新型滑板自行车设计-含运动仿真【三维SW】【7张cad图纸】【WG系列】
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本科毕业设计(论文)FINAL PROJECT/THESIS OF UNDERGRADUATE(2014届) 新型滑板自行车设计 Design of a new type of slide bicycle 学 院机械工程学院专 业机械设计制造及其自动化学生姓名学 号指导教师完成日期2014年5月 31承诺书本人郑重承诺：所呈交的毕业论文“新型滑板自行车设计”是在导师的指导下，严格按照学校和学院的有关规定由本人独立完成。文中所引用的观点和参考资料均已标注并加以注释。论文研究过程中不存在抄袭他人研究成果和伪造相关数据等行为。如若出现任何侵犯他人知识产权等问题，本人愿意承担相关法律责任。承诺人(签名)：_ 日期： 年 月 日摘 要本题目是滑板自行车，休闲娱乐类自行车,为主要设计对象，设计出具有自行车和滑板车二者都有的功能,并且使用寿命长，容易维修，可在路面长时间行驶，安全性能高的滑板自行车。利用人体自身脚踩力作为动力来源，采用踩踏运动方式，设计出结构简单的健身踏步滑板车滑板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滑板自行车较为少见。实际应用表明，该车弥补了传统滑板车和自行车的不足，集健身、休闲、娱乐于一体，且操作方便，安全可靠，寿命长此次课题设计，力求设计出优于市面原有的产品，完善滑板自行车的缺点，真正意义上的让滑板自行车推广出来。关键词：自行车，滑板自行车，健身，机械设计新型滑板自行车设计AbstractThis topic is sliding bicycle, recreational bicycle, as the main design object, design a bicycle and scooter two have some function, and long service life, easy to repair, be on the road a long time, high safety performance slide bicycle. By using the foot force as the power source, the stampede movements, design of fitness step scooter has simple structure.Slide bicycle in todays 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 result, on the market for scooter is rare. Practical application shows that, it overcomes the shortcoming of the traditional scooters and bicycles, fitness, leisure, entertainment, and the operation is convenient, safe and reliable, long life.This topic design, and strive to design better than the market existing products, improve the scooter shortcomings, the true sense of the let slide bicycle promotion.KEY WORDS: bicycle, scooter, fitness, mechanical design目 录摘 要iAbstractii第1章 绪论11.1 课题研究背景11.2 课题研究目的11.3 课题的意义11.4 种类发展现状21.5 自行车的设计分析51.5.1 设计流程51.5.2 设计要素6第2章 滑板自行车总体方案的确定92.1滑板自行车的构成92.2 滑板自行车方案设计9第3章 人机工程学计算和分析123.1 设计原则123.2 人机工程设计133.3 影响自行车性能的人体因素143.4 自行车设计结构要素分析163.5人-车动态特性分析18第4章 滑板自行车机械部分计算194.1 功率的计算194.2 传动比194.3 前后链轮之间的链传动设计204.3.1 设计要求204.3.2 设计过程204.4 轴的设计214.4.1 链轮上力的计算214.4.2 材料224.4.3 计算轴的最小直径224.4.4 轴的结构设计224.5 轴的校核224.6 键的校核234.7 轴承的校核24第5章 三维模型的设计265.1 车把组件265.2 车架265.3 前轮组件275.4 后轮组件285.5 座椅组件285.6 链条组件285.7 整车截图29总结30参考文献31致 谢32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。而课题设计的滑板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。1.2 课题研究目的课题主要以设计滑板自行车的结构为主，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。社会上已有的自行车欠缺板车设计，而该设计比已有的自行车拥有更大的市场前景与相应的社会意义。并且已有的滑板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滑板自行车，有其一定的社会先进性。先进市场上，出现的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，这却大大降低了自行车原有的拉近人与人之间距离的意图，原本自行车或者多人设计，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。滑板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的前后座自行车要高，至此导致市面上多为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，完善滑板自行车的缺点，真正意义上的让滑板自行车推广出来。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2。1.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设计，公路车是最为优美的自行车。2.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。3.死飞单车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。4.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。