蛋壳形便携自行车设计说明书

1、蛋壳形便携自行车设计说明书学校：隐去设计人员：隐去指导老师：隐去蛋壳形便携自行车摘要：环保健身成为品质生活的重要组成部分，越来越多的人不爱开车爱骑车。自行车的停放展示了现代都市的文明程度，随意停放有碍市容，集中停放又受到场地制约。针对这一问题本小组设计了一种蛋壳形便携自行车，该车和购物车合为一体。购物时折叠拖行，可当购物车用，购物后展开骑行，该设计可以减少超市自行车的停放量，可以减少超市购物车的使用量。便携式自行车折叠后可以节约普通自行车五分之四的空间，且停放美观。本设计低碳环保，可以缓解城市交通拥挤，适宜在大城市推广使用。关键词：便携，自行车，购物，低碳环保 TOC o 1-5 h z 第一

2、章前言3第二章蛋壳形便携自行车方案设计6对现有折叠自行车的分析6购物车式自行车设计方案确定7 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 第三章主要结构设计9主要结构设计及计算9前件与前架的连接设计13前架与中架的连接设计14后架与座椅支架设计15车把结构设计16车壳设计17车门设计18 HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 第四章主要零部件有限元分析18前架的有限元分析18中架的有限元分析19 HYPERLINK l bookmark17 o Current Document 第五章运动仿真20仿真运动的步骤

3、20仿真设置及结果21参考文献22 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 致谢23第一章前言自行车的发展过程简介据史料记载，最早的实物自行车是1791年法国人西拉夫克发明的在玩具马车上装两个轮子的“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德国的德拉伊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

4、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上安装了脚蹬。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，以链条传动后轮的结构。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，成为安全自行车，但前轮仍比后轮大，鞍座较低。英国机械师斯塔雷，在自行车上安装上前叉和刹车，首次使用橡胶作车轮，改进了自行车的很多结构，同时改造了很多生产自行车的机器，为自行车的大量生产创造了条件，被后人称为自行车工业之父。1885年苏格兰的邓洛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，让骑车的人骑行舒适度更为提高

5、。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。传统自行车的缺点传统自行车作为短途代步工具具备其他交通工具不可替代的功能，但是传统自行车的体积过大，停放不方便，且占用面积大，不利于在外停放和家中停放。现在的城市交通拥挤、存车面积明显不足、自行车停车场所缺乏、占用人行道停车情况严重且自行车被盗现象也十分严重。因此设计一种占地面积小、轻便、防盗、时尚的可折叠自行车就显得十分有必要。折叠自行车的前景和优点（1）前景折

6、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城市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、重量更轻、强度更大、更结实耐用。目前折叠自行车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，以备应急和休闲之用。根据发达国家发展的经验，正处在经济高速发展和轿车开始大量进入家庭阶段的我国，自行车行业产业即将迎来更大的发展机遇，而折叠自行车的独特优点符合国情，其发展空间将有很大的优势。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

7、折叠自行车是我国最具潜力取得世界领先水平的产品。目前已经有折叠自行车使用单列向心球轴承、腹板结构及独创的711齿分体小飞轮，解决了小自行车受传动比限制的技术难题，使小自行车不但体积小、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，骑行操控性、舒适性、安全性均非常令人满意，完全可以满足成人代步需要，整车质量只有59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。（2）折叠自行车优点：1）灵活携带：折叠式自行车比一般自行车要轻，折叠

8、后其体积不到普通自行车的五分之一，体积小，重量轻，提着上楼、上电梯、上公交、乘地铁，都不费劲，是公共交通的最佳伴侣。2）快速折叠：折叠与打开时均无需工具，整个过程只需十几秒钟而已。把手、坐垫无须任何工具也可自由调整高低，男女老幼皆可乘骑。3）驾驭自如：依据人体力学而设计的折叠自行车，车轮不大，通过调整前后齿比，骑行舒适快速省力，把手、坐垫高低均可调整。4）保持时尚：折叠车外形靓丽，做工精美，绝对是时尚一族的顶好装备。5）送礼佳品：价格、外观、功能，都决定它是送礼的好选择。6）健身环保：骑折叠自行车不仅是最好的有氧运动之一，也符合绿色出行的主题。第二章便携式自行车方案设计已有折叠自行车的分析现在

