折叠式自行车的结构设计-三轮车形式【三维UG】【14张CAD图纸+文档全套资料】
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折叠式自行车结构设计广东技术师范学院天河学院 毕 业 论 文（设 计）题目： 折叠式自行车结构设计 （Title）： Folding Bicycle Structure Design 系 别： 机电工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 张奇志 学 号： 2010030743207 指导教师： 朱亚峰 日 期： 2014年2月23日 折叠式自行车结构设计摘要 本文针对折叠式自行车进行结构优化设计，由于现有自行车存在的缺陷，特设计出这种多功能的折叠式健身自行车，以更好地满足目前的消费人群的需求，并希望得到广泛发展和应用。随着改革开放的不断深入，中国社会经济和人民消费水平显著提高，人民生活重点有所转移，更多地追求时尚、休闲、娱乐，健身成为了休闲的代名词。各式各样的健身器材广泛投入市场，却仅仅局限在室内，固定的场所让运动变得乏味，而这种多功能的折叠式健身自行车能满足用户更多地需求，健身效果更佳。因此，设计一种容易操作、性能优越、方便携带的健身用品成为了一种必要。本文所设计的是一种多功能的折叠式健身自行车，它的优点是使用方便，锻炼效果明显，能随身携带，价格便宜，受场地因素影响小，对行业发展、革新有着重要意义。在本次设计过程中，作者绘制了总装三维图、装配图及其它重要零件图，并做了必要的校核计算，提出了设计方案。关键词：折叠；自行车；结构Folding Bicycle Structure Design ABSTRACTThis paper folding bike for structure optimization design, due to the existing defects of bicycle, specially designed this kind of multi-function folding exercise bikes, in order to better meet the needs of the consumers, and hope to get extensive development and application. With the deepening of the reform and opening up, Chinas social economy and peoples consumption level increased significantly, emphasis shifting peoples life, more the pursuit of fashion, leisure, entertainment, fitness has become synonymous with leisure. All kinds of fitness equipment on the market, but limited in indoor, fixed places for sport become boring, but this kind of multi-function folding exercise bikes can satisfy more customers needs, fitness effect is better. Therefore, design a kind of easy operation, superior performance, portable fitness equipment has become a necessity. In this paper, the design is a kind of multifunctional folding bicycles, it is easy to use, the advantages of exercise effect is