折疊自行車優(yōu)化設計摘要隨著城市發(fā)展，交通狀況越來越差，自行車停車場所缺乏，給人們的短途出行造成很大不便。因此，輕便實用的折疊自行車具有廣闊的市場前景。然而現(xiàn)有的折疊車都有外形笨重、不易攜帶的缺點，不能“裝進背包里或者拿在手上”，無法真正實現(xiàn)便攜的效果。我們調(diào)查了解了世界領先的折疊自行車品牌，學習他們創(chuàng)新的設計理念，力求設計出性能全面提升的折疊自行車。我們設計的第一原則是保證騎行者的舒適體驗，絕不為了縮小體積而犧牲自行車本身的結構。所以在前期準備中，我們測量了大量的自行車的尺寸參數(shù)并確定了各個尺寸的適宜范圍，以此為標準開始了我們的研究設計。我們在折疊車架的基礎上更大地發(fā)揮快拆的作用，進一步地利用空間、優(yōu)化結構、壓縮體積。在細節(jié)方面，我們獨立完成了90°構件設計、減少零件間干涉的新式轉軸設計，并采用傳動軸驅動系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的鏈條傳動，避免了折疊車鏈條易損壞和鏈條油污等問題，也使傳動系統(tǒng)更加穩(wěn)定耐用。實驗方面，我們借由solidworks2012的軟件，進行了模擬測試，就全車以及幾個關鍵部件進行了受力分析，找到零件的薄弱點并加以改進，以確保設計的安全性。計算機得出的結果非常精確，用這種方法考察我們的方案比反復的實際實驗更加直觀和高效。經(jīng)過多次改善，我們的設計的安全性具有很好的保障。最終我們設計的折疊自行車，在展開態(tài)與普通自行車具有同樣的舒適度，而折疊后的尺寸僅為36×26×22cm，僅為世界上最小折疊車的二分之一，結構合理程度也遠遠超過后者。通過創(chuàng)新的設計，我們把折疊車裝進背包里，方便了人們的日常出行，讓低碳走進生活。關鍵詞：折疊車；低碳交通；結構優(yōu)化；零件設計；3D建模前言20世紀30年代，折疊自行車作為軍事裝備第一次出現(xiàn)。后因其輕便靈活，便于攜帶的特性逐漸發(fā)展并占領自行車市場，尤其是在社會快速發(fā)展過程中，傳統(tǒng)的大骨架自行車笨重的缺點更加顯露。同時，城市發(fā)展中汽車尾氣造成空氣重度污染，而自行車由于低碳環(huán)保，休閑鍛煉的特點更受青睞。現(xiàn)在市場上已不乏可折疊自行車，我們希望更進一步縮小自行車體積，減輕自行車重量，使其便于手提，能攜帶至公交車，地鐵，火車上，可以更好的發(fā)揮自行車休閑放松，鍛煉健身，郊游代步的功能。目前的折疊自行車，主要分為車架大梁折疊式，前后叉折疊式，盤形折疊式這三種[1-3]。世界上最小的折疊自行車A-bike在2006年的時候被研發(fā)出來。盡管如此，現(xiàn)在的折疊自行車仍然顯得很笨重，騎行過程當中也往往不夠舒適[4]，在自行車的折疊體積以及空間利用方面有很大的提升空間。我們的組員在生活中也頻繁地接觸自行車，對于進一步改進自行車結構設計有強烈的意愿和動力，所以決定開展這方面的研究。我們的設計目的就是改進折疊方式，縮小自行車體積，減輕自行車重量，增強實用性[5]。對這一課題的研究，可以更好地滿足人們的日常出行需要，更大地發(fā)揮自行車的功能，讓人們低碳環(huán)保地出行。我們參考現(xiàn)有的折疊自行車設計以及相關文獻，努力綜合它們的優(yōu)點，從而進一步地優(yōu)化結構，自己設計出結構。最終將以3D建模的形式在SolidWorks軟件上制作出模型，并且通過該軟件進行模擬分析，以保證我們設計的可靠性。