祁小運(yùn)論文初稿

1、（2015屆）?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目 名 稱： 水上自行車 學(xué) 院（部）： 蘇州托普信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名：祁小運(yùn)班 級(jí)： 機(jī)械1204 指導(dǎo)教師姓名： 職稱 最終評(píng)定成績(jī)： 2014 年10月 摘要本文設(shè)計(jì)了一個(gè)新型水上的娛樂(lè)工具水上自行車。設(shè)計(jì)的水上自行車以能量利用率最高為參考要素，通過(guò)目前市場(chǎng)上應(yīng)用較為廣泛的明輪驅(qū)動(dòng)、螺旋槳驅(qū)動(dòng)、噴水驅(qū)動(dòng)對(duì)比計(jì)算確定螺旋槳最佳驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)流體力學(xué)分析浮體正常前進(jìn)時(shí)所受的最小阻力，根據(jù)他們之間的速度阻力關(guān)系，結(jié)合B圖譜螺旋槳設(shè)計(jì)方法得到最適合螺旋槳基本尺寸。再選用最便捷傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)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(guān)鍵詞：傳動(dòng)，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?jī)?nèi)容4（四）說(shuō)明書簡(jiǎn)介5二 人機(jī)工程設(shè)計(jì)4（一）結(jié)構(gòu)的擬定71.結(jié)構(gòu)分析7三 船體構(gòu)造計(jì)算9（一）船身阻力分析91.計(jì)算雷諾數(shù)92.計(jì)算總阻力10（二）船身速度分析10四 螺旋槳設(shè)計(jì)10（一）設(shè)計(jì)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(jì)算11五 結(jié)束語(yǔ)12參考文獻(xiàn)12致謝13一 緒論（一）研究背景隨著當(dāng)今科技的迅速發(fā)展，人們生活水平日漸提高，對(duì)科技產(chǎn)品的創(chuàng)新得到越來(lái)越高的關(guān)注，特別是娛樂(lè)生活方面的各種娛樂(lè)健身產(chǎn)品隨處可見(jiàn)，市場(chǎng)上出現(xiàn)的

3、各種健身娛樂(lè)設(shè)備多達(dá)千種。特別是水上游樂(lè)項(xiàng)目，因其獨(dú)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(lè)產(chǎn)品，被眾多玩家親睞，但由于其生產(chǎn)成本高，效率低下始終不能在市場(chǎng)上在短時(shí)間內(nèi)就能形成一定規(guī)模效應(yīng)。要較好的經(jīng)濟(jì)比較效益，不僅要從設(shè)計(jì)方面著手提高傳遞效率，還要從制造方面換購(gòu)，使得盡量多的零件實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。因此，為了能充分地發(fā)揮人和機(jī)器的作用，使整個(gè)人機(jī)系統(tǒng)可靠、安全、高效，以及操作方便和舒適，設(shè)計(jì)人機(jī)系統(tǒng)時(shí)就得充分考慮人和機(jī)器的特征與功能，使之相互協(xié)調(diào)配合，構(gòu)成有機(jī)整體，達(dá)到生產(chǎn)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(lè)產(chǎn)品，企業(yè)在生產(chǎn)時(shí)一

4、般都是采用中小批量生產(chǎn)，使得生產(chǎn)成本較高。但在設(shè)計(jì)水上自行車時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以選擇普通自行車為原參考模型，在此基礎(chǔ)上可以選用大量的原部件，減少了勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)依托普通自行車的大批量生產(chǎn)直接降低了生產(chǎn)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(chǎn)的現(xiàn)成產(chǎn)品。（二）發(fā)展前景水上游樂(lè)設(shè)備，現(xiàn)在在國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)，應(yīng)該還是起步階段，表現(xiàn)在游樂(lè)設(shè)備游玩場(chǎng)所少、設(shè)備單一，能夠參與的人數(shù)少，很多人暫時(shí)都還不能夠享受游樂(lè)設(shè)備所帶來(lái)的樂(lè)趣。但在近幾年也有發(fā)展的趨勢(shì)，隨著城市建設(shè)速度的加快，各各地區(qū)都會(huì)增設(shè)娛樂(lè)項(xiàng)目充實(shí)景區(qū)建設(shè)。水上娛樂(lè)設(shè)備在近幾年飛速發(fā)展，而今隨著人們?nèi)找嫔畹男枰?，市?chǎng)對(duì)適用的水上自行車的

