水陆两用自行车.docx
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水陆两用自行车
水陆两用自行车
设
计
说
明
书
学校名称：
山东交通学院
指导教师：
参赛学生：
2016
水陆两用自行车设计说明书
1研制背景及意义
1.1环境基本情况
人类的发展是以自然资源和人类赖以生存的环境为基础的，资源和环境是不可分的，资源的实质就是环境，一次，要保证可持续发展就必须保护环境。
我国长期以来实行资源高消耗、环境重污染、片面追求经济增长的发展模式，实际上我国高速经济增长是以巨大的生态环境污染为代价的。
近20年来，我国在总体上承袭了“先污染后治理”的模式，事实证明，此种模式只能带来更严重的污染。
十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20%左右、主要
污染物排放总量减少10%。
这是贯彻落实科学发展观、构建社会主义和谐社会的重大举措；是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择；是推进经济结构调整，转变增长方式的必由之路；是维护中华民族长远利益的必然要求
1.2现代自行车的发展
自行车发明至今已有200多年历史。
由于其不消耗能源，使用方便，因此，无论是在工业发达的欧美国家，还是发展中国家，始终深受人们的欢迎。
据有关资料统计，当今世界上共有65个国家和地区生产自行车。
自行车的设计发展为采用其它方式驱动的交通工具提供了基础，其它交通工具的发展也促进了自行车的设计。
自行车在大的设计结构没有采用摩托车的结构设计观念而发生重大的变化，但设计者们却也吸收了摩托车的一些优点用在自行车上：
在自行车上使用变速系统，使自行车在骑行时可以改变驱动时的传动比，方便骑行者骑车时可以根据具体情况选择适当的传动比，达到省力或快速的目的；在自行车上加装避震装置，使自行车更适用于一些较差的情况。
1.3前景推广
水陆两用自行车最早起源于加拿大，作为一种环保型、娱乐型的运动器材，也逐渐受到世界各国企业的重视。
而在我国对于水陆两用自行车的研究以及应用学者们也越来越感兴趣，据中华人民共和国国家知识产权局的统计结果表明在水陆两用自行车的专利领域中发明专利仅有10项，实用新型专利44项，外观专利10项。
为推动水陆两用自行车的开发与研究，我们设计出了此款水陆两用自行车。
这款水陆两用自行车，不仅倡导绿色、环保、低碳出行的
理念,而且可以水陆两用，可以广泛的用于渔业、旅游业以及其他相关领域。
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。
故水陆两用自行车的研究设计意义深远。
2总体方案设计
2.1水陆两用自行车的构成
水陆两用自行车的整体构成由以下几大模块：
水陆两用自行车
乍身
传动系统推进系统导向系统
浮板
（1）.车身
在行驶中，车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。
此处设计的水陆自行车的车体造型也已达到最小阻力位佳，通过流体力学,
我们可以针对各种造型在水中行进时所受的阻力进行分析，核定最佳造型设计以达到最佳运动效率。
零件图
2.1.1车身
（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。
⑶.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
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。
同时采用双明轮式传动增大其效率，故选为最终方案。
零件图
2.1.2明轮
<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体重量，所以很少使用，已舍弃
（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。
⑸.浮板
具有较大的浮力，与车身固定良好，在水中行驶时安全，不倾翻。
同时质量要尽量的小，以减少行进的阻力。
2.2水陆两用自行车方案设计：
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方案：
采用链传动，明轮驱动。
当脚踩动踏板带动链轮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前进。
3浮力
3.1浮力计算
根据阿基米德原理：
浸在液体里的物体受到向上的浮力，浮力大小等于物体排开液体所受
重力。
即F浮二G液排二p液gV排
当物体漂浮时：
F浮=0物且p物＜p液
所以，p液gV排=G物=口物g
即V排=皿物/p液
这里M物=MA+M车
取M物=100kg,M车=30kg,
所以M物=100kg+30kg=130kg
已知水的密度p液=1.0xkg/,
故
V排=MW/p液==0.13
3.2浮板的设计
根据前面提出的方案，所以将浮板的底板设计成梯形和矩形，两块浮板增大浮力，如图所
示：
3.1.1浮板设计
3.3浮板材料选用
根据目前市场上用得最多的浮板材料，本次设计浮板采用材料EVA.下面对EVA勺特性做
一些简单的介绍。
耐水性：
密闭泡孔结构、不吸水、防潮、耐水性能良好。
耐腐蚀性：
耐海水、油脂、酸、碱等化学品腐蚀，抗菌、无毒、无味、无污染。
加工性：
无接头，且易于进行热压、剪裁、涂胶、贴合等加工。
防震动：
回弹性和抗
张力高，韧性高，具有良好的防震/缓冲性能。
保温性：
隔热，保温防寒及低温性能优异，可耐严寒和曝晒。
4动力计算
4.1功率的计算
1、输入功率的计算：
人输出的功率随着骑车人的体格、体力、骑车姿势、持续时间和速比等的变化而变化。
般成年男人的最大输出功率约为0.7马力（0.51kw），但只能能持续10s左右。
如果
持续时间长，其值要小得多，持续lh，大约只有1.0-0.7马力（0.07-0.15kw）。
