蛋壳形便携自行车设计项目说明指导书.doc

蛋壳形便携自行车设计阐明书

学校：隐去
设计人员：隐去
指引教师：隐去

蛋壳形便携自行车
摘要：环保健身成为品质生活重要构成某些，越来越多人不爱开车爱骑车。自行车停放展示了当代都市文明限度，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停放量，可以减少超市购物车使用量。便携式自行车折叠后可以节约普通自行车五分之四空间，且停放美观。本设计低碳环保，可以缓和都市交通拥挤，适当在大都市推广使用。
核心词：便携，自行车，购物，低碳环保

目 录
第一章 前言………………………………………………………………………………………3
第二章 蛋壳形便携自行车方案设计……………………………………………………………6
2.1对既有折叠自行车分析……………………………………………………………………6
2.2购物车式自行车设计方案拟定………………………………………………………………7
第三章 重要构造设计……………………………………………………………………………9
3.1重要构造设计及计算…………………………………………………………………………9
3.2 前件与前架连接设计 ……………………………………………………………………13
3.3前架与中架连接设计………………………………………………………………………14
3.4后架与座椅支架设计…………………………………………………………………………15
3.5车把构造设计 ………………………………………………………………………………16 3.6车壳设计………………………………………………………………………………………17
3.7车门设计………………………………………………………………………………………18
第四章 重要零部件有限元分析 ……………………………………………………………18
4.1前架有限元分析……………………………………………………………………………18
4.2中架有限元分析……………………………………………………………………………19
第五章 运动仿真 ………………………………………………………………………………20
5.1 仿真运动环节 ……………………………………………………………………………20
5.2仿真设立及成果………………………………………………………………………………21
参照文献 ………………………………………………………………………………………22
道谢 ……………………………………………………………………………………………23

第一章 前言
1.1自行车发展过程简介
据史料记载，最早实物自行车是1791年法国人西拉夫克创造在玩具马车上装两个轮子“玩具马”。因无驱动装置，坐垫较低，骑车人两脚着地，用脚蹬地迈进。
1818德国德拉伊斯首创了前轮可以转向自行车。她用2个木轮、1个鞍座和1个控制前轮车把制成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构造改为金属构造，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就向前行进，骑车人脚真正离开了地面。
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，以链条传动后轮构造。
1874年英国人劳森造出1辆和今天形式大体相似自行车，在车上开始装上链轮和链条，用后轮驱动车子迈进，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，初次使用橡胶作车轮，改进了自行车诸多构造，同步改造了诸多生产自行车机器，为自行车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，让骑车人骑行舒服度更为提高。再加上管材构造，配上车铃、支架、车灯等部件，先后轮改为同样大，到19世纪末自行车构造就基本完善了。通过将机械工业技术发展成果运用于自行车设计制造努力，自行车开始通过批量生产走进普通人生活，成为人们生活中以便、快捷交通工具。
1.2老式自行车缺陷
老式自行车作为短途代步工具具备其她交通工具不可代替功能，但是老式自行车体积过大，停放不以便，且占用面积大，不利于在外停放和家中停放。当前都市交通拥挤、存车面积明显局限性、自行车停车场合缺少、占用人行道停车状况严重且自行车被盗现象也十分严重。因而设计一种占地面积小、轻便、防盗、潮流可折叠自行车就显得十分有必要。
1.3折叠自行车前景和长处
（1）前景
折叠自行车是20世纪30年代在欧洲来源于军事用途并随着着轿车普及和都市人口增多而发展起来，近些年由于采用各种新材料、新技术及构造创新从而使之体积更小、重量更轻、强度更大、更结实耐用。
当前折叠自行车重要集中在欧美等发达国家。在这些国家，诸多私人轿车都配备折叠自行车，以备应急和休闲之用。依照发达国家发展经验，正处在经济高速发展和轿车开始大量进入家庭阶段国内，自行车行业产业即将迎来更大发展机遇，而折叠自行车独特长处符合国情，其发展空间将有很大优势。
自行车发展方向是设计个性化、功能综合化、自重轻量化、操纵以便化、款式多样化，自行车系列产品将得到更迅速发展，并形成高中低多档次格局，特别折叠自行车是国内最具潜力获得世界领先水平产品。
当前已有折叠自行车使用单列向心球轴承、腹板构造及独创7～11齿分体小飞轮，解决了小自行车受传动比限制技术难题，使小自行车不但体积小、重量轻并且速度快，十分便于骑行、携带和存储。通过12英寸样车在各种路况试骑后，速度与26英寸自行车相似，骑行操控性、舒服性、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5～9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。在都市某些取代26英寸自行车，成为上班族、学生、有车族、老年人潮流选取，有着诱人市场前景。
（2）折叠自行车长处：
1）灵活携带：折叠式自行车比普通自行车要轻，折叠后其体积不到普通自行车五分之一，体积小，重量轻，提着上楼、上电梯、上公交、乘地铁，都不费劲，是公共交通最佳伴侣。
2）迅速折叠：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、坐垫不必任何工具也可自由调节高低，男女老幼皆可乘骑。
3）驾驭自如：根据人体力学而设计折叠自行车，车轮不大，通过调节先后齿比，骑行舒服迅速省力，把手、坐垫高低均可调节。
4）保持潮流：折叠车外形靓丽，做工精美，绝对是潮流一族顶好装备。
5）送礼佳品：价格、外观、功能，都决定它是送礼好选取。
6）健身环保：骑折叠自行车不但是最佳有氧运动之一，也符合绿色出行主题。

