一种躺式自行车的原理设计.docx

一种躺式自行车的原理设计摘 要：在提倡绿色能源和环保的现代社会，自行车因其不污染环境并且可以锻炼身体的特点受到了许多人的青睐，在自行车大量普及的同时，也出现了很多各式各样的自行车，为了解决传统自行车的一些固有缺点，本文设计了一种新型的躺式自行车，重新设计了自行车的车架、传动装置等，以改善骑行舒适度，提高骑行效率。 关键词：新型 自行车 躺式自行车的发明已经有两百多年的的历史了，1790年，法国人西夫拉克研制成木制自行车，无车把、脚蹬、链条。车的外形像一匹木马的脚下钉着两个车轮，两个轮子固定在一条线上。由于这辆自行车没有驱动装置和转向装置，座垫低，西夫拉克自己骑在车上，两脚着地，向后用力蹬，使车子沿直线前进。1817年，德国的冯德莱斯男爵发明了一种能自由活动的车把，使他的自行车转变比较方便。1839年，英国一位工人K麦克米伦首创了用曲轴机构驱动后轮的脚踏自行车，可使人在骑自行车时双足离开地面。1861年的一天，巴黎的马车和婴儿车制造商米肖父子修理德莱斯式自行车，修好后在坡道上试车时，感到这种车放脚很困难，于是对它进行了改进，在车的前轮上安上脚蹬曲轴，从而发明了米肖型自行车，不久这种自行车便开始大量生产。大概在1870年前后，法国的马执又制造了一种前面驱动轮大，后面从动轮小的自行车，这种车的运行效果较好。1890年后，英国的亨伯公司生产出一种用链条传动的、车为菱型的自行车，这种形式的自行车一直沿用至今。自行车的形式经过两百多年的发展已经基本固定下来，虽然近几年有许多新式的自行车出现，比如折叠自行车和各种改装车，但应用并不广，一般只适用于某些特殊的场合和某些爱好者的需要，总的来说，传统的自行车仍然占有不可动摇的主流地位。1. 传统自行车的缺点经过两百年的发展，传统自行车的结构几经趋近于完美，但是，事物有利总有弊，传统自行车仍然有一些无法避免的缺点。一、 骑行时风阻大，由于传统自行车是直立型的，迎风面大，而且车手常常是弓着身体骑车的，逆风时阻力大，顺风时后背却是流线型的。二、 舒适性较差，由于结构原因，传统自行车的坐垫普遍较窄，对胯部压迫大，再加上后背弯曲，很容易造成腰部、颈部疲劳酸痛，另外把手的设计不当也会使手腕疲劳。三、 传统自行车重心较高，车手各重要关节朝向地面，骑行摔倒时伤害较大。四、 车手视野较差，特别对于公路车车手，在弓身骑车时，不太容易抬头看前方，同时，如果一直抬着头，也会使颈部疲劳。这些缺点主要是由于自行车的结构引起的，因此如果要改进的话就只能从结构上想办法，这也是本课题的初衷。 2. 设计内容 综合传统自行车的结构和缺点，本课题讨论了各种对自行车的创新设计，主要有两种方案：一、后驱式躺式自行车；二、前驱式躺式自行车方案分析： 对于方案一，国外和国内的一些自行车爱好者对躺式自行车有一定的研究，也做出过一些实物，对于传统自行车的缺点有一定的改进，但同时也产生了不少问题。本课题的目标是做出设计一种躺式自行车，并作出三维的实体模型，论证躺式自行车的舒适性和使用价值。方案二中的前驱应用较少，其中存在的有些问题难度较大，在普通自行车上应用前驱并没有太大优势，但是如果应用在躺式自行车上，因为躺式自行车的主动齿盘在前，离前轮较近，则前去有很大的优势，试想能否将两种方案结合起来。设计出一种躺式前驱自行车。总的而言，前驱与后驱动比较，两者各有优缺点：后轮驱动的优点：操纵性好，转向灵活，能适合任何复杂的道路，和直立自行车一样操纵自如等。后轮驱动的缺点：链条长，传动系统复杂，有效功率损耗大，重量大些等。前轮驱动的优点：链条短，传动系统简单，有效功率损耗小，重量轻等。前轮驱动的缺点：操纵性极差，转向不灵活，不能适合任何复杂的道路，特别是不适合市区的道路等。从以上分析来看，前驱模式的自行车在广大城市的复杂交通没有优势，所以很难在普通使用者中普及。 3. 设计过程3.1方案一：躺式自行车3.1.1 总体初步设计保持基本自行车结构不变，增加略微倾斜的“躺式坐垫”(靠座)，车轮仍采用传统自行车标准车轮，车架结构需重新设计，传动方式需重新设计。(1)驱动方式选择由于躺式自行车车身较低、较长，且为了方便脚蹬车和发力，齿盘和踏板应设计在自行车前端，这样势必造成主动齿盘离前轮较近，离后轮较远，如果采用传统的后驱设计，则会明显加长链条的长度，这对成本及效率都会有一定的影响。