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新型自行车辅助轮结构设计说明书
新型自行车辅助轮结构设计
摘要
本课题来源于对目前使用非常广泛的自行车辅助轮进行新的改进。
儿童式自行车现在可以说是家喻户晓了，但是此自行车辅助轮大多是不能摆动的较为麻烦，需要对此辅助轮进行改进，以便初学儿童者方便学骑。
现对此儿童的自行车进行大胆改进设计，完善辅助轮的装置。
利用气动驱动连杆带动辅助轮摆动，以此可以在地面上行走也可以脱开地面，使得初学者逐渐掌握学骑自行车。
实现摆动只需按个按钮即可实现。
本次设计对自行车的辅助轮进行改进设计，以此得以论证利用机械结构的改进可以满足更多的实际应用，显示出新型技术的重要性。
关键词：
自行车辅助轮气动驱动连杆
Auxiliarywheelstructuredesignofanewbicycle
ABSTRACT
Thistopicoriginatesfromthebicycleauxiliarywheelonawidelyusedfornewandimproved.Childrenbicyclenowcanbesaidtobemakeknowntoeveryfamily,buttheelectricbicycleauxiliarywheelismostlynotswingrelativelytrouble,needtoauxiliarywheelisimproved,sothatbeginnerscanlearntorideinchildren.Nowthischildren'sbicyclewasboldimprovementdesign,perfectforauxiliarywheel.Theuseofpneumaticdrivingauxiliarywheelswing,whichcanwalkonthegroundcanalsobedisengagedfromtheground,sothatbeginnersgraduallymasteredlearningtorideabicycle.Theswingcanbeimplementedwithaclickofabutton.
Thedesignoftheauxiliarywheelofthebicyclewasimproved,soastoimprovemechanicalstructureusingargumentationcanmeetmorepracticalapplications,showstheimportanceofnewtechnology.
Keywords：
bicycle;Auxiliarywheel；Cylindertodrivetheconnectingrod
1、绪论1
1.1前言1
1.2儿童车的国内发展及趋势1...
1.3课题设计的目的意义、内容及章节安排3..
2、机械结构设计5...
2.1自行车机身设计5...
2.2自行车辅助轮设计5...
2.3辅助轮曲柄、连杆设计5...
2.4辅助轮推动气缸的选型设计5...
2.5本章小结5
3、辅助轮控制设计错..误！
未定义书签。
3.1推动气缸气箱设计错..误！
未定义书签。
3.2辅助轮的动作分析错..误！
未定义书签。
3.3控制阀的选型设计错..误！
未定义书签。
3.4控制按钮的选型与设计错..误！
未定义书签。
3.5本章小结错...误！
未定义书签。
4、结构设计三维建模错..误！
未定义书签。
4.1辅助轮结构建模8...
4.2自行车车身建模错..误！
未定义书签。
4.3总体装配建模1..7.
4.4本章小结错...误！
未定义书签。
结论2..4..
参考文献2..5..
附录5
致谢2..6..