第二章便携式自行车方案设计
2.1已有折叠自行车分析
当前市场上存在着各种各样折叠自行车，厂家们也在争先推出新产品，为求可以吸引更多消费者注意力，增长销售量。但是在这些款式中，大某些折叠自行车折叠机构都是千篇一律、大同小异，多数都只但是在颜色和材料或者是小部件上有所区别，没什么设计能真正做到真正意义上改进。市场上大某些折叠自行车虽然折叠后体积是比老式自行车小一点，但对于广大顾客而言，市场上诸多折叠自行车折叠后还是很难携带，尽管也有某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。
因而，折叠自行车已经成为自行车一种发展优势，人们在选购自行车是都会一方面考虑折叠自行车，因此，当前人们对购买选取自行车规定已经不但仅局限于使用舒服，还涉及外形、构造和存储空间等等，因此只是简朴变化某些小部件，变化颜色和材料等得改进已经不存在着什么明显优势。如何能把折叠自行车折叠后体积更小，折叠操作更以便、省时、灵活，已经成为广大折叠自行车开发者挑战。
自折叠自行车浮现以来，人们尝试了各种折叠方式，其中运用最广折叠方式是将车架大梁折叠，先后车轮能叠在一起，车把侧放倒，座管压究竟，脚踏板折叠，车把折叠，如图2.1所示；这种折叠方式在折叠后体积的确缩小了，但外形不规则，必要提着行走，不便于携带，收起、展开费事，且折叠后没有固定装置，这种折叠方式仅合用于折叠后便于家中存储。因而虽然技术较为成熟，但并不是抱负折叠式自行车。
折叠方式影响着自行车各项性能。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原则，但是自折叠自行车浮现以来，人们尝试各种折叠方式均有其局限性。

图2.1 大梁折叠式自行车
这种折叠方式是当前较为成熟折叠方式，但这种折叠方式有较多不便之处，折叠较为复杂，且折叠后先后轮无固定装置，导致先后轮容易分开，折叠后所占空间比理论空间要大多，且无提手之类装置。这种折叠自行车只合用于闲置自行车在家中存储，折叠功能大大减少了。
另一种折叠自行车变化了老式折叠方式，是当前全球最小最轻折叠自行车。自行车仅重5.5公斤，折叠后可以放入包中，犹如一把雨伞。这种折叠自行车制造者是英国创造家克莱夫·辛克莱爵士，她曾在1970年创造当时世界上最小袖珍计算器。该自行车可以承受重量最高为112公斤，它高度可以调节。并且它折叠和展开都比较便捷，只需大概20秒。虽然展开后，这种自行车车轮只有普通自行车四分之一大，但辛克莱说，骑在上面照样很稳当。但是这种自行车当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，还不是能较好接受。通过对以上折叠自行车分析，当前较好折叠方式为折叠先后叉。但这仅解决了折叠问题，折叠自行车安全问题未解决。折叠自行车很轻便，它轻是一大特点，也是一大缺陷，放在室外容易被人偷走。
2.2自行车方案设计
综合考虑，折叠办法采用先后叉折叠方式，这样比较节约空间另一方面，为了保证自行车安全，并且能以便自行车在超市或者拥挤菜场中行走，咱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，且自行车可以真正做到随身携带，也保证了自行车安全 如图2.2所示。

