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本科毕业设计（论文）通过答辩
摘要
本文
设计了了一种新型的娱乐工具——水陆两用自行车。
水陆两用自行车在动力
方面与传统自行车一样，
都是靠人力驱动，
通过链传
动将动力传递给后轴。
后轴
上连接两个可单独控制，
互不影响的明轮，
实现水陆两用自行车在水上的行进与
转向。
同时为了保证在水上行驶的安全性，
将浮板设计成三
角形与水陆两用自行
车固定，使得行驶安全、轻松、自在。
<
/p>
关键词
：
水陆两用自行车、链传动、明轮
、浮板。
- 1 -
本科毕业设计（论文）通过答辩
Abstract
This
paper
presents
a
new
kind
of
entertainment
tools
——
Amphibious
bicycle.
Amphibious bicycle
in power are the same as with the traditional
bicycle driven by
human, and through
the chain drive transfers power to the rear axle.
Rear axle are
connecting
two
paddle
wheel
that
can
be
controlled
separately
and
are
independently of each
other in order to traveling and steering in the
water. The float
board
are
designed into
a
triangle
which
are
fixed
witch
the
amphibious
bicycle
in
order
to
ensure
the
safety
of
driving
in
the
water,
you
can
feel
the
traveling
safe,
relaxed and
comfortable.
Key words:
Amphibious bicycle
、
Chain
transmission
、
Paddle wheel
、
Kickboard.
- 2 -
本科毕业设计（论文）通过答辩
目录
摘要
?
???????????????????????????
3
Abstract
????????????????????
??????
4
第一章绪论
?????????????????????????
5
1.1
研究背景
????
????????????????????
5
1.2
发展前景
????????????????
????????
6
第二章总体方案
设计
????????????????????
8
2.1
水陆两用自行车的构成
< br>?????????????????
8
2.2
水陆两用自行车方案设计
?????????
???????
10
第三章浮力
?????????????????????????
10
3.1
浮力计算
?
???????????????????????
10
3.2
浮板的设计
???????????
????????????
11
3.
3
浮板材料选用
?????????????????????
?
12
第四章动力计算
???????????????????????
12
4.1
功率的计算
??????
?????????????????
12
< br>4.2
传动比
???????????????????
??????
13
4.3
链传动设计
???????????????????????
13
第五章轴的设计
?
??????????????????????
16
5.1
链轮上力的计算
??????????
???????????
16
5.2
选取材料
????????????????????????
16
5.3
计算轴的最小直径
????????????????????
17
5.4
轴的结构设计
??????????????????????
17
- 3 -
本科毕业设计（论文）通过答辩
第六
章明轮的设计
??????????????????????
18
6.1
明轮简介
?????????????????????????
18
< br>
6.2
明轮的设计
?????
???????????????????
19
第七章
三维作品展示
?????????????????????
20
第八章结论
???????????????????????
???
31
第九章
本次设计外购件清单
????????????????
32
<
/p>
参考文献
?????????????????????????
??
34
致谢
??????????????????????????????