1、绪论
1.1前言
随着儿童企业环境的建设与规模的发展，各方面的因素都在变化着。
儿童的产品越来越多也多样化，也促使着儿童式自行车企业越来越多，竞争力也越来越强。
本文是以根据儿童自行车学骑的过程，对儿童自行车的辅助轮进行结构改进设计。
1.2儿童车国内发展及趋势
童车行业是个大有可为的行业，发展潜力巨大。
从市场发展及国内环境来看，远卓品牌机构认为，未来几年童车行业呈现以下四大发展趋势。
其一，市场容量与日俱增。
随着中国经济发展迅猛，人们的生活水平逐年提高。
假设一个家庭中诞生了一个小宝宝，在经济条件允许的话，这个家庭会尽最大的努力为宝宝提供最好的物质条件。
根据数据显示，中国0至6岁的婴幼儿数量为1.08亿，以平均每个孩子花销5000元进行概算，这个市场的远景容量将是5000亿元。
童车是婴童产品中最为典型和普遍的产品，因此童车有非常大的市场。
童车产业是当前最具投资前景的朝阳产业，未来三至五年该产业将会成为中国最耀眼的产业。
其二，品牌化生存势不可挡。
从几年前开始，童车业价格战如火如荼，一些小企业终于无力招架，在残酷的价格战中倒下、关门、倒闭，或者被兼并而在市场上消失了，优胜劣汰速度在加快。
但由于消费需求的偏移和童车在设计和做工上的大同，原先的“价格战”已慢慢向“价值战”倾斜，“品牌营销”逐渐取代“价格营销”成为商家打开市场的新策略。
未来的童车市场：
品牌就是效益。
消费者对品牌的认知度、满意度及忠诚度都会决定企业在市场上的竞争力。
品牌越来越受到童车企业的重视，那么童车企业如何才能使消费者从众多童车品牌中选中自己，这就成了童车企业首要考虑的问题。
换句话说，品牌化生存成了童车企业势不可挡的发展趋势。
其三，专业化品牌运作首当其冲。
中国童车业不少企业也慢慢成长为具有雄厚实力的大型企业。
他们也认识到了品牌塑造的重要性，但他们有想法没办法，不知道怎么做品牌。
所以童车业的领袖品牌始终没有建立。
发育成熟的行业往往已经形成了一个领袖品牌群落，而发育不太成熟的行业，往往只有一两个领袖品牌在默默耕耘，甚至还没有出现领袖品牌。
如发育已经相当成熟的家电行业已经出现了海尔、美的、长虹、TCL等领袖品牌。
而童车业除了好孩子这个极具实力的品牌外，至今仍找不到第二个可以遍布全国、叱诧风云的领导品牌。
这显然是不够稳定的
童车业在品牌塑造上处于弱势地位，十分缺乏品牌系统推广和操作的经验，他们认为品牌策略就是VI设计，把巨资投到了企业形象、宣传广告、包装、店堂等方面的设计上，但他们殊不知这只是品牌塑造的很小以部分。
VI视觉识别，在一定意义上说是传播企业经营理念、建立企业知名度、塑造企业形象的快速便捷之途，但是其影响力却不是很大。
童车企业要塑造强势品牌，只是花巨资做VI或招聘人才进驻公司服务都很难真正产生实效。
童车企业可以与品牌咨询公司合作，借助品牌咨询公司强大的智囊团有系统、有规划地实施品牌战略。
专业化品牌运作是未来童车业必然的选择。
其四，重视原创设计和产品创新。
当前真正考虑到儿童需求的童车还很少，在童车产品雷同的大形势下，品牌就急需创新设计。
浙江平湖举办了以“创新——引领童车行业
新飞跃”为主题的中国——平湖童车产业发展论坛。
来自广东、上海、江苏、浙江、宁波、义乌等玩具行业、童车产业界的专家、学者和平湖童车行业协会会员单位的代表共200多人参加了论坛。
浙江经营管理研究会副秘书长、浙江大学、浙江师范大学客座教授连云尧则紧紧围绕“创新”主题，从创新能力、动力、实质、思维、方法等各方面向与会人员作了题为《创新引领童车行业再上新台阶》的报告。
宁波妈咪宝婴童用品制造有限公司总经理叶伟德与现场企业家们共同分享了产品创新、创牌，以及打造一流企业的经验与收获。
