脚踏式休闲车设计毕业论文

1、吉 林 农 业 科 技 学 院学 士 学 位 设 计 说 明 书论 文 题 目：脚踏式休闲车设计 年 级 专 业：20* 级机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名：* 学 号：* 指 导 教 师：于振文 评 阅 教 师： 明哲、蒋俊香 完 成 日 期：*年6月16日 吉林农业科技学院脚踏式休闲车设计脚踏式休闲车设计学 生: *专 业: 机械设计制造及其自动化指导教师: 于振文摘 要经过了追求物质生活的年代，人们开始追求真正健康的生活方式。选择“绿色出行”也成为人们在选择开私家车、坐公交车之外的一个选择。休闲车无噪音、无污染、重量轻、结构简单、造价低廉、使用和维修方便，既能作为代步和运载货物的工

2、具，又能用于体育锻炼，因而为人们所广泛使用。此次的研究目的是设计一种新型的脚踏式休闲车，可供四人骑行，使其行驶平稳省力。这种休闲车主要适应于人们在健身、运动、休闲、旅游等户外活动使用，并且更多的是让人们环保意识的增加和崇尚自然的心态使然。休闲车设计涉及到大量计算和技术问题，本设计将利用SolidWorks2011、Auto CAD 2007等软件从模型出发到一整部休闲车成型的介绍。虽然在当今社会，有更多可选择的新型交通工具可供人选择，但在提倡低碳生活的今天，休闲车作为绿色交通工具更被人们所青睐。因此对休闲车进行优化设计和分析研究具有重要意义。- -脚踏式休闲车设计Pedal Type Recr

3、eational Vehicle Design Name: *Major: Mechanical Design, Manufacturing and AutomationTutor: YuzhenwenAbstract After the pursuit of material life，people begin to pursue the true health life style. " Green travel" has become in the choice to open the car，bus outside of a choice. Recreational

4、 vehicle no noise，no pollution，light weight，simple structure，low cost，convenient to use and repair， as both travel and cargo carrying tool，and can be used for physical exercise，which are widely used for people. The aim of this study is to design a new pedal type recreational vehicle，but 4riding，so t

5、hat the smooth running and labor. This recreational vehicle is mainly suitable for the people in the fitness，sports，leisure，tourism，and other outdoor activities，and more it is to let the people environmental protection consciousness increase and advocating the natural attitude.Recreational vehicle d

6、esign involves a large number of calculations and technical problems，this design will use the SolidWorks2011，Auto CAD 2007software from a model to a whole recreational vehicle molding introduction. Although in today's society，have more choice of new vehicles to choose from，but in the low carbon

7、life today，recreational vehicle as a green vehicle，more people favor. So the recreational vehicle design and analysis research has important significance.- II -目 录摘 要IAbstractII1 引言11.1 选题背景11.2 休闲车的总类和组成21.3 目前休闲车的研究现状31.4 研究的基本思路和目的51.5 现代休闲车的发展历程概述61.5.1 现代休闲车的发展61.5.2 休闲车向多样化、人性化、高科技化路线发展71.5.3

8、概念休闲车的发展72 休闲车设计的要点102.1 人体工程学分析及车身底盘尺寸的初定102.1.1 人性化设计在休闲车中的应用102.1.2 底盘尺寸的初步确定152.2 驱动、导向系统的设计162.2.1 驱动系统的设计162.2.2 导向系统的设计182.3 自行车链条的设计192.3.1 自行车链条的特点及主要的失效形式192.3.2 链条的各参数的确定203 休闲车各部分的选材及质量评估213.1 常用材料及特点213.2 材料的选择243.3 连接件分析校核243.4 休闲车行驶阻力分析254 最终设计尺寸及3D模型的完成274.1 轴、链、轮及标准件的校核装配27参 考 文 献29

9、致 谢30脚踏式休闲车设计1 引言1.1 选题背景休闲车是一个很泛的概念，包含山地车、折叠车、三轮车以及四轮、多轮休闲车等等。休闲车大家族之一的休闲车更因为用途广泛而被熟知。休闲车又叫脚踏车或单车，一般以人骑上脚踩踏板驱动；休闲车则一般有26个轮子，由手摇或座式、躺式脚踏等不限方式驱动。英文bicycle或bike的bi意指二而cycle意指轮。在中国大陆、台湾、新加坡，通常称为“休闲车”或“脚踏车”，在香港、澳门则通常称为“单车”。学术上通常将小型陆上车俩统称为休闲车，在表达上具有灵活、限制少、使用方便的优点。因而此次选题涉及到休闲车、山地车等概念问题时统一用休闲车概述，这里不再赘述。经过了

10、追求物质生活的年代，人们开始追求真正的健康的生活方式。人们对于休闲车的需求也越来越高。选择“绿色出行”也成为人们在选择开私家车、坐公交车之外的一个选择。休闲车无噪音、无污染、重量轻、结构简单、造价低廉、使用和维修方便，既能作为代步和运载货物的工具，又能用于体育锻炼，因而为人们所广泛使用。从休闲车的诞生，已经将近两百年的历史了。从最初的木制到铁制，蹬地前进到蹬踏前进，单一车种到多车种从1791年到1888年，休闲车的发明和改进，经历了近100年中这些发明者的不懈奋斗，基本奠定了现代休闲车的雏形。时至今日，休闲车已成为全世界人们使用最多，最简单，最实用的代步工具。此次的选题源于缓解紧张的生活节奏。

