概念自行车设计说明

产品语义学

课程设计说明书课题名称：未来代步工具设计

学院：机械与动力工程

指导教师：田维飞

班级：

学号：1202024131

姓名：魏卓群

二〇一五年五月二十四日

概述

自行车，又称脚踏车或单车，通常是二轮的小型陆上车辆。人骑上车后，以脚踩踏板为动力，是绿色环保的交通工具。英文bicycle。其中bi意指二，而cycle意指轮，即两轮车。在中国内地、台湾、新加坡，通常称其为“自行车”或“脚踏车”；在港澳则通常称其为“单车”；而在日本称为“自転（转）车”。自行车种类很多，有单人自行车，双人自行车还有多人自行车。

自行车可以作为环保的交通工具用来代步、出行；越来越多的人将自行车作为健身器材用来骑行锻炼、自行车出游；自行车本身也是一项体育竞技运动，有公路自行车赛、山地自行车赛、场地自行车赛、特技自行车比赛等。

1866年清朝派出了第一个出洋考察团，其中19岁少年张德彝在游记里使用到“自行车”一词，于是自行车一词首次出现，并被一直沿用至今。

自行车是传统产业，具有100多年的历史，由于环保以及交通的问题，自行车再度成为世界各国特别是发达国家居民喜爱的交通、健身工具，世界自行车行业的重心正从传统的代步型交通工具向运动型、山地型、休闲型转变，在美、欧、日等发达国家，自行车是一种较普遍的运动、健身、休闲和娱乐性产品。每年全世界自行车需求量巨大，日本CYCLEPRESS的数据统计显示，全世界自行车需求规模保持在1.06亿台的水平，自行车年交易额约为50亿美元。

自行车是人类发明的最成功的一种人力机械之一，它是由许多简单机械组成的复杂机械。清朝康熙年间，黄履庄潜心研制了自行车。

《清朝野史大观》记载：“黄履庄所制双轮小车一辆，长三尺余，可坐一人，不须推挽，能自行。行时，以手挽轴旁曲拐，则复行如初，随住随挽日足行八十里。”由此可见，他制造的自行车，前后各有一个轮子，骑车人手摇轴旁曲拐，车就能前进，这是史料最早记载的自行车。黄履庄以后大约100年，法国人西夫拉克1790年才制成了木制自行车。

构成

系统结构

自行车的车架、轮胎、脚踏、刹车、链条等25个部件中，其基本部件缺一不可。其中，车架是自行车的骨架，它所承受的人和货物的重量最大。按照各部件的工作特点，大致可将其分为导向系统、驱动系统、制动系统：

1.导向系统：由车把、前叉、前轴、前轮等部件组成。乘骑者可

以通过操纵车把来改变行驶方向并保持车身平衡。

2.驱动（传动或行走）系统：由脚蹬、中轴、牙盘、曲柄、链条、

飞轮、后轴、后轮等部件组成。人的脚的蹬力是靠脚蹬通过曲柄，链轮、链条、飞轮、后轴等部件传动的，从而使自行车不断前进。

3.制动系统：它由车闸部件组成、乘骑者可以随时操纵车闸，使行驶的自行车减速、停驶,确保行车安全。

此外，为了安全和美观，以及从实用出发，还装配了车灯，支架，车铃等部件。

组成

车把

前叉合件

自行车前叉

轮圈

车条

前轴

自行车变速系统

车架

鞍座

车闸

轮胎

前拨链器

飞轮

后拨链器

链条

后轴

曲柄链轮

中轴

脚蹬

1、车体部分：包括

车架、前叉、车把、鞍座和前叉合件等，是自行车

的主体。传动部分包括脚蹬、曲柄、链轮、链条、中轴和飞轮等，由人力踩动脚蹬，通过以上传动件带动车轮旋转，驱车前行。

2、行动部分：即前后车轮、包括前后轴部件、辐条、轮辋（车圈）、轮胎等。

3、安全装置：包括制动器（车闸）、车灯、车铃、反射装置等。

根据需要，还可增加一些附件，如支架、衣架、保险叉、挡泥板、气筒等。另外，装有变速机构的运动车、竞赛车、山地车等还装有变速控制器和前后拨链器等。

4、手脚双动力自行车的组成：在传统自行车的车架上增加了一个合金制成的盒子，盒子内包含着各种传动零件，通过力的相互作用，从而实现了手脚双动力，简单的推拉车把动作，从而实现用车把就能让车子前进，不仅省力，还能健身。