5、需求將越來(lái)越迫切。故水上自行車的研究設(shè)計(jì)意義深遠(yuǎn)。（三）研究?jī)?nèi)容課題的設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)便捷舒適的水上自行車，能量利用率高：1. 單人駕駛無(wú)副座位2. 設(shè)計(jì)載人重量為80kg3. 有便捷轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在此次課題研究的主要內(nèi)容是，設(shè)計(jì)符合上述條件的水上自行車，分析設(shè)計(jì)要求主要工作內(nèi)容有：a) 船身基礎(chǔ)造型特征分析b) 水下推進(jìn)器的選擇分析c) 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)d) 導(dǎo)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)e) 密封裝置選擇 二 總方案分析與擬定（一）方案分析按設(shè)計(jì)要求，此處設(shè)計(jì)的水上單人自行車主要從效率和使用性能兩個(gè)方面分析，整體構(gòu)成由以下幾大模塊：1.船身在行駛中，船身的造型對(duì)整個(gè)行駛的效率有著很大的影響，因?yàn)檐嚿淼脑煨椭苯佑绊懙?/p>

6、的是行進(jìn)的阻力。此處設(shè)計(jì)的水上自行車的造型達(dá)到最小阻力位佳，通過(guò)流體學(xué)，我們可以針對(duì)各種造型在水中進(jìn)行時(shí)所售的阻力進(jìn)行分析，然后核定。2.傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)我們可以比較確切的分析各種傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)關(guān)系進(jìn)而計(jì)算出總傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率進(jìn)行核算。 3.推進(jìn)系統(tǒng)這里的推進(jìn)系統(tǒng)可以引用為船舶推進(jìn)器，船舶推進(jìn)器是船舶上提供推力的工具，它的作用是將船舶動(dòng)力裝置提供的動(dòng)力轉(zhuǎn)換成推力，推進(jìn)船舶。推動(dòng)船舶前進(jìn)的機(jī)構(gòu)。它是把自然力、人力或機(jī)械能轉(zhuǎn)換成船舶推力的能量轉(zhuǎn)換器。推進(jìn)器按作用方式可分為主動(dòng)式和反應(yīng)式兩類?？咳肆蝻L(fēng)力驅(qū)船前進(jìn)的纖、帆（見(jiàn)帆船）等為主動(dòng)式，槳、櫓、明輪、噴水推進(jìn)器、螺旋槳等為反應(yīng)式?，F(xiàn)代運(yùn)輸

7、船舶大多采用反應(yīng)式推進(jìn)器，應(yīng)用最廣的是螺旋槳。 具體的水下推進(jìn)系統(tǒng)有以下幾種：（1）明輪 蹼輪局部浸沒(méi)于水中的推進(jìn)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(dòng)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(shí)擊水消耗能量大，效率低。動(dòng)蹼式蹼板可調(diào)節(jié)入水和出水角度，效率較高。明輪因機(jī)構(gòu)笨重，占用空間大，風(fēng)浪中不易操縱，容易損壞，已為螺旋槳所取代。 （2）噴水推進(jìn)器一種水力反作用式推進(jìn)器。用裝于船內(nèi)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(chǎn)生推力。其機(jī)械部分裝于船內(nèi)，得到良好保護(hù)。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(gè)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(jìn)器，俗稱車葉。螺旋槳安裝于船尾水線以下，由主機(jī)(見(jiàn)船舶動(dòng)力裝置)獲得動(dòng)力而旋轉(zhuǎn)，將水推向船后，利用水的反作用力推船前進(jìn)。螺旋槳構(gòu)造簡(jiǎn)單、重量輕、效率高，在水線以下而受到保護(hù)。4. 導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 正常直線行駛時(shí)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)應(yīng)不構(gòu)成阻力，設(shè)計(jì)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單便捷為好。（二）方案設(shè)計(jì)目前水上自行車設(shè)計(jì)各式各樣，這里的設(shè)計(jì)主要從傳動(dòng)系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)兩個(gè)方面來(lái)結(jié)合設(shè)計(jì)。分析以上性能需求，并根據(jù)本設(shè)計(jì)需要，針對(duì)推進(jìn)器和傳動(dòng)系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)提出以下暫定方案：方案一：采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，明輪驅(qū)動(dòng)

