IM体育APP下载新型折叠自行车设计说明书攀枝花学院本科毕业设计（论文） [ 新型折叠自行车设计 ] 学生姓名： 冯立波 学生学号： 6 院（系）： 机械工程学院 年级专业： 2012 级机制一班 指导教师： 陈永强 副教授 二〇一六年五月 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 摘 要 摘 要 一般折叠车有着车架折叠关节、立管折叠关节等结构构成。通过车架折叠， 将前后对折在一起，可减少一半左右的长度。整车在折叠后体积小巧便于携带。 在折叠的过程中也不需要借助外来工具， 可手动将车折叠展开。 在折叠后通过座 杆做为支撑点以使折叠后能立稳。 本文将介绍的折叠购物自行车，是一款可以折叠成为购物车的轻便型自行 车，可以实现向左右两个方向的折叠， 本款折叠自行车新增了其特有的折叠卡扣 形式，使自行车折叠较传统折叠自行车更加简单易用，老少皆会操作。 它主要为了交通、 购物带来了更多的便利， 随着如今消费水平的提高， 人民 购物频繁且多样， 超市购物车无法带回家， 所以便携式折叠购物车影起了社会上 更多的人关注， M型便携式折叠购物的特点是：便携式折叠购物采用的是一种全 新的折叠卡扣方式， 可以轻松折叠或打开。 折叠或打开速度最快。 折叠后可以像 购物车那样推行、载货。骑行安全靠。整车重量轻。 关键词 自行车，同步带轮，折叠，购物 I 攀枝花学院本科毕业设计（论文） ABSTRACT ABSTRACT Generally, a Folding Bike consists of the joints of frame folding and the joints of vertical pipe folding. Through the folio in front and back, the lengths half approximately half will be reduced easily, that is to say, it ’ people to take along it anywhere after folded. In addition, it doesn ’ when folding and anyone can unfold it easily. The most important is this Folding Bikes still can be stable, as it is on the foundation of seat post, its supporting point. The paper mainly introduces the Folding Shopping Bike, which is a kind of bicycle that can become the portable shopping cart after folded. The priority for this Folding Shopping Bike is its unique folding snap joint assemblies, making it more convenient for people including the old and children to operate it compared with the traditional one. This kind of Folding Shopping Bike brings more convenience in traffic and shopping to people around the world. With the rapid improvement of the consumption level, people go to the different kinds of supermarkets more frequently and they are willing to purchase more goods, so it ’ent for people to use the traditionals inconveni shopping carts to take these goods home. Therefore, more people in the world pay much more attention to the portable folding shopping carts. The characteristics of it are as follows. First, it adopts the folding snap joints assemblies, making