坐自行车缺少的空缺，设计出低成本，耐用，结构人性化，易推广，外形美观的 成品出来。 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 社会上已有的双人自行车欠缺并排座设计，而该设计比已有的前后座拥有更大的市 场前景与相应的社会意义。并且已有的双人并排座自行车在平衡问题上仍有欠缺，此次 设计力求改变现状，采取合理的方案，解决双人乘坐时，若重量过于悬殊的平衡问题， 以及驱动时的省力与人性化问题。 1.3 课题的意义 现今人类已经不再满足于物质上的需要，开始追求精神层面的享受。于是，自行车 也在不仅仅止于交通运输工具的功能，开始有了其他精神上的享受功能。本课题就休闲 娱乐方向的自行车双人并排座自行车，有其一定的社会先进性。先进市场上，出现 的双人自行车，多位前后座设计，从而避开自行车行驶中的平衡问题以及驱动问题等， 降低设计难度，提高工作效率及节约设计成本。但是，这却大大降低了双人自行车原有 的拉近人与人之间距离的意图，原本自行车双人或者多人设计，便旨在要增加人与人之 间的交流接触，促进人与人之间的互动，从而达到其相应的意义。而且该设计并排座则 是在前后座的基础上更进一步的表现出双人设计的意义，对于其主要的使用群体，情侣 及亲子之间的互动，有着比前后座更高的互动力，能更好的营造出温馨浪漫的场景。 双人并排座自行车在现今市场上依旧比较少见，其原因主要在于其市面已有结构设 计部分不合理，使用的稳定性不高。并且其价格也比同为双人的前后座自行车要高，至 此导致市面上多为双人前后座自行车较为少见。此次课题设计，力求设计出优于市面原 有的产品，完善双人并排座自行车的缺点，真正意义上的让双人并排座自行车推广出来。 此次的课题研究是个人能力一个综合运用，丰富设计经验，也是对自我能力的一次 全面展示。通过计算各个零部件的设计，全面的运用了专业所学的知识，遇到问题，努 力思考，排除问题的过程中，让正要步入社会的我得到一次很好的综合训练，锻炼了自 8 我的设计能力。而设计出的产品因为有其先进性及实际应用性，若资金许可，可接投入 生产，达到从设计到实际生产的历程。 1.4 种类发展现状 自行车是人类发明的最成功的一种人力机械之一，是由许多简单机械组成的复杂机 械。清朝康熙年间，黄履庄潜心研制了自行车。清朝野史大观记载：“黄履庄所制 双轮小车一辆，长三尺余，可坐一人，不须推挽，能自行。行时，以手挽轴旁曲拐，则 复行如初，随住随挽日足行八十里。”由此可见，他制造的自行车，前后各有一个轮子， 骑车人手摇轴旁曲拐，车就能前进，这是史料最早记载的自行车。黄履庄以后大约 100 年，法国人西夫拉克 1790 年才制成了木制自行车。 公路单车 用来在平滑公路路面上使用的车种，由于平滑路面阻力较小，公路自行车的设计更 大考量高速，往往使用可减低风阻的下弯把手，较窄的高气压低阻力外胎，挡位较高， 且轮径比一般的登山越野车都大，由于车架和配件不需像山地车一样需要加强，所以往 往重量较轻，在公路上骑行时效率很高。由于车架无需加强又往往采用简单高效的菱形 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 设计，公路车是最为优美的自行车。 健身单车 健康、时尚、新概念 全新理念设计的健身自行车，最主要的特点就是手脚双动力， 时速可达 40km/h；做功方式多、健身效果好。骑行本自行车时，手脚可同时对自行车驱 动做功，也可单独用手或脚驱动做功。采用脚拉脚蹬直线式、手拉摆杆摆动式做功方式， 既提高了自行车的行驶速度，又锻炼了腿部肌肉、臂部肌肉。获得多项国家专利，适应 于中老年人作代步健身的交通工具之用，也可适应于年轻人作旅游娱乐之用。 死飞单车 10 死飞车起源于场地自行车，飞轮是固定的，向前踩车子向前，向后踩则车子向后， 后有一些另类的自行车爱好者利用废弃的场地车作为工作交通工具，其在城市可以快速 穿行，且价格低廉，同时需要一定的骑行技术，一般小偷无法偷走。这些特点使得它在 英美等国家的自行车爱好者中很快流行开来，并成为一种街头文化。各大自行车品牌也 进行跟进，开发及推广死飞车车种，使之在大众中普及开来，成为都市最流行的自行车 款式。纯粹的死飞车需要一定的技术，并有危险性，所以这些厂商开发的产品，是死飞 和活飞两用的，并装有刹车，以保证安全。 速降单车 速降自行车，也称落山自行车。英文简称 DH。是一种极具挑战性的活动。骑手利用 特制的 DH 自行车在山坡上滑翔，甚至坠山来寻求刺激。