在随后举行的论坛对话板块，企业家们与专家、学者面对面、围绕“——品牌——品牌管
理竞争”、“创新与保护知识产权”两大主题。
就如何应对国际玩具市场对中国一玩具的召回措施，加强内部管理提高童车质量，加强知识产权保护等问题进行了互相讨论。
此会议的召开也说明了童车企业品牌塑造及创新设计的重要性。
远卓品牌机构认为，童车企业应不断寻找市场空白点，进行产品丰满、细化、创新，将创新设计作为品牌的灵魂。
随着儿童车需求的不断增大，儿童车的特殊性对童车企业提出了更高的要求。
中国童车行业应加快创新步伐，尽快出现更多引领行业潮流的强势品牌，以带动童车行业的整体发展。
知名品牌的崛起将会使消费者在选购童车时更方便、放心，也会给“中国造”的名牌与国际品牌相抗衡提供支持。
目前我国婴童用品市场是世界范围内公认的最有“前”景、发展最快的市场。
在2011年中国0~12岁的婴童市场总规模约为11500亿元，近几年婴童市场将保持15%左右的高速增长，到2015年婴童市场可能会达到两万亿元的规模。
随着儿童车需求的不断增大，儿童车的特殊性对童车企业提出了更高的要求。
中国童车行业应加快创新步伐，尽快出现更多引领行业潮流的强势品牌，以带动童车行业的整体发展。
知名品牌的崛起将会使消费者在选购童车时更方便、放心。
也会给“中国造”的名牌与国际品牌相抗衡提供支持。
童车企业要有多元化思维方式，进行系统思考。
首先要加强品牌意识，其次要学会运用超低成本塑造品牌的战略，再次要知道做品牌有多条道路，要挑最适合自己的路。
童车企业要精诚选择，与专业人士合作，或与专业咨询公司合作，通过专业团队获得更多的智力支持和更完善的系统服务，从而制定出最适合企业品牌发展的战略规划，并有效实施。
童车企业要不断提高设计能力，根据儿童特征及市场需求，设计出符合消费者需求的产品，并在此基础上不断创新，使童车功能更强，更具人性化。
通俗地说，童车企业应设计制造出能代表企业的个性化产品，让产品自己开口说话，赢得消费者的“放心”。
提高设计能力，让产品开口说话。
童车企业要做大做强必须塑造自主品牌，而自主品牌的塑造最基本的就是自主开发。
产品开发是连结技术和市场的关键环节。
市场保持着民族、国家、地域等多种特性。
因此，不掌握产品开发能力，就难以把对市场的需求特点以及对这些特点的理解转化为产品的性能特性。
童车企业在抄袭原创时，就没有任何空间根据市场的条件进行自主设计。
相反，若童车企业能进行自主开发，就可以通过自己对市场的理解而进行创造性的设计，从而开发出符合市场需求特点的产品。
1.3课题设计目的意义、内容及章节安排
1.3.1课题设计目的意义
目前中国的儿童车发展近几年趋于较快，儿童车的生产与改进设计有利于儿童车占有市场的很重要的作用，所以本课题是针对儿童车学习骑自行车的特点对儿童自行车的辅助轮进行改进设计，这样是属于提高本身设计能力的体现也是对童车进行创新设计的体现，对本次毕业设计有很大意义。
1.3.2本次设计的内容本次设计的任务是新型儿童自行车的辅助轮结构设计。
设计的主要内容包括：
1、分析儿童自行车辅助轮的特点，初步拟定改进后的辅助轮的方案。
需要解决的是拟定改进设计辅助轮的方案，分析方案的可能性。
2、对儿童自行车辅助轮改进设计绘制方案图。
需要解决的方案的论证及最终确认方案。
3、对儿童自行车进行三维建模及辅助轮的三维建模。
解决的是运用SOLIDWORKS
三维设计软件对儿童自行车的结构和辅助轮的结构进行三维设计绘图。
4、对儿童自行车辅助轮结构进行装配图的设计及主要零件的设计。
解决的是运用AUTOCAD软件对装配图进行绘制和主要零件图进行绘制。
5、总结设计，编写设计说明书。
