自行车的创新设计和应用-机械设计课程论文.docx
机械创新设计课程论文题目：自行车的创新设计专业班级：机械姓名：学号：课程老师：**车的创新设计和应用浙江农林大学机械摘要：为促进自行车行业的发展，必须引入创新的设计方法进行创新设计。在阅读和检索国内外大量文献的基础上本文分析了创新设计的理念和方法，分析了现代自行车的主要创新形式为自行车的创新设计奠定了一定的基础。论文从车把、车身、车座等几个方面介绍了自行车的创新思路与方法。文中介绍的创新点为：改经典的链传动改为齿轮传动。用新型非零变位弧齿锥齿轮取代传统的零变位弧齿锥齿轮，以获得更高的使用寿命和传动效率。采用双瓣式车座，改善骑车的舒适度。采用龙头式车把，有更好的骑车体验。采用碳纤维车架，减轻车身重量，增强自行车使用寿命。采用折叠式双杆三角支撑立车架，避免外部因素使闲置自行车歪倒，损坏车身。关键词：自行车；创新设计；弧齿锥齿轮；车架造型一、产品背景及发展现状1.1论文的选题背景及意义从早期的自行车雏型出现，到今天种类繁多、形式多样的自行车产品，已经历了近200年的历史。今天，尽管自行车整体行业处于一个供大于求的市场矛盾中，但就其存在的社会效益上看，它依然是一种清洁、廉价和具有健身功能的短途代步工具，依然有着广阔的发展前景，因此创新对今天的自行车的设计和生产有着积极的意义。
现代自行车产品开发越来越注重创新，例如色彩的设计，新材料、新工艺、新结构的应用以及多功能设计。本文以大家都比较熟悉的自行车为对象，在研究自行车发展史、结构功能、传动机构、派生形式等多方面资料的基础上，开发自行车计算机辅助设计的创新软件。充分利用面向对象技术、计算机动画技术及多媒体仿真技术，提供多种自行车设计方案，准确而生动地模拟出自行车创新设计过程，能够促使人们积极思考、分析、探索，提高创新能力。同时对提高设计质量，缩短设计周期，增强设计的直观性、形象性，以便集中精力用于创造性研究，具有重要意义和应用价值。1.2国内外研究及发展现状近年来，自行车创新以人机工程学为出发点，主要集中在生物力学特性的研究方面。和'31对骑行中的自行车做了受力分析，指出骑行开始时蹬踏力可达到人体体重的三倍。Hull和他的合作者们研究了骑行生物力学，用五杆平面机构模拟具有圆链轮驱动的脚蹬自行车系统，探讨了脚蹬力和脚蹬速率如何影响骑行过程以及铰链力矩节奏的关系。RayP.S.'-lel等人着眼于非圆链轮驱动系统运动学和动力学分析与研究，并对人体作用进行评估，包括关节力矩、腿的角加速度、输出力等。
通过将两自由度的五杆模型简化为杆件长随曲柄变化的等效四杆机构，再求解两链轮臂连杆顶部的位置，得到非圆驱动链轮的形状。同时建议将椭圆链轮和圆链轮结合起来运用:在低速状态下，使用前者，在高速状态下，切换到后者。对脚踏数据进行测量，估计出曲柄转角和脚踏角的关系。国内研究人员邓国光1191从力学角度较为详细地研究了自行车运动员的蹬踏方式，并用微机控制闭环系统—自行车运动训练测试台得出的数据，研究出曲柄旋转角与蹬踏角的关系。在造型设计方面，现代自行车创新更注重色彩设计、新结构、新材料、新工艺的应用以及多功能的设计。设计上由原来的粘接成型车架到整体成型车架再到混合型车架;风格上表现出多样性和仿生性，出现“羚羊型”、“鹿角型”、“白天鹅型”等仿生自行车，“淑女型”等轻便自行车;而尽可能减少空气阻力与增强视觉效果的“流线型”结构和改变驾驶者姿态的“躺式”造型是自行车造型发展的新趋势。在能源驱动方面，出现太阳能驱动、蒸汽驱动、夜光型、以及很有发展前景的电力驱动自行车。电动自行车作为一种有效替代燃油汽车的绿色环保交通工具，在减轻或消除城市环境污染方面发挥作用。碳纤维、复合材料、镁合金、铝合金等新型材料因其优良的材料特性而被有效地运用到自行车特别是赛车上。