图2.2 折叠自行车
为了使折叠自行车可以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空间，车架折叠采用先后叉折叠方式，这样便于先后车壳闭合；总体构造尺寸最小化，核心零部件强度、刚度足够；动作安全可靠，工作时运动平稳；整个构造布局优化，结合各种折叠自行车方案实力，结合实际生活经验，最后拟定了如图2.3所示重要折叠关节图框架。

图2.3 重要折叠关节图

第三章 重要构造设计
3.1重要构造设计及计算
本设计小组通过Autodesk Inventor Professional三维CAD软件进行了设计三维实体建模。Inventor产品提供了一组全面设计工具，支持三维设计和各种文档、管路设计和验证设计。Inventor不但包括数据管理软件、AutoCAD Mechanical二维工程图和局部详图，还在此基本上加入与真正DWG兼容三维设计。Inventor提供专家系统能以最快捷方式生成制造用工程图，从而加速了从草图到成品过程，设计构造如3.1所示。

图3.1可进超市便携式自行车构造设计
3.1.1重要技术规定
采用Inventor3维设计完毕各某些设计，使用该设备能实现展开后安全正常行使，折叠后便于携带等功能，规定总体构造尺寸最小化，核心零部件强度、刚度足够。动作安全可靠，工作时运动平稳，整体构造布局优化。
重要技术参数：
（1）最大展开尺寸：857.13*500*1000 mm；
（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*1000 mm；
（4）最大承重：100kg；
（5）设计重量：7.6kg；
（6）车轮直径：150mm。
3.1.2重要尺寸计算
咱们自定义大链轮转速：

传动功率为：

依照折叠自行车尺寸大小
取小链轮齿数：

自定义传动比：

则大链轮齿数为：

初定中心距取：

则链节数：

取：
滚子链重要尺寸：
滚子外径：

销轴直径：

内链节内宽：

内链节外宽：

链轮基本尺寸：
分度圆直径：
其中小链轮分度圆直径为：

大链轮分度圆直径为：

齿顶圆直径：
其中小链轮为：

大链轮为：

齿根圆直径：
其中小链轮为：

大链轮为：

额定功率：

（其中平稳载荷，，）
小链轮转速：
链节距：
由、
由教材图14.17得出选08A号滚子链
取：
拟定实际中心距：
中心距：

取
作用轴上载荷：
链速：

有效拉力：

轴上载荷：

3.2前件与前架设计
前件与前架采用铰链连接，由滑销来固定如图3.2所示。滑销由弹簧压着，处在前件滑槽下端，这样是为了保证自行车在行驶过程中滑销不会随意乱动，且折叠时也比较以便，只用将滑销向上拉起，滑销就可以沿着滑道滑到背面一种锁扣了。

3.2前件与前架构造变化图
3.3前架与中架设计
前架与中架是整车中重要构造件，其承受所有重量，为了保证其有足够强度，设计时将其截面设计为椭圆型，这样可以保证其在竖直方向上强度如图3.3与3.4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3.3前架 图3.4中架
前架与中架由车架销锁定，车架销末端装有弹簧，普通状况下，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3.5所示。然后将前架与中架合上，车架销自动锁上，使用简朴便捷。

图3.5 前架与中架连接
普通状况下车架销不受力或受力较小如图3.6所示，力重要作用与前架与中架结合面。车架销作用是保证前架与中架不会由于行驶过程中颠簸导致先后架分离。

如图3.6 下车架
3.4后架与座椅支架设计
由于本款自行车总体构造设计是将所有零件折叠后集中在下部，因此座椅某些也需要折叠，但折叠方式不同于以往，并不是将座椅完全压究竟部，而是压缩一半，然后座椅以铰链形式与中架连接。如图3.7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。中架与后架成一定角度，增长了自行车稳定性，避免了中架受力过大会折弯也许性。

图3.7后架与座椅支架设计
3.5车把构造设计
老式自行车车把是不可折叠，有了折叠自行车之后，不但车身折叠方式有各种，并且自行车车把也可以折叠，最开始折叠办法都是将车把主干折叠如图3.8所示。

图3.8 车把不可折叠自行车
这种折叠方式折叠时要将车把调节到与轮胎平行。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以便。基于这种自行车改进，日后将车把旋转角度固定在两个弹簧销上，骑行时固定在一种销上，折叠时固定在另一种销上。
本设计车把在竖直方向上普通不用折叠，但在水平方向上将把手进行折叠如图3.9所示。是车把把手各个功能槽，把手展开时，图中1与4，2与5,3与7相应结合。把手由弹簧弹力向下拉。

