【正文】 進(jìn) 大多數(shù)人長(zhǎng)時(shí)間騎自行車，都會(huì)感到臀部疼痛。一部分原因則是車座的尺寸與人體尺寸不符所致。這樣，身體的壓力使得坐骨結(jié)節(jié)被迫分離的趨勢(shì)過大，由此導(dǎo)致臀部的疼痛感。 ① 車座寬度。 女性骨盆的坐骨結(jié)節(jié)間距約為 23 cm ，男性骨盆坐骨結(jié)節(jié)間距約為 20 cm。 鞍座前端細(xì)部寬度由會(huì)陰加較小余量確定，這個(gè)寬度不可過寬，否則會(huì)對(duì)會(huì)陰產(chǎn)生較大磨 擦。 腳踏式休閑車設(shè)計(jì) –11– 圖 21 靠背示意圖（單位： cm） ② 車座長(zhǎng)度。鞍座總長(zhǎng)不同于一般工作椅的座深，鞍座的總長(zhǎng)只需給騎車者以有限的支承穩(wěn)定性即可，因?yàn)榘白^長(zhǎng)勢(shì)必影響大腿前后擺動(dòng)的靈活性。 50 %的人體大腿厚約為 13 cm，故在座長(zhǎng)度范圍為 22～ 24 cm(余量約取 5. 5 cm)。鞍座后傾一定的角度，一方面可使背部抵靠靠背，獲得支持，從而降低背肌靜壓 。鞍座后傾的角度不可太大，如果太大，身體勢(shì)必前屈作業(yè)，致使脊椎拉直，破壞正常腰椎曲線，形成一種費(fèi)力姿勢(shì)，一般后傾角在 3176。另外，研究還表明，人在騎車時(shí)身體適當(dāng)前傾，人體的迎風(fēng)面積減小，更有利于發(fā)力和加速，如果靠背角為 90176。以內(nèi)，則相當(dāng)于前傾座面與靠背夾角在 105176。 靠背對(duì)于 脊椎部還能起適度的支持作用，肌肉緊張較小，背部壓力在椎骨上分布也較均勻。 腳踏式休閑車設(shè)計(jì) –12– ④ 座墊。鞍座加上座墊，人坐于其上，臀部壓力值大為降低，接觸支承面增大，使壓力分散。過硬又會(huì)導(dǎo)致臀部痛楚或麻木。測(cè)試數(shù)據(jù)表明 :此時(shí)臀部下陷約 18 mm。 （ 2） 靠背的分析與設(shè)計(jì) 長(zhǎng)時(shí)間騎自行車的人感覺腰部最累，這是因?yàn)轵T車時(shí)，人處于一種前屈運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，坐姿屬于非自然姿勢(shì)。而人處于非自然姿勢(shì)時(shí)，椎間盤內(nèi)壓力分布不均衡，故腰部產(chǎn)生酸痛、疲勞等不適感。通常情況下，設(shè)置適當(dāng)?shù)?靠背可使疲勞降低，大于90176。 ① 靠背的高度。 由于成年人腰椎部的中心位置約在座位上方 23～ 26 cm 處，腰椎支點(diǎn)略高于此尺度，腰靠的高度至少要等于腰椎支點(diǎn)的高度，以支持背部重量，所以腰靠的高度在座面上方 26～ 32 cm處為宜。 ② 靠背的寬度。 ③ 靠背的角度。該傾角的作用與座面傾角的作用相同。 靠背不易過重，太重，一方面增加了自行車的重量，另一方面則使自行車的重心后移，人騎車上坡時(shí)，容易引起翻車事故。 （ 3） 車把的分析與改進(jìn) ① 車把的高度。 車把的高度應(yīng)保證騎車者在騎車時(shí)處于自然坐姿或接近自然坐姿，并使頸關(guān)節(jié)、胸關(guān)節(jié)、腰關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)處于舒適的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。 經(jīng)實(shí)踐測(cè)量，當(dāng)車把的寬度接近于騎車者的最大肩寬時(shí)，人能夠自然舒適地握住車把，并能保持長(zhǎng)時(shí)間不易疲勞。 ③ 把手。 從手掌的解剖特征看，掌心部分的肌肉最少，指骨間肌和手指部分是神經(jīng)末稍滿布的部位 。 橄欖形的把手將會(huì)使掌心受壓受振，引起難以治愈的痙攣，也會(huì)引起疲勞和操縱失誤。 圖 22 把手示意圖（單位： cm） 腳踏式休閑車設(shè)計(jì) –14– 圖 22a 的把手形狀不合適，應(yīng)取圖 22b。若太大，則會(huì)減小握力，降低靈活性與作業(yè)速度，并使指端骨彎曲增加，長(zhǎng)時(shí)間操作還會(huì)導(dǎo)致疲勞，比較合適的直徑為 3～ 4 cm ，因此可把車把的直徑定為大端 4 cm 左右，小端 3 cm 左右。 ④ 車閘。 車閘與把手形成一個(gè)角度，此角度的設(shè)計(jì)因素是抓握空間，當(dāng)抓握空間寬度在 ～ cm 時(shí)抓力最大，據(jù)此，可計(jì)算出車閘與把手的交角為 40176。 ⑤ 把手的彎度。 測(cè)試表明，把手與水平位置成 10176。 （ 4） 普通自行車的整體分析與改進(jìn) 人的上體后傾一定角度的坐姿是最接近于腰椎曲度的正常姿勢(shì) ，而目前幾乎所有的自行車都使人的上身前傾，這就是為什么長(zhǎng)時(shí)間騎車者的胳膊和腰感到很疲勞的原因所在。 同時(shí)，因胸部向前傾伏，這勢(shì)必會(huì)增加會(huì)陰與車座前端的磨擦，長(zhǎng)期如此，可導(dǎo)致泌尿生殖系統(tǒng)損傷、充血或發(fā)生局部炎癥。 所以對(duì)于休閑、代步用普通自行車而言，座面傾角可調(diào)整成后傾，這樣前傾式的騎車姿勢(shì)可適當(dāng)后傾一定角度。 表 21 50%的人群在舒適調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的尺寸 身體部位 舒適調(diào)節(jié)范圍內(nèi)角度 /176。坐姿時(shí)自然視線低于水平線 15176。 在模型設(shè)計(jì)中，尺寸方案不合理，后續(xù)的配合零件設(shè)計(jì)就無(wú)法保證。根據(jù)上述要求，參考一些優(yōu)秀設(shè)計(jì)者的尺寸數(shù)據(jù)?？紤]到休閑車的用途范圍及所加工的工件大小，所以這樣一個(gè)類似汽車的構(gòu)架。 隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展 ，日趨完善化的設(shè)計(jì)更強(qiáng)調(diào)人的效能、安全、舒適和身心健康，在設(shè)計(jì)高效機(jī)的同時(shí)，充分考慮人的因素，反映人的需要，把人與機(jī)密切結(jié)合起來(lái)。所以在保證高效的同時(shí)，有必要從人機(jī)工程學(xué)的角度對(duì)其做一些“人性化”的改善。同時(shí)，在國(guó)際GB/T12431997 中規(guī)定了最大和最小齒槽形狀及其極限參數(shù)。 最終成型的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)見 圖 25 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖。 導(dǎo)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 這里制動(dòng)系統(tǒng)所用的零件均可以通過市場(chǎng)外購(gòu)，因此不再贅述。而且在使用者的以后使用中通過練習(xí)，更加可以增加人際切合度，使得騎行更加順暢，大大降低不安全因素。具體 的原理見 圖 26 導(dǎo)向系統(tǒng)圖 。但總的說來(lái)，自行車傳動(dòng)系統(tǒng)中利用鏈條來(lái)傳動(dòng)是利大于弊的。 