立躺姿势可调式自行车设计

1、青岛滨海学院毕业设计前 言自行车在我国是很普及的代步和运载工具。它到今天已经有两百多年的发展历史，同时，自行车也被认为是环保交通工具的代表。传统自行车的结构已基本定型，其市场也趋于饱和。新型自行车结构的研发设计是自行车生产商提高市场竞争力的关键，但生产厂商主要在制造及管理过程中追求利润，不注重产品的创新,在产品的研发设计上与国际水平有着较大的差距。自行车产品设计的发展趋势应该是多品种、小批量、个性化的生产。在新产品的开发与研制中，创新的作用举足轻重且极富挑战性。越来越多的国内外人士已将目光投向产品创新与技术创新这一领域。本文以自行车结构为设计对象，首先归纳了相关的创新思维和创新设计的理论及方法

2、，分析了现代自行车的主要形式，为自行车创新设计奠定了理论基础。并介绍了新型自行车结构的设计过程，从人机工程学的角度，考虑自行车车架造型的创新设计。并在人机工程学和机械设计的基础上,采用了基于坐标尺寸的参数化设计,较好地解决了自行车车架设计中结构和形状上的问题。随着社会的发展，人们生活水平的提高，人们从而可以花费更多的时间和金钱来改善自己的出行。本产品就是着力与娱乐、休闲方面进行设计的。其采用了与以往自行车不同的车架结构设计，让人骑行时更加的舒适。本文全面介绍了所用到的材料及所用到的部件，主要包括自行车设计的技术经济指标，使用要求，设计步骤及相关的阻力的计算等。由于时间紧促、资料不足，以及自己知

3、识和经验有限，设计和介绍中难免有不足之处，恳请各位老师批评指教。1 自行车的总体设计方案自行车的发明已经有两百多年的的历史了，1790年，法国人西夫拉克研制成木制自行车，无车把、脚蹬、链条。车的外形像一匹木马的脚下钉着两个车轮，两个轮子固定在一条线上。由于这辆自行车没有驱动装置和转向装置，座垫低，西夫拉克自己骑在车上，两脚着地，向后用力蹬，使车子沿直线前进。1817年，德国的冯德莱斯男爵发明了一种能自由活动的车把，使他的自行车转变比较方便。1839年，英国一位工人K麦克米伦首创了用曲轴机构驱动后轮的脚踏自行车，可使人在骑自行车时双足离开地面。1861年的一天，巴黎的马车和婴儿车制造商米肖父子修

4、理德莱斯式自行车，修好后在坡道上试车时，感到这种车放脚很困难，于是对它进行了改进，在车的前轮上安上脚蹬曲轴，从而发明了米肖型自行车，不久这种自行车便开始大量生产。大概在1870年前后，法国的马执又制造了一种前面驱动轮大，后面从动轮小的自行车，这种车的运行效果较好。1890年后，英国的亨伯公司生产出一种用链条传动的、车为菱型的自行车，这种形式的自行车一直沿用至今。自行车的形式经过两百多年的发展已经基本固定下来，虽然近几年有许多新式的自行车出现，比如折叠自行车和各种改装车，但应用并不广，一般只适用于某些特殊的场合和某些爱好者的需要，总的来说，传统的自行车的使用仍非常普遍。1.1传统自行车的缺点经过

5、两百多年的发展，传统自行车的结构几经改变已趋近于完美。但是，事物有利总有弊，传统自行车仍然有一些无法避免的缺点：1.骑行时风阻大，由于传统自行车是直立型的，迎风面大，而且车手常常是弓着身体骑车的，逆风时阻力大，顺风时后背却是流线型的。2.舒适性较差，由于结构原因，传统自行车的坐垫普遍较窄，对胯部压迫大，再加上后背弯曲，很容易造成腰部、颈部疲劳酸痛，另外把手的设计不当也会使手腕疲劳。3.传统自行车重心较高，车手各重要关节朝向地面，骑行摔倒时伤害较大。4.车手视野差，特别是对于公路车车手，在弓身骑车时，不太容易抬头看前方，同时如果一直抬着头，也会使颈部疲劳。这些缺点这要是由于自行车的结构引起的，因

6、此如果要改进的话就只能从结构上想办法，这也是本课题的初衷。1.2总体设计方案综合传统自行车的结构和缺点，本课题讨论了各种对自行车的创新设计，主要有两种方案：一、后驱式躺式自行车；二、前驱式躺式自行车。1.2.1设计方案分析对于方案一，国外和国内的一些自行车爱好者对躺式自行车有一定的研究，也做出过一些实物，对于传统自行车的缺点有一定的改进，但同时也产生了不少问题。本课题的目标是做出设计一种躺式自行车，并作出三维的实体模型，论证躺式自行车的舒适性和使用价值。方案二中的前驱应用较少，其中存在的有些问题难度较大，在普通自行车上应用前驱并没有太大优势，但是如果应用在躺式自行车上，因为躺式自行车的主动齿盘

