折叠式自行车的毕业设计
摘要
在现今社会中，生活节奏越来越快，交通状况越来越差，污染与能源消耗越来越严重，自行车作为一种包含了交通代步、锻炼身体、旅游、比赛以及少量货物运送的工具，越来越受到人们的青睐。在中国，贫富差距相差悬殊，道路建设不够完善，而自行车价格相对便宜，存放与使用方便，维修保养也非常的简单。因此，自行车在某些地区还是相当普遍的代步工具。而更多的是，对于人们更加关注理性消费和健康问题的今天，大众对自行车的热度也毫不逊色于国外，人们环保意识的增强以及全民健身的推广，使得自行车再次回到人们的视野，而且只有顺应这种趋势，才能更好地满足人们的需求。
世界人口已到达70多亿，人口越来越密集，人类可以使用的空间越来越少，所以提倡空间的合理利用成为一种无言的口号，人们都在想方设法地节省空间，把现有空间合理利用。折叠式自行车就是人们对这一主题的很好反映之一。相对于原始的自行车，折叠式自行车在外形上的改良成为消费者的一大吸引力。除此之外，在更适合现今人们对生活的要求（方便携带，使用简单，骑乘舒适灵活等方面，使折叠自行车越来越成为人们购买自行车时得一大选择，市场竞争力也随之增长。因此设计出一种顺应时代的发展的折叠自行车将成为设计者的又一挑战。要设计好一款好的折叠自行车就要很好的分析各种现存的结构，在结合其他所有现存的东西来寻求能够使体积缩小的结构与折叠方式，同时，还要寻找一种适合于设计的方案的材料，从而能够设计出一台具有划时代意义的折叠自行车。
关键词：折叠式自行车；车身重量；车身体积；材料强度
目录
1、绪论 (2)
1.1自行车的背景与需求 (2)
1.2折叠式自行车的优点 (2)
2、折叠式自行车设计方案的确定 (2)
2.1创新来源 (2)
2.2主要技术要求 (3)
2.3设计过程 (3)
2.4确定设计纲要 (4)
2.5确定折叠方式 (4)
2.6确定传动机构 (5)
3、结构设计 (5)
3.1设计中的不同点 (5)
3.2车身设计 (7)
4、设计的改进 (9)
4.1车头把手 (9)
4.2齿轮箱 (9)
4.3脚踏板的位置安排 (9)
5、最终方案 (9)
5.1车的折叠过程 (9)
5.2 关节机构 (11)
5.2.1车头把手机构 (11)
5.2.2前身下部结构 (12)
5.2.3车身与鞍座结构 (12)
5.2.4传动机构 (13)
6、强度校核 (14)
6.1应力计算 (14)
6.2弯矩计算 (15)
总结 (17)
致谢 (18)
参考文献 (19)
1、绪论
1.1自行车的背景与需求
自行车发明至今已有220多年的历史。今天，自行车作为交通代步、锻炼身体、运动比赛以及少量货物运送工具，已经遍及到世界各地的每个角落。由于自行车是依靠人体自身的驱动力和骑车技能而行驶的，因此控制灵活方便，能迅速地对驾驶者的操作做出反应，速度直接由人脚部运动直接控制，虽然原始，但更贴近人们的生活。
根据近几年来得研究表明，骑自行车和跑步、游泳一样，是一种非常有效的健身方法和最能改善人们心肺功能的耐力性锻炼。骑自行车还能够减少空气污染与噪声污染，保护了人们赖以生存的环境。
自行车锻炼的好处是不限时间，不限速度，不限地点。骑自行车不但可以减肥，而且还可以使身材均匀，达到健美的效果。由于自行车运动是需要大量氧气的运动，所以还可以强化心脏功能。同还能防止高血压，有时比药物更有效。踩自行车压缩血管，使得血液循环加速，大脑摄入更多的氧气，再加入吸入大量新鲜空气，会觉得脑筋更清楚。骑在车上你会感觉十分自由且畅快无比，它不再只是一种代步工具，更是愉悦心灵的方式。
由此看出，骑自行车好处多多，健康多多，何乐而不为呢！
1.2折叠式自行车的优点
1.
