水上自行车设计说明书.docx

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水上自行车设计说明书

（2015届）

专科毕业设计（论文）

题目名称：

水上自行车

学院（部）：

苏州托普信息职业技术学院

专业：

机械设计制造及其自动化

学生姓名：

班级：

机械1204

指导教师姓名：

职称

最终评定成绩：

2014年10月

摘要

本文设计了一个新型水上的娱乐工具——水上自行车。

设计的水上自行车以能量利用率最高为参考要素，通过目前市场上应用较为广泛的明轮驱动、螺旋桨驱动、喷水驱动对比计算确定螺旋桨最佳驱动方式，通过流体力学分析浮体正常前进时所受的最小阻力，根据他们之间的速度阻力关系，结合B图谱螺旋桨设计方法得到最适合螺旋桨基本尺寸。

再选用最便捷传动机构，设计出能量利用率较高的水上休闲交通工具，使得行驶轻松自在。

关键词：

传动，自行车，螺旋桨，水上休闲

一绪论

（一）研究背景

随着当今科技的迅速发展，人们生活水平日渐提高，对科技产品的创新得到越来越高的关注，特别是娱乐生活方面的各种娱乐健身产品随处可见，市场上出现的各种健身娱乐设备多达千种。

特别是水上游乐项目，因其独特的新颖性，在各大中小型公园中得到了广泛的推广。

水上自行车作为一种创新型水上娱乐产品，被众多玩家亲睐，但由于其生产成本高，效率低下始终不能在市场上在短时间内就能形成一定规模效应。

要较好的经济比较效益，不仅要从设计方面着手提高传递效率，还要从制造方面换购，使得尽量多的零件实现大批量生产。

因此，为了能充分地发挥人和机器的作用，使整个人—机系统可靠、安全、高效，以及操作方便和舒适，设计人—机系统时就得充分考虑人和机器的特征与功能，使之相互协调配合，构成有机整体，达到生产和工作的最佳效果。

在制造方面，由于水上自行车是一种创新型水上娱乐产品，企业在生产时一般都是采用中小批量生产，使得生产成本较高。

但在设计水上自行车时，设计人员可以选择普通自行车为原参考模型，在此基础上可以选用大量的原部件，减少了劳动强度，同时依托普通自行车的大批量生产直接降低了生产成本，像链轮、链条、脚踏板等可以选用通用自行车厂商大批量生产的现成产品。

