折疊式自行車的整體設(shè)計7張CAD圖,折疊式,自行車,整體,設(shè)計,CAD 文章編號:1006-2343(2014)06-161-05 一種新型無鏈折疊式自行車的數(shù)字化設(shè)計 聞霞1，2，曾鎮(zhèn)清3(1．三明學(xué)院機電工程學(xué)院，福建三明365004，E-mail:wenxia_wen@163．com;2．三明機械CAD工程研究中心，福建三明365000;3．福建西河衛(wèi)浴科技有限公司，福建泉州510641) 選段： 自從進入21世紀(jì)以來，隨著我國社會現(xiàn)代化的發(fā)展，摩托車、小轎車等交通工具進入人們的生活，自行車似乎突然淡出了人們的視野。然而，近幾年來隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的加快，私家車大量涌現(xiàn)而引發(fā)城市交通擁擠、喧囂、空氣污染、自駕車引起的頸椎病等問題，快節(jié)奏的生活更是讓人們?nèi)狈\動機會，人們的生活理念也隨之發(fā)生了變化，低碳環(huán)保、綠色健康成為人們向往的生活。無鏈折疊式自行車因其環(huán)保、健身、娛樂及便捷等優(yōu)點再次受到人們的青睞。新型無鏈折疊式自行車是隨著現(xiàn)代都市生活理念變化而設(shè)計的一種集綠色環(huán)保、健身、娛樂、時尚、便捷、輕巧等特點為一體的新型交通工具。設(shè)計理念跟隨時代的人性化設(shè)計，賦予美感、時尚、充滿情趣和活力，其設(shè)計的核心是“以人為本”，自行車設(shè)計、優(yōu)化成為永恒的主題。 1無鏈折疊自行車的誕生及發(fā)展現(xiàn)狀 1．1自行車的誕生及發(fā)展 1818年年輕的德國替林人德萊斯首創(chuàng)了前輪可以轉(zhuǎn)向的自行車。1858年蘇格蘭的鄧洛普研制將充氣輪胎用于自行車，使自行車減振性能大大增強，讓騎車人的騎行舒適度更為提高。再加上管材結(jié)構(gòu)，配上車鈴、支架、車燈等部件，前后輪改為一樣大，到19世紀(jì)末自行車結(jié)構(gòu)就基本完善了［3］。自行車開始通過批量化生產(chǎn)逐漸走進普通人的生活，成為人們生活中方便、快捷的代步工具。隨著人們生活水平的提高，綠色健康與低碳環(huán)保意識的增強，自行車不會因為新型機動車交通工具的發(fā)展而減少。但是現(xiàn)在的城市交通擁擠、存車處面積明顯不足，機動車的停放已被公認(rèn)為全球性的難題，而在我國，比機動車停放更難的是自行車的停放問題［4］。市內(nèi)各街道、人行道占用停車的情況嚴(yán)重，自行車被盜現(xiàn)象十分普遍。結(jié)構(gòu)簡單、輕巧快捷、攜帶方便的折疊自行車可以很好地解決這些問題。 1．2自行車的傳動機構(gòu)的發(fā)展變化 自行車自問世以來，主要釆用的傳動機構(gòu)主要是鏈輪和齒輪傳動機構(gòu)等。這些傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和性能限制了自行車的使用性能和力的轉(zhuǎn)換效率的進一步提高，自行車的傳動機構(gòu)已成為人力自行車性能提高的主要技術(shù)瓶頸［5］。鏈?zhǔn)絺鲃?，具有制造簡單，安裝、維修以及更換方便等優(yōu)點，但是鏈?zhǔn)絺鲃哟嬖谌菀诅栉垡挛?、脫鏈、傳動效率不高等缺點，而且鏈?zhǔn)絺鲃咏Y(jié)構(gòu)需要占用空間大，質(zhì)量偏重，不符合輕便、結(jié)構(gòu)緊湊、便于折疊等問題。2005年北京喬特自行車有限公司經(jīng)過多年開發(fā)，向市場推出了一種榮獲國家專利發(fā)明權(quán)的無鏈杠桿傳動自行車［6］，與鏈?zhǔn)絺鲃臃绞较嗤膱A周式運動，占用空間偏大。2012年由闞海輝設(shè)計的變速錐齒輪無鏈自行車［7］，并申請了國家專利，實現(xiàn)了無鏈?zhǔn)絺鲃?，但該設(shè)計僅對原有鏈?zhǔn)阶孕熊嚨母脑臁?009年淮陰工學(xué)院機械工程系的卜云峰等人設(shè)計一款四連杠桿式傳動機構(gòu)無鏈?zhǔn)阶孕熊嚕?