可乘骑。
2.灵活携带：折叠后其体积不到普通自行车的五分之一，体积小，重量轻，提着它上下楼就跟玩是的一口气能上十几楼、上下电梯、乘坐公交车和地铁都十分方便。
3.快速折叠:折叠与打开时均无需工具，整个过程只需抽根烟的时间。
4.防止丢失：折叠后随身携带或存在商场物品存放处保证万无一失。
5.保持时尚：折叠车外形靓丽，做工精美，绝对是时尚一族的顶级装备。
6.健身环保：骑折叠自行车不仅是最好的有氧运动之一，也是身体力行的环保途径之一。
2、折叠式自行车设计方案的确定
2.1创新来源
1.本设计主要在现有的折叠式自行车的基础上作出修改与创新。现有的折叠式自行车折叠后的体积都比较大，所以要首先在合理的构造的前提下思考如何在减少折叠后的体积这一点上下手，不只是简单的的直线伸缩，还利用各种的机构，在传统自行车的基础上去掉了后座，这样子就能够更加扩大节省材料和体积的可能性，为我们的创新设计创造出更大的思维空间。本设计在结构上做了很大程度上的改进，外形上有了很大的突破。折叠后比以往的设计体积更小，折叠方式更方便，重量更轻。
2.有些折叠自行车虽然体积是变小了，车的齿轮的传动比太少，只有一级传动，骑上去后脚即使把脚踏板踩得飞快，相比于普通自行车的车速依然显得非常逊色，因此就要思考一下可以用什么方法来解决这一问题。参考了牙箱的传动机构，就想到在传动上不是仅仅只能局限在一级传动上，所以齿轮就在普遍的链条与齿轮的一级传动改成了链条与齿轮的二级传动，以此来增加脚踏板的转动轴与车轮的传动比，是人能够在不用用力踩就能得到一定的车速，达到悠闲地行驶的效果。
3.最普遍的折叠方式是车头与车座位置的伸缩和单纯的把折叠自行车从中间折叠一半，也并不能缩小多少的体积，还是大大的一台在那里。现今已存在的折叠扇就是折叠机构中很成功的例子，因此可以把折叠扇的折叠方式借鉴灵活的运用到折叠自行车上面去。把伸缩与旋转折叠的方式相结合，这样就可以做到更大限度的节省空间。
2.2主要技术要求
1.采用现代设计方法完成各部分设计；
2.使用该设备能实现展开后安全行使，折叠后便于携带等功能，
3.要求总体结构尺寸最小化，关键零部件强度、刚度足够；
4.动作安全可靠，工作时运动平稳；
5.整体结构布局优化。
6.主要技术参数
最大展开尺寸：1284.67x550x1180.76
传动比：脚踏一圈与车轮转动圈数之比，1:4
最小折叠尺寸：750x450x800
最大承重：110kg
最高时速：40km/h
设计重量：7.5kg
刹车线：1.5MM不锈钢（固定螺钉设计，取消圆孔下部的螺纹，不锈钢材料。强度增加一倍）。
车轮直径：210mm
行程：643.7mm
2.3设计过程
通过观察市场上的折叠自行车，在一般的折叠自行车设计中发现其中存在的问题有：折叠之后占用空间大和车身重量比较重，这样设计只是在名义上做到折叠，实际折叠之后占用的空间减小量较小，自行车车的重量却与非折叠式自行车的重量相差无几，有的设计选用的材料强度好但比较稀有加上零部件采用非标准件，价格较高便不是一般人所能接受的，有些折叠自行车虽然结构精巧，但是，由于传动部件也随车身的要求而缩小，传动比小，给使用者带来很大的麻烦。所以此类设计只达到美观以及方便运输的目的，而没有达到大众化且携带方便使用轻松的目的。针对这些问题，我们找到目前折
叠自行车设计中的可以改善的空间。
2.4确定设计纲要
整理已找到的问题及可改善的机会，建立对折叠自行车设计的纲要。
车身材料采用较常见的自行车材料
