水上自行车设计说明书

（2011届）

本科毕业设计（论文）资料

题 目 名 称： 水上自行车

学 院（部）： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 张星凯 班 级： 机设073 学号 07405100133 指导教师姓名： 何国旗 职称 教授 最终评定成绩：

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（2011届） 本科毕业设计（论文）

题 目 名 称： 学 院（部）： 专 业： 学 生 姓 名： 班 级： 指导教师姓名： 最终评定成绩： 水上自行车 机械工程学院 机械设计制造及其自动化 张星凯 机设073 学号07405100139 何国旗 职称 教授

2011 年6月

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摘要

本文设计了一个新型水上的娱乐工具——水上自行车。设计的水上自行车以能量利用率最高为参考要素，通过目前市场上应用较为广泛的明轮驱动、螺旋桨驱动、喷水驱动对比计算确定螺旋桨最佳驱动方式，通过流体力学分析浮体正常前进时所受的最小阻力，根据他们之间的速度阻力关系，结合B图谱螺旋桨设计方法得到最适合螺旋桨基本尺寸。再选用最便捷传动机构，设计出能量利用率较高的水上休闲交通工具，使得行驶轻松自在。

关键词：传动，自行车，螺旋桨，水上休闲

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ABSTRACT

This paper introduces the design of a new water entertainment tool

——Water bicycle . the energy utilization rate is the highest reference elements to the bicycle. Pddle wheeler 、Screw propeller、Water-jet are concluted to select the best Driving mode which is widely used in the market at present and Screw propeller becomes the best.we may calculate the floater’s minimum resistance force with fluid mechanics .Using the Type B mapping method with the connect-ion between speed and resistance force to draw the The most accura-te basic size.with efficient transmission mechanism a new aquatic tool for lersure is designed and makesthe travel more convenient . Keywords: transmission , bicycle , screw propeller, Water leisure

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目录

一 绪论 ................................................................................................................................................... 7

（一）研究背景 .............................................................................................................................. 7 （二）发展前景 .............................................................................................................................. 8 （三）研究内容 .............................................................................................................................. 8 （四）说明书简介 ....................................................................................... 错误！未定义书签。 二 人机工程设计 ............................................................................................................................... 10

（一）结构的拟定 ....................................................................................................................... 13

1.结构分析 .............................................................................................................................. 13

三 船体构造计算 ............................................................................................................................... 16

（一）船身阻力分析 ................................................................................................................... 16

1.计算雷诺数 .......................................................................................................................... 16 2.计算总阻力 .......................................................................................................................... 16 （二）船身速度分析 ................................................................................................................... 16 （三）利用阻力系数计算船身阻力........................................................................................ 17 四 传动系统设计 ............................................................................................................................... 20

（一）输入效率计算 ................................................................................................................... 20

1. 人的输出功率分析计算 ................................................................................................. 20 2. 本次设计中自行车的传动效率损失有： ................................................................. 20 （二）传动比分配 ....................................................................................................................... 21

1.总传动比计算 ..................................................................................................................... 21 2.传动比分配 .......................................................................................................................... 21 （三）链传动设计 ....................................................................................................................... 22

1.设计内容 .............................................................................................................................. 22 2.设计步骤 .............................................................................................................................. 22 （四）锥齿轮传动设计 .............................................................................................................. 25

1.齿轮类型、精度等级、材料及齿数 ............................................................................ 25 2.计算小齿轮传递的转矩 ................................................................................................... 25 3.确定齿数 .............................................................................................................................. 25 4.确定许用应力 ..................................................................................................................... 25 5.初步计算齿轮的主要尺寸 .............................................................................................. 26 6. 齿根弯曲疲劳强度设计 ................................................................................................. 27 7.几何尺寸计算 ..................................................................................................................... 28 8.总设计参数 .......................................................................................................................... 29

五 螺旋桨设计 .................................................................................................................................... 31

（一）设计方法 ............................................................................................................................ 31 （二）伴流系数和推力减额的确定........................................................................................ 31 （三）螺旋桨直径估算 .............................................................................................................. 31 （四）图谱计算 ............................................................................................................................ 32

