水陸兩用自行車

1、水陸兩用自行車設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)學(xué)校名稱：山東交通學(xué)院指導(dǎo)教師：參賽學(xué)生： 2016年7月水陸兩用自行車設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 1 研制背景及意義1.1 環(huán)境基本情況人類的發(fā)展是以自然資源和人類賴以生存的環(huán)境為基礎(chǔ)的，資源和環(huán)境是不可分的，資源的實(shí)質(zhì)就是環(huán)境，一次，要保證可持續(xù)發(fā)展就必須保護(hù)環(huán)境。我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)實(shí)行資源高消耗、環(huán)境重污染、片面追求經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的發(fā)展模式，實(shí)際上我國(guó)高速經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)是以巨大的生態(tài)環(huán)境污染為代價(jià)的。近20年來(lái)，我國(guó)在總體上承襲了“先污染后治理”的模式，事實(shí)證明，此種模式只能帶來(lái)更嚴(yán)重的污染。“十一五”期間單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低20%左右、主要污染物排放總量減少10%。這是貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、構(gòu)

2、建社會(huì)主義和諧社會(huì)的重大舉措；是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的必然選擇；是推進(jìn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整，轉(zhuǎn)變?cè)鲩L(zhǎng)方式的必由之路；是維護(hù)中華民族長(zhǎng)遠(yuǎn)利益的必然要求1.2 現(xiàn)代自行車的發(fā)展自行車發(fā)明至今已有200多年歷史。由于其不消耗能源，使用方便，因此，無(wú)論是在工業(yè)發(fā)達(dá)的歐美國(guó)家，還是發(fā)展中國(guó)家，始終深受人們的歡迎。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)今世界上共有65個(gè)國(guó)家和地區(qū)生產(chǎn)自行車。自行車的設(shè)計(jì)發(fā)展為采用其它方式驅(qū)動(dòng)的交通工具提供了基礎(chǔ)，其它交通工具的發(fā)展也促進(jìn)了自行車的設(shè)計(jì)。自行車在大的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)沒(méi)有采用摩托車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)觀念而發(fā)生重大的變化，但設(shè)計(jì)者們卻也吸收了摩托車的一些優(yōu)點(diǎn)用在自行車上：在自行車上使用變速系統(tǒng)，

3、使自行車在騎行時(shí)可以改變驅(qū)動(dòng)時(shí)的傳動(dòng)比，方便騎行者騎車時(shí)可以根據(jù)具體情況選擇適當(dāng)?shù)膫鲃?dòng)比，達(dá)到省力或快速的目的；在自行車上加裝避震裝置，使自行車更適用于一些較差的情況。1.3 前景推廣水陸兩用自行車最早起源于加拿大，作為一種環(huán)保型、娛樂(lè)型的運(yùn)動(dòng)器材，也逐漸受到世界各國(guó)企業(yè)的重視。而在我國(guó)對(duì)于水陸兩用自行車的研究以及應(yīng)用學(xué)者們也越來(lái)越感興趣，據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明在水陸兩用自行車的專利領(lǐng)域中發(fā)明專利僅有10項(xiàng)，實(shí)用新型專利44項(xiàng)，外觀專利10項(xiàng)。為推動(dòng)水陸兩用自行車的開(kāi)發(fā)與研究，我們?cè)O(shè)計(jì)出了此款水陸兩用自行車。這款水陸兩用自行車，不僅倡導(dǎo)綠色、環(huán)保、低碳出行的理念,而且可以