图3.9可以折叠车把构造
3.6车壳设计
车壳是本次设计特点，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下部，上部空出足够空间来存储物品如图3.10所示。展开时如需存储物品也可将挡板拉起，可以当车篓用，并且比普通车篓空间要大多。挡板采用滑块加定位销固定，以便使用。

图3.10车壳及挡板构造固定
3.7车门设计
本折叠自行车将折叠与购物车结合，为了以便存储物品，必要有个门。而咱们设计车壳是一种椭圆形外观，无法用老式铰链式门轴，通过寻常生活观测，门轴灵感来自窗户如图3.11所示。

图3.11车门构造
当前许多社区里窗户都采用这样方式，但是她们是将滑块固定，然后2处装有滑块，窗户打开时窗户就刚好在中间。而咱们不需要自行车门开到中间，只需要将1处向外移动一点点，避免1处与车壳发生干涉。因此咱们将2处固定，由滑块来移动，并且这样设计尚有一点好处，就是滑块处自锁能力较好，不必当心车门打开时由于骑行阻力将门合上了。

第四章 重要零部件有限元分析
本设计小组通过Autodesk Inventor Professional三维CAD软件进行了设计三维实体建模。Inventor 产品提供了一组全面设计工具，支持三维设计和各种文档、管路设计和验证设计。Inventor 不但包括数据管理软件、AutoCAD Mechanical二维工程图和局部详图，还在此基本上加入与真正DWG 兼容三维设计。Inventor 提供专家系统能以最快捷方式生成制造用工程图，从而加速了从草图到成品过程。
4.1前架有限元分析成果
前架与中架是咱们重要受力件，其强度要满足一定规定。咱们通过Inventor应力分析功能对前架进行分析。通过查数据得，普通成年男性体重在50公斤至80公斤，而女性体重要比男性轻，如图4.1所示

咱们取 m=80kg g=10N/kg
由 G=mg 得
G=80*10=800N
将数据代入inventor应力分析中，如图4.1所示，将1固定，对2处施加800N力，给出前架材料为不锈钢，得出分析成果为位移变量，最大位移变量为0.7439mm。在容许范畴内，最大应力值为195.8MP,应力值在材料屈服值范畴之内。

图4.1 前架有限元分析
4.2中架应力分析
中架是整辆自行车核心，它与前架、后架、座椅均有连接，其强度规定能满足三者需求。咱们给出中架材料为不锈钢，先固定中架后端如图4.2所示，为了满足强度规定，对前端给出1000N力进行应力分析。得出分析成果为最大位移为0.003659mm。然后咱们将中架前端固定，再对后端给出1000N力进行分析。分析成果如图4.2所示。

图4.2 中架有限元分析

第五章 运动仿真
计算机运动仿真是当代机械设计办法， 诸多制造公司由于成立不久，没有足够设计力量，或者没有足够人手进行创新设计，但是却又经常遇到顾客提出新产品开发规定，研制周期短，采用老式设计模式，时间上主线不容许，并且生产准备时间长，成本高。但是，如果运用三维动画技术，一方面对新产品进行功能和构造模仿，也以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，逆推式创新设计，大大增强了公司市场应变能力。通过虚拟技术可使设备处在全局运营状态，可任意剖切，观测局部运动配合、功能工况等。当设备机构运营时，其等效执行机构是此时研究观测重点。三维虚拟技术可针对性观测，屏蔽非工作环节，将该工况机构运动配合、等效液压电器回路、信号传感与逻辑伺服控制一览无余。
5.1 仿真运动环节
在INVENTOR软件平台上进行零件仿真运动时要做好如下2步。
1） 零件建模，并运用特性技术完毕零件初步三维立体模型。
2） 虚拟装配，所有零件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。可进超市便携自行车装配过程：
①先打开一种文献作为作为装配文献，然后将所有零件依次导入文献中。
②装配自行车时，选取配对条件以装配件边和面为基准，按配对条件进行装配。
③将自行车子装配图导入装配文献中，按照同样办法将其装在车架上。
按上述环节装配自行车如图5-1所示

