1、青島濱海學院畢業設計前 言自行車在我國是很普及的代步和運載工具。它到今天已經有兩百多年的發展歷史，同時，自行車也被認為是環保交通工具的代表。傳統自行車的結構已基本定型，其市場也趨于飽和。新型自行車結構的研發設計是自行車生產商提高市場競爭力的關鍵，但生產廠商主要在制造及管理過程中追求利潤，不注重產品的創新,在產品的研發設計上與國際水平有著較大的差距。自行車產品設計的發展趨勢應該是多品種、小批量、個性化的生產。在新產品的開發與研制中，創新的作用舉足輕重且極富挑戰性。越來越多的國內外人士已將目光投向產品創新與技術創新這一領域。本文以自行車結構為設計對象，首先歸納了相關的創新思維和創新設計的理論及方法

2、，分析了現代自行車的主要形式，為自行車創新設計奠定了理論基礎。并介紹了新型自行車結構的設計過程，從人機工程學的角度，考慮自行車車架造型的創新設計。并在人機工程學和機械設計的基礎上,采用了基于坐標尺寸的參數化設計,較好地解決了自行車車架設計中結構和形狀上的問題。隨著社會的發展，人們生活水平的提高，人們從而可以花費更多的時間和金錢來改善自己的出行。本產品就是著力與娛樂、休閑方面進行設計的。其采用了與以往自行車不同的車架結構設計，讓人騎行時更加的舒適。本文全面介紹了所用到的材料及所用到的部件，主要包括自行車設計的技術經濟指標，使用要求，設計步驟及相關的阻力的計算等。由于時間緊促、資料不足，以及自己知

3、識和經驗有限，設計和介紹中難免有不足之處，懇請各位老師批評指教。1 自行車的總體設計方案自行車的發明已經有兩百多年的的歷史了，1790年，法國人西夫拉克研制成木制自行車，無車把、腳蹬、鏈條。車的外形像一匹木馬的腳下釘著兩個車輪，兩個輪子固定在一條線上。由于這輛自行車沒有驅動裝置和轉向裝置，座墊低，西夫拉克自己騎在車上，兩腳著地，向后用力蹬，使車子沿直線前進。1817年，德國的馮德萊斯男爵發明了一種能自由活動的車把，使他的自行車轉變比較方便。1839年，英國一位工人K麥克米倫首創了用曲軸機構驅動后輪的腳踏自行車，可使人在騎自行車時雙足離開地面。1861年的一天，巴黎的馬車和嬰兒車制造商米肖父子修

4、理德萊斯式自行車，修好后在坡道上試車時，感到這種車放腳很困難，于是對它進行了改進，在車的前輪上安上腳蹬曲軸，從而發明了米肖型自行車，不久這種自行車便開始大量生產。大概在1870年前后，法國的馬執又制造了一種前面驅動輪大，后面從動輪小的自行車，這種車的運行效果較好。1890年后，英國的亨伯公司生產出一種用鏈條傳動的、車為菱型的自行車，這種形式的自行車一直沿用至今。自行車的形式經過兩百多年的發展已經基本固定下來，雖然近幾年有許多新式的自行車出現，比如折疊自行車和各種改裝車，但應用并不廣，一般只適用于某些特殊的場合和某些愛好者的需要，總的來說，傳統的自行車的使用仍非常普遍。1.1傳統自行車的缺點經過

5、兩百多年的發展，傳統自行車的結構幾經改變已趨近于完美。但是，事物有利總有弊，傳統自行車仍然有一些無法避免的缺點：1.騎行時風阻大，由于傳統自行車是直立型的，迎風面大，而且車手常常是弓著身體騎車的，逆風時阻力大，順風時后背卻是流線型的。2.舒適性較差，由于結構原因，傳統自行車的坐墊普遍較窄，對胯部壓迫大，再加上后背彎曲，很容易造成腰部、頸部疲勞酸痛，另外把手的設計不當也會使手腕疲勞。3.傳統自行車重心較高，車手各重要關節朝向地面，騎行摔倒時傷害較大。4.車手視野差，特別是對于公路車車手，在弓身騎車時，不太容易抬頭看前方，同時如果一直抬著頭，也會使頸部疲勞。這些缺點這要是由于自行車的結構引起的，因

6、此如果要改進的話就只能從結構上想辦法，這也是本課題的初衷。1.2總體設計方案綜合傳統自行車的結構和缺點，本課題討論了各種對自行車的創新設計，主要有兩種方案：一、后驅式躺式自行車；二、前驅式躺式自行車。1.2.1設計方案分析對于方案一，國外和國內的一些自行車愛好者對躺式自行車有一定的研究，也做出過一些實物，對于傳統自行車的缺點有一定的改進，但同時也產生了不少問題。本課題的目標是做出設計一種躺式自行車，并作出三維的實體模型，論證躺式自行車的舒適性和使用價值。方案二中的前驅應用較少，其中存在的有些問題難度較大，在普通自行車上應用前驅并沒有太大優勢，但是如果應用在躺式自行車上，因為躺式自行車的主動齒盤