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（五）螺距和最高行速计算 ..................................................................................................... 32 （六）空泡校核 ............................................................................................................................ 35 （七）螺旋桨最佳要素计算 ..................................................................................................... 35 （八）重量与力矩估计 .............................................................................................................. 35 （九）螺旋桨计算总结 .............................................................................................................. 36 （十）螺旋桨图形绘制 .............................................................................................................. 37 六 结束语 ............................................................................................................................................. 39 参考文献 ................................................................................................................................................. 41 致谢 ........................................................................................................................................................... 42

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一 绪论

（一）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，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，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”，“nomics”表示“规律、法则”的意思，因此，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 Engineering”（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“Эргнотика”在我国，所用名称也各不相， ，有“人类工程学”、“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”，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，

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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。

（二）发展前景

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。

（三）研究内容

课题的设计要求：

设计便捷舒适的水上自行车，能量利用率高： 1. 单人驾驶无副座位 2. 设计载人重量为80kg 3. 有便捷转向机构

在此次课题研究的主要内容是，设计符合上述条件的水上自行车，分析设计要求主要工作内容有：

a) 船身基础造型特征分析

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b) 水下推进器的选择分析 c) 传动系统的设计 d) 导向系统的设计 e) 密封装置选择

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二 总方案分析与拟定

（一）方案分析

按设计要求，此处设计的水上单人自行车主要从效率和使用性能两个方面分析，整体构成由以下几大模块：

1.船身

在船舶制造业中，船身的造型对整个行船的效率有着很大的影响，因为船身的造型直接影响到的是行进的阻力。此处设计的水上自行车的船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

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

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。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，

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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。

（二）方案设计

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暂定方案：

方案一：采用一级齿轮传动，明轮驱动。当脚踩动踏板带动齿轮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船前进。

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方案二：采用链和锥齿轮的传动系统，螺旋桨驱动。当脚踩动踏板带动齿链轮轮1、2转动，通过锥齿轮3、4改变轴转动位置，带动螺旋桨5转动，产生向前的驱动力驱动船前进。

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二 动力结构设计

（一）结构的拟定

1.结构分析

根据设计要求，人在与自行车互动的过程中分别有臀部与鞍座接触、手掌与车把接触、脚底板与脚踏板接触，其中脚踏板踩动连扛做旋转运动做功。

影响自行车性能的因素除了上述人的因素外，还有许多机械因素。为了获得自行车较佳的性能，必须把人的因素与机械因素有机地结合起来，以使人一车协调。为此，着重分析与人体相关的结构要素。 （1）速比

大小链轮的齿数比，与链轮直径比相一致，一般控制在2.3-4.0的范围内。利用速比关系可取得骑行时所必要的功率和必要的速度。速比要合适，如果太小，无论人的肌力有多大，由于不能充分提高转速，所以就得不到大的输出功率。也由于速比小，在限定的曲柄转速下，得不到必要的骑行速度（后轮转速）。速比过大时，要求的踏力也大，容易使人疲劳。为了保持不疲倦的持续骑行，希望肌肉的负担约为最大肌力的10% ，按此选择速比和曲柄转速，可得到比较好的效果。 （2）曲柄长度

传统的自行车设计，一般从杠杆原理考虑比较多，对人研究少，认为曲柄越长越有力。曲柄过长后，为了不使脚蹬碰到前泥板，不得不加大中轴至前轴的距离（前心距）。这样势必加长车架，影响了正确的坐车姿势，使人感到臀部痛。若能按人的身长或下肢长来考虑曲柄长度，则可使人省力和舒适。通常曲柄长度的基准，取人体身长的 1／10 ，也相当于大腿骨长的 1／2 。

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曲柄在pro/e中的模型

（3）三接点位置

正确的骑车姿势，是由骑车人和自行车三个接点位置决定的，如图1-4(a）中所示的鞍座位置 A 、车把位置B 、脚蹬位置C 。按三点调整法，AB 和AC 约等，一般 AB = ( AC 一 3 ) cm , A点略低于B点，约为5cm 。

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图1-4a

（4）鞍座位置

鞍座装得过低，骑行时双脚始终呈弯曲状态，腿部肌肉得不到放松，时间长了就会感到疲软无力；鞍座装得过高，骑行时腿部的肌肉拉得过紧，脚趾部分用力过多，双脚也容易疲劳。骑车时适当的用力部位是脚掌。设计或校正鞍座位置高低最常用的方法，是使手臂的腋窝部位中心紧靠鞍座中部，使手的中指能触到装配链轮的中轴心为宜。人体各部尺寸都有一定的联系，只要腋窝中心至中指的长度确定下来，鞍座高度便可大致确定。行驶较快的车，鞍座位置要向前移动，行驶较慢的车，鞍座位置要向后移动，否则都不利于骑行。 （5）脚踏板与地面高度