（二）发展前景

水上游乐设备，现在在国内来说，应该还是起步阶段，表现在游乐设备游玩场所少、设备单一，能够参与的人数少，很多人暂时都还不能够享受游乐设备所带来的乐趣。

但在近几年也有发展的趋势，随着城市建设速度的加快，各各地区都会增设娱乐项目充实景区建设。

水上娱乐设备在近几年飞速发展，而今随着人们日益生活的需要，市场对适用的水上自行车的需求将越来越迫切。

故水上自行车的研究设计意义深远。

（三）研究内容

课题的设计要求：

设计便捷舒适的水上自行车，能量利用率高：

1.单人驾驶无副座位

2.设计载人重量为80kg

3.有便捷转向机构

在此次课题研究的主要内容是，设计符合上述条件的水上自行车，分析设计要求主要工作内容有：

a）船身基础造型特征分析

b）水下推进器的选择分析

c）传动系统的设计

d）导向系统的设计

e）密封装置选择

二总方案分析与拟定

（一）方案分析

按设计要求，此处设计的水上单人自行车主要从效率和使用性能两个方面分析，整体构成由以下几大模块：

1.船身

在行驶中，船身的造型对整个行驶的效率有着很大的影响，因为车身的造型直接影响到的是行进的阻力。

此处设计的水上自行车的造型达到最小阻力位佳，通过流体学，我们可以针对各种造型在水中进行时所售的阻力进行分析，然后核定。

2.传动系统

通过机械设计我们可以比较确切的分析各种传动系统的传动关系进而计算出总传动系统的传动效率进行核算。

3.推进系统

这里的推进系统可以引用为船舶推进器，船舶推进器是船舶上提供推力的工具，它的作用是将船舶动力装置提供的动力转换成推力，推进船舶。

推动船舶前进的机构。

它是把自然力、人力或机械能转换成船舶推力的能量转换器。

推进器按作用方式可分为主动式和反应式两类。

靠人力或风力驱船前进的纤、帆（见帆船）等为主动式，桨、橹、明轮、喷水推进器、螺旋桨等为反应式。

现代运输船舶大多采用反应式推进器，应用最广的是螺旋桨。

具体的水下推进系统有以下几种：

（1）明轮

　　蹼轮局部浸没于水中的推进器。

其水平轴沿船宽方向装置于船体水线之上，轮的周缘装若干蹼板。

蹼板分定蹼和动蹼两种。

定蹼式蹼板沿径向固接于轮辐上，蹼板在入水和出水时击水消耗能量大，效率低。

动蹼式蹼板可调节入水和出水角度，效率较高。

明轮因机构笨重，占用空间大，风浪中不易操纵，容易损坏，已为螺旋桨所取代。

（2）喷水推进器

　　一种水力反作用式推进器。

用装于船内的水泵自船底吸水，经喷管向后喷射受到水的反作用力而产生推力。

其机械部分装于船内，得到良好保护。

喷管方向可变,便于船舶操纵。

但喷管因直径受限制,管路及水泵效率不高，所以整个系统效率较低，又因水泵及喷管中有水增加了船舶重量，所以很少使用。

（3）螺旋桨

由桨毂和若干径向地固定于毂上的桨叶所组成的推进器，俗称车叶。

螺旋桨安装于船尾水线以下，由主机（见船舶动力装置）获得动力而旋转，将水推向船后，利用水的反作用力推船前进。

螺旋桨构造简单、重量轻、效率高，在水线以下而受到保护。

4.导向机构

正常直线行驶时，导向机构应不构成阻力，设计的导向机构应简单便捷为好。

（二）方案设计

目前水上自行车设计各式各样，这里的设计主要从传动系统和推进系统两个方面来结合设计。

分析以上性能需求，并根据本设计需要，针对推进器和传动系统的的设计提出以下暂定方案：

方案一：

采用一级齿轮传动，明轮驱动。

当脚踩动踏板带动齿轮1、2传动使得明轮3、4转动拍打水面产生向前的驱动力驱动船前进。

方案二：

采用链和锥齿轮的传动系统，螺旋桨驱动。

当脚踩动踏板带动齿链轮轮1、2转动，通过锥齿轮3、4改变轴转动位置，带动螺旋桨5转动，产生向前的驱动力驱动船前进。

二动力结构设计

（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。

（3）三接点位置

正确的骑车姿势，是由骑车人和自行车三个接点位置决定的，如图1-4（a）中所示的鞍座位置 A、车把位置B、脚蹬位置C。

按三点调整法，AB和AC约等，一般AB=（AC一3）cm,A点略低于B点，约为5cm。

图1-4a

（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）。

三船体构造计算

（一）船身阻力分析

1.计算雷诺数

查得在标准大气压下，

时水的运动粘度为

密度为

计算船体在

时的雷洛数

故可判断为湍流

根据公式

（1）

可得

2.计算总阻力

根据摩擦阻力