但若采取前驱的结构，由于前驱和转向的具体分配方式不同，又会给转向传动机构的设计带来很大困难，因此我们在方案一中暂时选择传统可靠的后驱方式。(2)传动方式设计由于我们采用后驱方式，这样用于传动的链条将会较长，从主动齿盘传递动力到后轮有两种方式：一、一级变速；二、二级变速。二级变速结构复杂，需预留空间用于安装变速盘，且会降低传动效率以及使成本增加。而一级变速结构简单，也容易实现，设计合适的导链轮即可解决链条太长引起的传动问题，同时，在后轮应用公路车的变速机构，这样也就使躺式自行车也可多级变速。(3)靠座的设计由于每个人的身材不同，如果靠座结构与使用者身材不符，将会大大增加不舒适感，这与我们的本意相悖，因此，靠座的设计应为可调节式，可根据使用者的需要和身材来调节靠座倾斜度以及间距大小。 (4)车把的设计因为躺式自行车的结构特点，车把的设计影响到骑手的视野情况，详细设计情况见“各部件设计车把的设计”。下面是我们初步设计的躺式自行车的设计草图3.1.2 各部件设计 (1)车架和靠座为节省成本，车架采用空心管子分段焊接，材料为普通钢管，普通自行车采用这种结构已经有很长的历史，实践证明，采用普通钢管这种结构设计是可以满足力学要求的。另外，如某些特殊场合对车身重量要求严格的，可采用铝合金管。 车架主体为用一根较粗直径钢管弯曲而成的结构，这个钢管将起主要支撑和受力的作用，其他零部件都将以其为标准定义尺寸，为满足舒适度的要求，它的尺寸应该根据人体生理学结构进行设计。车架还包括前叉、后叉，前叉及后叉的尺寸根据前后轮的大小来定。靠座底部为一块与车架弧度相适合的弧形钢板，为减轻重量，在钢板上切割使镂空，为保证舒适，在钢板上的坐垫以布类织物制成，同时为了通风排汗，靠垫中间制出沟槽。靠座底部加以支撑。各连接部位采用焊接，为体现美观，可进行喷漆处理。(2)车轮重新设计车轮比较麻烦，同时也增加了加工的难度，因此车轮采用普通自行车的标准车轮，这是我们用Solidworks做的车轮模型。(3)车把 由于躺式自行车的重心较低，把手的位置可能会遮挡骑者的视线，因此把手的横梁应该低一些，但是如果太低，又会影响下方空间，这会导致骑车时大腿部位会碰触到横梁，甚至发生干涉，因此我们将车把横梁设计成M型(如图)，这样既避免了遮挡视线，也使横梁下方有一定的空间。另外，由于错乱的刹车线和变速线也有可能遮挡视野，因此在实际制作中刹车线和变速线需要固定在两边。 (4)其他附件的设计1.车后架由于躺式自行车的结构特点，前面无法安装载物架，为方便搭载各种物品，需配备车后架，因为在骑行时从后方载物架取水非常不便，为方便使用者特别是长途骑行者的使用，我们将车后架的位置加高，这样在车后架上放置水瓶之后，通过饮水导管可方便的喝到水，而且由于重力作用，喝水时并不需要吸，只需咬开饮水导管口即可喝水，车后架结构见总装配图。2.尾灯由于躺式自行车重心较低，相对来讲，不容易被后方司机发现，特别是晚上骑行时会更加危险，因此尾灯不能是常规自行车的反射式尾灯，需在车后方加装LED尾灯，白天不需要点亮，与普通自行车尾灯没有区别，若在晚上骑行时，则点亮尾灯。 3.自锁脚踏 在骑躺式自行车的时候，骑者的腿部是水平的，在小腿部没有很好的受力点，只能依靠鞋子与踏板的摩擦力，这样骑短途没有问题，但如果是长途骑行，就会使小腿疲劳，所以建议专业自行车爱好者安装自锁脚踏，以及配备相应的锁鞋。附：自锁脚踏简介 自锁脚踏是运动骑行不可缺少的基本配备，可以大幅度提高踩踏效率。普通的自行车踏板只有在车手往下蹬的时候才会带动链条使自行车前进，而自锁脚踏是将踏板与车手的鞋连在一起，这样，在往下蹬之后，抬起的过程也会带动链条运动。一般来说使用自锁脚踏可以省力25%，用自锁脚蹬，你可以容易得登上以前很费力才能骑上的山坡。特别是长时间骑行就会感觉轻松很多，这是因为一只脚踩下去的时候另一只脚还可以往上提。另外，在颠簸的石头路上可以只管用力蹬车，而不用关心脚与踏板脱开的问题，因为踏板是和鞋子连在一起的。但是，用不好自锁也会给你带来危险，特别是在下车停车的时候，所以，初学者应多多练习。 此外，自锁脚蹬是要和相配备的锁鞋一起使用的，鞋的好坏也直接影响到自锁的使用性能。这是我们用Solidworks做的最终的装配图 3.1.3 方案总结躺式自行车有优点也有缺点。 优点主要有：1更低的重心，更小的风阻，有利于高速骑行。