35
- 4 -
本科毕业设计（论文）通过答辩
第一章
绪论
1.1
研究背景
随着当今科技的迅速发展，
人们生活水平日渐提高，
对科技
产品的创新得到
越来越高的关注，
特别是娱乐生活方面的各种娱
乐健身产品随处可见，
市场上出
现的各种健身娱乐设备多达千种
。
特别是水上游乐项目，
因其独特的新颖性，
< br>在
各大中小型公园中得到了广泛的推广。水上自行车作为一种创新型水上娱乐产<
/p>
品，
被众多玩家亲睐，
但由于其生产成本
高，
效率低下始终不能在市场上在短时
间内就能形成一定规模效
应。
要较好的经济比较效益，
不仅要从设计方面着手提
高传递效率，
还要从制造方面换购，
使得尽量多
的零件实现大批量生产。
目前大
部分水上娱乐设备主要有：手遥
类、脚蹬类、划船类。
在日常生活中存在大量的水上娱乐设备
，如常见的水上轮车（明轮）、手遥
船、浆船、脚踏船等，这些都是靠人力驱动的水上休
闲娱乐设备。确实这些设备
在通常的娱乐场所随处可见，
但就其
新颖性却不高，
往往初次乘坐上去进行娱乐
游玩时在很长一段时
间内都找不到人机互动的的感觉，
短暂的水上涉足就会让人
失去
兴趣，
之后也很难有再尝试的欲望，
而水上自行车却不一样，<
/p>
它的上半部分
采用的是通常自行车构造机构，
游客乘坐上去马上就能找到像自行车一样的人机
之间的一种互动感觉。玩起来轻松自
由，这就涉及到人机工程学的应用。
人机工程学是一门新兴的
边缘科学。
它起源于欧洲，
形成和发展于美国。
人
机工程学在欧洲称为
Ergonomics
，
这名称最早是由波兰学者雅斯特莱鲍夫斯基提
出来的，它是由两个希腊词根组成的。“ergo”的意思是“出力、工作”，
“nom
ics”表示“规律、
法则”的意思，
因此，
< br>Ergonomics
的含义也就是“人出
力的规律”或
“人工作的规律”，
也就是说，
这门学科是研究人在生产或操作
过
程中合理地、适度地劳动和用力的规律问题。人机工程学在美国称为“Human
Engineering”（人类工程学）或“Human Factor Engin
eering”（人类因素工
程学）。日本称为“人间工学”，或采用欧洲的名称，音译
为“Ergonomics”，
俄文音译名“
Э
р
г
н
о
т
и
к
а
”在我国，所用名称也各不相，
，有“人类
< br>工程学”、
“人体工程学”、
“工效学”、
“机器设备利用学”和“人机工程学”
等。
为便于学
科发展，
统一名称很有必要，
现在大部分人称其为“人机工程学
”，
- 5 -
本科毕业设计（论文）通过答辩
简称
“人机学”。
“人机工程学”的确切定义是，
把人—机—环境系
统作为研究
的基本对象，
运用生理学、
心理学和其它有关学科知识，
根据人和机器的条件和
特点，
合理分配人和机器承担的操作职能，
并使之相互适应，
从而为人创造出舒
适和安全的工作环境，使工效达到最优的一门综合性学科。
因此，为了能充分地发挥人和机器的作用，使整个人—机系统
可靠、安全、
高效，
以及操作方便和舒适，
设计人—机系统时就得充分考虑人和机器的特征与
功能，使之相互协调配合，构成有
机整体，达到生产和工作的最佳效果。
在制造方面，
由于水上自行车是一种创新型水上娱乐产品，
企业在生产时一
般都是采用中小批量生产，
使得生产成本较高。
但
在设计水上自行车时，
设计人
员可以选择普通自行车为原参考模
型，
在此基础上可以选用大量的原部件，
减少
< br>了劳动强度，同时依托普通自行车的大批量生产直接降低了生产成本，像链轮、
链
条、脚踏板等可以选用通用自行车厂商大批量生产的现成产品。
1.2
发展前景
水上自行车最早起源于加拿大，
作为一种环保型、
娱乐型的
运动器材，
也逐
渐受到世界各国企业的重视。
< br>而在我国对于水上自行车的研究以及应用即使学者
们对于水上自行车的创新设计也