obvious, can carry, cheap, small by site factors, the industry development, innovation, has important significance. In the design process, the authors draw the assembly 3D figure, block diagrams and other important part drawing, and make the necessary checking calculation, puts forward the design scheme. Key words: Fold; Bicycle; Structure目录1 前言11.1 折叠式自行车的作用11.2 折叠式自行车21.3 齿轮21.4 轴31.5 结构设计准则42 方案选择52.1 折叠式自行车的控制和传动方式52.2 设计方案选型与分析52.3 方案的确定62.4 装配图的绘制62.5 传动动力参数62.5.1 折叠式自行车输出轴的转速62.5.2 折叠式自行车输入轴的转速72.5.3 折叠式自行车输出轴的功率72.5.4 折叠式自行车输入轴的功率72.5.5 折叠式自行车输出轴转矩72.5.6 折叠式自行车输入轴转矩73 传动件的设计83.1 齿条的设计83.1.1 材料选择及热处理83.1.2 齿条精度的选择83.1.3 齿条模数的选取93.1.4 齿条尺寸的确定93.2 齿轮的设计93.2.1 材料选择及热处理93.2.2 齿轮精度的选择103.2.3 齿轮齿数和模数计算113.2.4 几何参数的计算113.2.5 齿轮弯曲强度的验算113.2.6 齿轮圆周速度的计算123.2.7 齿轮齿条参数的计算结果123.3 链轮的设计123.3.1 链轮齿数123.3.2 链条节数123.3.3 功率计算133.3.4 链条节距133.3.5 实际中心距133.3.6 链速计算133.3.7 计算作用在轴上的压力144 传动轴和传动轴承的设计154.1 轴设计时应注意的事项154.1.1 轴的结构设计应注意事项154.1.2 确定轴结构尺寸时的注意事项154.2 折叠式自行车输入轴的设计164.2.1 轴的选材和许用应力的确定164.2.2 轴的基本直径164.2.3 轴径、轴长的确定164.2.4 校核轴的强度174.2.5 求危险截面弯矩，并绘制弯矩图174.3 折叠式自行车输出轴的设计184.3.1 轴的选材和许用应力的确定184.3.2 轴的基本直径185 轴承的选用195.1 滚动轴承195.2 滚动轴承的结构设计195.2.1 面对面排列（轴承正装）195.2.2 背对背排列（轴承反装）205.2.3 串联排列205.3 轴承的选择与计算206 车轮的选择217 轴承隔套和垫片的选用227.1 隔套装配尺寸链的计算227.2 止动垫片的选用228 座板的设计239 设计方案特点及创新点24参考文献.25致谢.261 前言1.1 折叠式自行车的作用折叠式折叠式健身自行车是一种集运动、休闲、娱乐于一身的机械产品，车体由车架、链轮、车轮组成，但由于传动方式、用途不同，其结构也存在很大的差异。本设计针对目前市场上拥有多种室内外健身器材，如跑步机、划船器、直立式固定脚踏车等，然而这些健身器材绝大部分均为固定式，且多数仅在室内使用，而且价格较高，健身效率不高的情况下所开展的机械结构设计，设计中包括其传动机构、健身实用性、工艺性等综合方面的设计。如图1.1所示：图1.1 折叠式自行车结构1.2 折叠式自行车自行车，又称脚踏车或单车，以脚踩踏板为动力，是一种绿色环保的代步交通工具。折叠式多功能健身自行车是一款集娱乐、休闲、健身、运动于一身的机械产品，它采用齿轮齿条及棘轮联合传动的方式，通过人踏步运动将重力传递给踏板，用齿条带动齿轮，然后再传递到传动轮，以此带动小车运动，实现健身、休闲及代步等多重功能。并采用与传统地自行车不同的站立式骑行，以达到更好地健身效果，打破之前固定式的健身器材的模式，由于它的便携性能使之拥有庞大地市场空间，也为它的发展带来了巨大的契机。