活动多在山脊、矿洞、雪地等 地带开展。奥地利人利用 DH 创造出 210.4KM/H 的世界纪录。速降自行车的车架角度与 山地自行车有所区别，零件与山地自行车一样都为英制单位。进行此项活动时必须佩戴 头盔、护甲等装备。前叉减震的行程比山地自行车及 XC 自行车要长。轮胎宽度一般超 过 2 英寸。 驱动单车 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 简化掉传统的脚蹬子和车座的自行车，车的体积更小，更加便于携带，如洛克车、 Lbike 等，他们的共同特点是乘用者为站立姿态，用双脚驱动踏板往复运动，并通过传动 机构将驱动力传递给驱动轮，Lbike 与洛克车 不同之处在于前者踏板的转动轴在脚掌中间，双脚的脚掌和脚跟分别用力、 同步 （不 是交替）驱动踏板运动，由于乘用时人对车体的两侧用力均衡，车体运行更加平稳。 现今，我国经济基本处于长期较快稳定的发展，有广阔的资金投入城市化建设，其 中有一大部分投入到公益社会文化建设，其中，城市公用自行车既是城市建设的一个重 要的投资点。而课题设计的双人并排座自行车可让如今越来越淡薄的人与人之间相互拉 近彼此距离，符合现今城市建设精神建设的主要需求。相信该课题的研究尤其良好的发 展前景，也有其一定的社会意义与社会价值。简化掉传统的脚蹬子和车座的自行车，车 的体积更小，更加便于携带，如洛克车、Lbike 等，他们的共同特点是乘用者为站立姿态， 用双脚驱动踏板往复运动，并通过传动机构将驱动力传递给驱动轮，Lbike 与洛克车 不同之处在于前者踏板的转动轴在脚掌中间，双脚的脚掌和脚跟分别用力、 同步 （不 是交替）驱动踏板运动，由于乘用时人对车体的两侧用力均衡，车体运行更加平稳。 现今，我国经济基本处于长期较快稳定的发展，有广阔的资金投入城市化建设，其 中有一大部分投入到公益社会文化建设，其中，城市公用自行车既是城市建设的一个重 12 要的投资点。而课题设计的双人并排座自行车可让如今越来越淡薄的人与人之间相互拉 近彼此距离，符合现今城市建设精神建设的主要需 课题主要以设计双人并排座自行车的结构为主，进行一系列课题研究，从运行原理 到市场前景进行有力的分析，让该毕业设计达到可直接进行生产的阶段。填补市场上双 人并排坐自行车缺少的空缺，设计出低成本，耐用，结构人性化，易推广，外形美观的 成品出来。 社会上已有的双人自行车欠缺并排座设计，而该设计比已有的前后座拥有更大的市 场前景与相应的社会意义。并且已有的双人并排座自行车在平衡问题上仍有欠缺，此次 设计力求改变现状，采取合理的方案，解决双人乘坐时，若重量过于悬殊的平衡问题， 以及驱动时的省力与人性化问题。 1.3 自行车的设计分析 1 1.3.1.3.1 设计流程设计流程 自行车是对人们活动起辅助作用的工具，首先必须能够承受人们活动带来的各种力 量和冲击。设计师在设计初期就应该考虑到自行车对外部冲击的承受力，否则就不能充 分体现自行车的实用功能。因此设计师应在充分了解自行车构造的基础上进行设计，以 达到既美观又实用的目的。为实现这个目的构筑了如下的设计流程。 1 1 概念化阶段概念化阶段 概念化阶段是整体设计的理念和宗旨，是保证今后具体设计得以顺利进行的前提条 件。对自行车设计概念化进行设定的过程，涉及自行车相关的功能性、构造和材料以及 形状等问题。对于“某种设计为什么应该采取那样的形状或构造？” “为什么应该用那样 的材料生产？”等问题，概念化阶段都要做出总体的说明。设计的概念化要充分反映设 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 计师的理念和价值，发挥他们的创造性，所以它不应是其他人的意见，而应该是设计师 自己的想法。 2 2 体化阶段体化阶段 具体化阶段是按照在概念化阶段设定的设计方案，解决家具的构造、功能和美观问 题并创造出其基本形状。在这个阶段要画很多草图、图样，做出模型，还要选择材料， 讨论自行车的构造以及其他一些细节问题等。自行车设计的具体化阶段就是创造出产品 形状的过程，简单地讲就是做出自行车造型的外观图样，并对其进行论证。 3 3 整体外观阶段阶段 自行车设计的关键是将重点放在符合整体的外观和核心架构的设计上。产品的外观、 自行车的造型以及稳定的构造应该既反映设计师的精湛设计，又能实现人们对舒适的要 求，这就是设计家具的重点。为实现这一目标，我们以在具体化阶段提出的产品外观为 基准做出了如下的骨架模型。