【正文】 90 水上自行車設(shè)計(jì)說明書 湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 18 圖 船身在 pro/e里的模型圖 （ 四 ） 轉(zhuǎn)向板面積計(jì)算 在通常情況下水上漂浮物體行進(jìn)轉(zhuǎn)向時(shí)，大多情況下都是用了最常用的舵， 當(dāng)然也有運(yùn)用其他方式進(jìn)行轉(zhuǎn)向的，像部分船只在船的左右側(cè)安裝驅(qū)動(dòng)裝置從而實(shí)現(xiàn)船只任意方向的轉(zhuǎn)換，此處設(shè) 計(jì)的水上自行車屬于輕型水上娛樂設(shè)備，考慮到輕巧快捷，故此處采用通用的舵來進(jìn)行轉(zhuǎn)向， 在選取一塊板材做舵時(shí)，我們又要考慮到板塊的面積和長寬比，我們可以進(jìn)行如下計(jì)算獲得： 通過前面我們對(duì)水上自行車船體的阻力分析我可以得到水對(duì)浮體的實(shí)際阻力在 10N左右，浮體在進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)通常轉(zhuǎn)角都在 45度左右，故要達(dá)到 10N的力，則水對(duì)浮體的實(shí)際阻力需要達(dá)到 20N，如果是通過板塊轉(zhuǎn)向獲得則需要板塊 橫放時(shí)能達(dá)到 20N的阻力。我們根據(jù)腳踩蹬的力量來計(jì)算在娛樂為主的休閑前提下的輸出功 率 。 ）（= （ 5）計(jì)算圓周速度 v=100060 21? ndtπ=10 0060 π=因?yàn)橛休p微震動(dòng)，查表 102得 KA=。φ R== 取 B2=30mm B1=25mm 參數(shù)名稱 小輪 大輪 m大端模數(shù) u齒數(shù)比 ? z齒數(shù) 17z1= 64z2? ?分錐角 ?? ?? d/m m分度圓直徑 ? 962?d mm/R錐距 ?R b/mm齒寬 15?b 取 10?b md齒寬中點(diǎn)分度圓直徑 ?md ?md mm齒寬中點(diǎn)模數(shù) ?mm ?高變位因子 ?x ?x tx切向變位因子 1t ? 2t ?? ah大端齒頂高 ?ah ?ah fh大端齒根高 ?fh ?fh 水上自行車設(shè)計(jì)說明書 湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 30 h大端齒高 ?h ad大端齒頂圓直徑 ?1ad ?ad f?齒根角 ?? ?? a?齒頂角 ?? ?? aδ頂錐角 ?? ?? f?根錐角 ?? ?? KA冠頂距 ?KA ?KA s大端分度圓齒厚 ? ? s大端分度圓弦齒厚 ? ? h大端分度圓弦齒高 ? ? 水上自行車設(shè)計(jì)說明書 湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 31 五 螺旋槳設(shè)計(jì) （一）設(shè)計(jì)方法 本處螺旋槳設(shè)計(jì)采用圖譜設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，用圖譜計(jì)算性能是比較廣泛應(yīng)用的方法，其正確性也比較高。 雖然我的設(shè)計(jì)不是很成熟，還有很多不足之處，但我付出了自己的勞動(dòng)，這是我引以為豪的地方，我相信只有經(jīng)歷過 的人才會(huì)明白其中的酸甜苦辣 。 在大學(xué)里，我認(rèn)識(shí)了這么多老師、同學(xué)，感謝每一位老師對(duì)我的教導(dǎo)，你們傳授我知識(shí)，啟發(fā)我的思維，感謝我的同學(xué)，跟你們在一起我感到很快樂，你們給了我很多的幫助。 感謝我的母校湖南工業(yè)大學(xué)，你是我人生中的第一座燈塔，是你讓我在這里重拾自我，找到人生的方向。 水上自行車設(shè)計(jì)說明書 湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 41 參考文獻(xiàn) [1] 濮良貴 .機(jī)械設(shè)計(jì) .北京：高等教育出版社， [2] 朱理 .機(jī)械原理 .北京：高等教育出版社， [3] 許福玲 ，陳堯明 .液壓與氣 壓傳動(dòng) .北京：機(jī)械工業(yè)出版社， [4] 趙大興 .工程制圖 .北京：高等教育出版社， 2021 [5] 張萬奎 .機(jī)床電氣控制技術(shù) .北京：中國林業(yè)出版社，北京大學(xué)出版社， [6] 張福云 .TOX 板件沖壓連接技術(shù) [J] .新技術(shù)新工藝， [7] 徐學(xué)林 .互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ) .長沙 ： 湖南大學(xué)出版社 ， [8] 孟憲源，姜琪 .機(jī)構(gòu)構(gòu)型與應(yīng)用 .北京：機(jī)械工業(yè)出版社， [9] 周開利，鄧春暉 .MATLAB 基礎(chǔ)及應(yīng)用教程 .北京：北京大學(xué)出版社， [10] 龐國星 .工程材料與成形技術(shù)基礎(chǔ) .北京：機(jī)械工業(yè)出版社 電子檔： [11] 成大先 .機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 .單行本 .液壓傳動(dòng) .北京：化學(xué)工業(yè)出版社， [12] 成大先 .機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 .單行本 .液壓控制 .北京：化學(xué)工業(yè)出版社， [13] 成大先 .機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 .單行本 .機(jī)械制圖 .極限與配合 .北京：化學(xué)工業(yè)出版社 [14] 成大先 .機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 .單行本 .聯(lián)接與緊固 .北京：化學(xué)工業(yè)出版社， [15] 林清安 .Pro/ENGNEER Wildfire 零件設(shè)計(jì) .