4、水陸兩用，可以廣泛的用于漁業(yè)、旅游業(yè)以及其他相關(guān)領(lǐng)域。水上娛樂(lè)設(shè)備在近幾年飛速發(fā)展，而今隨著人們?nèi)找嫔畹男枰?，市?chǎng)對(duì)適用的水上自行車的需求將越來(lái)越迫切。故水陸兩用自行車的研究設(shè)計(jì)意義深遠(yuǎn)。2總體方案設(shè)計(jì) 2.1水陸兩用自行車的構(gòu)成 水陸兩用自行車的整體構(gòu)成由以下幾大模塊： (1).車身 在行駛中，車身的造型對(duì)整個(gè)行駛的效率有著很大的影響，因?yàn)檐嚿淼脑煨椭苯佑绊懙降氖切羞M(jìn)的阻力。此處設(shè)計(jì)的水陸自行車的車體造型也已達(dá)到最小阻力位佳，通過(guò)流體力學(xué)，我們可以針對(duì)各種造型在水中行進(jìn)時(shí)所受的阻力進(jìn)行分析，核定最佳造型設(shè)計(jì)以達(dá)到最佳運(yùn)動(dòng)效率。2.1.1車身(2).傳動(dòng)系統(tǒng) 通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)我們可以比較確切的分

5、析各種傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)關(guān)系進(jìn)而計(jì)算出總傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率進(jìn)行核算。(3).推進(jìn)系統(tǒng) 這里的推進(jìn)系統(tǒng)可以引用為船舶推進(jìn)器，船舶推進(jìn)器是船舶上提供推力的工具，它的作用是將船舶動(dòng)力裝置提供的動(dòng)力轉(zhuǎn)換成推力，推進(jìn)船舶。推動(dòng)船舶前進(jìn)的機(jī)構(gòu)。它是把自然力、人力或機(jī)械能轉(zhuǎn)換成船舶推力的能量轉(zhuǎn)換器。推進(jìn)器按作用方式可分為主動(dòng)式和反應(yīng)式兩類?？咳肆蝻L(fēng)力驅(qū)船前進(jìn)的纖、帆（見(jiàn)帆船）等為主動(dòng)式，槳、櫓、明輪、噴水推進(jìn)器、螺旋槳等為反應(yīng)式?，F(xiàn)代運(yùn)輸船舶大多采用反應(yīng)式推進(jìn)器具體的水下推進(jìn)系統(tǒng)有以下幾種： 明輪 蹼輪局部浸沒(méi)于水中的推進(jìn)器。其水平軸沿船寬方向裝置于船體水線之上，輪的周緣裝若干蹼板。蹼板分定蹼和動(dòng)蹼兩種。定蹼

6、式蹼板沿徑向固接于輪輻上，蹼板在入水和出水時(shí)擊水消耗能量大，效率低。動(dòng)蹼式蹼板可調(diào)節(jié)入水和出水角度，效率較高。同時(shí)采用雙明輪式傳動(dòng)增大其效率，故選為最終方案。2.1.2明輪噴水推進(jìn)器 一種水力反作用式推進(jìn)器。用裝于船內(nèi)的水泵自船底吸水，經(jīng)噴管向后噴射受到水的反作用力而產(chǎn)生推力。其機(jī)械部分裝于船內(nèi)，得到良好保護(hù)。噴管方向可變,便于船舶操縱。但噴管因直徑受限制,管路及水泵效率不高，所以整個(gè)系統(tǒng)效率較低，又因水泵及噴管中有水增加了船體重量，所以很少使用，已舍棄 (4).導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 正常直線行駛時(shí)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)應(yīng)不構(gòu)成阻力，設(shè)計(jì)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單便捷為好。 (5).浮板 具有較大的浮力，與車身固定良好，在水中

7、行駛時(shí)安全，不傾翻。同時(shí)質(zhì)量要盡量的小，以減少行進(jìn)的阻力。 2.2水陸兩用自行車方案設(shè)計(jì)：目前水上自行車設(shè)計(jì)各式各樣，這里的設(shè)計(jì)主要從傳動(dòng)系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)兩個(gè)方面來(lái)結(jié)合設(shè)計(jì)。分析以上性能需求，并根據(jù)本設(shè)計(jì)需要，針對(duì)推進(jìn)器和傳動(dòng)系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)提出以下方案：采用鏈傳動(dòng)，明輪驅(qū)動(dòng)。當(dāng)腳踩動(dòng)踏板帶動(dòng)鏈輪1、2傳動(dòng)使得明輪3、4轉(zhuǎn)動(dòng)拍打水面產(chǎn)生向前的驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)前進(jìn)。2.2.1傳動(dòng)系統(tǒng)3 浮力3.1浮力計(jì)算根據(jù)阿基米德原理：浸在液體里的物體受到向上的浮力，浮力大小等于物體排開(kāi)液體所受重力。 即F浮G液排液gV排當(dāng)物體漂浮時(shí)：F浮G物 且 物液所以，液gV排= G物=m物g即V排=M物/液這里 M物=M人+M車