11、进入21世纪以来，人们的生活节奏变得越来越快，工作的压力，家庭的负担，生活的艰辛，令原本就脆弱的生命不堪重负。于是在休闲之余，如何释放心情，缓解紧凑的生活步伐，已悄然成为现代人的需求。而在今天这个提倡低碳环保的时代，休闲车则成为了休闲时光的良好选择。休闲车是人们日常生活中关系最密切的交通工具之一。休闲车在20世纪初至少20世纪中期，是人们的主要出行交通工具，随着社会现代化进程的发展，摩托车，小轿车等各式新型交通工具逐步进入了人们的生活，逐渐代替了休闲车。20年前，北京市休闲车出行比例曾为60%以上。然而，经过城市交通机动化浪潮多年荡涤，2009年年初，有关部门统计，北京市民的休闲车出行比例只有

12、19.7%，比2008年初下降了0.6%。过去20年间，北京市休闲车出行在交通出行方式中所占的比例呈逐年递减趋势。然而随着汽车数量的不断增加，马路上常常被挤得水泄不通。引擎声、喇叭声让人得不到片刻安宁。更为可怕的是，汽车排放出的有害气体正逐渐的地毁坏着人类生存的环境。相比较而言，休闲车无污染、无噪声、占地少、价格低廉，有利于身体健康。而哥本哈根世界气候大会的召开，更是提出了低碳生活，这促使休闲车以公共的形式回归成了必然的趋势因此，休闲车设计，一方面要满足消费者的需求，使休闲车具有功能性，人性化，另一方面要符合当前社会科技发展的要求，具有时代性。脚踏式休闲车是一种基本的出行交通工具。虽然在当今社

13、会，有更多可选择的新型交通工具可供人选择，但在提倡低碳生活的今天，脚踏式休闲车作为绿色交通工具更被人们所青睐，并成为人们生活中不可分割的一部分。因此，对于休闲车的设计则更应该以人为本，使得休闲车更具功能性，实用性和娱乐性，同时满足各个不同消费群体的个性要求。因此对脚踏式休闲车进行人性化设计和分析研究是具有重要意义的。1.2 休闲车的总类和组成休闲车的种类很多，按照轮胎直径大小分，休闲车可以分为五类轮径71厘米（28英寸）的休闲车，轮径69厘米（27英寸）的休闲车，轮径66厘米（26英寸的休闲车），轮径61厘米（24英寸）的休闲车和小轮径（61厘米以下的），如轮径51厘米的，41厘米的，30厘米

14、的，25厘米的等）休闲车。若按照休闲车使用环境，按照乘骑的轻便程度和载重量的多少分化，休闲车总类可分为以下几种：（1）公路休闲车（Road bicycle）用来在平滑公路路面上使用的车种，轮径一般比较大，在公路上行驶的效率比较高。（2）场地休闲车（Track bicycle）用于室内比赛车（用于椭圆形的轨道），一般来说，这种车没有刹车系统(煞车)，没有变速器，且没有可逆转的飞轮。（3）山地休闲车（Mountain bike）设计为骑乘于山区的车种，通常具有变速器可以根据齿轮变化档位，一般情况下都具有变速器，有些安装于前叉部位，有些安装于坐垫部分，并且轮胎的纹理都经过了防滑设计。（4）落山休闲车

15、（Downhill bike）英文简称为DH。是山地休闲车的一个分支，一般来说其配置与山地休闲车相同，但是避震设施更完善，其主要用途用于从山地向下冲刺的极限运动。（5）卧式休闲车（Recumbent）一种休闲用的休闲车，与传统休闲车结构不一样，主要用于度假场所。（6）沙滩休闲车（beach cruiser）其轮胎的纹理比较大，且一般情况下没有手刹（配置倒刹），常常用于海边或者其他旅游场所，由于常适用于海边，因此其主要讲究的是烤漆和防锈喷漆。（7）公路休闲车（Cross-cycling）起源于公路车，其主要特点是坐垫位置高，轮胎横截面薄，骑行受到的阻力最小，在高速公路上骑行熟读相当的快。（8）双

16、人/多人旅行协力车（Tandem bicycle）由两人以上协同出力，由第一位控制方向，后者只用骑行。（9）折叠车（Folding bicycle）可折叠式的休闲车，折叠后占用面积小，常用作短途代步工具。休闲车的组成大部分的休闲车都由以下零件所构成休闲车体部分：包括前叉（前叉避震）、车架，前叉碗组，车把，鞍座等，为休闲车的主体。休闲车的传动部分：包括了链条，曲柄，飞轮，大齿盘，转动中轴，由人驱动脚踏，通过以上零件，驱动休闲车的前行。转动部分：包括轮胎，车圈，内胎，辐条，花鼓灯。警示装置：包括车闸刹车、摩电灯、车玲、反光片等。附件：如菜篮，后货架，打气筒，备用内胎等，同时许多高档变速车还配有变速

17、器和控制器等。1.3 目前休闲车的研究现状休闲车是欧洲工业发展的产物，从1790年法国人西布拉克制造的第一台休闲车起。休闲车由原先单纯出行工具，发展成了现在的休闲，娱乐，短途换乘工具。随着世界倡导绿色环保以及健康的意思增加，休闲车重新回到了人们的视线。在欧美许多国家，政府通过修路、制定法规和优化道路管理保障骑车者的安全，以此激励并促使休闲车成为重要交通工具。同时，休闲车也成为欧美市民喜爱的运动方式。美国去年的休闲车销售量达到2000万辆。休闲车即是代步工具，又是健身工具，骑休闲车上班成为一种健康的生活时尚。不仅如此，美国参议院还通过法案，用税收优惠鼓励雇主给骑车上班的雇员每月40美元到100美