计算公式先计算出船体低速运行时因摩擦而产生的阻力。

把

（1）带入

得

（2）

根据阻力成分分析，船只低速运行时摩擦阻力占到

，

此处取

总阻力

（3）

（二）船身速度分析

将

（1）、

（2）、（3）带入上式得

四螺旋桨设计

（一）设计方法

本处螺旋桨设计采用图谱设计方法设计，用图谱计算性能是比较广泛应用的方法，其正确性也比较高。

图谱都是从各实验水池中，通过一系列螺旋桨的实验而绘制出来的，应用方法也大致相仿，本处采用使用较为普遍的荷兰瓦茨宁恩水池提供的楚思德B型螺旋桨图谱

（二）伴流系数和推力减额的确定

螺旋桨计算中需要半流系数和推力减额假设半流系数是

，推力减额是t，则可得出船身的有效效率。

尤其是半流系数若是估算出入偏大，那会影响螺旋桨的“车头轻重”。

一般来说，估算有5%的出入，则螺旋桨有2%的上下，但是目前还没有精确的计算方法，一下根据查表可得：

船身接近游艇内故取

=1.0

（三）螺旋桨直径估算

受船吃水深度的限制，螺旋桨的直径应不大于350mm，当已知驱动功率和桨轴转速，可以用下面式子估算螺旋桨的直径

为直径修正系数

=11.6533

（四）图谱计算

根据图谱计算时候由

船进速

负荷系数

按照页数和盘面比

查得下图5-6

则最佳直径

五结束语

还记得那次叶老师给我布置这个题目的时候，当时我还挺兴奋的，感觉水上自行车很简单，简单的几乎将它当做是第二次课程设计，可正当我着手去做的时候，却不知道如何下手，于是我开始去图书馆和网上查阅大量有关本课题方面的资料，还有很多和自己专业都是毫无关系的。

通过查询这些资料，渐渐地我的思维变得开阔起来。

我找到了突破口，锁定了设计所需的主要参数结合自己的专。

业知识，查询各种手册，很快我就完成了初步的建模，使自己的设计逐步完善起来，同时经过何老师的指点，改进了很多，每一次改进都是我受益匪浅。

从中我了解了机械有太多太多的东西需要学了。

虽然我的设计不是很成熟，还有很多不足之处，但我付出了自己的劳动，这是我引以为豪的地方，我相信只有经历过的人才会明白其中的酸甜苦辣。

这次设计我学到了很多东西，我感到做好设计是真正用心去做一件事情，是自己真正把自己大学四年来学的东西巩固和提高的过程，逆水行舟不进则退，希望通过这次经历激励自己今后学习中取得更大的进步。

参考文献

[1]濮良贵.机械设计.北京：

高等教育出版社，2006.5

[2]朱理.机械原理.北京：

高等教育出版社，2004.4

[3]许福玲，陈尧明.液压与气压传动.北京：

机械工业出版社，2007.5

[4]赵大兴.工程制图.北京：

高等教育出版社，2006

[5]张万奎.机床电气控制技术.北京：

中国林业出版社，北京大学出版社，2006.8

[6]张福云.TOX板件冲压连接技术[J].新技术新工艺，1998.5

[7]徐学林.互换性与测量技术基础.长沙：

湖南大学出版社，2009.7

[8]孟宪源，姜琪.机构构型与应用.北京：

机械工业出版社，2004.1

[9]周开利，邓春晖.MATLAB基础及应用教程.北京：

北京大学出版社，2007.3

[10]庞国星.工程材料与成形技术基础.北京：

机械工业出版社2005.8

电子档：

注：

除以上参考资料外还借助网络查询水上自行车发展状况。

致谢

脑海里还清晰得记得第一次踏入大学门槛时的情景。

但如今我们都将是要离开培育我们三年的苏州托普学院了，都要去为自己的事业而打拼奋斗了。

一切将重新开始。

在大学里学的东西，所做的设计以及实习印象都极其深刻。

尤其是这最后的毕业设计，感觉是在写一本陌生的小说。

在大学里，我认识了这么多老师、同学，感谢每一位老师对我的教导，你们传授我知识，启发我的思维，感谢我的同学，跟你们在一起我感到很快乐，你们给了我很多的帮助。

特别要感谢我的导师，何国旗老师，您指导我的学习，关心我的生活，对我严格要求，对我在设计上的问题，您都热情地给我解决，您的治学态度和教学育人的精神，都深深地感动了我。

感谢我的母校苏州托普信息职业技术学院，你是我人生中的第一座灯塔，是你让我在这里重拾自我，找到人生的方向。

你教会了我什么是“厚德博学”，我将在今后的生活工作中发扬工大精神，不断进步，提高自身能力，谱写人生的新篇章。

同时祝你蒸蒸日上，谱写工大美好篇章。

最后，再次向本次设计中所有关心、帮助过我的老师和同学表示衷心的感谢！

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2014年10月