7、在前，離前輪較近，則前去有很大的優勢。總的而言，前驅與后驅動比較，兩者各有優缺點：后輪驅動的優點：操縱性好，轉向靈活，能適合任何復雜的道路，和直立自行車一樣操縱自如等。后輪驅動的缺點：鏈條長，傳動系統復雜，有效功率損耗大，重量大些等。前輪驅動的優點：鏈條短，傳動系統簡單，有效功率損耗小，重量輕等。前輪驅動的缺點：操縱性極差，轉向不靈活，不能適合任何復雜的道路，特別是不適合市區的道路等。從以上分析來看，前驅模式的自行車在廣大城市的復雜交通沒有優勢，所以很難在普通使用者中普及。因此本設計暫定選用后驅式的驅動。此外躺式自行車與傳統自行車比較仍有很多優點： 1.較直立式自行車的速度 斜躺車的騎行速度已

8、接近同價格的運動型公路車，能比較輕松的保持2530公里/小時的速度，在人少的道路上可以保持3742公里/小時，曾經瞬間最高速度已經達到55公里/小時。2.騎行的舒適度 斜躺車在騎行時，如同坐在躺椅上，不僅完全坐著，并且可以放松的靠在其靠背上面，還可以枕著頭。這樣的騎行姿勢使得襠部、手腕不會受到惱人的壓迫而引起的不適與疼痛，對于騎公路車、山地車的朋友來說還同時解決了脖子疼痛的問題（再也不需要仰著頭了）。尤其在長途騎行時更能突顯其舒適的騎行感覺。3.安全更可靠，視野更好 直立式自行車要么顧了前方的，要么顧了眼前的，斜躺車的騎行姿勢使得在騎行時的視野更開闊，不自覺的會看到至少5米以外的東西，可以提前

9、了解前方的路況，近處就不看了。在十字路口停車時，直立式自行車通常只放一個腳在地上，偏一邊的3點接觸；這款車可以更快的更輕松的將雙腳放在地上，4點接觸，這樣更穩定更安全。4. 摔車時，較直立式自行車摔得輕 直立式自行車摔車時因人體各關節離地距離相比斜躺車高，所以會摔得重，而且會摔到好多個關節部位，你有手撐的機會，就可能骨折，還會摔到臉，一般要一周到數周時間恢復。斜躺車即便緊急剎車或出現嚴重的撞擊，也不會出現如普通自行車那樣向前翻車！最多不過是腳受傷，而不是頭部受傷！從而大副度提高了安全的效果。因為臀部離地低了很多,所以也不會摔得很重，特別適合騎長途。5.較直立式自行車剎車效果更好 斜躺車的座椅較

10、直立式自行車的高度降低了不少，加上舒適的騎行姿勢而且還后移了重心，這樣使得剎車效果也優于直立式自行車。因為大副提高了舒適度，所以特別適合騎長途。斜躺自行車的缺點：斜躺式自行車的騎行姿勢使得車身不會很短，重了些,當然檔次決定分量，相比直立式自行車靈活性會稍差些,當然也和你的控車能力有關,平衡不是問題, 所謂熟能生巧。騎斜躺式自行車的確能得到更多的騎行樂趣。2 自行車設計的技術經濟指標自行車設計的基本任務是根據使用者的要求結合制造部門的可能性，創造性地運用有關科學技術和知識，設計出受用戶歡迎的產品。因此，設計自行車時，首先應該選擇合理的結構，同時還應符合有關技術經濟指標的要求。社會對自行車使用的要

11、求是多方面的，因此，自行車的技術經濟指標包括的內容也較多，這里就提出下列最常用的若干內容。1.使用壽命 自行車屬日用消費品，不同類型的自行車均有相應的使用壽命要求，因為自行車的易損零部件，在運轉中要磨耗、變形或損壞，不但增加了維修工作量，甚至會失去使用價值。因此，設計自行車時應根據不同的使用要求，對壽命問題予以重視。2.行駛安全性 這是自行車設計者必須考慮的內容，隨著車輛的增多和車禍的經常發生，國內外對自行車的行駛安全性越來越加重視， 國際自行車標準已有明確的安全標準要求，不符合安全要求的自行車嚴格禁止行駛。因此，在產品設計結構上要保證達到安全標準要求。3.產品標準化 這是指自行車產品的系列化

12、，部件通用化和零件標準化。在各企業都在大力開展新品種的新形勢下，標準化工作就顯得更為重要了， 目前我國自行車標準化主要存在二個問題，首先是國家標準未能完全很好的貫徹， 不少人認為只要達到自行車質量鑒定40項就行了，這是一種不全面的觀點。 因此，我國自行車首先應當符合國家標準的要求，同時，要使新開發的產品符合標準化要求， 標準要先行，如果各廠由于沒有明確標準就自行設計，待社會上形成一定數量后，再統一標準就困難了。因此， 產品設計，首先要查找和依據有關標準。4.工藝性 自行車設計時要考慮加工工藝的合理性，特別批量生產的品種， 工藝合理性顯得更為重要。所設計的自行車在保證使用要求的情況下，應該能用最

