一種新型自行車結構計算設計摘要本論文中，我們設計一種新型自行車結構，該自行車可以滿足3人同時騎行，也可是左右兩邊為家長，中間是小孩。為了保證的穩(wěn)定性，采用四輪結構，維持自行車的穩(wěn)定性。這種自行車主要是用在旅游景區(qū)，擺脫了傳統(tǒng)的前后座，可增進一家人的感情以及觀賞體驗和互動性。而且該自行車更適合一家出來游玩以及情侶等人群。本自行車的設計在原有的四輪自行車基礎上進行改造，以前市面上的自行車主要有平衡性低，造價昂貴等缺點，對他的這些設計問題改善。該自行車的主要結構于傳統(tǒng)自行車結構大致相同，只是在原有機構的基礎上進行了完善。將原有自行車的優(yōu)點利用起來，缺點進行完善，增強自行車靈活性。通過查閱相關文獻可知，四輪自行車在國內外發(fā)展的現狀，接下來，就要根據我們的需求確定一套設計方案，確定各零件尺寸和零件圖，對各零件圖進行cad制圖，其次，我們要確定該自行車的傳動結構，確定合適的傳動方式。最后，我們通過二維建模軟件Autocad以及三維建模軟件UG對自行車的初步模型以及組成自行車各零件進行零件圖的繪制。通過本論文，我們將大學所學的機械設計基礎、工程制圖以及一些建模軟件進行了融合，將所學知識用到實際之處。關鍵詞：三人；并排騎行；自行車；車架；鏈輪目錄TOC\o"1-3"\h\u3164摘要 I27176第1章緒論 1281841.1研究背景及意義 197741.2國內外研究及發(fā)展現狀 216358第2章總體設計 8173482.1設計要求 8164582.2自行車的設計分析 81992.2.1設計流程分析 8291432.2.2自行車的人機工程要求 9186872.2.3自行車設計關聯(lián)人體尺寸分析 10160452.2.4自行車設計的技術經濟指標 11157792.3整體方案選定 1227763第3章驅動及傳動構件設計 15148103.1自行車行駛阻力分析 15279813.1.1滾動阻力 15175223.1.2空氣阻力 15238673.1.3內部阻力 1582283.2結構要素分析 16142843.3功率的計算 18304913.3.1輸出功率的計算 18286803.3.2傳動效率 18173103.4傳動比 1894663.5前后鏈輪之間的鏈傳動設計 19263703.5.1設計要求 19161973.5.2設計過程 19105883.6軸的設計 20267903.6.1鏈輪上力的計算 20285513.6.2材料 2152103.6.3計算軸的最小直徑 2188143.6.4軸的結構設計 21183563.7軸的校核 21229913.8鍵的校核 2231793.9軸承的校核 2211712第4章結構件設計 246244.1車架設計 24281024.1.1車架結構設計 24300194.1.2車架材料選擇 26126074.2阿克曼轉向機構設計 30146264.3前輪叉架設計 3152204.4腳蹬設計 34303474.5鏈輪 34200294.6前后輪 35324834.7車閘 36284644.8曲柄 36233604.9方向盤 37217834.10遮陽棚 3737584.11后軸 3823074.12整體式靠背座椅 383940總結 407189參考文獻 41第1章緒論1.1研究背景及意義隨著社會不斷地發(fā)展，在當今世界大格局之下，人們的溫飽已經基本解決，當下的人們對精神層面有了更高的追求。因此，自行車的功能也變得不在單一了，自行車最初的設計目的是為了減輕人們的步行壓力，方便人們的出行。而后，慢慢的自行車變成了一種游玩工具，它的作用不在單一。本論文設計的自行車不是為了滿足它的運輸功能，主要是去研究自行車在景區(qū)的游玩過程，如何讓游客有更好的游玩體驗。我們所研究的四輪自行車是有一定的創(chuàng)新性，因為對于傳統(tǒng)自行車來說，通常所采用的是前后做設計，對于這種并排設計的自行車并不多見。相對于傳統(tǒng)自行車來說，四輪自行車的設計難度較高，零件復雜，同時成本也較高。但是，傳統(tǒng)自行車結構只能前后坐人，使得產生了一種距離感，而我們的并排行駛自行車可以增加人們之間的互動性，增進感情，這就是我們設計它的目的。當然，這種自行車的設計目前并不多見，主要原因是該種自行車的部分零件設計還有缺陷，不能完全達到我們使用標準，后續(xù)還需進行優(yōu)化設計。還有就是制造它的成本高，所有這些因素共同導致了它在市場上不多見的原因。那么我們本論文的設計就是要解決當下這些問題，只有這些問題別慢慢解決，四輪自自行車才能夠真正的在大眾中流行開來。當下，我們經濟前景非常好，處于世界領先水平，在各個領域的發(fā)展都是非?？斓摹Ｒ虼耍覀儾⑴抛孕熊嚨脑O計也是極其重要的，它同樣標志著科技水平的進步，需要我們投入部分資金去研究它。并排自行車的研究也推動著社會的發(fā)展。因為自行車的發(fā)展標志著一個城市的精神文明面貌，我們所研究的并排自行車，拉近了人與人之間的交流，帶給了游客更好的出游體驗，也符合我們政府對精神文明的建設。本論文的研究具有極其重大的意義和科學價值。我們大學所學的各類知識，能夠充分運用到本論文中，就像機械設計，工程制圖這些課程尤其對論文的研究具有極其關鍵的作用。通過我們對并排自行車的設計，使我們大學的知識運用到實際生產之中，對產品進行設計，考慮產品的可行性。遇到問題解決問題，若能得到政府資金的資助，本設計將會把設計出的產品運用到實際之中。滿足廣大人民需求。1.課題研究的背景自行車最初也是由國外引入進來的，所以我們也稱自行車為“洋車”，而且自行車最初的作用僅僅就是為了方便人們，為人們的出行提供方便。經過幾百年的發(fā)展，自行車也從以前單一的樣式變得樣式、種類多樣化，從兒童自行車到成人自行車，從男士自行車到女士自行車，變化速度也是極其的快。而對自行車的性能結構來說，它的發(fā)展也是相當的快，相比以前，自行車的結構輕便，騎行省力，性能增加。而且現在的自行車種類較多，包括山地自行車、普通自行車、觀光自行車等等。自行車現在是一種特別受歡迎的出行方式，因為它綠色環(huán)保，而且不會發(fā)生堵車等事故，并且自行車有費用低，維修成本也低，重量小等優(yōu)點。