9、。當(dāng)腳踩動(dòng)踏板帶動(dòng)齒輪1、2傳動(dòng)使得明輪3、4轉(zhuǎn)動(dòng)拍打水面產(chǎn)生向前的驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)船前進(jìn)。方案二：采用鏈和錐齒輪的傳動(dòng)系統(tǒng)，螺旋槳驅(qū)動(dòng)。當(dāng)腳踩動(dòng)踏板帶動(dòng)齒鏈輪輪1、2轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)錐齒輪3、4改變軸轉(zhuǎn)動(dòng)位置，帶動(dòng)螺旋槳5轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生向前的驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)船前進(jìn)。二 動(dòng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（一）結(jié)構(gòu)的擬定1.結(jié)構(gòu)分析根據(jù)設(shè)計(jì)要求，人在與自行車互動(dòng)的過(guò)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(dòng)連扛做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(jī)械因素。為了獲得自行車較佳的性能，必須把人的因素與機(jī)械因素有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，以使人一車協(xié)調(diào)。為此，著重分析與人體相關(guān)的結(jié)構(gòu)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(nèi)。利用速比關(guān)系可取得騎行時(shí)所必要的功率和必要的速度。速比要合適，如果太小，無(wú)論人的肌力有多大，由于不能充分提高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下，得不到必要的騎行速度（后輪轉(zhuǎn)速）。速比過(guò)大時(shí)，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(fù)擔(dān)約為最大肌力的10% ，按此選擇速比和曲柄轉(zhuǎn)速，可得到比較好的效果。（2）曲柄長(zhǎng)度傳統(tǒng)的自行車設(shè)計(jì)，一般從杠桿原理考慮比較多，對(duì)人研究少，認(rèn)為曲柄越長(zhǎng)越有力。曲柄過(guò)長(zhǎng)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(shì)必加長(zhǎng)車架，影響了正確的坐車姿勢(shì)，使人感到臀部痛。若能按人的身長(zhǎng)或下肢長(zhǎng)來(lái)考慮曲柄長(zhǎng)度，則可使人省力和舒適。通常曲柄長(zhǎng)度的基準(zhǔn)，取人體身長(zhǎng)的 110 ，也相當(dāng)于大腿骨長(zhǎng)的 12 。（3）三接點(diǎn)位置正確的騎車姿勢(shì)，是由騎車人和自行車三個(gè)接點(diǎn)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(diǎn)調(diào)整法，AB 和AC 約等，一般 AB = ( AC 一 3 ) cm , A點(diǎn)略低于B點(diǎn)，約為5cm 。  圖1-4a（4）鞍座位置鞍座裝得過(guò)低，騎行時(shí)雙腳始終呈彎曲狀態(tài)，腿部肌肉得不到放松，時(shí)間長(zhǎng)了就會(huì)感到疲軟無(wú)力；鞍座裝得過(guò)高，騎行時(shí)腿部的肌肉

12、拉得過(guò)緊，腳趾部分用力過(guò)多，雙腳也容易疲勞。騎車時(shí)適當(dāng)?shù)挠昧Σ课皇悄_掌。設(shè)計(jì)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(zhǎng)度確定下來(lái)，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(dòng)，行駛較慢的車，鞍座位置要向后移動(dòng)，否則都不利于騎行。（5）腳踏板與地面高度考慮到踩踏時(shí)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(zhǎng)的1/2。這里取125mm（6）鞍座高度（109%法）在1967年Hamley 和Thomas提出一個(gè)更好方法，他們?cè)囼?yàn)了各種不同的鞍座高度，并且認(rèn)為理想的鞍

