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1、第一章 概述1.1设计的主要目的和意义此次设计的目的是掌握产品造型的设计，包括材料、尺寸的合理选择，灵活运用制作技术、形态表达语言，根据人机工程学和美学来设计电动自行车的尺寸和颜色。根据同类型产品的类比和设计，力学分析，考虑人机工程学中的人体尺寸和人的舒适程度来综合设计电动自行车的尺寸。设计的目的其实包括好几个层面，第一，加工工艺的了解；第二，进一步提出不同材质的优化组合课题；第三，探究材料与产品结构、功能的有机联系；第四，熟悉产品结构连接件的运用；第五，产品形态讨论；第六，寻求产品设计制作的个性化等等。通过这半年的设计，我们很好的复习了已经学过的课程，并对部分材料的应用有了一定了解，在颜色搭
2、配上也有了一定的学习，而且能熟练操作制图软件和办公软件。对我们以后在工作上有很大的帮助。1.2国内外电动自行车的发展情况1.2.1国外及我国台湾地区电动自行车的发展情况 为创造市场需要，适合老弱妇孺各种年龄层骑乘自行车，国外厂商多年前即开始研制辅助驱动自行车并且在新电池和驱动机械马达技术成熟发展之下，电动自行车应运而生。海外发展较早的要数日本、奥利地、德国、台湾等国家和地区，近几年美国发展也比较快。国外的电动自行车主要是作为一种轻松代步及休闲健身工具。例如，在大型的停车场、超市和旅游区里使用。从1994到1999年6年时间中，全球电动自行车数量，从3.6万辆剧增1600万辆，如按2%算，电动车
3、需要量会在30万辆以上。同时，东南亚、中东、印度增到50万辆，而在2000年，仅日本就需要50万辆。总体来说，电动自行车在全球的潜在市场很大，并呈上升趋势。 日本电动车的生产及技术都占世界领先地位，商品化的电动自行车由日本雅马哈公司率先于1994年推出，并随着本田、三洋、松下等知名公司的参与，生产规模日益放大。但日本对电动自行车的使用管理上采取了严格限制，日本只许智能型电动自行车上路，并对智能型电动自行车的要求制定了很严格规定。具体有:在任何路况情况下，速度小于15km/h时，人力:电助力大于等于1，即电助力不允许大于人力，但电助力接近于人力;在任何路况情况下，速度大于15km/h时，速度每增
4、加1km/h，电助力下降1/9;速度小于等于24km/h时，整车电助动系统关闭;人力蹬踏开始后1秒钟之内，电助动系统按上述开始要求工作:人力蹬踏停止后l秒钟之内，整车电助动系统关闭;为了节约电能，智能型电助自行车停止运行一定时间(一般为3一5分钟)后，整车处于休眠状态。 台湾因前些年对摩托车未加任何限制，以至达到500辆/千人的饱和程度，随之带来严重的交通混乱及污染，因此台湾台中成立的“电动自行车用铿电池技术发展策略联盟”制定了统一的电池标准。1.2.2我国电动自行车发展情况 我国电动车发展在九十年代前基本都依靠进口，如高尔夫球车、游览观光车等。自九二年以来，我国有了自行研制和生产的电动车产品
5、，通过近10年的发展，现已初步形成以江苏益高电动车、山西美猴王电动车、广州朗晴电动车、深圳飞豹电动车、济南赛尔电动车、山东火云电动车、山东澳柯马电动车、中国二汽电动车等一大批具有实力和规模的电动车生产厂家，现已在国内市场推出的有:电动摩托车、电动游览车、电动高尔夫球车、电动观光车、电动汽车、电动载货车、电动救援车、电动助行(代步)车、电动滑板车、电动自行车、家庭生活车等。从电动车产业的产品分类，可分为二类，即:四轮电动车和二轮电动车。从电动车的目标市场来分析，四轮电动车的目标市场为:火车站、仓库、房地产会所、旅游景区、医院、邮局、公园、运动场所、大型工厂、大型商场、机场、码头及大卖场等。 我国
6、的电动自行车发展始于上个世纪90年代末，1997年开始出现商业化，年销量不足1万辆，1998年为5.4万辆，从2000年开始得到快速发展，据中国自行车协会统计，2004年全国销量已突破750万辆，历年累计的销量达到1500万辆，自行车走向电动化已经成为一个现实。虽然，有许多城市至今仍不肯承认电动自行车的交通地位，至今仍将其列为“禁止销售”和“禁止上牌上路”的产品。但是，在我国的绝大多数城市和农村，电动自行车已经人们习惯的个人交通工具，己经深深地溶入了社会生活之中。由于政策管理法规的滞后，一种被称为“电动摩托车(电摩)”的电动车从2003年开始浮出水面，取消了已经成为摆设的人力骑行功能，电池容量