研究方法，過程及內(nèi)容（一）研究方法和研究過程2014年9月，選擇研究課題、查找資料、完成文獻綜述。市場需求的是便攜輕巧、騎行舒適、安全性好的折疊車，但說起來容易做起來難，實際上的折疊車都不是那么好用。本研學組希望提出更好的折疊車設計方案，為提高人們的生活品質(zhì)提供可能。2014年10-11月，測量了多輛自行車的主要數(shù)據(jù)，在電腦上繪制車架草圖，并根據(jù)親身體驗總結出車輪半徑、車座傾角、車座高、車把寬度、車把傾角及到車座距離、腳踏半徑、腳踏水平距離和傳動比這九項參數(shù)的最適范圍，作為設計的標桿。2014年11-12月，到折疊車專賣店進行實物考察，了解常用的快拆零件、車把、腳踏的折疊扣和車架折疊扣的性能尺寸和特點，對各個零件的用途和承受力形成一個大致的認識，為研究設計做進一步準備。學習機械原理的基本內(nèi)容。2015年1月，發(fā)現(xiàn)市場上有傳動軸自行車。早在做文獻綜述的時候，我們就找到過一篇討論用齒輪取代鏈條作為傳動系統(tǒng)的文章，但由于其繪圖簡陋，學術性差，并沒有予以重視。我們只猜測齒輪傳動會效率偏低、零件磨損更快，在一個以折疊為重點的自行車設計中貿(mào)然應用是不妥當?shù)?。后來我們才發(fā)現(xiàn)這項技術已經(jīng)成熟，在中國以佳德興這個品牌為代表，除了價格略為昂貴，用戶反饋是良好的。實際上，傳動軸系統(tǒng)比鏈條傳動的方式更加穩(wěn)定和高效[6]。最終我們所有的方案設計都在應用傳動軸系統(tǒng)的基礎上進行，減小折疊車尺寸上，這是十分有利的一步。2015年2月，將一些零星的想法綜合起來，開始進行整車的設計。研究中的困難多而且復雜，有些事情好像根本無法實現(xiàn)。挫折接踵而至，但我們始終盡最大努力，目標不可求，進而求其次。在保留一些局部缺點的情況下，我們最后只有下圖的三種思路。仍在尋求更好的解決方案。2015年3月，準備中期匯報。提出車架展開連帶傳動軸到位+二級車座快拆的構想，解決了一直以來折疊扣數(shù)目太多、整體感差、折疊形態(tài)不規(guī)整的問題。不過截止到中期匯報時，我們僅僅來得及為新方案做一個粗糙的草圖。剩下的兩個月，我們將進行更精細的建模來展現(xiàn)這個方案無與倫比的優(yōu)勢。2015年4月，從零開始學SolidWorks。本研學組設計了之前沒有的零件模型，它也通過了Simulation的測試，后面會呈現(xiàn)結果。2015年5月，完成整車的建模，準備結題匯報。（二）研究內(nèi)容概述（1）平面機械結構自由度做平面運動的構件，在自由狀態(tài)時都具有3個自由度[7]，那么n個自由構件共有3n個自由度。將這n個運動構件用運動副聯(lián)接起來組成機構之后，運動構件受到約束，自由度減少。平面機構中的移動副、轉動副為低副，凸輪機構，齒輪機構為高副。每個低副使構件減少兩個自由度，每個高副減少一個自由度。若機構中有pL個低副和pH個高副，則共減少2pL+pH個自由度。于是，平面機構的自由度為:F=3n-(2pL+pH)=3n-2pL-pH機構具有確定運動，是指該機構中所有構件，在任一瞬時的運動都是完全確定的。但不是任何構件系統(tǒng)都能實現(xiàn)確定的相對運動的，因此也就不是任何構件系統(tǒng)都能成為機構。構件系統(tǒng)能否成為機構，可以用是否具有確定運動的條件來判別。