车身采用普通的Q235钢，整台自行车的价格尽量控制在平民能接受的范围，车的零部件采用普通的标准件避免使用过程中自行车出问题时需更换专用零件遇到的麻烦，维修简单。
结构尽量简单
使用简单的结构，一方面可以简化制造加工及装配流程，减少生产成本，另一方面可以方便使用者自行装拆自行车。
车身占用空间小
无论在运输还是外出旅行，车身占用的空间越小，给人带来的便利也就越大，也能更好的减少自行车制造的成本。
要使自行车车身占用空间小的话，车轮小尺寸是关键，但车轮小又要满足使用者不费大力气达到普通自行车的速度，就必须考虑到用大传动比，小结构的折叠自行车用两个齿轮传动是不能达到大的传动比，综合考虑之后，采用二级齿轮传动来加大小空间使用的传动比。
搜集资料阶段，能接触的资源有：网络资源；图书资料；现有的自行车；及对自行车有点研究的朋友或维修店师傅。
经过搜索，发现市场上折叠自行车的结构基本采用平行四边形，折叠的形式是两个三角形合并，这种折叠方式需要空间比较大，达不到小空间要求。另一种结构是采用雨伞式折叠结构，折叠之后就像收雨伞的效果，占用空间小。还有一种折叠方式像多功能小刀的折叠方式，但是这样结构强度方面较差。
整理多个方案之后，选用雨伞式折叠结构的设计，即A-Bike公司的设计，这种结构简单，占用空间小，这种结构的设计正是本次设计的目的。
综上，我们选用的设计方案是：总体结构是雨伞式折叠结构，车身材料主要用Q235钢，零部件采用通用标准件，直径210mm左右的小车轮，传动齿轮采用二级传动。
整理设计方案，计算修改各部件强度及尺寸，设计飞轮及齿轮的齿数和直径，定车轮的直径，和进一步设计折叠机构。
手绘各个部件及自行车总体的草图，对部分机构进行修改，用CAD、UG软件绘制出自行车的零件图及装配图。
2.5确定折叠方式
为了使折叠自行车能够实现展开后安全正常行驶，折叠后便于携带等功能；总体结构尺寸最小化，关键零部件刚度、强度足够；动作安全可靠，工作时运动平稳；整个结构布局优化，结合各种折叠自行车方案实力，结合实际生活经验，最终确定了如图2-1所示的总体结构。
图2-1
2.6确定传动机构
目前，国内外普遍采用一级传动，速度略逊于普通自行车，所以为了增大传动比，可以采用二级传动或三级传动来增大传动比来提高速度。但由于三级传动结构过于复杂，所占空间较大，影响折叠后的尺寸，同时也加大了自行车自身的重量，最关键的是传动比过大所需的力就较大，在骑行时就可能把休闲代步变成一种超大负荷的运动。为了改变这种缺陷，最后还是采用二级传动，这样不仅减小自行车折叠后的尺寸、总重量和骑行是所需的力，同时也使结构变得更加简单、合理。
3、结构设计
3.1设计中的不同点
设计出一款质量轻、尺寸小、可折叠、携带方便的自行车，车体部分设计是能否设计出一款小巧折叠自行车的关键。目前市场上出现得最多的折叠自行车是将两个轮相互叠并的折叠方式，虽然对折了差不多一半，但是还占了较大的空间，而且在结构上也相对简单，一般只需一两个关节折就行了，当然在成本上也是比较的便宜。可折叠自行车不仅要考虑成本，还要考虑每条连接杆的杆身的受力到每个关节处的受力是否满足强度或者其他要求，也即是对结构的要求会更高，各大部件主要有动力接受部件、支撑部件、工作部件，还有传动部件。
动力接受部件主要是脚蹬和曲柄。动力靠的是骑车人的双脚踩在脚蹬上用力，下肢运动的力使曲柄转动而产生动力。为了使人省力和舒适感，必须在骑自行车人的体格和体力与自行车元件的尺寸关系上下多做一些功夫，即研究人体下肢肌肉的收缩运动与曲柄转动之间的能量转换。