可以说这是为实现自顶向下的设计方式而做出的基本模型。 自行车设计的关键是将重点放在符合整体的外观和核心架构的设计上。产品的外观、自 行车的造型以及稳定的构造应该既反映设计师的精湛设计，又能实现人们对舒适的要求， 这就是设计家具的重点。为实现这一目标，我们以在具体化阶段提出的产品外观为基准 做出了如下的骨架模型。可以说这是为实现自顶向下的设计方式而做出的基本模型。 从这个骨架模型中，我们不仅可以看到体现着产品概念的外观，还可以获得产品各种 配件位置和连接的信息， 如核心架构 （Core） ， 倾斜度(Tilt)， 底座 （Base） ， 扶手 （ArmRest） 等。这可以由设计师在设计产品并做出草图的同时，从 3 个角度，即曲面（Surface） ， 曲线（Curve） ，基准面（DatumPlane）来表现。这种骨架模型是与上面提到的三个阶段 中对家具设计的内容相联系的，用于设计师很少接触的筋（Rib） ，凸台（Boss） ，体格构 造等的设计中。当然这对于没有相关基本知识的设计师来说几乎是不可能的事情，但只 14 要是在内部开发过 2 个以上模型产品的设计师，都可以亲自完成模型各部分器具设计。 4 4 计检验阶段计检验阶段 通过以上各阶段步骤完成的产品设计并不是完美的。尤其是自行车与人体结构有着 密切的关系，可以说人们对产品设 自行车设计合理性和适用性的评判是很重要的。因此应该对设计进行检验。对于自行车 的设计来说，自行车的大腿底座（Base）部分能否稳定地支撑人体体重是很重要的。 当然除此之外对 Back，即支撑人体背部的器材背部分和 ArmRest，即扶手部分的检验也 是很必要的。 对自行车底座（Base）的说明通过以上一系列说明，我们可以了解设计师对产品零部件 进行亲自设计的整个过程。当然比起专门的零部件设计者来说，他们的设计可能还存在 着不足，但是这拓展了设计师的工作领域，重要的是创造产品的设计师通过参与产品的 整个开发过程，可以开发出更具亲和力，符合人体工程学的产品。 1 1.3.2 .3.2 设计要素设计要素 1 1 实用性实用性 实用性就是泛指满足人们生活需求开始与发展的。现代家具不但要可靠、适用、安 全，更重要的是满足它的使用功能与舒适度。无论是静负荷类家具或动负荷类家具，都 应根据人体工效学的基本法则，结合人体的生理和心理的需求，设计出合理的家具尺度 的和空间分割距离，给消费者创造一种最大限度的舒适和方便以及安全感、视觉美感等， 最终回归到最佳实用效果的目的上来。现代家具赋予人们的美感是，通过人们的视觉、 触觉感官来体会与感应的。而家具的实用性程度，则是通过人们的反复使用、接触与鉴 别验证的。现代家具设计师水平的高低，只有通过努力探索、长期实践与不断总结，才 能使自己的设计作品逐步达到日臻完善的设计追求目的。 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 2 2 艺术性艺术性 现代家具已不单纯是简单的日用消费品，家具产品作为一种文化现象发展到今天， 它已经是现代人类生活中调剂居室环境的艺术品、装饰品、是融艺术与实用于一体的一 代全新消费品。同时也是直接影响到室内陈设艺术效果和现代居室文化品味的重要乐章 和主旋律。为此，现代家具设计师就必须从这一高度来认真研究与分析家具设计的要素 中的艺术性问题。家具设计过程中，不可或缺地要灵活借用实用美术设计中的一些基本 做法，其中如产品外观形体稳定的均衡；线型的谐和与灵气；装饰纹样的生动与形象逼 真；五金辅件的格调的选择；都需要设计师在实践工作中，不断提高自己的实用美术学 科修养水平，才能适应当前中国国内市场国际化的激烈竞争态势。没有好的产品设计， 便没有较多市场份额的占有。 3 3 工艺性工艺性 诚如以上所述，当前，我国家具工业产品的科技制造含量已经发生了巨大变化，几 代构造特点的不同工艺构造款式的家具，都在不同的陈设环境与商场中频烦亮相、争奇 斗妍。发展最为突出的是板式家具，或称实木家具。70 年代自行车设计 宣传比较多的 KD 型家具，今天已经发展到具有国际先进水平的 RTA 型家具。笔者可以断 言，板块构成，实木装饰型的新一代板式家具将会在我国家具工业产品系列中，长期占 有一席之地，其发展前景也是举足轻重的。 早在 1995 年的家具杂志编委年会上，业内着名学者专家就曾针对中国国内家 具业发展趋势，明确提出了今后我国家具工业新产品设计开发目标应本着“板式家具高 档化，实木家具艺术化，现代家具时装化，设计手法个性化”的设计理论导向和真知灼 见。