背包式自行车结构设计-折叠自行车含11张CAD图
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任 务 书一、设计题目背包式自行车的设计二、主要任务及要求1)主要任务: 背包式自行车 2)根据主要任务,通过比较、分析,确定最终方案,针对解决方案进行设计计算,完成机械结构(制造工艺)和控制系统的设计过程。3)说明书中要求进行分析、评价方案对社会、健康、安全、法律和文化的影响,以及这些制约因素对项目实施的影响,并理解应承担的责任。4)能够体现机械、电气、信息等多学科背景,体现团队的有效沟通、合作共事及个体的作用。5)图纸规范、准确。四、上交材料(1) 系统方案图及相关图纸; (2) 课程设计说明书(包含方案设计、主要部件的设计计算、根据任务要求进行的方案相关分析等内容,8000字左右) 五、指导教师评语优秀良好中等及格不及格满分得分平时表现勤奋好学,善于思考勤奋积极,态度认真比较勤奋不够勤奋不勤奋,态度不端正10图纸质量方案合理新颖,表达规范方案合理,图纸比较规范方案一般,图纸基本规范方案基本合理,图纸欠规范方案不合理,图纸不规范20说明书质量内容全面,准确内容全面,基本准确内容一般,准确性一般内容基本全面,有小错误内容不全,错误较多40答辩回答问题准确流利回答问题比较准确回答问题基本准确回答问题欠准确回答错误30总分100综合评定成绩: 优秀 良好 中等 及格 不及格指导教师: 日 期: 2摘 要本题目是背包式自行车,休闲娱乐类自行车,折叠后占用空间较小,可以放入专用背包,为主要设计对象,设计出可折叠式使用寿命长,容易维修,可在路面长时间行驶,安全性能高的自行车。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。相对于原始的自行车,折叠式自行车在外形上的改良成为消费者的一大吸引力。除此之外,在更适合现今人们对生活的要求:方便携带,使用简单,骑乘舒适灵活等方面,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。折叠式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折叠式自行车较为少见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,从而能够设计出一台具有划时代意义的背包式折叠自行车。关键词:自行车,背包式折叠自行车45 AbstractThis topic is backpack bicycle, leisure and entertainment bicycle. After folding, it takes up less space and can be put into a special backpack. It is the main design object to design a foldable bicycle with long service life, easy maintenance, long-time driving on the road and high safety performance. In todays society, the pace of life is faster and faster, the traffic condition is worse and worse, and the pollution and energy consumption are more and more serious. As a means of transportation, exercise, tourism, competition and a small amount of goods transportation, bicycle is more and more favored by people.Compared with the original bicycle, the improvement of folding bicycle in appearance has become a big attraction for consumers. In addition, folding bicycles are more and more suitable for peoples daily life: convenient to carry, simple to use, comfortable and flexible to ride, which makes folding bicycles become a big choice when people buy bicycles, and the market competitiveness also increases. Folding bicycles are still rare in todays market. The main reason is that the existing structural design is unreasonable and the stability of use is not high. So far, most of the folding bicycles in the market are rare. Therefore, it will be another challenge for designers to design a folding bicycle that conforms to the development of the times. In order to design a good folding bike, it is necessary to analyze all kinds of existing structures, and find the structure and folding way that can reduce the volume by combining with all other existing things, so as to design a backpack folding bike with epoch-making significance.Key words: bicycle, backpack folding bicycle目 录摘 要2Abstract3目 录4第1章 绪论61.1 课题研究背景61.2 课题研究目的61.3课题的意义71.4 种类发展现状71.5 自行车的设计分析9第2章 人体工程学与自行车设计112.1 设计原则112.2 人机工程设计设计142.3 影响自行车性能的人体因素152.4 自行车设计结构要素分析172.5人一车动态特性分析20第3章 背包式自行车总体方案213.1背包式自行车的构成213.2 背包式自行车方案设计23第4章 背包式自行车机械部分计算244.1功率的计算244.2传动比254.3前后链轮之间的链传动设计254.3.1 设计要求254.3.2 设计过程254.4 轴的设计284.4.1链轮上力的计算284.4.2材料284.4.3计算轴的最小直径284.4.4轴的结构设计284.5轴的校核294.6键的校核304.7 轴承的校核31第5章 三维图的设计33结 论37参考文献37 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。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。而课题设计的折叠式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背包式自行车的结构为主,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。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背包式自行车,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。折叠式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。并且其价格也比同等普通自行车要高,至此导致市面上折叠自行车较为少见。此次课题设计,力求设计出优于市面原有的产品,完善折叠式自行车的缺点,真正意义上的让折叠式自行车推广出来。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。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,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。课题主要以设计折叠式自行车的结构为主,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。已有的折叠式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,如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。1.5 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。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具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,倾斜度,底座,扶手等。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,曲线,基准面来表现。