2非同于正常车，骑行的时候，上半身基本处于半休息状态，因它骑姿不同，要求腿部力量和膝盖力量大一些。这样的车长途骑行不至于造成腰部、颈部、手腕等部位的疲劳，相对来说，对骑手身体的一种保护。3. 前方视野良好，可以放松身体心情欣赏沿途风光，一般单车弯着腰， 要抬起脖子比较困难，而躺式自行车可以轻松地看到前方。4. 车低重心稳，不易摔车，即使摔到也不会受太大的伤害。5因其独特，它比较能满足追求个性的群体。 缺点主要有：1. 重心比较低，在路上不容易被司机发现，可插个小旗帜提醒后方司机注意。2. 爬坡相对比正常自行车要累，在平路上躺式自行车比较有优势，但是爬坡就比较吃力。3. 体积大不太适合运输和存放。4 转弯时回转半径过大。5. 后方视线不良，因为躺着骑时很难回过头，可装后照镜改善。结论：这些缺点限制了躺式自行车的使用范围，但缺点虽多，通过不断完善，大多还是可以克服的。3.2 另附方案二：前驱躺式自行车(1) 由于前驱应用很少，所以对它的使用价值并不十分明确，从理论的分析来看，前驱模式的自行车在广大城市的复杂交通中没有优势，但是前驱模式的优势可以应用于专门的竞速型自行车，简单设计了一种专门为竞速设计的自行车，但因时间有限，因此没有作进一步的设计分析，下图。参考文献1 孙恒,陈作模等.机械原理（第七版）.北京：高等教育出版社.2006.2 濮良贵等. 机械设计（第八版）.北京：高等教育出版社.2006.3 狄瑞坤等.机械制造工程 杭州：浙江大学出版社2005.利乐包传输系统缓冲装置的设计彭翔（机械设计制造及其自动化 3051821014 手机摘要：本利乐包传输系统缓冲装置的设计方案，采用了挡板加缓冲带的设计方式。当装箱机发生故障时，主传输带上的挡板发生作用，将主传输带上的小包牛奶传输到缓冲传输带上；装箱机的故障恢复后，缓冲传输带上的小包牛奶又被传输回主传输带，进而进入装箱机中。当装箱机发生故障时，这套系统起到缓冲作用。关键字：传输带 缓冲装置 挡板The Design of the Butter System for Transmission of the Tetra-PackPeng Xiang(Mechanical design and manufacturing and their automation0501,3051821014,Tel:Abstract: The design proposal of the design of the butter system for transmission of the Tetra-Pack, use the design of baffle and buffer zone. When box filling machine is failure, the baffle on the main transmission band is effect. The small packets of milk on the main transmission line are transferred to the buffer zone. When the fault of the box filling machine is restored, the small packets of milk which were on the buffer zone, are transmitted back to the main transmission band, then packed into the box filling machine. When the box filling machine is failure, the system plays a role of buffer function.Key Words: transmission band; butter system; baffle1. 引言随着生产技术的发展，食品饮料行业的自动化生产线越来越普及，很多工序都实现了全自动化生产。现在在牛奶的包装工序中，我们引入了利乐包传输系统，这使工作效率大大提高。但在使用过程中，利乐包传输系统会发生故障，本文就是为利乐包传输系统设计一套缓冲装置，使利乐包传输系统发生故障时，不影响整个工序的正常运行。2. 