條件為(1)機構自由度數(shù)要大于零；(2)機構原動件個數(shù)應等于機構的自由度數(shù)。即機構必需能運動且有確定運動。自由度的相關研究對車架的設計有很大幫助，我們可以快速判斷某一折疊結構在展開時是否有確定的運動，也可以進一步對運動構件的軌跡作出分析，或者參考現(xiàn)有的車架模型[8-10]，研究、改良其結構，使我們的初步方案建立在一個科學的基礎上。（2）快拆結構自行車快拆系統(tǒng)包括車座快拆和車輪快拆。通過快拆系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)傳統(tǒng)自行車的車把、車座高度，卸下車輪，折疊自行車主梁。我們通過研究已有的快拆結構，了解其工作原理和護理方法，發(fā)現(xiàn)快拆結構有很大使用空間，為自行車調(diào)節(jié)折疊提供了零件支持。我們還注意到一種嚴重的錯誤使用方法：把螺桿上安裝的小扳手當做手搖，旋轉扳手來固定快拆。這種嚴重錯誤的操作方式非常容易發(fā)生，它會損傷快拆和車架，前叉。螺母和螺桿有可能在過猛的旋轉力量下產(chǎn)生嚴重的螺紋損傷，因為這里的螺紋設計的目的就是在沒有旋轉的條件下來承受負載，并沒有賦予它耐受大力量下旋轉所帶來的磨損以及咬合的能力?？觳鹱鶆t會和車架，前叉相摩擦，形成劃痕。在我們的設計中盡可能避免了已有自行車手把突出這個弱點，完善了自行車的使用體驗和細節(jié)處理。（3）傳動軸傳動軸是一個高轉速、少支承的旋轉體，因此它的動平衡是至關重要的。一般傳動軸在出廠前都要進行動平衡試驗，并在平衡機上進行了調(diào)整。對前置引擎后輪驅動的車來說是把變速器的轉動傳到主減速器的軸，它可以是好幾節(jié)的，節(jié)與節(jié)之間可以由萬向節(jié)連接。傳動軸是由軸管、伸縮套和萬向節(jié)組成。伸縮套能自動調(diào)節(jié)變速器與驅動橋之間距離的變化。萬向節(jié)是保證變速器輸出軸與驅動橋輸入軸兩軸線夾角的變化，并實現(xiàn)兩軸的等角速傳動。傳動軸能夠提供合適、固定的傳動比；壽命長、負荷承載力高；多齒同時嚙合，傳動平穩(wěn)；抗震減噪音；易于成型，潤滑性好。使用傳動軸的自行車相比傳統(tǒng)自行車減小體積，減輕質(zhì)量；可去除鏈條，使折疊更方便快捷；折疊態(tài)更穩(wěn)定不易損壞；美化外觀。研究結果分析與討論整車建模——賀清寧、汪佳茵在文獻綜述時，我們最關注的是折疊車的研究現(xiàn)狀。已知三種比較常見的折疊方式為車架大梁折疊式、前后叉折疊式和盤形折疊式，車架大梁折疊式的折疊外形最規(guī)整，但效果相對有限；前后叉折疊式的操作簡便，只是很難進一步提升；盤型折疊式對空間的利用效率最大，但車鏈處折疊困難，外形不美觀，折疊后也奇形怪狀[11-12]?？偟膩碚f我們在外觀上做得還是不錯的。展開時的外觀和渲染效果：我們的目標尺寸一度是36×24cm，其中24cm是車座長度，36cm是腳踏直徑，雖然希望自行車折疊起來盡可能地小，但如果在車座和腳踏都裝折疊扣，就太捉襟見肘了。因為腳踏有一個貫穿中心的軸，它的安置是最棘手的問題。若采用A-bike在一個平面折疊的設計思路，車輪半徑就不能大于7cm，而使用者對A-bike意見第二大的就是就是它6或8cm的輪胎（打敗了輪胎而高居榜首的是它的車座傾角，一般自行車是68°，舒適的山地車是75°，真不知道這個角度接近90°的A-bike是怎么騎的）。再次關注了車架大梁折疊式的折疊車之后，我們決定把車輪直徑提升至24cm，是的，折疊尺寸的寬。