折叠式自行车的设计

x紫琅职业技术学院毕业论文题 目：折叠式自行车的设计副 标 题：学 生 姓 名：乐平平所在系、专业：机电系机械制造与设计班 级：机械101指 导 教 师：易俊诚日 期：2013.4.28I目 录摘 要在现今社会中，生活节奏越来越快，交通状况越来越差，污染与能源消耗越来越严重，自行车作为一种包含了交通代步、锻炼身体、旅游、比赛以及少量货物运送的工具，越来越受到人们的青睐。在中国，贫富差距相差悬殊，道路建设不够完善，而自行车价格相对便宜，存放与使用方便，维修保养也非常的简单。因此，自行车在某些地区还是相当普遍的代步工具。而更多的是，对于人们更加关注理性消费和健康问题的今天，大众对自行车的热度也毫不逊色于国外，人们环保意识的增强以及全民健身的推广，使得自行车再次回到人们的视野，而且只有顺应这种趋势，才能更好地满足人们的需求。世界人口已到达70多亿，人口越来越密集，人类可以使用的空间越来越少，所以提倡空间的合理利用成为一种无言的口号，人们都在想方设法地节省空间，把有的空间合理利用。折叠自行车就是人们对这一主题的很好反映。相对于原始的自行车，折叠自行车在外形上的改良成为消费者的一大吸引力以外，还更适合现今人们的生活要求，方便出游携带，使用简单，骑乘舒适灵活等等，使折叠自行车越来越成为人们购买自行车时得一大选择，市场竞争力也随之增长。因此设计出一种顺应时代的发展的折叠自行车将成为设计者的又一挑战。要设计好一款好的折叠自行车就要很好的分析各种现存的结构，在结合其他所有现存的东西来寻求能够使体积缩小的结构与折叠方式，同时，还要寻找一种适合于设计的方案的材料，从而能够设计出一台具有划时代意义的折叠自行车。关键词：折叠；自行车；设计；机构；体积 目录题目：折叠式自行车的设计3摘要1第一章 绪论5（一）、自行车的背景与需求5（二）、折叠自行车的好处5（三）、市场分析5第二章 设计方案的确定6（一）、创新来源6（二）、主要技术要求6（三）、研究方法7（四）、设计过程7确定折叠方式8确定传动机构8第三章 结构设计9（一）、结构分析91、设计中的不同点92、车的折叠过程11（二） 关节机构121、车头把手机构122、前身下部结构133、车身与鞍座结构144、传动机构14（四） 强度校核161、应力计算162、弯矩计算17第四章 设计的改进18（一）、车头把手不能折叠18（二）、齿轮箱太大18（三）、脚踏板的位置安排得还不够合理18第五章 总结19参考文献20（目录没有排）4论文题目第一章 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、运动比赛以及少量货物运送工具，已经遍及到世界各地的每个角落。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，能迅速地对驾驶者的操作做出反应，速度直接由人脚部运动直接控制，虽然原始，但更贴近人们的生活。根据近几年来得研究表明，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，不限地点。骑自行车不但可以减肥，而且还可以使身材均匀，达到健美的效果。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，再加入吸入大量新鲜空气，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，骑自行车好处多多，健康多多，何乐而不为呢！（二）、折叠自行车的好处折叠自行车特征：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、坐垫高低均可调整，总有一种你喜欢的舒适度。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，提着它上下楼就跟玩是的一口气能上十几楼、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，整个过程只需抽根烟的时间。4、 防止丢失：折叠后随身携带或存在商场物品存放处保证万无一失。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级装备。6、 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。第二章 设计方案的确定（一）、创新来源：1、本设计主要在现有的折叠自行车的基础上作出修改与创新。现有的折叠自行车折叠后的体积都比较大，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，在传统自行车的基础上去掉了后座，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出更大的思维空间。本设计在结构上做了很大程度上的改进，外形上有了很大的突破。折叠后比以往的设计体积更小，折叠方式更方便，重量更轻。2、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，是人能够在不用用力踩就能得到一定的车速，达到悠闲地行驶的效果。3、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，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灵活的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，这样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部分设计；2、使用该设备能实现展开后安全行使，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、主要技术参数最大展开尺寸：1284.67*550*1180.76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：110kg最高时速：40km/h设计重量：7.5kg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：210mm行程：643.7mm（三）、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较重，这样设计只是在名义上做到折叠，实际折叠之后占用的空间减小量较小，自行车车的重量却与非折叠式自行车的重量相差无几，有的设计选用的材料强度好但比较稀有加上零部件采用非标准件，价格较高便不是一般人所能接受的，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及方便运输的目的，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。