9、的市场上存在着各种各样的折叠自行车，厂家们也在争先的推出新产品，为求能够吸引更多消费者的注意力，增加销售量。但是在这些款式中，大部分折叠自行车的折叠机构都是千篇一律、大同小异的，多数都只不过在颜色和材料或者是小部件上有所区分，没什么设计能真正做到真正意义上的改进。市场上大部分的折叠自行车虽然折叠后体积是比传统自行车小一点，但对于广大用户而言，市场上很多折叠自行车折叠后还是很难携带，尽管也有一些折叠车品牌陆续推出了折叠车提包，但提包体积很大，非人力可以携带行走。因此，折叠自行车已经成为自行车的一种发展优势，人们在选购自行车是都会首先考虑折叠自行车，所以，现在人们对购买选择自行车的要求已经不仅仅局

10、限于使用舒适，还包括外形、结构和存放空间等等，所以只是简单的改变一些小部件，改变颜色和材料等得改进已经不存在着什么明显的优势。如何能把折叠自行车折叠后的体积更小，折叠操作更方便、省时、灵活，已经成为广大折叠自行车开发者的挑战。自折叠自行车出现以来，人们尝试了多种折叠方式，其中运用最广的折叠方式是将车架大梁折叠，前后车轮能叠在一起，车把侧放倒，座管压到底，脚踏板折叠，车把折叠，如图所示；这种折叠方式在折叠后体积确实缩小了，但外形不规则，必须提着行走，不便于携带，收起、展开费事，且折叠后没有固定装置，这种折叠方式仅适用于折叠后便于家中存放。因此虽然技术较为成熟，但并不是理想的折叠式自行车。折叠方式

11、影响着自行车的各项性能。一种设计方式被消费者接受并被厂家广泛采用也自然会成为行业的标准，但是自折叠自行车出现以来，人们尝试的多种折叠方式都有其局限性。图大梁折叠式自行车这种折叠方式是目前较为成熟的折叠方式，但这种折叠方式有较多不便之处，折叠较为复杂，且折叠后前后轮无固定装置，导致前后轮容易分开，折叠后所占的空间比理论空间要大的多，且无提手之类的装置。这种折叠自行车只适用于闲置的自行车在家中存放，折叠功能大大的降低了。另一种折叠自行车改变了传统的折叠方式，是目前全球最小最轻的折叠自行车。自行车仅重5.5公斤，折叠后可以放入包中，如同一把雨伞。这种折叠自行车的制造者是英国发明家克莱夫辛克莱爵士，他

12、曾在1970年发明当时世界上最小的袖珍计算器。该自行车可以承受的重量最高为112公斤，它的高度可以调节。而且它折叠和展开都比较便捷，只需大约20秒。虽然展开后，这种自行车的车轮只有普通自行车的四分之一大，但辛克莱说，骑在上面照样很稳当。但是这种自行车目前在国内还不是很流行，其售价为300美元左右，对于国内人来说，还不是能很好的接受。通过对以上折叠自行车的分析，目前较好的折叠方式为折叠前后叉。但这仅解决了折叠的问题，折叠自行车安全的问题未解决。折叠自行车很轻便，它的轻是一大特点，也是一大缺点，放在室外容易被人偷走。自行车方案设计综合考虑，折叠方法采用前后叉折叠的方式，这样比较节约空间。其次，为了

13、保证自行车的安全，并且能方便自行车在超市或者拥挤的菜场中行走，我们决定将自行车折叠后留出一定空间，这样，在购物时可以代替购物车，且自行车可以真正的做到随身携带，也保证了自行车的安全如图所示。图折叠自行车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，且折叠后自行车整体骨架压缩在车壳下部，这样便于车壳上部空出足够的空间，车架折叠采用前后叉折叠方式，这样便于前后车壳闭合；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，最终确定了如图所示的主要折叠关节图框架。主要折叠关节图第三章主要结构设计主要结