13、少的工時，材料和加工費用制造出來。同時，自行車的外形應合乎比例、和諧平整、美觀大方，以增加使用者對自行車的美觀感。貼花、色彩等也是吸引消費者的重要方面。現在消費者購買自行車時，主要依據是牌號、價格、外形和美觀程度。在自行車日趨飽和，市場競爭更加劇烈與的新形勢下，產品設計工作對外形和美觀的考慮與研究就更加重要了。5.強度和最大容許負荷 設計自行車中的每個零部件時，必須保證足夠的強度。任何一個零件在使用時都不應產生斷裂損壞和發生的殘余變形， 否則將不能正常地使用甚至引起事故。自行車如有過大的允許負荷能力，雖然能擴大其使用范圍，但將使自行車零件的尺寸和強度隨著增大，是不經濟的，因此要合理選擇而設計。

14、6.成本 自行車制造成本能綜合地表示出很多項技術經濟指標的結果。例如重量、自行車制造工藝性、新工藝采用情況和標準化通用化程度等。成本的高低，表示了經濟上是否合理，所以產品設計要有經濟觀點，十分重視和努力降低自行車制度成本。7.騎行輕快和舒適 自行車既要有一定的剛度，也要有相應的彈性，否則就會影響騎行性能和使騎行者容易產生疲勞，因此對架、前叉和靠座等主要部件都要與人的體形結合起來考慮，使之達到騎行舒適的要求。自行車以人力驅動，所以在產品結構和傳動速比，直至輪胎的形狀和花紋都要符合輕快的要求，特別是輕便車，輕快的指標就更為重要。3 設計過程3.1總體初步設計本設計中的躺式自行車保持基本自行車的結構

15、不變，增加略微傾斜的“躺式靠座”以提高其舒適性，車輪仍然采用傳統的自行車的標準車輪，車架結構需要重新設計，傳動方式需要重新設計。具體如下：3.1.1驅動方式選擇 由于躺式自行車車身較低、較長，且為了方便腳蹬車和發力，齒盤和踏板應設計在自行車前端，雖然造成主動齒盤離前輪較近，離后輪較遠，從而明顯加長鏈條的長度，這對成本及效率都會有一定的影響。但是也大大簡化了其轉向傳動機構的設計，因此，我們最終決定選擇后驅式的驅動方式。3.1.2傳動方式設計由于我們采用后驅方式，這樣用于傳動的鏈條會比較長，從主動齒盤傳遞動力到后輪有兩種方式：1.一級變速2.二級變速。二級變速結構復雜，需預留空間用于安裝變速盤，且

16、會降低傳動效率以及使成本增加。而一級變速結構簡單，也容易實現，設計合適的導鏈輪即可解決鏈條太長引起的傳動問題，同時，在后輪應用山地自行車的變速機構，這樣也就使躺式自行車也可多級變速。綜合考慮，本設計采用一級變速傳動。以下是躺式自行車草圖（圖3-1）：圖3-1 躺式自行車草圖3.2各主要部件的設計3.2.1鏈條的設計鏈傳動是一種撓性傳動，它由鏈條和鏈輪（小鏈輪和大鏈輪）組成（如圖3-2）。通過鏈輪輪齒與鏈條鏈節的嚙合來傳遞運動和動力。鏈傳動在機械制造中應用廣泛。圖3-2 鏈傳動與摩擦型的帶傳動相比，鏈傳動無彈性滑動和整體打滑現象，因而能保持準確的平均傳動比，傳動效率較高；又因為鏈條不需要像帶那樣

17、張的很緊，所以用于軸上的徑向力較小；鏈條采用金屬制造，在同樣的使用條件下，鏈傳動的整體尺寸較小，結構較為緊湊，同時，鏈傳動能在高溫和潮濕的環境中工作。與齒輪傳動相比，鏈傳動的制造與安裝精度要求較低，成本較低。在遠距離傳動時，其結構比齒輪傳動輕便的多。鏈傳動的主要缺點是：只能實現平行軸間的同向傳動，運轉時不能保持恒定的瞬時傳動比，磨損后易發生跳齒，工作時有噪音，不宜用在載荷變化大、高速和急速反向的傳動中。自行車鏈條的傳動屬于鏈傳動中的單排鏈,具有中間撓性件的傳動類型.自行車鏈條的制造和安裝的要求較低,對應的鏈輪和飛輪齒的受力較好,承載能力較大,有一定的緩沖和減振功能,中心距較大而且結構簡單.同時

18、鏈傳動的平均傳動比準確,傳動效率高,鏈條對前后軸的拉力較小,尺寸更為緊湊,能在惡劣的環境下工作.它的缺點是不能保持瞬間傳動比的恒定,工作時有噪音，摩損后會發生跳齒等。但總的說來，自行車傳動系統中利用鏈條來傳動是利大于弊的。由于本設計中的傳動鏈屬于低速級，一般的傳遞的功率在100KW以下，鏈速不超過15km/s，所以決定采用傳動鏈中的短節距精密滾子鏈（簡稱滾子鏈），且根據國家標準規定的鏈傳動的最大傳動比i=8,一般推薦使用i取2-3.5之間，本設計取i=3。自行車鏈條的鏈板制成8字形，以使它的各個橫截面具有接近的抗拉強度，同時也減少了鏈的質量和運動時的慣性力。同時由于滾子鏈一般為了避免過渡鏈節的

