祁小運論文初稿

1、（2015屆）?？飘厴I(yè)設計（論文）題 目 名 稱： 水上自行車 學 院（部）： 蘇州托普信息職業(yè)技術學院 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 生 姓 名：祁小運班 級： 機械1204 指導教師姓名： 職稱 最終評定成績： 2014 年10月 摘要本文設計了一個新型水上的娛樂工具水上自行車。設計的水上自行車以能量利用率最高為參考要素，通過目前市場上應用較為廣泛的明輪驅動、螺旋槳驅動、噴水驅動對比計算確定螺旋槳最佳驅動方式，通過流體力學分析浮體正常前進時所受的最小阻力，根據(jù)他們之間的速度阻力關系，結合B圖譜螺旋槳設計方法得到最適合螺旋槳基本尺寸。再選用最便捷傳動機構，設計出能量利用率較高的水上休

2、閑交通工具，使得行駛輕松自在。關鍵詞：傳動，自行車，螺旋槳，水上休閑目錄一 緒論3（一）研究背景3（二）發(fā)展前景3（三）研究內容4（四）說明書簡介5二 人機工程設計4（一）結構的擬定71.結構分析7三 船體構造計算9（一）船身阻力分析91.計算雷諾數(shù)92.計算總阻力10（二）船身速度分析10四 螺旋槳設計10（一）設計方法10（二）伴流系數(shù)和推力減額的確定11（三）螺旋槳直徑估算11（四）圖譜計算11五 結束語12參考文獻12致謝13一 緒論（一）研究背景隨著當今科技的迅速發(fā)展，人們生活水平日漸提高，對科技產品的創(chuàng)新得到越來越高的關注，特別是娛樂生活方面的各種娛樂健身產品隨處可見，市場上出現(xiàn)的

3、各種健身娛樂設備多達千種。特別是水上游樂項目，因其獨特的新穎性，在各大中小型公園中得到了廣泛的推廣。水上自行車作為一種創(chuàng)新型水上娛樂產品，被眾多玩家親睞，但由于其生產成本高，效率低下始終不能在市場上在短時間內就能形成一定規(guī)模效應。要較好的經(jīng)濟比較效益，不僅要從設計方面著手提高傳遞效率，還要從制造方面換購，使得盡量多的零件實現(xiàn)大批量生產。因此，為了能充分地發(fā)揮人和機器的作用，使整個人機系統(tǒng)可靠、安全、高效，以及操作方便和舒適，設計人機系統(tǒng)時就得充分考慮人和機器的特征與功能，使之相互協(xié)調配合，構成有機整體，達到生產和工作的最佳效果。在制造方面，由于水上自行車是一種創(chuàng)新型水上娛樂產品，企業(yè)在生產時一

4、般都是采用中小批量生產，使得生產成本較高。但在設計水上自行車時，設計人員可以選擇普通自行車為原參考模型，在此基礎上可以選用大量的原部件，減少了勞動強度，同時依托普通自行車的大批量生產直接降低了生產成本，像鏈輪、鏈條、腳踏板等可以選用通用自行車廠商大批量生產的現(xiàn)成產品。（二）發(fā)展前景水上游樂設備，現(xiàn)在在國內來說，應該還是起步階段，表現(xiàn)在游樂設備游玩場所少、設備單一，能夠參與的人數(shù)少，很多人暫時都還不能夠享受游樂設備所帶來的樂趣。但在近幾年也有發(fā)展的趨勢，隨著城市建設速度的加快，各各地區(qū)都會增設娛樂項目充實景區(qū)建設。水上娛樂設備在近幾年飛速發(fā)展，而今隨著人們日益生活的需要，市場對適用的水上自行車的

