【正文】 數(shù) cosv zz ??算。 mm （ 3）材料彈性影響系數(shù) 水上自行車設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 27 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 106取 ZE= MPa （ 4）試算小齒輪分度圓直徑 d1t dt≥ [ ]3 22RR 2. 本次設(shè)計(jì)中自行車的傳動(dòng)效率損失有： 踩踏關(guān)節(jié)的損失： 1η = 鏈傳動(dòng)的損失： 2η = 滑動(dòng)軸承（一對(duì)）： 3η = 錐 齒輪傳動(dòng)的損失： 4η = 軸系效率： 5η = 滑動(dòng)軸承： 6η = 機(jī)械課程設(shè)計(jì) 由以上算出的總的傳動(dòng)效率： ? = 32654321 = = 所以螺旋槳軸端輸出功率為 wPP S 6 3 3 3 7 2 4 === 水上自行車設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 21 （ 二 ）傳動(dòng)比分配 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 ，此處分配特點(diǎn)為鏈傳動(dòng)和錐齒輪傳動(dòng)的分配，但是考慮到在騎乘自行車時(shí)一般分配的傳動(dòng)比為 左右，為了適應(yīng)和習(xí)慣在陸地上的運(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 的傳動(dòng)比 由螺旋槳計(jì)算得需要轉(zhuǎn)速達(dá)到 srn /= 踩踏自行車時(shí)的正常平均踩速為 srn /= 故總傳動(dòng)比 一般自行車的傳動(dòng)比為： , =i 為了保持自行車的正常性能特性，以及合理的采用標(biāo)準(zhǔn)件降低生產(chǎn)成本，故一級(jí)鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比維持不變 =i 則 以下為本方案中用到的基本傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)易圖 水上自行車設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 22 （ 三 ）鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì) 確定鏈條型號(hào)、鏈節(jié)數(shù) PL 、排數(shù)、鏈輪齒數(shù) 1z 、 2z 、鏈輪結(jié)構(gòu)、材料、幾何尺寸、中心距 a 、壓軸力 PF 、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 JP ? ,主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速 min/301 rn = ，從動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速 min/1472 rn = ，傳動(dòng)比 =i （ 1） 選擇鏈輪齒數(shù) 1z 、 2z 在 17114 之間選取齒數(shù)。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)。一般成年男人的最大輸出功率約為 馬力（ kw ) ， 但只能 能持續(xù) 10s左右。 （本處車座鞍座寬度取 8cm，前傾角設(shè)計(jì)為可調(diào)式） 。車座往后傾一定的角度 ,使背部適當(dāng)靠后 ,降低背部肌肉壓力 。行駛較快的車，鞍座位置要向前移動(dòng)，行駛較慢的車，鞍座位置要向后移動(dòng)，否則都不利于 騎行。 水上自行車設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 15 圖 14a （ 4） 鞍座位置 鞍座裝得過(guò)低，騎行時(shí)雙腳始終呈彎曲狀態(tài)，腿部肌肉得不到放松，時(shí)間長(zhǎng)了就會(huì)感到疲軟無(wú)力；鞍座裝得過(guò)高，騎行時(shí)腿部的肌肉拉得過(guò)緊，腳趾部分用力過(guò)多，雙腳也容易疲勞。若能按人的身長(zhǎng)或下肢長(zhǎng)來(lái)考慮曲柄長(zhǎng)度，則可使人省力和舒適。為了保持不疲倦的持續(xù)騎行，希望肌肉的負(fù)擔(dān)約為最大肌力的 10% ，按此選擇速比和曲柄轉(zhuǎn)速，可得到比較好的效果。 利用速比關(guān)系可取得騎行時(shí)所必要的功率和必要的速度。 影響自行車性能的因素除了上述人的因素外，還有許多機(jī)械因素。當(dāng)腳踩動(dòng)踏板帶動(dòng)齒輪 2 傳動(dòng)使得明輪 4 轉(zhuǎn)動(dòng)拍打水面產(chǎn)生向前的驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)船前進(jìn)。螺旋槳構(gòu)造簡(jiǎn)單、重量輕、效率高，在水線以下而受到保護(hù)。噴管方向可變 ,便于船舶操縱。明輪因機(jī)構(gòu)笨重，占用空間大，風(fēng)浪中不易操縱，容易損壞，已為螺旋槳所取代。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。推進(jìn)器按作用方式可分為主動(dòng)式和反應(yīng)式兩類。 通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)我們可以比較確切的分析各種傳動(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。 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?