it easier to fold and unfold. Second, people can fold and unfold it in a very fast speed. Third, it can carry on heavier cargos and it can be pushed forward just like the shopping carts in supermarkets. Forth, it is much safer and much more practical. Key words bike，folding ，synchronous pulley，shopping carts II 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 目 录 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 1 绪论 3 1.1 概述 3 1.2 自行车的研究现状 4 1.3 课题研究的目的及意义 6 1.4 本课题主要研究内容 6 1.5 自行车材料探究 6 2 传统折叠自行车介绍 8 2.1 折叠自行车的起源 8 2.2 折叠自行车的折叠方式 9 2.3 自行车的保养 10 3 折叠购物自行车系统结构及组成 12 3.1 系统结构 12 3.2 组成 12 3.3 部件 12 4 折叠购物自行车的结构设计 14 4.1 方案的对比与车梁结构形式的确定 14 4.2 整体车架结构设计 16 4.2.1 人一自行车系统 16 4.2.2 影响自行车性能的因素 . 17 4.2.3 折叠购物自行车折叠设计 18 4.2.4 大梁折叠扣设计 19 4.3 滚子链轮的传动结构设计 19 4.3.1 输入功率的计算 19 4.3.2 链轮传动结构设计 20 4.4 折叠销钉卡扣结构强度设计 23 4.4.1 卡扣的结构强度设计 23 4.4.2 销轴的结构强度设计 24 4.5 车梁的结构强度设计及计算 26 - 1 - 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 目 录 4.5.1 前车轴结构设计 26 4.5.2 后车轴结构设计 29 4.6 车梁强度的计算 33 4.7 刹车装置的设计 35 4.7.1 刹车的作用 35 4.7.2 刹车装置的分类和区别 36 4.7.3 刹车装置的设计 38 参考文献 40 致 谢 41 - 2 - 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 绪 论 1 绪论 1.1 概述 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、越野旅游、运动比赛以及少量货物运送工具，已遍及到世界的每个角落。但 它的发明和改进经历了漫长而复杂的历史过程。早在 1642 年，意大利一位橱窗 设计师便在他所设计的罗马教堂的彩色玻璃上， 绘制了自行车的雏型图案。 甚至 就连大名鼎鼎的达芬奇与他的学生也研究和设计过自行车。但是直到 1885 年使 用橡胶制造出自行车的充气轮胎。 才基本奠定了现代自行车的雏形。 自行车的发 展日新月异， 从最原始的形式开始， 虽然在基本结构上没有质的变化， 但是在其 材料的选用、工艺的改良、理念的创新方面，还是有着许许多多的突破。时至今 日，自行车已成为全世界人们使用最多，最简单，最实用的交通工具。这些技术 的改进、变化，也都是以人为本的。根据大众的需要，使它更加的贴合我们的生 活，使用更方便，轻巧、简单。 基于以上目的我们设计了这个出门可以骑行 , 折叠后可以推着购物的折叠自 行车。你可以骑着自行车去超市购物， 到了超市后经过简单的几步折叠操作， 它 便化身为一个推着走的购物车， 前后两个篮子则可以放置你所需购买的东西。 购 物后，又可以将它骑回家了。 图 1.1 骑行状态 图 1.2 折叠状态 - 3 - 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 绪 论 1.2 自行车的研究现状 一、我国自行车发展状况 我国自行车产量、出口量均占世界总量的 60%以上，国内消费量也居世界第 一。产品质量和技术含量不断提升，出口数量和价格稳步提高。但是，品牌附加 值不高、企业盈利状况不理想以及国内市场监管不尽完善等因素严重制约自行车 行业健康发展。 （1）行业概况。 据国家统计局统计， 2006 年，我国自行车行业规模以上企业 881 家，生产 自行车、电动自行车共计 6732.7 万辆（据中国自行车协会统计，目前，全国共 有各类规模自行车和零部件企业 1000 多家，电动自行车企业 1000 多家。 