而且在很多城市現在都有共享單車，更加增加了人們的便利。早在幾千年前，中國就有了最初的自行車基本模型，它是由一塊板和一個輪子構成，也是世界上最早的自行車雛形。緊接著，在法國有了世界上真正意義上的第一輛自行車，而第一輛自行車的材料則是由木頭造成，開始逐漸走入人們的視野。隨著技術的不斷創(chuàng)新，對自行車的研究也不斷深入，從材料的改變以及結構的設計，從最初的最基本的結構設計到后來逐漸精細化它的結構設計。后來，伴隨著汽車和電動車的出現，人們可能慢慢的開始忽略對自行車的設計，人們覺得汽車和電動車相比自行車更加的省時省力，所以更加喜愛汽車。但是，汽車尾氣的排放，使得環(huán)境問題變得日趨嚴重，我國正大力打造綠水青山，保護環(huán)境，這使得人們又開始對自行車的研究重視起來了。自行車作為一種交通工具，它是零污染，同時也能增強我們的體魄，由于一些地區(qū)實行了限號出行政策，使得人們上下班必須騎自行車。在許多發(fā)達國家，現在人們也是越來越喜歡騎行自行車出行，自行車正受到許多國家的追捧，甚至一些國家舉行自行車越野比賽，積極號召各界喜愛騎車人士前來參加，在日本，自行車也算一種健身器材。當前的自行車制造業(yè)還是非常火熱的，人們對自行車的需求量逐年增加，據最新研究表明，每年自行車的交易量可達1.06億臺，成交價格大約在50億左右。而對于自行車的設計，不同的人設計出的樣式是不太相同的，有的人將自行車車輪前后放置，而有的人將自行車車輪左右放置。無論對于前后放置還是左右放置，自行車設計的初衷都是最多可乘坐兩人，這就不利于一家三口出行游玩的游客，基于這種問題，我們研究了三人并行四輪自行車，這就是我們作此設計的目的?；谝延兄R和技術進行改善，滿足人們使用要求。1.2國內外研究及發(fā)展現狀在人類發(fā)展史上，機械手工業(yè)的發(fā)展逐漸流行開來，人們對一些簡單的機械結構設計，自行車就是在這個時期流行開來的。查閱有關文獻可得，有關于我國對自行車的研究最早追朔于清朝。最早的自行車結構十分的簡單，由兩個輪子構成，中間搭一塊木板，再增加一個曲柄結構，通過轉動曲柄來使自行車前行。這應該是最早的自行車了，大約過了100年后，法國才制造出它的第一輛自行車，所用的材料也是木頭。（1）公路單車這種結構的單車設計出來只適用于公路環(huán)境較為平坦的地段，若是山區(qū)道路，則不適應該種自行車的騎行，因為該種自行車車輪較窄，在不平坦的道路上極其難以前進，同時因為這種自行車是在平坦道路運行，所以它的強度也比山區(qū)道路的自行車低，這往往就會使得結構較為輕便一點，而且，再觀察它的把手來說，屬于一種下彎式結構，可以使人的軀體前傾，減小風阻。還采用變速器，使得上坡更為輕松。（2）健身單車一種新型的自行車橫空出世，那就是健身單車，它的造型較為獨特，擺脫我們傳統(tǒng)觀念中的自行車結構，它主要是用來強身健魄的，該自行車需要我們手腳協(xié)同合作，雙向用力，這就使得我們這款自行車比普通自行車的行駛速度高，而且健身能力更強。這款自行車車輪較小，能夠拆卸，便于我們搬運它，可以輕松的將它放入我們的后備箱中。（3）死飛單車前兩種自行車的傳動結構都是鏈條式傳動，所以它們的車輪當受到鏈條向前的力時，自行車會向前移動，而腳蹬向后運轉時，則自行車不會受到向后的力。而對于死飛單車來說，它的創(chuàng)新點就是當腳蹬向前蹬時，自行車向前運動；當腳蹬向后蹬時，自行車向后運動。這種自行車還沒有廣泛流行開來，只有少數人騎行這種自行車，因為這種自行車騎行難度較大，不易掌握技術，若不能很好的駕馭這種自行車，很容易出現交通事故。當然，為了滿足部分騎者需求，一些廠家也在生產該種自行車。（4）速降單車速降自行車，這種自行車常用來在山地騎行，對于一些愛好挑戰(zhàn)刺激的人來說，深受他們喜歡，當他們騎行這種自行車在山路時，通過這種自行車獨有的結構，滿足惡劣條件。同樣，這種自行車的騎行也是有風險的，有許多專業(yè)選手騎這種自行車從陡峭的山坡飛馳下來，速度是相當之快，危險系數也是相當的高。所以在玩這種驚險項目時，需要我們佩戴安全帽以及穿戴一些安全服。這種自行車的輪胎比一般自行車的輪胎大且寬，為了增加穩(wěn)定性，而且減震系統(tǒng)也是特別的好。（5）驅動單車傳統(tǒng)的鏈條式傳動自行車一直是我們廣泛使用的傳動方式，但是，現在有了一種全新的自行車，它們不需要鏈條傳動，而是通過踏板直接進行力傳動，我們從圖中可以觀察到，這種驅動單車的體積特別小，而且車輪也不足傳統(tǒng)車輪的一半，并且這種自行車只能站立騎行，通過雙腿運動，帶動踏板產生力，從而使自行車前行，這就是驅動單車的工作原理。但是這種自行車的穩(wěn)定性較差，當它運動時，需要我們左右雙腿的力大小要一樣，要不然將很難保證自行車的平衡。而且該種自行車速度也較快?？梢园l(fā)現，對自行車的研究越來越多樣化了，各種各樣的自行車樣式層出不窮，為了滿足不同人群的不同愛好，各大自行車生產商緊跟潮流，加大研發(fā)力度，設計出了不同款式、不同功能的自行車。而對于自行車的研發(fā)，我國也正加大資金的投入，自行車的設計也是我們當前文明建設的重中之重。我國也大力支持自行車的研究，盡量滿足科研人員對自行車研究的需求，幫助他們解決一些難題。因此我們設計的并排四輪自行車完全符合當下潮流，值得我們去開發(fā)研究。通過以上介紹的幾種類型，沒有一種自行車是完美的，他們各有優(yōu)缺點，因為它們都有自己騎行的條件以及每個自行車各自擅長的地方，所以不可能各方面都能設計完美。我們只能在它較為突出的部分進行設計，對于它不太突出的地方則保持常態(tài)就好。如現有的三人并排自行車，它主要的優(yōu)點就是能實現三人的并排而坐，而對于其它方面，它可能就不太如意了，比如穩(wěn)定性較差，移動費力、轉向困難等缺點，所以我們要在保留原有設計結構的基礎上，改進這些現存的問題，這才是我們本論文設計的目的所在。本論文主要針對三人并排四輪自行車進行設計，對自行車每一零件進行設計，理解它的工作原理，研究現有問題，在現有問題基礎上設計出一種全新結構，解決目前存在難題。