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1、 作品编号：作品编号： 第九届全国环境友好科技竞赛 作品名称：作品名称：以“绿色出行”为目标的多功能折叠自行车研制以“绿色出行”为目标的多功能折叠自行车研制 申申 报报 者：者： 中大骄子团队中大骄子团队 所在学校：所在学校： 中南大学中南大学 所在院系：所在院系： 交通运输工程学院交通运输工程学院 类别： 科技理念类作品科技理念类作品 科技实物类作品科技实物类作品 第九届清华大学环境友好科技竞赛参赛作品 以“绿色出行”为目标的多功能折叠自行车 研制 摘摘 要要：近年来，环境污染日益严重，雾霾、沙尘天气的频发，再度引发人们对交通方式 选择与使用的深思。自行车在成功解决“最后一公里”问题之后，又
2、凭借其“绿色环保无污 染”的绝对优势，重新受到重视。但其自身存在容易丢失、管理不善、功能单一等问题，加 之自行车专用道及停车场建设不足等约束， 制约了人们对自行车的购买与使用。 本文根据人 们不同情况下的多种需求， 研制了一款可折叠更小并具有变形为购物推车和休憩座椅功能的 折叠自行车。“三态合一，变停为用。”通过借鉴国内外同类产品设计特点，结合我国自行 车设计标准，人机工程学等，进行功能机构的创新和材料及构件受力的优化，利用Pro/E等 软件绘图与仿真模拟， 并制作实物加以验证。 所设计的新型折叠方式使整车折叠后体积更小、 形态更整齐，一车多用，改变人们出行理念，缓解自行车停车场建设和管理压力
3、，利于城市 可持续发展。本研究成果先后获得三项国家专利授权。 关键词：关键词：多功能，环保，绿色出行，折叠，自行车 第九届清华大学环境友好科技竞赛参赛作品 目目 录录 一、研究背景一、研究背景 . 1 二、国内外研究现状二、国内外研究现状 . 1 三、研究思路三、研究思路 . 2 四、方案设计四、方案设计 . 3 （一）功能设计（一）功能设计 3 （二）结构设计（二）结构设计 3 （三）关键部件设计（三）关键部件设计 5 1 1、前立管翻转件、前立管翻转件 . 5 2 2、横梁转折装置、横梁转折装置 . 5 3 3、可分离传动系统、可分离传动系统 . 6 4 4、后立管旋转方案、后立管旋转方案
4、 . 7 5 5、折叠载物筐、折叠载物筐 . 7 6 6、导向支撑杆、导向支撑杆 . 8 （四）使用说明（四）使用说明 9 1 1、小体积折叠使用说明、小体积折叠使用说明 . 9 2 2、座椅变形使用说明、座椅变形使用说明 . 9 3 3、推车变形使用说明、推车变形使用说明 10 （五）传动方式计算说明（五）传动方式计算说明 . 10 1 1、组合传动简图和参数、组合传动简图和参数 10 2 2、组合传动的总的传动比、组合传动的总的传动比 10 3 3、链轮齿轮组合传动相关参数、链轮齿轮组合传动相关参数 . 11 （六）力学分析（六）力学分析 . 12 1 1、传动装置的力学分析、传动装置的力
5、学分析 12 2 2、车架的力学分析、车架的力学分析 13 （七）材料的选择（七）材料的选择 . 13 五、创新特色五、创新特色 15 六、应用前景六、应用前景 15 参考文献 17 致 谢 18 第九届清华大学环境友好科技竞赛参赛作品 1 一、研究背景一、研究背景 “公共交通+自行车”是一种公认的绿色交通模式 1，而自行车凭借其“短距离出行优势， 绿色环保无污染”的特点解决了汽车、地铁的驻停点到出行目的地之间“最后一公里”问题， 重新受到重视。国家相继出台了关于加强城市步行和自行车交通系统建设的指导意见 2 等政策要求加大自行车出行分担率。但是自行车自身存在容易丢失、管理不善、功能单一等 问