姑且不论上述论点正确与否，但有一点勿庸置辩，现代家具，无论其工艺构成特点 与含量如何，企业为适应国内市场国际化的竟争需要，愈来愈趋向多品种、小批量、短 16 周期的设计与生产方式。为便于家具实现工业化生产，又要兼顾到这类产品的工艺特殊 性，形势迫使我们家具设计师在完成造型设计的同时，还必须把握与驾驭产品工艺设计 一环的工作。先迸的技术设备是实现造型工艺的具体手段，由于科技的发展，给复杂的 造型工艺提供了可靠保证，设计师匠心独造和综合技术，可以创造出新的造型表现形式， 传统的加工方式，技术与造型的关系是同等的，现代家具设计师，则必须是家具工业生 产领域内先进设备与高工艺水平加工技艺的熟知者与掌握者。从事专业设计的工程技术 人员，应该是具有新型结构工艺制造学方面的复合型人材，方能挑起历史赋予我们的重 任。 4 4 经济性经济性 现代家具设计中，经济性设计亦应是设计师不容忽视的一个重要设计环节，这其中 也包涵了工艺性设计的外延与内涵，诸如加工手段与方法、材料的选择与构成,工艺程序 排列等等。板式家具设计中的单块构件下料法(配料法)与零部件综合下料法，前后两者 对比，后一种方法可节约原料 8-10%。其中，同样也包括人造板材类型的选择与应用；装 饰贴在材料的应用方法与成本节约问题。 举一例，毗邻的两家工厂设计一种雷同的巴洛克风格的休闲器材，由于其中一家工 厂不注重研究产品设计中的经济性没计内容和方法，忽视了物耗成本这一价值规律，结 果是两家工厂的材料利用率相差 3-5%。诚然，这其中不乏含有设计师水平高低之别。现 代家具设计师只有在设计实践中，将实用性、艺术性、工艺性、经济性(目标成本法则) 有机地结合与灵活运用，才能实现不断推出好的产品,奉献给广大消费者有机地结合与灵 活运用，才能实现不断推出好的产品,奉献给广大消费者 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 18 第 2 章 人体工程学与自行车设计 2.1 设计原则设计原则 自行车的设计尺寸是根据人体尺寸来设计的,各个部分的定位均参照人体尺寸。人体 的主要尺寸:国标 GB10000-1988 给出身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长共 六项主要尺寸数据。 下表是我国成年人人体主要尺寸和坐姿人人体尺寸(摘自 GB10000-1988 中国成年人 人体尺寸): 主要尺寸 男(1860 岁) 女(1555 岁) 百分位数 5 50 95 5 50 95 身高 1583 1678 1775 1484 1570 1659 体重kg 48 59 75 42 52 66 上臂长 289 313 338 262 284 308 前臂长 216 237 258 193 213 234 大腿长 428 465 505 402 438 476 小腿长 338 369 403 313 344 376 坐姿尺寸 男(1860 岁) 女(1555 岁) 坐高 858 908 958 809 855 901 坐姿颈椎 615 657 701 579 617 657 坐姿眼高 749 798 847 695 739 783 坐姿肩高 557 598 641 518 556 594 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 坐姿肘高 228 263 298 215 251 284 坐姿大腿 112 130 151 113 130 151 坐姿膝高 456 493 532 424 458 493 小腿加足 383 413 448 342 382 405 坐深 421 457 494 401 433 469 臀膝距 515 554 595 496 529 570 坐姿下肢 921 992 1063 851 912 975 表 我国成年人人体主要尺寸和坐姿人体尺寸 设计要点： 1. 座的形式与尺度及其功用有关 2. 座材的尺度必须参照人体测量学数据确定 3. 身体的主要重量应由臀部坐骨结节承担 4. 座材前缘处，大腿与自行车之间压力应尽量减小 5. 腰椎下部应提供支承，设置适当的靠背以降低背部紧张度 6. 器材垫必须有足够的垫料和适当的硬度，使其有助于体重压力均匀地分布于坐骨结节 区域 组成自行车的功能是供人骑行，就发挥自行车的功能作用而言，把人看作自行车的组 成部分是完全合理的。