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多功能折叠电动自行车创新设计研究
专业综合实践（报告）
题 目：
多功能折叠电动自行车创新设计研究
作 者：
二级学院：
机械工程学院
专业班级：
指导教师：
职 称：
2019年1月8日
多功能折叠电动自行车创新设计研究
摘要
在众多的交通工具中，无论科技如何创新技术如何进步，自行车这一传统的交通工具，从问世以来就从未被淘汰，尤其作为短途的交通工具是不可替代的。
随着交通工具种类的增多，人们的选择增多，于是交通就出现了各式各样的问题:
交通堵塞、交通工具超负荷、汽车废气污染增多、车辆停放空间不足、自行车停车场更是少，造成了自行车容易乱停乱放并且加重了丢失现象。
所以一款健康环保、便于携带并且可以保证出行效率的出行工具折叠电动自行车显得尤为重要。
本课题基于环保理念出发通过对折叠电动自行车产品功能进行系统性研究，从折叠方式以及操作流程以及相关联产品的结构分析改进，携带和收纳场景的形态考量，动力部分的科技创新探索，用户骑行的舒适度等角度出发，通过人机工程和设计心理学相关理论，改进折叠方式和电动功能的设计，建构一个能改善更多人生活以及交通环境的健康环保的新型折叠电动自行车。
关键词：
健康环保，折叠方式，动力创新，生活状态，人机交互
2.2折叠电动自行车的功能研究............................................................................................5
2.2.1折叠电动自行车的电池组位置设计及外观分析5
2.2.2折叠电动自行车的折叠方式设计分析......................................................................6
2.2.3常见的基本折扭结构的分类......................................................................................8
2.2.4折叠电动自行车的传动装置......................................................................................8
2.3折叠电动自行车的材料..................................................................................................11
2.4折叠电动自行车的设计案例..........................................................................................11
3.5本章小结.........................................................................................................................19
第一章绪论
1.1课题研究背景
经济社会的发展和人类文明的提高也伴随着交通拥挤问题的出现，并成为我国乃至全球都最难以根治的慢性疾病。
交通拥堵不仅造成了居民生活的困扰，还降低了整个社会的工作效率。
问题的显现逐渐成为焦点，人们健康环保意识随之增强，开始呼吁并践行低碳交通。
于是以电动力为主的电动自行车开始成为中短距离交通的主流，逐步占据了市场。
相对于汽车和公共交通工具，电动自行车的灵活轻便和低碳环保使其越受欢迎，使用率逐年增高。