8、取 M物=100kg ，M車=30kg，所以M物=100kg+30kg=130kg已知水的密度液=1.0x kg/，故V排=M物/液=0.133.2浮板的設(shè)計(jì)根據(jù)前面提出的方案，所以將浮板的底板設(shè)計(jì)成梯形和矩形，兩塊浮板增大浮力，如圖所示：3.1.1浮板設(shè)計(jì)3.3浮板材料選用根據(jù)目前市場(chǎng)上用得最多的浮板材料，本次設(shè)計(jì)浮板采用材料EVA.下面對(duì)EVA的特性做一些簡(jiǎn)單的介紹。耐水性：密閉泡孔結(jié)構(gòu)、不吸水、防潮、耐水性能良好。耐腐蝕性：耐海水、油脂、酸、堿等化學(xué)品腐蝕，抗菌、無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)污染。 加工性：無(wú)接頭，且易于進(jìn)行熱壓、剪裁、涂膠、貼合等加工。 防震動(dòng)：回彈性和抗張力高，韌性高，具有良好的防

9、震 / 緩沖性能。 保溫性：隔熱，保溫防寒及低溫性能優(yōu)異，可耐嚴(yán)寒和曝曬。4 動(dòng)力計(jì)算4.1功率的計(jì)算1、輸入功率的計(jì)算：人輸出的功率隨著騎車人的體格、體力、騎車姿勢(shì)、持續(xù)時(shí)間和速比等的變化而變化。一般成年男人的最大輸出功率約為 0.7 馬力（ 0.51 kw ) ，但只能能持續(xù) 10s左右。如果持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，其值要小得多，持續(xù) lh ，大約只有 1.0-0.7馬力（0.07-0.15kw）。自行車運(yùn)動(dòng)是很有節(jié)奏的，其節(jié)奏常常與人的心臟節(jié)律保持一定關(guān)系。健康人的心臟跳動(dòng)為70 次min ，一般腳踏以 60r/min 節(jié)奏轉(zhuǎn)動(dòng)較為合適。設(shè)計(jì)時(shí)以這一常用速度來(lái)確定相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。但本次設(shè)計(jì)內(nèi)容為一休閑

10、式娛樂(lè)工具，故對(duì)體力要求不能有過(guò)多要求。我們根據(jù)腳踩蹬的力量來(lái)計(jì)算在娛樂(lè)為主的休閑前提下的輸出功率 。以此為參考，正常人踩蹬自行車的力量約為3040N,娛樂(lè)情況下我們估算為30N，踩蹬速度適當(dāng)?shù)娜?轉(zhuǎn)/秒，故本次設(shè)計(jì)的人的輸出功率為（180mm為一般自行車的踩踏杠的長(zhǎng)度）。2、 傳動(dòng)效率查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得：踩踏關(guān)節(jié)的損失：=0.97鏈傳動(dòng)的損失：=0.96滾動(dòng)軸承：=0.97軸系效率：=0.98 由以上算出的總的傳動(dòng)效率：=0.83所以明輪的輸出功率為4.2傳動(dòng)比根據(jù)傳動(dòng)比的一般分配原則，我們應(yīng)該使各級(jí)傳動(dòng)的承載能力接近相等，考慮到在騎乘自行車時(shí)一般分配的傳動(dòng)比為2.5左右，為了適應(yīng)和習(xí)慣在陸