1.3.3本次设计的章节安排本次设计的辅助轮主要目的是为了儿童在学习骑自行车的时候能够从开始学习到最终能够脱离辅助轮的过程，所以辅助轮需要设计能够随意打开和放下，所以我们需要设计的辅助轮需要自动打开和放下的动作。
主要设计的章节安排为：
第二章为辅助轮机械结构设计，第三章为辅助轮的控制设计，第四章为辅助轮及机身各部结构的三维建模。
2、机械结构设计
2.1自行车机身设计
本次设计的儿童自行车辅助轮结构设计，自行车的车身基本按照儿童自行车的标准，
根据儿童学骑自行车的特点，儿童基本自行车车身长度1100mn左右，座椅高低大约550mm左右，两车轮的直径标准为380mm扶手高度为700mm车身主体采用碳钢材质制作。
其余大都形状均按照成人自行车的框架设计。
悬架是自行车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力扭，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并衰减由此引起的震动，以保证自行车能平顺地行驶。
典型的悬架结构由弹性元件、导向机构以及减震器等组成，个别结构则还有缓冲块、横向稳定杆等。
弹性元件又有钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧以及扭杆弹簧等形式，而现代轿车悬架多采用螺旋弹簧和扭杆弹簧，个别高级轿车则使用空气弹簧。
根据自行车两侧车轮运动是否相互关联，自行车悬架分为非独立悬架和独立悬架两大类。
非独立悬架的结构特点是两侧车轮安装在一根整体式车桥上，车轮连同车桥一起通过弹性元件与车架（或车身）相连。
车身的相对稳定性较差。
但这种悬架结构简单，制造方便，在载重自行车上被广泛应用。
独立悬架的结构特点是两侧车轮各自单独地通过弹性元件与车架（或车身）相连，并且采用断开式车桥。
若一侧车轮相对于车架（或车身）的位置发生变化时，另一侧车轮不受影响。
这种悬架结构复杂，但车身的平稳性和高速行驶的稳定性较好，因此在轿车和小客车上得到普遍采用。
我所设计的儿童自行车，其所行驶的实际情况都比较好，并且车速比较低。
故为使其结构简单，成本低，所以前轴采用麦弗逊式独立悬架，因为它结构简单，应用最为广泛，成本也较低，又能满足车一定的舒适性；后轴采用钢板弹簧非独立悬架，最简单最便宜而又实用的悬架。
2.1.1自行车车架车架的作用是承受载荷，包括自行车自身零部件的重量和行驶时所受的冲击、扭曲、惯性力等。
现有的车架种类有大梁式、承载式、钢管式及特殊材料一体成型式等。
大梁车架的原理很简单：
将粗壮的钢梁焊接或铆合起来成为一个钢架，然后在这个钢
架上安装引擎、悬架、车身等部件，这个钢架就是名副其实的“车架”。
大梁式车架的优点是钢梁提供很强的承载能力和抗扭刚度，而且结构简单，开发容易，生产工艺的要求也较低。
致命的缺点是钢制大梁质量沉重，车架重量占去全车总重的相当部分；此外，粗壮的大梁纵贯全车，影响整车的布局和空间利用率，大梁的厚度使安装在其上的座厢和货厢的地台升高，使整车重心偏高。
也称作整体式或单体式车架。
针对大梁式车架质量重、体积大、重心高的问题，承载式车架的意念是用金属制成坚固的车身，再将发动机、悬架等机械零件直接安装在车身上。
这个车身承受所有的载荷，充当车架，所以准确称为“无车架结构的承载式车身”。
承载式车架由钢经冲压、焊接而成，对设计和生产工艺的要求都很高，这也是中国目前的车身设计开发难以突破的大难点。
成型的车架是个带有座舱、发动机舱和底板的骨架，我们所能看到的光滑的自行车车身则是嵌在骨架上的覆盖件。
承载式车架是目前轿车的主流，因为这种结构将车架和车身二合为一，重量轻，可利用空间大，重心低，而且冲压成型的制造方式十分适合现代化的大批量生产。
但是除了开发制造难度高外，刚度不足也是承载式车身的一大缺陷。