7、在前，离前轮较近，则前去有很大的优势。总的而言，前驱与后驱动比较，两者各有优缺点：后轮驱动的优点：操纵性好，转向灵活，能适合任何复杂的道路，和直立自行车一样操纵自如等。后轮驱动的缺点：链条长，传动系统复杂，有效功率损耗大，重量大些等。前轮驱动的优点：链条短，传动系统简单，有效功率损耗小，重量轻等。前轮驱动的缺点：操纵性极差，转向不灵活，不能适合任何复杂的道路，特别是不适合市区的道路等。从以上分析来看，前驱模式的自行车在广大城市的复杂交通没有优势，所以很难在普通使用者中普及。因此本设计暂定选用后驱式的驱动。此外躺式自行车与传统自行车比较仍有很多优点： 1.较直立式自行车的速度 斜躺车的骑行速度已

8、接近同价格的运动型公路车，能比较轻松的保持2530公里/小时的速度，在人少的道路上可以保持3742公里/小时，曾经瞬间最高速度已经达到55公里/小时。2.骑行的舒适度 斜躺车在骑行时，如同坐在躺椅上，不仅完全坐着，并且可以放松的靠在其靠背上面，还可以枕着头。这样的骑行姿势使得裆部、手腕不会受到恼人的压迫而引起的不适与疼痛，对于骑公路车、山地车的朋友来说还同时解决了脖子疼痛的问题（再也不需要仰着头了）。尤其在长途骑行时更能突显其舒适的骑行感觉。3.安全更可靠，视野更好 直立式自行车要么顾了前方的，要么顾了眼前的，斜躺车的骑行姿势使得在骑行时的视野更开阔，不自觉的会看到至少5米以外的东西，可以提前

9、了解前方的路况，近处就不看了。在十字路口停车时，直立式自行车通常只放一个脚在地上，偏一边的3点接触；这款车可以更快的更轻松的将双脚放在地上，4点接触，这样更稳定更安全。4. 摔车时，较直立式自行车摔得轻 直立式自行车摔车时因人体各关节离地距离相比斜躺车高，所以会摔得重，而且会摔到好多个关节部位，你有手撑的机会，就可能骨折，还会摔到脸，一般要一周到数周时间恢复。斜躺车即便紧急刹车或出现严重的撞击，也不会出现如普通自行车那样向前翻车！最多不过是脚受伤，而不是头部受伤！从而大副度提高了安全的效果。因为臀部离地低了很多,所以也不会摔得很重，特别适合骑长途。5.较直立式自行车刹车效果更好 斜躺车的座椅较

10、直立式自行车的高度降低了不少，加上舒适的骑行姿势而且还后移了重心，这样使得刹车效果也优于直立式自行车。因为大副提高了舒适度，所以特别适合骑长途。斜躺自行车的缺点：斜躺式自行车的骑行姿势使得车身不会很短，重了些,当然档次决定分量，相比直立式自行车灵活性会稍差些,当然也和你的控车能力有关,平衡不是问题, 所谓熟能生巧。骑斜躺式自行车的确能得到更多的骑行乐趣。2 自行车设计的技术经济指标自行车设计的基本任务是根据使用者的要求结合制造部门的可能性，创造性地运用有关科学技术和知识，设计出受用户欢迎的产品。因此，设计自行车时，首先应该选择合理的结构，同时还应符合有关技术经济指标的要求。社会对自行车使用的要

11、求是多方面的，因此，自行车的技术经济指标包括的内容也较多，这里就提出下列最常用的若干内容。1.使用寿命 自行车属日用消费品，不同类型的自行车均有相应的使用寿命要求，因为自行车的易损零部件，在运转中要磨耗、变形或损坏，不但增加了维修工作量，甚至会失去使用价值。因此，设计自行车时应根据不同的使用要求，对寿命问题予以重视。2.行驶安全性 这是自行车设计者必须考虑的内容，随着车辆的增多和车祸的经常发生，国内外对自行车的行驶安全性越来越加重视， 国际自行车标准已有明确的安全标准要求，不符合安全要求的自行车严格禁止行驶。因此，在产品设计结构上要保证达到安全标准要求。3.产品标准化 这是指自行车产品的系列化