7、扩大1.52倍，同时，全面采用摩托车的轮系、制动系统和减震系统，电机功率也提高1.52倍，最高时速接近40km/h。这种“电摩”一登场，就像是一个“坏小子”，每到一处立即引起一阵动荡，强烈地冲击着电动自行车的市场，特别是在中小城市和广大农村，它很快成为基层消费者喜欢的电动交通工具。受汽油涨价的推动，人们也切实体会出电动交通工具的节约，“电摩”大有取代“正宗摩托”的势头。据不完全统计，仅 2004年一年，这种“电摩”的总销量达到了几百万辆。当然，它也不能再称为电动自行车了，因其己不具备人力骑行功能，车轮系统、制动系统、避震系统、灯光系统己全面采用摩托车配置，外型也不像自行车。1.3本设计的主要任
8、务本设计的主要任务：整车造型设计，零部件的选择和计算依据，整车要符合人-机工程学，包括操作方便宜人，调节省力有效，照明适度，显示清晰，造型美观，色彩和谐，维护保养容易。第二章 人机工程学2.1人机工程学的研究内容2.1.1人机工程学的定义 人机工程学是从20世纪50年代开始发展起来的一门新兴的边缘学科。在我国本学科处于初级阶段，人机工程学研究的是人和机器的相互关系的合理方案，即人的直觉显示、操作控制、人机系统设计和布置、作业系统的组合等进行有效的研究，其目的在于获得高的效率及人在作业时感到安全和舒适。人机工程学是从人的生理和心里出发，研究人、机、环境的相互关系和相互作用的规律，以优化人-机-环
9、境系统的一门学科。2.1.2人机工程学的基本概念 人机工程学作为一门新兴学科，在他的自身发展过程中，有机的吸收和融合了各种相关学科的理论，不断的完善了本学科的基本概念、理论体系、研究方法、技术标准和规范。为了准确的理解人机工程学的基本理论，掌握其在车辆工程领域的应用下面对人机工程学的概念给出准确说明。 1.人机系统 机器是为人服务的，任何机器，设备和器具。都需要人来操纵、监控和使用，即使是高度自动化的机器，在正常运行中不需要人来进行一般的操纵，机器的开动、监视以及出现异常或特殊情况下，还是需要人来处理。人和机器相互作用、相互配合和相互制约，才能共同完成规定的任务，实现预期的功能。将人与机器联系
10、起来，视为一个整体和系统，就称为人机系统。人机系统处于一定的环境中，并与周围环境发生相互作用。 广义而言，人机系统就是指“人”与其他所对应的“物”共处于一个时间及空间时所构成的系统。人机系统中“人”指的是在所研究的系统中参与系统过程的人；”机”则泛指一切与人同处于同一环境中，并与人交换信息，物质和能量，供人使用的物，“机”可以是机器，也可以是物品；“环境”指的是“人”、“机”、共处的、对人和机有直接或间接影响的周围外部条件。在“人”“机”间的信息、物质及能量的交换中，一般以人为主动，首先是人感受到机器及环境的作用于人的感觉器官的信息，由体内传入神经到达大脑皮层，在大脑分析器中经过综合、分析、判
11、断、最后做出决策，在由传出神经将决策信息传入人的执行器官，执行器官的动作向机器发出人的指挥命令或伴随着操作向机器传递能量，机器接受操作信息或操作能量后，将按照自己的规律做出相应的调整或输出，并将其工作和运行的情况用一定的状况表示出来，在反作用于人，整个系统将这样的循环过程中实现人所希望的功能。2.人机界面 人机系统中，“人”“机”之间能够相互施加影响，实现相互作用的区域，称为人机界面。人通过感觉器官接受外部的信息、物质和能量，又通过人的执行器官向外界传递人发出的信息，物理和能量。因此，机器及环境中参加者两个过程的一切领域属于人机界面。 接于人机界面的性质，可将人机界面分为以下三种： 第一类控制