19、使用，其鏈接數優先選用為偶數，所以本設計的鏈接數最后也應設計成偶數，即銷軸接頭處采用開口銷連接。（如圖3-3）圖3-3 滾子鏈的結構形式 滾子鏈的結構如圖（3-4）所示，主要由滾子、套筒、銷軸、內鏈板和外鏈板組成。滾子鏈和鏈輪的嚙合的基本的參數是節距p，滾子外徑d1和內鏈節內寬b1。其中節距p是滾子鏈的主要參數，節距增大時，鏈條中各零件的尺寸也要相應的增大，可傳遞的功率也隨著增大。圖3-4 滾子鏈的結構考慮到我國鏈條的生產歷史和現狀，以及國際上許多國家的鏈節距均用英制單位，我國鏈條標準GB/T1234-1997中規定節距用英制折算成米制的單位。表3-1 滾子鏈規格和主要參數ISO鏈號節距P滾子

20、直徑d1（max）內鏈節內寬b1（min）銷軸直徑d2（max）內鏈板高度h2（max）排距p1抗拉載荷單排min雙排minmmKN08A12.77.927.853.9812.0714.3813.827.610A15.87510.169.45.0915.0918.1121.843.612A19.0511.9112.575.9618.0822.7831.162.316A25.415.8815.757.9424.1329.2955.6111.2表3-1列出了標準規定的幾種規格的滾子鏈的主要尺寸和抗拉載荷。表中的鏈號和相應的標準鏈號一致，鏈號數乘以25.4/16mm即為節距值。本表主要介紹幾種我國主

21、要使用的A系列的滾子鏈。 考慮到本設計中自行車鏈條的節距尺寸不宜太大，且鏈條的規格早已形成系列化，所以根據GB/T 1234-1997 選擇自行車鏈條08A，GB/T 1234-1997 單排鏈，其主要參數為： 節距P=12.7mm, 滾子直徑d17.92mm, 內鏈節內寬b17.85mm, 銷軸直徑d2 3.98mm，內鏈板高度h2 12.07mm。 根據節距為12.7mm,內鏈節內寬不小于7.85mm。查機械設計手冊，第三冊從而得出鏈條的具體參數，對應有：b1=8.2mm, d1=7.8mm d2=3.66mm, h2=9.91mm。由于鏈的使用壽命在很大程度上取決于鏈的材料及熱處理方法，

22、因此組成鏈的所有元件均需要經過熱處理，以提高其強度、耐磨性和耐沖擊性。具體熱處理方法見表3-2。表3-2 鏈條各部件熱處理工藝零件名材料熱處理工藝銷軸45 鋼淬火+回火外片低碳鋼盤條淬火+回火滾子45 鋼滲碳+淬火+回火內片45 鋼滲碳+淬火+回火3.2.2 鏈輪的設計鏈輪由輪齒、輪緣、輪輻和輪轂組成。鏈輪設計主要是確定其結構和尺寸，選擇材料和熱處理方法。滾子鏈與鏈輪的嚙合屬于非共軛嚙合，其鏈輪齒形的設計比較靈活。在國標GB/T1234-1997中沒有規定具體的鏈輪齒形，僅僅規定了最小和最大齒槽形狀及其極限參數。鏈輪的基本參數是配用鏈條的節距p，套筒的最大外徑d1，排距pt和齒數z。鏈輪的主要

23、尺寸和計算公式見表3-3。關于鏈傳動中鏈輪參數的選擇，小鏈輪齒數Z1少可以減小外廓尺寸，但齒數過少則會增加運動的不均勻性和動載荷；且其傳動的圓周角增大，間接地增加了鏈輪上的受力的大小，從整體上加速鏈條和鏈輪的磨損。可見，小鏈輪的齒數z1不宜過少。表3-3 滾子鏈鏈輪的主要尺寸的計算公式名稱符號計算公式備注分度圓直徑d齒頂圓直徑da最小和最大直徑對于最小齒槽形狀和最大齒槽形狀均可應用齒根圓直徑dfdf=d-d1齒高haha為節距多邊形以上部分的齒高，用于繪制放大尺寸的齒槽形狀確定的最大軸突緣直徑dgh2為內鏈板高度國家標準規定：鏈輪的最少齒數Zmin=9，一般Z17。同時，小鏈輪的齒數也不宜取太

24、大，在傳動比給定的情況下，小鏈輪齒數增大，大鏈輪的齒數也會相應增大，其結果不僅增大了整體尺寸，還增加了跳鏈和脫鏈的機率。從這個意義上講，國家通常限定鏈輪的最大齒數Zmax150，一般不大于114。到此，可知道在我國鏈輪齒數的選擇一般在17到114之間。由于自行車的鏈輪不宜選取太大，所以在本設計中我選取的小鏈輪的齒數為17。在前面的設計中已經知道，鏈傳動的傳動比i=3，由傳動比的計算公式i=Z2/Z1，Z2為從動輪齒數，Z1為主動輪齒數，從而求出從動輪即大鏈輪的齒數為51。由前面鏈條的設計可知其節距p=12.7mm，滾子直徑d1=7.8mm。再由表3-3里的鏈輪尺寸計算公式求得：小齒輪的分度圓直