18、元的补贴。在瑞士，骑休闲车旅行蔚然成风，既可锻炼身体，又可以拥抱美丽的大自然，尽情欣赏秀丽的风光，以及参观沿途的名胜古迹，这与在高速公路上驱车呼啸而过相比，完全是另外一番情趣。由此可见国外对休闲车的重视。在休闲车研究上，国外建立了一整套详细的设计和生产体系，今一百年来的设计风格对休闲车有着深刻的影响，而国外设计者对此研究得比较透彻，在休闲车设计创新方面，以用户的舒适，方便，安全，等人性化设计为考虑起点进行设计。例如，1930年，第一台用于军用使用的折叠休闲车诞生，开拓了折叠车的历史。其次，国外对休闲车的材料研究处于领先地位。在20世界初期，欧洲休闲车基本完成了完善休闲车各部件的设计生产，在20

19、世纪40年代，铝合金的休闲车在欧洲研制成功，并于50年代开始出现于各大市场。1948年，日本设计了第一款竞技休闲车，并且在1956年设计更现代的女性休闲车。20世纪70年代，英国人Brompton发明了小型的铝合金折叠休闲车，改变了人们对折叠休闲车的使用理念。随后，国外对休闲车材料有了回归性的研究，2008年，欧洲有竹子制作成的休闲车，还有宝马公司设计的众多概念休闲车。我国休闲车行业很发达，年产量超过3000辆以上，全国的休闲车超过1.5亿，因此素有休闲车王国之称。当近代中国遭遇西方文明的侵袭，上海成为最先接触西方文明的城市。19世纪50年代上海在洋务运动的带领下，在沪的中国人亲身体验到了西方

20、的先进科技。电报，煤气灯、电灯、火轮车、缝纫机等新鲜的科技文化带给了国人便捷与新奇。与此同时，休闲车也在此时进入了上海滩。据上海新报1868年11月24日记载：“兹见上海地方有休闲车几辆，乃一人坐于车上，一轮在前，一轮在后，人用两脚尖点地，引轮而走。又一种，人如踏动天平，亦系前后轮，转动如飞，人可省里走路。独一人见之，相见者多矣。”当时使用休闲车的人非常少，即使有，也是黄发碧眼的洋人。从休闲车的发展历程看，此时此刻，休闲车在欧洲也属于新型交通工具，但5是仅几年后就已经在上海可以见到，可见休闲车的魅力所在。在上海的洋人非常热衷于使用休闲车，平时用于交通，闲暇时便于娱乐。后来随着上海人口的逐渐增多

21、，休闲车也慢慢的进入平常人家，到1900年左右，休闲车在上海已有几百辆之多。此时，休闲车不再是一种奢侈品，而是一种文明，进步时髦的象征。新中国成立后，我过休闲车生产得到迅速恢复和发展，创建了“永久”“飞鸽”等民族品牌，在上海，广州，天津，青岛等地的休闲车厂逐渐兴建起来，并形成一定的生产能力。目前大部分省，市，自治区都能生产休闲车，其生产能力可达每分钟生产76辆（1994年数据）。若将休闲车排成一行，每辆车以2米距离计算，我国一年生产的休闲车可以绕地球两圈，大大满足了国内、国际市场人们用于旅游，娱乐，健身，运输方面的需要。近年来，由于休闲车经济，使用性强，无污染，还能增强体质，所以外国又出现了重

22、新启动休闲车的趋势，因而我国不少名牌休闲车还远销到欧美，亚非，拉美等国家。但是，国内休闲车的研究发展属于跟风状态，一般只停留在产品的色彩搭配和对其他国外品牌风格研究，或者直接抄袭国外的车型进行二次开发。有的老式车型在国外流行了近10年左右才逐渐在中国市场流行，而许多厂商直接生搬硬套的以国外设计的尺寸适用于国内使用人群上，这就造成了很多外观和使用上的难题。当然，国内的休闲车研究生产也取得了骄人成果。例如在鞍座设计上，鞍座变成了T型，可使车架短小，而且螺丝直接连接鞍座，减少了调整工作量；车把研制成圆把，宽度为40厘米，比原来车把窄了10厘米，使得骑乘者有如开汽车的愉悦感。其次，90年代初我国也研制

23、成功了无链条休闲车，他克服了链条传动中，牙盘磨损、链打滑、掉链的缺点。它采用了连杆传动，提高了传动的机械强度，并设有内变速挡装置，爬坡快速、省力。随后，新车型踏板式休闲车也在我国研制成功。该车改变了传统的骑行方式，骑车人的脚步不再作圆周运动，而由骑车人上下踏动踏板，踏板与一根曲轴相连，曲轴带动轮子转动。靠这种方式，克使骑车人做的集重比运用到两个点上，全化为使车轮转动的力。这种改变能使骑车人省力不少。1.4 研究的基本思路和目的（1）到图书馆里查阅相关知识的书籍，上网搜集国内外脚踏式休闲车最前沿的知识，对论题进行深入、全面的了解，稳步为论文的进行打下良好基础。 （2）从人机工程学，设计风潮等角度