自行车运动是很有节奏的，其节奏常常与人的心脏节律保持一定关系。
健康人的心脏跳动为70次/
min，—般脚踏以60r/min节奏转动较为合适。
设计时以这一常用速度来确定相关设计参数。
但本次设计内容为一休闲式娱乐工具，故对体力要求不能有过多要求。
我们根据脚踩蹬的力量来计算在娱乐为主的休闲前提下的输出功率。
以此为参考，正常人踩蹬自行车的力量约为30~40N,娱乐情况下我们估算为30N,踩蹬速度适当的取为1转/秒，
故本次设计的人的输出功率为
R=2x：
3.14x：
0.18x：
30汉1w=33.912w
（180mn为一般自行车的踩踏杠的长度）。
2、传动效率
查《机械设计手册》得：
踩踏关节的损失：
n=0.97
链传动的损失：
n=0.96
滚动轴承：
n3=0.97
轴系效率：
n4=0.98
由以上算出的总的传动效率：
3
n=n汉n汉n汉n=0.96汉0.97汉0.98=0.83
所以明轮的输出功率为
Ps二“P1=0.8333.912=28.15w
4.2传动比
根据传动比的一般分配原则，我们应该使各级传动的承载能力接近相等，考虑到在骑乘
自行车时一般分配的传动比为2.5左右，为了适应和习惯在陆地上的运动习惯及降低生产成本，我们这里就优先选用链传动比为2.5的传动比。
4.3链传动设计
1、设计内容
确定链条型号、链节数LP、排数、链轮齿数z1、z2、链轮结构、材料、几何尺寸、中心距a、压轴力Fp、润滑方式、张紧装置
已知设计条件：
低速平稳运转，传递功率P=33.912w,主动链轮转速n,=60r/min，从
动链轮转速n2=150r/min，传动2.5。
2、设计步骤
（1）选择链轮齿数z,、z2
在17-114之间选取齿数。
z,=45z2=18
（2）计算当量的单排链的计算功率Pca
根据链传动的工作情况、主动链轮齿数和链条排数，将链传动的功率修正为当量的单排计算功率
Pca
Kz
Kp
Ka工况系数，查《机械设计》表9-6得Ka=1.0
KZ主动链轮齿数系数，查《机械设计》图9-13得KZ=0.52
Kp多排链系数，由于是单排链，所以Kp=1.0
KaKz
Pca
Kp
P=0.523.912=0.01763kw
（3）确定链条型号和节距P
链条型号根据当量的单排链的计算功率Pca和主动链轮转速n1由《机械设计》图9-11得到。
然后由《机械设计》表9-1确定链条节距p
确定链条型号为：
08A
确定链条节距为：
12.7
（4）计算链节距和中心距
初选中心距a。
=（30~50）p，按下式计算链节数Lpo
a0N+z2z2-Z|2p45+1818-4521
LP0丁（K）r2（30~50）丁（右）时诲~132将Lp0圆整为偶数Lp=130
链传动的最大中心距为：
f1p[2LP-（z1z2）]=0.2490712.7[2130-（4518）]=623148mm
式中，f1为中心距计算系数，查《机械设计》表9-7得f1=0.24907
（5）计算链速，确定润滑方式
乙厲p
601000
456012.7
601000
=0.57m/s
根据链速V,查《机械设计》图9-14得，润滑方式为定期人工润滑
（6）计算链传动在轴上的压轴力
压轴力=
有效圆周力Fe=1000-=10000.033912=59.49N
v0.57
压轴力==1.10x59.49=65.439N
（7）设计总结
链轮
大链轮
小链轮
齿数（z/mm）
45
18
分度圆直径（d/mm）
181.43
73.41
齿顶圆直径（da/mm）
186
80.00
齿根圆直径（df/mm）
173.51
65.49
分度圆弦齿高（ha/mm）
a丿
3.00
4.00
齿侧凸缘直径（dg/mm）
<164.25
<58.71
节距（p/mm）
12.7
车由间距（a/mm）
623.148
链长（L/mm）
1270
链节数（LP）
130
链速（v/m/s）
0.57
链号
08A
5轴的设计
5.1链轮上力的计算
轴上传递的功率=X0.96X0.97X0.97=30.63w
转矩=9550000=9550000x30.63/150=1950110N.mm
5.2选取材料
可选轴的材料为45钢，调质处理。
5.3计算轴的最小直径
查《机械设计》表15-3可取=120,
==120mm
由于轴的直径小于100mm且由3个键槽，故将轴径增加15%即
d=x（1+0.15）=7.066x1.05=8.1259mm
将轴径圆整为标准直径，取d=10mm
5.4轴的结构设计
1、轴的外形结构
2、根据轴向定位的要求，确定轴的各段直径和长度。
（1）、根据飞轮内径可得d67=30mm根据飞轮的宽度可得出L67=20mm右侧采用轴肩定为,
取d78=38mmL78=11mm
（2）、初选深沟球轴承D6204,其尺寸为dxDxB=20x47x14故d45=d910=20mm根据装配关系取L45=L910=15mm。
（3）、5处为一定位轴肩，故取d56=d89=25mm根据装配关系，计算得L56=L89=383mm。
（4）、3处为一定位轴肩，故取d23=d910=16mm根据装配关系，计算得L23=L910=33mm
（5）、1处为轴的最小直径d=10mm攻螺纹，与螺母配合，选择螺母为GB/T6172.1。
通过查《机械设计手册》的螺母厚度m=5mm由于采用双螺母预紧，故取L12=L1213=19mm
（6）、4处为一定位轴肩，所以取d34=d101仁18mm根据装配关系计算得出，L34=L101仁40mm
至此已经确定了轴的各段长度和直径。
参考文献
[1]邢闽芳，房强汉，兰利洁•互换性与技术测量.--2版.--北京：
清华大学出版社，2011.8
[2]濮良贵，陈定国，吴立言•机械设计•北京：
高等教育出版社，2013.5
[3]孙桓，陈作模，葛文杰•机械原理•北京：
高等教育出版社，2011.11
附:
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