开发生产碳纤维自行车和镁铝合金自行车是当今自行车工业领域致力研究的课题。非圆链轮传动以其在大中心距传动和绕性传动上比变速齿轮传动更具独到特性而运用于自行车上。国内外自行车大赛上常能欣赏到以带传动、圆锥齿轮传动、轴传动、棘轮棘爪传动、无链传动等多种传动形式设计的新型自行车。自行车的结构形式多种多样，封闭式、独轮式、三轮式、双轮式、多人式等等。而折叠式电动自行车以其结构简便、携带方便成为行业人士的关注焦点;全悬臂式前后叉避震赛车成为运动比赛的亮丽风景线。多功能自行车是高科技发展的结果，将多种特性有效地集中于一辆自行车上，为人们的使用提供了极大的方便，如水陆两用、多档变速、登山越野、健身保健、智能电动等。二、自行车的创新原理及创新思路2.1创新的设计方案及原理市场要求自行车企业提高产品开发研制效率，以最快的时间和最优的产品抢占市场，因此需要一种新的设计研发方法去缩短开发周期和提高设计质量。传统的自行车开发过程以串行过程来实现，它是以顺序的过程为前提，在前一阶段完成后，下一阶段才开始，因此设计时间长，满足不了快速的市场变化。其次，各部门协调不紧密，增加了从设计到生产，再到销售之间的往返次数，增加了不必要的开发费用。
随着计算机设备、网络通讯设备价格不断的降低，性能不断的增强，以及CAD/CAE软件数量和功能的丰富，并行工程理论应用于自行车的设计开发领域成为可能。CREO、UG等软件适用于设计时的实体造型设计。在造型完成后，可通过相应图形接口程序输入ANSYS运用有限元分析软件进行分析。2.2创新的设计思路成功的自行车企业不但需要关注市场的需求变化，而且要有创新的产品来创造市场。注重创新设计已成为企业提高经济效益，占领市场和创造市场的法宝。通过对自行车以下几个方面的思考，无疑可以使我们找到一些创新的思路。2.3创新原理创造性思维只有在一定原理的约束和导向下才能得到有效的创造性结果。通过对上万件发明专利的研究与分析，抽出40个发明创造所遵循的原理，成为TRIZ解决技术矛盾的关键。下列几项原则具有指导性意义:（1）分割：把一个物体分成相互独立的部分；把物体分成容易组装和拆卸的部分；提高物体的可分性。（2）提炼：从物体中提炼产生负面影响的部分或属性；从无体重提炼必要的部分或属性。（3）改变局部：将均匀的物体结构、外部环境或作用改变为不均匀的；让物体不同的部分承担不同的功能。（4）组合：在空间上将相同或相近的物体或操作加以组合；在时间上将相关的物体或操作合并。
（5）多用性：使物体具有复合功能以替代其他物体的功能。（6）减小有害作用：采取特殊措施，减小有害作用。（7）反馈：引入反馈。（8）多孔材料：使物体多空或加入多空物体。（9）同质性：主要物体及与其相互作用的物体使用相同或相近的材料。（10）复合材料：用复合材料替换单一材料。三、自行车的创新设计3.1自行车车把设计现在自行车普遍使用平式把或翘式把，尽管没有什么原因，但在使用翘式把时，你很难找到最佳位置。并且在长时间骑行过程中会使人感觉手腕僵硬，手臂发麻。根据仿生学原理， 设计出像龙头一样形状的龙头式延伸把。当骑车者长 时间攀爬骑行或者是费力地在直线公路或环形车道 骑行时，龙头车把的延伸部分能给其更多选择手握位 置的空间。使用龙头车把延伸部分有三个好处:1、你 选择手握位置的空间较大，由此，压迫你手部神经的 情况则就明显减少2、骑行时 ,你的手臂和肘部能较 好支撑你的上半身，因此劳动就可自然减轻。3、这 种合适的骑行姿势能给你一种辅助力的感觉。你完全可以借助各种骑车技巧及速降骑行这一 时间段，充分利用车把使用特性有效减轻体力消耗。 3.2 自行车鞍座设计 大多数人长时间骑自行车，都会感到臀部以及会阴部疼痛。