2006 年，全国共生产自行车 8500 万辆，电动自行车 1950 万辆），全年完成工业总产 值 518.3 亿元，销售收入 508.4 亿元，利润总额 13.8 亿元，利税总额 21.7 亿元， 吸纳就业 17.65 万人。自行车及其零部件销往 176 个国家（地区），其中，出口 整车 5600 万辆，同比增长 4.5%，创汇 18.9 亿美元，同比增长 7.8%；出口零部 件 11.1 亿美元，同比增长 16.4%。我国自行车行业已完全实现市场化运作，规 模以上企业各种所有制完成工业总产值及其占比情况依次为：外资企业（ 289.8 亿元，55.9%）、企业（ 182.2 亿元，35.2%）、其他所有制企业（ 46.3 亿元， 8.9%）。 （2 ）行业经济运行特点。 1 ）经济运行态势良好，产量、出口量、出口金额和平均出口价格均持续平 稳增长。 2007 年一季度，规模以上企业共生产整车 1546 万辆，同比增长 9.4%， 产销率 99.5%。完成工业总产值 128.3 亿元，同比增长 13%。整车出口到 144 个 国家（地区），合计 1436 万辆，同比增长 7.1%；出口金额 5.57 亿美元，同比 增长 13.3%；平均出口单价为 38.8 美元 / 辆，同比上涨 5.8%。出口自行车零部件 3.1 亿美元，同比增长 11.4%。 2 ）行业专业化程度高，生产体系日趋完备。国内各种钢材、铝合金、钛合 金等轻合金材料供应充足， 原材料加工成形、 整车生产涂装、 各类各档次零部件 的专业加工制造及配套齐备，已形成完整的生产体系。 3 ）产业集聚化程度和效应明显，自行车企业主要集中在天津IM体育官方网站、江浙沪、广 东三大区域。 2006 年，各地自行车（含电动自行车）产量及占总产量比重依次 为：天津（ 4632 万辆， 44.3%）、浙江（1839 万辆， 17.6%）、广东（1668 万辆， 16%）、江苏（ 1282 万辆， 12.3%）、上海（ 992 万辆， 9.5%），以上五省市合计 占全国总产量的 99.7%。 - 4 - 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 绪 论 4 ）产品技术含量和质量档次不断提高。 产品开发基本采用计算机三维设计， 并充分考虑工程学。 企业生产中使用铝合金、 镁合金、 钛合金和碳纤维等新 材料、新工艺的产品比例不断提高， 并在管理中运用 ERP等先进管理软件和理念， 使得自行车产品技术含量和企业经营管理水平不断跃升。 5 ）优势地位愈加明显。目前，世界自行车年产量约为 1.3 亿辆，年贸易量 约为 7500 万辆，我国自行车产量、出口量均占世界总量 60%以上，国内消费量 也居世界第一， 制造能力不断提高， 由于早年自行车行业发达的美国、 日本在结 构调整之后，已无产业基础，中东、东盟自行车基础薄弱，因此，与现有的竞争 对手相比，我国自行车产业已具有较为有利的竞争优势。 二、面临的主要问题 （1）产业结构亟待调整。 1）行业集中度不够高。主要表现在生产规模大的龙头企业占全行业比重不 高，年产量 100 万辆以上的企业数量仅占企业总数的 2%左右。 2 ）专业化分工、产区集聚仍需继续深化。以天津为例，众多自行车及零部 件生产企业分散在不同城区。 上海也是如此， 生产凤凰牌自行车的几个分厂之间 相距车程要几个小时，物流、仓储、资源配置尚未达到最优化状态，有必要继续 发展相对集中的自行车产业园区，进一步细化分工。 3 ）出口产品较为单一， 主要以代步车和小轮车 （20 英寸或以下） 为主。2006 年，代步车和小轮车（ 20 英寸或以下）出口量占总出口量的 68.2%，平均出口单 价为 27.7 美元 / 辆，比整体出口平均单价低了 5 美元/ 辆。 （2 ）行业缺少自有品牌。 1）国内市场知名品牌数量及其所占市场份额均较低。 2006 年，自行车、电 动自行车整车企业均超过千家，但只有 7 家企业分别获得“中国名牌”或“最具 市场竞争力品牌”，同时，市场份额最高的企业也仅为 7%左右。 2 ）行业缺乏国际知名品牌，缺乏通畅渠道。自行车行业出口产品 80%以上 为国外定牌生产，其余不到 20%的产品虽以自有品牌出口，但主要通过超市进行 销售，产品以小轮车为主，很难提升档次和附加值。 （3 ）行业盈利状况不理想。 1）国内市场呈缓慢下滑趋势。究其原因主要是国内消费以普通代步自行车 为主，用于运动、 休闲、竞技器材的中高档自行车尚未普及， 自行车环保、节能、 健康的优点也未得到充分宣传；同时，近年来，社会上偷盗自行车的现象加剧， 影响了国内消费者对高技术含量、高附加值自行车产品的购买。 2 ）出口继续稳定增长， 但空间有限。 