钢管式车架就是用很多钢管焊接成一个框架，再将零部件装在这个框架上。
它的生产工艺简单，我所设计的自行车车架也是钢管式车架，它结构简单，便于自由设计，生产工艺简单，有利于降低自行车的制造成本。
2.1.2轮胎
我所设计的自行车选用的是子午线轮胎。
现在用的最为广泛的就是子午线轮胎，它的性价比是最高的。
子午线轮胎的优点是：
附着性能好，胎面滑移小，对地面单位压力也小，因而滚动阻力小，使用寿命长。
胎冠较厚且有坚硬的带束层，不易刺穿；行驶时变形小。
它的缺点是：
因胎侧较薄，胎冠较厚，在其与胎侧的过渡区易产生裂口。
侧面变形大，导致自行车的侧向稳定性差，制造技术要求高，成本也高。
基本的自行车车身外框架如下图所示：
2.2自行车辅助轮的设计
普通儿童自行车辅助轮主要是一种自行车后辅助轮，其包含冲击板、辅撑板、缓冲弹
簧、两固定片、抵撑片、调整螺丝、迫紧螺帽、辅助轮、螺栓及止松螺帽，冲击板贯设两长椭圆孔、一小螺孔、两大螺孔，辅撑板设置两大螺孔，末端往下延伸一具有穿孔的连接段,缓冲弹簧由弹簧圈两末端各延伸一相互垂直的抵脚，固定片一侧面凹设压制槽，且上
下段各贯设一固定孔，抵撑片上端转折段设一穿孔，下段转折段设一调整螺孔，辅助轮中心贯设一枢结孔；可确保使用安全及延长整体使用寿命。
根据以往经验有款辅助轮是利用本身辅助轮加可调弹簧，利用弹簧可以伸缩调节升降。
辅助轮弹簧强度可以调整以适应不同的使用者；当儿童学骑者逐渐适应骑乘方式后可调降弹簧强度，使儿童逐渐适应骑乘的摇摆状况。
同时可以将辅助轮提高离开地面，如同拆掉一般，这样可以更快地帮助儿童学习骑乘自行车，这样发挥了辅助轮的功效。
图2-2自行车辅助轮
图2-3弹簧式自行车辅助轮
由于这种自行车辅助轮是靠弹簧来伸缩调节辅助轮的升降，毕竟调节时是靠着强度来
调节，并没有起到完全能够智能控制的效果，本次设计对自行车的辅助轮进行大胆改进设计。
从学骑儿童自行车的儿童来说，学骑是个过程而已，辅助轮应该是随时可以任意自由摆动，通过手动按钮来智能控制将非常好。
本次提出用气动控制曲柄连杆带动辅助轮的摆动，即可实现辅助轮的随意摆动及抬高和降落。
图2-3辅助轮摆动过程
为了实现辅助轮的打开和放下的动作，机械上面有很多可以实现，比如曲柄连杆机构、曲柄摇杆机构、偏心轮结构等，靠这些机构实现的话都需要有原动力，我们首先考虑的是使用原动力是电机带动，本次设计我们取消了电机来带动，毕竟本身儿童自行车再加上随车电源的话成本会很高，所以本次设计考虑使用气动驱动曲柄连杆机构。
这样可以减少了电
源的使用，在车载使用车载气箱来储存一定的空气，利用气缸驱动曲柄连杆使得辅助轮实
现打开放下的动作，具体步骤的简图如下：
图2-4气缸驱动辅助轮摆动
2.3自行车辅助轮曲柄连杆设计
2.3.1辅助轮曲柄连杆设计
根据辅助轮的摆动，则曲柄连杆的摆动就可得出,
已知上图按标准的辅助轮摆动一定角度即可得出辅助轮需要摆动后的高度。
辅助轮连杆主要承受连杆臂的重力和往复惯性力所产生的交变载荷，因此，在设计时
应首先保证连杆具有在足够的疲劳强度和结构钢度。
如果强度不足，就会发生连杆杆身的断裂，造成严重事故，同样，如果连杆刚度不足，也会对曲柄连杆机构的工作带来不好的影响。
若衬套材料的膨胀系数比连杆材料的大，则随工作时温度升高，过盈增大，连杆头断面中的应力也增大。
此外，连杆头在工作中还承受活塞组惯性力的拉伸和扣除惯性力后气压力的压缩，可见工作载荷具有交变性。
上述载荷的联合作用可能使连杆头及其杆身过渡处产生疲劳破坏，故必须进行疲劳强度计算。
计算时把连杆头和衬套当作两个过盈配合的圆筒，则在两零件的配合表面，由于压入
过盈及受热膨胀，连杆头所受的径向压力为：
d
——MPa
J]