14、构设计及计算本设计小组通过AutodeskInventorProfessional三维CAD软件进行了设计三维实体的建模。Inventor产品提供了一组全面的设计工具，支持三维设计和各种文档、管路设计和验证设计。Inventor不仅包含数据管理软件、AutoCADMechanical的二维工程图和局部详图，还在此基础上加入与真正的DWGt容的三维设计。Inventor提供的专家系统能以最快捷的方式生成制造用工程图，从而加速了从草图到成品的过程，设计的结构如所示。图可进超市便携式自行车结构设计3.1.1主要技术要求采用Inventor3维设计完成各部分的设计，使用该设备能实现展开后安全正常行使，

15、折叠后便于携带等功能，要求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，整体结构布局优化。主要技术参数：（1）最大展开尺寸：*500*1000mm；2）传动比：脚踏一圈与车轮转动圈数之比i=3；(3)最小折叠尺寸：500*500*1000mm；(4)最大承重：100kg;(5)设计重量：7.6kg;(6)车轮直径：150mm3.1.2主要尺寸计算n230 r/min我们自定义大链轮转速：传动功率为：P0.3KW根据折叠自行车尺寸的大小取小链轮齿数：乙17自定义传动比：i3则大链轮齿数为：Z2i乙3*1751初定中心距取：a30P则链节数：取：Ld 105p滚子链的

16、主要尺寸:滚子外径:LPz1z2 o a17 51 230P2 P104.98（Z2_i）2l 2（I2pap30p销轴直径:内链节内宽:内链节外宽:链轮基本尺寸:d分度圆直径：P, 180 sin其中小链轮分度圆直径为:d1dr maxdz maxbl minb2 max5mm2mm5mm9mmP_.180 sinZ110, 180 sin 一 1723.05mm大链轮分度圆直径为:d2P .180 sin 一 Z210.180 sin 一 51162.44mm齿顶圆直径：dad 1.25pdr其中小链轮为:da1 d1 1.25pdr 23.05 1.25*10 7.9 28mm大链轮为:

17、da2 d2 1.25pdr162.44 1.25*10 7.9 167mm齿根圆直径：df ddr其中小链轮为:df1d1dr23.057.915.15mm大链轮为：df2d2dr162.447.9154.54mmKAP1.2*0.3一竹玄BP0.36KW额定功率：0c卜女1*1F00.36KW(其中KA1.2平稳载荷，kz1,kp1)小链轮转速：n1in290r/min链节距：由F00.36KW、n1in290r/min由教材图得出选08A号滚子链取：p10mm确定实际中心距：中心距：aM?)：(Lpz1/)28(z22z1)27(1051751)：(1051751)28(5117)242

18、122350.83mm取a350mm作用轴上载荷：链速：n1z1P90 17 100.255m/s601000601000有效拉力：Fi轴上载荷：1000P 1000 0.3 1176.47N0.255Fq1.2KaFi1.21.21176.471694.12N前件与前架设计前件与前架采用钱链连接，由滑销来固定如图所示。滑销由弹簧压着，处于前件滑槽下端，这样是为了保证自行车在行驶过程中滑销不会随意乱动，且折叠时也比较方便，只用将滑销向上拉起，滑销就可以沿着滑道滑到后面一个锁扣了。前件与前架结构变化图前架与中架设计前架与中架是整车中的主要结构件，其承受所有的重量，为了保证其有足够的强度，设计时将

19、其截面设计为椭圆型，这样可以保证其在竖直方向上的强度如图与所示。前架与中架配合时采用Z字型配合，这种配合比直接两个椭圆面配合精度要高。图前架图中架前架与中架由车架销锁定，车架销末端装有弹簧，一般情况下，车架销受弹簧弹力作用处在中架末端，使用时只需将车架销向后拉如图所示。然后将前架与中架合上，车架销自动锁上，使用简单便捷。图前架与中架连接般情况下车架销不受力或受力较小如图所示，力主要作用与前架与中架的结合面。车架销的作用是保证前架与中架不会因为行驶过程中的颠簸导致前后架分离。如图下车架后架与座椅支架设计由于本款自行车总体结构设计是将所有零件折叠后集中在下部，所以座椅部分也需要折叠，但折叠的方式不