12、，部件通用化和零件标准化。在各企业都在大力开展新品种的新形势下，标准化工作就显得更为重要了， 目前我国自行车标准化主要存在二个问题，首先是国家标准未能完全很好的贯彻， 不少人认为只要达到自行车质量鉴定40项就行了，这是一种不全面的观点。 因此，我国自行车首先应当符合国家标准的要求，同时，要使新开发的产品符合标准化要求， 标准要先行，如果各厂由于没有明确标准就自行设计，待社会上形成一定数量后，再统一标准就困难了。因此， 产品设计，首先要查找和依据有关标准。4.工艺性 自行车设计时要考虑加工工艺的合理性，特别批量生产的品种， 工艺合理性显得更为重要。所设计的自行车在保证使用要求的情况下，应该能用最

13、少的工时，材料和加工费用制造出来。同时，自行车的外形应合乎比例、和谐平整、美观大方，以增加使用者对自行车的美观感。贴花、色彩等也是吸引消费者的重要方面。现在消费者购买自行车时，主要依据是牌号、价格、外形和美观程度。在自行车日趋饱和，市场竞争更加剧烈与的新形势下，产品设计工作对外形和美观的考虑与研究就更加重要了。5.强度和最大容许负荷 设计自行车中的每个零部件时，必须保证足够的强度。任何一个零件在使用时都不应产生断裂损坏和发生的残余变形， 否则将不能正常地使用甚至引起事故。自行车如有过大的允许负荷能力，虽然能扩大其使用范围，但将使自行车零件的尺寸和强度随着增大，是不经济的，因此要合理选择而设计。

14、6.成本 自行车制造成本能综合地表示出很多项技术经济指标的结果。例如重量、自行车制造工艺性、新工艺采用情况和标准化通用化程度等。成本的高低，表示了经济上是否合理，所以产品设计要有经济观点，十分重视和努力降低自行车制度成本。7.骑行轻快和舒适 自行车既要有一定的刚度，也要有相应的弹性，否则就会影响骑行性能和使骑行者容易产生疲劳，因此对架、前叉和靠座等主要部件都要与人的体形结合起来考虑，使之达到骑行舒适的要求。自行车以人力驱动，所以在产品结构和传动速比，直至轮胎的形状和花纹都要符合轻快的要求，特别是轻便车，轻快的指标就更为重要。3 设计过程3.1总体初步设计本设计中的躺式自行车保持基本自行车的结构

15、不变，增加略微倾斜的“躺式靠座”以提高其舒适性，车轮仍然采用传统的自行车的标准车轮，车架结构需要重新设计，传动方式需要重新设计。具体如下：3.1.1驱动方式选择 由于躺式自行车车身较低、较长，且为了方便脚蹬车和发力，齿盘和踏板应设计在自行车前端，虽然造成主动齿盘离前轮较近，离后轮较远，从而明显加长链条的长度，这对成本及效率都会有一定的影响。但是也大大简化了其转向传动机构的设计，因此，我们最终决定选择后驱式的驱动方式。3.1.2传动方式设计由于我们采用后驱方式，这样用于传动的链条会比较长，从主动齿盘传递动力到后轮有两种方式：1.一级变速2.二级变速。二级变速结构复杂，需预留空间用于安装变速盘，且

16、会降低传动效率以及使成本增加。而一级变速结构简单，也容易实现，设计合适的导链轮即可解决链条太长引起的传动问题，同时，在后轮应用山地自行车的变速机构，这样也就使躺式自行车也可多级变速。综合考虑，本设计采用一级变速传动。以下是躺式自行车草图（图3-1）：图3-1 躺式自行车草图3.2各主要部件的设计3.2.1链条的设计链传动是一种挠性传动，它由链条和链轮（小链轮和大链轮）组成（如图3-2）。通过链轮轮齿与链条链节的啮合来传递运动和动力。链传动在机械制造中应用广泛。图3-2 链传动与摩擦型的带传动相比，链传动无弹性滑动和整体打滑现象，因而能保持准确的平均传动比，传动效率较高；又因为链条不需要像带那样

17、张的很紧，所以用于轴上的径向力较小；链条采用金属制造，在同样的使用条件下，链传动的整体尺寸较小，结构较为紧凑，同时，链传动能在高温和潮湿的环境中工作。与齿轮传动相比，链传动的制造与安装精度要求较低，成本较低。在远距离传动时，其结构比齿轮传动轻便的多。链传动的主要缺点是：只能实现平行轴间的同向传动，运转时不能保持恒定的瞬时传动比，磨损后易发生跳齿，工作时有噪音，不宜用在载荷变化大、高速和急速反向的传动中。自行车链条的传动属于链传动中的单排链,具有中间挠性件的传动类型.自行车链条的制造和安装的要求较低,对应的链轮和飞轮齿的受力较好,承载能力较大,有一定的缓冲和减振功能,中心距较大而且结构简单.同时