12、系统人机界面 如汽车驾驶系统，飞机驾驶系统等。这类人机界面的特点是通过显示器（主要是视觉和听觉显示器）将机器的运转信息传递给人，人通过机器上的操作装置对机器传达控制指令，使机器按人所规定的状态运行。 第二类直接作用型人机界面如座椅、家具、服饰、手动工具等。这类人机界面的特点是“人”“机”直接相互作用，要求“机”适合人体的形态、尺寸及操作能力，使人在使用时用力适当，感觉舒坦、操作方便和安全可靠。 第三类间接作用型人机界面如照明、震动、噪声、小环境气等。这类人机界面的特点是“机”的输出通过对环境的影响，间接作用于人的心理，心理过程，从而影响人的舒适、健康和生命安全。 上述分类只是为了说明人机界面的
13、特点，各类之间并不是毫不相关的，在实际人机系统中，往往兼有各种人机界面，且相互之间相互影响。例如在汽车的驾驶室的人机系统中。显示控制系统属于第一类人机界面，座椅扶手等属于第二类人机界面，而室内的温度、噪声、震动等属于第三类人机界面。座椅、震动、噪声会影响人对控制系统的操纵能力，而错误的控制装置设计又会使人的作业条件恶化，甚至影响行车安全。可见，人机界面之间有着非常复杂的关系。3人机关系 人机关系的基本原则可以归纳为以下两个方面： （1）机宜人 使机器的系统尽量满足使用者的体质、心理、生理、智力、审美以及社会价值观念等素质因素的条件的要求，包括：信息显示即便于接受又易于做出判断：控制系统的尺寸、
14、力度、位置、结构、形式、均适合操作者的需要；工具、用品、器具得心应手，能充分发挥使用效率；人所处的工作环境舒适安全，有利于身心健康，能充分发挥人的功能。 （2）人适机 机器的结构有其自身的规律，操作环境或生活环境也因各种因素而受到某种限制，如经济上的可行性，技术上的可能性，机器本身性能要求的条件等。为了适应环境，往往要求对人因素予以限制和训练，尽量发挥人的可塑性特点，让人去适应机器的要求，以保证人机系统有最优效能。机宜人是有条件的，人适机也是有限制的，在人机系统中，人机之间有着相互依存、相互影响、相互制约的关系。因此，尽管系统是以人为主，但机宜人和人适机之间却有着辨证关系。依据机的客观要求，人
15、适机是学习和训练的问题，这里说的是学习和训练，即包括专门的训练，也包括平时培养的习惯。反之，人们在长期的生活和劳动中形成的操作习惯。反之，人们在长期的生活和劳动中形成的操作习惯又会成为机宜人的条件，制约机器控制系统的设计。 人机系统中的机宜人和人适机是相对的，首先是机宜人的程度问题，即机能满足人的程度，人的因素中某些方面可以量化，可以提供基本的圉值的均值，但也有很多因素难以准确量化，如情绪、审美心理、社会价值观等，而且这些因素又是随着时代的进步而变化的，何况人的许多因素也会因为因时、因人、因年龄不同而变化，即使是同样的机器，系统的可靠性也因人的因素而变化。其次是机宜人的条件问题，机器也在不断发
16、展，总的来说，机宜人的程度不断提高。随着科学技术的发展，人机系统越来越强大，自动化程度也越来越高，控制系统越来越智能化，人与机器的的关系由人直接与机器共同参与生产工程转变为人远离生产过程，由人直接控制机器，变为人与机器对话，人机界面逐渐由体力型转变为心理型，对操作者的文化程度、诊断与决策能力的要求越来越高，。 实际上，任何一个人机系统要尽量做到机宜人，也要设计到人适机。调整这种人机相互匹配关系最根本的制约条件就是人的可能性与人的可靠性。研究人的可能性是为了在人机功能分配中，使人的负荷控制在人的正常阈值范围之内。研究人的可靠性市为了在人机系统中，充分考虑到人的生产失误时，在确保人身的安全前提下，
17、不致影响系统的功能。2.1.3人机工程学的研究对象人机工程学的研究对象是人-机-环境系统，简称人机系统。人机工程学要研究人-机-环境系统各部分的总体属性，以及人机环境的相互关系的规律。2.1.4人机工程学的研究内容 人机工程学是一门综合性的边缘学科，其基础理论涉及到许多学科。属于有关技术工程学科有着密切的关系外，还有人体解剖学、人体测量学、劳动卫生学、生理学、心理学、安全工程学、行为科学、环境科学、技术审美等有设密切的联系。人机工程学的应用范围十分广泛，从日常用品到工程建筑，从大型机具到高科技产品，从家庭活动到工业系统，各个方面都在运用人机工程学的原理和方法，解决人机环境之间的相互关系和系统的