從而設計出一種更加廉價，但是更加美觀實用的自行車結構。這就需要我們對它的零件圖進行具體研究，以及通過理論力學等知識研究其受力狀況。從上圖觀察看來，設計的三人并排自行車外形似汽車，底盤采用的是類似汽車懸架梁結構，左右兩端安裝腳蹬，而中間沒有安裝，也就是為什么中間一般坐的是小孩的原因。再觀察兩端，擺脫了傳統(tǒng)的手把式方向盤，而采用的是類似機車的方向盤，這樣轉動會更加輕便，更加貼心的是我們中間還安裝了一個小型方向盤，雖然這個方向盤并不能控制自行車的轉動，但是它能使我們的孩子有更好的參與感，這也是我們增進感情、提高互動性的一種方式。在保證基本功能實現的同時，設計非常的人性化。第2章總體設計2.1設計要求對四輪自行車設計方案進行確定，通過查閱文獻以及一些專業(yè)零件圖紙，包括一些機械設計書籍等，初步確定一套設計方案，方案如下：（1）首先，設計傳動方案，該自行車的傳動系統(tǒng)都是鏈條傳動，共選用了3套鏈條，這樣可以通過3個人協(xié)同努力，共同驅使自行車前行，這樣就減少單人的用力，從而也增加共同玩耍的樂趣。（2）我們能夠觀察到總共有三個類似方向盤的圓盤，但是這三個方向盤并不是全都起作用，只有最左邊的方向盤是起作用的，其它兩個是起裝飾作用。因為轉向系統(tǒng)不同于傳動系統(tǒng)，方向盤若三個人轉的方向不同，自行車行駛的方向不能固定，故只選用一個方向盤。（3）對于制動系統(tǒng)，采用的是手動式制動系統(tǒng)，這個系統(tǒng)每個乘坐人員都配備一套。（4）與傳統(tǒng)自行車有區(qū)別，該自行車增加了一個簡易的遮陽棚，避免游客直接被太陽暴曬。（5）設計時還需要控制自行車的總重量，不宜太重，那樣會增加騎行難度，一般控制在89kg以內，所選的零件和我們傳統(tǒng)自行車零件差異不大。（6）保證自行車時速控制在25km/h以內。2.2自行車的設計分析2.2.1設計流程分析對于自行車的設計，最重要的前提就是保證自行車的質量，因為我們騎行自行車難免會有一些磕磕碰碰，尤其是要保證車輪承載力。對自行車整體框架設計時，我們要通過實驗確定我們所設計的自行車結構所能承載的最大力。這些因素需要我們在設計之前就要考慮到，考慮各方面因素，不僅保證它樣式設計，還要追求它的強度也滿足使用要求。這是對我們設計的首要要求。（1）概念化階段所謂概念化設計，就是在對實物進行設計之前先進行一個假想設計，在腦海中提前構造一遍自行車整體框架，以及各部位的形狀、尺寸都需要一個整體的構思。這一步是極為關鍵的，應為在實際加工之前，你對你自行車的設計有一個概念化處理，這樣會對我們的加工提高供捷，同時以減少材料的損耗率。將我們概念化的零件以及自行車框架進行一個簡單的草圖繪制，觀察設計結構是否合理，以及是否需要改進。概念化設計過程中，可大膽創(chuàng)新，因為這只是一個最初的設計階段，可大膽的發(fā)揮想象力。（2）具體化階段第二步就是具體化階段，這就不同于之前的概念化階段了，這一步的設計不再是一種粗略的估計。這一步對于每一步工藝的設計都要具體化，包括它的尺寸大小，樣式結構，都要詳細的設計出來，對各零件進行CAD制圖，標注出各部位尺寸，同時對各零件的加工方式以及工藝流程，包括還有它所選用的材料都要具體設計出來。（3）整體外觀階段這一步更注重的是自行車框架結構的設計，而不單單是對零件的設計。對自行車整體結構通過UG進行建模。通過結構力學，對整車框架進行設計，研究各部位的強度、剛度等。同時對座椅以及手把優(yōu)化設計，手把的彎曲度包括座椅舒適度這些都是我們要考慮的問題。包括自行車的顏色，以及樣式圖案等都是我們設計的因素。對整車框架進行設計時，在建模軟件中，我們對三維結構的建模采用自上而下的方式，先從自行車最上端開始建模，層層遞進。而它建模時對每部分尺寸的要求也是嚴格的，合適的尺寸才能發(fā)揮出自行車的突出性能。而具體尺寸的計算則是要根據強度力學書籍進行研究。同時對一些受力較大的地方，我們需進行加厚處理，保證自行車的強度以及人身安全。（4）計檢驗階段在完成以上三步的工序之后，就進入了最后設計階段，那就是需要對我們設計的結構進行驗核，檢驗設計是否合理化，強度、剛度是否滿足使用要求，還要檢驗我們設計的座椅，手把等是否給騎行者帶來舒適感。包括自行車的穩(wěn)定性也要考慮在驗核之內，以及自行車支架能否承受住一個人體重等，所有的這些設計結構都需要我們進行驗核，才能保證自行車最后的投入生產，這一步也是必不可少的一步，支撐著整個設計過程的收尾階段。2.2.2自行車的人機工程要求（1）人與支撐部件的關系自行車結構的支撐部件，主要是用來起支撐作用的。這些部件共同承載了騎行者所帶來的壓力。支撐部件主要包括有自行車大架、座椅、車把等這些零部件。而這些支撐部件構建了零件的主要框架部分，再將其它自行車零件安裝在這個大框架之上，這就構成了一套完整的自行車系統(tǒng)。對于支撐部件的設計，我們著重設計的是它的強度，因為這些部件是整個系統(tǒng)中受力最大的地方。（2）人與動力接受部件關系動力接受部件主要是用來給自行車提供動力的一系列部件，在自行車系統(tǒng)中，動力接受部件主要包括有腳蹬結構和曲柄結構。當人們開始騎行時，雙腳踩在腳蹬上，使腳蹬帶動曲柄運動，曲柄連接鏈條傳動，鏈條將受力傳遞給車輪，使得車輪轉動起來。這就是整個系統(tǒng)中如何將人發(fā)出的力轉化為自行車運動的力的過程。（3）人與傳動部件關系在自行車系統(tǒng)中，傳動系統(tǒng)主要是鏈條傳動，鏈條傳動系統(tǒng)包括有鏈條和鏈輪。其中，滾珠也算一種傳動系統(tǒng)，它是安裝在車輪的軸承之間。通過滾珠的轉動帶動車輪的轉動。鏈條和滾珠缺一不可，缺少其中任一部分，傳動系統(tǒng)都不能正常工作。它們兩之間相互協(xié)作，共同保證了自行車的前行。（4）人與工作部件關系最后考慮的就是一些其它部件，它是基于人體結構進行設計的，比如剎車系統(tǒng)，設計在車把上就是最適合的，可通過我們手動進行制動，方便快捷。再比如對車輪的設計，在最早的自行車結構中，車輪都是用木頭制造的，這樣的車輪阻力大而且噪音大，穩(wěn)定性較差。