6、题，加之自行车专用车道及停车场建设不足等约束，制约着人们对自行车的购买与使用。 大力发展自行车配套设施建设，加大自行车专用车道及自行车停车场建设，能解决自行 车出行不便、无处停车的问题，很大程度上促进了自行车的使用，但由于其建设耗时长，占 用土地面积大，费用较高，所以在没能够建设完善自行车配套设施的地区亟需寻求其他更有 效的解决方案。 折叠自行车通过形态的规整、体积的缩小、重量的减轻可方便用户使用、携带、存放， 使它能更方便地带入公交地铁或放入汽车后备箱中用于换乘，真正实现绿色出行、环保出行 的无缝对接。但现市场上常见的折叠自行车或折叠操作复杂、使用不便；或折叠形态不规则、 容易伤人；或折叠后
7、体积、重量难以满足各种人群便携的需求；或功能单一、不能满足人们 多样性需求，还需进一步改进。 二、二、国内外研究现状国内外研究现状 世界上最早出现的折叠自行车是用于军事的，两次世界大战都有折叠自行车参战，意大 利比安奇1915年前就量产过战场上用的折叠自行车。第一世界大战时期，焦灼的战线上自行 车成为最好的交通工具。 目前的折叠自行车均在保证自行车基本功能的前提下，简化折叠方式，减小其折叠后的 体积和重量，以便于携带、管理。有的还对于一些特殊场合，添加一些功能，使其可以拓展 使用。 （一（一）市场上最常见的折叠车）市场上最常见的折叠车 市场上最常见的折叠自行车款式见下图1，采用一次折叠即可，稳
8、定性较强，但折叠形态 不规则、容易伤人；折叠后体积、重量不便于各种人群便携，功能单一、不能满足人们多样 性需求。 （二（二）A A- -bikebike折叠自行车折叠自行车 如图2所示为美国设计师研制的A-Bike折叠自行车，车轮直径只有15公分，折叠后重量仅 为5.5公斤，折叠后体积可以缩小为0.03立方米。但由于它过于追求轻小，结构强度不高，容 易受挤压而变形。同时其车轮直径只有15公分，也造成了它骑行费力不稳定，越过障碍能力 差，损害了自行车最基本的骑行功能 3。 第九届清华大学环境友好科技竞赛参赛作品 2 图1 常用折叠自行车折叠后图 图2 A-bike外形图 （三（三）韩国一款能变为
9、购物推车的自行车）韩国一款能变为购物推车的自行车 如图3所示为一款由韩国设计师设计的能变形为推车的自行车，此设计获得了2010年世界 创意设计大赛铜奖 4，使自行车能变形成推车进入超市购物，但其两轮没有并齐,致使在购物 者在推车行走时，整车会以前轮为圆心做圆周运动，并且仅利用前后两车筐装载能力小，且 无其他功能。 （四（四）中国中山）中国中山市市的的“折叠车之王折叠车之王” 如图4所示为中国中山市的“折叠车之王”，折叠后形态较为规整，所以可以作为座椅供 用户简单休息使用，但没有考虑座椅的舒适性。 图3 韩国推车折叠自行车 图4 折叠车之王 因此，从顺畅交通的角度，结合折叠自行车换乘骑行、购物推
10、行、外出休闲三个主要使 用方面进行综合考虑，本文认为研制一款折叠形态更优、集多种功能于一身的折叠自行车用 于机动车的换乘和目的地处变停为用，以满足人们不同场景的多种需求，保障人们出行的顺 畅性是十分必要的。 三、三、研究思路研究思路 结合人们日常各种出行所需，本文确定了“折叠、推车、座椅三大功能形态合一，变停 车为用车”的设计理念，以帮助人们实现绿色出行、环保购物、环保娱乐。 既要弥补现有折叠车的不足，又要丰富折叠车的功能。要具有折叠、推车、座椅功能， 折叠时要简单易操作，折叠后形状要整齐、体积小。为了实现这个目标必须解决以下重点和 难点： （1 1）基于形态美观实用的结构设计）基于形态美观实