18、优化问题。人机系统的构成，可以分为人、机、环境三个子系统。对三个字系统的研究，各自独立为一门学科，即人的科学、科学工程科学及环境科学。这三个子系统中两两相互交织，又构成三个交叉系统，如图2-1所示 人人-机人-环境人-机-环境机机-环境环境 图2-1人-机-环境系统的构成示意图 根据系统学的第一定律，系统的整体属性不等于部分属性之和，其具体情况取决于系统的组织结构及系统协同作用的程度，因此，对人机工程学而言，即需要对人机环境每个部分的属性进行深入的研究，又需要对人机环境系统的整体结构及其属性进行研究，以达到整体优化的目的。 总体上，人机工程学由以下两个学术研究方向构成； （1）研究和试验 确定
19、工程设计所必须知道的有关人的特性具体特征参数。 （2）应用和工程 设计宜人化的用品、工具、机器、环境程序、工作任务等。1人的特性的研究 人是人机系统中最重要的、最活跃的环节，同时也是最难控制的环节。对人的特性的研究，是人机工程学的基础。人的特性研究可大体归纳为以下九个方面。 (1)人体尺寸及人体测量技术 人体尺寸包括静态尺寸和动态尺寸。研究人体尺寸及人体测量技术的基础学科是人体测量学。 (2)人体的力学性能 人体力学性能包括人在各种状况下，其质量特性、质心位置、肢体运动速度、人的体力和耐力等参数的变化规律。研究人体力学性能的基础学科是人体生物力学 (3)人的劳动生理能力 人的劳动生理功能包括人
20、的体力负荷、脑力负荷、人体反应及疲劳机制等内容。研究人的劳动生理功能的基础学科是劳动生理学。 (4)劳动中人的心理过程 主要研究劳动中人的心理调节特点、心里反射的机制、心理负荷及疲劳的心理机制等内容。研究劳动中人的心理过程的基础学科是劳动心理学。 (5)人的信息传递功能 主要研究人对信息的接受、传递、存储、加工和输出的能力及其机制，为系统的系统编码、信息显示及控制装置的设计提供依据。研究人的信息传递能力的基础学科是工程心理学。 (6)人的可靠性 主要研究人在正常情况下产生失误的可能性，为系统的可靠性设计提供依据。对人的可靠性的研究是人机工程学特有研究方向之一。 (7)人员选拔和训练 研究人的及
21、本素质的测试与评价、人员的选拔和训练等。 (8)人的动作时间研究 研究人的操作动作，寻求改善作业的途径，进行人的操纵动作的合理设计。 (9)人体模型 研究人的数学模型、物理仿真模型、人体模板等。 2机的特性的研究 机的因素有很多，在此主要对机械、电气系统进行归纳，在一定程度上也有普遍代表性。这方面的基础学科主要有机械、电子、电器、仪表、材料、建筑等工程技术学科。 机的特性的研究内容可概括为以下五个方面。 信息传达技术 包括仪表显示、声音信息传达、触觉信息传达、图形符号传达、编码方法等。 操纵控制技术 包括操纵装置、控制装置、控制系统、键盘技术等。 安全保障技术 包括冗余性系统、机器保险装置、防
22、止人的操作失误及失职的设施、事故预警预防方法、救援方法、安全保护措施、机器的放错设计等。 动力仿真技术 包括受控对象的动力学建模、数学仿真技术、物理仿真技术等。 宜人化技术 主要是改善人的舒适性及使用方便性技术，如振动机噪声的控制和隔离，座椅及用具的宜人化设计等。3环境特性研究 环境是十分广泛的概念，包括生产环境、生活环境、室内环境、室外环境、自然环境、人造环境等。概括起来，可以将环境归纳为两种形式；一是空间形式，即占有一定空间，包围在人的周围，给人以影响；另一种是实践形式，它在人的活动过程中发生、发展和变化，并给人以影响。这两种形式在某些情况下可随客观条件的变化而相互转化。有时可用延长作业时
23、间的方法来弥补作业空间的不足；反正，也可以用作业时间的紧迫。 环境特性的研究内容可归纳为以下五点：（1） 作业空间 如场地、厂房、机器布局、作业线布置、道路及交通、紧急脱险方法等。（2） 物理环境 包括噪声、震动、照明、温度、气压、辐射等各种物理条件。 （3） 化学环境 包括有毒物质、化学性有害气体及水质污染等。（4） 生物环境 包括细菌污染及原微生物污染。（5） 美学环境 如造型、色彩、背景、音乐等。4人-机关系的研究（1） 人机系统功能分配 研究系统中人的功能与机的功能之间的联系和制约条件，研究人机之间的功能分配方法。（2） 人机界面优化匹配、人机界面优化设计等方法。（3） 人机系统特性协