国际市场贸易量长期稳定在 7500 万辆 左右，我国 2006 年出口 5600 万辆，占全球 75%。意大利、德国、中国等在 - 5 - 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 绪 论 高档产品市场占据主导地位，而其他发展中国家，如越南、印度、孟加拉国等发 展较快，在中低档产品市场与我国同类产品竞争激烈。 3 ）行业平均利润仅为 4%左右。面对激烈竞争，在无法发掘更深层的核心竞 争力之前，行业只能靠价格和数量扩张取胜，不仅影响了自身利润和研发投入， 而且增加了引发国际贸易纠纷的风险。 （4 ）电动自行车生产及相关交通管理亟待规范。目前，部分电动自行车产 品超速、超重以及模仿摩托车生产， 不符合国家标准的相关规定。 由于各地对电 动自行车上路管理规定不一， 部分地区鼓励发展和使用， 而个别地区则严禁上路 行驶，对电动自行车的健康发展带来一定的影响。 1.3 课题研究的目的及意义 目的：寻求一种折叠购物自行车的发展模式， 设计出一种能够投入使用的新 型自行车。 意义：改变现有的自行车产业结构， 改变自行车生产方式， 进而改变人们的 生活观念以及思想及生活方式。 1.4 本课题主要研究内容 本次研究是针对自行车的折叠方式的改进及折叠成购物车形式的方案的设 计。对于我们更好地理解机构及其组成有着重要的意义。本次研究的最终目的， 是希望本次设计的自行车能够对未来产生一定的影响。 1.5 自行车材料探究 目前，可以制造自行车车架的材料主要有以下几种：钢，铝合金，钛合金， 镁合金，钪合金，碳纤维等等，一般市场上出现的车架主要有钢，铝合金，钛合 金，碳纤维。钪合金和镁合金是最近的新兴材料，比较少见。 铝合金是目前最看好的材质，在 80 年代初期就己经开始被大量运用在自行 车制造上，虽然铝合金车架重量轻、延伸性相当好，但应力较集中，所以性能较 差。近年来铝合金材质在车架上运用了新技术， 其中渐进式抽管法最被看好， 即 分数次将铝材逐渐抽薄， 减少重量而又不损失强度， 消除了车架接缝处的潜在断 裂处。 英国设计者 Kirk Precision 大胆地利用新型材料—高纯度镁，通过镁合金 浇注成模方法， 再结合高科技制造设备和计算机辅助设计手段， 成功地将大规模 - 6 - 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 绪 论 制造的优势运用到传统手工制造的自行车行业中来， 生产出比相同大小和重量的 钢管车架质量更轻、刚度更高，性能更佳、动感更强的合金管车架。 钦合金在航空工业上普遍被运用， 同时也渐渐被自行车行业所注意。 钦合金 稳定性高、 不易氧化 . 强度高、 抗腐蚀性好 . 吸震性也十分好， 如此多的优点和制 造难度使得钦合金车架的价格一直十分昂贵 . 复合材料在运动器材方面蓬勃发展， 加上制造技术渐趋成熟， 引起有心人士 投入复合材料代替金属的开发。 碳纤维是一种纤维补强的热固树脂， 属于非金属材料， 它重量轻、可塑性大、 耐牢性卓越，防震性能好，与同质量的金属相比有更优良的强度与刚硬度 ; 将碳 纤维管状物与铝合金接头这两种截然不同性能的物体以高分子接着剂胶合组成 一体化成型车架， 最适用于竞赛型的自行车。 碳纤维自行车的国内外发展状况如 下所述。 80 年代中期，意大利、法国、英国和美国利用复合材料和工程塑料方面的 技术优势 . 相继开发成功了用碳纤维管和铝合金接头粘接成车架的碳纤维自行 车。随后，欧美等国对自行车进行计算机辅助受力分析和强度计算， 使计算机外 形更符合人机工程学的要求，研制出碳纤维整体车架成型工艺。 90 年代初，国 外厂商将粘接型和整体性进行混合技术，即用碳纤维管和多通接头作“底” . 外 敷缠绕碳纤维层， 使多通接管掩埋在里面， 外部看起来似整体成型。 以确保自行 车的强度。 外胎采用软边胎， 断面较宽着地面积比较大， 能适宜多种道路行驶。 外胎上 有花纹，可以增加与地面的摩擦力。 - 7 - 攀枝花学院本科毕业设计 （论文） 传统折叠自行车介绍 2 传统折叠自行车介绍 2.1 折叠自行车的起源 自行车起源于欧洲。 1790 年：法国的西夫拉克伯爵（ Comte de Sivrac ）将 两个轮子装在木马上，人骑在上面用脚蹬地前行，称木马轮。 1816 年：德国的 冯德赖斯男爵（ Baron Karl von Drais ）发明有车把可控制方向的木轮车，当年 获英国专利。 1839 年：苏格兰铁匠麦克米兰（ Kirkpatrick MacMillan ）制成由 曲柄连杆结构驱动后轮的铁制自行车。 1861 年：法国的米肖父子发明前、 后轮小，前轮上装有曲柄和能转动的踏板的自行车，并于 1867 年在巴黎博览会 上展出。 