近日，美国科轮大学的一所 研究泌尿系统的实验室经过试验研究表明:如果坐在结构不太合理的鞍座进行自行车骑行， 长此己久的话，骑行者的泌尿生殖系统将会受到一定的影响。其实美国《》杂志 曾经也刊登过两篇类似的文章。究其原因，发现一方面是因为前倾式的骑车姿势使骑行者会 阴与鞍座前端产生磨擦，时间一久就会感到不舒服；另一方面则是鞍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25cm 的坐骨结节承受，故鞍座后端宽度过小就会使坐骨结节处在鞍座外缘或紧挨外缘的位置，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。 考虑到以上问题，设计出双瓣式车座。其的主要特点是： （1）大面积的座位可以更好的分布压力。 （2）从人机角度出发设计的分离型的中部中空可以消除对阴部的压力。 （3）通风槽可以减小温度和湿度的累积。 （4）消除大腿内侧的摩擦。 （5）适合任何自行车型用。因此，此自行车鞍座真正解决了鞍座设计缺陷导致人体的 生理压力以及心理压力。 图示为双瓣式车座 3.3 自行车车架设计 3.3.1 自行车车架结构 自行车车架设计要从材料强度、骑行运动学、加工工艺，可靠性等各个方面进行考虑， 这些因素都直接影响着车架的外观美感、强度大小和弹性优劣。
而车架造型很大程度上决定 着自行车骑行好坏、易转性能、骑行舒畅感等。 此自行车车架遵循以下三条设计原则： （1）自行车的性能是通过人来体现的它的结构设计应以人为主，充分考虑到人体工程 学、自行车运动学、形态美学等方面的知识。 （2）自行车车架的形状和尺度与其功能有关。要求外形尺寸合适，以提高骑行舒适性； 要求所受阻力最小，骑行的输出性能最佳。 （3）要求有足够的刚性和强度，并且尽量减少重量。具有良好的抗冲击、耐疲劳性， 以保证寿命使用。 自行车前桥采用双桥式前叉形成前后两个拱桥式结构，强度超高、外形独特美观。采用 单只材料一体成型，有效运用材料、减少废料，无焊接，低碳环保，降低制造成本。 3.3.2 自行车车架材料 运用在自行车上的材料多种多样，目前比较流行的材质有钢材、铝合金、镁合金、钦合金、 高分子碳纤维材料、复合材料等。 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。
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，最适用于白行车。 碳纤维车架造型采用流线型整体结构，其性能分析有一下优点: 整体式结构:人体做工力传递效率高。避免了普通车架因部件多，相互摩擦、接触变形造成的人体动力传递损耗。 3.4 传动系统方案设计 现今大多数自行车采用链传动。链传动虽然有其自身优点并且被广大群众所认可，但是 链传动也有其无法克服的弊端。如链的使用寿命受到铰链磨损的限制。磨损使链节距增大， 摆动速度不断变化，工作中的销轴和套筒之间的接触中心几乎不能形成流体动力润滑油膜， 且摩擦系数高，会出现 局部粘着 现象。为提高使用寿命 和效率，需 设置张紧装置(张紧轮、 张紧轨道) 来补偿由磨损引起的 滚子链伸 长。由于链传动具有由 多边形效 应引起的运转不均匀 性并产生 冲击力，传动平稳性欠 佳，因此， 必须使链和链轮质量 减小，链节 距和链环长在充分利 考虑到空间限制要求有中心距小；瞬时传动比要求恒定；传动比大；转速极高；声要求小的时候，链传动的使用性能不如齿轮传动。因此本车采用非零变位弧齿锥齿轮传动。齿轮 广泛应用于机械传动中，齿轮传动有着传动功率大，传动比准确，速度高，效率高，工作可 靠等优点。但不适合轴间距离大的传动。考虑到转轴适合远距离传动运动，在自行车设计中