11、地上的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣及降低生產(chǎn)成本，我們這里就優(yōu)先選用鏈傳動(dòng)比為2.5的傳動(dòng)比。4.3鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)內(nèi)容確定鏈條型號(hào)、鏈節(jié)數(shù)、排數(shù)、鏈輪齒數(shù)、鏈輪結(jié)構(gòu)、材料、幾何尺寸、中心距、壓軸力、潤(rùn)滑方式、張緊裝置已知設(shè)計(jì)條件：低速平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，傳遞功率,主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速，從動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)2.5。2、設(shè)計(jì)步驟（1）選擇鏈輪齒數(shù)、在17-114之間選取齒數(shù)。 （2）計(jì)算當(dāng)量的單排鏈的計(jì)算功率根據(jù)鏈傳動(dòng)的工作情況、主動(dòng)鏈輪齒數(shù)和鏈條排數(shù)，將鏈傳動(dòng)的功率修正為當(dāng)量的單排計(jì)算功率 ，查機(jī)械設(shè)計(jì)表9-6得 ，查機(jī)械設(shè)計(jì)圖9-13得 ，由于是單排鏈，所以 故 （3）確定鏈條型號(hào)和節(jié)距 鏈條型號(hào)根據(jù)當(dāng)量的單排鏈的計(jì)算功率和主動(dòng)

12、鏈輪轉(zhuǎn)速由機(jī)械設(shè)計(jì)圖9-11得到。然后由機(jī)械設(shè)計(jì)表9-1確定鏈條節(jié)距p 。 確定鏈條型號(hào)為：08A 確定鏈條節(jié)距為：12.7 （4）計(jì)算鏈節(jié)距和中心距初選中心距，按下式計(jì)算鏈節(jié)數(shù)將圓整為偶數(shù)鏈傳動(dòng)的最大中心距為：式中，為中心距計(jì)算系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)表9-7得=0.24907（5）計(jì)算鏈速，確定潤(rùn)滑方式根據(jù)鏈速V，查機(jī)械設(shè)計(jì)圖9-14得，潤(rùn)滑方式為定期人工潤(rùn)滑（6）計(jì)算鏈傳動(dòng)在軸上的壓軸力壓軸力= 有效圓周力N 壓軸力=1.10x59.49=65.439 N（7）設(shè)計(jì)總結(jié)鏈輪大鏈輪小鏈輪齒數(shù)4518分度圓直徑()181.4373.41齒頂圓直徑()18680.00齒根圓直徑()173.5165.4

13、9分度圓弦齒高()3.004.00齒側(cè)凸緣直徑()164.2558.71節(jié)距()12.7軸間距()623.148鏈長(zhǎng)()1270鏈節(jié)數(shù)()130鏈速()0.57鏈號(hào)08A5 軸的設(shè)計(jì)5.1鏈輪上力的計(jì)算軸上傳遞的功率=X0.96X0.97X0.97=30.63 w轉(zhuǎn)矩=9550000=9550000x30.63/150=1950110N.mm5.2選取材料可選軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。5.3計(jì)算軸的最小直徑查機(jī)械設(shè)計(jì)表15-3可取=120， =120 mm由于軸的直徑小于100mm，且由3個(gè)鍵槽，故將軸徑增加15%，即d=x(1+0.15)=7.066x1.05=8.1259 mm將軸徑圓整

14、為標(biāo)準(zhǔn)直徑，取d=10 mm5.4軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1、軸的外形結(jié)構(gòu)2、根據(jù)軸向定位的要求，確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度。（1）、根據(jù)飛輪內(nèi)徑可得d67=30 mm，根據(jù)飛輪的寬度可得出L67=20 mm，右側(cè)采用軸肩定為，取d78=38 mm，L78=11 mm。（2）、初選深溝球軸承D6204，其尺寸為dxDxB=20x47x14,故d45=d910=20 mm，根據(jù)裝配關(guān)系取L45=L910=15 mm 。（3）、5處為一定位軸肩，故取d56=d89=25 mm，根據(jù)裝配關(guān)系，計(jì)算得L56=L89=383 mm 。（4）、3處為一定位軸肩，故取d23=d910=16 mm，根據(jù)裝配關(guān)系，計(jì)算得L23=L910=33 mm。（5）、1處為軸的最小直徑d=10 mm，攻螺紋，與螺母配合，選擇螺母為 GB/T 6172.1。通過(guò)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)的螺母厚度m=5