5、需求將越來越迫切。故水上自行車的研究設計意義深遠。（三）研究內容課題的設計要求：設計便捷舒適的水上自行車，能量利用率高：1. 單人駕駛無副座位2. 設計載人重量為80kg3. 有便捷轉向機構在此次課題研究的主要內容是，設計符合上述條件的水上自行車，分析設計要求主要工作內容有：a) 船身基礎造型特征分析b) 水下推進器的選擇分析c) 傳動系統(tǒng)的設計d) 導向系統(tǒng)的設計e) 密封裝置選擇 二 總方案分析與擬定（一）方案分析按設計要求，此處設計的水上單人自行車主要從效率和使用性能兩個方面分析，整體構成由以下幾大模塊：1.船身在行駛中，船身的造型對整個行駛的效率有著很大的影響，因為車身的造型直接影響到

6、的是行進的阻力。此處設計的水上自行車的造型達到最小阻力位佳，通過流體學，我們可以針對各種造型在水中進行時所售的阻力進行分析，然后核定。2.傳動系統(tǒng)通過機械設計我們可以比較確切的分析各種傳動系統(tǒng)的傳動關系進而計算出總傳動系統(tǒng)的傳動效率進行核算。 3.推進系統(tǒng)這里的推進系統(tǒng)可以引用為船舶推進器，船舶推進器是船舶上提供推力的工具，它的作用是將船舶動力裝置提供的動力轉換成推力，推進船舶。推動船舶前進的機構。它是把自然力、人力或機械能轉換成船舶推力的能量轉換器。推進器按作用方式可分為主動式和反應式兩類?？咳肆蝻L力驅船前進的纖、帆（見帆船）等為主動式，槳、櫓、明輪、噴水推進器、螺旋槳等為反應式?，F(xiàn)代運輸

7、船舶大多采用反應式推進器，應用最廣的是螺旋槳。 具體的水下推進系統(tǒng)有以下幾種：（1）明輪 蹼輪局部浸沒于水中的推進器。其水平軸沿船寬方向裝置于船體水線之上，輪的周緣裝若干蹼板。蹼板分定蹼和動蹼兩種。定蹼式蹼板沿徑向固接于輪輻上，蹼板在入水和出水時擊水消耗能量大，效率低。動蹼式蹼板可調節(jié)入水和出水角度，效率較高。明輪因機構笨重，占用空間大，風浪中不易操縱，容易損壞，已為螺旋槳所取代。 （2）噴水推進器一種水力反作用式推進器。用裝于船內的水泵自船底吸水，經(jīng)噴管向后噴射受到水的反作用力而產生推力。其機械部分裝于船內，得到良好保護。噴管方向可變,便于船舶操縱。但噴管因直徑受限制,管路及水泵效率不高，所

8、以整個系統(tǒng)效率較低，又因水泵及噴管中有水增加了船舶重量，所以很少使用。 （3）螺旋槳由槳轂和若干徑向地固定于轂上的槳葉所組成的推進器，俗稱車葉。螺旋槳安裝于船尾水線以下，由主機(見船舶動力裝置)獲得動力而旋轉，將水推向船后，利用水的反作用力推船前進。螺旋槳構造簡單、重量輕、效率高，在水線以下而受到保護。4. 導向機構 正常直線行駛時，導向機構應不構成阻力，設計的導向機構應簡單便捷為好。（二）方案設計目前水上自行車設計各式各樣，這里的設計主要從傳動系統(tǒng)和推進系統(tǒng)兩個方面來結合設計。分析以上性能需求，并根據(jù)本設計需要，針對推進器和傳動系統(tǒng)的的設計提出以下暫定方案：方案一：采用一級齒輪傳動，明輪驅動

9、。當腳踩動踏板帶動齒輪1、2傳動使得明輪3、4轉動拍打水面產生向前的驅動力驅動船前進。方案二：采用鏈和錐齒輪的傳動系統(tǒng)，螺旋槳驅動。當腳踩動踏板帶動齒鏈輪輪1、2轉動，通過錐齒輪3、4改變軸轉動位置，帶動螺旋槳5轉動，產生向前的驅動力驅動船前進。二 動力結構設計（一）結構的擬定1.結構分析根據(jù)設計要求，人在與自行車互動的過程中分別有臀部與鞍座接觸、手掌與車把接觸、腳底板與腳踏板接觸，其中腳踏板踩動連扛做旋轉運動做功。影響自行車性能的因素除了上述人的因素外，還有許多機械因素。為了獲得自行車較佳的性能，必須把人的因素與機械因素有機地結合起來，以使人一車協(xié)調。為此，著重分析與人體相關的結構要素。（1