越来越感兴趣，
据中华人民共和国国家知识产权
局的统计结果表
明在水上自行车的专利领其中发明专利仅有
10
项，实用新型专
利
44
项，
外
观专利
10
项在自行车
200
多年的发展过程中积累的创新经验，
很是
值得开
发和研究新。
但由于使用场合不同于陆地，
越来越受到广大而在
我国对于
水上自行车的研究以及应用，
但实际获得的据中华人民
共和国国家知识产权局的
统计结果表明在水上自行车的专利领项。
为推动水上自很是值得开发和研究新水
上自行车又必须具备自身独特性。
李卫国曾任企业结构设计工程师，
2008
年开始试制“水陆自行车”
，前后共
花费
3
万多元，
2010
年
6
月
16
日，
“水陆自行车”挑战汉江成功，
30
分钟在汉
江骑行一个来回。
2010
年
10
月
2
日
，他应日本电视台邀请赴深圳小梅沙挑战大
海，遭遇惨痛失败。回汉后，李卫国再次改进
，加固浮筒，更换后轮支架，减轻
3
公斤自重，车的稳定性有了
很大提高。
2010
年
11
月
21
日上午天阴、微
风，江水湍急。
10
时
15
分，李卫国的学生
雷志前骑“水陆自行车”从武昌桥头下水，先逆水骑行至
江中第二个桥墩处，然
- 6 -
本科毕业设计（论文）通过答辩
后调
头顺流而下，
骑向对岸。
一艘木质小渔船陪伴左右，
武汉水上救援队队长俞
关荣在船上为其义务护航。江水汹涌起伏，雷志前骑
在“水陆自行车”上，
8
只
浮筒随钢架
撑开，将车身托得稳稳的，骑行十分轻松。江中正在驶过一支船队，
10
多只满载黄砂的货船前后蜿蜒
200
多米，
小雷静待舰队过尽才得以骑向对岸。
一艘从武汉
关码头开出的轮渡驶过旁边，
船上的乘客们看到这辆奇形怪状的自行
车，纷纷朝这边挥手；
“水陆自行车”经过停泊在武汉关的西安舰，舰上工作人
员也挤到舷边观望。
2010
年
11
月
21
日
11
时
13
分，
“水陆自行车”顺利抵达武
汉关下游的三峡石广场附近江滩。雷志前称江
上骑行一点都不疲劳，也不危险，
只是被浪打湿了裤脚。网上检索的结果显示，这是“水
陆自行车”首次成功渡过
长江。
水上
游乐设备，
现在在国内来说，
应该还是起步阶段，
表现在游乐设备游玩
场所少、
设备单一，
能够参与的人数少，
很多人暂时都还不能够享受游乐设备所
带来的乐趣。
但在近几年也有发展的趋势，
随着城市建
设速度的加快，
各各地区
都会增设娱乐项目充实景区建设。
以及中国国内大量游乐场的建立，
像北京正在
兴建的“龙门阵”
，建成后将成为国内最大的水上娱乐乐园；安徽省正在兴建的
沿董铺水库游乐园；
已经建成的江苏省的福星游乐园等等。
像世界上最大的东京
迪斯尼乐园，
2000
年接待的游客人数为
1730
万人次。正在建
设的阿联酋迪拜乐
园，建成后将成世界上最大的游乐园。
建成后观光游客预估可由目前的
600W
达
到
1500W
人次。美国新泽西洲的六
旗游乐园
(Six
Flags
Great
Adventure)
十多年前被六旗集团收购后，几乎
每年都在往外扩张与增添新设施。
水上娱乐设备在近几年飞速发展，而今随着人们日益生活的需要，市场对适用
的水上自行车的需求将越来越迫切。故水上自行车的研究设计意义深远。
- 7 -
本科毕业设计（论文）通过答辩
第二章
总体方案设计
2.1
水陆两用自行车的构成
水陆两用自行车的整体构成由以下几大模块：
(1).
车身
在行驶中，
车身的造型对整个行驶的效率有着很大的影响，
因
为车身的造型
直接影响到的是行进的阻力。
此处设计的水陆自行
车的车体造型也已达到最小阻
力位佳，
通过流体力学，
我们可以针对各种造型在水中行进时所受的阻力进行分
析，核定最佳造型
设计以达到最佳运动效率。
(2).
传动系统
< br>通过机械设计我们可以比较确切的分析各种传动系统的传动关系进而计算出
总传动
系统的传动效率进行核算。
(3).