（四）确定设计纲要整理已找到的问题及可改善的机会，建立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 车身采用普通的Q235钢，整台自行车的价格尽量控制在平民能接受的范围，车的零部件采用普通的标准件避免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及装配流程，减少生产成本，另一方面可以方便使用者自行装拆自行车。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，给人带来的便利也就越大，也能更好的减少自行车制造的成本。要使自行车车身占用空间小的话，车轮小尺寸是关键，但车轮小又要满足使用者不费大力气达到普通自行车的速度，就必须考虑到用大传动比，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，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，能接触的资源有：网络资源；图书资料；现有的自行车；及对自行车有点研究的朋友或维修店师傅。 经过搜索，发现市场上折叠自行车的结构基本采用平行四边形，折叠的形式是两个三角形合并，这种折叠方式需要空间比较大，达不到小空间要求。另一种结构是采用雨伞式折叠结构，折叠之后就像收雨伞的效果，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较差。整理多个方案之后，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，这种结构的设计正是本次设计的目的。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210mm左右的小车轮，传动齿轮采用二级传动。整理设计方案，计算修改各部件强度及尺寸，设计飞轮及齿轮的齿数和直径，定车轮的直径，和进一步设计折叠机构。手绘各个部件及自行车总体的草图，对部分机构进行修改，用CAD软件绘制出自行车的零件图及装配图。 (五)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，关键零部件刚度、强度足够；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所示的总体结构图1-1（6） 确定传动机构：目前，国内外普遍采用一级传动，速度略逊于普通自行车，所以为了增大传动比，可以采用二级传动或三级传动来增大传动比来提高速度。但由于三级传动结构过于复杂，所占空间较大，影响折叠后的尺寸，同时也加大了自行车自身的重量，最关键的是传动比过大所需的力就较大，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，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： 设计出一款质量轻、尺寸小、可折叠、携带方便的自行车，车体部分设计是能否设计出一款小巧折叠自行车的关键。目前市场上出现得最多的折叠自行车是将两个轮相互叠并的折叠方式，虽然对折了差不多一半，但是还占了较大的空间，而且在结构上也相对简单，一般只需一两个关节折就行了，当然在成本上也是比较的便宜。可折叠自行车不仅要考虑成本，还要考虑每条连接杆的杆身的受力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，各大部件主要有动力接受部件、支撑部件、工作部件，还有传动部件。 动力接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一些功夫，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。 支撑部件主要有车架、鞍座、前叉和车把等，是自行车的整体构架。支撑部分将其它零部件固定在相应的位置上，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、车架和车把等的位置和大小，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紧密的联系。工作部件就是车轮，即轮胎、车圈等。绝大部分轮胎是充气的，少数是实心的，在本设计中由于车轮比较小，因此采用实心轮胎。车轮一方面把骑车人体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的现象。传动部件主要是轴承、链轮和链条。人的作用力是通过链条和链轮传动而带动后轮转动的。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。如图31所示，一辆整车由三百多种、一千四百多个零部件组成。这里把它们归纳为20个基本部件和18个配件。自行车的基本部件包括：车把部件、前叉部件、轮轴部件、飞轮部件、车轮部件、泥板部件、车闸部件、链条部件、脚蹬部件、中轴部件、车架部件、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、飞轮、后轴、中轴、链条、后轮等部件组成驱动系统；车把和车闸组成制动系统。图31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太大区别，其缺点就是折叠之后并没有出现全新的功能，并且折叠之后占用的空间大，所以随身携带不太方便。