24、出发，以设计理论对休闲车的构造和发展进行研究，为休闲车设计提供理论依据和指导。应用SolidWorks2011三维软件对休闲车主要零件进行设计，使其装配合理，并确定车身各部分的尺寸使之与选用的标准件进行配合。（3）到机械厂相关部门调查研究现有休闲车的现状，做大量的资料整理，优化并选材。（4）从人性化设计角度出发，对休闲车色彩，形态，使用方式，材料以及休闲车外型变化所受到的设计风格进行分析，预测休闲车未来发展的趋势。此次选题主要是设计脚踏式休闲车车身的造型，根据车身力学分析、人体工程学确定尺寸，主要涉及主要危险截面强度分析，轴、链、轮的校核，零件公差配合等。本次设计基于SolidWorks201

25、1三维软件，通过参数化的设计，更加方便设计者后期进行修改。设计过程中严格遵循相应设计要求及设计准则。设计前就要进行休闲车材料的选材，按照选材标准与选材原则进行选材。1.5 现代休闲车的发展历程概述1.5.1 现代休闲车的发展人类从木质材制造出第一辆休闲车发展到基本定型的近代休闲车，用了近100年的时间。后来人们又花了整整一百年的时间对休闲车进行不断的改造，充实，完善和创新。20世纪之前的休闲车只是简单的对车身简单的改造，传动，完善基本功能等方面来达到使用的目的。例如，在休闲车上装上变速装置，使人们在骑行使可以根据路面条件的不同而选择不同的速度。200多年来，休闲车无论在结构造型，用材和用途方面

26、都发生了巨大的变化。从二战结束后，50年起休闲车开始重新设计。其设计风格延续了“安全”的风格，在结构上从新进行设计，首先加上了封闭的链盖，加上摩电灯，后货架等设计，完善了休闲车整体性。此外，对男女士休闲车的设计风格分别也逐渐明显，男性风格主要以硬朗的横条三角车架为主，深色系列为色彩；而女士休闲车沿用了典型“荷兰”风格设计弯梁车架设计，便于女士上车，色彩除了黑色外，还另外采用了其他彩色系列。除此之外，休闲车还出现了各种分类例如，载重车，儿童车等等。从功能上对人们的需要进行完善设计。随着科技的不断发展和新材料，与工艺的不断出现，休闲车也在发展变化着，大体上休闲车变化将从以下几个方便改进。结构造型上

27、发生显著变化：出现了菱形车架，U形车架，整体塑料车架，双管环形车架。菱形车架又出现了后叉和上管相接的加强式，上梁下移等多种形式，使车架结构更紧凑、更新颖，并且强度更高。（1） 休闲车材质发生重大突破：改变了过去只用钢材的局面，车架用塑料，碳纤维，铝合金等。泥板，连盖用不锈钢，塑料制成。中轴部件链轮，链条也用塑料制品等。（2） 花色由单一向多色发展：车架出现彩斑，彩色或两色过度等，色调明快，色彩变化无穷。同一色彩分为有光，无光两大类。商标，标牌也采用涤纶贴花使车身变得五光十色。品种更加丰富：有了不同总类的变速车，又出现了各种不同样式的山地车。（3） 运动车的骑行速度越快，骑行方式也由直坐式变成仰

28、坐式，有些还模仿汽车的做法，设计出具备有流线型外壳。（4） 休闲车由整体式发展为折叠式，便于携带。瑞典微型休闲车公司生产一种轻便折叠休闲车，车身厂0.83米，重8.5公斤，用一只手可以提起来，车身有六个“关节”。10秒钟内可以叠或打开，可带乘坐公共汽车。在战后60年代，科技迅速发展，各国设计师纷纷运用了新型材料于休闲车上。1970年诞生于美国西岸的旧金山。当时，一群热衷于骑沙滩自行车在山坡上玩乐的年轻人，突发奇想：“要是能骑着休闲车从山上飞驰而下，一定非常有趣了。”于是便开始越野休闲车的设计制，正式命名为山地车则是在两年后的事。从此，“速降竞技”作为体育比赛中的一个新项目崭露头脚，运动员骑山地

29、车沿着规定的下坡线路高速滑降，速度快者为胜，吸引了众多的爱好者。休闲车虽然始于欧洲，但美国人发明的山地车却一扫传统的休闲车概念，将一股新风吹遍全球。经过100年的演变和改进和发展，休闲车的设计无论从人机工程，色彩，造型等方面都有了很大的改进，休闲车设计开始朝简洁、轻盈、美观、多样化、个性化和人性化的方向发展。1.5.2 休闲车向多样化、人性化、高科技化路线发展设计者从第一辆休闲车设计出来起，考虑到第一个除骑行外的功能是装载随身物品，随后出现了载货架；为了骑行更快速安全，出现了变速齿轮，变速器，避震器；为了骑行更舒适，设计者改变了骑行方式。根据不同使用人群和消费者量身定做的休闲车功能设备，逐渐完

30、善人们的生活，而未来休闲车的功能化发展则会更多样化。人性化设计的口号是上世纪90年代提出的，而休闲车的设计亦是如此。从最初的休闲车的链条盖封闭设计，到T型的鞍座设计，以及带扣环的脚踏设计，无一不体现出人性化设计。根据不同的适用人群，骑行的姿势也各有不同，比赛用车以流线型为主，而民用型休闲车以舒适为主。未来的休闲车会从人性化出发对休闲车设计更加的考究。从单速休闲车到三速，五速，发展到现在的二十七速的变速休闲车；变速器也由原来的旋钮式发展为转把式，指拨式，定位指拨式；避震器也由原来的单一后下叉避震，发展为双肩前叉避震，鞍管避震等。休闲车的发展会朝着科技发展的方向前进，其设计系统会朝导向一体化自行定