考虑到踩踏时脚尖易划到船板，故需保持脚踏板与船板的最小高度为一般脚长的1/2。这里取125mm （6）鞍座高度（109%法）

在1967年Hamley 和Thomas提出一个更好方法，他们试验了各种不同的鞍座高度，并且认为理想的鞍座高度的位置是inseam长度的109 ％。（尺处取为0.83m） （7）车座设计

车座后端应根据人体坐骨结间距来确定,根据解剖学中的数据,该宽度应以6～8cm。车座往后倾一定的角度,使背部适当靠后,降低背部肌肉压力;但如果角度太大,会使脊椎受伤。所以为了达到坐姿的最小舒适范围,使前倾角在15°以内坐垫采用透气、有弹性且不打滑的材料。

（本处车座鞍座宽度取8cm，前倾角设计为可调式）。

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三 船体构造计算

（一）船身阻力分析

1.计算雷诺数

106m2/s 密度查得在标准大气压下，10.C时水的运动粘度为ν=1.306×为999.7kg/m3

计算船体在1m/s时的雷洛数

LU1.378×1Re==1055130.168V==1055130.168 6ν1.306×10故可判断为湍流 500000

103 可得 Cf=4.588×2.计算总阻力

根据摩擦阻力Ff计算公式先计算出船体低速运行时因摩擦而产生的阻力。

V2BL 把（1）带入 Ff=Cfρ2v2V103ρBL (2) 得 Ff=CfρBL=4.588×22根据阻力成分分析，船只低速运行时摩擦阻力占到7080%，

95此处取 75%F=Ff 总阻力 F=100Ff (3) 75（二）船身速度分析

PSηHηrη=FV

将（1）、（2）、（3）带入上式得

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51.5PSηHηrη×10351.5×11.6533×0.9574×0.8×1031414V=()=()= 1.5890m/s

4.588ρBL4.588×999.7×0.798143

速度与阻力对照表：

效率（%） 速度（m/s） 阻力（N）

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 1.241 1.294 1.343 1.390 1.434 1.475 1.515 1.553 1.589 1.624 1.657 3.600 3.881 4.150 4.415 4.669 4.912 5.154 5.390 5.617 5.841 6.057 （三）利用阻力系数计算船身阻力

由于船身造型接近长椭圆体，故可按三维物体的总阻力公式计算船行进所受阻力

V2FD=CDρA 查得CD?0.08

2故速度与阻力对照表：

速度（m/s） 阻力（N） 0.70 0.85 1.00 1.15 1.30 1.45 1.60 1.75 1.80 15.64 23.06 31.92 42.21 53.94 67.10 81.71 97.74 134.1 17

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图1.1 船身在pro/e里的模型图

（四）转向板面积计算

在通常情况下水上漂浮物体行进转向时，大多情况下都是用了最常用的舵，当然也有运用其他方式进行转向的，像部分船只在船的左右侧安装驱动装置从而实现船只任意方向的转换，此处设计的水上自行车属于轻型水上娱乐设备，考虑到轻巧快捷，故此处采用通用的舵来进行转向，在选取一块板材做舵时，我们又要考虑到板块的面积和长宽比，我们可以进行如下计算获得：

通过前面我们对水上自行车船体的阻力分析我可以得到水对浮体的实际阻力在10N左右，浮体在进行转向时通常转角都在45度左右，故要达到10N的力，则水对浮体的实际阻力需要达到20N，如果是通过板块转向获得则需要板块横放时能达到20N的阻力。 而横放时板块所受阻力我们可以用如下积分计算： 假设板块的长、宽分别为a和b