并且這種車輪質量低，經常出現毛病。后來隨著材料學的不斷發(fā)展，我們發(fā)現，用橡膠作成的車輪是一種最合適的材料，因為車輪是直接與地面接觸的，損耗較大，橡膠車輪則很大程度解決了這一問題。同時橡膠車輪的緩沖性也比木頭車輪好。當前，大部分的自行車采用的是充氣式車輪，也有部分車輪采用的是實心式車輪。因為實心式車輪造價較高，所以還沒有被廣泛推廣開來。2.2.3自行車設計關聯(lián)人體尺寸分析在自行車大小尺寸方面的設計，要根據人體各部位尺寸進行設計。先對人體各部位進行測量，再進行自行車尺寸的設計，自行車的一切設計都是基于人體舒適感設計的。我國成年人人體主要尺寸以及坐姿人體尺寸如下圖所示：主要尺寸男(18～60歲)女(15～55歲)百分位數5509555095身高158316781775148415701659體重∕kg485975425266上臂長289313338262284308前臂長216237258193213234大腿長428465505402438476小腿長338369403313344376坐姿尺寸男(18～60歲)女(15～55歲)坐高858908958809855901坐姿頸椎615657701579617657坐姿眼高749798847695739783坐姿肩高557598641518556594坐姿肘高228263298215251284坐姿大腿112130151113130151坐姿膝高456493532424458493小腿加足383413448342382405坐深421457494401433469臀膝距515554595496529570坐姿下肢92199210638519129752.2.4自行車設計的技術經濟指標對自行車的設計，除了前文中提到的各項要求指標，當然我們首先要滿足各項零件機構的設計要求，除此之外，還要考慮自行車設計的經濟效益。要將設計指標與經濟指標相互結合起來，完成對自行車整體設計。（1）使用壽命首先，我們要考慮自行車的使用年限，自行車本來就是一種消耗品，經過多年的騎行，一些零件難免會發(fā)生老化、磨損，而去更換新的零件性價比又不太高，所以我們要在對零件的設計過程就要預估好各零件的使用壽命，達到整車零件使用期限都盡量均衡。（2）行駛安全性安全性是自行車設計最重要的一步了，因為自行車安全性的問題關系到人身健康，這比什么都重要。這就需要我們的自行車生產商不偷工減料，完全按照國家標準進行生產，才能滿足消費者的使用要求，才能保障人身安全。隨著車流量的增加，越來越的國家重視安全問題，對自行車質量的設計要嚴格把關。（3）產品標準化所謂產品標準化，就是要對我們所設計產品按照國家統(tǒng)一制定標準生產，這就可以實現零件的標準性以及通用性。任何東西的生產都需要制定統(tǒng)一標準，但是在標準制定過程中，往往會產生一系列的問題。首先，就是標準化的實施過程，如何能讓所有的制造商都按統(tǒng)一標準進行設計加工，這是一個需要解決的難題；其次，就是有部分人不認同國家所制定的標準化，認為他自己設計的尺寸更加符合自行車性能要求。但是，如果每個人都按自己標準設計自行車，那么就會導致自行車行業(yè)出現一定的亂象，這并不利于自行車行業(yè)的發(fā)展。只有按照國家制定標準，再不斷地對該標準進行完善和優(yōu)化，才能是我們的自行車行業(yè)發(fā)展越來越有前景。（4）工藝性對所有自行車的加工，我們要按照嚴格的制作工藝流程進行設計，才能保障自行車合理性。尤其是大批量生產時，要嚴格把關工藝流程，時刻對機器進行巡檢，不能出現任何問題。制造出物美價廉的產品。而我們不能一味為了追求工藝性而忽略了自行車的美感，要兩者同時兼顧，在保證工藝設計的基礎上，設計出更美觀，更受大眾喜歡的自行車。因為保證工藝性是我們對消費者生命的負責，而對于外觀的設計，則是為了更好的吸引消費者。大部分的消費者對工藝流程并不熟悉，它們選用自行車更注重的外觀，只有外觀好看，才能吸引到它們。這就需要我們制造商將工藝性與外觀同等重視起來。（5）強度和最大容許負荷強度和承載力一直是我們研究的重點，這也是自行車運動起來的前提，若自行車強度和承載力達不到要求，其它工藝設計即使設計的很完美，那也是無濟于事的。強度和承載力同樣也決定了自行車的使用壽命。而對于強度的計算，不僅僅局限于對框架的設計，也著重于其它零件的設計，所有零件都要滿足硬度要求。只有硬度達到要求，其它設計才能開展下去。（6）成本對于成本的控制也是有要求的，在保證設計要求的前提下，盡量去控制成本。只有降低成本，才能贏得廣大消費者的歡迎，我們追求的是質量以及自行車的性能要求，而不是把他作為一種價格高昂的消費品。所以說，控制成本也是很重要的，但是要保證制造要求，不能一味的為了省錢，而造出一些質量極差的次品。（7）騎行輕快和舒適在滿足了前面設計的所有要求之外，我們要考慮如何提高騎行者的舒適感和輕快感了。同時，對自行車的緩沖系統(tǒng)要進行合理設計，這能很大的減少顛簸，座椅的形狀以及車把的結構設計，包括座椅的高度調節(jié)，這些種種因素共同決定騎行者的舒適感。2.3整體方案選定本論文中設計的并排自行車主要包括以下幾大結構部分：車架車架轉向系統(tǒng)轉向系統(tǒng)自行車自行車驅動系統(tǒng)驅動系統(tǒng)制動系統(tǒng)制動系統(tǒng)（1）車架對于車架結構的設計，是至關重要的。車架結構不是隨便簡單的設計一個造型就行，它都是有科學依據的。車架的結構設計我們嚴格遵守空氣動力學原理，設計的結構盡量減少空氣所帶來的阻力，而又要保證結構設計的合理性，還用滿足騎行的舒適感。對于車架流線的設計，依據空氣流動學進行設計，設計一種阻力最小的曲面結構。（2）轉向系統(tǒng)導向結構也就是我們的車把結構，它主要的作用就是控制自行車前進時的方向，并沒有什么其它的作用了，通常結構也較為簡單。（3）驅動系統(tǒng)鏈式傳動通過前后兩個鏈輪大小，計算其傳動比，一般前面的大鏈輪帶動后面的小鏈輪運動，可以計算出鏈條傳動的效率。（4）制動系統(tǒng)制動系統(tǒng)是提供自行車制動的裝置，也就是車閘系統(tǒng)。2.3.2方案設計通過上述對自行車結構設計原理的分析，我們需要制定出一套三人并排四輪自行車的設計方案。