31、位，随环境变速，趣味性发展。目前世界环境倡导无污染交通工具，因此休闲车成为绿色交通工具最佳产品，世界各国开始更重视休闲车的使用，因此对休闲车的设计要求则更高，它和其他产品一样，伴随着科技的进步而发展的，其设计方向更倾向于人性化设计，多元化，形式多样化，高科技化，功能化，轻量化，复古化设计发展。并且，随着新兴材料的开发技术越发成熟，旧的材料加工工艺将会被完善，而新兴材料更会更大面积的运用于休闲车设计上，除此之外，各种高科技产品将会有指向性的运用于各种休闲车上。1.5.3 概念休闲车的发展人们在对日常休闲车设计的开发的同时，也对概念休闲车的发展很关注。IBDC（international bicy

32、cle design competition）由中国台湾地区经济部技术处主办全球休闲车设计比赛，是目前概念休闲车设计的一个重要比赛，大赛从1995年举办至今，已经经过了15界，有最初的亚洲范围为主的竞赛，成为今天真正意义上的国际大赛。图1-1 “肯陶洛斯”四轮车如图1-1所示，美国Segway公司推出一种奇特交通工具，取名为“肯陶洛斯”（半人半马），现在只有它的原型，暂时还没有开始批量生产，但是“肯陶洛斯”仍然引起人们极大兴趣。据Segway公司网站报道，“肯陶洛斯”继承了经典Segway二轮车的全部主要性能，除此之外，它还拥有一系列附加特性。首先应指出的是，“肯陶洛斯”是四轮车，但是骑车者不

33、仅可以变成半弯腰姿势骑车，而且可以站着骑车。在站着骑时“肯陶洛斯”将会通过陀螺仪和微型计算机用后轮独立保持平衡，而且复杂的动力学平衡系统使双轮成所需角度在公路外越野。Segway公司证实，“肯陶洛斯”骑行者可以轻松地沿高低不平的路面行驶，逾越凹坑和洼地，能方便地改变车速，可加速到约35千米/小时，而原来的Segway二轮车行驶速度不越过20千米/小时。这里值得提出的是，在很多的概念休闲车设计中，都会取消休闲车车轮的辐条。如图1-2所示，这样设计的好处是减少风力对辐条的阻力，并且不会发生辐条在车轮转动过程中夹到意外物品的可能。这样的设计则要求新型概念轮胎所以的材料本身的硬度更大，韧性好，不易变形

34、，这也为未来材料的设计运用埋下了伏笔。同时，该概念休闲车设计的座椅位置符合人体工程学，乘坐的姿势可以让使用者感觉轻便舒服。图1-2 路上昆虫概念车 2 休闲车设计的要点2.1 人体工程学分析及车身底盘尺寸的初定2.1.1 人性化设计在休闲车中的应用人机工程学座位一门新兴的科学，是在20世纪50年代前后才发展起来的。然而，今天它已成为一切工程技术人员必不可少的工具。2000年8月，国际人机工程学学会（International Ergonomics Association）对本学科所辖的定义为：人机工程学是研究人与系统中相互之间因素的相互作用，以及应用相关理论，原理，数据和方法来设计以达到优化人

35、类和系统效能的科学。人机工程学专家旨在设计和优化任务，工作，产品，环境和系统，使之满足人们的需要，能力和限度。人机工程学将人类的需求和能力置于设计技术体系的核心位置，为产品，系统和环境的设计提供了与人类相关的科学数据。追求实现人类和技术完善和谐融合的目标。随着技术的进一步发展，日趋完善化的设计更强调人的效能、安全、舒适和身心健康，在设计高效机的同时，充分考虑人的因素，反映人的需要，把人与机密切结合起来。但是，现行自行车，尤其是休闲、代步用普通自行车在这方面发展得不尽如“人意”，存在的问题主要是自行车的一些零部件尺寸不适于人。所以在保证高效的同时，有必要从人机工程学的角度对其做一些“人性化”的改

36、善。（1） 车座的分析与改进大多数人长时间骑自行车，都会感到臀部疼痛。之所以如此，一部分原因是前倾式的骑车姿势使骑车者会阴与车座前端产生磨擦，时间一久就会感到不舒服;一部分原因则是车座的尺寸与人体尺寸不符所致。 根据人体组织的解剖特性可知，坐骨结节处是人体最能耐受压力的部位，身体的主要重量均由骨盆下的两块面积约为25 cm的坐骨结节承受，故车座后端宽度过小就会使坐骨结节处在鞍座外缘。这样，身体的压力使得坐骨结节被迫分离的趋势过大，由此导致臀部的疼痛感。所以车座后端应在现有的基础上适当加宽。1 车座宽度。 车座后端的宽度应根据人体坐骨结节间距(50 %的人群)加适当余量而定。 女性骨盆的坐骨结节