1.3 齿轮齿轮是机器中广泛应用的传动零件之一。它可以传递动力，又可以改变转速和回转方向，齿轮的种类很多，根据用途和传动情况可将其分为三大类：圆柱齿轮、锥齿轮、涡轮蜗杆。其中使用较多且较简单的是圆柱直齿轮，又称标准圆柱齿轮，圆柱齿轮用于平行两轴之间的传动；锥齿轮用于相交两轴之间的传动；涡轮蜗杆则较多用于交叉两轴之间的传动。齿轮传动可分为闭式传动和开式传动两种。重要的齿轮都采用闭式传动，闭式传动的齿轮封闭在刚性的箱体内，因而有良好的润滑和工作条件。开式传动的齿轮是外露的，不能保证良好的润滑，而且易落灰尘、杂质，故齿面易磨损，只宜用于低速传动。齿轮齿形的加工方法有两种。一种是成形法，就是利用与被切齿轮齿槽形状完全相符的成形铣刀切出齿形的方法，如铣齿；另一种是展成法，它是利用齿轮刀具与被切齿轮的相互啮合运动而切出齿形的加工方法，如滚齿和插齿。齿轮常用的热处理方法有正火、调质、表面淬火、渗碳淬火、渗氮五种热处理方式，调质和正火两种处理后的齿面硬度较低（350HRS），为软齿面；其他三种处理后的齿面硬度较高，为硬齿面。软齿面的工艺过程简单，适用于一般传动。当大小齿轮都是软齿面时，考虑到小齿轮齿根较薄，弯曲强度较低，且受载次数较多，故在选择材料和热处理时，一般使小齿轮齿面硬度比大齿轮齿面高2050HRS。硬齿面齿轮的承载能力较高，但需要专门设备磨齿，常用于要求结构紧凑或生产批量大的齿轮。当大小齿轮都是硬齿面时，小齿轮的硬度应略高于大齿轮，也可和大齿轮相等。制造齿轮常用的钢有调质钢、淬火钢、渗碳淬火钢和渗氮钢、铸钢的强度比锻钢稍低，常用于尺寸较大的齿轮；灰铸铁的机械性能较差，可用于轻载的开式齿轮传动中；球墨铸铁可部分地代替钢制造齿轮；塑料齿轮多用于轻载和要求噪声低的地方，与其配对的齿轮一般用热导性好的钢齿轮。齿轮设计准则：为防止齿轮的疲劳折断，需计算齿根弯曲疲劳强度，为防止齿面点蚀，需计算齿面接触疲劳强度。选材基本原则：齿轮材料必须满足工作条件的要求，如强度、寿命、可靠性、经济性等，考虑齿轮的尺寸大小，毛胚成型方法及热处理和制造工艺。1.4 轴轴是支承转动零件并与之一起以回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。一般为金属圆杆状，各段可以有不同的直径。机器中作回转运动的零件就装在轴上。常见的轴有曲轴、直轴和软轴三种。直轴又可分为以下几种转轴：工作时既承受弯矩又承受扭矩，是机械中最常见的轴，如各种减速器中的轴等。心轴：用来支撑转动零件只承受弯矩而不承受传递扭矩，有些心轴转动，如铁路车辆的轴等，有些心轴则不转动，如支承滑轮的轴等。传动轴：主要用来传递扭矩而不承受弯矩，如起重机移动机构中的长光轴、汽车的驱动轴等。轴的材料主要采用碳素钢或合金钢，也可采用球墨铸铁或合金铸铁等。轴的工作能力一般取决于强度和刚度，转速高时还取决于振动的稳定性。轴的结构设计是确定轴的合理外形和全部结构尺寸，为轴设计的重要步骤。它由轴上安装零件的类型、尺寸及其位置、固定位置，载荷的性质、方向、大小及分布情况，轴承的类型与尺寸，轴的毛胚、制造和装配工艺、安装及运输，对轴的变形等因素有关。设计者可根据轴的具体要求进行设计，必要时可做几个方案进行比较，以便选出最佳设计方案，以下是一般轴结构设计原则：1) 节约材料，减轻重量，尽量采用等强度外形尺寸大的截面系数的截面形状；2) 易于轴上零件精确定位、稳固、装配、拆卸和调整；3) 采用各种减少应力集中和提高强度的结构措施；4) 便于加工制造和保证精度；1.5 结构设计准则1) 先整体设计，后零部件设计；2) 先概要设计，后详细设计；3) 设计中采用遵守标准和规范，是减低成本的首要原则；4) 运用“三边”设计方法；5) 要使结构简单紧凑，安装、使用及维护方便；6) 要有良好的加工工艺性；7) 力求均匀美观；2 方案选择2.1 折叠式自行车的控制和传动方式 大多数自行车采用的是机械控制，而传动方式则较多采用链轮链条传动，本设计的折叠式多功能健身自行车则采用齿轮齿条及链轮联合传动的方式。