18、链传动的平均传动比准确,传动效率高,链条对前后轴的拉力较小,尺寸更为紧凑,能在恶劣的环境下工作.它的缺点是不能保持瞬间传动比的恒定,工作时有噪音，摩损后会发生跳齿等。但总的说来，自行车传动系统中利用链条来传动是利大于弊的。由于本设计中的传动链属于低速级，一般的传递的功率在100KW以下，链速不超过15km/s，所以决定采用传动链中的短节距精密滚子链（简称滚子链），且根据国家标准规定的链传动的最大传动比i=8,一般推荐使用i取2-3.5之间，本设计取i=3。自行车链条的链板制成8字形，以使它的各个横截面具有接近的抗拉强度，同时也减少了链的质量和运动时的惯性力。同时由于滚子链一般为了避免过渡链节的

19、使用，其链接数优先选用为偶数，所以本设计的链接数最后也应设计成偶数，即销轴接头处采用开口销连接。（如图3-3）图3-3 滚子链的结构形式 滚子链的结构如图（3-4）所示，主要由滚子、套筒、销轴、内链板和外链板组成。滚子链和链轮的啮合的基本的参数是节距p，滚子外径d1和内链节内宽b1。其中节距p是滚子链的主要参数，节距增大时，链条中各零件的尺寸也要相应的增大，可传递的功率也随着增大。图3-4 滚子链的结构考虑到我国链条的生产历史和现状，以及国际上许多国家的链节距均用英制单位，我国链条标准GB/T1234-1997中规定节距用英制折算成米制的单位。表3-1 滚子链规格和主要参数ISO链号节距P滚子

20、直径d1（max）内链节内宽b1（min）销轴直径d2（max）内链板高度h2（max）排距p1抗拉载荷单排min双排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列出了标准规定的几种规格的滚子链的主要尺寸和抗拉载荷。表中的链号和相应的标准链号一致，链号数乘以25.4/16mm即为节距值。本表主要介绍几种我国主

21、要使用的A系列的滚子链。 考虑到本设计中自行车链条的节距尺寸不宜太大，且链条的规格早已形成系列化，所以根据GB/T 1234-1997 选择自行车链条08A，GB/T 1234-1997 单排链，其主要参数为： 节距P=12.7mm, 滚子直径d17.92mm, 内链节内宽b17.85mm, 销轴直径d2 3.98mm，内链板高度h2 12.07mm。 根据节距为12.7mm,内链节内宽不小于7.85mm。查机械设计手册，第三册从而得出链条的具体参数，对应有：b1=8.2mm, d1=7.8mm d2=3.66mm, h2=9.91mm。由于链的使用寿命在很大程度上取决于链的材料及热处理方法，

22、因此组成链的所有元件均需要经过热处理，以提高其强度、耐磨性和耐冲击性。具体热处理方法见表3-2。表3-2 链条各部件热处理工艺零件名材料热处理工艺销轴45 钢淬火+回火外片低碳钢盘条淬火+回火滚子45 钢渗碳+淬火+回火内片45 钢渗碳+淬火+回火3.2.2 链轮的设计链轮由轮齿、轮缘、轮辐和轮毂组成。链轮设计主要是确定其结构和尺寸，选择材料和热处理方法。滚子链与链轮的啮合属于非共轭啮合，其链轮齿形的设计比较灵活。在国标GB/T1234-1997中没有规定具体的链轮齿形，仅仅规定了最小和最大齿槽形状及其极限参数。链轮的基本参数是配用链条的节距p，套筒的最大外径d1，排距pt和齿数z。链轮的主要

23、尺寸和计算公式见表3-3。关于链传动中链轮参数的选择，小链轮齿数Z1少可以减小外廓尺寸，但齿数过少则会增加运动的不均匀性和动载荷；且其传动的圆周角增大，间接地增加了链轮上的受力的大小，从整体上加速链条和链轮的磨损。可见，小链轮的齿数z1不宜过少。表3-3 滚子链链轮的主要尺寸的计算公式名称符号计算公式备注分度圆直径d齿顶圆直径da最小和最大直径对于最小齿槽形状和最大齿槽形状均可应用齿根圆直径dfdf=d-d1齿高haha为节距多边形以上部分的齿高，用于绘制放大尺寸的齿槽形状确定的最大轴突缘直径dgh2为内链板高度国家标准规定：链轮的最少齿数Zmin=9，一般Z17。同时，小链轮的齿数也不宜取太

24、大，在传动比给定的情况下，小链轮齿数增大，大链轮的齿数也会相应增大，其结果不仅增大了整体尺寸，还增加了跳链和脱链的机率。从这个意义上讲，国家通常限定链轮的最大齿数Zmax150，一般不大于114。到此，可知道在我国链轮齿数的选择一般在17到114之间。由于自行车的链轮不宜选取太大，所以在本设计中我选取的小链轮的齿数为17。在前面的设计中已经知道，链传动的传动比i=3，由传动比的计算公式i=Z2/Z1，Z2为从动轮齿数，Z1为主动轮齿数，从而求出从动轮即大链轮的齿数为51。由前面链条的设计可知其节距p=12.7mm，滚子直径d1=7.8mm。再由表3-3里的链轮尺寸计算公式求得：小齿轮的分度圆直