推进系统
< br>这里的推进系统可以引用为船舶推进器，
船舶推进器是船舶上提供推力的工
具，
它的作用是将船舶动力装置提供的动力转换成推力，
推进船舶。
推动船舶前
进的机构。
< br>它是把自然力、
人力或机械能转换成船舶推力的能量转换器。
推进器
按作用方式可分为主动式和反应式两类。
靠人力或风
力驱船前进的纤、
帆
（见帆
- 8 -
本科毕业设计（论文）通过答辩
<
/p>
船）等为主动式，桨、橹、明轮、喷水推进器、螺旋桨等为反应式。现代运输船
舶大多采用反应式推进器，应用最广的是螺旋桨。
具体的水下推进系统有以下
几种：
<1>
明轮
蹼轮局部浸没于水中的推进器。其水平轴沿船宽方向装置
于船体
水线之上，轮的周缘装若干蹼板。蹼板分定蹼和动
蹼两种。定蹼式蹼板沿径向固接于轮辐
上，蹼板在入水和
出水时击水消耗能量大，效率低。动蹼式蹼板可调节入水
和出水角度，效率较高。明轮因机构笨重，占用空间大，
风浪中不易操纵，容
易损坏，已为螺旋桨所取代。
<2>
喷水推进器
一种水力反作用式推进器。
用装于船内的水泵自船底吸水，
经喷管向后
喷
射受到水的反作用力而产生推力。
其机械部分装于船内，
得到良
好保护。
喷管
方向可变
,
便于船舶操纵。
但喷管因直径受限制
,
管路及水泵效率不高，
所以整个
系统效率较低，又因
水泵及喷管中有水增加了船舶重量，所以很少使用。
<3>
螺旋桨
由桨毂和若干径向地固定于毂上的桨叶所组成的推
进器，
俗称
车叶。
螺旋桨安装于船尾水线以下，
由主机
(
见
船舶动力装置
)
获得动力而旋转，将水推向船后，利用水
的反作用力推船前进。
螺旋桨构造简单、
重量轻、
效率高，
在水线以下而受到保护。
(4).
导向机构
正常直线行驶时，
导向机构应不构
成阻力，
设计的导向机构应简单便捷为
好。
- 9 -
本科毕业设计（论文）通过答辩
(5).
浮板
具有较大的浮力，与车身固定良好，在水中行驶时安全，不倾翻。同时质量
要尽量的小
，以减少行进的阻力。
2.2
水陆两用自行车方案设计：
<
/p>
目前水上自行车设计各式各样，
这里的设计主要从传动系统和推进
系统两个
方面来结合设计。
分析以上性能需求，
并根据本设计需要，
针对推进器和传动系
统的的设计提
出以下方案：
采用链传动，明轮驱动。当脚踩动踏板带动链轮
1
、
2
传动使
得明轮
3
、
4
转
动拍打水面产生向前的驱动力驱动前进。
第三章
浮力
3.1
浮力计算
根据阿基米德原理：浸在液体里的物体受到向上的浮力，浮力大小等于物体
排开液体
所受重力。
即
F
< br>浮＝
G
液排＝
ρ
液
gV
排
- 10 -
本科毕业设计（论文）通过答辩
当物
体漂浮时：
F
浮＝
G
< br>物
且
ρ
物
<
ρ
液
所以，
ρ
液
gV
排
=
G
物
=m
物
g
即
V
排
=M<
/p>
物
/
ρ
液
这里
M
物
=M
人
+M
车
取
M
物
=100kg
，
M
车
=30kg
，
所以
M
物
=100kg+30kg=130kg
已知水的密度
ρ
液
=1.0x
kg/
，
故
V
排
=M
物<
/p>
/
ρ
液
==0.
13
3.2
浮板的设计
根据前面提出的方案以及求出的
V
排，将浮板的底
板设计成三角形，如图所
示：
- 11 -
本科毕业设计（论文）通过答辩
根据
三角形面积计算公式
S=
底
x
高得，
底板的面积
S=x1x2=1
根据前
面求出的
V
排
=0.13
可求出，
浮板的最小高度
h=V
排
/S=0.13/1=0.13m
< br>即浮板的最小吃水深度为
0.13
米。
< br>
为了安全考虑，将浮版的高度定为
0.2
米。
3.3
浮板材料选用
根据目前市场上用得最多的浮板材料，本次设计浮板采用材料
EVA.