］，應(yīng)用杠桿原理和齒輪傳動原理，結(jié)合四連桿運動軌跡有效加長運動過程中杠桿的力臂長度、增大對頂角，提高了能量轉(zhuǎn)換效率。但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其傳動機構(gòu)不適合于折疊自行車的設(shè)計。 2新型無鏈折疊式自行車設(shè)計理念 2．1新型無鏈傳動結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧針對目前自行車傳動結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，為折疊自行車設(shè)計需要，研發(fā)一款棘輪式無鏈傳動機構(gòu)自行車，避免了傳統(tǒng)無鏈杠桿式傳動，結(jié)構(gòu)緊湊，適合輕便、折疊的特點，其傳動原理在傳動機構(gòu)設(shè)計中有詳細(xì)的闡述。 2．2具有良好的減振性能的設(shè)計結(jié)構(gòu)人性化的設(shè)計重點是舒適性，在自行車支架上連桿設(shè)計為彈簧支架實現(xiàn)了行進過程中彈性緩沖，極大的改善了騎車的舒適度，彈簧支架的設(shè)計結(jié)構(gòu)。 2．3傳動裝置采用棘輪式無鏈傳動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，便于折疊傳統(tǒng)鏈?zhǔn)阶孕熊囨渹鲃佑涉溳?、鏈條及飛輪三部分組成，其不足之處在于:①騎行過程中會出線脫鏈、斷鏈、夾褲、潤滑油橫流污衣褲等現(xiàn)象，②采用鏈罩，鏈條如從鏈輪或飛輪上滑下時，重新安裝很困難。③鏈輪直徑較大，導(dǎo)致鏈傳動機構(gòu)體積大，結(jié)構(gòu)不夠緊湊，外形不美觀，對折疊結(jié)構(gòu)的設(shè)計帶來困難。 該款新型折疊無鏈?zhǔn)阶孕熊嚥捎眉喪絺鲃?，機構(gòu)集中在后輪部分采用兩個棘輪、四個錐齒輪嚙合實現(xiàn)異步運動及腳踏往復(fù)運動實現(xiàn)傳動，后輪設(shè)計較大，而前輪直徑設(shè)計較小，因此使得整車體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，便于折疊。 2．4充分選用應(yīng)用新型材料，質(zhì)量輕 運用數(shù)據(jù)挖掘的原理［8］，確定自行車車架結(jié)構(gòu)部件主要尺寸，改進車架材料，可采用鋁合金、鈦合金、鎂合金、碳纖維等，使得車架質(zhì)量更輕，強度更高。在新工藝技術(shù)方面，主要研究方向是使用最少的材料，實現(xiàn)更高的機械強度，例如，使用可變截面的管材和板材替換原來同一界面的材料，使得自行車性能更加可靠，使用材料更少。 該款新型折疊無鏈?zhǔn)阶孕熊囓嚰艿脑O(shè)計采用鋁合金6061T6材料，鋁合金具有質(zhì)量輕，可塑性好，剛性高，高抗氧化等優(yōu)點，雖然造價會比起傳統(tǒng)的高碳鋼車架昂貴，但是在制造車架的形狀上有很大的變化空間，可以通過軟件優(yōu)化算法實現(xiàn)數(shù)字化的設(shè)計，最優(yōu)化來節(jié)約制造成本。 2．5設(shè)計折疊過程簡單，快捷，便于攜帶 折疊或打開需要合理設(shè)計產(chǎn)品的形態(tài)，以期能夠更好的實現(xiàn)它的設(shè)計訴求。在折疊式自行車的設(shè)計過程當(dāng)中，盡量將一個折疊自行車設(shè)計成一個規(guī)整的造型，努力將它的傳動裝置通過折疊后能隱藏在內(nèi)部，這樣的設(shè)計不僅滿足了美學(xué)上的需求，同時這樣的造型更易于攜帶。該款無鏈折疊自行車的設(shè)計充分體現(xiàn)人性化，簡單便捷，折疊時間應(yīng)在十幾秒鐘內(nèi)完成，否則將會失去普及性和實用性。 3整車結(jié)構(gòu)數(shù)字化的設(shè)計實現(xiàn) 數(shù)字化設(shè)計是一種先進的設(shè)計思想，也是集各種優(yōu)秀設(shè)計工具為一體的設(shè)計平臺［9］。