鏈條鉸鏈磨損：導(dǎo)致這種磨損的主要原因是因?yàn)殒湕l的總長(zhǎng)伸長(zhǎng)，從兒使鏈條的垂度增加，增大動(dòng)載荷，發(fā)生振動(dòng)，引起跳齒，加大噪音以及其它破壞。 鏈條的靜強(qiáng)度破壞：低速重載的鏈條過載時(shí)，易發(fā)生靜強(qiáng)度不足而破壞。 參數(shù)為 節(jié)距 P=，內(nèi)鏈節(jié)內(nèi)寬 b1≤ ，內(nèi)鏈節(jié)內(nèi)寬 b1≥ ，排距pt=，抗拉載荷為 。 腳踏式休閑車設(shè)計(jì) –21– 3 休閑車各部分的選材及質(zhì)量評(píng)估 常用材料及特點(diǎn) 材料是實(shí)現(xiàn)休閑車設(shè)計(jì)的物質(zhì)基礎(chǔ)，離開了材料及輔助材料的材性與工藝，其設(shè)計(jì)只能是一種抽象存在 ，無(wú)法體現(xiàn)其存在的意義和價(jià)值。其中鋼制的車架最便宜，不過重量也最重，表面的油漆脫落后便有生銹的危險(xiǎn)，所以平時(shí)在保養(yǎng)上要下功夫。表面拋光后整臺(tái)車呈現(xiàn)銀白色，很好看。鈦合金不但重量輕，不生銹，強(qiáng)度高，材料特性最佳，不過原料昂貴， 加工困難。鐵制車架的最大特征是可在各種成份，各種粗細(xì)厚薄的鐵管中，任意選擇所需要的鐵管進(jìn)行加快。它的最大的缺點(diǎn)是比起其它的素材重 (過去 )。 （ 2） 鋁合金 (A1MgSi， Al— Zn— Mg 一 (Cu)) 用鋁合金制作的車架。但是從『輕』來(lái)說，當(dāng)前與鐵素材比較相差并不大。雖然經(jīng)過多次改進(jìn)，但是始終克服不了楊氏彈性模量低的缺點(diǎn)。鋁合金是純鋁中加入 Mg， zn，si， cu 等金屬的合金。 鋁合金車架的優(yōu)點(diǎn) ： ① 可以制作重量輕的車架鋁的比重輕但不夠 硬，為了增強(qiáng)強(qiáng)度把它制成合金并施予熱處理。在某種高溫下進(jìn)行熱處理時(shí)，會(huì)引起時(shí)效析出，若沒有經(jīng)過這個(gè)程序的車架，也會(huì)引起常溫時(shí)效。 腳踏式休閑車設(shè)計(jì) –22– ② 長(zhǎng)時(shí)問使用外觀不怎么變化 。該氧化膜幾乎是無(wú)色因此外觀上不容易發(fā)現(xiàn)變化 (有時(shí)會(huì)發(fā)白 )。因此采用粗的管道，或者改變形狀如 cross— over管、 padded 管等。 （ 3） 鈦、鈦合金 (Ti， Ti— A— V) 美國(guó)在 60 年代首次使用鈦合金來(lái)制作白行車車架。早期的鈦合金車架，作為比賽用車，剛性不足，其車架不適合于長(zhǎng)距離賽車。只是由于合金的制作成本高，價(jià)格才較貴。在鈦金屬中添加鋁和釩，彈性更高 (和鋁比較 )，也有利于設(shè)計(jì)。但是它有另一種腐蝕現(xiàn)象即異種金屬腐蝕 鈦合金車架的缺點(diǎn) ： 價(jià)格高。再有溶接加工極為困難，因?yàn)殁伜脱醯挠H和力極強(qiáng)，和空氣接觸后馬上變成二氧化鈦，而二氧化鈦硬而脆，該部分的強(qiáng)度會(huì)不斷下降。通常所說的 Tig 焊接是： (Tig：鎢、惰性氣體的略語(yǔ) )用鎢電極及氬氣體進(jìn)行弧焊接。由于以上原因鈦車架價(jià)格很貴。非常輕，但它是具有方向性的材料 (拉伸強(qiáng)但容易斷 )，因此采用把薄料層層重疊的方法來(lái)解決缺點(diǎn)。 碳纖維車架的優(yōu)點(diǎn) ： ① 可以制作重量輕的車架 碳纖維車架是把碳纖維對(duì)著發(fā)生應(yīng)力的方向?qū)訉盈B而得到強(qiáng)度。 