由于板块的吃水深度为c=0.32m（数可由浮体模型测量直接可以得到），

c+aF=∫ρg(c+x)adx ρ 为内地淡水的密度 c代入积分可得：

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2b2+0.64b=

a当取得a=200mm 时 b=70

故浮体采用的转向舵的长宽确定为 长为200mm 宽为70mm

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四 传动系统设计

（一）输入效率计算

1. 人的输出功率分析计算

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。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25N，踩蹬速度适当的取为正常路面骑乘转速的一半，故本次设计的人的输出功率为。 P?3.14?0.18?25?0.5w?14.1372w/s（180mm为一般自行车的踩踏杠的长度）1?22. 本次设计中自行车的传动效率损失有：

踩踏关节的损失：η1=0.97 链传动的损失：η2=0.96 滑动轴承（一对）：η3=0.97 锥齿轮传动的损失：η4=0.96 轴系效率：η5=0.98 滑动轴承：η6=0.97

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由以上算出的总的传动效率：

?=η1×η2×η3×η4×η5×η6=0.962×0.973×0.98=0.8243

所以螺旋桨轴端输出功率为

PS=η×P=0.8243×14.1372=11.6333w

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（二）传动比分配

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，此处分配特点为链传动和锥齿轮传动的分配，但是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

1.总传动比计算

r/s 由螺旋桨计算得需要转速达到 n=6.667踩踏自行车时的正常平均踩速为 n0=0.5r/s

故总传动比 i0=n/n0=6.667/0.5=13.3333

2.传动比分配

一般自行车的传动比为：i,=2.445

为了保持自行车的正常性能特性，以及合理的采用标准件降低生产成本，故一级链传动的传动比维持不变

i1=2.5 则

i2=i0=13.333/2.445=5.45 i1以下为本方案中用到的基本传动机构简易图

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（三）链传动设计

1.设计内容

确定链条型号、链节数LP、排数、链轮齿数z1、z2、链轮结构、材料、几何尺寸、中心距a、压轴力FP、润滑方式、张紧装置

已知设计条件：低速平稳运转，传递功率P?13.713J,主动链轮转速n1=30r/min，从动链轮转速n2=147r/min，传动比i1=2.45

2.设计步骤

（1）选择链轮齿数z1、z2

在17-114之间选取齿数。

z1=44 z2=18

（2）计算当量的单排链的计算功率Pca

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

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的单排计算功率

（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Pca和主动链轮转速n1由图查到 确定链条型号为：08A （机械设计图9-11P176） 确定链条节距为：12.7 （机械设计表9-1P167）

Pca=KAKZP KP KA KZ KP 查表得 KA?1.0 工况系数 数 KZ?0.52 主动链轮齿数系多排链系数 KP?1.0

KAKZP=0.52×13.713=0.007130kw KP 故 Pca=

（4）计算链节距和中心距

初选中心距a0=(30~50)p，按下式计算链节数Lp0

Lp0=2a0z1+z2z2z12p44+18184421++()=2×(30~50)++()=(92~132) p22πa022π(30~50)将LP0圆整为偶数LP?130

当传动比小于4时，a0>0.20z1(i+1)p=385.57 则链传动的最大中心距为：

a=f1p[2LP 由

LPz2(z1+z2)]=0.24798×12.7[2×130(44+18)]=434.6097mm

z112044表?7 ==2.9230 7 查表 机械设计9z14418得f1=0.24798 理论轴间距

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Ka=1

2(LPz1)2πcosθ[1]z2z1

invθ=π(LPz2z1z11)

（5）计算链速，确定润滑方式

znp44×30×12.7v=11==0.2794m/s 60×100060×1000914 查图得 润滑方式为定期人工润滑 机械设计图（6）计算链传动在轴上的轴压力Fr

Fe=1000P0.013713=1000×=49.08 v0.2794 Fr=1.10KAFe=1.10×1.0×49.08=53.988N8 （7）设计总结 链轮 齿数(z/mm) 分度圆直径(d大链轮 44 178.02 185.00 170.10 3.00 170.10 <164.25 12.7 385.57 小链轮 18 73.14 80.00 65.22 4.00 65.22 <58.71 /mm) 齿顶圆直径(da齿根圆直径(df/mm) /mm) /mm) /mm) 分度圆弦齿高(ha最大齿跟距离(LX齿侧凸缘直径(dg节距(/mm) p/mm) 轴间距(a/mm) 24

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链长(L/mm) 1270 100 0.2794 08A 链节数(LP) 链速(v/m/s) 链号