2.2 设计方案选型与分析方案一：折叠式自行车采用齿轮齿条及链轮联合传动的方式，通过人踏步运动将重力传递给踏板，用齿条带动齿轮，然后再传递到传动轮，以此带动小车运动，实现健身、休闲及代步等多重功能。此方案采用单轮驱动，更灵活的运转及转弯时所需的速度差等，消耗功率大。工作传动简图如图1所示：图2.1工作传动简图方案二：折叠式自行车采用齿轮齿条及链轮联合传动的方式，通过人踏步运动将重力传递给踏板，用齿条带动齿轮，然后再传递到传动轮，以此带动小车运动，实现健身、休闲及代步等多重功能。此方案采用双轮驱动方式工作，能很好的传递力以驱使自行车更快速行走，消耗功率小。工作传动简图如图2所示：图2.2工作传动简图2.3 方案的确定由以上两种方案对比可知，方案一中的自行车传动采用了单轮驱动，能很大程度的解决转弯时所需的速度差问题，又可在骑行过程中达到更大的锻炼小过，相比方案二更容易行驶和控制，故而选择方案一作为本设计的方案。2.4 装配图的绘制 根据方案绘制装配图，确定传动件及其部件的装配位置关系，如图3图2.3装配草图2.5 传动动力参数 按照重100KG的人踩踏自行车计算，已知齿轮齿条的传动比为1，大小链轮之间的传动比，成人骑自行车的功率为2.5.1 折叠式自行车输出轴的转速2.5.2 折叠式自行车输入轴的转速2.5.3 折叠式自行车输出轴的功率（为小链轮的传动效率，为，经查表，）2.5.4 折叠式自行车输入轴的功率（为齿条的传动效率，为齿轮的传动效率，经查表，）2.5.5 折叠式自行车输出轴转矩2.5.6 折叠式自行车输入轴转矩表2-1输入输出轴的动力参数轴名功率P/Kw转矩T/Nm转速r/min输入轴114195120输出轴108170157.53 传动件的设计3.1 齿条的设计3.1.1 材料选择及热处理材料：齿条选用45钢调质，齿面硬度197286HRS 接触疲劳极限，弯曲疲劳极限。（参照机械设计基础表11-1）输出轴圆柱齿轮选用ZG34SiMn调质，齿面硬度241269HRS 接触疲劳极限，弯曲疲劳极限。（参照机械设计基础表11-1）3.1.2 齿条精度的选择按GB/T10096-1988,选7级精度，齿根喷丸强化（作用：有效提高齿轮的使用寿命）。初步设计齿条传动的主要尺寸查表11-5（机械设计基础），取齿面接触疲劳安全系数，齿面弯曲疲劳安全系数，则两齿轮许用应力为：（取）（取）（取）（取）3.1.3 齿条模数的选取3.1.4 齿条尺寸的确定图3.1齿条基本尺寸3.2 齿轮的设计3.2.1 材料选择及热处理材料：输出轴圆柱齿轮选用ZG34SiMn调质，齿面硬度241269HRS 接触疲劳极限，弯曲疲劳极限。（参照机械设计基础表11-1）齿条选用45钢调质，齿面硬度197286HRS 接触疲劳极限，弯曲疲劳极限。（参照机械设计基础表11-1）3.2.2 齿轮精度的选择按GB/T10095-1998，选择7级，齿根喷丸强化（作用：有效提高齿轮的使用寿命）。初步设计齿轮传动的主要尺寸查表11-5（机械设计基础），取齿面接触疲劳安全系数，齿面弯曲疲劳安全系数，则两齿轮许用应力为：（取）（取）（取）（取）按齿面接触强度设计因齿条按7级精度制造。取载荷系数K=1（机械设计基础表11-3），齿宽系数（机械设计基础表11-6），则齿轮上的转矩为查表11-4（机械设计基础弹性系数标准齿轮的区域系数齿轮的分度圆直径=81mm3.2.3 齿轮齿数和模数计算取圆柱齿轮的齿数圆柱齿轮的模数：齿宽3.2.4 几何参数的计算分度圆直径：齿顶高：齿根高：齿全高：齿顶圆直径：齿根圆直径： 3.2.5 齿轮弯曲强度的验算查图11-8（机械设计基础）齿形系数查图11-9（机械设计基础）外齿轮齿根修正系数齿根的弯曲强度为所以齿轮满足弯曲强度要求。3.2.6 齿轮圆周速度的计算3.2.7 齿轮齿条参数的计算结果表格3.1齿轮齿条参数参数齿数模数分度圆直径齿宽齿根圆直径齿顶圆直径齿全高圆柱齿轮541.5811677.25843.375齿条1.53.3 链轮的设计3.3.1 链轮齿数由表13-12（机械设计基础），小链轮选。大链轮齿数误差远小于，故允许。3.3.2 链条节数初定中心距。