腳踏式休閑車設(shè)計(jì) –23– ② 沖擊吸收性好 碳纖維用來(lái)制作殘疾者運(yùn)動(dòng)時(shí)用的假腿，或者特殊的彈簧等被用在各領(lǐng)域。但 是各個(gè)廠家之間的品質(zhì)差異較大，有的很硬，因此這種車架乘騎后才能知道好或者不好。加工技術(shù)各廠家各異，應(yīng)選擇有經(jīng)驗(yàn)可靠廠家的是很重要的。當(dāng)然這種現(xiàn)象關(guān)系到廠家的技術(shù)。 （ 5） 鎂合金 鎂的比重很輕 ()，約鐵的 1/5，鈦的 2/5， 鋁的 2/3。它廣泛用在各種領(lǐng)域里，如照相器及電腦的外框、車輛的車圈等配件。 鎂合金車架的優(yōu)點(diǎn) ： ① 可以制造重量輕的車架 它比鋁密度低，可以制造輕的車架。 ② 加工性好 鎂制車架加工不會(huì)差。和鈦比較起來(lái)加工性好。但是這方面的資料當(dāng)前還很少，耐腐蝕性好到何種程度難于判斷。有些人曾經(jīng)使用過鎂合金制用具，如摩托車的曲柄套等、他們說：雖然用了很久，但是很好，不會(huì)象鋁般發(fā)白。鈦合金制的上述各種性能都不是最好的，但是為什么對(duì)它感興趣呢 ? 因?yàn)樗怯星巴镜慕饘?。使用適正厚度的管道時(shí)重量是會(huì)增加，但是不容易引起金屬疲勞，這種車能帶給車手極佳的騎感。 （ 2） 休閑車用鋁管，當(dāng)前的設(shè)計(jì)方針很危險(xiǎn)，鋁是沒有疲勞極限，為了降低應(yīng)力應(yīng)該增加厚度。從外觀來(lái)看這些制品使人引起很不錯(cuò)的錯(cuò)覺，但是疲勞壽命將是如何呢 ? 鋁管的薄壁程度已經(jīng)到了極限，不可能再薄下去。若用鋁制休閑車來(lái)練 習(xí)，一定會(huì)感覺到性能的降低顯著。當(dāng)前尚存在各種問題。另外，鈦不需要涂漆，可減少這部分的重量 (20～409)。 連接件分析校核 調(diào)節(jié)螺栓設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核： 設(shè)計(jì)條件：調(diào)節(jié)螺栓的作用：通過旋進(jìn)或旋出改變緊繩螺 栓之間的松緊程度。 因?yàn)樵撀菟▋H受到導(dǎo)彈簧的拉力，方向近似為軸向，初步取 d=M5，公稱長(zhǎng)度根據(jù)ＢＭ來(lái)定，取 l=12mm,材料選用４５鋼，性能等級(jí)為３３級(jí)，表面處理為鍍鋅鈍化。 螺母的選用： 根據(jù) d=M5,選用Ⅰ型六角螺母 C 級(jí)（ GB4186） 參數(shù)為： dw =7 e= m=5 s=8 標(biāo)記：螺紋規(guī)格 D=M5 性能等級(jí)為 45 級(jí)，表面鍍鋅鈍化 C 級(jí)的Ⅰ型六角螺母，GB4186 M5，螺紋公差 7H。它由滾動(dòng)時(shí)輪胎斷面產(chǎn)生變形、胎面與路面之間相對(duì)滑動(dòng)、路面變形、由于路面不平而引起的振蕩損失等 因素組成?？諝庾枇τ赡ゲ磷枇蛪毫ψ枇?gòu)成，磨擦阻力是空氣對(duì)車和人體表面的磨擦作用造成的阻力。構(gòu)成磨擦阻力的因素與車和人的表面平整、光滑度和外形大小有關(guān)，此外還與揮腳踏式休閑車設(shè)計(jì) –26– 動(dòng)腳蹬時(shí)的空氣阻力和車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的空氣阻力有關(guān)。 （ 3） 內(nèi)部阻力 騎車人驅(qū)動(dòng)中軸轉(zhuǎn)動(dòng)所做的功，在轉(zhuǎn)換成為有效的后輪推力過程，把動(dòng)力傳遞中所浪費(fèi)的部分稱內(nèi)部阻力。厘米 )為 :若前后軸 :，則中軸 :，鏈輪和鏈條 :，飛輪和鏈條 :。 ② 鏈傳動(dòng)的效率 :軸皮轉(zhuǎn)動(dòng)、鏈輪、飛輪和鏈條的嚙合，產(chǎn)生的摩擦阻力并不大。不單是能量的損失，隨著車架的抖動(dòng)促成車輪安裝精度的破壞而增大滑角，從而引起滾動(dòng)阻力的增加。抖動(dòng)的能量損失很大，一般占內(nèi)部阻力的 10%左右。外變速或變速器的鏈條中心線是偏斜的，但傳動(dòng)效率的降低也很小。為了騎行舒適，車架、前叉、鞍座的彈性要好，但設(shè)計(jì)時(shí)也要考慮保持其合理的剛性，以充分發(fā)揮騎車人輸出功率的實(shí)際效能。 腳踏式休閑車設(shè)計(jì) –27– 4 最終設(shè)計(jì)尺寸及 3D模型的完成 軸、鏈、輪及標(biāo)準(zhǔn)件的校核裝配 由于 SolidWorks2021 三維設(shè)計(jì)軟件無(wú)可 比擬的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過反復(fù)的修改最終確定了圖41。而且設(shè)計(jì)借鑒了其他此類四輪休閑車的尺寸設(shè)計(jì)，所以省卻了很多強(qiáng)度、應(yīng)力以及疲勞強(qiáng)度的校核。但是由于最后經(jīng)過溝通準(zhǔn)備使用型材，所以草圖中的那種較大的管子粗細(xì)變化過渡在較短的時(shí)間內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)。 首先，因?yàn)槲沂褂玫氖?SolidWorks2021 建模的，而工程為了進(jìn)行打樣，往往需要做出工程圖或者 Auto CAD 2021 進(jìn)行改制，重新繪制工程圖面，并且在圖面上給出具體的標(biāo)注。而且在后輪與鞍座的位置之間留出了可安裝載貨架或菜籃的位置，改變了傳統(tǒng)菜籃只安裝于車把前的方式，避免了前置菜籃因載貨過重而加重車把負(fù)擔(dān)的缺陷。本次設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要目的是對(duì)上述提出人性化理論在現(xiàn)有的科技范圍內(nèi)進(jìn)行一定的詮釋。這是我們都希望看到的 ， 也正是我們進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的所在。 從不知道畢業(yè)設(shè)計(jì)怎么寫，到順利如期的完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，這給了我很大的信心，讓我了解專業(yè)知識(shí)的同時(shí)也對(duì)本專業(yè)的發(fā)展前景充滿信心。比如我的設(shè)計(jì)在經(jīng)濟(jì)節(jié)約上就有很大的不足，在這個(gè)優(yōu)化 、 節(jié)約被高度重視的社會(huì)中，這無(wú)疑是很讓我自身感到遺憾的， 在今后的設(shè)計(jì)道路中，我將更 加注意優(yōu)化選材，爭(zhēng)取達(dá)到更高的性價(jià)比，使設(shè)計(jì)不斷完善，趨于完美。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，于院長(zhǎng)始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。 這才有了最終的設(shè)計(jì)模型。 在論文即將完成之際，我的心情無(wú)法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無(wú)言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意 !