25、徑d=p/sin(180/z)=58mm,齒根圓直徑df=d-d1=50.5mm，齒高ha（min）=4.9mm，ha（max）=5.76mm，取ha=5mm。大齒輪的分度圓直徑d=p/sin(180/z)=170mm，齒根圓直徑df=d-d1=162mm，齒高ha（min）=4.9mm，ha（max）=5.76mm，取ha=5mm。小直徑的鏈輪可制成整體式（圖3-5a）；中等尺寸的鏈輪可制成孔板式（圖3-5b）；大直徑的鏈輪，常將齒圈用螺栓連接或焊接在輪轂上（圖3-5c）。在本設計中只用到小尺寸的鏈輪和中等尺寸的鏈輪。圖3-5 鏈輪的結構表3-4 鏈輪常用的材料及齒面硬度材料熱處理熱處理后的

26、硬度應用范圍15,20滲碳、淬火、回火50-60HRCZ25）40,50，ZG310-570淬火、回火40-50HRC無劇烈震動及沖擊載荷15Cr、20Cr滲碳、淬火、回火50-60HRC有動載荷及傳遞較大功率的重要鏈輪（z25的從動輪鏈輪的材料：鏈輪輪齒要具有足夠的耐磨性和強度。由于小鏈輪輪齒的嚙合次數比大鏈輪多，所受的沖擊也較大，故小鏈輪應采用較好的材料制造。鏈輪常用的材料和應用范圍見表3-4。因為自行車屬于中等轉速，所以我選擇大齒輪選用Q235的材料，而小齒輪選用15Cr的材料。3.2.3車架的設計車架是構成自行車的基體，聯接著自行車的其余各個部件并承受騎者的體重及自行車在行駛時經受各種

27、震動和沖擊力。因此除了強度以外，還應有足夠的剛度，這是為了在各種行駛條件下，使固定在車架上的各機構的相對位置保持不變，充分發揮各部位的功能。目前，市場上出現的車架主要有鋼、鋁合金、鈦合金、碳纖維。就我們常見的幾種材料的一些特性如表3-5：表3-5 幾種常見材料的特性材料彈性系數（剛性）強度（降伏點）重量（kg/m）鋼材3046-1627800-8200鋁合金10-1111-50（4-22退火后）2700-3200鈦合金15-16.540-1204500-4700要選出符合要求的材料首先應先知道材料的三個主要的技術指標：1.強度（STRENGTH）假設掛在金屬棒另一端的重量，重到足以使金屬棒產生

28、永久的變形，也就是說，當移開重物時，金屬棒仍然呈現彎曲，無法完全回復原狀，即所謂的降伏（yield）。使材料達到降伏的力量因材料不同而不同，這就是所謂的強度。2.剛性（STIFFNESS）假設一根金屬棒的一端固定在夾具上，另一端加上一定的重量使得這根金屬棒暫時彎曲，當把那個重物移開時，金屬棒立即回復原來的型狀。同樣的重量加諸于不同材料時，會產生不同的彎曲程度，這就是剛性。剛性影響車架的騎乘品質，因為車架最怕在正常騎乘時發生變型。3.重量（WEIGHT）除了強度和剛性之外，重量也是一個議題。和剛性一樣，重量受到材料合金成份的影響相當輕微。實際的單車依材料的特性加入計算，選擇組成車架的每支管材的管

29、徑和壁厚。這時和車架剛性主要相關的為管徑，和強度主要相關的則為管材壁厚(管徑也會有相關)，而管徑和壁厚則影響了車架重量。為節省成本的同時考慮到安全性以及躺車的騎乘性能，我們選用的車架采用空心鋼管分段焊接，材料為鉻鉬鋼管。鉻鉬鋼車架還具有以下優點：1、加工性好2、沖擊的吸收性能好3、焊接容易4、價格便宜除此之外，鉻鉬鋼車架也具有不少的缺點像容易生銹、應力集中引起的金屬疲勞顯著等。由于存在上述原因，焊接時采用各種方法來加工。如利用低溫焊接等方法制造車架。不管是任何優秀的焊接，焊接部位(1000C以上)和另管道側(室溫)之間的溫度差，冷卻時收縮而發生殘留應力。該部位受到應力集中時，可能會產生裂縫。結

30、果自行車騎的時間長時可能會引起金屬疲勞，微觀的硬化加工也使沖擊的吸收性也變得差。本課題設計的躺式自行車的車架主體為用一根較粗直徑鋼管彎曲而成的結構，這個鋼管將起主要支撐和受力的作用，其他零部件都將以其為標準定義尺寸，為滿足舒適度的要求，它的尺寸應該根據人體生理學結構進行設計。車架還包括前叉、后叉，前叉及后叉的尺寸根據前后輪的大小來定。圖3-6 車架由于躺式自行車的結構特點，前面無法安裝載物架，為方便搭載各種物品，需配備車后架，因為在騎行時從后方載物架取物體非常不便，為方便使用者特別是長途騎行者的使用，我們特意將車后架的位置加高，車后架結構見總裝配圖（圖3-11）車后架的材料依然采用鉻鉬鋼。各連