支撑部件主要有车架、鞍座、前叉和车把等，是自行车的整体构架。支撑部分将其它零部件固定在相应的位置上，保证自行车的整体性，实现自行车的功能。从人机关系来看，鞍座、车架和车把等的位置和大小，以及它们间的相互关系，与骑车人的位置和肌肉的动作有着紧密的联系。
工作部件就是车轮，即轮胎、车圈等。绝大部分轮胎是充气的，少数是实心的，在本设计中由于车轮比较小，因此采用实心轮胎。车轮一方面把骑车人体肌肉力量有效地转换为同地面接触而向前运动的力；另一方面将骑车人的握力转换为与接地部分所产生
的刹车阻力。在设计自行车的各部分尺寸、车闸等时，应该着眼于骑车人--动力--传动--工作的连贯性，才可能设计出同骑车人手的大小或握力相适应的闸把、刹车力适当的车闸，才不会发生刹车阻力不够而造成失误的现象。
传动部件主要是轴承、链轮和链条。人的作用力是通过链条和链轮传动而带动后轮转动的。传动部分的设计关键是要有较高的传动效率和可靠性，且有易操纵的机构。保证较高的传动效率，才能使人用一定的肌力而获得较大的输出功率。
如图3—1所示，一辆整车由三百多种、一千四百多个零部件组成。这里把它们归纳为20个基本部件和18个配件。自行车的基本部件包括：车把部件、前叉部件、轮轴部件、飞轮部件、车轮部件、泥板部件、车闸部件、链条部件、脚蹬部件、中轴部件、车架部件、鞍座部件。在这些部件中，由车把、前叉、前轴、前轮等部件组成导向系统；由脚蹬、飞轮、后轴、中轴、链条、后轮等部件组成驱动系统；车把和车闸组成制动系统。
图3—1
以上这部车即是由中间折叠的典型结构，而且还是变速式可折叠自行车，大体看来除了可折叠外跟其他普通自行车没太大区别，其缺点就是折叠之后并没有出现全新的功能，并且折叠之后占用的空间大，所以随身携带不太方便。所以此次设计的可折叠自行车就是为了解决这个问题，如图3-2所示，它既有折叠又有伸缩结构，共有三步，首先是车身前后对折，然后是车头与鞍座向下收缩，再就是车头向后旋转，与鞍座向下折叠。该设计源自于A-bike的设计风格，真正的A-bike分四步折叠，它还有最后一步是将把手跟踏板再向下折叠一下。从图看，结构上比较简洁，只有几个部分而已，一是车头，二是车身构架，三是脚踏部分，四是鞍座，五是齿轮传动部分，六是车轮结构，七是刹车结构。
图3-2 3.2车身设计
图3-3
图3-4
图3-5
图3-6
图3-7
图3-8
图3-9
图3-10
4、设计的改进
4.1车头把手
为了保证车头把手的强度，骑车者的安全，把手两端我们设计中采用伸缩式结构，加大把手的径向负载能力。
改进的方法：在保证把手强度的前提下，利用折叠式结构使把手两端可以折叠减小空间，从而能够保证强度又能减少折叠空间。
4.2齿轮箱
因为车身小，需要有较小的车轮，节省折叠后的占用空间。正因为车轮比较小，需要比较大的传动比才能保证骑车者不费太多的力气，加上后轮的飞轮比较大，导致传动齿轮直径很大，所以需要的齿轮箱太大，占位置。
改进的方法：相应减小飞轮、大传动齿轮、车轮的直径，保证原先传动比的前提下减小了齿轮箱所占用空间。
4.3脚踏板的位置安排
由于两个车轮之间的距离不能太小，否则会减少骑车者的舒适感，由车的高度所决定的，此设计后支撑柱的倾斜角度较大，加上要保证坐垫的高度，从而使坐垫放置比较前，所以脚踏板的位置也随着后置。
改进的方法：加长坐垫的支撑柱，将坐垫的支撑支点往后移，也可以加长后支撑柱，减少后支撑柱的倾斜角度，尽量将坐垫后置，可以达到脚踏板前置的目的。
5、最终方案
5.1车的折叠过程
如图5-1所示自行车各折叠部位，图中共有四个折叠部位：