自行车结构地创新设计

实用标准

车辆结构与原理

课程设计

题目自行车结构的创新设计（女）

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任务书..................................... 错误！未定义书签。第一章绪论 (2)

1.1 研究背景及意义 (2)

1.2 自行车的发展现状 (2)

1.2.1 自行车的发明与演变 (2)

1.2.2 自行车交通发展现状............. 错误！未定义书签。

1.3 折叠自行车的优点和前景 (3)

1.3.1折叠自行车的优点 (4)

1.3.2折叠自行车的市场前景 (4)

第二章设计方案的确定 (5)

2.1 自行车结构创新来源 (5)

2.2 主要技术要求........................ 错误！未定义书签。

2.3 研究方法............................ 错误！未定义书签。

2.4 设计过程............................ 错误！未定义书签。

2.4.1确定设计纲要 (6)

2.4.2确定折叠方式 (7)

2.4.3确定传动机构 (8)

第三章折叠自行车结构设计 (9)

3.1 结构分析 (9)

3.1.1设计中的不同点 (9)

3.1.2车的折叠过程 (11)

3.2 关节机构 (13)

3.2.1车头把手机构 (12)

3.2.2前身下部结构 (13)

3.2.3车身与鞍座结构 (13)

3.2.4传动机构 (14)

3.3 基于人体工程学的自行车把手、车座的关系 (15)

3.4 受力计算 (16)

第四章设计的改进 (19)

4.1 车头把手不能折叠 (19)

4.2 齿轮箱太大 (19)

4.3 脚踏板的位置安排得还不够合理 (19)

第五章总结与展望 (20)

5.1 总结 (20)

5.2 展望 (20)

参考文献 (21)

任务书

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

“当今社会，由于污染、交通拥挤等问题的出现，在城市交通车的设计上便捷与环保成为一大趋势，城市出现大量折叠自行车的踪影。”折叠自行车形态巧妙、绿色环保，既能够很好节省空间又满足人们快节奏生活的需要，为未来理想短途交通工具。根据女士自行车发展趋势，分析折叠自行车折叠方式，从人性化和美观中出发，设计更便捷、更加适合女性使用的折叠自行车。

1.2 自行车的发展现状

在种类繁多的现代交通工具中，自行车一直和人们日常生活关系最密切的产品之一。自行车自诞生至今已有200多年的历史。从作为玩耍、娱乐的用具开始，经由交通工具、运输工具到今天的休闲、娱乐、健身的伙伴，甚至成为人们生活艺术的化身。

1.2.1自行车的发明与演变

据史料记载，最早的实物自行车是1791年法国人西夫拉克发明的在玩具木马上装两个轮子的“玩具马”。因无驱动装置，坐垫较低，骑车人两脚着地，用脚蹬地前进。

1818年年轻的德国看林人德莱斯首创了前轮可以转向的自行车。他用2个木轮、1个鞍座和1个控制前轮的车把制成1辆木轮车，人坐在车上，用两脚蹬地，驱动木轮运动。

1839年苏格兰铁匠麦克米兰把自行车由木质结构改为金属结构，轮子做成前轮小后轮大，在前轮处有脚蹬，通过曲柄使后轮转动，骑车人用两脚踩动两根长杆车子就向前行进，骑车人的脚真正离开了地面。

1863年法国马车店老板米乔克斯在前轮安装了脚蹬。1870年法国的古里门为自行车装上了钢丝辐条，采用加大前轮，以链条传动的结构。

1874年英国人劳森造出1辆和今天形式大致相同的自行车，在车上开始装上链轮和链条，用后轮驱动车子前进，称为安全自行车，但前轮仍比后轮大，鞍座较低。

英国机械师塔雷，在自行车上装上前叉和刹车，首次使用橡胶作车轮，并改进了自行车的很多结构，同时改造了许多生产自行车零件的机器，为自行车大量生产创造了条件，被后人称为自行车工业之父。

1885年苏格兰的邓禄普研制将充气轮胎用于自行车，使自行车减震性能大大增强，让骑车人的骑行舒适度更为提高。再加上管材结构，配上车铃、支架、车灯等部件，前后轮改为一样大，到19世纪末自行车结构就基本完善了。经过将机械工业技术发展的成果运用于自行车的设计制造上的努力，自行车开始通过批量生产走进普通人的生活，成为人们生活中方便、快捷的交通工具。