因此，人在骑车时组成了人一车系统，该人一车系统中的人一车 界面关系可由图1-1来进行分析。 20 2.2 人机工程设计人机工程设计设计设计 1、人与支撑部件的关系 图1-1 人-车界面关系 支撑部件主要有车架、前叉、鞍座和车把等，是自行车的构架。支撑部分将其他 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，以及它们间的相互关系，与骑车人 的位置和肌肉的动作有着性的设计参数。 2、人与动力接受部件关系 动力接受部件主要是脚蹬和曲柄。动力是靠骑车人的双脚踩在脚蹬上，下肢运动 的力使曲柄转动而产生的。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 间的能量转换问题。 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 3 3、人与传动部件关系人与传动部件关系 传动部件主要是滚珠、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。传动部分的设计关键是要有较高的传动效率和可靠性， 且有易操纵的变速机构。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。 4 4、人与工作部件关系人与工作部件关系 工作部件就是车轮，即车圈、轮胎等。绝大部分轮胎是充气的，少数是实心的。 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部分所产生的刹车阻力。在设计自行车的各部分尺寸、 车闸及变速器等时，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。 2.3 影响自行车性能的人体因素影响自行车性能的人体因素 影响自行车性能的人体因素很多，如图1-2 所示。现主要分析下述几点： 1 1人的体格因素人的体格因素 以身高 H 为基本因素，其他身体的能力与 H 成比例，并有与 H2、 H3成比例的 特性。如手 臂、腿、气管等的长度与身高成比例，从而以骨关节为中心所产生的 力矩、步幅等，都取决于 H 的大小。肌肉、大动脉、骨骼的截面积以及肺泡的表面积 等都可看成与 H2成比例。肺活量、血液量、心脏容量等都可看成与 H3成比例。体格 对出力性能的影响，从理论上讲，弹跳能力与 H 成比例，速度能力与 H2成比例，作功 能力和 H3成比例。但实际上因每个人身体素质不同，常有20以上的偏差。 2 2人的下肢肌力人的下肢肌力 22 自行车骑行的原动力，主要是骑车人的下肢肌力。人骑车时，骨骼肌肉内部的 化学能转换为肌肉收缩的机械能。自行车脚蹬的转动就是通过腿肌收缩出力而完成的， 一般说腿肌长的人比腿肌短的人有利。肌肉收缩时产生的力，一般与肌肉的截面积成 比例，约为每平方厘米40-50N ，通过一定训练的人可提高到65N 。 图1-2 影响自行车性能的人体因素 3 3人的输出功率人的输出功率 人输出的功率随着骑车人的体格、体力、骑车姿势、持续时间和速比等的变化而 变化。一般成年男人的最大输出功率约为 0.7 马力（ 0.51 kw ) ，能持续 10s 左右。 如果持续时间长，其值要小得多，持续 lh ，大约只有 1.0-0.7马力（0.07-0.15kw） 。 4 4人的脚踏速度人的脚踏速度 自行车运动是很有节奏的，其节奏常常与人的心脏节律保持一定关系。健康人的 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 心脏跳动为70 次min ，一般脚踏以 60r/min 节奏转动较为合适。设计时以这一常 用速度来确定相关设计参数。 5 5人的平衡机能人的平衡机能 骑车人本身的平衡机能是影响自行车性能的重要因素，如果缺少平衡机能，哪怕 是运动性能很好的自行车也不能平稳行驶；若人有很好的平衡机能，却可掩盖自行车 设计上的某些缺陷。 6 6人的手和握力人的手和握力 影响刹车性能的人的因素主要是人的手和握力，男性和女性，成年人和儿童， 手的大小和握力都不相同。据试验，为了长时间施闸而不致使手有疼痛的感觉，希望 只用最大握力的10左右便能得到必要的减速度。 7 7 人的疲劳人的疲劳 人体疲劳和疼痛是对骑车出力性能的不利因素，其产生原因有人体因素，也有自 行车结构因素。疲劳和疼痛一般是由于部分肌肉负担过大，骑车姿势不合适，以及体 重对鞍座的体压分体不合适等引起的。