由式13-21（机械设计基础）可得 取链节数为1003.3.3 功率计算查表13-13（机械设计基础），得，故3.3.4 链条节距由式13-25（机械设计基础）得估计此链传动工作于图13-33（机械设计基础）所示曲线顶点的左侧（即可能出现链板疲劳破坏），由表13-13（机械设计基础）得1.12采用单排链，故由图13-33（机械设计基础）可知当时，08A链条能传递的功率为6.1kw（0.1kw）,故采用08A链条，节距p=12.7mm3.3.5 实际中心距将中心距设计成可调节的，不必计算实际中心距，取200mm3.3.6 链速计算由式（13-20）（机械设计基础）知3.3.7 计算作用在轴上的压力如前所述，取4 传动轴和传动轴承的设计4.1 轴设计时应注意的事项4.1.1 轴的结构设计应注意事项1) 轴的结构设计要使轴各部分具有合理的形状和尺寸，为了便于轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯轴形，轴端及各轴段端部应有倒角；轴上磨削的轴段，应有砂轮越程槽；车制螺纹的轴段，应有退刀槽；在满足使用要求的情况下。轴的形状和尺寸应力求简单，便于加工。2) 安装在轴上的零件，必须有确定的轴向定位，可用轴肩或套筒定位。3) 轴上零件的轴向固定，常采用轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈等形式。当无法用套筒或套筒太长时，可采用圆螺母加以固定。为了保证轴上零件紧靠定位面（轴肩），轴肩的圆角半径R必须小于相配零件的倒角C或圆角R，轴肩高H必须大于相配零件的倒角C或圆角R；轴向力较小时，零件在轴上的固定可采用弹性挡圈或紧固螺钉。4.1.2 确定轴结构尺寸时的注意事项初步计算的轴径可作为轴端最小直径，但与联轴器等零件孔配合时，应考虑联轴器孔径的尺寸范围。当外伸轴段用联轴器与电动机轴相连时，应注意外伸轴段的直径与电动机轴的直径不能相差太大，均应在所选的联轴器孔径的范围内。按工作要求选择轴承类型，初选轴承型号。直径系列和宽度系列一般可先按中等宽度选取，轴承内径则由初估直径并考虑结构要求后确定。当选用键连接实现周向固定时，注意键长要小于轴头长度5-8mm，应取标准键长；轴上键槽应靠近零件装入一端，一般相距2-5mm；同一根轴上有多个键槽时，为加工方便，各轴段的键槽应分布在同一母线上，并应尽可能采用同一规格的键槽截面尺寸。用于滚动轴承的轴肩高度应按照轴承标准确定；非定位轴肩高度一般取为1-3mm；配合段直径的选用应尽量采用标准直径系列。为便于滚动轴承的拆卸，应留有足够的拆卸高度，因而轴肩高度要适当。若拆卸高度不够，可在轴肩上开轴槽，以便于安装。4.2 折叠式自行车输入轴的设计4.2.1 轴的选材和许用应力的确定材料选用20CrMnTi，渗碳淬火回火查表14-3（机械设计基础）材料强度极限查表14-3（机械设计基础）许用应力4.2.2 轴的基本直径查表14-2（机械设计基础）轴的材料及载荷系数为C=110.由于属阶梯轴，故轴需加大5%，则故取轴的基本尺寸为16mm4.2.3 轴径、轴长的确定由设计方案可知，此轴与齿轮配合，制成光轴，其两端分别与链轮和轴承配合，两端均采用过盈配合，轴的结构简图如图4.1图4.1轴的结构简图4.2.4 校核轴的强度受力分析见图4.2（a），输入轴上的转矩：齿轮的受力：齿轮1圆周力：径向力：齿轮2圆周力：径向力：链轮圆周力：径向力：轴承：圆周力：径向力：4.2.5 求危险截面弯矩，并绘制弯矩图垂直弯矩见图4.2（b）水平弯矩见图4.2（c）图4.2轴的受力分析及弯矩图4.3 折叠式自行车输出轴的设计4.3.1 轴的选材和许用应力的确定材料选用20CrMnTi，渗碳淬火回火查表14-3（机械设计基础）材料强度极限查表14-3（机械设计基础）许用应力4.3.2 轴的基本直径查表14-2（机械设计基础）轴的材料及载荷系数为C=110.由于属阶梯轴，故轴需加大5%，则故取轴的基本尺寸为16mm5 轴承的选用5.1 滚动轴承滚动轴承与滑动轴承相比，滚动轴承具有摩擦阻力小、起动灵敏、效率高、润滑简便和易于互换等优点。