25、径d=p/sin(180/z)=58mm,齿根圆直径df=d-d1=50.5mm，齿高ha（min）=4.9mm，ha（max）=5.76mm，取ha=5mm。大齿轮的分度圆直径d=p/sin(180/z)=170mm，齿根圆直径df=d-d1=162mm，齿高ha（min）=4.9mm，ha（max）=5.76mm，取ha=5mm。小直径的链轮可制成整体式（图3-5a）；中等尺寸的链轮可制成孔板式（图3-5b）；大直径的链轮，常将齿圈用螺栓连接或焊接在轮毂上（图3-5c）。在本设计中只用到小尺寸的链轮和中等尺寸的链轮。图3-5 链轮的结构表3-4 链轮常用的材料及齿面硬度材料热处理热处理后的

26、硬度应用范围15,20渗碳、淬火、回火50-60HRCZ25）40,50，ZG310-570淬火、回火40-50HRC无剧烈震动及冲击载荷15Cr、20Cr渗碳、淬火、回火50-60HRC有动载荷及传递较大功率的重要链轮（z25的从动轮链轮的材料：链轮轮齿要具有足够的耐磨性和强度。由于小链轮轮齿的啮合次数比大链轮多，所受的冲击也较大，故小链轮应采用较好的材料制造。链轮常用的材料和应用范围见表3-4。因为自行车属于中等转速，所以我选择大齿轮选用Q235的材料，而小齿轮选用15Cr的材料。3.2.3车架的设计车架是构成自行车的基体，联接着自行车的其余各个部件并承受骑者的体重及自行车在行驶时经受各种

27、震动和冲击力。因此除了强度以外，还应有足够的刚度，这是为了在各种行驶条件下，使固定在车架上的各机构的相对位置保持不变，充分发挥各部位的功能。目前，市场上出现的车架主要有钢、铝合金、钛合金、碳纤维。就我们常见的几种材料的一些特性如表3-5：表3-5 几种常见材料的特性材料弹性系数（刚性）强度（降伏点）重量（kg/m）钢材3046-1627800-8200铝合金10-1111-50（4-22退火后）2700-3200钛合金15-16.540-1204500-4700要选出符合要求的材料首先应先知道材料的三个主要的技术指标：1.强度（STRENGTH）假设挂在金属棒另一端的重量，重到足以使金属棒产生

28、永久的变形，也就是说，当移开重物时，金属棒仍然呈现弯曲，无法完全回复原状，即所谓的降伏（yield）。使材料达到降伏的力量因材料不同而不同，这就是所谓的强度。2.刚性（STIFFNESS）假设一根金属棒的一端固定在夹具上，另一端加上一定的重量使得这根金属棒暂时弯曲，当把那个重物移开时，金属棒立即回复原来的型状。同样的重量加诸于不同材料时，会产生不同的弯曲程度，这就是刚性。刚性影响车架的骑乘品质，因为车架最怕在正常骑乘时发生变型。3.重量（WEIGHT）除了强度和刚性之外，重量也是一个议题。和刚性一样，重量受到材料合金成份的影响相当轻微。实际的单车依材料的特性加入计算，选择组成车架的每支管材的管

29、径和壁厚。这时和车架刚性主要相关的为管径，和强度主要相关的则为管材壁厚(管径也会有相关)，而管径和壁厚则影响了车架重量。为节省成本的同时考虑到安全性以及躺车的骑乘性能，我们选用的车架采用空心钢管分段焊接，材料为铬钼钢管。铬钼钢车架还具有以下优点：1、加工性好2、冲击的吸收性能好3、焊接容易4、价格便宜除此之外，铬钼钢车架也具有不少的缺点像容易生锈、应力集中引起的金属疲劳显著等。由于存在上述原因，焊接时采用各种方法来加工。如利用低温焊接等方法制造车架。不管是任何优秀的焊接，焊接部位(1000C以上)和另管道侧(室温)之间的温度差，冷却时收缩而发生残留应力。该部位受到应力集中时，可能会产生裂缝。结

30、果自行车骑的时间长时可能会引起金属疲劳，微观的硬化加工也使冲击的吸收性也变得差。本课题设计的躺式自行车的车架主体为用一根较粗直径钢管弯曲而成的结构，这个钢管将起主要支撑和受力的作用，其他零部件都将以其为标准定义尺寸，为满足舒适度的要求，它的尺寸应该根据人体生理学结构进行设计。车架还包括前叉、后叉，前叉及后叉的尺寸根据前后轮的大小来定。图3-6 车架由于躺式自行车的结构特点，前面无法安装载物架，为方便搭载各种物品，需配备车后架，因为在骑行时从后方载物架取物体非常不便，为方便使用者特别是长途骑行者的使用，我们特意将车后架的位置加高，车后架结构见总装配图（图3-11）车后架的材料依然采用铬钼钢。各连