此外，影响出力因素还有人的最大摄氧量。 2.4 自行车设计结构要素分析自行车设计结构要素分析 影响自行车性能的因素除了上述人的因素外，还有许多机械因素，如图1-3所示。 为了获得自行车较佳的性能，必须把人的因素与机械因素有机地结合起来，以使人一 车协调。为此，着重分析与人体相关的结构要素。 1 1速比速比 大小链轮的齿数比，与链轮直径比相一致，一般控制在2.3-4.0的范围内。利用速 比关系可取得骑行时所必要的功率和必要的速度。速比要合适，如果太小，无论人的 肌力有多大，由于不能充分提高转速，所以就得不到大的输出功率。也由于速比小， 24 在限定的曲柄转速下，得不到必要的骑行速度（后轮转速） 。速比过大时，要求的踏力 也大，容易使人疲劳。为了保持不疲倦的持续骑行，希望肌肉的负担约为最大肌力的 10% ，按此选择速比和曲柄转速，可得到比较好的效果。 2 2曲柄长度曲柄长度 传统的自行车设计，一般从杠杆原理考虑比较多，对人研究少，认为曲柄越长越有力。 曲柄 过长后，为了不使脚蹬碰到前泥板，不得不加大中轴至前轴的距离（前心距） 。这样势 必加长车架，影响了正确的坐车姿势，使人感到臀部痛。若能按人的身长或下肢长来 考虑曲柄长度，则可使人省力和舒适。通常曲柄长度的基准，取人体身长的 110 ， 也相当于大腿骨长的 12 。 3 3 三接点位置三接点位置 正确的骑车姿势，是由骑车人和自行车三个接点位置决定的，如图1-4(a）中所 示的鞍座位置 A 、 车把位置 B 、 脚蹬位置 C 。 按三点调整法， AB 和 AC 约等， 一般 AB = ( AC 一 3 ) cm , A 点略低于 B 点，约为5cm 。 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 图1-3 影响自行车的机械因素 4 4 鞍座位置鞍座位置 鞍座装得过低，骑行时双脚始终呈弯曲状态，腿部肌肉得不到放松，时间长了就会感 到疲软 无力；鞍座装得过高，骑行时腿部的肌肉拉得过紧，脚趾部分用力过多，双脚也容易 疲劳。骑车时适当的用力部位是脚掌。设计或校正鞍座位置高低最常用的方法，是使 手臂的腋窝部位中心紧靠鞍座中部，使手的中指能触到装配链轮的中轴心为宜。人体 各部尺寸都有一定的联系，只要腋窝中心至中指的长度确定下来，鞍座高度便可大致 确定。行驶较快的车，鞍座位置要向前移动，行驶较慢的车，鞍座位置要向后移动， 否则都不利于骑行，如图1-4 ( b ） 、 （ c ）所示。 5 5 车闸车闸 设计时，闸把开挡、力率和闸把力要与人手的大小和握力相适应。灵敏度高的车闸， 随着闸把上力的增大，刹车力也按比例地增加。如果闸把力到达某一程度不发生刹车 作用，继而又骤然生效，说明这种车闸设计不良。在紧急情况下操纵时，理想的施闸 力和减速度见表1-1 。 26 图1-4自行设计的结构要素 表1-1 理想的施闸力和减速度 闸把施闸力闸把施闸力 /N/N 相对握力相对握力% % 减速度减速度 说明说明 6060 350350 500500 1010 7070 100100 0.1g0.1g 0.6g0.6g 0.8g0.8g 控制下坡速度控制下坡速度 全刹车全刹车 紧急全刹车紧急全刹车 注：注：g=9.8m/s2g=9.8m/s2 2.5 人一车动态特性分析人一车动态特性分析 1 1 动态稳定性动态稳定性 自行车的稳定是行驶过程中的稳定，是一种动态平衡的稳定性。动态稳定性影响到 自行车骑行中的动作，包括直进稳定性和前后左右方向的稳定性，见图 1-5(a） 。显然， 稳定性对安全行驶是必不可少的特性。 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 2 2力学特性力学特性 自行车行驶在平地上转弯的条件是侧向力（与离心力平衡）与自行车总重量（人和 车的重量）的合力作用线要通过轮胎与地面的接触点。这当然与骑车人有关，但更重要 的是自行车的造型要有适合这种力学特征的结构形式。 3 3 转向特性转向特性 自行车转弯时可能有三种情况： 图 1-5 人-车系统动态特性 人体和车身向内倾的角度相等。即骑车人身体的中心线和车子的中心线一致时，自 行车就可以转弯， 即所谓中倾旋转， 见图 1-5(b) ； 骑车人的倾斜角比车子的倾斜角大时， 此时的转弯即所谓内倾旋转，见图（c） ；骑车人的倾斜角比车子的倾斜角小时，此时的 转弯即所谓外倾旋转，见图(d)。 