下面对
EVA
的特性做一些简单的介绍。
耐水性：密闭泡孔结构、不吸水、防潮、耐水性能良好。
耐腐蚀性：耐海水、油脂、酸、碱等化学品腐蚀，抗菌、无毒、无味、无污
< br>染。
加工性：无接头，且易于进行热压、剪裁、涂胶、贴合等加工。
防震动：
回弹性和抗张力高，韧性高，具有良好的防震
/
缓冲性能。
保温性：隔热，保温防寒及低温性能优异，可耐严寒和曝晒。
第四章
动力计算
4.1
功率的计算
< br>1
、输入功率的计算
：
人输出的功率随着骑车人的体格、
体力、
骑车
姿势、
持续时间和速比等的变
化而变化。一般成年男人的最大输
出功率约为
0.7
马力（
0.51
kw
)
，但只能
能持续
10s
左右。
如果持续时间长，
其值要小得多，
持续
lh
，
大约只有
1.0-0.7
马力
（
0.07-0.15kw
）
。
自行车运动是很有节奏的，
其节奏常常与人的心脏节律保
持一定关系。健康人的心脏跳动为
70
次／
min
，一般脚踏以
60r/min
节奏
转
动较为合适。
设计时以这一常用速度来确定相关设计参数。<
/p>
但本次设计内容为一
休闲式娱乐工具，
故
对体力要求不能有过多要求。
我们根据脚踩蹬的力量来计算
-
12 -
本科毕业设计（论文）通过答辩
在娱乐为主的休闲前提下的输出功率
。
以此为参考，
正常人踩蹬自行车的力量约为
30~40N,
娱乐情况下我
们估算为
30N
，踩蹬速度适当的取为
1
转
/
秒，
故本次设计的人的输出功率为
P
w
1
?
2
?
3
.
14
?
0
.
18
?
30
?
1
w
?
33
.
912
（
180mm
为一般自行车的踩踏杠的长度）
。
2
、
传动效率
查《机械设计手册》得：
踩踏关节的
损失：
η
1
=0.97
链传动的损失：
η
2
=0.
96
滚动轴承：
η
3
=
轴系效率：
η
4
=0.98
由以上算出的总的传动效率：
?
=
η
1
?
η
2
?
η
3
?
η
4
< br>?
0
.
96
?
0
.
97
3
?
0
.
9
8
=0.83
所以明轮的输出功率为
P
S
?
?
?
P
1
?
0
.
83
?
33
.
912
?
28
.
15
w
4.2
传动比
根据传动比的一般分配原则，
我们应该使各级传动的承载能力接近相
等，
考
虑到在骑乘自行车时一般分配的传动比为
2.5
左右，
为了适应和习惯在陆地上的
运动习惯及降低生产成本，我们这里就优先选用链传动比为
2.5
的传动比。
4.3
链传动设计
1
、设计内容
确定链条型号、链节数
L
P
、排数、
链轮齿数
z
1
、
z
2
、链轮结构、材料、几
何尺寸、
中心距
a
、压轴力
F
< br>P
、润滑方式、张紧装置
-
13 -
本科毕业设计（论文）通过答辩
已知
设计条件：低速平稳运转，传递功率
P
?
33
.
912
w
,
主动链轮转速
n
1
?
60
r
/
min
，从动链轮转速
n
2<
/p>
?
150
r
/<
/p>
min
，传动
2.5
。
2
、设计步骤
（
1
）
选择链轮齿数
z
1
、
z
2
在
17-114
之间选取齿数。
z
1
?
45
z
2
=
18
（
2
）
计算当量的单
排链的计算功率
P
ca
根据链传动的工作情况、
主动链轮齿数和链条排数，
将链传动的功率修正为
当量的单排计算功率
P
ca
?
K
A
K
Z
K
P
<
/p>
K
A
K
Z
P
K
P
工况系数
，查《机械设计》表
9-6
得
K
A
?
1
.
0
主动链轮齿数系数
，查《机械设计》
图
9-13
得
K
Z
?
0
.
52
多排链系数
，由于是单排链，所以
K
P
?
1
.
0
K
A
K
Z
P
?
0
.
52
?
3
.
912
?
0
.
01763
kw
K
P
故
P
ca
?