5.1 可进超市便携自行车虚拟装配
5.2仿真运动设立及成果
进行运动分析前，一方面进入运动分析模块，创立一种新分析方案，弹出运动预设立对话框，从对话框中选取或输入模型所需要参数，如角度单位、对象颜色、单位列表等，并设定分析环境，以便指定分析问题类型。对于自行车进行分析时，在参数预设立中，默认长度单位为度，时间单位为s，力单位为N，重力加速度为－9810mm/s2，方向沿Z轴负方向。
(1) 创立机构对象 在机构应用中，机构由机构对象构成。要创立一种机构对象，涉及创立构成该机构各构件（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载荷对象。其创立过程如下：
①创立构件：在机构中，机架总是存在，不需要创立。由自行车构造可知，由于自行车轴承与机架相连，咱们可将其视为一体定义为一种构件。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种构件。
②创立运动副：运动副是用来定义两构件间连接方式。
③创立标记：为了理解构件上某点机构分析成果，如某点位移、速度、加速度等，可以在该构件相应点处创立一种标记。通过标记可获得构件上标记所在位置机构分析成果。
④创立载荷：在机构任意两个构件之间均可添加载荷。载荷用于模仿零件间弹性联结、弹簧、阻尼元件，冲力、控制力等。力和扭矩不会影响机构运动，仅用于运动分析中作用力或反作用力，且作用力大小可通过图形功能等各种方式来观测。
在创立构件、运动副、标记及有关载荷对象等机构对象后，运用工具条对机构进行分析。当对机构进行动力分析时，则必要赋予构件质量特性；若不需对机构进行动力分析，可省去载荷对象定义某些。机构模块可用各种方式输出机构分析成果，输出动态仿真图像文献，输出机构分析数据文献，用线图表达机构分析成果以及用电子表格输出机构分析成果等，在每种输出方式中可输出各类数据。

5.2把手仿真运动驱动条件

5.3 车门运动驱动条件
如图5-2所示为自行车把手驱动条件，在这种条件下把手就会按照给定期间位移运动。如图5-3所示为车门运动驱动条件，横坐标为时间，纵坐标为角度，表达车门按照时间变化转动一定角度。
参照文献
[1] Autodesk Inventor Professional 从入门到精通
[2] 陈宪春，朱志伟，陈淑红.折叠自行车设计研究[J].包装工程，（08）
[3] 蒋旻昱，折叠自行车设计探讨[J].包装工程，（10）
[4] 谢进，万朝燕，杜立杰主编[M]. 机械原理 . 北京：高等教诲出版社，
[5] 邱宣怀等编著 . 机械设计[M]. 北京：高等教诲出版社，
[6] 卢耀祖等. 机械构造设计[M].上海：同济大学出版社，
[7]《中华人民共和国轻工业原则汇编——自行车卷（第二版）》[M]机械工业出版社
[8]《机械工业手册：金属材料（第6版）》[M]机械工业出版社

道谢
很高兴咱们把全国数字化设计比赛与毕业设计结合起来做。通过竞赛进一步培养咱们创新设计能力、综合设计能力和团队精神，毕业设计可以体现出咱们在校期间学习限度。从而对咱们所学专业知识做出有依照必定。毕业设计是对咱们这些年来在学校所学知识总结。通过毕业设计可以充分体现出咱们在大学期间学习限度，从而对咱们所学专业知识做出很有依照评价。
从咱们小组拿到毕业设计课题第一天开始，***教师就经常给咱们解说毕业设计设计环节，运用课余为咱们进行有针对辅导，在咱们设计过程中始终担当着照明灯角色，为咱们圆满完毕任务奠定了良好基本。咱们此前所接触只是课本上知识，对机构整体化设计只有侧面理解。但是同过这次锻炼，咱们才全方位懂得了什么是机械设计，从而更加理解了咱们专业。刚开始设计时候，觉得东西太多太难，不懂得从什么地方下手，对某些设计环节主线不懂得怎么安排，怎么设计。李教师给咱们详细解说了关于自行车工作目，辅导咱们应从目规定着手，顺藤摸瓜，理清思路，由目找到需要动作，由动作找到完毕它构件，由各种构件最后整合成所需要机构，一步步夯实得到成果。
在设计期间，咱们勤思考、善动手，从各种方面锻炼了自己专业能力。遇到不懂问题时，***教师都能细心协助咱们。咱们小组成员也定期讨论，互相协助，互相学习，有效锻炼了咱们团队合伙精神。在一次有一次头脑风暴中，咱们毕业设计越来越有进步了。
这次比赛和毕业设计结合是咱们出校门之前最重要一次综合演习，是咱们大学4年学以致用最佳表达。相信咱们通过这次毕业设计，后来也一定会在工作岗位中更好发挥本领。
再次感谢***教师，是您重复耐心辅导，让咱们专业水平越来越高，让咱们在出校门之前更好地增强了咱们本领。也感谢咱们小组同窗们，是你们给了我诸多好思路和想法，从而能把毕业设计越做越好。
在此感谢全国大学生机械产品数字化设计组委会给咱们一种呈现自我平台！