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,凸台,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设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。当然除此之外对底座,即支撑人体背部的器材背部分和扶手部分的检验也是很必要的。对自行车底座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。第2章 人体工程学与自行车设计2.1 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。表1-1 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mm158016701770148015701660体重kg485975425266上臂长mm289313338262284308前臂长mm216237258193213234大腿长mm428465505402438476小腿长mm338369403313344376坐姿尺寸男(1860岁) 女(1555岁)坐高mm858908958809855901坐姿颈椎mm615657701579617657坐姿眼高mm749798847695739783坐姿肩高mm557598641518556594坐姿肘高mm228263298215251284坐姿大腿mm112130151113130151坐姿膝高mm456493532424458493小腿加足mm383413448342382405坐深mm421457494401433469臀膝距mm515554595496529570坐姿下肢mm9219921063851912975表1-1 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。 图1-1 人-车界面关系2.2 人机工程设计设计1、人与支撑部件的关系 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。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。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 以身高为基本因素,其他身体的能力与身高成比例。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,都取决于身高的大小。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其成比例。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65N 。 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)。 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。2.4 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。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 、车把位置 、脚蹬位置 。按三点调整法,鞍座到车把和车把到脚蹬约等,一般高于车把到脚蹬3cm。 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。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1-2 。 图1-4自行设计的结构要素 闸把施闸力/N相对握力%减速度说明60100.1g控制下坡速度350700.6g全刹车5001000.8g紧急全刹车表1-1理想的施闸力和减速度2.5人一车动态特性分析 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1-5(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1-5(d)。第3章 背包式自行车总体方案3.1背包式自行车的构成背包式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。 (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 背包式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.链条传动使动力能更好的传递,达到省力的效果。 3. 该产品拥有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,并有通过链轮带等转向机构驱动转向。2、 设计方案简图第4章 背包式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1h ,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 (4-1)(150mm为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:=0.97轴系效率:=0.98 由以上算出的总的传动效率:=0.83 (4-2)所以明轮的输出功率为 (4-3)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 (4-4) ,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 故由(4-4) (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 (4-5)将圆整为偶数链传动的最大中心距为: (4-6)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 (4-7)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N (4-8) 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08A表4-14.4 轴的设计4.4.1链轮上力的计算轴上传递的功率W=XXX=30.63 w (4-9)转矩T=9550000xW/150=1950110N.mm (4-10)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 (4-11)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,由挠度和倾角计算公式.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。:通过受力分析, 最大挠度: (4-14) 许用挠度; 。4.6键的校核键和轴的材料都是钢,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。则 (4-17)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。轴传递的转矩 (4-18) 受力 (4-19)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: (4-20)在水平面: (4-21) (4-22)因轴承在运转中有中等冲击载荷,又由于不受轴向力,取,则有: (4-23)轴承的寿命计算:所以按轴承的受力大小计算寿命 (4-24)故该轴承6206能满足要求。第5章 三维图的设计车架 图5-1 图5-1前轮组件 图5-2 图5-2后轮组件 图5-3图5-3座椅组件 图5-4 图5-4整车截图 图5-5图5-5结 论经过努力,通过这次的设计,我对机械传动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。从最开始查找各种关于本次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。通过此次的设计,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。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 北京机械工业出版社 2005.05 3 王三明主编机械原理与设计课程设计 北京机械工业出版社,20054.闫卫工业产品造型设计程序与实例.机械工业出版社,2003.2,第一版5. 沈法,王庆斌,杨足,丁熊计算机辅助产品造型设计表现技法.人民邮电出版社,2002.9,第一版6.张展,王虹产品设计.上海人民美术出版社,2002.1,第一版7.王玉林,苏全忠,曲远方产品造型设计材料与工艺.天津大学出版社,1994.12,第一版8.程能林,产品造型设计手册.机械工业出版社,1994.8,第一版9.朱序璋.人机工程学.西安:西安电子科技大学出版社.1999年11月10.刘春荣.人机工程学应用.上海:上海人民美术出版社.2004年7月11丁玉兰人机工程学第三版 北京理工出版社, 200512 邹慧君主编机械原理 北京高等教育出版社199913 申永胜主编机械原理教程 北京、清华大学出版社199914 张伟社主编机械原理 西北工业大学出版社200115 邹慧君主编机械原理课程设计手册 高等教育出版社199816 赵松年主编现代机械创新产品分析与设计 200017 杨家军主编机械系统创新设计 华中理工大学出版社200018 张春林主编机械创新设计 机械工业出版社199919 机械设计手册编委会机械设计手册新版2,3卷 机械工业出版社,200420卜炎主编机械传动装置设计手册(上册) 机械工业出版社1999
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