該方案主要借鑒以前的三輪自行車設計，在原有的基礎之上進行優(yōu)化和完善。原有的三輪自行車只有一套傳動系統(tǒng)，運動過程中費時費力，我們所設計的自行車結構在它的基礎之上增加了兩套傳動系統(tǒng)，總共使用了三套傳動系統(tǒng)，增加了騎行的協(xié)同性。同樣，制動系統(tǒng)也由原來的一套增加到三套，在每個人的右手邊都增加了一套制動系統(tǒng)。對自行車得車架結構也進行了一定的改進，使三個座位并排而坐，這也是一大技術改進。增加了遮陽棚，給游客帶來了更好的用戶體驗。2.3.3設計方案簡圖以下兩幅圖是對三人并排四輪自行車設計得結構簡圖。圖2-1三人并排騎行四輪自行車方案簡圖第3章驅動及傳動構件設計3.1自行車行駛阻力分析3.1.1滾動阻力自行車在行駛過程中，會受到阻力作用。這其中最主要的阻力使來自車胎與地面的摩擦，還有一小部份就是空氣所產生得阻力和零件之間摩擦產生的力。這些力都會產生能量的損耗，同樣也會做一些無用功。3.1.2空氣阻力當我們騎行自行車時，我們在運動，與我們相對的空氣也在流動。導致空氣形成對流，所在會產生部分的空氣阻力。而這部分空氣阻力其實又是由兩部分構成，一部分是摩檫力，另一部分時壓力。當自行車在運動過程中，空氣吹過人的身體時，空氣會與人的身體表面接觸，進而會與身體表面產生一定的摩檫力。這也算一部分的阻力。最主要的就是當風正對著人的身體包括自行車結構吹來時，會在人身體表面產生一定的壓力，阻礙著自行車的前進。這也是空氣阻力最主要的一部分。當然，構成表面壓力還與一些其它因素也有關，包括自行車車架結構，以及我們所穿衣服的結構，這些都會影響阻力。因為空氣在流過不同的表面會產生不同的渦流形狀，渦流一般會導致背壓，增大所受壓力。所以表面越不平整的結構會產生的渦流越大，進而導致背向壓力也越大。3.1.3內部阻力除空氣阻力之外，其余的都是內部阻力了，當騎行者給腳蹬一個力，曲柄結構將人產生的力傳遞給車輪，推動自行車前行，除自行車前行損耗的力外，剩余所有的力都是阻力。各個轉動結構之間會產生部分摩檫力，當轉動結構發(fā)生轉動時，軸與軸套之間相互接觸會產生摩檫力。但是這部分阻力不會太大。其次就是傳動系統(tǒng)，主要就是鏈條傳動過程中，鏈條與鏈輪接觸所產生的摩檫力，這部分的摩檫力也不是很大。車架本身結構的設計所產生的阻力，主要是當風吹過自行車車架時，由于自行車車架結構的彎曲變形，會使得流過的空氣產生渦流，增大壓力。車輪對地面產生摩擦，而且車輪與地面接觸面積越大時，所受摩檫力越大，這就是為什么當車輪氣不足時，會使得我們騎行更加的費力。為了減自行車車輪與地面接觸面積，一些自行車車輪設計的特別窄。但是，車輪在設計特別窄時，它的強度以及穩(wěn)定性也就會相應的降低。（4）車輪軸承部分所產生的阻力，車輪與軸之間通過滾動軸承連接，行駛過程中會產生一定的摩檫力，這就會阻礙自行車的前進，齒輪輪齒與鏈條之間，變速器鏈條之間都是由摩檫力的。（5）在騎行過程中，由于道路的崎嶇，會使人在騎行過程中發(fā)生顛簸，這個過程會有部分能量損耗。所以，為了解決此類問題，我們經常會增加緩沖裝置，同時還增強座椅的彈簧，盡量減少這部分能量的損耗。雖然增加了緩沖裝置，但是依然還要保持自行車剛度不能降低。通常解決阻力的辦法都是通過增加傳動效率來盡量增大騎行速度。3.2結構要素分析影響自行車行駛性能的因素來源于多個方面，除了空氣阻力和內部阻力之外，還有一些其它的因素，比如人為因素以及機械因素等。只有全面考慮這些因素，才能完全改善自行車性能。這就需要我們設計時要綜合考慮，將各個因素協(xié)調起來。（1）速比首先，考慮的就是鏈輪之間的轉動比，大小鏈輪直徑的比值就是速度比值，大鏈輪在腳蹬處，而小鏈輪是在后輪的軸心處。當大鏈輪受力時，會將受到的力通過鏈條傳遞到小鏈輪上，進而使后輪轉動，推動整個自行車前進。但是大小鏈輪的直徑比也不是越大越好，它有一定的取值范圍，通過我們查閱資料發(fā)現，這個取值范圍一般是在2-4之間。當超出這個范圍后，速比設計都是不合理的。若大鏈輪直徑太大，蹬起來由于半徑大會非常的費勁；若大鏈輪直徑太小，則由起不到放大速度的作用，就是實際是多大速度，自行車就是多大速度。所以設計時要嚴格控制速度比。（2）曲柄長度曲柄是連接在腳蹬和大鏈輪之間的機構，當腳蹬受力時，力通過曲柄結構傳遞給鏈輪，進而傳動裝置傳遞力，使得自行車運動起來。曲柄與剛才的鏈輪直徑設計有著相同之處，曲柄的長度也是在一個確定的范圍之內，不宜太長也不宜太短。少數人對曲柄結構有所誤解，它們將曲柄結構誤認為是一種杠桿結構，以為曲柄越長，會越省力。但是事實上并不是這樣的，曲柄太長，意味著你的腿在等腳蹬時做的功也會越多，消耗能量大，并不就是會省力，反而可能會更加費力。所以我們要將曲柄長度設置在一個合理的范圍之內。（3）三接點位置所謂三點結構，也就是當人騎車時，車把、座椅以及腳蹬這三點構成一個三角形。如下圖所示，我們通過調節(jié)這三點之間的距離，改變騎車姿勢，達到省力的目的。查閱資料可知，這三點的位置往往由一個公式決定，即。圖3-1影響自行車的機械因素（4）鞍座位置對于車座安裝的位置也是有講究的，太高的話我們可能都無法完整的使鏈輪轉動一圈，太低則膝蓋彎曲較大，作功多，能量消耗大。因此，為了解決這一常見問題，我們對自行車的設計往往都是將他的車座設計成一個可調節(jié)的車座，沒有一個固定的高度，根據不同身高去調節(jié)車座的不同高度。當然，調節(jié)高度也是有規(guī)范的，并不是盲目的用感覺去調節(jié)高度，常用的方法就是通過手臂來確定座椅的高度，將手臂張開，將胳膊的末端靠在座椅上，用手指去觸摸大鏈輪中心處，剛好摸到時，為最佳高度，這就是我們常用的調節(jié)座椅高度的方法。具體示意圖如下圖所示：圖3-2自行設計的結構要素（5）車閘車閘一般設計在車把位置處，根據手的握感選擇合適的安裝位置，不同的人安裝位置不同，車閘松緊度也不相同。由于車閘時一個消耗結構，我們可能需要經常的更換閘皮，以及調節(jié)車閘的松緊度。若時靈敏度較高的車閘，只需輕輕一使力，自行車便會停下來，若是握到一定程度后，自行車還沒有停止的跡象，則需要我們維修車閘。常用的車閘參數如下。表3-1理想的施閘力和減速度閘把施閘力/N相對握力%減速度說明60