1874 年：英国的劳森（son ）在自行车上采用了链条传动结构。 1886 年：英国的斯塔利（ J.Starley ）使用了滚珠轴承和车闸，并将前后轮改为 大小相同。 1888 年：英国的邓洛普（ John Boyd Dunlop ）成功使用了充气橡胶 轮胎，自行车至此基本完善。 图 2.1 折叠自行车示例 折叠式自行车是英国人克莱夫 . 辛克莱尔的一项新发明，它一上市，就因构 思奇特、造型新颖、结构紧凑、用料新奇（车架材料为经热处理的铝和高强度玻 璃纤维强化的高聚合物）而吸引了众多目光，因此，虽然价格不菲，很快就被抢 - 8 - 攀枝花学院本科毕业设计 （论文） 传统折叠自行车介绍 购。 折叠式自行车的确是一种独特、 方便的交通工具， 尤其适合作为几公里至十 几公里距离的代步工具。 这首先是因为它携带方便， 重仅 15 公斤，只需 11 秒种 即可折叠或展开，而且很容易地装入一个旅行袋带上汽车、火车、飞机，下车或 走出机场后，只需几秒就可打开，骑上完成最后的旅程。 2.2 折叠自行车的折叠方式 折叠自行车是一种带脚踏的两轮车辆， 可以折叠或通过其他方式转换成便携 的形状、尺寸或包装以便于存储或运输。折叠自行车包括可拆卸自行车。 （折叠 自行车包括可拆卸自行车和不可拆卸自行车， 部分折叠车还是电力驱动的。 ）有 些折叠车是电力驱动的。 在各个国家，折叠自行车在法律意义上归属于自行车 （或 电动车），必须符合所有相关安全标准才能上路。 一般折叠车有车架折叠关节和立管折叠关节构成。 通过车架折叠， 将前后两 轮对折在一起， 可减少 45%左右的长度。 整车在折叠后可放入登机箱和折叠包内， 以及汽车的后备箱。 在折叠的过程中也不需要借助外来工具， 可手动将车折叠展 开。在折叠后通过座杆做为支撑点以使折叠后能立稳。 折叠自行车携带、 使用方 便舒适，生产工艺成熟。目前市面上的折叠自行车都能实现折叠功能。 常见的折叠自行车整车在折叠后体积小巧便于携带。 在折叠的过程中也不需 要借助外来工具， 可手动将车折叠展开。 在折叠后通过座杆做为支撑点以使折叠 后能立稳。 但是这一功能并没有被消费者充分利用。 原因在于市面上常见折叠自 行车的这个功能并不适用。 生产折叠自行车的厂家虽然很多， 但是产品类型基本 雷同，折叠方案大致为：折叠大梁，缩小体积，折叠把手所在的竖直杆，使用伸 缩结构将座椅支架缩短。 但是这样操作完成后的自行车已变成形状扭曲混乱的一 堆金属管， 失去了任何功能性和观赏性。 由于市面上的折叠自行车普遍采用铁材 或铝合金， 重量较大， 所以即使完成折叠使整车体积变小， 也没有突出便携式等 特点。折叠自行车相对于普通自行车有更多的零部件， 所以对折叠功能的弃置导 致了很严重的资源浪费。 虽然国外的折叠自行车功能相较我国先进， 但折叠自行 车的优势没能体现出来。 自行车的材料主要有铝质和钢质， 也有极少数使用镁合金， 更有极少数高档 产品使用碳纤维材料。 如果您经常需要提着车子上下楼， 建议您选用铝质车架的 产品，这样的车大多在 10 公斤左右， 20 寸的一般也不超过 12.5 公斤。不仅是 重量轻，而且铝质车架产品的寿命也更长，不用担心生锈。当然，不能只以重量 作为唯一指标， 车架的强度不可忽略， 有些厂家为了减少车重， 他们是通过降低 车架材料的厚度来实现的， 难以保证车架具有足够的强度。 选车时最好骑上去试 - 9 - 攀枝花学院本科毕业设计 （论文） 传统折叠自行车介绍 试，不仅可以感觉车架强度， 而且可以测试整车的力学设计是否合理， 好的 设计可以保证骑行姿势伸展，即使长距离也不会疲劳。 另外一方面，部分高级品牌的折叠自行车还有一项优势，就是可以在 10 到 20 秒内，折叠成小巧的尺寸，这项优势在英国品牌 Brompton 伯龙腾身上体现得 尤为突出。独特的折叠设计可以确保车灯、缆线等不受损坏，并且在折叠之后， 可以放置进相匹配的折叠包中，不用担心链条与齿轮会弄脏衣服与行李袋。 2.3 自行车的保养 一、怎样保护自行车电镀层 ? 自行车上的电镀层是铬镀层， 不仅增加自行车美观， 还可延长使用寿命， 平 时应注意加以保护。 （1）经常擦拭。 一般说来， 每周宜擦拭 1 次，应用棉纱或软布把灰尘擦掉， 再加些变压器油或机油擦拭，如果遇上雨淋水泡时，应及时用清水洗净，擦干， 再加点油。 （2 ）骑车不宜太快。平时，飞快的车轮会将地面上沙砾掀起，对车圈形成 很大的冲击力，使车圈受损。车圈严重的锈洞，大都是这种原因造成的。 （3 ）自行车电镀层不能与食盐、盐酸之类物质接触，也不宜放在煤烟熏烤 的地方。 （4 ）电镀层如有锈迹可用少许牙膏轻轻拭去。自行车镀锌层如幅条等不要 擦拭，因为表面生成的一层暗灰色的碱式碳酸锌，能保护内部金属不受腐蚀。 二、怎样延长自行车轮胎的寿命 ? 马路的路面大都是中间高两边低，自行车行驶时，必须靠右侧。