11、用的结构设计 第九届清华大学环境友好科技竞赛参赛作品 3 折叠、推车和座椅的变形方式都要求将自行车车体分为前中后三部分，但受整车形态、 推车标准尺寸要求、受力要求等限制，如何确定车体每段长度及位置是一大难点。 （2 2）基于功能实现的零部件设计）基于功能实现的零部件设计 折叠变形时车体前后部需相反方向旋转180度进行叠放，而变形为推车时车体前后部需相 对旋转90实现前后两轮并排，这要求前车体能实现一侧180度旋转，另一侧90度旋转，需设计 旋转部件完成；传统的传动装置将车架和后车轮连接，限制了部分车体的分离，影响变形实 现，需要改进。 （3 3）基于使用可靠性）基于使用可靠性的整车受力分析的整
12、车受力分析 为实现各种功能所设计的各折叠连接结构、旋转装置、固定方式等会给自行车带来不稳 定因素，需要进行相应的力学分析；在变形为推车和座椅时，仅靠两轮支撑不能保证车体的 稳定性，需设计其他支撑点；最后结合整车尺寸及各机件进行整车受力分析，确保使用安全。 （4 4）基于性价比的材料选型）基于性价比的材料选型 材料决定着整车的承重性能、整体重量和整车造价。要使设计得到市场认同，必须对各 种工业材料进行比较分析，从价格和性能角度选取适当的材料。 为此，本文结合整车、推车等多尺度要求，将车身分为前中后三段；设计一种横梁折叠 装置实现车身前部旋转要求，设计一种可分离传动系统，使车身中部与后部分离不受传
13、动系 统限制；根据需求改进和设计其他零部件，并对设计的各机件及车各管进行相应的力学分析 和合理性价比的材料选型，最终制作实物加以验证。 四、四、方案设计方案设计 （一）（一）功能设计功能设计 本文从上班出行、生活出行、娱乐出行三方面入手，选出了最常用的推车功能和座椅功 能，并结合折叠设计了一款能实现推车、座椅功能的折叠自行车，满足不同人群不同场景的 需求，“变停为用”，减少停车不便和易丢失给人们带来的困扰，增加人们对自行车的使用。 具体介绍如下: 1 1、小体积折叠小体积折叠 基于出行换乘携带的便利性要求，多功能折叠自行车应首先具备更优的折叠性能，以实 现更小、更轻，保障顺畅；本文设计的小体积
14、折叠方式将轮盘在折叠时巧妙置于两轮之间， 使折叠体积更小，折叠后样式更整齐，改善现有折叠自行车折叠后不整齐，易伤人的问题， 让折叠自行车更方便带入公交地铁或是私家车后备箱等用于换乘，真正实现零公里。 2 2、推车功能推车功能 购物的人们骑车来到超市、市场门前，不需担心停车场难找或是自行车被偷窃，只需将 其变成购物推车，推着它前去买菜购物；这样节约了人们停车取车所浪费的时间和带来的不 便，同时也减少了人们拎物的负担；其推车功能还可用于做学生书包推车、行李推车等。 3 3、座椅功能座椅功能 休闲出行如钓鱼、野炊时，在汽车无法行进的乡间小路悠然骑行，到达后自行车又变成 随身携带的座椅，供人们换乘或垂
15、钓休憩。 （二）（二）结构设计结构设计 第九届清华大学环境友好科技竞赛参赛作品 4 保证折叠车易于携带的要求，充分发挥折叠后体积越小越好的优势，本文选择小型车作 为多功能折叠车的基本骨架；车架活动关节越多，对车的稳定性要求就越高、制造难度就越 大，因此在满足功能的前提下尽量减少车架的活动或采用更为稳定的固定装置。 1 1、基于折叠实现的结构设计基于折叠实现的结构设计 为了将车折叠变形更小，本作品将车体分成前中后尺寸相似的三段，采用了三段的折叠 方式，设计零部件实现车体前部和后部可各绕中部反向旋转180度，将轮盘夹于两轮胎之间， 实现折叠。使用了可分离传动装置代替了以前的链条传动，克服了链条传动不能折叠变形影 响最终的折叠变小状态；由于载物筐占用较大的空间体积，与整体设计要求不符合，故本车 设计了一种折叠载物筐，不用时作为后车轮的护轮面。 2 2、基于推车和座椅实现的结构设计基于推车和座椅实现的结构设计 设计零部件将前、后车体可相向旋转90度，展开折叠载物筐底，实现座椅功能；在实现 座椅的基础上打开折叠载物筐，实现推车功能。折叠载物筐还起限位固定作用。 3 3、结合尺寸的结构设计结合尺寸的结构设计 作为推车和座椅使用时，尺寸的制定考虑人体工程学要求，现有