20、同于以往的，并不是将座椅完全压到底部，而是压缩一半，然后座椅以铰链的形式与中架连接。如图所示座椅由部件1固定，中架与后架在3处结合，然后由部件2固定。中架与后架成一定的角度，增加了自行车的稳定性，避免了中架受力过大会折弯的可能性。图后架与座椅支架设计车把结构设计传统的自行车车把是不可折叠的，有了折叠自行车之后，不仅车身的折叠方式有多种，而且自行车的车把也可以折叠，最开始的折叠方法都是将车把主干折叠如图所示。图车把不可折叠的自行车这种折叠方式折叠时要将车把调整到与轮胎平行。展开时又要将车把重新对齐，这样容易导致车把没有对正而在后期骑行时不方便。基于这种自行车的改进，后来将车把旋转的角度固定在两个

21、弹簧销上，骑行时固定在一个销上，折叠时固定在另一个销上。本设计的车把在竖直方向上一般不用折叠，但在水平方向上将把手进行折叠如图所示。是车把把手的各个功能槽，把手展开时，图中1与4，2与5,3与7对应结合。把手由弹簧的弹力向下拉。图可以折叠的车把结构车壳设计车壳是本次设计的特点，车壳设计成不需要时可以随意拆卸。自行车折叠后集中在车壳的下部，上部空出足够的空间来存储物品如图所示。展开时如需存放物品也可将挡板拉起，可以当车篓用，而且比一般的车篓空间要大的多。挡板采用滑块加定位销固定，方便使用。图车壳及挡板结构固定车门设计本折叠自行车将折叠与购物车结合，为了方便存储物品，必须有个门。而我们设计的车壳是

22、一个椭圆形的外观，无法用传统的铰链式门轴，通过日常生活的观察，门轴的灵感来自窗户如图所示。图车门结构现在许多小区里的窗户都采用的这样的方式，不过他们是将滑块固定，然后2处装有滑块，窗户打开时窗户就刚好在中间。而我们的不需要自行车的门开到中间，只需要将1处向外移动一点点，避免1处与车壳发生干涉。所以我们将2处固定，由滑块来移动，而且这样设计还有一点好处，就是滑块处的自锁能力较好，不必当心车门打开时由于骑行的阻力将门合上了。第四章主要零部件的有限元分析本设计小组通过AutodeskInventorProfessional三维CAM件进行了设计三维实体的建模。Inventor产品提供了一组全面的设计

23、工具，支持三维设计和各种文档、管路设计和验证设计。Inventor不仅包含数据管理软件、AutoCADMechanical的二维工程图和局部详图，还在此基础上加入与真正的DWG1容的三维设计。Inventor提供的专家系统能以最快捷的方式生成制造用工程图，从而加速了从草图到成品的过程。前架的有限元分析结果前架与中架是我们的主要受力件，其强度要满足一定的要求。我们通过Inventor的应力分析功能对前架进行分析。通过查数据得，一般成年男性体重在50公斤至80公斤，而女性的体重要比男性的轻，如图所示我们取m=80kgg=10N/kg由G=mg得G=80*10=800N将数据代入inventor的应

24、力分析中，如图所示，将1固定，对2处施加800N的力，给出前架的材料为不锈钢，得出分析结果为位移变量，最大位移变量为0.7439mmo在允许范围内，最大应力值为,应力值在材料的屈服值范围之内。图前架的有限元分析中架的应力分析中架是整辆自行车的核心，它与前架、后架、座椅都有连接，其强度要求能满足三者的需求。我们给出中架的材料为不锈钢，先固定中架的后端如图所示，为了满足强度的要求，对前端给出1000N的力进行应力分析。得出的分析结果为最大的位移为0.003659mm,然后我们将中架的前端固定，再对后端给出1000N的力进行分析。分析结果如图所示。中架的有限元分析第五章运动仿真计算机运动仿真是现代机