31、接部位采用焊接，為體現美觀，可進行噴漆處理。車架的總體設計如圖3-6所示。通過測量人體大腿加小腿的人均長度（表3-6），可大體確定車身的基本高度，之后根據選定的標準車圈尺寸和工作狀態的人機工程尺寸確定準確的工作高度和靜態高度。表3-6 人體各主要部分的人均長度年齡分組男（18-60歲）女（18-55歲）百分位數10509095991050909599身高/cm160167175177181150157164165169體重/kg50597075834452636671上臂長294313333338349267284303312319前臂長2202372532582681982132292342

32、42大腿長436465496505523410438467476494小腿長344369396403419319344370375390計算平均值：（男人大腿長度加小腿長度的 50%+女人大腿長度加小腿長度的 50%）/2=（465+369+438+344）/2=808mm，即大腿加小腿的人均長度為808mm，所以車身的整體高度大致定為808mm。3.2.4確定前叉角度 前叉裝在車架管內，能在管內可靈活轉動。前叉上端與車把緊固連結在一起，下端與前軸連接，與前輪以前軸為中心自由轉動，組成轉動機構。前叉有三個作用：第一個作用是支撐前輪所受的重量，第二個作用是將車把轉向動作傳到前輪，第三個作用是前叉

33、下端壓有彎度，能促使自行車有自己向前行駛的性能。減輕騎行者操縱強度，并起緩沖作用。車頭角度決定了車子的操控靈活度及穩定性。車頭角度越小，就必須出更大力轉動車把，前輪才會左右轉動。直挺的車頭角度(72)，感覺起來會比較靈敏，而且車把轉起來感覺會比較輕，左右轉動比較簡單省力。但這樣也會導致車子高速中，操控幾何的反應太快，增加了輪子左右擺動的不穩定性。低一點的車頭角度(70)，車把轉起來比較重，但車把的左右轉控比較可預期，高速騎乘比較好操控。71是最受歡迎的車頭角度，因為這個角度讓車子爬坡時，車頭旋轉的感覺比較輕靈。所以我也采用71這個角度。圖3-7 前車管角度參考圖3.2.5 自行車曲柄長度的選擇

34、曲柄長度的選擇并無明確的規定，只需符合要求即可。考慮到本設計主要是躺著騎行，所以腿可以施加的力度比較大，所以選用較長的曲柄。表3-7 腿長與曲柄的關系腿長/cm曲柄長/mm72-7516075-78162.579-8116582-83167.583-86170-172.587-90175-177.5根據上面計算腿長均值尺寸為808mm，所以根據表3-7選取79cm到81cm的腿長范圍，曲柄長度選取為165mm。3.2.6靠座的設計一般來說，座椅面高度與GB/10000-1988坐姿人體尺寸中的“小腿加足高”接近過稍小時，有利于獲得合理的一面體力分布。計算平均值：（男小腿加足高的50%+女小腿加

35、足高的50%）/2=（413+382）/2=397.5mm，即座椅面高度為397.5mm。圖3-8 靠座靠座底部為一塊與車架弧度相適合的弧形鋼板，為減輕重量，在鋼板上切割使鏤空，為保證舒適，在鋼板上的坐墊以布類織物制成，同時為了通風排汗，靠墊中間制出溝槽。靠座底部加以支撐如圖3-8所示。3.2.7車把的設計由于躺式自行車的重心較低，把手的位置可能會遮擋騎者的視線，因此把手的橫梁應該低一些，但是如果太低，又會影響下方空間，這會導致騎車時大腿部位會碰觸到橫梁，甚至發生干涉，因此我們將車把橫梁設計成M型(如圖3-9)。圖3-9 車把這樣既避免了遮擋視線，也使橫梁下方有一定的空間。另外，由于錯亂的剎車

36、線和變速線也有可能遮擋視野，因此在實際制作中剎車線和變速線需要固定在兩邊。3.2.8前后輪的設計前后輪總稱車輪，一個作用是承受自行車本身和騎車者的全部重量，另一個作用是車輪旋轉推動自行車前進及轉向，因此必須具有足夠的強度，以免在行駛中受到震動發生折斷。同時要求車輪必須圓正，可保證在旋轉時平穩，此外車輪結構要有適當彈性，以增強避震性，提高騎行者的舒適性。重新設計車輪比較麻煩，同時增加了加工的難度，因此車輪采用普通自行車的標準車輪，如圖3-10。圖3-10 輪胎示意圖寬度考量 如果在一個寬車圈上使用了非常窄的輪胎，可能會有漏氣以及損壞車圈的風險。如果你在較窄的車圈上使用了寬胎，可能會有側圈或車圈出