部件

1.车架部件是构成自行车的基本结构体，也是自行车的骨架和主体，其他部件也都是直接或间接安装在车架上的。

车架部件的结构形式有很多，但总体可以分为两大类：即男式车架和女式车架。

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，车架便成为承受自行车在行驶中所产生的冲击载荷以及能否舒适、安全地运载人体的重要结构体，车架部件制造精度的优劣，将直接影响乘骑的安全、平稳、和轻快。一般辐条是等径的，为了减轻重力，也有制成两端大、中间小的变径辐条，还有为了减少空气阻力将辐条制成扁流线型。

2.外胎：分软边胎和硬边胎两种。软边胎断面较宽，能全部裹住内胎，着地面积比较大，能适宜多种道路行驶。硬边胎自重轻，着地面积小适宜在平坦的道路上行驶，具有阻力小，行驶轻快等优点。

外胎上的花纹是为了增加与地面的摩擦力。山地自行车的外胎宽度特别宽，花纹较深也是适应越野山地用。

3.脚蹬部件：脚蹬部件装配在中轴部件的左右曲柄上，是一个将平动力转化为转动力的装置，自行车骑行时，脚踏力首先传递给脚蹬部件，然后由脚蹬轴转动曲柄，牙盘，中轴，链条飞轮，使后轮转动，从而使自行车前进。因此脚蹬部件的结构和规格是否合适，将直接影响骑车人的放脚位置是否合适，自行车的驱动能否顺利进行。

脚踏：可分为整体式脚踏和组合式脚踏。无论什么款式的脚踏都必须有脚踏面，必须安全可靠，具有一定的防滑性能，可以选用橡胶、塑料或金属材料制造。脚踏必须转动灵活。

脚蹬

4.前叉部件：前叉部件在自行车结构中处于前方部位，它的上端与车把部件相连，车架部件与前管配合，下端与前轴部件配合，组成自行车的导向系统。

转动车把和前叉，可以使前轮改变方向，起到了自行车的导向作用。此外，还可以起到控制自行车行驶的作用。

前叉部件的受力情况属悬臂梁性质，故前叉部件必须具有足够的强度等性质。

5.链条：链条又称车链、滚子链，安装在连轮和飞轮上。其作用是将脚踏力由曲柄、链轮传递到飞轮和后轮上，带动自行车前进。

链条

链轮：用高强度钢材制成，保证其达到需要的拉力。

6.飞轮：飞轮以内螺纹旋拧固定在后轴的右端，与链轮保持同一平面，并通过链条与链轮相连接，构成自行车的驱动系统。从结构上可分为单级飞轮和多级飞轮两大类。

单级飞轮又称为单链轮片飞轮，主要由外套、平挡和芯子、千斤、千斤簧、垫圈、丝挡几钢球等零件组成。其单级飞轮工作原理：当向前踏动脚踏时，链条带动飞轮向前转动，这时飞轮内齿和千斤相含，飞轮的转动力通过千斤传到芯子，芯子带动后轴和后轮转动，自行车就前进了。

当停止踏动脚踏板时，链条和外套都不旋转，但后轮在惯性作用下仍然带动芯子和千斤向前转动，当反向踏动脚踏时，外套反向转动，会加速千斤的滑动，使“嗒嗒”声响得更急促。多级飞轮是自行车变速装置中的一个重要部件。

多级飞轮是在单级飞轮的基础上，增加几片飞轮片，与中轴上的链轮结合，组成各种不同的传递比，从而改变了自行车的速度。

分类编辑

普通单车

一般指坤车，骑行姿势为弯腿站立式，优点是舒适度较高，长时间骑行不易疲乏。缺点是弯腿姿势不易加速，且普通自行车零件多采用非常普通的零件，也难以达到很高的速度。

公路单车

用来在平滑公路路面上使用的车种，由于平滑路面阻力较小，公路自行车的设计更大考量高速，往往使用可减低风阻的下弯把手，较窄的高气压低阻力外胎，挡位较高，且轮径比一般的登山越野车都大，由于车架和配件不需像山地车一样需要加强，所以往往重量较轻，在公路上骑行时效率很高。由于车架无需加强又往往采用简单高效的菱形设计，公路车是最为优美的自行车。