350

50010

70

1000.1g

0.6g

0.8g控制下坡速度

全剎車

緊急全剎車注：g=9.8m/s23.3功率的計算3.3.1輸出功率的計算同一輛自行車，由于騎行的人不同，輸出的功率也不相同，因為每個人的身體狀況有所差異，當一個體格強壯的人騎行時肯定比一個體格弱小的人輸出功率大，因為體格強壯的人輸入的功率就大。而且輸出功率還會隨著騎行的時間進行衰減，剛開始時，輸出功率可達0.7馬力，但這并不會維持太久，在大約10s之后就逐漸開始發(fā)生衰減。經過時間越長，速度會越低，直到最后降到0馬力。這主要是人的體能消耗，導致了輸入功率越來越小，相對應的輸出功率也越來越低。若想長時間的騎行，我們就要以均勻的速度騎行，才能保證長時間的輸入功率。一般最合適的速度就是每分鐘60r/min，這是基于人的心跳設定的一個參數，也是通過實驗驗證得來的。但是，我們本次設計的并排四輪自行車主要不是用來作為交通工具的，它偏向于游玩，因此對它的速度要求并不高，所以對輸出功率的考慮可以完全不必在意?；谝陨系姆治觯覀兂醪皆O定，一般成年人在踩踏腳蹬時的力大概為60N，轉速就按60r/min，由以下公式計算可得：所以自行車運動時的輸出功率為3.3.2傳動效率查閱機械設計手冊可得：當踩腳蹬時，關節(jié)處所損耗能量：鏈條傳動時，并不能保證傳動效率為100％，其機械損耗效率為：軸承部位機械損耗效率：軸的傳遞效率：由以上公式各能量損耗效率可計算出總的效率：所以自行車在運動過程中車輪的輸出效率為3.4傳動比在滿足傳遞裝置速比的要求后，首先，我們要保證各級傳動裝置的剛度相同，才能發(fā)揮其良好的鏈條傳動性能。在本文設計中，常采用速比為2.5的傳動系統(tǒng)。3.5前后鏈輪之間的鏈傳動設計3.5.1設計要求首先，我們確定鏈條的基本尺寸，關于鏈條設計，主要包括有鏈條長度，鏈條的材料，以及鏈輪一些基本參數的設置。當自行車在低速行駛時，由上述計算結果可得傳遞功率為,主動鏈輪轉速，從動鏈輪轉速，傳動。3.5.2設計過程（1）對于鏈輪結構，計算齒數、在之間選取齒數。（2）選取鏈條為單排鏈，可計算得到當量為根據我們選用得鏈條，以及單排鏈、齒數等參數，可計算出鏈條傳動得功率大小為：，由機械設計手冊，表9-6可得，同時查表9-13得，但此處我們選用的是單排鏈故（3）選取鏈條型號，計算單個鏈節(jié)之間的距離由上述計算出的功率選取鏈條型號以及鏈節(jié)之間距離，因為選用單排鏈條，查閱機械設計手冊可確定：型號為：節(jié)距為：（4）計算鏈節(jié)距和中心距兩鏈輪中心距離為，由下列公式可得到鏈距由計算結果，我們選取一個偶數，這樣便于安裝，取計算兩鏈輪之間的最大中心距為：式中，可通過查閱機械設計手冊得知，表示中心距系數。常?。?）鏈條傳動的速度需求得，然后根據鏈速選取潤滑油的型號。當得到計算結果后，查閱機械設計手冊，由圖9-14可知，鏈條的潤滑方式為人工定期添加。（6）當鏈條傳動時，對軸承的壓力為圓周力壓力（7）參數設計()()()()()()()()()()3.6軸的設計3.6.1鏈輪上力的計算計算功率大小轉矩3.6.2材料軸的材料選取45鋼，進行淬火調質處理。3.6.3計算軸的最小直徑對于軸的最小直徑計算，查閱機械設計手冊，由表15-3可知，常取，根據我們所選直徑可知，它的直徑是小于120的，且在軸的表面還有幾個鍵槽，因此需要我們增加軸的直徑，由公式得3.6.4軸的結構設計（1）所用到軸的基本結構（2）為了實現軸承的定位，所以要做定位軸肩，導致各部位直徑不相同。①我們可根據大鏈輪得內徑來確定軸的最大直徑，取為，在根據鏈輪寬度，可得最大直徑處的長度是。②連接軸的軸承選用深溝球軸承，型號為，該軸承基本尺寸,故，通過計算可得。③對于定位軸肩的計算，取，根據查閱手冊得④該軸的兩端直徑最小，取值為，兩端主要是用來連接螺紋，起固定作用的，要對兩端端頭進行螺紋設計，查閱機械設計手冊得，螺紋長度為5mm，選用雙螺母固定。⑤對于軸肩得計算，通過設計手冊可計算得，。通過以上計算得到了軸的基本尺寸。3.7軸的校核我們要對設計好的軸進行校驗，檢驗各處受力狀況，尤其是在一些薄弱環(huán)節(jié)處，驗算受力大小，看能否滿足載荷需求。我們所設計的軸各處的直徑基本相差不大，所以我們按相等直徑帶入公式進行計算，取一個平均直徑，將其代入公式中，該公式主要是對軸的剛度進行檢驗，看我們所設計的軸是否滿足自行車行駛時剛度的要求。還需選取一個當量直徑，來進行驗算。將取得兩個值帶入下列公式中，我們可以求得自行車系統(tǒng)中的撓度和傾角。然后將各段計算結果進行疊加。通過受力分析：最大撓度：查閱相關資料得；。3.8鍵的校核完成了對軸的校驗之后，我們要對鍵進行校驗。在本設計中，軸和鍵選用的材料相同，都是45鋼。由【4】表6-2查得,選取一個值后，。計算鍵的尺寸，鍵工作時與輪轂距離。由【4】式（6-1）可得由此可知，設計的結果完全滿足條件了，鍵選取類型為：3.9軸承的校核（1）軸承的校核在對軸和鍵完成校驗之后，我們需要對軸承進行校驗了，由前文可知，我們選用的軸承是深溝球軸承6206，所能承受最大載荷為19KN,且我們軸的轉動是一個固定值，所以對軸承的要求也很高。根據這些已知條件，對軸承進行校驗。②軸傳遞的轉矩∴受力對軸承受力進行分析，分別從他的軸向與徑向兩個方向進行分析，并作出受力圖：在水平面：在豎直面：④軸承在運動過程中可能會受到來自軸的橫向沖擊，查閱機械設計手冊，可得沖擊系數為，取，則有：⑤軸承的使用期限主要是由軸承受力所決定的，計算軸承受力大小為：由計算結果知，我們選用的軸承符合設計要求。（2）對于其它軸承的校驗，方法與上述所提到的一致。第4章結構件設計4.1車架設計4.1.1車架結構設計車架是構成自行車最基本的結構，它就是一個大框架，將其它零件安裝在這個大框架之上，便組裝成了一個自行車。同時，我們也要保證自行車車架結構的強度和剛度，車架承載著騎行者以及各類零件的重量，設計必須要結實。在經過各種路況不好的道路時，若強度達不到要求，是很容易散架的。