37、現故障的風險。輪胎與車圈的安全匹配所有的直徑以毫米為單位，如表3-8。傳統自行車的車圈大多為20x1.5到20x1.75之間。經安全性和速度方面綜合考慮我們選擇普通自行車前輪用20x1.5的車輪尺寸，后輪用26x1.75的車輪尺寸。所以我們的輪胎尺寸寬度選擇也參照傳統自行車的尺寸選擇。前輪選擇20x1.5的輪胎，后輪選擇26x1.75的輪胎。表3-8 輪胎寬度的選擇-|輪胎寬度- 車圈寬度|18 20 23 25 28 32 35 37 40 44 47 13.|X.X.X.X.15.|.X.X.X.X. 17.|.X.X.X.X.X. 19.|.X.X.X.X.X.X. 21.|.X.X.X

38、.X.X.X.23.|.X.X.X.X. 25.|.X.X.X.X.X.3.2.9自鎖腳踏 在騎躺式自行車的時候，騎者的腿部是水平的，在小腿部沒有很好的受力點，只能依靠鞋子與踏板的摩擦力，這樣騎短途沒有問題，但如果是長途騎行，就會使小腿疲勞，所以安裝自鎖腳踏板。自鎖的優點：1 提速：個人認為騎行的效率可以分成三塊.普通腳踏腳往下踩的力量可以占到70%左右吧.具體的數值沒辦法量化.但是這個70%應該是差不多的.上了鎖之后.你就可以充分利用剩余的30%這個腳往上提的力量了.因為下踩和上提用到的肌肉不完全一樣.新上鎖之后感受非常明顯.腳上的部分肌肉很快就發酸.以前騎車完全用不到的肌肉群現在開始發揮作

39、用了. 2 操控：只要你雙手還能控住車.那么根本不用考慮平時騎車的時候腳下沒底的感覺.不管多大的顛簸仍然可以隨心所欲的抽腳蹬踏.有了自鎖之后腳下非常踏實.注意力放在控車上就行.腳底和自鎖渾然一體.劃園的感覺也非常自然附：自鎖腳踏簡介自鎖腳踏是運動騎行不可缺少的基本配備，可以大幅度提高踩踏效率。普通的自行車踏板只有在車手往下蹬的時候才會帶動鏈條使自行車前進，而自鎖腳踏是將踏板與車手的鞋連在一起，這樣，在往下蹬之后，抬起的過程也會帶動鏈條運動。一般來說使用自鎖腳踏可以省力25%，可以很容易登上山坡。特別是長時間騎行就會感覺輕松很多，這是因為一只腳踩下去的時候另一只腳還可以往上提。另外，在顛簸路段上

40、不用關心腳與踏板脫開的問題。但是對于初學者應多多練習以免造成下車時的不方便。 3.2.10 前后閘和尾燈的設計前后閘是保證騎行安全的關鍵部件，有多種結構和形式，但不管何種結構，都要切實保證達到制動性能的要求以提高躺式自行車的安全性。由于躺式自行車重心較低，相對來講，不容易被后方司機發現，特別是晚上騎行時會更加危險，因此尾燈不能是常規自行車的反射式尾燈，需在車后方加裝LED尾燈，白天不需要點亮，與普通自行車尾燈沒有區別，若在晚上騎行時，則點亮尾燈。下面是躺式自行車的主要部件示意圖3-11： 3-11 躺式自行車主要部件示意圖4 鏈傳動的運動分析因為鏈是由剛性鏈節通過銷軸鉸接而成，當鏈繞在鏈輪上時

41、，其鏈節與相應的輪齒嚙合后，這一段鏈條將曲折成多邊形的一部分（如圖4-1所示）。該正多邊形的鞭長等一鏈條的節距p，變數等于鏈輪齒數Z，鏈輪每轉過一圈，鏈條走過ZP長，所以鏈的平均速度v（單位為m/s）為：式中：Z1、Z2分別為主、從動輪的齒數 n1、n2分別為主、從動輪的轉速，r/min。圖4-1 鏈傳動的速度分析鏈傳動的傳動比為：。因為鏈傳動為嚙合傳動，鏈條和鏈輪之間的沒有相對滑動，所以平均鏈速和平均傳動比都是常數，但是，仔細觀察會發現鏈傳動的瞬時傳動比和鏈速并非常數。在主動鏈輪上，鉸鏈A正在牽引鏈條沿直線運動，繞在主動鏈輪上的其他鉸鏈并不直接牽引鏈條，因此，鏈條的運動速度完全由鉸鏈A決定。

42、由圖4-1可見，鉸鏈A隨同主動鏈輪運動的線速度為V1=R1w1，方向垂直于AO1，與鏈條直線運動方向的夾角為。因此，鉸鏈A實際用于牽引鏈條運動的速度為：式中，R1為主動輪的分度圓半徑。因為是變化的，所以即使主動鏈鏈輪轉速恒定，鏈條的運動速度也是變化的。當即=180/Z1時，鏈速最低；當=0時，鏈速最高。是主動鏈輪上一個鏈節所對的中心角。鏈速的變化呈周期性，鏈輪每轉過一個鏈節，對應的鏈速變化一個周期。在水平方向的鏈速發生變化的同時，鉸鏈A還帶動鏈條上下運動，其上下運動的鏈速為也是呈周期變化的。在主動鏈輪牽引鏈條變速運動的同時，從動鏈輪上也發生著類似的過程。從圖中可以看到，從動輪上的鉸鏈C正在被直