<
/p>
（
3
）确定链条型号和节距
P
链条型号根据当量的单排链的计算功率
P
ca
和主动链轮转速
n
1
由《机械设计》
图
9-11
得到。然后由《机械设计》表
9-1
确定链条节距
p
。
- 14 -
本科毕业设计（论文）通过答辩
确定链条型号为：
08A
确定链条节距为：
12.7
（
4
）计算
链节距和中心距
初选中心距
a
0
=
(
30
~
50
)
p
，按下式计算链节数
L
p
0
L
p
0<
/p>
?
2
a
0
z
1
?
z
2
z
2
-
z
1
2
p
45
?
18
18
-
45
2
1
?
?
(
)
?
2
?
(<
/p>
30
~
50
)<
/p>
?
?
(
)
?
(
93
~
132
)
p
2
2
π
a
0
2
2
π
(
< br>30
~
50
)
< br>
将
L
P
0
圆整为偶数
L
P
< br>?
130
链传动的最大中心距为：
a
?
f
1
p
[
2
L
< br>P
-
(
z
1
?
z
2
)
]
?
0
.
24
907
?
12
.
7
[
2
?
1
30
-
(
45
?
18
)]
?
623
.
148
mm
< br>
式中，
f
1
< br>为中心距计算系数，查《机械设计》表
9-7
得
f
1
=0.24907
（
5
）计算链速，确定润滑方式
<
/p>
v
?
z
1
n
1
p
45
?
60
?
12
.
7
?
?
0
.
57
m
/
s
60
< br>?
1000
60
?
1000
根据链速
V
，查《
机械设计》图
9-14
得，润滑方式为定期人工润滑
（
6
）计算链传动在轴
上的压轴力
压轴力
=
有效圆周力
F
e
?
1000
P
0
.
033912
?
1000
?
?
59
.
49
N
v
0
.
57
压轴力
==1.10x59.49=65.439 N
（
7
）设计
总结
- 15 -
本科毕业设计（论文）通过答辩
链轮
齿数
(
z
/
mm
)<
/p>
分度圆直径
(
d
大链轮
45
181.43
186
173.51
3.00
<164.25
12.7
623.148
1270
130
0.57
08A
小链轮
18
73.41
80.00
65.49
4.00
<58.71
/
mm
)
齿
顶圆直径
(
d
a
齿根圆直径
(
d
f
< br>/
mm
)
/
mm
)
分
度圆弦齿高
(
h
a
齿侧凸缘直径
(
d
g
节距
(
/
mm
)
/
mm
)
p
/
m
m
)
轴间距
(
a
/
mm
)
链长
(
L
/
mm
)
链节数
(
L
P
)
链速
(
v
/
m
/
s
)
链号
第五章
轴的设计
5.1
链轮上力的计算
轴上传递的功率
=X0.96X0.
97X0.97=30.63 w
转矩
=9550000=9550000x30.63/150=
5.2
选取材料
- 16 -
本科毕业设计（论文）通过答辩
可选
轴的材料为
45
钢，调质处理。
5.3
计算轴的最小直径
查《机械设计》表
15-3
可取
< br>=120
，
==120 mm
由于
轴的直径小于
100mm
，且由
3
个键槽，故将轴径增加
15%
，即
d=x(1+0.15)=7.066x1.05=8.1259 mm
将轴径圆整为标准直径，取
d=10
mm
5.4
轴的结构设计
1
、轴的外形结构
2
、根据轴向定位的要求，确定轴的
各段直径和长度
。
（
1
）
、根据飞轮内径可得
d6
7=30 mm
，根据飞轮的宽度可得出
L67=20 mm<
/p>
，右侧
采用轴肩定为，取
d78=38
mm
，
L78=11
mm
。
（
2
）
、初选深沟球轴承
D6204
，其尺寸为
dxDxB=20x47x14
,
故
d45=d910=20 mm
，
根据装配关系取
L45=L910=15 mm
。
（
3
）
、
5
处为一定位轴肩，故取
d56=d89=25
mm
，根据装配关系，计算得
- 17 -