因为，轮胎 的左侧常比右侧磨损得厉害。同时，由于重心靠后，后轮一般比前轮磨损快。如 果在新轮胎使用一段时间后， 把前后轮胎调换使用， 并调换左右方向， 这样便可 延长轮胎寿命。 三、怎样保养自行车外胎 ? 自行车外胎耐磨性好，承受负荷大。但是，使用不当常常会加速磨损，出现 龟裂、爆破等现象。平时，使用自行车时应注意以下几点： （1）充气要适量。内胎充气不足造成的瘪胎，不仅阻力增大，骑车费力， 而且加大了车胎与地面摩擦面积， 使外胎加速磨损折裂。 充气过足， 加上日晒胎 内空气膨胀，胎内帘线容易被胀断，会缩短使用寿命。因此，打气要适量，寒冷 天气可足些，夏天要少些；前轮气少些，后轮气要足些。 （2 ）不要超载。各种外胎的侧面都标有它的最大载藏重量。如普通外胎最 大载重量为 100 公斤，加重外胎最大载重量为 150 公斤。 自行车裁人和车子本身 - 10 - 攀枝花学院本科毕业设计 （论文） 传统折叠自行车介绍 重量是由前后两个车胎分但的。前轮承受总重量的 l/3 ，后轮为 2/3 。后衣架上 载重几乎全部压在后胎上， 超载过重， 加大了车胎与地面摩擦， 特别是由于胎侧 的橡胶厚度比胎冠 ( 花纹处 ) 要薄得多，经常重载易变薄出现裂口， 在胎肩处爆破。 四、自行车链条打滑处理法 自行车链条使用时间长了会出现滑牙的现象。 这是由于链条孔的一端磨损造 成的，如采用以下方法，可以解决滑牙问题。 由于链条孔有四个方向受摩擦， 所以只要打开接头， 翻个圈， 把链条的内圈 变做外圈，受损的一面不直接同大小齿轮接触，就不再打滑了。 最后，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，各种自行车的研究已经使得我国成为最具潜力取得世界领先水平的产品。 自行车的设计形态巧妙、 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。 - 11 - 攀枝花学院本科毕业设计 （论文） 折叠购物自行车系统结构及组成 3 折叠购物自行车系统结构及组成 3.1 系统结构 自行车的车架、轮胎、脚踏、购物框、购物小轮等多个部件中，其基本部件 缺一不可。其中，车架是自行车的骨架，它所承受的人和货物的重量最大。 按照各部件的工作特点，大致可将其分为导向系统、驱动系统、刹车系统。 导向系统：由车把、前叉、前轴、前轮等部件组成。乘骑者可以通过操纵车 把来改变行驶方向并保持车身平衡。 驱动系统： 由脚蹬、 中轴、大链轮、 曲柄、链条、 后轴、 小链轮等部件组成。 人的脚的蹬力是靠脚蹬通过曲柄，大小链轮、链条、后轴等部件传动的，从而使 自行车不断前进。 折叠系统：包括折叠自行车的折叠器和自锁装置等。 折叠关节是折叠车上最 关键的部位， 它承受来自各个方面的压力， 所以它一定要非常坚固， 同时又要操 作简便 , 外观有艺术美感。 其他装置： 根据需要， 还可增加一些附件， 如支架、 衣架、保险叉、挡泥板、 气筒等。另外，装有变速机构的运动车、竞赛车、山地车等还装有变速和 前后拨链器等。 3.2 组成 （1）车体部分：包括车架、前叉、车把、鞍座和前叉合件等，是自行车的 主体。传动部分包括脚蹬、 曲柄、同步带轮、 同步带、中轴等， 由人力踩动脚蹬， 通过以上传动件带动车轮旋转，驱车前行。 （2 ）行动部分：即前后车轮、包括前后轴部件、车圈、轮胎等。 3.3 部件 （1）车架部件是构成自行车的基本结构体，也是自行车的骨架和主体，其 他部件也都是直接或间接安装在车架上的。 车架部件的结构形式有很多， 但总体 可以分为两大类： 即男式车架和女式车架。 由于自行车是依靠自身的驱动力 和骑车技能而行驶的， 车架便成为承受自行车在行驶中所产生的冲击载荷以及能 - 12 - 攀枝花学院本科毕业设计 （论文） 折叠购物自行车系统结构及组成 否舒适、安全地运载的重要结构体， 车架部件制造精度的优劣， 将直接影响 乘骑的安全、平稳、和轻快。 （2 ）外胎：分软边胎和硬边胎两种。软边胎断面较宽，能全部裹住内胎， 着地面积比较大， 能适宜多种道路行驶。 硬边胎自重轻， 着地面积小适宜在平坦 的道路上行驶，具有阻力小，行驶轻快等优点。 外胎上的花纹是为了增加与地面的摩擦力。山地自行车的外胎宽度特别宽， 花纹较深也是适应越野山地用。 （3 ）脚蹬部件：脚蹬部件装配在中轴部件的左右曲柄上，是一个将平动力 转化为转动力的装置， 自行车骑行时， 脚踏力首先传递给脚蹬部件， 然后由脚蹬 轴转动曲柄，大同步带轮，中轴，同步带，使后轮转动，从而使自行车前进。因 此脚蹬部件的结构和规格是否合适， 将直接影响骑车人的放脚位置是否合适， 自 行车的驱动能否顺利进行。 脚踏：可分为整体式脚踏和组合式脚踏。 