盡管用“對折”的方法處理了車輪，折疊時自行車后輪和腳踏軸之間依然有干涉，最后我們用改變軸的直線結構的方式解決了這個問題。這個新設計的零件在后來Simulation的分析中被證明是可用的。這樣，我們把一輛自行車折起來，并希望折到最小。折疊態(tài)視圖我們把這輛折疊車的多項重要數(shù)據(jù)列成表格并與現(xiàn)在世界上最先進的折疊車A-bike進行了比較，如下表。表中紅色的數(shù)據(jù)都是我們優(yōu)于A-bike的項目，可見我們設計的折疊車的舒適度是遠遠優(yōu)于它的。尺寸參數(shù)比較數(shù)據(jù)表適宜值*A-bike尺寸設計尺寸車輪半徑20~30cm8cm12cm車座傾角62°~75°85°68°~72°車座高52~60cm55cm52~58cm車把角度15°~25°12°15°~20°車把距離55~60cm50cm56cm手把寬50~56cm45cm52cm腳踏橫向距離16cm14cm16cm腳踏半徑18cm14cm18cm傳動比*1.5~322*適宜值以騎行者身高160-175厘米為準*傳動比按照車輪半徑30厘米折合A-bike的折疊態(tài)尺寸是67×41×20cm，而我們最終的尺寸是36×26×22cm，按照比例是這樣的：和A-bike相比較，我們在折疊后尺寸方面有一個可觀的進步。我們讓折疊車更小、更便攜、安全可靠并且騎行舒適。當初讀參考文獻的時候，有一段話讓我們印象深刻：“折疊式自行車無論設計成拖拉式、背包式還是手提式，都不能產(chǎn)生一些令人感到手疼肩酸的效果。最理想的折疊自行車式樣應當像現(xiàn)在滿大街都可見的手推車或者背包一樣，成為日常出行的一部分。”因為沒有人做到，所以，我們來做。（二）軟件分析——裴育斌在分析模型的過程中，我們使用了solidworks2012軟件幫助我們進行各項指標的分析。使用快速求解、與CAD集成的SOLIDWORKSSimulation可以有效優(yōu)化和驗證每個設計步驟，從而確保較高的質(zhì)量、性能和安全性。使用軟件進行模擬分析，不存在加工困難及返工和延遲的問題，減少對成本高昂的樣機的需求，同時節(jié)省時間和開發(fā)成本。簡單來說，這款軟件是使用有限元方法的位移公式在內(nèi)部和外部載荷下計算零部件的位移、應變和應力，具有非常高的精確度和可信度。1．全車整體情況：對整車模型進行受力分析，在模擬1000N受力的情況下，整車的最大應力處大約有10.374Mpa，最大形變大約0.34mm，在一般鋼材的可承受范圍之內(nèi)。這項指標的結果能夠保證騎行過程當中的穩(wěn)定性及車輛的耐用性。2．關鍵零部件的分析：90°構件：90°構件是我們自己設計的零件，使用時在平角處固定，可輕松折疊。這個構件應用在自行車的前叉部位，在騎行轉彎時承受扭力。如上圖，200Nm的扭矩給零件造成的最大形變大約在0.1mm，最大受力39.2兆帕，小于屈服應力220兆帕，堅固耐用。②轉軸設計：腳踏處的軸設計，折疊時更好地利用空間而不改變整車結構。Simulation的模擬中我們分別對腳踏部分施加了400N的壓力（合計800N），由圖可知整個部件的最大形變在1mm左右，最大應力處210.867兆帕，小于其屈服應力282.685兆帕，性能可靠。（三）材料及安全——邢琛林自行車自身的材料在很大程度上保證了自行車安全。