利乐包传输系统利乐包是瑞典利乐公司（Tetra Pak）开发出的一系列用于液体食品的包装产品。该产品目前在中国的饮料包装市场的占有率达到95%1。利乐包传输系统就是先把牛奶装成小包，并且通过机器的封装、加吸管，然后传输给装箱机，装箱机会自动的将这些小包牛奶分类，装在箱中，完成牛奶的所有包装工作。3. 利乐包传输系统缓冲装置的设计3.1 发现问题在利乐包传输系统的使用过程中，我们发现了下面的问题：将牛奶装成小包的机器的效率为10000包/小时，装箱机的效率为14000包/小时。但装箱机容易发生故障，发生故障后30分钟内，故障肯定可以被解除。由于装箱机的效率比较高，所以我们需要设计一套缓冲装置，当装箱机发生故障时，这套缓冲装置发生作用，将小包牛奶传输到缓冲装置上，等装箱机的故障修复后，在缓冲装置上的牛奶，被运回到传输带，而且传输带恢复到正常的传送方式，将小包牛奶传送到装箱机，完成正常的生产工序。3.2 分析问题1. 出故障时和未出故障时，所用的传输带是同一条传输带我们设计缓冲装置的目的，就是为了提高效率，使装箱机发生故障时，装包机仍能正常工作。在装箱机发生故障和没有发生故障时，我们所用的传输带是同一根传输带，这就要求我们的缓冲装置要设计的简单，不能太复杂。在故障没有发生时，我们的缓冲装置要停止工作，不对正常的传输有任何影响；在故障发生时，我们的缓冲装置要立即进入工作状态，起到缓冲作用。2. 出故障时，小包牛奶需要被运走，不能全都在传输带上故障发生时，小包牛奶需要被及时清理出传输带。如果全部放在传输带上，时间长了，传输带上的小包牛奶就会特别多，增加传输带的负载，使传输带的效率降低。所以我们设计的缓冲装置，需要先将小包牛奶输送到传输带外的缓冲装置上，而不是全部留在传输带上。3. 故障修复后，被运走的牛奶要及时被运回，并被送到装箱机中故障修复后，传输带上的牛奶需要被及时传输回传输系统中，被运送到装箱机中，完成装箱工作。 总之，我们的传输系统要满足下面的条件：1. 故障未发生时，不对正常的传输产生任何影响；2. 故障发生后，及时将小包牛奶传输到缓冲装置内，而不是滞留在传输带上；3. 故障解除后，缓冲装置要将小包牛奶传送回传输带，完成正常的传输任务。3.3 设计方案1. 在传输带上设置挡板。当故障发生时，挡板弹出，将传输带上的小包牛奶送到缓冲装置的传输带上 图1 主传输带上挡板示意图图中M为挡板，m为弹簧。在正常工作情况下，弹簧m收缩，并且被开关卡住，使挡板M与传输带的一侧平行。当装包机出现故障时,使弹簧m收缩的开关打开，弹簧m弹出，使挡板M成如图所示形状。当从左侧传送来的牛奶小包装碰到挡板M时，就停止前进。随着后续传送过来的牛奶越来越多，后面的牛奶会挤压前面的牛奶，使前面的牛奶沿着挡板M滑动。随着后面牛奶的增多，前面的牛奶逐渐被挤压到缓冲装置的传输带上，即图中所示的上下方向的传输带。2. 小包牛奶被送到缓冲传输带上。缓冲传输带为双向传导，小包牛奶在缓冲传输带上被运走 图2 缓冲装置示意图如图所示，两组输送带A、B，安装方向与主输送带E垂直，但分别向不同的方向运行，在主输送带进小包牛奶的方向向后退，往主输送带出小包牛奶的方向向前进，中间不设置隔离装置， 在缓冲储存装置的末端方向安装有推进装置，在推进机构D 的作用下，始终保持恒定的推进力。2当装箱机发生故障时，小包牛奶持续从机器中被运出，后续进来的小包牛奶被挤到缓冲带上。此时A带开始工作，B带不工作。这时在A带上的小包牛奶被不断向后输送，被挤到B带上的小包牛奶则原地不动，当A带上的小包牛奶碰到缓冲顶板C 的时候，在缓冲顶板的导向作用下，小包牛奶向中间靠，被挤到B带上，当B带停满了小包牛奶之后，缓冲顶板则向后退，后续进来的小包牛奶则继续填满空出的带面。3. 当装箱机的故障解除后，缓冲传输带的挡板发生作用，小包牛奶被引导到缓冲传输带的另一半，并传回传动带 图3 缓冲带上牛奶回传装置当装箱机故障排除后，传输带上的挡板收回，缓冲装置的挡板弹出，缓冲顶板C停止运动。而且B带开始工作。此时主带E开始正常出牛奶，在主传输带上传输到装箱机。A带继续工作，将A带上剩余的牛奶运送到缓冲挡板处，并被挤到B带上。B带上的小包牛奶被运送到挡板处，由于挡板的作用，B带上的牛奶逐渐改变运动方向，使其运动方向与主传输带的运动方向相同，逐渐被运送到装箱机中。3.4 缓冲装置系统总述在我们设计的系统中，在装箱机没有发生故障时。挡板M