然而由于城市化进程的加快加之我国人口密度大的问题，车辆的停放成为一大难题，尤其对于自行车、电动自行车这一类短途交通工具的停车产所严重医乏。
导致乱停乱放的现象比比皆是，不仅对交通造成影响也导致偷盗现象开始猖撅，这一矛盾的恶化，使得折叠电动自行车这一轻便好携带的新兴产物应运而生，更加满足了轻、便、简、捷的理念要求，实现了电动自行车质的跨越。
因此设计个性化、功能综合化、自重轻量化、操纵方便化的可折叠电动自行车就显得十分有必要。
从自行车出现开始人们就在不断地设计出更小更轻便占用空间更少的自行车，于是出现了折叠自行车，为了保证出行速度等需求出现了电动车，为了停放空间问题以及安全问题出现了折叠电动自行车，随着人们的需求，自行车一直在不断地变化着。
当前在发达尤其是欧美折叠电动自行车应用很普遍，差不多每家每户配备折叠电动自行车用于应急或者休闲出游等。
当然在英国、荷兰、德国这种有着很完整的地铁交通系统的，折叠电动自行车也是很普遍的。
所以根据上述调查发现，我国这种正处在高速发展的，折叠电动自行车这一新兴产业必将带来更多的市场。
1.2研究目的及意义
交通拥堵问题随着经济社会的发展和人们生活水平的提高，成为了当今世界乃至全球各大中小城市所面临的一个无法缓解的眼中问题，即使出现时间很久并且每天都在上演确实当前无法调控的具有现实意义的问题。
并且交通拥堵问题不仅仅是经济成本的问题，还对环境造成了双重影响，社会的发展需要经济的推动，然而经济的前进也需要环境资源的保障，于是交通拥堵问题成为了全球的焦点，人们的环保和发展意识不断加强，于是折叠电动自行车这一环保健康的交通出行工具越发受到关注。
在目前的折叠电动自行车市场中，琳琅满目有各式各样的种类，但是市场上现有的折叠电动自行车大多存在许多不尽如人意的地方，同时在生活水平不断提高的情况下，国居民对于折叠电动自行车提出更好的要求。
所以设计一款符合中国国情并且适合该类特定人群使用的折叠电动自行车迫在眉睫。
1.3实践主要容
本次设计实践的主要任务是对现有折叠电动自行车的创新设计研究。
主要进行折叠电动自行车总体布局设计、技术参数设计。
其最终目的在于保证新型折叠电动自行车的工作性能，降低新型折叠电动自行车的研发成本。
通过数控仿真等技术的实际应用，提高学生的实际操作能力，从而为将来的发展打下基础。
第二章折叠电动自行车的概述
2.1折叠电动自行车的结构
折叠电动自行车的结构研究思路可以从自行车结构先入手分析，然后增加折叠和电动方面的结构分析研究。
图2.1折叠自行车结构
1.导向系统:
用来控制行驶方向的部分，由车把、前叉、前轴、前轮等部件组成。
2.驱动（传动或行走）系统:
使自行车前进的部分，由脚蹬、中轴、牙盘、曲柄、链条、飞轮、后轴、后轮等多种部件。
除此之外，曲柄的运用，加上链轮、链条、飞轮等多种部件让自行车脚蹬的力能够顺利传动起来。
3.制动系统:
控制自行车速度的部分，它由车闸部件组成。
4.车体部分:
属于自行车的骨架，包括车架、前叉、车把、鞍座和前叉合件等。
5.行动部分:
指的是前后车轮。
具体包含有自行车前后轴部件、辐条、车圈以及轮胎。
6.安全装置:
主要含有自行车制动器、车灯、车铃和反射设备等。
根据实际情况，还能够添加支架、挡泥板、气筒等多种附件，同时，一些配备有变速置的运动车还安装上变速控制器、前后拨链器等多个零部件。
图2.2自行车的物理学
7.折叠车关节:
图2.3折叠关节
折叠关节是折叠车上最关键的部位，它承受来自各个方面的压力，所以它一定要非常坚固，同时又要操作简便，外观有艺术美感、
8.动力部分
电动就是是以电池作为能量驱动电力，然后通过控制器、电机等部件，将电能转化为机械能使轮子转动，通过控制电流大小来改变速度。
总体结构主要是:
电机，控制器，电池，充电器。
图2.4电动驱动原理