24、调 研究机器的工作特性对操作之的身体、心理、文化素质以及专业技术的要求，研究人的职业适应性、事故倾向性等。（4） 人机系统的可靠性 研究人机系统的可靠性设计和评价方法。（5） 人机系统安全性 研究人机系统的安全性标准、评价方法、设计参数、以及典型安全防护技术等问题。5人-机-环境系统总体性能的研究 研究人-机-环境系统的基本目的是为了获得系统的最优效果，即整个系统具有高的功效、高的安全性，对人有高的舒适度及很好的生命保障功能。最优效果可概括为“安全、健康、舒适、高效”八个字。 人-机-环境系统总体性能的研究内容包括；系统总体性能的分析、评价：数学模型的建立：仿真技术的应用；优化设计方法等。 综
25、上所述，人机学的主要研究内容可以概括为： 机器系统中直接有人操作或使用的部件，应设计成便于操作者有效使用，以保证人机系统的工作效能达到最优。 从保证人的安全、健康和舒适和高工作效率出发，提出环境控制和安全保护装置的设计要求。 人机系统总体设计的最优化。2.2人机工程学的发展史 自人类社会开始，就有了原始的人机关系人与器物的关系。原始人狩猎用的棍棒、石块或投枪，其尺寸、重量总是与人的体能相适应。大约两千四百多年以前的战国时期，我国就出现了第一部科技汇编名著考工记，它的历史与科学价值远文中外。 第一次产业革命时期以蒸汽机的广泛使用为标志，以机器为主题的工厂取代了以手工劳动为主体的手工工厂。生产技术
26、发生了根本变化，从手工进入了机械时代，这一时期，法国在纺织业机械上使用了穿孔卡片进行程序控制和英国设计蒸汽机的调速器为代表，开始实现自动控制和调节。于此相适应，人机工程学开始由经验逐步上升为科学。德国学者进行了著名的肌肉疲劳试验，他通过测量流经人体的微电流的变化对人体的劳动疲劳进行研究，该项研究可以说是科学人机工程学的开端。 第二次产业革命时期，以内燃机贺电冬季的广泛应用为标志，生产技术从机械时代进入电气时代。美国学者进行了慕名的铁锹铲没作业的实验研究，从人机工程学的角度找出了铁锹的最优设计及铲运松散颗粒材料是每一铲最适宜的重量。 以电子技术的广泛应用为标志为主要标志的第三次产业革命开始以来，
27、随着工业技术的发展，工程技术设计中与人的因素有关的问题越来越多，人机协调问题显得越来越中药，从而促进人机工程学的研究和应用得到广泛而迅速发展。 人机工程学强调产品的“宜人性”，强调适合人的解剖、心理、生理条件，归根结底，可以回归为两个极朴素的要求；第一，看到它，马上知道他是做什么用的；第二，比较容易弄清楚该怎么用。这两项要求是关于产品的“认知”问题，现在已经成了专门的研究方向，叫做“产品语言学”。其实从古代到近代机械科技的年代，产品的功能特征一般是很直观的，并不存在多少突出的认知问题。但是进入电子科技年代以来，情况发生了比较大的变化，如今充满市场的各种电子产品，几乎全是大大小小的方盒子，如随身
28、听、微波炉、洗衣机等。科教、工业、医疗机械、类似情况更是比比皆是。产品的形象，失去了和他功能之间的联系，这显然不符合人们期望赋予物质产品多一些精神价值的要求。产品的使用方法也存在同样的状况；大量的电子产品，其操作差不多都是按钮，一些产品上一排排的按钮常使人不知所措，有些产品的按钮如果按错，还会引起事故。人机工程学家认为，应及时唤起设计界，、工业界对产品认知问题的警觉。“产品语言学”的研究目前正方兴未艾，将是人机工程学今后发展的重要方向之一。2.3机器设计中的人体因素在机器设计中特别是机动车辆设计中，着重考虑的人体因素大致可分为以下五个方面；（1） 人体做作业负荷的耐受性 机器运转及其工作环境条