北京：中國鐵道出版社， [16] 三菱電機(jī)自動(dòng)化（上海）有限公司 .FXPLC 綜合樣本 [17] 盧險(xiǎn)峰 .中國模具設(shè)計(jì)大典 第 3 卷 沖壓模具設(shè)計(jì) .南昌：江西科學(xué)技術(shù)出版社 ， [18] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會(huì) .機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 .第五卷 .北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 注：除以上參考資料外還借助網(wǎng)絡(luò)查詢 水上自行車 發(fā)展?fàn)顩r。尤其是半流系數(shù)若是估算出入偏大，那會(huì)影響螺旋槳的“車頭輕重”。4FSaFa YYzKT σ）φ（φ ?? 確定計(jì)算參數(shù) （ 1） 計(jì)算載荷系數(shù) 由表 109查得 KHβ be= 則 KFβ = KHβ be= K=KAKVKFα KFβ = 1 = （ 2） 齒形系數(shù)和應(yīng)力修正系數(shù) 因?yàn)辇X形系數(shù)和應(yīng)力修正系數(shù)按當(dāng)量齒數(shù) cosv zz ??算。 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)說明書 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)簡易圖 水上自行車設(shè)計(jì)說明書 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)。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。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 。 水上自行車設(shè)計(jì)說明書 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)間長了就會(huì)感到疲軟無力；鞍座裝得過高，騎行時(shí)腿部的肌肉拉得過緊，腳趾部分用力過多，雙腳也容易疲勞。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。 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。螺旋槳構(gòu)造簡單、重量輕、效率高，在水線以下而受到保護(hù)。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。推進(jìn)器按作用方式可分為主動(dòng)式和反應(yīng)式兩類。 水上娛樂 設(shè)備在近幾年飛速發(fā)展，而今隨著人們?nèi)找嫔畹男枰?，市場對(duì) 適用 的水上自行車 的需求將越來越迫切。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。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的，它是由兩個(gè)希臘詞根組成的。 水上自行車作為一種創(chuàng)新型 水上娛樂產(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上在 短時(shí)間內(nèi)就能形成一定規(guī)模效應(yīng)。 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 目前市場上應(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。 在日常生活中存在 大量的 水上娛樂設(shè)備 ，如 常見的 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)的水上休閑娛樂設(shè)備 。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，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。以及中國國內(nèi)大量游樂場的建立，像北京正在興建的“龍門陣”，建成后將成為國內(nèi)最大的水上娛樂樂園； 安徽省正在興建的 沿董鋪水庫游樂園 ；已經(jīng)建成的江蘇省的福星游樂園等等 。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。 具體的水下推進(jìn)系統(tǒng)有以下幾種： （ 1） 明輪 蹼輪局部浸沒于水中的推進(jìn)器。其機(jī)械部分裝于船內(nèi)，得到良好保護(hù) 。 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)。 （ 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)。這樣勢必加長車架，影響了正確的坐車姿勢，使人感到臀部痛。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度確定下來，鞍座高度便可大致確定。以內(nèi)坐墊采用透氣、有彈性且不打滑的材料。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。 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 104N4FSaFa 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 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 。一切將重新開始。 最后，再次向本次設(shè)計(jì)中所有關(guān)心、幫助過我的老師和同學(xué)表示衷心的感謝??！ ！ 2021 年 4 月 水上自行車設(shè)計(jì)說明書 湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 43