37、间距约为23 cm ，男性骨盆坐骨结节间距约为20 cm。据此，车座宽度的适宜范围:男式普通单车为2426 cm ，女式普通单车为2629 cm较合适。 鞍座前端细部宽度由会阴加较小余量确定，这个宽度不可过宽，否则会对会阴产生较大磨擦。 根据人体解剖学中的数据，可确定该宽度以68 cm为宜，具体尺寸如图2-1所示。图2-1 靠背示意图（单位：cm）2 车座长度。人体处于坐姿时，坐骨结节离臀部后缘约1012 cm，据此，车座后端的长度范围定为1012 cm。鞍座总长不同于一般工作椅的座深，鞍座的总长只需给骑车者以有限的支承稳定性即可，因为鞍座过长势必影响大腿前后摆动的灵活性。人体的会阴中心离坐骨

38、结节约半个大腿厚，鞍座总长由坐姿时臀部后缘到坐骨结节间距加上坐骨结节中心到会阴点间距加适当余量而定。50 %的人体大腿厚约为13 cm，故在座长度范围为2224 cm(余量约取5. 5 cm)。3 座面倾角。鞍座后倾一定的角度，一方面可使背部抵靠靠背，获得支持，从而降低背肌静压;另一方面则可防止坐者从座缘滑出座面。鞍座后倾的角度不可太大，如果太大，身体势必前屈作业，致使脊椎拉直，破坏正常腰椎曲线，形成一种费力姿势，一般后倾角在3°以内为宜。另外，研究还表明，人在骑车时身体适当前倾，人体的迎风面积减小，更有利于发力和加速，如果靠背角为90°，前倾角在15°以内，则相

39、当于前倾座面与靠背夹角在105°以内，属坐姿的最小舒适范围。 靠背对于脊椎部还能起适度的支持作用，肌肉紧张较小，背部压力在椎骨上分布也较均匀。基于此，座面倾角设置成可调式，能在后倾与前倾坐姿的舒适调节范围内连续调整，并可在任意角度锁紧，骑车者可根据需要调整鞍座倾角。4 座垫。 长时间骑车，臀部不舒服的另外一个原因就是座垫软硬不合适所致。鞍座加上座垫，人坐于其上，臀部压力值大为降低，接触支承面增大，使压力分散。但是座垫不可过软，过软不仅增加了身体的不稳定性，而且容易使人产生疲劳;过硬又会导致臀部痛楚或麻木。 座垫的软硬应以股骨头刚好与座垫相接近，几近接触而无压力为宜。测试数据表明:此时

40、臀部下陷约18 mm。另外坐垫材料必须透气，且不易打滑，座垫应缝制或钉在鞍座上，使其对起坐时的动载有良好的弹性响应。（2） 靠背的分析与设计长时间骑自行车的人感觉腰部最累，这是因为骑车时，人处于一种前屈运动的状态，坐姿属于非自然姿势。良好的坐姿，压力适当地分布于各椎间盘上，肌肉组织承受均匀的静负荷，脊椎形状最接近自然状态;而人处于非自然姿势时，椎间盘内压力分布不均衡，故腰部产生酸痛、疲劳等不适感。要减轻腰部的不适感，在保证人体操作灵活性的同时，应使人骑车时的坐姿接近自然坐姿。通常情况下，设置适当的靠背可使疲劳降低，大于90°的靠背还可防止骨盆的旋转，增加坐姿的稳定性，基于上述原因与原

41、理，可考虑在自行车的鞍座后面设置一个适当的靠背，靠背的具体尺寸如上图2-1-1所示。1 靠背的高度。 靠背由肩靠和腰靠两部分构成，腰靠的凸出部分压入腰凹内，以保证腰部得到充分支持，其水平截面为曲率不大的圆弧形，以适合于腰圆。 由于成年人腰椎部的中心位置约在座位上方2326 cm处，腰椎支点略高于此尺度，腰靠的高度至少要等于腰椎支点的高度，以支持背部重量，所以腰靠的高度在座面上方2632 cm处为宜。 为了使背部下方骶骨和臀部有适当的后凸空间，座面上方与靠背下部之间留一开口部分，其高度至少为12. 5 cm。2 靠背的宽度。 宽度由腰围决定，腰围以50 %的女性的腰围为依据，靠背宽度为腰围的1/

42、 3 ，50 %的女性腰围为77. 2 cm，所以靠背宽度可定为26 cm。3 靠背的角度。 设为99°，该倾角的作用与座面倾角的作用相同。4 靠背的重量及材料。 靠背不易过重，太重，一方面增加了自行车的重量，另一方面则使自行车的重心后移，人骑车上坡时，容易引起翻车事故。 所以，靠背应选用强度较好，质量较轻的材料(如ABS塑料) ，并具有适当的弹性，以增加舒适感。（3） 车把的分析与改进1 车把的高度。 自行车的车把如果偏低，骑车者必须弯下腰，时间久了，就会感到腰酸背疼，胳膊疲劳。 车把的高度应保证骑车者在骑车时处于自然坐姿或接近自然坐姿，并使颈关节、胸关节、腰关节、髋关节、肩关节和

43、肘关节处于舒适的调节范围内。2 车把的宽度。 经实践测量，当车把的宽度接近于骑车者的最大肩宽时，人能够自然舒适地握住车把，并能保持长时间不易疲劳。 中等身材(50 %的人群)的人最大肩宽，男为43.1 cm ，女为39.7 cm，因此，车把的宽度可定为39.743.1 cm。3 把手。 现行自行车的把手很多都是橄榄形的，其实这并不符合人机工程学原理，因为当手握把手时，手的屈肌和伸肌共同完成握把。 从手掌的解剖特征看，掌心部分的肌肉最少，指骨间肌和手指部分是神经末稍满布的部位;指球肌和大、小鱼际是肌肉丰富的部位，是手部的天然减振器。 橄榄形的把手将会使掌心受压受振，引起难以治愈的痉挛，也会引起疲