車架設計的樣式可多種多樣，但是它的安裝處尺寸必須嚴格把控，要實現標準化設計。由于我們機床加工技術有限，所以在車輪的加工上，或多或少的存在一定的精度誤差。如兩安裝車輪的支架處，很難保持它們在同一水平面內，這也就導致兩車輪安裝不在同一直線上，導致騎行較費力。對于車座位置的確定，往往也是有一個標準的，在車架結構中間部位有一根立管，立管的延長線與水平面的交點就是我們安裝車座的位置。一般在騎行過程中，你的股關節(jié)上下運動，當運動在上端時，與自行車車座平行時，即說明車座安裝的合理性。下圖為車架結構，豎直桿與水平面夾角為立管傾角。立管傾角決定了中軸的位置。圖4-1車架結構4.1.2車架材料選擇對于車架來說，結構固然重要，但是車架材料的選取也應該引起我們的重視，要想保證車架的強度、剛度滿足要求，必須選擇合適的材料。也就是說，其實我們所設計的結構部分，都是在有材料的基礎上才能實現的，否則就是紙上談兵。故結構與材料之間的關系是密不可分的。那么，我們就對我們自行車的主要結構車架部分進行材料的選取，常見的材料是鋁和鋼，但是隨著技術的不斷發(fā)展，越來越多的新材料應用而生，包括鎂、鉻、碳纖維等。這些新材料固然好，它們的優(yōu)點就是質量輕，強度高，但是缺點是價格昂貴。而傳統(tǒng)的鋼結構自行車則與這些新材料恰好相反，它的材料價格較低，但是鋼的質量大，且容易生銹。這兩類材料各有優(yōu)缺點。還有一種新興的材料就是合金材料，包括有鋁合金，鎂合金等，這種新興的材料用于一些價格比較昂貴的自行車上，這種材料的直徑較小時，它的強度硬度并沒有明顯的優(yōu)勢，但是當他的管徑較大時，它的強度和硬度明顯的提高。一般適用于一些尺寸較大的自行車。最后，我們再說一下碳釬維材料，這應該是目前最好的一種材料了，因為它本身特有的性能，這種材料不需要焊接，可直接整體化成型。所以這種材料應用的范圍并不廣，只有在一些職業(yè)的選手比賽上，才能看到這種材料自行車的出現。我們選用幾種材料具體分析：（1）鉻鉬鋼(Fe—Cr—Mo)在幾百年的發(fā)展史上，自行車材料的選取上一直沒離開過Fe元素，因為這種材料不管是從它的強度上來說，還是從它的造價上來說，都是非常符合作為自行車材料的。Fe元素可添加到大量元素中形成新的合金，這種合金往往加工簡易，材料易得，而且通過這種材料加工出來的車架強度、硬度都是滿足使用要求的。對于大部分的自行車生產商都是選用這種材料的。但是，它的缺點就是由于這種材料本身的質量大，導致加工出來的自行車重量也很大。隨著這幾年熱處理技術的發(fā)展，我們對這種鐵合金進行熱處理，可以降低鐵管的厚度，從而減小自行車的重量。（2）鋁合金(A1-Mg-Si，Al—Zn—Mg一(Cu))鋁合金也有它自身的優(yōu)點，就是相比之下，它的質量可能會更輕一點，而且它的造價也不高。但是，它并不被自行車生產商廣為使用，主要一個原因就是它的強度可能不達標，比不上鐵合金的強度。雖然這種鋁合金我們也經過熱處理，但是它本身內在一部分性質是無法改變的，所以處理效果也不是多明顯。鋁合金主要金屬元素是鋁，加入了一些其它元素，如，Mg，zn，cu構成了鋁合金材料。加入其它元素明顯的提高了鋁的性能?！皲X合金車架的優(yōu)點①當我們光用純鋁制作車架時，雖然的它的質量較輕，但是強度遠遠達不到標準要求，極易發(fā)生彎曲變形。為了改變鋁的性能，我們在鋁中增加一些其它金屬元素，構成鋁合金元素。通過熱處理工藝，使得加入的金屬很好的作用在這種合金之中，阻礙純鋁的變形。這就可以有效改善純鋁硬度低這個缺陷了。并不是所有的自行車零件都是經過熱處理的，也就是說這些零件沒有發(fā)生時效反應。如某型號的自行車曲柄結構，但是若這種結構經過熱處理之后，它的強度會達到沒有熱處理之前的5倍。②腐蝕性較差鋁的抗氧化性是比鐵強的，鐵在空氣中極易腐蝕，但是鋁幾乎是不會發(fā)生腐蝕的。是什么原因導致這一現象呢，經過我們研究發(fā)現，鋁在空氣中容易與氧氣發(fā)生反應生成一種薄薄的氧化鋁薄膜，這層氧化鋁薄膜附著在車架結構上，防止車架進一步氧化，起到保護作用?！皲X合金車架的缺點③若采用鋁合金材料時，我們一般采用直徑較大的管道，主要由于它的彈性較低。④若使用鋁合金作為車架結構，則必須要進行熱處理之后才能使用，否則達不到我們的硬度要求。對于小型企業(yè)一般無力購買熱處理設備，因此都是直接購買人家熱處理好的材料。（3）鈦、鈦合金(Ti，Ti—A—V)美國是最早把鈦合金用到制造車架上的國家。最早的研究中，鈦合金是用來做賽車的車架的。主要原因就是鈦合金質量小。但是鈦合金的剛性也較低，后來人們慢慢發(fā)現用它制造的賽車不能滿足長時間的行駛，所以并不是所有的賽車都適用鈦合金制造。只是在一些特定的場合，才被作為制造賽車的材料。鈦元素在地球上的儲量還是較多的，但是對鈦合金的加工是有些困難的，所以使得鈦合金的價格變得極其昂貴?！疋伜辖疖嚰艿膬?yōu)點①鈦合金最主要的優(yōu)點就是它的質量輕，其次就是它的強度大，若在鈦合金中再添加一些鋁和釩元素，會使得它的彈性也增強。②鈦合金它的第二個優(yōu)點就是不生銹，鈦在我們日常生活中得環(huán)境基本是不會發(fā)生腐蝕現象的，這是由于再鈦合金內部發(fā)生的特殊化學反應，使得加入鈦中的其它元素不會與鈦發(fā)生電極反應，就不會出現腐蝕現象了?！疋伜辖疖嚰艿娜秉c最主要缺點就是價格高。鈦在自然界的存在主要是以化合物的形式存在的，其中二氧化鈦是我們常見的鈦類化合物。二氧化鈦在自然中的含量還是極為豐富的。但是，二氧化鈦的化學性質較為穩(wěn)定，所以在二氧化鈦中將鈦提純出來是一個困難的過程，而且提純出來的鈦極難保存，當純鈦遇到空氣時，會迅速的與氧氣發(fā)生反應形成二氧化鈦。這就是為什么鈦的含量高，但是它的價格卻也高的原因，主要還是技術手段的不成熟所導致的。近年來，鈦合金的價格也是有所降低的，甚至有時候比鋁合金價格都低。這主要是因為隨著世界和平的不斷發(fā)展，以前鈦合金主要用于軍工業(yè)產品，現在在軍工業(yè)的使用量明顯減少，這導致了鈦合金價格下降。（4）碳纖維(CERP)碳纖維車架目前主要的優(yōu)勢有就是它的質量輕，硬度高，不變形。