，市場(chǎng)對(duì) 適用 的水上自行車 的需求將越來(lái)越迫切。像 世界上最大的 東京 迪斯尼樂(lè)園 ， 2021 年接待的游客人數(shù)為 1730 萬(wàn)人次。但在設(shè)計(jì)水上自行車時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以選擇普通自行車為原參考模型，在此基礎(chǔ)上可以選用大量的原部件，減少了勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)依托普通自行車的大批量生產(chǎn)直接降低了生產(chǎn)成本，像鏈輪、鏈條、腳踏板等可以選用通用自行車廠商大批量生產(chǎn)的現(xiàn)成產(chǎn)品。為便于學(xué)科發(fā)展，統(tǒng)一名稱很有必要，現(xiàn)在大部分人稱其為 “人機(jī)工程學(xué) ”，簡(jiǎn)稱 “人機(jī)學(xué) ”。人機(jī)工程學(xué)在歐洲稱為 Ergonomics，這名稱最早是由波蘭學(xué)者雅斯特萊鮑夫斯基提出來(lái)的，它是由兩個(gè)希臘詞根組成的。 確實(shí) 這些設(shè)備在通常的娛樂(lè)場(chǎng)所隨處可見(jiàn)，但就其新穎性卻不高 ，往往初次乘坐上去進(jìn)行娛樂(lè)游玩時(shí)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都找不到人機(jī)互動(dòng)的的感覺(jué) ， 短暫的水上涉足就會(huì)讓人失去興趣，之后也很難有 再 嘗試的欲望，而水上 自行車卻不一樣 ，它的上半部分采用的是通常 自行車構(gòu)造機(jī)構(gòu) ， 游客乘坐上去馬上就能找到 像自行車一樣的 人機(jī)之間的一種互動(dòng)感覺(jué) 。 水上自行車作為一種創(chuàng)新型 水上娛樂(lè)產(chǎn)品，被眾多玩家親睞，但由于其生產(chǎn)成本高，效率低下始終不能在市場(chǎng)上在 短時(shí)間內(nèi)就能形成一定規(guī)模效應(yīng)。再選用最便捷 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) ，設(shè)計(jì)出能量利用率較高的水上休閑交通工具，使得行駛輕松自在。 設(shè)計(jì)的 水上自行車 以能量利用率最高為參考要素， 通過(guò) 目前市場(chǎng)上應(yīng)用較為廣泛的明輪驅(qū)動(dòng)、螺旋槳驅(qū)動(dòng)、噴水驅(qū)動(dòng) 對(duì)比計(jì)算 確定螺旋槳 最佳驅(qū)動(dòng)方式， 通過(guò)流體力學(xué)分析浮體正常前進(jìn)時(shí)所受的最小阻力 ， 根據(jù)他們之間的 速度阻力 關(guān)系， 結(jié)合 B 圖譜螺旋槳設(shè)計(jì)方法 得到最適合螺旋槳基本尺寸。 特別是水上游樂(lè)項(xiàng)目，因其獨(dú)特的新穎性，在各大中小型公園中得到了廣泛的推廣 。 在日常生活中存在 大量的 水上娛樂(lè)設(shè)備 ，如 常見(jiàn)的 水上輪車（明輪）、手遙船、漿船、腳踏船等 ，這些都 是靠人力驅(qū)動(dòng)的水上休閑娛樂(lè)設(shè)備 。它起源于歐洲，形成和發(fā)展于美國(guó)。日本稱為 “人間工學(xué) ”，或采用歐洲的名稱，音譯為 “Ergonomics”，俄文音譯名 “Эргнотика”在我國(guó)，所用名稱也各不相， ，有 “人類工程學(xué) ”、 “人體工程學(xué) ”、 “工效學(xué) ”、 “機(jī)器設(shè)備利用學(xué) ”和 “人機(jī)工程學(xué) ”等。 在制造方面，由于水上自行車是一種創(chuàng)新型水上娛樂(lè)產(chǎn)品，企業(yè)在生產(chǎn) 時(shí)一般都是采用中小批量生產(chǎn)，使得生產(chǎn)成本較高。以及中國(guó)國(guó)內(nèi)大量游樂(lè)場(chǎng)的建立，像北京正在興建的“龍門陣”，建成后將成為國(guó)內(nèi)最大的水上娛樂(lè)樂(lè)園； 安徽省正在興建的 沿董鋪水庫(kù)游樂(lè)園 ；已經(jīng)建成的江蘇省的福星游樂(lè)園等等 。 美國(guó)新澤西 洲的 六旗游樂(lè)園 (Six Flags Great Adventure) 十多年前被六旗集團(tuán)收購(gòu)后，幾乎每年都在往外擴(kuò)張與增添新設(shè)施。此處設(shè)計(jì)的水上自行車的船體造型也已達(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。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。 具體的水下推進(jìn)系統(tǒng)有以下幾種： （ 1） 明輪 蹼輪局部浸沒(méi)于水中的推進(jìn)器。動(dòng)蹼式蹼板可調(diào)節(jié)入水和出水角度，效率較高。其機(jī)械部分裝于船內(nèi)，得到良好保護(hù) 。螺旋槳安裝于船尾水線以下，由主機(jī) (見(jiàn)船舶動(dòng)力裝置 )獲得動(dòng)力而旋轉(zhuǎn)，將水推向船后，利用水的反作用力推船前進(jìn)。 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)提出以下暫定方案： 方案一：采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，明輪驅(qū)動(dòng)。 水上自行車設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 13 二 動(dòng)力結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) （一） 結(jié) 構(gòu)的擬定 構(gòu)分析 根據(jù)設(shè)計(jì)要求， 人在與自行車互動(dòng)的過(guò)程中分別有臀部與鞍座接觸、手掌與車把接觸、腳底板與腳踏板接觸，其中腳踏板踩動(dòng)連扛做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)做功 。 （ 1） 速比 大小鏈輪的齒數(shù)比，與鏈輪直徑比相一致，一般控制在 的范圍內(nèi)。速比過(guò)大時(shí)，要求的踏力也大，容易使人疲勞。這樣勢(shì)必加長(zhǎng)車架，影響了正確的坐車姿勢(shì)，使人感到臀部痛。按三點(diǎn)調(diào)整法， AB 和 AC 約等，一般 AB = ( AC 一 3 ) cm , A點(diǎn)略低于 B點(diǎn)，約為 5cm 。人體各部尺寸都有一定的聯(lián)系，只要腋窩中心至中指的長(zhǎng)度確定下來(lái)，鞍座高度便可大致確定。 （尺處取為 ） （ 7）車座設(shè)計(jì) 車座后端應(yīng)根據(jù)人體坐骨結(jié)間距來(lái)確定 ,根據(jù)解剖學(xué)中的數(shù)據(jù) ,該寬度應(yīng)以 6～8cm。以內(nèi)坐墊采用透氣、有彈性且不打滑的材料。 而橫放時(shí)板塊所受阻力我們可以用如下積分計(jì)算： 假設(shè)板塊的長(zhǎng)、寬分別為 a和 b 由于板塊的吃水深度為 c=（數(shù)可由浮體模型測(cè)量直接可以得到）， xacc adxcgF +=∫ + )(ρ ρ 為內(nèi)地淡水的密度 代入積分可得： 水上自行車設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 19 abb =+ 當(dāng)取得 a=200mm 時(shí) b=70 故浮體采用的轉(zhuǎn)向舵的長(zhǎng)寬確定為 長(zhǎng)為 200mm 寬為 70mm 水上自行車設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 20 四 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) （一） 輸入效率計(jì)算 1. 人的輸出功率 分析計(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。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。 以此為參考，正常人踩蹬自行車的力量約為 30~40N,娛樂(lè)情況下我們估算為 25N，踩蹬速度適當(dāng)?shù)娜檎Ｂ访骝T乘轉(zhuǎn)速的一半，故本次設(shè)計(jì)的人的輸出功率為swwP / ?????? （ 180mm為一般自行車的踩踏杠的長(zhǎng)度）。 HEtZTK σ）φ（φ 確定個(gè)參數(shù)值 （ 1）試選載荷系數(shù) K= （ 2）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 T1= 106 P/n3= 106 104N根據(jù) v=,8 級(jí)精度，由圖 10— 8查得動(dòng)載系數(shù) KV=； 故載荷系數(shù) K=KA*KV*KHα *KHβ = 1 = （ 6） 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑 由式（ 10— 10a）得 d1= 31 / tt KKd = 3 ? mm= = 計(jì)算大端模數(shù) m m 11zd? = mm= mm 6. 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由式 (10— 23) mn≥ ? ?32212RR 4FSaFa YYzKT σ）φ（φ + = 32224 0 . 0 1 6 4 3 +）（= 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù) 并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值 m=2mm 按接觸疲勞強(qiáng)度算得的分度圓直徑 d1=， 算出小齒輪齒數(shù) Z1=d1/m=大齒輪齒數(shù) Z2=3x25=75 （ 1） 計(jì)算分度圓直徑 d1=m圖譜都是從各實(shí)驗(yàn)水池中，通過(guò)一系列螺旋槳的實(shí)驗(yàn)而繪制出來(lái)的，應(yīng)用方法也大致相仿，本處采用使用較為普遍的荷蘭瓦 茨寧恩水池提供的楚思德B 型螺旋槳圖譜 （二）伴流系數(shù)和推力減額的確定 螺旋槳計(jì)算中需要半流系數(shù)和推力減額假設(shè)半流系數(shù)是 ω ，推力減額是 t，則可得出船身的有效效率。 我找到了突破口，鎖定了設(shè)計(jì)所需的主要參數(shù)結(jié)合自己的專 。 這次設(shè)計(jì)我學(xué)到了很多東西 ，我感到做好設(shè)計(jì)是真正用心去做一件事情，是自己真正把自己大學(xué)四年來(lái)學(xué)的東西鞏固和提高的過(guò)程，逆水行舟不進(jìn)則退，希望通過(guò)這次經(jīng)歷激勵(lì)自己今后學(xué)習(xí)中取得更大的進(jìn)步。一切將重新開(kāi)始。特別要感謝我的導(dǎo)師， 何國(guó)旗 老師，您指導(dǎo)我的學(xué)習(xí)，關(guān)心我的生活，對(duì)我嚴(yán)格要求，對(duì)我在 設(shè)計(jì) 上的問(wèn)題，您都熱情地給我解決，您的治學(xué)態(tài)度和教學(xué)育人的精神，都深深地感動(dòng) 了 我。 最后，再次向本次設(shè)計(jì)中所有關(guān)心、幫助過(guò)我的老師和同學(xué)表示衷心的感謝！！ ！ 2021 年 4 月 水上自行車設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 43