学文网摘 要:自行车的结构分析与设计，具体来说可以从骑车运动学、结构、材料强度、加工方法、可靠性等方面进行考虑，尤其应当考虑的是人与自行车的协调关系。所以本论文从人机工程学的观点出发，分析设计自行车的结构及零部件；根据具体人体尺寸设计自行车五个关键的点，即自行车鞍座位置点、车把位置点的确定、中轴位置点、前轴位置点及后轴位置点。这样可达到缩短产品开发周期，降低设计成本的效果，使得自行车在舒适性和安全稳定性方面得到改进，具有非常重大的实际意义。
关键词：自行车；人机工程学；结构分析；设计
中***分类号： U484 文献标识码： A
一、自行车车架选型
车架是构成自行车的基本部件，它具有载人和承受恶劣环境的功能，人仅仅是载重体，由于内部条件和外部条件的变化，使加在自行车上的载重比车体的自重大好几倍。另一方面，由于人体的自身动力和骑车技能，使自行车向前行驶，车架便成为运载人体安全前进的因素。因此车架应满足如下要求：强度要绝对牢固耐用；形状要便于人体发力；形状还要便于充分人体的控制机能。
车架形状的确定，必须根据前后车轮摆在同一条水平线上并适合人体的身高，这样骑上后才能充分发挥双腿的驱动力。确定选择环形车架结构，这种环形车架结实耐用，对骑车者的安全性有很大的保证，而且结构紧凑，很大程度上增加了车体的美观性，因此现在普遍应用这种车架结构。
二、前叉部分
前叉通常由前叉立管、前叉肩、前叉腿及前叉嘴所组成，前叉立管、叉肩、叉腿一般是用钎焊等方法焊接的。前叉嘴是将叉腿的端部压扁（放进衬片增强）。
前叉立管，其外径安放在车架前管内（本次设计为22毫米），内径与把立管（本次设计为18毫米）配合在一起。还有从力学角度考虑，立管的下端，在下挡附近应力最大，因此立管下部应该加厚。叉肩、叉立管和叉腿分别经过冲压、锻造加工而成，最后再将两者以钎焊形式焊接到一起。
叉腿是悬臂梁，考虑应力的合理分布，把它做成根部大，端部小的形状。这种形状的截面系数是从根部往端部逐渐减小的，并考虑到外力的影响，做成了前后方向呈长轴般的椭圆形。
叉腿的长度及下部弯曲部分的曲率大小是由使用车轮的直径和偏距的大小决定的。前叉部件均与车架材料一样，选用铬钼钢（30CrMo）作为材料。
三、自行车架零部件设计
车架部件由前脸部分，中接头部分所组成，前脸和中接头部分都装有两套轴承，其形式种类虽多，但灵活的转动机能为其必要条件
1.前脸设计
（1）功能
功能方面首先应该考虑的是前叉对车架的转动，即车把的转动灵活向题。为此，必须提高各部件的加工精度，特别是钢珠的滚动面与螺纹要同心，并要进行适当的热处理，力求变形小。
前脸部分不同心，造成前叉组装上的偏心，前车轮与后车轮的不同心，这对车把的装配，影响极坏，因此不仅前脸部分，而且对车架，前脸的加工精度以及组装技术方面，都必须予以充分注意。
此外，在组装上也要注意，前叉挡绝对不可压紧，骑行中前脸部分要从前轮受到反力，有封受到相当大的冲击，必须有足够的强度。
（2）使用要求
它是通过上下各一套轴承连接车架和前叉的部件，对自行车的操纵、稳定性能影响很大，因此必须具备足够的机能和强度。
2.中接头部分
（1）功能
中接头部分是自行车驱动上不可缺少的部件，由中轴和左右中轴碗，形成左右2套主轴承，装进车架的中接头部分内固定起来，为了固定及调整轴承珠道而使用螺纹，但其形式和结构的种类很多，而且螺纹也容易缓和，所以放松问题值得考虑。
（2）使用要求
通常在骑行时，加在脚蹬上左右交错的踏力为534千克，申轴由于左右碗的支承，基本上保持水平转动。其转动速度每分钟为40 60转。必须注意作为特殊球轴承的机能，它承担着以低速转动而变动的交变载荷。即中轴的直度要好，左右珠道部要无偏心，碗的内外径无偏心以及螺纹的精度要高等等，在提高部件加工精度的同时，在车架方面也必须尽力防止螺纹的偏心。
使用与车架一样的材料，用铬钼钢作为中接头的材料。中接头与车架体就是一体的。
四、前后轴零部件设计
前后轴部件与车圈、辐条都是组成车轮的主要部件，它既要承受车轮所受的静的和动的载荷，又要使车轮转动得灵活轻快。它由轴皮和轴棍组成，为了减轻两者之间的摩擦，采用了轴承装置。
自行车轴皮应具备以下功能:
1．必须承受住车轮的静的或动的载荷。
2．通过辐条与车圈结合起来组成车轮，不得影响辐条的寿命和车轮的机能。条盘的间隔、条盘的厚度及其直径的大小，要保证尺寸精度。
3．摩擦要少，转动要灵活。左右轴碗淬大变形，偏心要小。轴挡的外径与螺纹的偏心要小，螺纹的精度要高。珠道要精细加工，轴棍要直，螺纹精度要高。轴挡的位置必须保持端正。
4．轴碗及轴挡的轴承面的强度要大，磨耗要小，不得产生压痕。设计要合理，材料要适当，热处理质量要好。
5．根据各种形式、用途，要求变速机能、刹车机能等都必须良好。
五、中轴零部件设计
中轴是传动机构，传动力通过脚蹬、曲柄、链条、链轮传到后轮，驱动全车前进。
中轴要承受骑车者的脚踏力量，要具有足够的强度与负载荷能力。中轴棍折断荷重不小于19.6KN。
中轴棍选用的是合金钢40Mn，这种材料用于制造在较高应力与磨损条件下的零件，能承受疲劳负荷。适用于中轴这种工作条件的零件。中轴碗由于要与钢珠相接触，而且还会有相对的运动，所以选用的是45钢，这种优质碳素结构钢是高强度中碳调质钢，具有一定的塑性和韧性，较高的强度，切削性能良好，采用调制处理可获得很好地的综合力学性能，尤其是适用于制造较高强度的运动零件。滚珠选用GCr9。
六、车把设计
车把连接着前叉，可以转动前叉，在使用性能上主要是操纵着自行车的行驶方向，并作为骑车者的扶手，支撑着骑车这一部分的重量，并且车把上有车闸和车铃，起到保障骑驶着安全的作用。
车把因装在自行车正前方，要求美观合适，必须能承受一定的颠波撞击性能。车把选用的材料是Q235A。由于车把要求有一定的强度，再从经济的角度考虑就选用了这种材料。
本次设计的自行车三维实体模型如***所示。
七、设计总结
自行车与我们的生活息息相关，虽然自行车不及汽车那样有优势，但自行车符合现在时代的环保主题，应该会朝着一个更好的方向发展，设计人员也在不断的完善与创新自行车这一产业，运用更多先进的技术使其跟上我们时代的发展。
人机工程这门新兴的边缘科学在自行车设计还属探索阶段。作为设计人员在今后的工作中应不断通过：人一自行车一骑行环境，三要素之间的相互关系的规律，使它们更合理的协调，以创造出最适合于各类骑行者、各种路况的自行车，从而获得这一系统的最高综合效能，这是自行车设计者的工作方向。
参考文献
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