（四）锥齿轮传动设计

1.齿轮类型、精度等级、材料及齿数

（1）按传动方案要求，选用直齿圆锥齿轮传动

10?8 （2）水上自行车为一般娱乐设备，故选用8级精度 机械设计表（3）材料选择。由表选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料

为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS

2.计算小齿轮传递的转矩

95.5×105×0.0141327×0.972×0.962T1==0.4237N280m

查图2.4-31 可得满足条件的最小直径为39mm 机械工程师手 册3.确定齿数

根据分度圆的直径d1由图2.4-32 确定小齿轮齿数

z1=17 大齿轮齿数

z2=3.8×17=64

4.确定许用应力

（1） 确定极限应力?Hlim和?Flim

齿面硬度：小齿轮按230HBS，大齿轮按190HBS

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查图10-21得?Hlim1=580Mpa, ?Hlim2=550 Mpa 查图10-20得

?Flim1=450Mpa, ?Flim2=380Mpa

（2）计算应力循环次数N，确定寿命系数kHN,kFN

N1=60n3jLh =60×269.66×1×（2×8×300×5）=3.883×108 N2=N1/u=3.883×108/3=1.294×108 查图10—19得kHN1=0.96,kHN2=0.98 （3）计算接触许用应力

取SHmin?1 SFmin?1.4 由许用应力接触疲劳应力公式

［σH］1=kHN1×σHlim1=556.8MPa

SHkHN2×σHlim2=539MPa

SH［σH］2=查图10-18得kFE1=0.89 kFE2=0.91

σFlim1×kFE1450×0.89［σF］===286.07MPa 1SF1.4σFlim2×kFE2380×0.91［σF］===247MPa 2SF1.45.初步计算齿轮的主要尺寸

因为低速级的载荷大于高速级的载荷，所以通过低速级的数据进行计算

按式（10—26）试算，即

KtTZEdt≥2.92·2φ（φR）uσHR10.5确定个参数值 （1）试选载荷系数K=1.3 （2）计算小齿轮传递的转矩

32[]

T1=9.55×106×P/n3=9.55×106×4.9/269.66 =1.74×104N·mm

（3）材料弹性影响系数

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由《机械设计》表10-6取 ZE=189.8MPa （4）试算小齿轮分度圆直径d1t

3232KtTZEdt≥2.92·2φ（φR）uσHR10.5（5）计算圆周速度 v=

[]1.3×1.74×104189.8·=2.92=47.53mm 20.3×（10.5×0.3）×3539πd1tn2π×47.53×269.66==0.671m/s

60?100060×1000因为有轻微震动，查表10-2得KA=1.25。根据v=0.67m/s,8级精度，由图10—8查得动载系数

KV=1.03；

故载荷系数

K=KA*KV*KHα*KHβ=1.25×1.03×1×1.2=1.545 （6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径 由式（10—10a）得

d1=d1tK/Kt=47.53?1.545/1.3mm=50.34mm

50.34=42.789mm

计算大端模数m

m ?33d150.34=mm=1.94 mm 26z16. 齿根弯曲疲劳强度设计

由式(10—23) mn≥确定计算参数

（1）计算载荷系数

由表10-9查得KHβbe=1.25 则KFβ=1.5 KHβbe=1.875 K=KAKVKFαKFβ=1.25×1.03×1×1.875=2.414 （2）齿形系数和应力修正系数

因为齿形系数和应力修正系数按当量齿数zv?z算。其中 cos?34KT22φ（φR）z1R1?0.5YY·FaSa σF?u2?1?27

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查表10-5 齿形系数 YFa1=2.57；YFa2=2.06

应力修正系数 Ysa1=1.60；Ysa2=1.97

YY（3）计算大、小齿轮的FaSa并加以比较

σFYFa1YSa12.57?1.60==0.01437 286.07σF1[][]YFa2YSa22.06?1.97==0.01643

247?σF?2 大齿轮的数值大。 （4）设计计算

mn≥

34KT22φ（φR）z1R10.5YY·FaSa u2+1σF[]2 =

34×2.414×1.74×1040.3×（10.5×0.3）×26×3+122×0.01643=1.812

对比计算结果，可取由弯曲强度算得的模数1.812并就近圆整为标准值m=2mm 按接触疲劳强度算得的分度圆直径d1=50.34mm，

算出小齿轮齿数 Z1=d1/m=50.34/2=25.17取Z1=25 大齿轮齿数 Z2=3x25=75

7.几何尺寸计算

（1）计算分度圆直径

d1=m·Z=2×25=50 mm d2=m·Z1=2×75=150mm （2）计算锥距

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d12d22u2?1R=（）?=79.06 （）?d1222（3）计算齿轮宽度