自行車的車梁是是自行車的主體結構，現(xiàn)在市場上大多選用碳素鋼和鋁合金，因為這兩種材料密度較小，韌性較大，而對比這兩種材料：碳素鋼鋁合金相比較，在承受相同力的條件下，鋁合金的質(zhì)量要輕得多，更適合作為折疊自行車這種需要輕便的交通工具。除了主梁，輪胎作為唯一一個和地面相接觸的零件也對自行車的安全有很大的影響。自行車的制動系統(tǒng)通常取決于人的大腦反應時間和輪胎與車閘和地面的摩擦力。人的大腦的反應時間因人而異，而輪胎卻是我們可以擇優(yōu)選擇的。對比這個表格，可以找到相對而言摩擦系數(shù)較大的橡膠型號。而輪胎與地面之間的摩擦力還取決于輪胎上的花紋，花紋通常有以下幾種：A和D的花紋較粗糙，騎起來比較費勁，適合于山地等一些地形較復雜的地方，而人們通常不會騎折疊自行車去那些地方的，而B和C花紋較密集，凹凸較平緩,相較于AD而言，摩擦力較小，但騎起來較輕松，適合公路等較為平滑的地方，所以，選用第三種橡膠和B、C兩種花紋較好[13-15]。結論與展望主要結論折疊自行車是便攜環(huán)保的短途代步工具，但折疊后仍然不小的體積也限制了它的使用范圍。常見的折疊車體積一般在70×50×40cm3左右，已經(jīng)批量生產(chǎn)的世界上最小的折疊車則是67×41×20cm3（8英寸款A-bike）。我們對折疊車進行了結構優(yōu)化，利用傳動軸系統(tǒng)和自己設計的零部件，進一步減少整車的空間占用，將它的最終尺寸縮減到36×26×22cm3。通過計算機軟件SolidWorksSimulation，我們模擬分析了折疊車在使用時的內(nèi)部應力，所設計的方案經(jīng)過多改進，足以保證真實產(chǎn)品在使用中的安全性。對短距離出行而言，如果機動車道路堵塞、公共交通不能直達，那還有什么比一輛能裝進背包的自行車是更好的選擇呢？研究存在的不足及展望我們設計的折疊車雖然沒有改動車把、車座和腳踏的相對位置，但是犧牲了車輪的半徑長。這有可能造成騎車時更顛簸的感覺和使用初期不適應車把轉向幅度的問題。6寸車胎的A-bike就因為上述問題退出市場，由8寸款取而代之。由此可見我們?nèi)耘f需要在便攜與舒適之間尋找一個平衡。另外，我們這輛折疊車的質(zhì)量還是接近了10kg，即使背在包里也可能成為負擔。這方面的改進只能寄希望于新材料的開發(fā)，想必隨著科學技術的發(fā)展，折疊自行車的功能將得到更好的發(fā)揮，讓人們享受低碳出行。收獲與體會其實當初在選題的時候，我們就已經(jīng)意識到這個題目的研究有些難以開展。不過我們組內(nèi)的成員有許多平常都是騎車上下學，對于這個問題的研究有著一定的動力。因此，盡管這樣一個開放性的設計很難著手，我們的組長依然一次一次地修改著方案，組員們也努力地配合。雖然研究的過程有些曲折，不過取得的成果仍舊是令人滿意的。而這樣的一次研究經(jīng)歷，又教給了我們許多研究和解決問題的方法，以后面對其它的問題的時候，也能夠從零起步，從搜集資料開始，從自主學習開始，最終一步一步地達成預期的目標。同時，我們都是第一次經(jīng)歷了這樣長期的團隊合作，更鍛煉了大家的團隊分工能力以及協(xié)調(diào)能力。而這些，對于我們以后對問題的研究，將起到很大的幫助。致謝感謝人大附中的吳多常老師和張燕怡老師對我們的研究做出的諸多的指導建議，他們的鼓勵和肯定給予了我們極大的信心完成整個研究。感謝北航大學的郭衛(wèi)東老師，耐心地解答我們的問題，使我們在機械結構方面有了更深的認識。感謝給我們提出問題和建議的同學們，你們的質(zhì)疑和想法幫