25、械设计的方法，?很多制造企业由于成立不久，没有足够的设计力量，或者没有足够的人手进行创新设计，但是却又经常遇到用户提出的新产品开发要求，研制周期短，采用传统的设计模式，时间上根本不允许，而且生产准备时间长，成本高。但是，如果利用三维动画技术，首先对新产品进行功能和结构模拟，也方便进行论证和交流改进，确认设计方案后可迅速转换为生产图纸，逆推式的创新设计，大大增强了企业的市场应变能力。通过虚拟技术可使设备处于全局运行状态，可任意剖切，观察局部运动配合、功能工况等。当设备机构运行时，其等效执行机构是此时的研究观察重点。三维虚拟技术可针对性观察，屏蔽非工作环节，将该工况的机构运动配合、等效液压电器回路

26、、信号传感与逻辑伺服控制一览无余。仿真运动的步骤在INVENT。瞅件平台上进行零件的仿真运动时要做好以下2步。零件建模，并利用特征技术完成零件初步的三维立体模型。虚拟装配，所有零件的三维实体模型建好后就可以开始虚拟装配，装配先把零件装配成小部件，而后由部件装配成整机。可进超市的便携自行车装配过程：先打开一个文件作为作为装配文件，然后将所有零件依次导入文件中。装配自行车时，选择配对条件以装配件的边和面为基准，按配对条件进行装配。将自行车子装配图导入装配文件中，按照同样方法将其装在车架上。按上述步骤装配的自行车如图5-1所示可进超市便携自行车的虚拟装配仿真运动设置及结果进行运动分析前，首先进入运动

27、分析模块，创建一个新的分析方案，弹出运动预设置对话框，从对话框中选择或输入模型所需要的参数，如角度单位、对象的颜色、单位列表等，并设定分析环境，以便指定分析问题的类型。对于自行车进行分析时，在参数预设置中，默认长度单位为度，时间单位为s,力的单位为N,重力加速度为一9810mm/s,方向沿Z轴的负方向。(1)创建机构对象在机构应用中，机构由机构对象组成。要创建一个机构对象，包括创建组成该机构的各构件(连杆)、运动副、标记等。若需要进行运动分析时，则应为各构件赋予质量特性，并在机构中添加相应的载荷对象。其创建过程如下：创建构件：在机构中，机架总是存在的，不需要创建。由自行车的结构可知，由于自行车

28、轴承与机架相连，我们可将其视为一体定义为一个构件。通过铰链相连，并通过连接销同轴一起转动，铰链及其上连接螺栓可视为一个构件。创建运动副：运动副是用来定义两构件间的连接方式。创建标记：为了了解构件上的某点的机构分析结果，如某点的位移、速度、加速度等，可以在该构件的相应点处创建一个标记。通过标记可获得构件上标记所在位置的机构分析结果。创建载荷：在机构的任意两个构件之间均可添加载荷。载荷用于模拟零件间的弹性联结、弹簧、阻尼元件，冲力、控制力等。力和扭矩不会影响机构的运动，仅用于运动分析中的作用力或反作用力，且作用力的大小可通过图形功能等多种方式来观察。在创建构件、运动副、标记及相关的载荷对象等机构对

29、象后，利用工具条对机构进行分析。当对机构进行动力分析时，则必须赋予构件质量特性；若不需对机构进行动力分析，可省去载荷对象的定义部分。机构模块可用多种方式输出机构分析结果，输出动态仿真的图像文件，输出机构的分析数据文件，用线图表示机构的分析结果以及用电子表格输出机构的分析结果等，在每种输出方式中可输出各类数据。把手仿真运动驱动条件车门运动驱动条件如图5-2所示为自行车把手的驱动条件，在这种条件下把手就会按照给定的时间位移运动。如图5-3所示为车门运动的驱动条件，横坐标为时间，纵坐标为角度，表示车门按照时间的变化转动一定的角度。参考文献AutodeskInventorProfessional2010从入门到精通陈宪春，朱志伟，陈淑红.折叠自行车设计研究J.包装工程，2007（08）蒋旻昱，折叠自行车设计探讨J.包装工程，201