b= R·φR=79.06x0.3=23.7 取B2=30mm B1=25mm

8.总设计参数

参数名称 大端模数m 齿数比u 齿数z 分锥角? 分度圆直径d/mm 锥距R/mm 齿宽b/mm 小轮 大轮 1.5 u?3.8 z1=17 z2?64 ?1?14.8756 d1?25.5 R?49.6645 ?2?75.1243 d2?96 b?15 取b?10 齿宽中点分度圆直径dm 齿宽中点模数mm 高变位因子? dm1?22.933 mm?1.349 x1?0.4278dm2?86.335 x2?-0.4278切向变位因子xt 大端齿顶高ha 大端齿根高hf xt1?0.04 xt2??0.04 ha2?0.8583ha1?2.1417 hf1?1.1583hf2?2.4417 29

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大端齿高h h?2.2 大端齿顶圆直径da 齿根角?f da1?29.6398 da2?96.4407 ?f1?1.336 ?f2?2.8146 齿顶角?a 顶锥角δa 根锥角?f 冠顶距AK 大端分度圆齿厚s 大端分度圆弦齿厚s ?a1?2.8146 ?a2?1.336 ?a2?76.4603 ?f2?72.3097 AK2?11.92 ?a1?17.6902 ?f1?13.5396 AK1?47.45 s1?2.8833 s1?2.8828 s2?1.829 s2?1.8288 大端分度圆弦齿高h h1?2.22 h2?0.8605

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五 螺旋桨设计

（一）设计方法

本处螺旋桨设计采用图谱设计方法设计，用图谱计算性能是比较广泛应用的方法，其正确性也比较高。图谱都是从各实验水池中，通过一系列螺旋桨的实验而绘制出来的，应用方法也大致相仿，本处采用使用较为普遍的荷兰瓦茨宁恩水池提供的楚思德B型螺旋桨图谱

（二）伴流系数和推力减额的确定

螺旋桨计算中需要半流系数和推力减额假设半流系数是ω，推力减额是t，则可得出船身的有效效率。尤其是半流系数若是估算出入偏大，那会影响螺旋桨的“车头轻重”。一般来说，估算有5%的出入，则螺旋桨有2%的上下，但是目前还没有精确的计算方法，一下根据查表可得： 船身接近游艇内 故取ω=0.06 t=0.1

ηH=(1t)/(1ω)=0.957 4 ηr=1.0

（三）螺旋桨直径估算

受船吃水深度的限制，螺旋桨的直径应不大于350mm，当已知驱动功率和桨轴转速，可以用下面式子估算螺旋桨的直径

D=1.106[PS0.2](0.01N)3kD

kD=1.03为直径修正系数

PS=11.6533J

D=1.106[0.01165330.2]×1.03=252.1mm 3(0.01×280)

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（四）图谱计算

根据图谱计算时候 由 σ=ND

1.94VA 船进速 VA=V(1w)=0.2778v(1w)= 0.799m/s 负荷系数 BP=0.222NPDVA2.50.5=11.758 9 按照页数和盘面比EAR查得 下 图5-6

σ=44

H=0.85 D η=0.71 则最佳直径

D?1.94σVA/N?1.94?44?0.799/276?248mm

（五）螺距和最高行速计算

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计算项目 单位 计算公式 假设一系列速度（km/h） V1 V2 1.20 1.128 0.9923 0.3974 V3 1.55 1.457 1.282 0.3974 V4 1.80 1.692 1.489 0.3974 VS VA J m/s m/s V/3.6 0.85 0.799 0.7029 0.3974 VS(1??) VA/nD Nm Q 1000PD/2pi?n KQ H D N Q/?n2D5 由KQ及J查图得 由H及J查图得 D0.02129 0.02129 0.02129 0.02129 0.90 0.12 9.19 24.83 23.06 1.10 0.09 6.897 18.62 45.95 1.38 0.08 6.13 16.55 76.67 1.51 0.05 3.83 10.35 103.4 KT T KT???n2?D4 T(1?t)Z Te RS N N 阻力计算得到