无论什么款式的脚踏都必须有脚踏 面，必须安全可靠， 具有一定的防滑性能， 可以选用橡胶、 塑料或金属材料制造。 脚踏必须转动灵活。 （4 ）前叉部件：前叉部件在自行车结构中处于前方部位，它的上端与车把 部件相连，车架部件与前管配合， 下端与前轴部件配合， 组成自行车的导向系统。 转动车把和前叉，可以使前轮改变方向，起到了自行车的导向作用。此外， 还可以起到控制自行车行驶的作用。 前叉部件的受力情况属悬臂梁性质， 故前叉 部件必须具有足够的强度等性质。 （5 ）链条：链条传递扭矩。其作用是将脚踏力由曲柄、大链轮传递到小链 轮和后轮上，带动自行车前进。 链轮：用高强度钢材制成，保证其达到需要的 拉力。 （6 ）小链轮：以内螺纹旋拧固定在后轴的右端，与大链轮保持同一平面， 并通过同步带与链轮相连接，构成自行车的驱动系统。 - 13 - 攀枝花学院本科毕业设计 （论文） 折叠购物自行车的结构设计 4 折叠购物自行车的结构设计 4.1 方案的对比与车梁结构形式的确定 传统的自行车分为单梁自行车和三角梁自行车， 单梁自行车的优点为结构简 单， 占用空间小。 其不足之处为对梁的强度要求较高， 如果达不到强度要求很可 能会造成前梁开裂变形。 图 4.1 传统单梁自行车 相对于传统单梁自行车而言， 传统三角梁自行车多了一个横梁， 这让车架成 为三角结构， 使车架更加牢固同时， 大大增加了自行车的稳定性和安全性， 但是 它在车架上添加了一个横梁， 这样减少了自行车的骑行空间， 对于个子较小的人 来说，骑行十分不方便。 - 14 - 攀枝花学院本科毕业设计 （论文） 折叠购物自行车的结构设计 图 4.2 传统三角梁自行车 由于我们要设计的为可以折叠成购物车的自行车， 自行车需要进行两次折叠 后使前后轮处于两个平行的平面， 且前后两个车筐不产生干涉。 首先折叠两次单 梁自行车的车梁需要从中间断开两次， 这样对大梁的强度影响较大， 同时折叠后 的自行车稳定性较差。 三角形梁的自行车完成折叠虽然强度足够， 但是折叠的两 个梁成一定角度，折叠结构非常复杂不实用。 就以上对比分析采用双梁稳定加强结构， 同时双梁做成平行梁， 方便折叠， 结构简单容易操作。（见下图） 图 4.3 折叠购物自行车 - 15 - 攀枝花学院本科毕业设计 （论文） 折叠购物自行车的结构设计 4.2 整体车架结构设计 4.2.1 人一自行车系统 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。 （1）人与支撑部件关系 图 4.4 人 - 车界面关系 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 - 16 - 攀枝花学院本科毕业设计 （论文） 折叠购物自行车的结构设计 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。 4.2.2 影响自行车性能的因素 影响自行车性能的因素很多，如图 4.5 所示。现主要分析下述几点： （1）人的体格因素以身高 H 为基本因素，其他身体的能力与 H 成比例， 并有与 H2、 H3 成比例的特性。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 H 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 H2 成比例。肺活量、血液量、心脏 容量等都可看成与 H3 成比例。体格对出力性能的影响，从理论上讲，弹跳能力 与 H成比例，速度能力与 H2 成比例，作功能力和 H3 成比例。但实际上因每个 人身体素质不同，常有 20％以上的偏差。 （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 4.5 影响自行车性能的因素 （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 - 17 - 攀枝花学院本科毕业设计 （论文） 折叠购物自行车的结构设计 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 ）人的疲劳疲劳和疼痛是对骑车出力性能的不利因素，其产生原因 有因素，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。 4.2.3 折叠购物自行车折叠设计 在使用状态时中间活动梁与自行车前后车架平行且在同一直线， 固定销钉卡 扣安放在每个梁上的竖向卡槽内使前中后三梁保持相对固定。 当需折叠时中梁与 前后梁成 90 度关系，此时固定销钉则与前后梁的横向卡槽配合固定，同时后架 竖梁上的辅助车轮放下，使购物车有三组车轮，保证了购物车的平稳性。 