滚动轴承通常按其承受载荷的方向（或接触角）和滚动体的形状分类；有深沟球轴承、圆锥滚子轴承、角接触轴承、滚子轴承、调心轴承。按负载、转速、支承精度、刚度等工作要求选择轴承类型。一般转速较高、负荷不大但旋转精度要求高时，选用球轴承；转速较低、负荷大且有冲击时，选用滚子轴承。径向载荷和轴向载荷都较大、转速较高时，宜用角接触轴承；转速不高时，宜用圆锥滚子轴承。径向载荷比轴向载荷大得多、转速较高时，可选用深沟球轴承或角接触球轴承。对支承刚度要求较高时，可成对采用角接触球轴承或圆锥滚子轴承。轴承内径可根据求得的轴的最小直径确定。对于高速轴和低速轴，轴承内径比最小直径大5-10mm，对于中间轴，轴承内径即为轴的最小直径。一根轴上尽量选用同一规格的轴承，以保证加工精度。5.2 滚动轴承的结构设计合理选择滚动轴承组合结构方案，是保证轴承正常工作的重要步骤，因为轴的支承结构设计对于保证轴的运转精度、发挥轴承的工作能力起着重要作用。轴一般采用双支承结构，每个支承由1-2个轴承组成。受纯径向载荷的轴，两支承可取向心轴承对称布置。受径向载荷和轴向载荷联合作用的轴，两支承通常选用同型号的角接触轴承。轴承结构设计方案有以下几种方式：5.2.1 面对面排列（轴承正装）载荷作用中心处于轴承中心线之内时，采用轴承正装（外圈窄端面相对）。这种排列结构简单、装拆方便。当轴受热伸长时，轴承游隙减小，容易造成轴承卡死，因此要特别注意轴承游隙的调整。5.2.2 背对背排列（轴承反装）当载荷作用中心处于轴承中心线之外时，采用轴承反装（外圈宽端面相对）。这种排列支点间跨距较大，悬臂长度较小，故悬臂端刚性较大。当轴受热伸长时，轴承游隙增大，因此不会发生轴承卡死破坏。如采用预紧安装，当轴受热伸长时，预紧量减小。5.2.3 串联排列载荷作用中心处于轴承中心同一侧的轴承配置方式，称为串联排列，这种串联排列适于轴向载荷较大、需多个轴承联合承载的情况。5.3 轴承的选择与计算由于输出轴主要手径向载荷，转速较高，故选用深沟球轴承，初选16001和16004.对深沟球轴承，其径向基本额定载荷，（：预期基本额定寿命，：基本额定载荷，n轴承工作转速，P：当量动载荷，=3），（查表机械设计使用手册），16002深沟球轴承基本额定载荷，（查表7-2-66机械设计手册）温度系数，载荷系数，16004深沟球轴承基本额定载荷，（查表7-2-66机械设计手册）温度系数，载荷系数，因该轴属一般传动装置，故选择使用寿命为，代入数据得，远大于轴承的实际承受径向载荷，故轴承的选择符合要求。6 车轮的选择根据车体大小和车身高度，及根据受力情况，从而设计出本设计中的车轮，车轮框架采用铝合金材料制作，减少自行车的自重带来的骑行阻力，车轮采用合成橡胶材料，更具弹性。结构简图见图6.1图6.17 轴承隔套和垫片的选用7.1 隔套装配尺寸链的计算为了固定输入轴齿轮上的深沟球轴承的轴向位置，需在轴承之间加一轴承隔套固定它们之间的距离。选用45#钢制作，为了确保轴承固定且不在轴向移动，还需要在轴承的另一头加以控制，选用成组的隔套固定，对其进行装配尺寸链的计算。尺寸链图如7.1 图7.1装配尺寸链环基本尺寸上偏差下偏差A1178+0.2+0.05A31360-0.1A2=A421+0.15+0.025由以上的尺寸链的计算可知隔套的厚度为7.2 止动垫片的选用输入轴的齿轮上的轴承通过利用垫片来止动轴承发生移动，根据结构设计强度要求，选用GB894.1-86-A32型号的垫圈，该垫圈的材料使用45#钢，厚度1.2mm。8 座板的设计按人的体重为200KG计算，在该自行车行驶过程中，考虑到地面、空气等摩擦力的影响，及人自身重力的作用，进行设计选取地板的厚度。地板选用45#钢制作，具体尺寸见图8.1图8.1底板结构简图9 设计方案特点及创新点本设计首次采用齿轮齿条及棘轮等传动方式相结合的传动，并添加折叠装置，结构简单、紧凑，容易控制，携带方便，便于人们出行携带，能够适应于不同环境下的使用，适用能力强，并且集娱乐、休闲、运动于一身。在机械创新大赛二等奖的作品上加
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