』d2丄戸dj
2,22,2
EDidEDidi
式中：
二一衬套压入时的过盈，mm；
一般青铜衬套：
d1-0.0002~0.0015，取八=0.000822二0.0176mm，
其中：
厶t—工作后连杆温升，约100~150C；
[—衬套材料的线膨胀系数，对于青铜J=1.810-（1/C）;
•I、「一连杆材料与衬套材料的伯桑系数，可取J=「二0.3;
E—连杆材料的弹性模数，钢E=4..2105MPa[10]；
E‘一衬套材料的弹性模数，青铜E‘=2.2x105MPa；
计算连杆头承受的径向压力为：
0.017624.2120（1.8-1.0）10占
=16.74N
24.2
1「30.734224.22c,1r24.22222门『
5【22+0.3]+5【22-0.3]
4.21030.734-24.22.21024.2-22
由径向均布力p引起连杆头外侧及内侧纤维上的应力，可按厚壁筒公式计算,
J和二i的允许值一般为100~150N/mm2，校核合格
2.3.2辅助轮连杆转轴设计
在连杆与主传动轴部位连接处有一连杆转轴。
本设计对连杆轴质量均无特殊要求，所以我们对其材料的选择只要从经济性和实用性上进行考虑，只需选用45号钢，进行调质处理就可以达到使用时的要求。
其基本形状如图所示；
2.3.3连杆轴承的选择与校核
由于连杆轴2轴径为20mm,根据连杆头厚度尺寸，选择连杆头两端轴承为6001轴承。
其基本参数为主要是额定载荷：
Cr=12800NC°r=66500N，e=0.23,Y1=2.5,—4.4，假定轴承的寿命为3年，每天
工作10小时，一年工作300天，所以轴承的基本额定动载荷可按一下公式进行计算：
C=血歼°
fnft
其中：
c—基本额定动载荷计算值，N;
P—当量动载荷，按式p二XF「YFa计算，Fr为轴承所受径向载荷，
轴向动载荷，X为径向动载荷系数，丫为轴向动载荷系数；
fh—寿命因数，按表7-2-8选取；
fn—速度因数，按表7-2-9选取；
fm—力矩载荷因数，力矩较小时fm=1.5,力矩较大时fm=2；
fd—冲击载荷因数，按表7-2-10选取；
fT—温度系数，按表7-2-11选取；
Ccr—轴承尺寸及性能表中所列基本额定动载荷；
由表查得fh=1.19,fn=0.366,fm=1.5,fd=1.2（中等冲击）,fT=；1.0;
因为轴向载荷Fa=0,即Fa/Fr：
：
：
e,所以当量动载荷P二X0、Fr
fff119x15x12
即P=Y^Fr，P=2.5^24368=60920，C=hmdp=____汉60920=309228.26<
fnft0.366
C°r，所以此轴承选的合适，能满足要求。
2.4辅助轮推动气缸设计
该辅助轮的推动气缸的计算需要根据辅助轮的重量，气缸需要克服辅助轮的重量，辅助轮推动气缸是大致作水平直线运动时，主要克服的是摩擦阻力和惯性力，因此，气缸所需要的驱动力应由摩擦阻力和惯性力来确定。
F驱二F摩F惯
式中f摩—摩擦阻力，应包括辅助轮与连杆间的摩擦阻力，活塞与密封装置处的
摩擦阻力；
F惯一气缸在启动过程的惯性力。
其大小可按以下公式计算；
F惯-
其中g总—辅助轮移动部件的重量（牛顿）；
g—重力加速度（9.8米/秒2）；
V—启动或制动前后的速度差（米/秒）；
:
t—启动或制动所需的时间（秒）。
摩擦力的计算：
不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要
根据具体情况进行估算。
图3-5是气缸推动的伸缩辅助轮受力示意图，本设计是圆
形气缸。
图3
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