28 第 3 章 双人并排座自行车双人并排座自行车总体方案 3.1 双人并排座自行车双人并排座自行车的构成的构成 双人并排座自行车的整体构成由以下几大模块： (1).车身 在行驶中，车身的造型对整个行驶的效率有着很大的影响，因为车身的造型直接影 响到的是行进的阻力。此处设计的水陆自行车的车体造型也已达到最小阻力位佳，通过 流体力学，我们可以针对各种造型在水中行进时所受的阻力进行分析，核定最佳造型设 计以达到最佳运动效率。 (2).传动系统 通过机械设计我们可以比较确切的分析各种传动系统的传动关系进而计算出总传动系 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 统的传动效率进行核算。 (4).导向机构 正常直线行驶时，导向机构应不构成阻力，设计的导向机构应简单便捷为好。 3.2 双人并排座自行车双人并排座自行车方案设计方案设计 目前自行车设计各式各样，这里的设计主要从传动系统方面来结合设计。分析以上 性能需求，并根据本设计需要，针对推传动系统的的设计提出以下方案： 1 1、方案的特点及创新方案的特点及创新 1. 该方案采取大量三角形结构，从而确保该产品的稳定性及耐用性 2. 双人并排设计，可双人同时驱动，采用无链条设计，齿轮传动使动力能更好的传 递，达到省力的效果。 3. 该产品拥有可拆卸遮雨棚及储物箱等人性化设计，提高了该产品的实用性。 4. 转向由前轮控制转向，双人均有可控制方向的转向盘，并有转向盘通过皮带或齿轮 带等转向机构驱动转向。 5. 三轮设计，简单方便解决平衡问题 2、 设计方案简图设计方案简图 30 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第 4 章 双人并排座自行车机械部分计算 4.1 功率的计算功率的计算 1、输入功率的计算 人输出的功率随着骑车人的体格、体力、骑车姿势、持续时间和速比等的变化而变 化。一般成年男人的最大输出功率约为 0.7 马力（ 0.51 kw ) ，但只能能持续 10s 左 右。 如果持续时间长， 其值要小得多， 持续 lh ， 大约只有 1.0-0.7 马力 （0.07-0.15kw） 。 自行车运动是很有节奏的，其节奏常常与人的心脏节律保持一定关系。健康人的心脏跳 动为 70 次min ，一般脚踏以 60r/min 节奏转动较为合适。设计时以这一常用速度来 确定相关设计参数。但本次设计内容为一休闲式娱乐工具，故对体力要求不能有过多要 求。我们根据脚踩蹬的力量来计算在娱乐为主的休闲前提下的输出功率 。 以此为参考，正常人踩蹬自行车的力量约为 3040N,娱乐情况下我们估算为 30N，踩 蹬速度适当的取为 1 转/秒， 故本次设计的人的输出功率为 wwP912.3313018. 014. 32 1 （180mm 为一般自行车的踩踏杠的长度） 。 2、 传动效率 查机械设计手册得： 踩踏关节的损失： 1 =0.97 链传动的损失： 2 =0.96 滚动轴承： 3 = 32 轴系效率：4=0.98 由以上算出的总的传动效率： =98. 097. 096. 0 3 4321 =0.83 所以明轮的输出功率为 wPPS15.28912.3383. 01 4.2 传动比传动比 根据传动比的一般分配原则，我们应该使各级传动的承载能力接近相等，考虑到在 骑乘自行车时一般分配的传动比为 2.5 左右，为了适应和习惯在陆地上的运动习惯及降 低生产成本，我们这里就优先选用链传动比为 2.5 的传动比。 4.3 前后链轮之间的前后链轮之间的链传动设计链传动设计 4.3.1 设计要求 确定链条型号、链节数 P L、排数、链轮齿数 1 z、 2 z、链轮结构、材料、几何尺寸、 中心距a、压轴力 P F、润滑方式、张紧装置 已知设计条件：低速平稳运转，传递功率wP912.33,主动链轮转速min/60 1 rn ， 从动链轮转速min/150 2 rn ，传动 2.5。 4.3.2 设计过程 （1）选择链轮齿数 1 z、 2 z 在 17-114 之间选取齿数。 45 1 z 18 2 =z 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 （2）计算当量的单排链的计算功率 ca P 根据链传动的工作情况、主动链轮齿数和链条排数，将链传动的功率修正为当量的 单排计算功率 P K KK P P ZA ca 工况系数 A K ，查机械设计表 9-6 得 0 . 