29、件对操作者造成的体力和精神上的负担，叫做作业负荷。人体对作业符合的耐受性是机器设计中必须考虑的因素。机器的操作及机器的运转所造成的环境因素，都必须合理控制，使之适合人的生理和心理特征，至少要为人体所能忍受，力争处于人体舒适范围以内。（2） 人体尺寸 人体尺寸的静态和动态测量数据，是合理设计操作者的作业空间、操作姿势、操纵机构及操作座椅的基础。只有充分考虑人体尺寸的设计，才能使操作者工作时处于舒适的状态和适宜的环境之中，达到能量消耗最少，疲劳程度最低和工作效率最高的目标。（3） 人体的生物力学特性 设计适合于操作者使用的操纵机构，确定合理的操纵力、操纵速率、操纵位移、操纵节拍和操纵准确度等，都必
30、须以人的生物力学特性为依据，方能实现人机关系的优化匹配。（4） 人的感知响应特性 人的感知响应过程实质是信息向人体的输入、传递和人对信息的分析、处理并作出响应的过程，是人-机-环境的中心环节。它关系到人与机器的安全、人的健康和舒适、操纵质量及作业效率等一系列问题，是机器设计所必需考虑的重要因素。（5） 人的适宜劳动姿势 操纵着在工作中保持舒适、自然和方便操纵的劳动姿势，将有利于身体健康、有助于减轻疲劳、提高工作质量和劳动生产率。因此，机械设计时必须首先确定操纵着的工作姿势和体位，然后按照使人体保持最适宜的劳动姿势要求，合理设计机器系统及其有关部件。第三章 车体部分 车体部分是整车的主体部分，既
31、是全部零件的安装主体，又是决定整车骑行性能的关键部分。其主要包括车架、前叉、车把三个部分。3.1车架结构形式与安装尺寸 车架时电动自行车各零部件安装依附的主体部件，车架的结构决定了自行车的类型，也是人们选购电动自行车的重要依据。3.1.1 车架结构形式选择刚性车架，结构类型为U形，车架结构如图3-1所示 图3-1 U形刚性车架3.2车架前叉结构参数的选择电动自行车和自行车的用途不同，结构千变万化，但有一个共同的要求：骑行轻快。自行车要求骑行轻快，尽可能减少骑行者的体能消耗。而电动自行车同样要求骑行轻快，并要达到两个目的：减少蹬踏骑行时的体能消耗；在电动或助动骑行时尽可能减少蓄电池电量的消耗，延
32、长一次充电后的续驶里程。因此，不论电动自行车还是自行车，对车体性能设计的要求是一致的。电动自行车与自行车，车架与前叉设计总体结构及各项参数的选择基本相似。整车设计应该重点考虑：立管倾斜角与立管高度；前管倾斜角；前叉翘度。3.2.1立管倾斜角（A）立管与夹角的大小决定于人体在自行车上骑坐的位置（重心的位置）,该角度越大立管就越向前倾斜，导致人体重心就越向前移,在脚蹬着力点相同的情况下，就使骑车人感觉轻快省力。具体分析如图3-8所示： 图3-8立管角度分析 当立管倾斜角由A增加到A1时，即立管1向前倾斜至立管2的位置，如此时保持对脚蹬的踏蹬力大小不变，从图9中可以看出，由于立管位置的变化，就使得两
33、个不同位置所产生的合力方向发生变化，即合力F与P。随之，每个合力所分解的垂直分力和水平分力的大小都在变化。 其受力大小变化如下; (1)立管1和立管2对脚蹬的合力F=P。 (2)立管1产生的合力分解的垂直分力为F1；分解的水平分力F2。 (3)立管2产生的合力分解的垂直分力为P1+F1;分解的水平分力为P2。 (4)立管1所产生的水平分力F2P2。 (5)立管2所产生的垂直分力P1+F1F1。 下面对以上内容小结如下： (1)随着立管倾斜角的加大，人体重心前移，垂直分力加大，有利于人体力量的发挥，骑行时会感到轻松省力。(2)在立管长度不变的情况下，随着立管倾斜角的加大，前、后轮距加大。(3)由
34、于人体重心前移，人体双臂的支撑力加大，骑行的稳定度也随之下降。从上述看立管倾斜角的大小对骑行有很大影响，但立管倾斜角度的加大是有限度的。不同类型的自行车，应采用不同的角度对于电动自行车，由于车身重、速度快，以使用普通型自行车的角度（角度在6263.5）为宜，取63。3.2.2立管高度的选择 立管高度（也称立管长度）的选择与不同类型车、人腿的长度和曲柄的长度有关。原则是：在骑行脚踏时，一条腿处于基本伸直状态（稍有弯曲，留有余地），而另一大腿与小腿处于基本垂直状态，这样设置伸直的腿可以得到放松，而另一条腿正处于踏蹬最有力的状态。立管长度可以应用公式进行初步计算，即：立管长度=腿长0.65。 对于电