1.2.2自行车交通发展现状

汽车产业的飞速发展，在给交通带来便利的同时，在能源消耗和环境污染上也也产生极大的问题。随着人们生活水平的提高，健康与环保意识的增强，自行车不会因为其他交通工具的发展而减少。即使在欧美发达国家，在家庭小轿车十分普及、公共交通工具有增无减。主要原因是面对机动车辆对环境造成的严重污染和在城市交通形成的堵塞，欧美各国相继采取措施，鼓励人们使用自行车。

自行车作为短途代步工具具备其他交通工具不可代替的作用。人们骑自行车到达公交站或其他快速交通站点，然后改乘其它公共交通工具到达目的地附近的站点。这种模式主要适用于两种情况，一种是自行车和轨道交通换乘，另一种是和公共汽车尤其是大站快车的换乘。但是现在的城市交通拥挤、存车处面积明显不足，机动车的停处已被公认为全球性的难题。自行车停车场缺乏，占用人行道停车的情况严重，近些年来自行车被盗现象也十分严重。结构简单、灵巧快捷、便于携带的折叠自行车可以很好的解决这些问题。

1.3 折叠自行车的优点和前景

折叠自行车是20世纪30年代在欧洲起源于军事用途并伴随着轿车的普及和人口的增多而发展起来的，近些年由于采用各种新材料、新技术及结构创新从而使之体积更小、质量更轻、更结实耐用。

1.3.1折叠自行车的优点

折叠自行车折叠后车体的长度和面积能缩小一半，不需要任何紧固工具，能在半分钟内完成折叠或展开锁定。根据存放场地的大小使用折叠，存放占地小，适合窄小地方的搬运和存放，使用性能方面优于广泛使用的24-26英寸的自行车。

折叠自行车有很多优点，主要有：（1）寿命超长。（2）时尚浪漫。（3）骑乘轻松。（4）实用便捷。

1.3.2折叠自行车的市场前景

目前折叠自行车市场主要集中在欧美等发达国家。在这些国家，很多私人轿车都配备折叠自行车，以备应急和休闲只用，根据发达国家自行车发展的经验，正处于经济高速发展和轿车开始大量进入家庭阶段的我国，自行车产业即将迎来更大的发展机遇，而折叠自行车以其独特的符合国情的优势将会出现很大的发展空间。

自行车的发展方向是设计个性化、功能综合化、自重轻量化、操纵方便化、款式多样化，自行车系列产品将得到更迅速的发展，并形成高、中、低多档次格局，尤其折叠自行车是我国最具潜力取得世界领先水平的产品。

目前已有折叠自行车使用单列向心球轴承、辐板结构及独创的7-11齿分体小飞轮，解决了小轮自行车不但体积小、重量轻而且速度快，十分便于骑行、携带和存放。通过12英寸样车在各种路况试骑后，速度与26英寸自行车相同，骑行操作性、舒适性、安全性均非常令人满意，完全可满足成人代步需要，整车质量5-9公斤，大大低于普通26英寸自行车，开发形成系列产品后，极具潜力。在城市部分取代26英寸自行车，成为上班族、学生、有车族、老年人的时尚选择，有着诱人的市场前景。相对于其他种类的自行车更适合女性使用。

第二章设计方案的确定

2.1 自行车结构创新来源

本设计主要是在现有的折叠自行车的基础上作出改良与创新。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，在传统的载人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，外形也有了很大的突破。折叠后比以往的设计体积更小，折叠方式更方便，重量更轻。

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，是人能够在不用拼命的踩就能得到一定的车速，达到悠闲地行驶的效果。

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，自行车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或灵活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，就可以做到更大限度的节省空间。

2.2 主要技术要求

1. 采用现代设计方法完成各部分的设计。

2. 使用该设备能实现展开后安全正常行使，折叠后便于携带等功。

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：1240*500*980

传动比：1:4（脚踏一圈与车轮转动圈数之比）

最小折叠尺寸：720*210*820

最大承重：100kg

最高时速：40km/h

设计重量：7.5kg

刹车线：1.5MM不锈钢

车轮直径：200mm

行程：628mm

2.3研究方法

1. 设计这一折叠自行车可以从查阅现有的文献资料中对现有自行车的机构进行了解分析，理解现有折叠自行车工作原理及运转方式。

2. 对现实生活中的自行车实物尽心观察，分析各零部件的功能以及尺寸。

3. 借鉴优良的设计，把已掌握的基本机械设计知识运用到折叠自行车的设计与创新中去，做到学以致用。

4. 理论与实际相结合，不一味的寻求另类和创新。

2.4设计过程

2.4.1确定设计纲要

整理已找到的问题及可改善的机会，建立我们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，可以采用普通的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，可以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，减少生产的成本，另一方面可以方便使用者装拆自行车。