44、劳和操纵失误。 把手的设计应使操作者掌心处略有空隙，以减少压力和摩擦力的作用。图2-2 把手示意图（单位：cm）图2-2-a的把手形状不合适，应取图2-2-b。把手的直径太小，则扭矩随之减小;若太大，则会减小握力，降低灵活性与作业速度，并使指端骨弯曲增加，长时间操作还会导致疲劳，比较合适的直径为34 cm ，因此可把车把的直径定为大端4 cm左右，小端3 cm左右。 把手的长度主要取决于手掌宽度，掌宽一般为7.19.7 cm，因此把手的长度可定为12 cm左右。4 车闸。 车闸的设计精度较高，而人手的抓握直径在13 cm左右，所以，车闸直径可定为13 cm左右，长度约等于把手长度。 车闸与把手

45、形成一个角度，此角度的设计因素是抓握空间，当抓握空间宽度在4.58.0 cm时抓力最大，据此，可计算出车闸与把手的交角为40°。 至于把手与车闸的表面设计，应保证能准确抓握，不产生滑动，所以它们的表面不能太光滑，要有一定的粗糙度。5 把手的弯度。 传统的自行车把手为水平，这不符合人机工程学原理，因为这样将会使手腕处于背屈状态，腕部酸痛，握力减小，长时间操作还会引起腕道综合症、腱鞘炎等症状。 测试表明，把手与水平位置成10°左右效果最好，可以降低疲劳，并且容易操作，还使腕关节处于放松状态。（4） 普通自行车的整体分析与改进人的上体后倾一定角度的坐姿是最接近于腰椎曲度的正常姿势

46、，而目前几乎所有的自行车都使人的上身前倾，这就是为什么长时间骑车者的胳膊和腰感到很疲劳的原因所在。 一方面骑车者的上身重量有相当一部分要由胳膊支撑，另一方面躯干前倾的姿势使本来前凸的腰椎拉直甚至向后凹，破坏了正常的腰椎曲线。同时，因胸部向前倾伏，这势必会增加会阴与车座前端的磨擦，长期如此，可导致泌尿生殖系统损伤、充血或发生局部炎症。 对女性来说，会阴与车座前端的磨擦，容易引起感染和疾病。 所以对于休闲、代步用普通自行车而言，座面倾角可调整成后倾，这样前倾式的骑车姿势可适当后倾一定角度。基于以上的分析，选择了50 %的人群骑车时舒适调节范围内的尺寸，其数据见表2-1。表2-1 50%的人群在舒适

47、调节范围内的尺寸身体部位舒适调节范围内角度/°身体部位舒适调节范围内尺寸/cm肩关节前后摆：40 肩高男：59.8女：55.6上下摆：25上臂长男：31.3女：43.8肘关节弯曲角度：110大腿长男：46.5女：43.8躯干后倾角度：90小腿加足高男：41.3女：38.2一般状态下，站姿时自然视线低于水平面10°，坐姿时自然视线低于水平线15°。2.1.2 底盘尺寸的初步确定休闲车底盘应有合理的设计方案，合适的尺寸、公差和技术要求，并进行必要的人机工程学分析，确保能满足使用者的舒适、美观以及安全性要求。在模型设计中，尺寸方案不合理，后续的配合零件设计就无法保证。底

48、盘尺寸方案的确定是休闲车底盘设计方案中首先要解决的问题。根据上述要求，参考一些优秀设计者的尺寸数据。到这里，尺寸方案已经初步确定。考虑到休闲车的用途范围及所加工的工件大小，所以这样一个类似汽车的构架。具体的构型及尺寸数据分别见图2-3大体框架图、图2-4 底盘尺寸图。随着技术的进一步发展，日趋完善化的设计更强调人的效能、安全、舒适和身心健康，在设计高效机的同时，充分考虑人的因素，反映人的需要，把人与机密切结合起来。但是，现行自行车，尤其是休闲、代步用普通自行车在这方面发展得不尽如“人意”，存在的问题主要是自行车的一些零部件尺寸不适于人。所以在保证高效的同时，有必要从人机工程学的角度对其做一些“

49、人性化”的改善。图2-3 大体框架图图2-4 底盘尺寸图2.2 驱动、导向系统的设计2.2.1 驱动系统的设计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/T1243-1997中规定节距用英制折算成米制的单位。同时，在国际GB/T1243-1997中规定了最大和最小齿槽形状及其极限参数。节距P=12.7mm齿高=4mm小齿轮齿数Z=16滚子直径=7.92mm齿侧圆弧半径=0.12×7.92×（16+2）=17.11mm滚子定位圆弧半径=0.505×=4.00mm滚子定位角=分度圆直径d=65.10mm齿顶圆直径=75mm

50、齿根圆直径df=d-d1=65.10-7.92=57.18mm确定的最大轴凸缘直径=P×-1.04×h2-0.76=50.53mm齿宽=0.93b1=0.93×7.85=7.30mm齿侧倒角=0.13×12.7=1.65mm齿侧半径=P=12.7mm材料：15、20号钢中心距=468mm链长节数=112抗拉载荷8000N销轴：根据机械设计手册（GB/T119-1986）相关标准按销的抗剪切强度校核，对45号钢，取=80Z为销数，R为载荷，直径d=10mm，l=1895mm(为5的倍数)。最终成型的驱动系统见图2-5驱动系统图。图2-5驱动系统图此次休闲车