5.驱动单车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。而课题设计的滑板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要的投资点。而课题设计的滑板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滑板自行车的结构为主，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。并且已有的滑板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3。1.5 自行车的设计分析1.5.1 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整体外观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。1.5.2 设计要素1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。2 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 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 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5.第2章 滑板自行车总体方案的确定2.1滑板自行车的构成滑板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统的传动效率进行核算。(3).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。2.2 滑板自行车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、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.，可同时驱动，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，均有可控制方向的转向盘，并有转向盘通过皮带或链轮等转向机构驱动转向。2、 设计方案简图首先要把我原始的那个图当作方案一，方案一：该方案是把滑板车的功能体现出来了，自行车方面的功能显得比较弱，链传动设计固定有问题，轮子设计的太小，无法实现代步的功能。方案二：该在方案一的基础上做了改进，使得方案一不能满足的地方代步的功能得到了满体现出来了，自行车方面的功能显得比较弱强大。整体显得比较大气协调，符合青少年使用。折叠的功能，把图上中的上面的一个螺丝去掉，可以折叠起来，方便人移动，不使用的时候可以减少房屋空间。第3章 人机工程学计算和分析3.1 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6。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7):主要尺寸男(1860岁)女(1555岁)百分位数 5 50 95 5 50 95身高158316781775148415701659体重kg485975425266上臂长289313338262284308前臂长216237258193213234大腿长428465505402438476小腿长338369403313344376坐姿尺寸男(1860岁) 女(1555岁)坐高858908958809855901坐姿颈椎615657701579617657坐姿眼高749798847695739783坐姿肩高557598641518556594坐姿肘高228263298215251284坐姿大腿112130151113130151坐姿膝高456493532424458493小腿加足383413448342382405坐深421457494401433469臀膝距515554595496529570坐姿下肢9219921063851912975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18。3.2 人机工程设计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8。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。3、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、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9。3.3 影响自行车性能的人体因素影响自行车性能的人体因素很多，如图1-2 所示。现主要分析下述几点：1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人的下肢肌力 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65N19。 图1-2 影响自行车性能的人体因素3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）20。 4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 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。3.4 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10。1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，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 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 。 图1-3 影响自行车的机械因素4 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11。5 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 。 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21闸把施闸力/N相对握力%减速度说明6035050010701000.1g0.6g0.8g控制下坡速度全刹车紧急全刹车注：g=9.8m/s23.5人-车动态特性分析 1 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。 