利用iNPD(integrated New Product Development)技術(shù)的工業(yè)設(shè)計方法實現(xiàn)該款新型無鏈折疊自行車的設(shè)計。 3．1新型無鏈折疊式傳動機構(gòu)設(shè)計該款新型無鏈?zhǔn)秸郫B自行車后輪傳動機構(gòu)采用兩個棘輪、棘爪、小棘爪、棘輪軸、軸承及踏桿曲柄主要部件實現(xiàn)傳動，其后輪機構(gòu)傳動原理簡圖如圖5所示，其爪轉(zhuǎn)動機構(gòu)帶動后輪軸旋轉(zhuǎn)，由于后輪軸與后輪為剛性聯(lián)接，因而實現(xiàn)后輪的轉(zhuǎn)動。棘輪(如圖3所示結(jié)構(gòu))環(huán)內(nèi)的棘齒可實現(xiàn)單方向傳動，內(nèi)部采用4個錐齒輪相互嚙合實現(xiàn)異步傳動。同時通過內(nèi)部錐齒輪相互嚙合傳動轉(zhuǎn)換實現(xiàn)踏桿曲柄的異步動作，自運動原理:由腳踏上下往復(fù)運動帶動棘輪轉(zhuǎn)動，棘輪通過棘行車運動的速度由腳踏桿抬起最大的角度、輪轂的半徑及往復(fù)一次循環(huán)所用時間等因素決定，采用碟剎裝置實現(xiàn)剎車，制動效果較好，制動時，摩擦制動塊16加緊后剎車片15實現(xiàn)后剎車片制動，而后剎車片與后輪轂及軸套是剛性連接，從而實現(xiàn)后輪剎車制動。 3．2新型無鏈折疊式自行車折疊方式的設(shè)計目前常用的折疊自行車的分類方式可以分為:①車架大梁折疊式(對折式)，②前后叉折疊式③坐管車架折疊式④異形車架折疊式⑤A－BIKE折疊式疊等幾種折疊方式［11］。該款折疊無鏈?zhǔn)阶孕熊嚨脑O(shè)計偏重于前后叉折疊式，保留了輪子的拖動功能;在車架桿的下方設(shè)計彈簧支架的減振裝置尺寸較短，便于折疊，剛性彈簧起到緩沖作用，增加騎車的舒適性;并綜合考慮了滿足合理結(jié)構(gòu)、時尚外觀、折疊方便、攜帶便捷等綜合因素，適合出現(xiàn)在地鐵、辦公場所、校園等場合。 該款折疊無鏈?zhǔn)阶孕熊囌郫B步驟主要分為:①前桿4設(shè)計為可伸縮桿，折疊時先向下收縮變短，然后繞車架桿1和車架6連接處向下旋轉(zhuǎn)至使前桿4與車架6相平齊，使得小輪正好位于大輪的正上方;②車座旋轉(zhuǎn)與車座桿9成直線，然后一起旋轉(zhuǎn)進入車架桿1中，完成折疊。折疊方式既保留了大輪子的拖動功能，而且還保留的把手在最上方使用功能。折疊步驟簡單，巧妙，體積不到原來的1/3。 折疊自行車的 創(chuàng)新設(shè)計與研究 文｜匡焱 （黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院 黃岡 438002） 選段： 1 折疊自行車的起源和發(fā)展 折疊自行車是 20 世紀(jì) 30 年代在歐洲起源于軍事用途，并伴隨著轎車的普及和城 市人口的增多而發(fā)展起來的。近些年由于采用各種新材料、新技術(shù)及結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，從而 使體積更小、重量更輕、更結(jié)實耐用 [2]。 目前，市場上出售的自行車品種繁多，如公路自行車、山地自行車、旅游自行車等， 眾多的自行車都存在一個明顯的問題，就是攜帶非常不方便，這無疑給使用者帶來麻煩， 尤其是在這個高速發(fā)展的時代。因此，人們迫切需要一種結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活，便于 儲放的交通工具。 自行車的發(fā)展方向是設(shè)計輕量化、個性化、功能化、方便化、款式多樣化 , 自行 車系列產(chǎn)品將得到更迅速的發(fā)展 ,并形成高、中、低多檔次格局 ,尤其折疊自行車是我 國最具潛力并取得世界領(lǐng)先水平的產(chǎn)品。一般折疊車有車架折疊關(guān)節(jié)和立管折疊關(guān)節(jié) 構(gòu)成，通過車架折疊，將前后兩輪對折在一起，可減少 45% 左右的長度。