充电器，可以当做是为电池补充能量的设备。
通常都是先经过恒压充电，使得充电的电流随着电池电压的升高而逐渐降低，电池电压会上升到充电器的设定值。
控制器是核心能量调速部分，也是能量管理的核心，当前的智能控制器可以对组件自测试。
电机是将电池电能转换为机械能，驱动电动车轮进行旋转的零件。
一般较为常见的包括了刷有齿轮毅电机、有刷无齿轮毅电机、无刷有齿轮毅电机、侧挂电机等多种类型。
2.2折叠电动自行车的功能研究
2.2.1折叠电动自行车的电池组位置设计及外观分析
研究电池组的位置对于是后续设计的基础，电池组的位置设计和外形受到工业技术发展和设计趋势方向的影响。
电池组的位置设计需要根据人机工程学以及环境和技术来进行。
以下是相关位置的分类:
1.中置式
关于电池的放置方式，最早的是采用中置式。
实际上，其放置的角度大体上与座管走向相同，底部紧贴着自行车的后下叉，而顶部装有拉扣，可以让使用者不需要做大幅度弯腰姿势的情况下将电池取出来，其在城市通勤车中普遍得到应用。
2.斜梁式
斜梁式电池组设置的所具有的特点主要是把电池盒在连接件的帮助下粘贴在斜梁上方，实现了视觉创新的设计目的，而技术特征大体上与中置电池组一致，然而其重心较高，使得其稳定性变低。
3.菜篮式
菜篮式电池组，其在外形上主要是由电池盒的外壳被厚实布料包裹上去，大体上像是书包样式钩挂在横把上，让使用者有一种柔和感。
同时具有稳定的安全性，可以全面对电池组进行维护。
4.后置式
对于后置电池组的应用，普遍在26英寸以上的自行车上使用。
其主要是被平放在座位后架的下面部位，因为有后架高度的局限性，使其在样式上具有固定性，视觉上不具备新颖性，所以基于外观设计方面的思考，以便于实现与车身平衡的目的。
图2.5电池组位置
2.2.2折叠电动自行车的折叠方式设计分析
第一种:
车架大梁折叠又可以叫做对折叠Y是最早也是目前应用比较普遍的一种。
。
这种折叠方式在虽然可以缩小体积，并且结构简单成本较低，但不便于携带必需提行，不是最理想的方式。
图2.6车架大梁折叠式
第二种:
多部件折叠设计是比较新兴的一种方式，这一方法的产生主要是由于材料的进步，同时也是骑行体验的发展。
第三种:
前后叉折叠式设计，在国比较少见。
主要是适用于尺寸较小的折叠电动自行车上，通过前轮往后后轮往前折叠，使得两轮基本碰到一起。
图2.7前后叉折叠式
第四种:
嵌套合体折叠设计，颠覆早期的折叠的框架，将车架设计成嵌套结构，折叠过程极为车架这一嵌套结构包裹其它部件，折叠后形成一个更规则的形状。
该折叠方法简单有效，便于携带。
但对电池有很高的需求。
图2,8嵌套合体折叠自行车
2.2.3常见的基本折扭结构的分类
折叠电动自行车的设计中结构的研究至关重要。
折叠结构是对运动结构的深化应用，所以下面我们简单地了解现有基本运动结构的分类和工作原理。
。
1.连杆机构是由一个旋转的结构和一个移动的结构组成的平面运动机构，连接整个机械部件。
2.凸轮机构是由凸轮、从动件和一个框架组成的结构，凸轮是与相应的轮廓曲线连接的活动部件，一般是匀速连续转动和往复运动和回转运动，通过旋转的凸轮来使得驱动部分运动。
3.齿轮传动机构由一系列大、小齿轮传动机构和动力机构组成了。
变速器有它的第一个优点，就是它可以保证瞬时功率的传输率不变，实现稳定高效的传输。
4.蜗杆传动是机械产品结构简单、结构最常见的一种结构，它主要由蜗轮蜗杆组成，对于运动和动力之间的空间交错的传递是机械力的杠杆作用，它能使强度很小，并产生大量的功率。
根据折叠结构的功能，可以分为运动形式工作的折叠结构:
1.轴心式折叠结构
以一个或多个轴为中心轴的折叠结构，是最基本和最广泛使用的折叠形式。
同一轴折叠结构的产品。
2.平行式折叠结构
平行折叠结构有两种:
一是“可扩展”，通过改变产品的长度变化；另一个是“旋转型”，产品结构是平行的，通过方向的旋转变化。
3.重叠式折叠结构
一些产品储存和放置时，可以在产品自身的空间周围相互匹配并且重叠在一起，进而节省空间。
4.套式折叠结构
是形态相同大小不一样的物品组合，用大的来收纳小的。
5.卷式折叠结构
该结构主要为软质材料，产品需要反复的开启。
2.2.4折叠电动自行车的传动装置
自行车的驱动装置有很多种类型。
1.链传动
目前最为普遍的就是链传动，当然也是成本最低并且结构最简单的一种。
将链条安装在两个链盘上，通过脚蹬中轴处的链盘，带动后轴安装的飞轮，从而使得后轮转动。
图2.9链传动
2.齿轮传动
齿轮传动是从汽车传动轴中衍生出来的，同时在中轴、后轮轴中各自安装上一大一小的两套圆盘锥齿轮，共计装上4个圆盘锥齿轮使其左右具有对称性。
传动轴两头是两个小的锥齿轮，和圆盘齿轮紧密结合。
在脚蹬中轴让小的圆盘齿轮开始转动起来，同时引起咬合的锥齿轮开始运转，而后使得传动轴带动后轮转动。
这是较为新的一种方式，并且少了链条的束缚没有了链条脱落的可能，并且齿轮咬合精确，传动比高。
但是同时也带来了要求比较高的问题，增加了成本，所以普及性不高。
图210齿轮传动
3.带传动
从外观一看便知是用皮带取代链条，同时将链轮制作于齿轮相似，总体传动也与齿轮间的传动具有相似之处。
运用皮带取代链条让传动具有轻便性，也减少了日常润滑。
图2.11带传动
2.3折叠电动自行车的材料
1.铬钥钢（Fe-Cr-M}）
铬钥钢主要是含有铬和铂的合金。
铬铂钢车架突出的长处有:
第一，加工性能优质;第二，冲击的吸收性能强;第三，可以设计成名种形状。
铬铂钢车架的缺点；容易生锈；金属的疲劳显著。
2.铝合金（Al-1VLg-S1,Al-Zn-Mg-（Cu））
铝合金车架的优点：
可以制作重量轻的车架；长期使用外观基本不变，摆放在空气中，其氧化速度较快，之后会变成轻薄的氧化膜。
铝合金车架的缺点:
弹性度低、刚性低。
所以使用较厚实的管道。
要求进行热处理来完成强度的增加。
3.钦
钦合金车架的优点:
能够用来制造具有轻度低且强度大的自行车车架；同时不会生锈；骑感好。
钦合金车架的缺点:
价格高。
2.4折叠电动自行车的设计案例
1.“蚌蠕”折叠电动自行车
这款折叠电动自行车的造型有趣，车后方是弧形的折叠之后类似蚌猛，所以称为“蚌锰”折叠电动自行车。
车子结构很紧凑节省了空间，从而折叠之后的体积更小，并且可以站立，节省了空间占比。
图2.12“蚌锰”折叠电动自行车
2.mini宝马折叠电动自行车
BMW最新发布的一辆名为「iPedelee」的折叠电动自行车，可轻易折叠收纳。
该折叠电动自行车折叠之后刚好能放置于supermini的尾箱，这样就更方便大家驾车到不同地方享受踏自行车之乐。
该车配备了电动马打和电动操控系统，最高能有每小时16mph的速度，并且车身此采用坚固的铝和碳纤打造。
图213mini宝马折叠电动自行车
3.无链条折叠电动自行车
无链条折叠电动自行车顾名思义即没有链条结构大多采用齿轮结构进行传动，将前轮通过曲柄固定住，在曲柄出放置发电机，这样人脚踏的动能直接转化为电能，然后通过电动机来驱动后轮转动。
图2.14无链条折叠电动自行车
无链条自行车的优点:
安全，在骑行中安全度是普通链条自行车的9倍；干净卫生、不夹咬、不污染衣物，每年只注一次润滑油可彻底消除掉链之弊；不易坏、结构修理简易和链条变速车不容易坏掉，一般骑行1万多公里不需要大修；灵便，由于无大牙盘、链罩等大型部件，在运行中减少阻力、骑行更加节省力；省力，骑行轻快，与链条自行车相比省力22%；耐用，使用寿命是链条自行车的3.6倍。
第3章
折叠电动自行车的设计方案
3.1设计定位过程
3.1.1设计目标
本课题设计的基本需求如下所示:
作为年轻一族主要的交通工具，满足便携、轻量以及合理性。
符合易用性的设计原则，保证使用人群需求，做到以人为本。
从折叠前折叠后不同场景进行合理设计，满足用户诉求。
并且在保证产品功能合理，工艺限制的前提下，符合年轻一族追求潮流的心态，外观追随时尚美观的趋势。
3.1.2产品功能分析
在产品设计的过程中，功能设计是核心环节，一切相关设计都必须满足产品的功能。
而本课题研究的折叠电动车需要满足以下几点基本要求:
（1）便携性
考虑到城市规划问题以及交通拥堵问题，存放车辆难度增大，多方面多场景考虑产品折叠之后的携带问题。
（2）小型化
折叠电动自行车的体积应该比市面上的电动自行车小，只需满足正常体积大小的单人使用即可。
（3）操作简单化
用户本身就是很懒惰的，只有把操作做到明显简单才是真的以人为本。
（4）续航性时速性
在里程考虑上需要合理设计，保证速度的同时能保证续航功能的合理性。
（5）安全性
交通工具的安全性一直是用户人群所关注的地方，在设计过程中应该充分考虑使用者的安全问题。
（6）环保性
课题出发点即为设计环保型的交通工具，为当前城市交通环境污染做贡献，因此在满足用户使用的诉求下选择电动车这一新趋势引领的交通工具。
3.2设计方案探索
思路一:
运用当前创新的无链条自行车，采用齿轮传动这一新的结构，车架采用滑道形式，折叠时候可以进行伸缩拆合，整个车身的前后保证一致性对称性，车架的设计借鉴双截棍折叠伸缩收藏的形式，从中间折叠之后可以对边缘进行再次伸缩折叠，保证了折叠之后自行车可以推行。
图3.1方案一
思路二:
从电动角度出发，以折叠之后形状为设计点进行思考，最终确定折叠之后形状为旅行箱的样式，改变另一种骑行方式。
考虑到用户为上下班族，出行上班有上班公文包需要携带，骑车过程中需要有可以放置公文包的地方，所以将车头部分设计为可以安放公文包的地方。
考虑到轻便以及安装问题，电池采用铿电池这模块电池，安装造型上没有限制，只需要有足够电量空间即可任意排列，一般骑行时离地面有一定距离较好，否则雨天容易进水。
由于电池有一定重量，放置太高也不好会不稳。
所以定为将电池安放在车头放置书包的板上，不高不低。
图3.2方案二
思路三:
从用户人群出发，找到设计痛点为上下班族使用自行车作为交通出行工具时公文包携带问题，进行设计出发点。
从公文包的形态出发，把常见的自行车车架管结构增加实际用途，设计为收纳装置，不再因为东西无处可放而产生骑行不便甚至造成伤害，并且中间的空间很是充足，能够放下很大的文件夹。
方案评价:
（1）通过选用无链条没有中心轴和辐条的设计几，由短链轮咬合后轮侧齿旋动向前。
减轻车重量，降低车子重心，提高车子的平衡及稳定性，但是折叠之后的尺寸是三个方案中最大的，从折叠收纳角度看不太合理。
（2）改变骑行模式也许是当前的一种趋势，更多的发挥电动的优势省去了更多自行车结构的限制，这样使得设计更加自由，少了更多不可折叠构件的限制，然而该设计不够普遍适用，折叠之后体积仍旧过大，不太适合于女性。
（3）虽然针对上下班族的痛点进行设计，但是放置公文包的部分并不适用于所有上下班族尤其女性不适合，形状的限制导致用户过于细分化，不是普遍适用于所研究对象。
该痛点可以作为后期设计的参考但不能作为主要设计点。
（4）折叠之后可以作为独轮车一样推着，创新点很好，并且在尺寸上既保证了骑行效率也可以保证折叠收纳尺寸，可以进行继续深化创新。
3.3设计方案深化
在脑爆的四个方案中选择第四个方案继续进行设计的深入，首先进行折叠方式的深化设计，继续采用旋转结构的方式，进行突破性的设计，研究车轮伸缩结构的设计。
探索折叠之后可以推行也可以再次折叠进行收纳。
该车采用了无链条结构，同通过曲柄将前后轮固定住，在曲柄出放置发电机，将人的动能通过连接至曲柄的发电机直接转变为电能。