10、）速比大小鏈輪的齒數(shù)比，與鏈輪直徑比相一致，一般控制在2.3-4.0的范圍內。利用速比關系可取得騎行時所必要的功率和必要的速度。速比要合適，如果太小，無論人的肌力有多大，由于不能充分提高轉速，所以就得不到大的輸出功率。也由于速比小，在限定的曲柄轉速下，得不到必要的騎行速度（后輪轉速）。速比過大時，要求的踏力也大，容易使人疲勞。為了保持不疲倦的持續(xù)騎行，希望肌肉的負擔約為最大肌力的10% ，按此選擇速比和曲柄轉速，可得到比較好的效果。（2）曲柄長度傳統(tǒng)的自行車設計，一般從杠桿原理考慮比較多，對人研究少，認為曲柄越長越有力。曲柄過長后，為了不使腳蹬碰到前泥板，不得不加大中軸至前軸的距離（前心距）。

11、這樣勢必加長車架，影響了正確的坐車姿勢，使人感到臀部痛。若能按人的身長或下肢長來考慮曲柄長度，則可使人省力和舒適。通常曲柄長度的基準，取人體身長的 110 ，也相當于大腿骨長的 12 。（3）三接點位置正確的騎車姿勢，是由騎車人和自行車三個接點位置決定的，如圖1-4(a）中所示的鞍座位置 A 、車把位置B 、腳蹬位置C 。按三點調整法，AB 和AC 約等，一般 AB = ( AC 一 3 ) cm , A點略低于B點，約為5cm 。  圖1-4a（4）鞍座位置鞍座裝得過低，騎行時雙腳始終呈彎曲狀態(tài)，腿部肌肉得不到放松，時間長了就會感到疲軟無力；鞍座裝得過高，騎行時腿部的肌肉

12、拉得過緊，腳趾部分用力過多，雙腳也容易疲勞。騎車時適當?shù)挠昧Σ课皇悄_掌。設計或校正鞍座位置高低最常用的方法，是使手臂的腋窩部位中心緊靠鞍座中部，使手的中指能觸到裝配鏈輪的中軸心為宜。人體各部尺寸都有一定的聯(lián)系，只要腋窩中心至中指的長度確定下來，鞍座高度便可大致確定。行駛較快的車，鞍座位置要向前移動，行駛較慢的車，鞍座位置要向后移動，否則都不利于騎行。（5）腳踏板與地面高度考慮到踩踏時腳尖易劃到船板，故需保持腳踏板與船板的最小高度為一般腳長的1/2。這里取125mm（6）鞍座高度（109%法）在1967年Hamley 和Thomas提出一個更好方法，他們試驗了各種不同的鞍座高度，并且認為理想的鞍

13、座高度的位置是inseam長度的109 。（尺處取為0.83m）（7）車座設計車座后端應根據(jù)人體坐骨結間距來確定,根據(jù)解剖學中的數(shù)據(jù),該寬度應以68cm。車座往后傾一定的角度,使背部適當靠后,降低背部肌肉壓力;但如果角度太大,會使脊椎受傷。所以為了達到坐姿的最小舒適范圍,使前傾角在15°以內坐墊采用透氣、有彈性且不打滑的材料。（本處車座鞍座寬度取8cm，前傾角設計為可調式）。三 船體構造計算（一）船身阻力分析1.計算雷諾數(shù)查得在標準大氣壓下，時水的運動粘度為 密度為計算船體在時的雷洛數(shù)故可判斷為湍流 根據(jù)公式 (1)可得 2.計算總阻力根據(jù)摩擦阻力計算公式先計算出船體低速運行時因摩擦