碳纖維的性能是特別的突出，但是想要充分的利用它這些性能確是不容易的。同時，對于碳釬維生產技術，各大廠家也是有所差異的。在自行車車架使用該種材料的應用可能不太成熟，主要原因就是這種碳碳纖維材料的造價高，雖然它的性能好，但是相應的成本也要提上去。同時，要想把碳纖維的全部優(yōu)異性能發(fā)揮出來，加工成本也會非常的高?！裉祭w維車架的優(yōu)點①車架質量低我們用作自行車車架的碳纖維，是通過層層疊加生產出來的碳纖維，這樣生產是為了使碳纖維不會被輕易的拉斷。用它生產的自行車車架質量是非常輕的。②沖擊吸收性好碳纖維的另一個優(yōu)點就是它的沖擊性好，在2008年的殘奧會期間，碳纖維用作運動員假腿的制造，就是因為碳纖維的抗沖擊性強，能夠很好承載外力對結構的沖擊。同樣，碳纖維還被用作減震器，就是源于它這一優(yōu)點所得的。但是，并不是所有的廠商都能加工處性能很好的碳纖維材料來?！裉祭w維車架的缺點①應力計算較為復雜雖然說用碳纖維制作自行車車架的優(yōu)點很多，但是缺點也是有的，就是碳纖維材料加工的困難。在對碳釬維層層加工時，需要我們計算出碳纖維的剪切應力，才能確定出疊加的厚度，然后這個應力的計算時十分復雜的。當我們采購碳纖維時，盡量選擇一些口碑較好，大型企業(yè)進行購買，因為他們的疊加技術會相對成熟一些。②老化并一個缺點就是碳纖維的老化，當碳纖維長時間暴露在陽光下，經陽光的暴曬，會使得碳纖維發(fā)白，盡量減少陽光對碳纖維的直接暴曬。（5）鎂合金鎂在我們所選的這些金屬中是質量最輕的金屬，同時，它也是耐腐蝕的。我們在鎂元素中加入一些其它金屬元素，構成了鎂合金，增強了它的硬度和耐腐蝕性。但是由于它的造價較高，一般用于一些名貴的金屬儀器上的制造?！矜V合金車架的優(yōu)點①質量較輕它之所以比鋁輕，最重要的原因就是它的密度低。所以它造出的車架會更輕。通過我們檢測發(fā)現，唯一不足的地方就是鎂合金的楊氏模量較低，改變這一問題的方法就是加粗管徑。今后，對鎂合金和鋁合金的研究還不不斷加強。②加工性好相比于鈦的制造，鎂的提取則不是那么的難了。但是，鎂在自然中的含量是沒有鈦高的，這就導致了它的造價還是很高。●鎂合金車架的缺點雖然，大多數生產商說鎂的耐腐性好，但是對它耐腐蝕的研究并不多，而且沒有一個明確的標準來判斷耐腐蝕性。純鎂一般是不做工業(yè)使用的，因為它的化學性質極其活躍，在空氣中極易發(fā)生化學反應，因此我們需要在鎂中加入一些其它金屬元素，制成鎂合金，鎂合金的化學性質較為穩(wěn)定，而且物理性能好。有部分鎂合金的使用者，他們認為鎂合金的耐腐蝕性還是不錯的。基于以上合金的性質：通過對幾種合金的介紹，我們已經初步有了一個大致的了解。每種合金都有它自身的優(yōu)缺點，有的是質量輕，有的是造價低，有的是沖擊性吸收好。雖然對鈦合金的說明不太多，但是仍有許多研究者喜歡它，因為一旦突破技術問題，鈦合金將是一種很好的制造車架材料。（1）對于鉻鉬鋼合金的研究，已經持續(xù)很多年了。目前來看，可研究的點并不多了。而且我們?yōu)榱嗽黾鱼t鉬鋼的硬度，常用的方法就是增大管徑，但是管徑增大后質量也會增加，這就是一個棘手的問題。所以，鉻鉬鋼應該發(fā)揮它長處，將它優(yōu)秀的性能運用于其它地方，否則遲早會被淘汰。（2）用鋁管制造自行車車架會遇到與鈦合金相似的問題，那就是若使用薄壁管。強度達不到；若使用厚壁管。質量又回增加。雖然在鋁中添加其它金屬能夠增大鋁的硬度，但是成本肯定也會相應的增加。同時，鋁合金的耐腐性還是不錯的，它比鋼合金的耐腐蝕性高，也可用于部分特殊車型的制造。（3）碳釬維目前是一種較有潛力的材料，它主要的問題就是加工較為困難，目前很難攻克這一問題，而且不同生產商加工出來的碳纖維性能差異也很大。（4）目前來看，鈦合金研究前景還是很好的，只要解決了鈦工藝的制備，鈦合金將能很好的被開發(fā)出來，并且用于車架制備中。根據這些總結，再結合我們設計自行車的初衷，以及這種自行車的用途等各方面因素，所以我們初步認為鈦鎂合金是最合適的。4.1.3車架焊接工藝制定（1）焊接方式的確定傳統(tǒng)的焊接方式都是氧焊，主要的原料就是使用的氧氣和液化石油氣，這種焊接方式簡單，但是成本較高且焊接的質量也一般。隨著近幾年來自行車行業(yè)發(fā)展的火熱，傳統(tǒng)的焊接方式暴露出越來越多的問題，迫切需要我們研究新的焊接方式。我們新發(fā)現的CO2氣體保護焊，它的焊接性能是遠遠超過氧焊的，而且成本也沒有氧焊高。所以，現在在大部分的自行車生產廠家，都使用的是該種焊接方式。4.2阿克曼轉向機構設計阿克曼轉向機構是一種為了解決交通工具轉彎時，內外轉向輪路徑指向的圓心不同的幾何學，依據阿克曼轉向幾何設計的車輛，沿著彎道轉彎時，利用四連桿的相等曲柄使內側輪的轉向角比外側輪大大約2~4度，使四個輪子路徑的圓心大致上交會于后軸的延長線上瞬時轉向中心，讓車輛可以順暢的轉彎。圖4-6阿克曼轉向機構原理圖本次設計三人并排騎行自行車轉向機構即采用阿克曼轉向機構，根據自行車框架尺寸匹配得到本次采用的阿克曼轉向機構結構尺寸如下圖4-7所示。圖4-7三人并排騎行自行車轉向機構（阿克曼轉向機構）4.3前輪叉架設計對于自行車前叉部分進行建模分析。前叉的主要作用就是用來固定自行車前輪的，除此之外，前叉是連接車把和前輪的橋梁，車把上的力通過前叉?zhèn)鬟f給車輪，使得車輪方向發(fā)生改變，最后一個作用就是自行車的設計往往會在前叉部位安裝一個緩沖裝置，可以有效的減少在騎行過程中，騎行著的顛簸，增強騎行舒適感。前叉是安裝在車架上的，上端連接車把，下端連接車輪，示意圖如下。圖4-2前輪叉架4.4腳蹬設計我們也對腳蹬進行了建模分析，腳蹬是用來支撐腳底提供動力的一種裝置，腳蹬與曲柄連接，腳蹬中間做成鏤空形狀，就是為了在不減弱腳蹬強度的前提下，盡量減少腳蹬的重量。而且腳蹬安裝在曲柄上是靈活可動的，為了保證腳底的受力平衡。同時，對于腳蹬形狀與大小的設計也是我們需要考慮的。4.5鏈輪鏈輪的建模如下圖所示，在自行車系統(tǒng)中，首先，鏈輪是用來安裝鏈條的裝置，鏈條的運動使得腳蹬產生的力傳遞給后輪，推動自行車的運動。這是鏈輪的的第一個作用，主要是用來起傳遞動力的