整車在折疊 后可放入登機箱和折疊包內(nèi)，以及汽車的后備箱內(nèi)。在折疊的使用過程中也不需要借助外來工具，可通過手動自行將車折疊展開，自行折疊。在折疊后，通過座桿為支撐點使車能立穩(wěn)。折疊自行車攜帶和使用方便舒適，開發(fā)形成系列產(chǎn)品后,極具潛力。 2 折疊自行車的優(yōu)點 自行車作為短途代步工具，具備其他交通工具不可替代的功能，而折疊自行車則比自行車具有更多的優(yōu)點。 優(yōu)點： 1）壽命長。自行車放在室外日曬雨淋，車體老化嚴(yán)重，放在公共場所被盜令人十分頭疼。當(dāng)擁有折疊自行車后，可以方便的把折疊自行車放在家里、辦公室、汽車后備箱里，不用擔(dān)心被風(fēng)吹日曬雨淋而減少它的使用壽命。 2）體積小，便于儲藏。折疊自行車通過折疊，前輪和后輪折疊在一起，可以減少50%左右的長度，便于攜帶、收藏，還能防盜。 3）實用便捷。折疊自行車集交通、休閑、運動于一體?？勺鹘煌üぞ叱鲂?，可放置在汽車后備箱里，郊游時既可享受汽車的便利，在郊外又可騎行享受田園風(fēng)光的樂趣。 4）騎乘輕松，簡單易調(diào)，男女老少皆宜。 5）健康環(huán)保。不會像汽車一樣使用不可再生資源，折疊式自行車對空氣無污染。同時現(xiàn)在的人們?nèi)狈﹀憻?，騎自行車可以適當(dāng)鍛煉身體。 6）時尚浪漫。折疊式自行車色彩明亮，具有視覺沖擊感，而且比一般自行車輕，提上樓、上電梯、上公車、乘地鐵,都不費勁,是公共交通的最佳伴侶。 3 折疊自行車的設(shè)計方向 一個好的折疊自行車對設(shè)計和加工工藝上的要求會高于普通的兩輪自行車，所要權(quán)衡的因素和達(dá)到的要求也很多，以下是重點考慮的幾點： 1）質(zhì)量輕，體積小，節(jié)省體力。 2）材料的力學(xué)性能要好，不怕被擠壓，這是為了將折疊自行車放置在轎車車廂內(nèi)，折疊自行車它上面會擱置其它的物品，不會因為重壓而使自行車變形。 3）騎行舒適，調(diào)整范圍大，可適合不同人群。 4）騎行速度快。要求它的傳動變速比和大眾化自行車相差 5）折疊、展開方便快捷。無須太用力，即可在十幾秒到一分鐘內(nèi)實現(xiàn)展開折疊。折疊車在隨身攜帶過程中，要保證它的折疊和展開能夠快速完成，來保障騎乘者在不同路段對折疊車的折疊和展開順利進行。 6）安全系數(shù)要求高。具有穩(wěn)定性能，對鎖緊裝置要求高。 7）外觀時尚。 4 折疊自行車的設(shè)計方案 自從折疊自行車發(fā)明以來，就有人不斷嘗試把折疊自行車弄得更小一些，占用空間更少一些。各種形式的折疊自行車層出不窮，剖其究竟，廣泛的折疊方式是將大梁折疊或收縮，將前后輪折疊在一起，將車座降低，車把側(cè)放。這種方式雖然實現(xiàn)了折疊，減小了車體面積。但是不足之處顯而易見，這種設(shè)計折疊效果不佳，并且需要拖行，攜帶不便，對于折疊車來說，意義不大。 而這次創(chuàng)新型自行車大膽的設(shè)計成單前叉，為前輪創(chuàng)造折疊環(huán)境。車把和豎桿的折疊有效的減小了車體折疊后占地空間，前后輪折疊安放在月牙形車身內(nèi)完成三環(huán)重合的折疊效果。它是一種構(gòu)思新穎，結(jié)構(gòu)簡潔獨特，能夠單人折疊和展開，攜帶和使用方便的三圓（前車輪、后車輪、呈月牙形半圓的車身架）折疊自行車。 5 市場前景 隨著人們生活水平的提高,健康與環(huán)保意識的增強,自行車不會因為其它交通工具的發(fā)展而減少。自行車作為短途代步工具，具備其他交通工具不可替代的功能。它成為上班族、學(xué)生、有車族、老年人的時尚選擇，將會帶來良好的社會效益和經(jīng)濟效益[3]。而根據(jù)發(fā)達(dá)國家自行車發(fā)展的經(jīng)驗來看，我國正處于經(jīng)濟高速發(fā)展和轎車開始大量進入家庭階段，自行車產(chǎn)業(yè)也即將迎來發(fā)展變革的機遇，折疊自行車則以其獨特的優(yōu)點，符合我國未來交通發(fā)展的需求，以此看來，折疊自行車在我國的前景十分廣闊。