31、接部位采用焊接，为体现美观，可进行喷漆处理。车架的总体设计如图3-6所示。通过测量人体大腿加小腿的人均长度（表3-6），可大体确定车身的基本高度，之后根据选定的标准车圈尺寸和工作状态的人机工程尺寸确定准确的工作高度和静态高度。表3-6 人体各主要部分的人均长度年龄分组男（18-60岁）女（18-55岁）百分位数10509095991050909599身高/cm160167175177181150157164165169体重/kg50597075834452636671上臂长294313333338349267284303312319前臂长2202372532582681982132292342

32、42大腿长436465496505523410438467476494小腿长344369396403419319344370375390计算平均值：（男人大腿长度加小腿长度的 50%+女人大腿长度加小腿长度的 50%）/2=（465+369+438+344）/2=808mm，即大腿加小腿的人均长度为808mm，所以车身的整体高度大致定为808mm。3.2.4确定前叉角度 前叉装在车架管内，能在管内可灵活转动。前叉上端与车把紧固连结在一起，下端与前轴连接，与前轮以前轴为中心自由转动，组成转动机构。前叉有三个作用：第一个作用是支撑前轮所受的重量，第二个作用是将车把转向动作传到前轮，第三个作用是前叉

33、下端压有弯度，能促使自行车有自己向前行驶的性能。减轻骑行者操纵强度，并起缓冲作用。车头角度决定了车子的操控灵活度及稳定性。车头角度越小，就必须出更大力转动车把，前轮才会左右转动。直挺的车头角度(72)，感觉起来会比较灵敏，而且车把转起来感觉会比较轻，左右转动比较简单省力。但这样也会导致车子高速中，操控几何的反应太快，增加了轮子左右摆动的不稳定性。低一点的车头角度(70)，车把转起来比较重，但车把的左右转控比较可预期，高速骑乘比较好操控。71是最受欢迎的车头角度，因为这个角度让车子爬坡时，车头旋转的感觉比较轻灵。所以我也采用71这个角度。图3-7 前车管角度参考图3.2.5 自行车曲柄长度的选择

34、曲柄长度的选择并无明确的规定，只需符合要求即可。考虑到本设计主要是躺着骑行，所以腿可以施加的力度比较大，所以选用较长的曲柄。表3-7 腿长与曲柄的关系腿长/cm曲柄长/mm72-7516075-78162.579-8116582-83167.583-86170-172.587-90175-177.5根据上面计算腿长均值尺寸为808mm，所以根据表3-7选取79cm到81cm的腿长范围，曲柄长度选取为165mm。3.2.6靠座的设计一般来说，座椅面高度与GB/10000-1988坐姿人体尺寸中的“小腿加足高”接近过稍小时，有利于获得合理的一面体力分布。计算平均值：（男小腿加足高的50%+女小腿加

35、足高的50%）/2=（413+382）/2=397.5mm，即座椅面高度为397.5mm。图3-8 靠座靠座底部为一块与车架弧度相适合的弧形钢板，为减轻重量，在钢板上切割使镂空，为保证舒适，在钢板上的坐垫以布类织物制成，同时为了通风排汗，靠垫中间制出沟槽。靠座底部加以支撑如图3-8所示。3.2.7车把的设计由于躺式自行车的重心较低，把手的位置可能会遮挡骑者的视线，因此把手的横梁应该低一些，但是如果太低，又会影响下方空间，这会导致骑车时大腿部位会碰触到横梁，甚至发生干涉，因此我们将车把横梁设计成M型(如图3-9)。图3-9 车把这样既避免了遮挡视线，也使横梁下方有一定的空间。另外，由于错乱的刹车

36、线和变速线也有可能遮挡视野，因此在实际制作中刹车线和变速线需要固定在两边。3.2.8前后轮的设计前后轮总称车轮，一个作用是承受自行车本身和骑车者的全部重量，另一个作用是车轮旋转推动自行车前进及转向，因此必须具有足够的强度，以免在行驶中受到震动发生折断。同时要求车轮必须圆正，可保证在旋转时平稳，此外车轮结构要有适当弹性，以增强避震性，提高骑行者的舒适性。重新设计车轮比较麻烦，同时增加了加工的难度，因此车轮采用普通自行车的标准车轮，如图3-10。图3-10 轮胎示意图宽度考量 如果在一个宽车圈上使用了非常窄的轮胎，可能会有漏气以及损坏车圈的风险。如果你在较窄的车圈上使用了宽胎，可能会有侧圈或车圈出