安装了电子控制装置，可以使用传感器进行地形监控，从而将自动齿轮进行电能量输出的调节。
这样人脚踏的动能直接转化为电能，然后通过电动机来驱动后轮转动。
图3.5部结构
由于自行车产品的机械性以及人机关联性，在完成设计方案思考之后需要在尺寸确定方面严格按照人机尺寸进行，才能保证落地。
确定轮子尺寸大小:
16寸（38e耐、车身长度:
13Oem、车把与地面遗迹车座与地面的距离围，进行尺寸等比缩放绘制工程图来确定车座离脚踏板中心的高度为37em、长度为20cm、车把离脚踏板中心的高度为58cm,长度为25cm。
确定车座与脚踏中心长度和高度之后，根据车架与车后座的形状，确定车架的位置。
所有重点节点部分的尺寸确定之后，继续深入设计细节进行尺寸确定脚踏板与车后轮的部分是设计的重点以及脚踏板部分的尺寸研究。
3.4产品设计展示图及设计说明
针对以上对产品的概念形态设计，结构尺寸以及分析后，运用三维软件SolidWorks对折叠电动自行车进行虚拟装配过程，得出以下产品方案设计效果图。
图3.6最终方案效果图
1.普通的电动自行车车轮较大很难实现折叠，在一些特殊的场所中需要电动车进出，比如电梯、公交车和居民楼，而传统的电动车操作起来存在很大的难度，降低了便利性并且产生了极大的危险。
而折叠式电动车将特殊情况考虑在，可以根据不同的情况对车体进行部分或者全部折叠，根据不同的情况进行调整，不再需要扛着电动车进入电梯，在需要的情况下进行车体折叠即可，增加了便利性。
而如果需要将电动车放入私家车的后备箱，则需要进行完全折叠，将轮子折叠到和轮子平行的位置即可。
2.此外还要将骑行的车轮稳定性考虑在，如果行驶速度慢，车轮过大则不利于进行车体折叠，并且折叠之后占据的空间较大。
因此为了提升便捷性，这款折叠电动车采用的是16寸的车轮设计，不仅增强了稳定性，提升了车体行驶的速度，同时也更有利于折叠。
3.折叠方式可以供两种场景使用:
第一种，行走携带形式的折叠，将后轮旋转折叠到前轮平行位置，即可拖着把手行走，车架的位置可以简单放置临时物品;第二种折叠收纳形式，由于车后架部分设计了滑道与车中间大齿盘部分相连接，可以对车轮进行滑动折叠，滑动到与车架平行位置，这样整个自行车折叠到车架大小便于收纳。
4.考虑到轻便以及安装问题，电池采用铿电池这模块电池，安装造型上没有限制，只需要有足够电量空间即可任意排列，一般骑行时离地面有一定距离较好，否则雨天容易进水。
由于电池有一定重量，放置太高也不好会不稳。
所以定为将电池安放脚踏板上方的车架上，并且为便于拿出设计了把手进行抽拉。
5.为了改善分离式鞍座的使用弊端可以对鞍座的位置进行调整，从而缓解骑行者出现的疲劳感。
3.5本章小结
主要通过后期大量的概念草图与产品预想功能进一步整合，将概念视觉化，同时不断的进行方案的评价与优化，针对产品的创新点与产品的使用的尺寸，结构，形态，功等方面相结合，最终得出符合人机工程尺寸并且适用于折叠、半折叠两种方式的概念设计产品。
结论
本文采用分析比较的方法，从产品设计的视角，以分析研究折叠电动自行车结构以及相关产品的折、叠和折叠方式为基础，通过折叠结构互换设计方法和产品形态重构设计方法，对折叠电动自行车不同场景需求的使用展开深入研究。
论文容的创新点是:
对折叠方式设计，指出了分析的关键过程，不仅从产品自身出发开展研究还将设计的思考衍生到不同产品的折叠结构，通过对折叠结构的产品形态开展进一步研究，掌握其自身的造型规律，总结出从折叠结构的互换和产品形态重构的设计方法，结合使用场景进行设计发散，本文的设计方法对于折叠类产品在设计上可以触类旁通，激发创造灵感，从而设计出更多优秀的产品。
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