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，给人带来的便利就越大，也能相应减少自行车的成本。

传动部件传动比要大，使自行车车身占用空间小的话，车轮直径的小尺寸是最起作用的，但是由于车轮小又要满足使用者不至于费很大力气却不能使车的速度达到普通自行车的速度，所以考虑到用大传动比，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，我们综合考虑之后，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：现有的自行车；网络资源；图书资料；及对自行车有点研究的朋友。而做最多是采用网络资源，带着自己对折叠自行车的设计想法通过上网找关于折叠自行车，下载折叠自行车的图片及参数，主要是上淘宝网上搜集参数，也可以参考自己要搜索的自行车的市场价格。

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，即折叠的形式是两个三角形合并，但这种折叠方式需要空间比较大。有一种结构是采用雨伞式折叠结构，折叠之后就像收伞的效果，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比较差。

整理多个方案之后，我们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，这种结构的设计比较接近我们的设计目的。

综上，最终选用的设计方案是：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220mm左右的小车轮，传动齿轮采用二级传动。

组员分工合作整理设计方案，计算修改各部件尺寸及强度，设计齿轮及飞轮的直径和齿数，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，组员一起用SOILDWORKS软件绘制出自行车的零件图及装配图。

2.4.2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，关键零部件强度、刚度足够；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所示的总体结构框架。

图2-1总体结构框架

2.4.3确定传动机构

目前，国内外普遍采用一级传动，速度稍慢于普通自行车，所以为了增大传动比，可以采用二级传动或者是三级传动来增大传动比，但因为三级传动结构过于复杂，所占空间过大，对折叠后的尺寸有所影响，同时也加大了自行车自身的重量，最关键的是发现由于传动比过大骑行是所需的力比较大，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。

第三章折叠自行车结构设计

3.1 结构分析

3.1.1设计中的不同点

设计一款可折叠、尺寸小、质量轻、携带方便的自行车，其车体部分的设计尤为重要，也是能否设计出一款小巧的折叠自行车的关键，这也是我们本小组设计的重点。目前市场上出现得最多人折叠自行车是将两个轮相互叠并在个起得折叠方式，尽管对折了差不多一半，但还是占挺大空间的，而且在结构上也比较简单，一般只需一个或两个关节折就行，当然在成本上也会比较便宜。可折叠自行车不仅要考虑每条连接杆的杆身的受力还要考虑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，各大部件主要有支撑部件、动力接受部件、传动部件，还有工作部件。

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紧密的联系。

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多做些功夫，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的问题。

传动部件主要是轴承、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。

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，在本设计中由于车轮比较小，因此我们采用无需充气的实心轮胎。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。

如图3-1所示，一辆整车由两百多种、一千多个零件组成。这里把它们归纳为20 个基本部件或部件组合和18 个配件。自行车的基本部件包括：车架部件、车把部件、前叉部件、轮轴部件、中轴部件、飞轮部件、链条部件、车轮部件、泥板部件、车闸部件、脚蹬部件、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、中轴、链条、飞轮、后轴、后轮等部件组成驱动系统；车把和车闸组成制动系统。

图3-1传统自行车折叠方式

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多大区别，其缺点就是折叠之后并没有出现全新的功能，并且折叠之后的形体由于还是相当大，所以很难随身携带。所以此次我们小组所设计的可折叠自行车就是为了解决包括这个问题，与传统的自行车有很大的不同，如图3-2所示，它是既有折叠又有伸缩结构，共有三步，首先是车身前后对折，然后是车头向下收缩，再就是车头向后旋转。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，三是鞍座，四是脚踏部分，五是齿轮传动部分，六是刹车结构，七是车轮结构。

图3-2新型折叠自行车

车头结构靠两个轴承将车头与车身的转动连接于一起，以往的自行车都是靠珠子转动，并不是轴承式的，用轴承的会比较简便。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，而是用滚筒式的，也就是那种不是用滚珠而是靠滑动摩擦的；车身由几根摆动轴组成，因此在强度要求的考虑上需要比较严格，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。

3.1.2车的折叠过程

如图3-3所示自行车各折叠部位

图3-3折叠前车架结构

经过图中向上的箭头折叠后成了图3-4所示：

图3-4折叠后车架结构

3.2关节机构

3.2.1车头把手机构

刹车装置与伸缩装置组成，如图3-5所示，该结构是根据以往变速自行车的变速装置改进过来的，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：