35、动自行车立管长度的设计，考虑到骑行过程大部分时间时电动骑行或助力骑行，只有在蓄电池电力不足的情况下才会完全依靠脚踏骑行。因此立管长度在上述计算的基础上适当减短，以最大可能做到骑行的舒适和骑行的安全。 立管长度=10.65=0.65m 取立管长度为0.6m。3.2.3前叉倾斜角度与前叉翘度 如图3-9所示，车把锁紧在前叉立管中，前叉通过轴承安装在车架前管中，前叉将随同车把的转动而转动，因此它们同处于一个中心线。图3-9 前管倾角与翘度 前叉翘度是指前叉立管轴线(即车把管轴线)至前叉嘴中心的垂直距离。 (1)前管倾斜角(车把轴线与地面角度)的选择方法。图3-10中所示的是GB 3565-2005自
36、行车安全要求推荐的数据。从图中可看出，在车把轴线与前车轮轴心对地面垂直线有一个交点，该交点只要在标注的允许范围内就可以满足要求。这个允许范围是从地面量起的，不小于车轮半径的15%，不大于车轮半径的60%。例:根据所用车轮直径为660mm，按两个百分数计算出下限为50mm，上限为198mm。如果选择的角度与车轮中心对地的垂线交点，经从地面测量其值为150mm，在50mm和198mm之间，因此就可以确定角度选择合理。但车把中心线的位置又决定于前叉的翘度。图3-10 倾角选择图(2)前叉翘度。前叉翘度是指前叉腿中心与前叉嘴的垂直距离。 图3-11显示出两种不通翘度的前叉：前叉1、前叉2。图3-11倾
37、角选择分析 设:前叉1和前叉2使用的车架前管倾斜角相同。 前叉1翘度为0，即前叉立管与前叉嘴在同一中心线;前叉2翘度为X，即前叉立管与前叉嘴不在同一中心线，其垂直距离为X。 两个不同翘度的前叉作用在前车轮轴上的合力P1=P2 从图中可以看出:前叉1翘度为零，合力P1分解为垂直分力F1+G1和水平分力F2。前叉2翘度为X,合力P2分解为垂直分力G1和水平分力G2。 小结。前叉1翘度为0，合力P1产生的垂直分力F1+G1大于P2产生的垂直分力G1。前叉2翘度为X，合力P2产生的水平分力G2大于P1产生的水平分力F2。 翘度大小各有不同的特点。翘度加大可使骑行轻快。因为翘度加大，水平分力加大，加大了
38、向前行走的力量，这样就会使骑行人感到轻快省力和舒适。 翘度加大后前叉转动迟钝。从图3-11中可看出，车把转动时，由于有翘度，就使得车把旋转中心与前轮旋转中心有一段距离L(与翘度相等)，这段距离就是前轮转动力臂。要使前轮转向，就得在转动车把时，加大旋转力矩克服由于翘度产生的转动力矩带来的阻力，因而造成翘度加大后使人感到前叉转动迟钝，但相反能使车把操纵更加稳定。 从上述分析看，前叉翘度加大有利有弊，这就要求我们根据不同车型、不同用途做到总体安排。这里列举两个翘度选择极限尺寸的车型:杂技车和人力三轮车。前者翘度为0，就是要其操作的灵敏度，在表演过程中可随意地使前轮旋转360。而后者翘度最大，就是为骑
39、行省力而且还要使三轮车行走平稳。 根据有关统计资料介绍一组数据。 前管倾角:普通车在6570；轻便车在6672；竞赛车在7374。 前叉翘度:普通车7590；轻便车6480；竞赛车4050。 从以上统计资料数据看有如下特点。 前叉倾角随着对车型骑行操纵的灵敏程度要求越高，倾角值随之加大。 前叉翘度随着对车型骑行操纵的灵敏程度要求越高，翘度值随之减小。 对于电动自行车前管倾角和前叉翘度可在普通车的范围中选用，取前管倾角为70,前叉角度为80。3.3蓄电池安装位置蓄电池在车体上的安装，需要考虑多方面的因素。关键是蓄电池安装位置对整车重心的影响，这是骑行稳定、保证骑行者骑行安全的重要因素。其次，根据
40、所选择的蓄电池类型进行最佳的排列组合，使其适合在狭小的空间安装。这是电动自行车车架与自行车车架设计的最大不同点。由于蓄电池重量与体积都较大，所以选择蓄电池安装在车架立管与后轮之间，这样设置重心降低且与骑车人的重心基本重合，使骑行的稳定性得到进一步的改善，但这种设置增加了中轴与后轮的中心距，为不降低后平叉、立叉的刚度，就需要对后平叉、立叉进行强化处理。3.4前叉前叉部件是整车重要的组成部分。它支撑着前轮，具有转向的功能，可以保持骑行平稳。3.4.1前叉结构 由于电动自行车行驶速度较快，所以选择普通型减震前叉。普通型减震前叉结构如图3-12所示。其中，前叉立管、前叉肩及左、右内套筒等4个零件，通过