所以此次设计的可折叠自行车就是为了解决这个问题，如图3-2所示，它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，结构上比较简洁，只有几个部分而已，一是车头，二是车身构架，三是脚踏部分，四是鞍座，五是齿轮传动部分，六是车轮结构，七是刹车结构。图3-2车头结构靠两个轴承将车头与车身的转动连接在一起，与以往靠珠子转动的自行车相比，用轴承的会比较简便，而且比较省力。因为轴承本身就是一个标准件，所以找装配上也会比较容易；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，所以要用滚筒式的；车身由几根摆动轴组成，因此在强度要求的考虑上会比较严格，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内侧压，再将内管向下伸缩；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较流行的利用橡胶摩擦轮毂的方式，在手把处改进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进而成的，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：转动轴承锁紧销刹车转套图3-62、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，作为车头与车身之间相对运动座位中介，使用的是普通的标准深沟球滚珠轴承，刹车装置是用圆盘式的，里有一橡胶圈，由钢丝绳捆绑着，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，这就是刹车机构的基本原理，现在市面上很多自行车都是使用的这种刹车装置：刹车装置转轴轴承图3-73、车身与鞍座结构 如图3-8所示，此机构涉及的关节比较多，是刚度与强度必需重点考虑的对象，同时也是受力的最大部位，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3-84、传动机构如图3-9所示，该折叠自行车的传动装置采用二级传动，二级传动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：二级传动一级传动飞轮图3-9滚链与链轮：采用滚链传动的最大一个原因是滚子链可以远距离的传动，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，但又影响使用寿命、传动质量、及加工的难易度。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，与链轮的直径比相一致，一般控制在2.4到4.1的范围内。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合适，如果太小，无论人的力气有多大，都不能提高转速，也就得不到比较大的输出功率。相对而言，如果速比过大，要求人的脚踏力也要大，在这种情况下容易使人疲劳，从而达不到此次设计的目地。此次目地要求人的肌肉负担为最大肌力的15% ，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较小，其转一圈才走了半米多一点，行程比较小，所以在传动比上选取得比较大，初步确定传动比大概是1：4，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。根据齿轮齿数及所选用的模数计算的齿轮1的齿顶圆直径为120mm，齿轮2的大齿顶圆直径为120mm，齿根圆直径为100mm，小齿顶圆直径为50mm，齿根直径为112mm，齿根直径为40mm，齿轮3的齿顶圆直径为62mm，齿根直径为52mm。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，其特点是结构紧凑，外形尺寸小。图3-10（三） 强度校核1、应力计算每种机构或结构都是由若干个构件组成的，而这些构件的使用都有其局限性，而这些问题将会威胁到生命安全，实际操作中，常常会遇到构件受力过大导致出现损坏或更严重点的造成交通事故，另一种情况就是在受力过大后产生过大的变形而影响机器的正常工作，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损坏的能力跟足够的抗变形能力，也就是刚度和强度问题。除了解决刚度跟的强度问题外还应考虑到稳定性，这也是结构设计上必须注意的问题。本次设计中所选用的材料是Q235钢，是一种生活中比较常见的材料，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，本次设计取的是n=1.5，Q235钢的许用应力为=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，基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1为55度，角度2为85度，角度1为35度，2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，杆4的作用面积A2为254.5mm2，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相对比，可明显看出远远大于要求。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，所以不用进行应力校核。2、弯矩计算由于杆4受力比较大，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，内径d=24mm，从而可得4为0.4096mm4，可得：Wz=1.1059*10m则最大正应力经计算可得max=114MPa140MPa,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：M=155.344N.m由M=F*Sin.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