2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 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)。第4章 滑板自行车机械部分计算4.1 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12，故本次设计的人的输出功率为（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：=0.97链传动的损失：=0.96滚动轴承：=轴系效率：=0.98 由以上算出的总的传动效率：=0.83所以明轮的输出功率为4.2 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 前后链轮之间的链传动设计4.3.1 设计要求确定链条型号、链节数、排数、链轮齿数、链轮结构、材料、几何尺寸、中心距、压轴力、润滑方式、张紧装置已知设计条件：低速平稳运转，传递功率,主动链轮转速，从动链轮转速，传动2.5。4.3.2 设计过程（1）选择链轮齿数、在17-114之间选取齿数。 （2）计算当量的单排链的计算功率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 ，查机械设计表9-6得 ，查机械设计图9-13得 ，由于是单排链，所以 故 （3）确定链条型号和节距 链条型号根据当量的单排链的计算功率和主动链轮转速由机械设计图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，按下式计算链节数将圆整为偶数链传动的最大中心距为：式中，为中心距计算系数，查机械设计表9-7得=0.24907（5）计算链速，确定润滑方式根据链速V，查机械设计图9-14得，润滑方式为定期人工润滑13（6）计算链传动在轴上的压轴力 有效圆周力N 压轴力=1.10x59.49=65.439 N（7）设计总结链轮大链轮小链轮齿数4518分度圆直径()181.4373.41齿顶圆直径()18680.00齿根圆直径()173.5165.49分度圆弦齿高()3.004.00齿侧凸缘直径()164.2558.71节距()12.7轴间距()623.148链长()1270链节数()130链速()0.57链号08A4.4 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.mm4.4.2 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 mm4.4.4 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。（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，可看做等直径，采用平均直径进行计算，计算花键轴传动轴一般只验算弯曲刚度，花键轴还应进行键侧挤压验算。弯曲刚度验算；的刚度时可采用平均直径或当量直径。一般将轴化为集中载荷下的简支梁，其挠度和倾角计算公式见【5】表7-15.分别求出各载荷作用下所产生的挠度和倾角，然后叠加，注意方向符号，在同一平面上进行代数叠加，不在同一平面上进行向量叠加14。：通过受力分析，最大挠度：查【1】表3-12许用挠度； 。4.6 键的校核键和轴的材料都是钢，由【4】表6-2查的许用挤压应力,取其中间值，。键的工作长度，键与轮榖键槽的接触高度。由【4】式（6-1）可得可见连接的挤压强度足够了，键的标记为：4.7 轴承的校核、轴轴承的校核轴选用的是深沟球轴承6206，其基本额定负荷为19.5KN, 由于该轴的转速是定值，所以齿轮越小越靠近轴承，对轴承的要求越高。根据设计要求，应该对轴未端的滚子轴承进行校核15。轴传递的转矩 受力 根据受力分析和受力图可以得出轴承的径向力为:在水平面：在水平面： 因轴承在运转中有中等冲击载荷，又由于不受轴向力，【4】表13-6查得载荷系数，取，则有： 轴承的寿命计算:所以按轴承的受力大小计算寿命 故该轴承6206能满足要求。、其他轴的轴承校核同上，均符合要求。第5章 三维模型的设计5.1 车把组件导向系统由车把、前叉、前轴、前轮等部件组成。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。5.2 车架车架是构成滑板自行车的基体联接着滑板自行车的其余各个部件并承受骑者的体重及滑板自行车在行驶时经受各种震动和冲击力量，因此除了强度以外还应有足够的刚度，这是为了在各种行驶条件下，使固定在车架上的各机构的相对位置应保持不变，充分发挥各部位的功能。车架结构可由设计人员创新，但与其他部件相关的安装尺寸，应严格控制16。在车架加工过程中，或多或少地存在加工精度问题，从后视方向观察车轮，两轮也不在同一平面上，使骑行产生“沉重”的感觉。车架立管与水平面之间的夹角称之立管倾角。立管延长线和鞍座上表面的交点为鞍座的位置。一般情况下，骑车人股关节的位置大致地与鞍座位置一致。对于骑车人来说，下肢的关节相对中轴中心的位置，是决定下肢肌肉群的肌力有效利用的一个关键，即踏力和踏速能否获得最佳的配合的一个关键。随着踏速的提高，如果股关节的股骨运动角范围不相应地缩小，由于肌肉运动速度跟不上，下肢肌力就不能充分发挥。在膝关节也存在同样情况。实验证明17:高速滑板自行车股关节相对中轴的位置应该前移，即立管倾角增大。反之，股关节位置后移，立管倾角减小。5.3 前轮组件5.4 后轮组件5.5 座椅组件支撑人体，应该符合人机工程，座椅的大小适合青少年屁股大小，应该做成长三角结构，注意周边圆角处理。5.6 链条组件驱动（传动或行走）系统由脚蹬、中轴、链轮、曲柄、链条、飞轮、后轴、后轮等部件组成。人的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5.7 整车截图把各个部分组合在一起构成了整车结构如下图。总结经过几个月的努力，通过这次的毕业设计，我对机电一体化系统设计方案的拟定有了一定的认识，机械传动部件的选用原则，机械传动部件设计计算方案的原理等方面都有了一定的认识。并且在指导老师和同学的帮助下完成了此次滑板自行车的毕业设计，从最开始查找各种关于本次毕业设计的资料到确定总体方案，机械传动部件的选型，最后到撰写说明书，这是一个学习的过程，更是一个实践的过程。此次设计，我认为最重要的事情就是让我明白了，无论做什么事情，要想做好，必须态度端正；要善于学习，时刻学习；做事要严谨、认真，细致、不怕吃苦，还要有创新精神。在大学四年当中，我接触和吸收了大量机械知识，通过此次的毕业设计设计，让我能有机会把学到的理论知识用到实践中。在今后的学习生活中，这次毕业设计的经历将起到重要帮助作用，通过设计使我更加接近生产实际，锻炼了将理论运用于实际的分析和解决实际问题的能力，巩固、加深了有关机械设计方面的知识。新型滑板自行车设计参考文献1何灿群人体工学与艺术设计 长沙湖南大学出版社，20042阮宝湘/郡祥华工业设计人体工程 北京机械
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