51、采用模块化设计，驱动系统亦完全可以外购，选择合适的厂家获得配件。2.2.2 导向系统的设计这里制动系统所用的零件均可以通过市场外购，因此不再赘述。导向系统采用双人同时控制，可以最大限度的增加转向力，避免事故的发生。而且在使用者的以后使用中通过练习，更加可以增加人际切合度，使得骑行更加顺畅，大大降低不安全因素。由于结构简单，易于制造，在故障发生率上更加优于其他产品。具体的原理见图2-6导向系统图。图2-6 导向系统图2.3 自行车链条的设计2.3.1 自行车链条的特点及主要的失效形式自行车链条的特点： 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

52、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。自行车链传动的主要失效形式有：链条的疲劳破坏：在传动过程中，链条元件受变应力的作用，经过一定循环次数，链条发生疲劳断裂，滚子发生冲击疲劳断裂。链条铰链磨损：导致这种磨损的主要原因是因为链条的总长伸长，从儿使链条的垂度增加，增大动载荷，发生振动，引起跳齿，加大噪音以及其它破坏。链

53、条铰链胶合：润滑不当或转速过高时，组成铰链副的销轴和衬套的磨损表面易发生胶合破坏。链条的静强度破坏：低速重载的链条过载时，易发生静强度不足而破坏。2.3.2 链条的各参数的确定根据GB/T 1243-1997 选择 自行车ISO链号 08A-1-112，GB/T 1243-1997（因链条必须符合变速要求）。参数为节距P=12.7mm，内链节内宽b18.2mm，内链节内宽b12.4mm，排距pt=14.38，抗拉载荷为13.8kN。内链节内宽b1=7.85mm，滚子直径d1=7.92mm，销轴直径d2=3.98mm，内链节高度h2=12.07mm，中心距a0=468mm。3 休闲车各部分的选材

54、及质量评估3.1 常用材料及特点材料是实现休闲车设计的物质基础，离开了材料及辅助材料的材性与工艺，其设计只能是一种抽象存在，无法体现其存在的意义和价值。就其主要构件车架而言，休闲车车架的材料有已往使用的铬铝钢以外、还有铝、钛、碳纤、镁等不断出现新材料。其中钢制的车架最便宜，不过重量也最重，表面的油漆脱落后便有生锈的危险，所以平时在保养上要下功夫。再高级点就是铝合金，重量较轻，但是需要较粗的管径才能达到与钢管相同的强度，为大部分登山车所采用。表面抛光后整台车呈现银白色，很好看。碳纤维车架的特点是可以一体成型，不需要焊接，不过每个车架需要特殊的模具制造，成本也很高。钛合金不但重量轻，不生锈，强度高

55、，材料特性最佳，不过原料昂贵，加工困难。（1） 铬钼钢(FeCrMo)在休闲车的100年历史当中，铁素材是刚性与重量方面都均衡的理想素材。铁制车架的最大特征是可在各种成份，各种粗细厚薄的铁管中，任意选择所需要的铁管进行加快。因此可以选择最适合于的尺寸、刚性、骑感的车架，这对于数毫米的差异也敏感的老车手来说是很有好处的。它的最大的缺点是比起其它的素材重(过去)。但是最近的铁素材车架经过热处理，把薄的管道做成粗的管来使用，其重量不会输给轻的合金。（2） 铝合金(A1-Mg-Si，AlZnMg一(Cu)用铝合金制作的车架。轻而价格低是它的优点。但是从轻来说，当前与铁素材比较相差并不大。老车手对它的反

56、应是虽轻但易弯曲。虽然经过多次改进，但是始终克服不了杨氏弹性模量低的缺点。最近的铝合金车架，为了提高杨氏弹性模量，加大管道外径，使用扁平管，或者对铝管进行热处理等，制造出轻而有刚性的车架，这种最新的铝合金车架对车手来说，具有足够的轻量与刚性。铝合金是纯铝中加入Mg，zn，si，cu等金属的合金。铝本身具有轻量、可塑性好、耐腐蚀等优点，加入其他金属后显著提高了机械性能。铝合金车架的优点：1 可以制作重量轻的车架铝的比重轻但不够硬，为了增强强度把它制成合金并施予热处理。热处理采用时效析出增强法，简单地说，在金属内形成一种妨碍金属变形的物质。在某种高温下进行热处理时，会引起时效析出，若没有经过这个程

57、序的车架，也会引起常温时效。就是说把车架放置在房间内也会逐渐变强。2 长时问使用外观不怎么变化。铝本身是很容易受腐蚀的金属，在空气中几乎不存在没有被氧化的铝，放置在空气中马上被氧化而形成很薄的氧化膜。该氧化膜几乎是无色因此外观上不容易发现变化(有时会发白)。铝合金车架的缺点：1 铝是弹性率及刚性低的材料。因此采用粗的管道，或者改变形状如crossover管、padded管等。2 需要进行热处理必需进行热处理，否则强度不够。（3） 钛、钛合金(Ti，TiAV)美国在60年代首次使用钛合金来制作白行车车架。钛合金给人的印象是轻而硬。早期的钛合金车架，作为比赛用车，刚性不足，其车架不适合于长距离赛车。钛金属给一些人错觉，贵而稀有，实际上钛是地球上埋藏量丰富的元素之一。只是由于合金的制作成本高，价格才较贵。钛