1 A K 主动链轮齿数系数 Z K ，查机械设计图 9-13 得 52. 0 Z K 多排链系数 P K ，由于是单排链，所以 0 . 1 P K 故 kwP K KK P P ZA ca 01763. 0912. 352. 0 （3）确定链条型号和节距P 链条型号根据当量的单排链的计算功率 ca P和主动链轮转速 1 n由机械设计图 9-11 得到。然后由机械设计表 9-1 确定链条节距 p 。 确定链条型号为：08A 确定链条节距为：12.7 （4）计算链节距和中心距 初选中心距pa)5030( 0 =，按下式计算链节数 0p L )13293( )5030( 1 ) 2 45-18 ( 2 1845 )5030(2) 2 - ( 2 2 2 0 212210 0 a pzzzz p a Lp 将 0P L圆整为偶数130 P L 链传动的最大中心距为： 34 mmzzLpfa P 148.623)1845(-1302 7 .1224907. 0)(-2 211 式中， 1 f为中心距计算系数，查机械设计表 9-7 得 1 f=0.24907 （5）计算链速，确定润滑方式 sm pnz v/57. 0 100060 7 .126045 100060 11 根据链速 V，查机械设计图 9-14 得，润滑方式为定期人工润滑 （6）计算链传动在轴上的压轴力 有效圆周力49.59 57. 0 033912. 0 10001000 v P FeN 压轴力=1.10x59.49=65.439 N （7）设计总结 链轮 大链轮 小链轮 齿数)/(mmz 45 18 分度圆直径(mmd /) 181.43 73.41 齿顶圆直径(mmda/) 186 80.00 齿根圆直径(mmd f /) 173.51 65.49 分度圆弦齿高(mmha/) 3.00 4.00 齿侧凸缘直径(mmdg/) 164.25 58.71 节距(mmp/) 12.7 轴间距(mma/) 623.148 链长(mmL/) 1270 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 链节数( P L) 130 链速(smv/) 0.57 链号 08A 4.4 轴的设计轴的设计 4.4.1 链轮上力的计算 轴上传递的功率=X0.96X0.97X0.97=30.63 w 转矩=9550000=9550000x30.63/150=1950110N.mm 4.4.2 材料 可选轴的材料为 45 钢，调质处理。 4.4.3 计算轴的最小直径 查机械设计表 15-3 可取=120， 由于轴的直径小于 100mm，且由 3 个键槽，故将轴径增加 15%，即 d=x(1+0.15)=7.066x1.05=8.1259 mm 将轴径圆整为标准直径，取 d=10 mm 4.4.4 轴的结构设计 1、轴的外形结构 2、根据轴向定位的要求，确定轴的各段直径和长度。 36 （1） 、根据飞轮内径可得 d67=30 mm，根据飞轮的宽度可得出 L67=20 mm，右侧采用轴肩 定为，取 d78=38 mm，L78=11 mm。 （2） 、初选深沟球轴承 D6204，其尺寸为 dxDxB=20x47x14,故 d45=d910=20 mm，根据装配 关系取 L45=L910=15 mm 。 （3） 、 5 处为一定位轴肩， 故取 d56=d89=25 mm， 根据装配关系， 计算得 L56=L89=383 mm 。 （4） 、 3 处为一定位轴肩， 故取 d23=d910=16 mm， 根据装配关系， 计算得 L23=L910=33 mm。 （5） 、1 处为轴的最小直径 d=10 mm，攻螺纹，与螺母配合，选择螺母为 GB/T 6172.1。 通过查机械设计手册的螺母厚度 m=5 mm，由于采用双螺母预紧，故取 L12=L1213=19 mm。 （6） 、 4 处为一定位轴肩， 所以取 d34=d1011=18 mm， 根据装配关系计算得出， L34=L1011=40 mm。 至此已经确定了轴的各段长度和直径。 4.5 轴的校核轴的校核 需要验算传动轴薄弱环节处的倾角荷挠度。验算倾角时，若支撑类型相同则只需验 算支反力最大支撑处倾角；当此倾角小于安装齿轮处规定的许用值时，则齿轮处倾角不 必验算。验算挠度时，要求验算受力最大的齿轮处，但通常可验算传动轴中点处挠度（误 差%3）. 当轴的各段直径相差不大， 计算精度要求不高时， 可看做