刹车转套

转动轴承

图3-5车头把手机构

3.2.2前身下部结构

如图3-6所示，本设计利用两个轴承固定与车轴上，作为车头与车身间相对运动的中介，刹车装置是用圆盘式的，里面有一橡胶圈，由钢丝绳绑着，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使用这种刹车装置：

转轴轴承

刹车装置

图3-6前身下部结构

3.2.3车身与鞍座结构

如图3-7所示，此机构涉及的关节比较多，是强度与刚度必需重点考虑的对象，同时也是受力最大的部位，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。

双关节结构

图3-7车身与鞍座结构

3.2.4传动机构

如图3-8所示，该折叠自行车的传动装置也用普通的链传动，只是并非一级传动，而是采用二级传动，这样一来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：

一级传动

飞轮

二级传动

图3-8传动机构

采用滚链传动的一个最大原因是滚子链可以远距离传动，正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，但又影响传动质量、使用寿命以及加工的难易度。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。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，都不能充分提高转速，也就得不到比较大的输出功率。相反而言，如果速比太小的话，在限定的曲柄转速下，也得不到必要的骑行速度，即后轮的转速。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。为了保持不疲倦的持续骑行，一般要求人的肌肉负担为最大肌力的10% ，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，所以我们在传动比上选取得比较大，初步确定传动比大概是1比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Z

1=18，中间起搭接作用齿轮齿数为Z

2

=9/22，与后轮配合的飞

轮齿齿数为Z

3

=11。

3.3基于人体工程学的自行车把手、车座的关系

人体工程学起源于欧美，二次世界大战中开始运用人体工程学的原理和方法设计坦克、飞机的内舱，尽可能使人长时间地在小空间内减少疲劳，即处理好人、机、环境的协调关系。及至二次世界大战后，各国把人体工程学的实践和研究成果迅速有效地运用到空间技术、工业生产、建筑及室内设计中去。

日本千叶大学小原教授认为：人体工程学是探知人体的工作能力及其极限，从而使人们所从事的工作趋向适应人体解剖学、生理学、心理学的各种特征。人体工程学联系到自行车设计，其含义为：以人为主体，运间的合理协调关系，以适合人的身心活动要求，取得最佳的使用效能，其目标是安全、健康、高效和舒适。

根据人体工程学相关理论确定上身姿态，进而确定车座和车把之间的相对位置。

调整人体模型的姿态，使脊柱弧形尽量接近自然状态，另有人机学统计表明，人的上臂与上胸夹角为50度左右时骑姿最为舒适，人体上身骑行姿势如图3-9所示。

图3-9人体上身骑行姿势

根据人体上身骑行姿势可以确定车把与车座之间相对位置，车把与车座之间距离为624mm。

3.4受力分析计算

1.应力计算

每种机构或结构都是由若干构件组成的，而这些构件的使用都是有其极限性的，而这些问题将会威胁到安全，实际工程中，常常会遇到构件受力过大导致出现破坏或更严重点的造成事故，另一情况就是在受力过大后产生过大的变形而影响机器或结构的正常工作，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破坏的能力跟足够的抵抗变形的能力，也就是要有足够的强度跟刚度。除了解决强度跟刚度的问题外还要考虑到稳定性，这也是结构设计上所必须注意的。

α2

图3-10可折叠自行车车身结构

使用性别为女性，身高 155 cm-165 cm，亚洲人。根据国际标准体重计算公式体重（Kg）=【身高（厘米）-105】乘以0.9。估算出女性体重为45-54Kg。

本次设计中所选用的材料是Q235钢，这是一种比较常见的材料，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，取的是n =1.5，Q235钢的许用应力为[σ]=145MPa ，根据亚洲女性的体重，自行车所要承受的质量为54kg ，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3-10所示，主受力G ，两个支撑力F1与F2，角度α1为85度，角度α2为85度，角度β1为45度，β2为50度。

根据正弦定理得： 1

sin 11sin βαF G = 2

sin 22sin βαF G = 将数据代入以上公式可得：F 1=383N F 2=415N

再根据： 1

11A F =

σ

其中杆2的作用面积A 1为31mm 2

可算得横梁，即图中的杆2，所受应力35.121=σMPa

杆3的作用面积A 2为40mm 2，所受应力为4.102=σMPa

由上面两个应力与Q235的许用应力145MPa 相对比，可明显看出满足要求。

2.车轮摩擦力

图3-11自行车前后轮摩擦