43、線鏈條拉動，并由此帶動從動輪以w2轉動，由圖可求出鉸鏈C沿圓周方向運動的線速度為：V2=R2w2，由此可知從動輪轉速為：所以w2也是周期性變化的。從而求出其瞬時傳動比為 可見鏈傳動的瞬時傳動比是變化的。鏈傳動的傳動比與鏈條繞在鏈輪上的多邊形特性有關，所以這個現象也稱為鏈傳動的多變性效應。5 自行車的安全性要求自行車最主要的要求是保證騎行安全。達到安全要求，雖然有材質、制造技術和組裝等因素，但首先是從設計上符合安全要求，要求從設計一開始就始終貫徹高質量和安全性。自行車成車和各零部件都有詳細的安全要求，現將設計中首先要考慮到的一些安全要求予以簡述。5.1制造和組裝的要求自行車設計應有可靠的計算依據

44、，以保證足夠的強度，保證騎行安全。一輛完整的自行車在正常騎行、搬運和維修時，凡騎行者的手、腿等可能觸及之處，均不應有外露的銳邊。自行車組裝后的任何突出物，其長度超過5mm的，原端倒圓定為7mm。其大端尺寸(寬度)定為15mm，小端尺寸(厚度)定為5mm。自行車車架的上管上，在靠座和靠座前300mm外之間不應有突出物，但直徑不大于6.4mm的鋼繩套管和厚度不大于4.5mm的套管夾則允許附在上管上。螺釘的外露突出部分，在螺母旋緊之后，應短于螺釘的外徑尺寸。5.2鏈傳動的主要失效形式5.2.1鏈條的主要失效形式鏈傳動的主要失效形式有：1.鏈的疲勞破壞。鏈在運動過程中，其上的各個部件都在變應力作用下工

45、作，經過一定的循環次數后，鏈板將會因為疲勞而斷裂；套筒、滾子表面將會因為沖擊而出現疲勞點蝕。因此，鏈條的疲勞強度將成為決定鏈傳動承載能力的主要因素。2.鏈條鉸鏈的磨損鏈條在工作過程中，鉸鏈中的銷軸與套筒間不僅承受較大的壓力，而且還有相對轉動，導致鉸鏈磨損，其結果使鏈節距增大，鏈條總長度增加，從而使鏈的松邊垂度發生變化，同時增大了運動的不均勻性和動載荷，引起跳齒。3.鏈條鉸鏈的膠合當鏈速較高時，鏈節受到的沖擊增大，鉸鏈中的銷軸和套筒在高壓下直接接觸，同時兩者相對轉動產生摩擦熱，從而導致膠合，因此，膠合在一定程度上限制了鏈傳動的極限轉速度，對于我們的設計來講，此點不足以影響自行車的性能，不做過多的

46、研究。4.鏈條的靜力破壞。當鏈速較低時（v0.6m/s），如果鏈條負載不增加而變形持續增加，即認為鏈條正在被破壞。導致鏈條變形持續增加的最小負載將限制鏈條能夠承受的最大載荷。5.2.2鏈輪的主要失效形式在傳動過程中，鏈輪的主要失效形式有以下幾種：1.輪齒折斷 輪齒折斷有多種形式，在正常情況下，主要是齒根彎曲疲勞折斷，因為在輪齒受載時，齒根處產生的彎曲應力最大，再加上齒根過渡部分的截面突變及加工刀痕等引起的應力作用，當鏈輪重復受載時，齒根就會產生疲勞裂紋，致使輪齒疲勞折斷。2.齒面磨損 在鏈傳動中，齒面隨著工作條件的不同會出現多種不同的磨損方式，它是鏈輪的主要失效形式之一。最常見的像鏈輪嚙合面落

47、入沙粒等時，齒面即被逐漸磨損而報廢。3.齒面點蝕 點蝕是鏈輪齒面的疲勞損傷的現象之一。齒面上最初出現的點蝕僅為針尖大小的麻點，如工作條件仍為改善，麻點就會逐漸擴大，最后形成了明顯的損傷。4.塑性變形 塑性變形屬于鏈輪永久變形的一大類失效形式，它是由于在過大的應力作用下，鏈輪材料處于屈服狀態而引起的材料塑性流動形成的。可以采取提高齒面硬度，采用高粘度或有極壓添加劑的潤滑油等方法減緩塑性變形。5.3鏈傳動的張緊和潤滑鏈傳動的張緊 鏈傳動張緊的目的，主要是為了避免在鏈條的垂度過大時產生嚙合不良和鏈條的振動現象；同時也為了增加鏈條與鏈輪的嚙合包角。考慮到本設計的鏈條比傳統自行車長許多，所以鏈傳動張緊裝置就顯得尤為重要了。為此，我專門在車架上安裝了導向輪，一是可以提高鏈傳動的流暢性，二是可以增大鏈條與鏈輪嚙合的包角。如圖5-1所示。圖5-1 導向輪示意圖 鏈傳動的潤滑 鏈傳動中銷軸與套筒之間產生磨損，鏈節就會伸長，這是影響鏈傳動壽命的最主要因素。因而，潤滑是延長鏈傳動壽命的最有效的方法。潤