使用状态： 折叠状态： 图 4.6 使用状态 图 4.7 折叠状态 - 18 - 攀枝花学院本科毕业设计 （论文） 折叠购物自行车的结构设计 4.2.4 大梁折叠扣设计 大梁折叠扣通过销轴与大梁后段连接， 可自由转动， 自行车使用状态时， 中 间活动梁与自行车前后车架平行且在同一直线， 固定销钉卡扣安放在每个梁上的 竖向卡槽内使前中后三梁保持相对固定。 当使用人员需要折叠大梁时， 只需要向 上提起销钉卡扣， 使大梁卡扣与扣槽脱开， 向任意方向扳动大梁折叠， 即可实现 折叠功能。然后再将卡扣放入卡槽并将辅助轮放下，形成购物车模式。 图 4.8 折叠装置（锁死状态） 图 4.9 折叠装置（折叠状态） 4.3 滚子链轮的传动结构设计 4.3.1 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 lh ，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 30~40N,娱乐情况下我们估算为 - 19 - 攀枝花学院本科毕业设计 （论文） 折叠购物自行车的结构设计 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 P 2 3.14 0.18 30 1w 33.912w 1 （180mm为一般自行车的踩踏杠的长度）。 查《机械设计手册》得： η 踩踏关节的损失： 1 =0.97 η 链传动的损失： 2 =0.96 η 滚动轴承： 3 =0.97 轴系效率： η=0.98 4 由以上算出的总的传动效率： 2 η η η η η 0.96 0.97 0.98 0.885 1 2 3 4 所以输出功率为 P P 0.885 33.912 30.01w S 1 4.3.2 链轮传动结构设计 在本次自行车链轮的设计参数按机械设计手册进行选择。 由于该折叠购物自行车的轮子直径较小，自行车轮胎外圆直径为 300mm，按 照正常自行车蹬一圈所行使的距离计算，链轮的传动比为 6:1 较为合适。 （1）选择链轮齿数 z1 、 z2 z1 9 z2 54 P （2 ）计算当量的单排链的计算功率 ca 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 K A K Z P P ca K P （式4.1 ） 式中： K A 工况系数，查《机械设计》表 9-6 得 K A 1.0 KZ 主动链轮齿数系数，查《机械设计》图 9-13 得 KZ 0.45 - 20 - 攀枝花学院本科毕业设计 （论文） 折叠购物自行车的结构设计 KP 多排链系数由于是单排链，所以 K P 1.0 K A K Z 故 P P 0.45 33 .912 0.01526 kw ca K P （3 ）确定链条型号和节距 P P n 链条型号根据当量的单排链的计算功率 ca 和主动链轮转速 1 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 链轮的型号选择：链轮的型号选择 08A 该型号的参数见表 4.1 。 表 4-1 链轮参数 销轴直径 套筒直径 节距 p 滚子直径 d1 内节内宽 b 通道高度 d2 d3 12.7 7.92 2.85 3.98 4.00 12.33 （4 ）计算链节距和中心距 初选中心距 a0 = (30 ~ 50) p ，按下式计算链节数 L p 0 a z z z - z 2 p 9 54 9- 54 2 1 0 1 2 2 1 Lp0 2 ( ) 2 (30 ~ 50) ( ) (92~ 132) p 2 2 π a0 2 2 π (30 ~ 50) 将 L P0 圆整为偶数 LP 108 链传动的最大中心距为： a f p[ 2L - (z z )] 0.24907 12.7[2 108- (54 9)] 480.626mm 1 P 1 2 f1 式中， 为中心距计算系数，查《机械设计》表 9-7 得 f=0.24735 1 （5 ）计算链速，确定润滑方式 z n p 54 60 12.7 v 1 1 0.68m/ s 60 1000 60 1000 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 P 0.033912 有效圆周力 F 1000 1000 49 .86 N e v 0.68 （7 ）压轴力 - 21 - 攀枝花学院本科毕业设计 （论文） 折叠购物自行车的结构设计 F 1.10 49.86 54.84N （8 ）小轮包角 p( z z ) 180 i

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