13、座高度的位置是inseam長(zhǎng)度的109 。（尺處取為0.83m）（7）車座設(shè)計(jì)車座后端應(yīng)根據(jù)人體坐骨結(jié)間距來(lái)確定,根據(jù)解剖學(xué)中的數(shù)據(jù),該寬度應(yīng)以68cm。車座往后傾一定的角度,使背部適當(dāng)靠后,降低背部肌肉壓力;但如果角度太大,會(huì)使脊椎受傷。所以為了達(dá)到坐姿的最小舒適范圍,使前傾角在15°以內(nèi)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(shè)計(jì)為可調(diào)式）。三 船體構(gòu)造計(jì)算（一）船身阻力分析1.計(jì)算雷諾數(shù)查得在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，時(shí)水的運(yùn)動(dòng)粘度為 密度為計(jì)算船體在時(shí)的雷洛數(shù)故可判斷為湍流 根據(jù)公式 (1)可得 2.計(jì)算總阻力根據(jù)摩擦阻力計(jì)算公式先計(jì)算出船體低速運(yùn)行時(shí)因摩擦

14、而產(chǎn)生的阻力。把（1）帶入 得 (2) 根據(jù)阻力成分分析，船只低速運(yùn)行時(shí)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(shè)計(jì)（一）設(shè)計(jì)方法本處螺旋槳設(shè)計(jì)采用圖譜設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，用圖譜計(jì)算性能是比較廣泛應(yīng)用的方法，其正確性也比較高。圖譜都是從各實(shí)驗(yàn)水池中，通過(guò)一系列螺旋槳的實(shí)驗(yàn)而繪制出來(lái)的，應(yīng)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(jì)算中需要半流系數(shù)和推力減額假設(shè)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(huì)影響螺旋槳的“車頭輕重

15、”。一般來(lái)說(shuō)，估算有5%的出入，則螺旋槳有2%的上下，但是目前還沒(méi)有精確的計(jì)算方法，一下根據(jù)查表可得：船身接近游艇內(nèi) 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(yīng)不大于350mm，當(dāng)已知驅(qū)動(dòng)功率和槳軸轉(zhuǎn)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(jì)算根據(jù)圖譜計(jì)算時(shí)候 由 船進(jìn)速 負(fù)荷系數(shù) 按照頁(yè)數(shù)和盤面比查得 下 圖5-6 則最佳直徑五 結(jié)束語(yǔ)還記得那次葉老師給我布置這個(gè)題目的時(shí)候，當(dāng)時(shí)我還挺興奮的，感覺(jué)水上自行車很簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單的幾乎將它當(dāng)做是第二次課程設(shè)計(jì)，可正當(dāng)我著手去做的時(shí)候，卻不知道如何下手，于是我開(kāi)始去圖書館和網(wǎng)上查閱大量有關(guān)

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

17、這次經(jīng)歷激勵(lì)自己今后學(xué)習(xí)中取得更大的進(jìn)步。參考文獻(xiàn)1 濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì).北京：高等教育出版社，2006.52 朱理.機(jī)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(dòng).北京：機(jī)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(wàn)奎.機(jī)床電氣控制技術(shù).北京：中國(guó)林業(yè)出版社，北京大學(xué)出版社，2006.86 張福云.TOX 板件沖壓連接技術(shù)J .新技術(shù)新工藝，1998.57 徐學(xué)林.互換性與測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ).長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)出版社，2009.78 孟憲源，姜琪.機(jī)構(gòu)構(gòu)型與應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.19 周開(kāi)利，鄧春暉.MATLAB基礎(chǔ)及應(yīng)用教程.北京：北京大學(xué)出版社，2007.310 龐國(guó)星.工程材料與成形技術(shù)基礎(chǔ).北京：機(jī)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(luò)查詢水上自行車發(fā)展?fàn)顩r。致謝腦海里還清晰得記得第一次踏入大學(xué)門檻時(shí)的情景。但如今我們都將是要離開(kāi)培育我們?nèi)甑奶K州托普學(xué)院了，都要去為自己的事業(yè)而打拼奮斗了。一切將重新開(kāi)始。在大學(xué)里學(xué)的東西，所做的設(shè)計(jì)以及實(shí)習(xí)印象都極其深刻。尤其是這最后的畢業(yè)設(shè)計(jì)，感覺(jué)是在寫一本陌生的小說(shuō)。在大學(xué)里，我認(rèn)識(shí)了這么多老師、同學(xué)，感謝每一位老師對(duì)我的教導(dǎo)，你們傳授我知識(shí)，啟發(fā)我的