37、现故障的风险。轮胎与车圈的安全匹配所有的直径以毫米为单位，如表3-8。传统自行车的车圈大多为20x1.5到20x1.75之间。经安全性和速度方面综合考虑我们选择普通自行车前轮用20x1.5的车轮尺寸，后轮用26x1.75的车轮尺寸。所以我们的轮胎尺寸宽度选择也参照传统自行车的尺寸选择。前轮选择20x1.5的轮胎，后轮选择26x1.75的轮胎。表3-8 轮胎宽度的选择-|轮胎宽度- 车圈宽度|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自锁脚踏 在骑躺式自行车的时候，骑者的腿部是水平的，在小腿部没有很好的受力点，只能依靠鞋子与踏板的摩擦力，这样骑短途没有问题，但如果是长途骑行，就会使小腿疲劳，所以安装自锁脚踏板。自锁的优点：1 提速：个人认为骑行的效率可以分成三块.普通脚踏脚往下踩的力量可以占到70%左右吧.具体的数值没办法量化.但是这个70%应该是差不多的.上了锁之后.你就可以充分利用剩余的30%这个脚往上提的力量了.因为下踩和上提用到的肌肉不完全一样.新上锁之后感受非常明显.脚上的部分肌肉很快就发酸.以前骑车完全用不到的肌肉群现在开始发挥作

39、用了. 2 操控：只要你双手还能控住车.那么根本不用考虑平时骑车的时候脚下没底的感觉.不管多大的颠簸仍然可以随心所欲的抽脚蹬踏.有了自锁之后脚下非常踏实.注意力放在控车上就行.脚底和自锁浑然一体.划园的感觉也非常自然附：自锁脚踏简介自锁脚踏是运动骑行不可缺少的基本配备，可以大幅度提高踩踏效率。普通的自行车踏板只有在车手往下蹬的时候才会带动链条使自行车前进，而自锁脚踏是将踏板与车手的鞋连在一起，这样，在往下蹬之后，抬起的过程也会带动链条运动。一般来说使用自锁脚踏可以省力25%，可以很容易登上山坡。特别是长时间骑行就会感觉轻松很多，这是因为一只脚踩下去的时候另一只脚还可以往上提。另外，在颠簸路段上

40、不用关心脚与踏板脱开的问题。但是对于初学者应多多练习以免造成下车时的不方便。 3.2.10 前后闸和尾灯的设计前后闸是保证骑行安全的关键部件，有多种结构和形式，但不管何种结构，都要切实保证达到制动性能的要求以提高躺式自行车的安全性。由于躺式自行车重心较低，相对来讲，不容易被后方司机发现，特别是晚上骑行时会更加危险，因此尾灯不能是常规自行车的反射式尾灯，需在车后方加装LED尾灯，白天不需要点亮，与普通自行车尾灯没有区别，若在晚上骑行时，则点亮尾灯。下面是躺式自行车的主要部件示意图3-11： 3-11 躺式自行车主要部件示意图4 链传动的运动分析因为链是由刚性链节通过销轴铰接而成，当链绕在链轮上时

41、，其链节与相应的轮齿啮合后，这一段链条将曲折成多边形的一部分（如图4-1所示）。该正多边形的鞭长等一链条的节距p，变数等于链轮齿数Z，链轮每转过一圈，链条走过ZP长，所以链的平均速度v（单位为m/s）为：式中：Z1、Z2分别为主、从动轮的齿数 n1、n2分别为主、从动轮的转速，r/min。图4-1 链传动的速度分析链传动的传动比为：。因为链传动为啮合传动，链条和链轮之间的没有相对滑动，所以平均链速和平均传动比都是常数，但是，仔细观察会发现链传动的瞬时传动比和链速并非常数。在主动链轮上，铰链A正在牵引链条沿直线运动，绕在主动链轮上的其他铰链并不直接牵引链条，因此，链条的运动速度完全由铰链A决定。

42、由图4-1可见，铰链A随同主动链轮运动的线速度为V1=R1w1，方向垂直于AO1，与链条直线运动方向的夹角为。因此，铰链A实际用于牵引链条运动的速度为：式中，R1为主动轮的分度圆半径。因为是变化的，所以即使主动链链轮转速恒定，链条的运动速度也是变化的。当即=180/Z1时，链速最低；当=0时，链速最高。是主动链轮上一个链节所对的中心角。链速的变化呈周期性，链轮每转过一个链节，对应的链速变化一个周期。在水平方向的链速发生变化的同时，铰链A还带动链条上下运动，其上下运动的链速为也是呈周期变化的。在主动链轮牵引链条变速运动的同时，从动链轮上也发生着类似的过程。从图中可以看到，从动轮上的铰链C正在被直