健身单车

健康、时尚、新概念全新理念设计的健身自行车，最

主要的特点就是手脚双动力，时速可达40km/h；做功方式多、健身效果好。骑行本自行车时，手脚可同时对自行车驱动做功，也可单独用手或脚驱动做功。采用脚拉脚蹬直线式、手拉摆杆摆动式做功方式，既提高了自行车的行驶速度，又锻炼了腿部肌肉、臂部肌肉。获得多项国家专利，适应于中老年人作代步健身的交通工具之用，也可适应于年轻人作旅游娱乐之用。

场地单车

场地自行车

用于在室内极其平滑的椭圆形赛道上使用的自行车，这种自行车没有车闸（刹车用的），没有变速器，且没有可逆转的飞轮。

三项赛/计时赛自行车(Triathlon/Time Trial bicycle)在三项赛和计时赛运动中使用的公路自行车，三项赛和计时赛的最大特点就是不允许使用牵引气流(draft)，也就是说选手必须完全通过自己的力量来克服空气阻力，而不允许骑在其他选手后面，所以三项赛/计时赛自行车在设计时非常注重让选手保持一个减小空气阻力的骑行姿势，同时注意减小自行车自身的空气阻力。三项赛自行车还让选手在骑行时使用和跑步时相近的肌肉组，这样使从骑行到跑步的转换更容易。

山地单车

山地自行车[5]起源于1977年美国旧金山。设计为

山地自行车

骑乘于山区的车种，通常具有变速器可变换省力或快速的档位，有些会在车架安装避震器，部分的轮胎胎皮是巧克力胎纹以便于在无铺自行车面的路面骑乘。山地车零件的尺寸一般为英制单位。车圈为24/26/29英寸，轮胎尺寸一般为1.0-2.5英寸。车架尺寸也以英制为单位，例如14"、17"、19"来表示车架尺寸的大小。详细分为很多类别，我们常见到的一般为xc类。可变速，胎粗抓地力好适合越野，有减震系统减小颠簸。整体强度较大抗冲击能力强。相比普通自行车强力骑行时更不易损坏。

速降单车

速降自行车，也称落山自行车。英文简称DH。是一种极具挑战性的活动。骑手利用特制的DH自行车在山坡上滑翔，甚至坠山来寻求刺激。活动多在山脊、矿洞、雪地等地带开展。奥地利人利用DH创造出210.4KM/H的世界纪录。速降自行车的车架角度与山地自行车有所区别，零件与山地自行车一样都为英制单位。进行此项活时必须佩

戴头动盔、护甲等装备。前叉减震的行程比山地自行车及XC自行车要长。轮胎宽度一般超过2英寸。

儿童单车

儿童单车又称儿童自行车、儿童脚踏车，中国大陆、台湾、新加坡，通常称其为“儿童自行车”或“儿童脚踏车”；在港澳则通常称其为“儿童单车”。儿童单车是童车之中的一大门类，童车包括儿童单车、儿童推车、婴儿学步车、儿童三轮车、等几大大类。

旅行单车

由公路自行车发展而来，适

合超远程自给自足的旅行，有较舒适放松的车架几何设计，能够负重，有很低的最低档位，使用较宽的车胎，配件选择方面追求可靠耐用而不太侧重减轻重量，往往是用山地车脚踏板。为山地演变而来。绝大部分同山地相同但配置较灵活。例如车把可以换成蝴蝶形状的可

以用很多姿势来把减小长时间中的疲劳。前叉也可以装减震或不减震的。车轮可以是700c或者26寸。但刹车一般都为v刹。可以很方便的加装货架，瓦盖，驼包。总之所有的改动都是为了增加耐用性和减小在长途中疲劳感的产生。

死飞单车

死飞车起源于场地

自行车，飞轮是固定的，向前踩车子向前，向后踩则车子向后，后有一些另类的自行车爱好者利用废弃的场地车作为工作交通工具，其在城市可以快速穿行，且价格低廉，同时需要一定的骑行技术。这些特点使得它在英美等国家的自行车爱好者中很快流行开来，并成为一种街头文化。各大自行车品牌也进行跟进，开发及推广死飞车车种，使之在大众中普及开来，成为都市最流行的自行车款式。纯粹的死飞车需要一定的技术，并有危险性，所以这些厂商开发的产品，是死飞和活飞两用的，并装有刹车，以保证安全。