14、而產生的阻力。把（1）帶入 得 (2) 根據(jù)阻力成分分析，船只低速運行時摩擦阻力占到，此處取 總阻力 (3)（二）船身速度分析 將（1）、（2）、（3）帶入上式得四 螺旋槳設計（一）設計方法本處螺旋槳設計采用圖譜設計方法設計，用圖譜計算性能是比較廣泛應用的方法，其正確性也比較高。圖譜都是從各實驗水池中，通過一系列螺旋槳的實驗而繪制出來的，應用方法也大致相仿，本處采用使用較為普遍的荷蘭瓦茨寧恩水池提供的楚思德B型螺旋槳圖譜（二）伴流系數(shù)和推力減額的確定螺旋槳計算中需要半流系數(shù)和推力減額假設半流系數(shù)是，推力減額是t，則可得出船身的有效效率。尤其是半流系數(shù)若是估算出入偏大，那會影響螺旋槳的“車頭輕重

15、”。一般來說，估算有5%的出入，則螺旋槳有2%的上下，但是目前還沒有精確的計算方法，一下根據(jù)查表可得：船身接近游艇內 故取 =1.0（三）螺旋槳直徑估算受船吃水深度的限制，螺旋槳的直徑應不大于350mm，當已知驅動功率和槳軸轉速，可以用下面式子估算螺旋槳的直徑 為直徑修正系數(shù) =11.6533 （四）圖譜計算根據(jù)圖譜計算時候 由 船進速 負荷系數(shù) 按照頁數(shù)和盤面比查得 下 圖5-6 則最佳直徑五 結束語還記得那次葉老師給我布置這個題目的時候，當時我還挺興奮的，感覺水上自行車很簡單，簡單的幾乎將它當做是第二次課程設計，可正當我著手去做的時候，卻不知道如何下手，于是我開始去圖書館和網(wǎng)上查閱大量有關

16、本課題方面的資料，還有很多和自己專業(yè)都是毫無關系的。通過查詢這些資料，漸漸地我的思維變得開闊起來。我找到了突破口，鎖定了設計所需的主要參數(shù)結合自己的專。業(yè)知識，查詢各種手冊，很快我就完成了初步的建模，使自己的設計逐步完善起來，同時經(jīng)過何老師的指點，改進了很多，每一次改進都是我受益匪淺。從中我了解了機械有太多太多的東西需要學了。雖然我的設計不是很成熟，還有很多不足之處，但我付出了自己的勞動，這是我引以為豪的地方，我相信只有經(jīng)歷過的人才會明白其中的酸甜苦辣。這次設計我學到了很多東西，我感到做好設計是真正用心去做一件事情，是自己真正把自己大學四年來學的東西鞏固和提高的過程，逆水行舟不進則退，希望通過

17、這次經(jīng)歷激勵自己今后學習中取得更大的進步。參考文獻1 濮良貴.機械設計.北京：高等教育出版社，2006.52 朱理.機械原理.北京：高等教育出版社，2004.43 許福玲，陳堯明.液壓與氣壓傳動.北京：機械工業(yè)出版社，2007.54 趙大興.工程制圖.北京：高等教育出版社，20065 張萬奎.機床電氣控制技術.北京：中國林業(yè)出版社，北京大學出版社，2006.86 張福云.TOX 板件沖壓連接技術J .新技術新工藝，1998.57 徐學林.互換性與測量技術基礎.長沙：湖南大學出版社，2009.78 孟憲源，姜琪.機構構型與應用.北京：機械工業(yè)出版社，2004.19 周開利，鄧春暉.MATLAB基礎及應用教程.北京：北京大學出版社，2007.310 龐國星.工程材料與成形技術基礎.北京：機械工業(yè)出版社2005.8電子檔：注：除以上參考資料外還借助網(wǎng)絡查詢水上自行車發(fā)展狀況。致謝腦海里還清晰得記得第一次踏入大學門檻時的情景。但如今我們都將是要離開培育我們三年的蘇州托普學院了，都要去為自己的事業(yè)而打拼奮斗了。一切將重新開始。在大學里學的東西，所做的設計以及實習印象都極其深刻。尤其是這最后的畢業(yè)設計，感覺是在寫一本陌生的小說。在大學里，我認識了這么多老師、同學，感謝每一位老師對我的教導，你們傳授我知識，啟發(fā)我的