43、线链条拉动，并由此带动从动轮以w2转动，由图可求出铰链C沿圆周方向运动的线速度为：V2=R2w2，由此可知从动轮转速为：所以w2也是周期性变化的。从而求出其瞬时传动比为 可见链传动的瞬时传动比是变化的。链传动的传动比与链条绕在链轮上的多边形特性有关，所以这个现象也称为链传动的多变性效应。5 自行车的安全性要求自行车最主要的要求是保证骑行安全。达到安全要求，虽然有材质、制造技术和组装等因素，但首先是从设计上符合安全要求，要求从设计一开始就始终贯彻高质量和安全性。自行车成车和各零部件都有详细的安全要求，现将设计中首先要考虑到的一些安全要求予以简述。5.1制造和组装的要求自行车设计应有可靠的计算依据

44、，以保证足够的强度，保证骑行安全。一辆完整的自行车在正常骑行、搬运和维修时，凡骑行者的手、腿等可能触及之处，均不应有外露的锐边。自行车组装后的任何突出物，其长度超过5mm的，原端倒圆定为7mm。其大端尺寸(宽度)定为15mm，小端尺寸(厚度)定为5mm。自行车车架的上管上，在靠座和靠座前300mm外之间不应有突出物，但直径不大于6.4mm的钢绳套管和厚度不大于4.5mm的套管夹则允许附在上管上。螺钉的外露突出部分，在螺母旋紧之后，应短于螺钉的外径尺寸。5.2链传动的主要失效形式5.2.1链条的主要失效形式链传动的主要失效形式有：1.链的疲劳破坏。链在运动过程中，其上的各个部件都在变应力作用下工

45、作，经过一定的循环次数后，链板将会因为疲劳而断裂；套筒、滚子表面将会因为冲击而出现疲劳点蚀。因此，链条的疲劳强度将成为决定链传动承载能力的主要因素。2.链条铰链的磨损链条在工作过程中，铰链中的销轴与套筒间不仅承受较大的压力，而且还有相对转动，导致铰链磨损，其结果使链节距增大，链条总长度增加，从而使链的松边垂度发生变化，同时增大了运动的不均匀性和动载荷，引起跳齿。3.链条铰链的胶合当链速较高时，链节受到的冲击增大，铰链中的销轴和套筒在高压下直接接触，同时两者相对转动产生摩擦热，从而导致胶合，因此，胶合在一定程度上限制了链传动的极限转速度，对于我们的设计来讲，此点不足以影响自行车的性能，不做过多的

46、研究。4.链条的静力破坏。当链速较低时（v0.6m/s），如果链条负载不增加而变形持续增加，即认为链条正在被破坏。导致链条变形持续增加的最小负载将限制链条能够承受的最大载荷。5.2.2链轮的主要失效形式在传动过程中，链轮的主要失效形式有以下几种：1.轮齿折断 轮齿折断有多种形式，在正常情况下，主要是齿根弯曲疲劳折断，因为在轮齿受载时，齿根处产生的弯曲应力最大，再加上齿根过渡部分的截面突变及加工刀痕等引起的应力作用，当链轮重复受载时，齿根就会产生疲劳裂纹，致使轮齿疲劳折断。2.齿面磨损 在链传动中，齿面随着工作条件的不同会出现多种不同的磨损方式，它是链轮的主要失效形式之一。最常见的像链轮啮合面落

47、入沙粒等时，齿面即被逐渐磨损而报废。3.齿面点蚀 点蚀是链轮齿面的疲劳损伤的现象之一。齿面上最初出现的点蚀仅为针尖大小的麻点，如工作条件仍为改善，麻点就会逐渐扩大，最后形成了明显的损伤。4.塑性变形 塑性变形属于链轮永久变形的一大类失效形式，它是由于在过大的应力作用下，链轮材料处于屈服状态而引起的材料塑性流动形成的。可以采取提高齿面硬度，采用高粘度或有极压添加剂的润滑油等方法减缓塑性变形。5.3链传动的张紧和润滑链传动的张紧 链传动张紧的目的，主要是为了避免在链条的垂度过大时产生啮合不良和链条的振动现象；同时也为了增加链条与链轮的啮合包角。考虑到本设计的链条比传统自行车长许多，所以链传动张紧装置就显得尤为重要了。为此，我专门在车架上安装了导向轮，一是可以提高链传动的流畅性，二是可以增大链条与链轮啮合的包角。如图5-1所示。图5-1 导向轮示意图 链传动的润滑 链传动中销轴与套筒之间产生磨损，链节就会伸长，这是影响链传动寿命的最主要因素。因而，润滑是延长链传动寿命的最有效的方法。润