多人单车

又称为协力车，由两人以上协同出力，由第一位控制方向。多用于旅游景点供情侣、家庭、朋友们游玩使用。

折叠单车

折叠单车

是为了便于携带与装进车内而设计的车种，有些地方的铁路及航空等公共交通工具允许旅客随身携带可折叠收合并装袋的自行车。小轮车

又称BMX，分平花，街式，土坡等很多种类每种玩法也不尽相同，另外此图片不是BMX是一款概念化的攀爬自行车。

技术车

技术车一种专门用于极限运动的自行车，这类车为了更适合特技表演而作出了不少改造，比如更轻量化但坚固异常的车身，没有变速器，没有置放架，甚至移去了刹车机制。

动力结构设计

（一）结构的拟定

1.结构分析

根据设计要求，人在与自行车互动的过程中分别有臀部与鞍座接触、手掌与车把接触、脚底板与脚踏板接触，其中脚踏板踩动连扛做旋转运动做功。

影响自行车性能的因素除了上述人的因素外，还有许多机械因素。为了获得自行车较佳的性能，必须把人的因素与机械因素有机地结合起来，以使人一车协调。为此，着重分析与人体相关的结构要素。（1）速比

大小链轮的齿数比，与链轮直径比相一致，一般控制在2.3-4.0的范围内。利用速比关系可取得骑行时所必要的功率和必要的速度。速比要合适，如果太小，无论人的肌力有多大，由于不能充分提高转速，所以就得不到大的输出功率。也由于速比小，在限定的曲柄转速下，得不到必要的骑行速度（后轮转速）。速比过大时，要求的踏力也大，容易使人疲劳。为了保持不疲倦的持续骑行，希望肌肉的负担约为最大肌力的10% ，按此选择速比和曲柄转速，可得到比较好的效果。（2）曲柄长度

传统的自行车设计，一般从杠杆原理考虑比较多，对人研究少，认为曲柄越长越有力。曲柄过长后，为了不使脚蹬碰到前泥板，不得不加大中轴至前轴的距离（前心距）。这样势必加长车架，影响了正确的坐车姿势，使人感到臀部痛。若能按人的身长或下肢长来考虑曲柄长度，则可使人省力和舒适。通常曲柄长度的基准，取人体身长的1／10 ，也相当于大腿骨长的1／2 。4）鞍座位置

鞍座装得过低，骑行时双脚始终呈弯曲状态，腿部肌肉得不到放松，时间长了就会感到疲软无力；鞍座装得过高，骑行时腿部的肌肉拉得过紧，脚趾部分用力过多，双脚也容易疲劳。骑车时适当的用力部位是脚掌。设计或校正鞍座位置高低最常用的方法，是使手臂的腋窝部

位中心紧靠鞍座中部，使手的中指能触到装配链轮的中轴心为宜。人体各部尺寸都有一定的联系，只要腋窝中心至中指的长度确定下来，鞍座高度便可大致确定。行驶较快的车，鞍座位置要向前移动，行驶较慢的车，鞍座位置要向后移动，否则都不利于骑行。（5）脚踏板与地面高度

考虑到踩踏时脚尖易划到船板，故需保持脚踏板与船板的最小高度为一般脚长的1/2。这里取125mm （6）鞍座高度（109%法）

在1967年Hamley 和Thomas提出一个更好方法，他们试验了各种不同的鞍座高度，并且认为理想的鞍座高度的位置是inseam长度的109 ％。（尺处取为0.83m）（7）车座设计

车座后端应根据人体坐骨结间距来确定,根据解剖学中的数据,该宽度应以6～8cm。车座往后倾一定的角度,使背部适当靠后,降低背部肌肉压力;但如果角度太大,会使脊椎受伤。所以为了达到坐姿的最小舒适范围,使前倾角在15°以内坐垫采用透气、有弹性且不打滑的材料。

（本处车座鞍座宽度取8cm，前倾角设计为可调式）。

设计过程

草图部分：