41、焊接形成整体;左、右外套筒及过桥3个零件通过焊接，将左、右外套筒连接形成整体。图3-12 普通型减震前叉1前叉立管，2一前叉肩，3一防尘套，4一内套筒，5-滑套，6一外套筒，7一上弹簧座，8一压缩弹簧，9螺钉，10下弹簧座，11一螺母，12一叉脚，13一过桥 普通型减震前叉工作原理。当前轮在行驶中受到地面颠簸或冲击时，前轮便推动两个外套筒向上移动，通过与外套筒焊接在一起的螺母11和下弹簧座10将弹簧压缩，吸收了部分颠簸和冲击能量，因而缓和了颠簸和冲击；反之，当前车轮所受冲击力消失而下落时，弹簧伸长释放能量，通过这样的往复过程，减弱了人体对地面颠簸或冲击带来的震动。3.4.2前叉尺寸图3-13
42、前叉尺寸3.5车把车把与前叉组合一体成为电动自行车的转向机构，同时车把还是支撑骑车人体双臂，保持骑行稳定的重要部分。3.5.1 车把车把结构及尺寸如图3-14所示：图3-14 车把结构及尺寸1把横管，2车把中心垫圈，3车把中心螺母，4把芯丝杆，5把立管，6把套，7把接头车把的把横管与把立管是通过把接头，用螺钉、螺母紧固形成一体的。把横管在把立管上的安装角度可以任意调整，且把横管的品种结构形式繁多，可以根据车型或用户需要进行配置。3.5.2车把中心螺钉车把中心螺钉结构如图3-15所示：图3-16 锥形中心螺第4章 车轮部分4.1轮辋轮辋是将骑车人的蹬踏运动转变为自行车行走的关键零件。轮辋的规格和
43、样式繁多，但是最根本的原则是轮辋要和轮胎配套使用。因此，轮辋与轮胎的配合接口尺寸必须是统一的，并要符合国家标准。选择铝合金钩边轮辋，铝合金强度高于钢材，铝合金比重为2.7g/ cm3，铝合金用于自行车可大大的降低自行车的重量。钩边轮辋截面如图4-1所示：图4-1 钩边轮辋截面4.2前后轴在自行车的传统系统中，前、后轴是前、后车轮的支撑和旋转中心，其结构、质量、运转动状况对自行车的骑行感受有重要的影响。4.2.1前轴前轴结构及尺寸如图4-2所示： 图4-2 前轴1螺母，2垫圈，3轴挡，4花盘，5轴管，6轴棍，7轴碗，8球架，9防尘盖，10螺母 前轴结构：轴身由左右花盘和轴管3件过盈配合而成；轴承
44、由装配在左右花盘中的轴碗、球架、轴挡，通过轴棍与轴身组合，形成一套完整的前轴。同时，通过轴棍两端的螺母和垫圈，将前轴安装紧固在前叉上。4.2.2后轴后轴选择永磁直流轮毂电动机后轴。其结构如图4-3所图4-3 永磁直流轮毂电动机后轴永磁直流轮毅电动机后轴，是电动自行车专用后轴，它是将直流电动机与自行车后轴有机地结合在一起，形成轮毅电动机，直接安装在电动自行车上即可以脚踏骑行，接通电源后，就可以实现电动骑行的目的。第五章 驱动部分电动自行车除电力驱动外，必须要有脚踏驱动系统。脚踏驱动系统是一套典型的链传动机械装置。骑车人以双脚踩踏脚蹬使曲柄和链轮作回转运动，由链轮经链条传递到后轴的飞轮从而带动车轮
45、旋转，驱动电动自行车前行。驱动系统包括：脚蹬、曲柄与链轮、链条、飞轮。5.1脚蹬脚蹬是电动自行车驱动系统的首要环节，骑行者用双脚踩踏脚蹬，驱动自行车前进。脚蹬选择整体脚蹬，其结构如图5-1所示：图5-1整体脚蹬1脚蹬框架，2左、右脚蹬轴，3脚蹬碗，4防尘盖，5螺母，6脚蹬垫圈，7脚蹬挡，84钢球，9反射器，10防尘圈整体脚蹬以脚蹬框架代替了组合型脚蹬由内板、外板、脚蹬皮和橡皮轴，组成脚踩面。脚蹬的旋转部分与组合型脚蹬相仿，但两端的脚蹬碗以过盈配合压入到脚蹬框架内，减少了支撑脚蹬碗的脚蹬管。整体脚蹬结构简单，脚蹬框架一次注塑成型，可以有多种形式，因而适于多品种生产。脚蹬与曲柄装配的螺纹为M141.25。左脚蹬为左螺纹，用L表示;右脚蹬为右螺纹，用R表示。学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的