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由上表数据整理可绘成如下曲线：

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通过绘制出来的图形可得到交点A，即使可能达到的最高航速，又可以由交点求出相应的H/D 计算可得：

H?0.91 最佳航速为0.93m/s D（六）空泡校核

P0=10100+1000h=10300

9.81P0AE9.81×10300×0.5==665.5

ρn2D4999.7×4.66662×0.2434则KC>0.195+0.07×(H/D)3 KC=所以叶背无空泡产生

J?0.7?0.758H/D?0.758

所以页面无空泡产生

（七）螺旋桨最佳要素计算

D=0.248m V=0.93m,/s H=225.68m m

H=0.91 DBP=11.758

利用回归公式计算螺旋桨的最佳效率（按B3-50的校核系数计算），

η0=1.988×11.75892×1054.815×11.7589×108+0.720=0.7227

（八）重量与力矩估计

螺旋桨重量

W=165EARD3=165×0.5×0.2483=1.26kg 螺旋桨惯性矩

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1D5=71×10.5×0.2458=0.33N3 I=71EARcms2

（九）螺旋桨计算总结

螺旋桨直径 D=0.248m 螺距比 H/D=0.91 型式 叶数 盘面比 纵倾角 螺旋桨效率 设计航速 毂径比 旋向 材料 重量 惯性矩

B 3 0.5 150 η0=0.722 7 V=0.93m/s d/D=0.18 右旋 铝镍青铜 1.26kg

0.33N3cms2

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（十）螺旋桨图形绘制

r/R 辐射基线至随边 辐射基线至导边 切面弦长 切面最大厚度 0.2 26.30 0.3 29.96 0.4 0.6R弦长 33.58 37.17 40.51 43.08 44.22 41.69 13.55 91.71 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 42.23 47.00 50.36 51.84 51.20 47.89 40.93 … 27.79 68.53 76.95 83.94 89.01 91.71 90.97 85.15 69.49 10.06 8.90 7.74 6.57 5.40 4.24 3.08 2.05 0.74 轴线处最大厚度 12.4 切面最大厚度至导边 23.99 26.94 29.37 31.36 35.67 40.2 40.65 33.21 B型3叶螺旋桨尺度

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各纵坐标至切面最厚处距离（以导边或随边至最厚处长度的%计） 由 随 边 至 最 厚 处 r/R 100 80 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 ---- 4.85 ---- 4.10 ---- 3.33 ---- 2.58 ---- 1.96 ---- 1.51 ---- 1.14 ---- 0.84 60 6.60 5.76 4.91 4.06 3.28 2.56 1.88 1.30 40 7.90 6.98 6.05 5.11 4.17 3.25 2.37 1.61 20 8.77 7.78 6.78 5.74 4.72 3.70 2.69 1.79 20 8.96 7.91 6.86 5.83 4.79 3.74 2.70 1.79 40 8.59 7.56 6.52 5.49 4.45 3.40 2.37 1.61 由 最 厚 处 至 导 边 60 7.91 6.90 5.89 4.89 3.87 2.87 1.91 1.30 80 90 95 100 ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- 导边和随边端圆 直径(以其切面最 大厚度的%计) r/R 导边 随边 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 叶 以 最 大 厚 背 度 百 分 数 计 的 0.2 2.73 1.65 0.99 0.50 0.14 0.04 0.21 0.54 1.22 切 面 纵 0.3 2.04 0.98 0.14 0.004 0.10 0.37 0.87 坐 标 叶 0.4 1.25 0.43 0.02 0.18 0.19 值 0.04 0.26 0.5 0.54 0.10 面 0.6 0.25 0.04 0.7 0.8 6.76 5.85 5.18 5.83 5.04 4.41 4.92 4.20 3.65 4.02 3.37 2.89 3.10 2.56 2.12 2.18 1.69 1.34 1.34 0.96 0.71 0.84 0.56 0.41 0.58 ---- 0.52 ---- 0.46 ---- 0.40 ---- 0.33 ---- 0.26 ---- 0.19 ---- 0.21 0.21 1.85 2.38 3.64 1.33 1.78 3.00 叶梢 0.18 0.18 0.87 1.25 2.41 0.50 0.79 1.81 0.22 0.41 1.20 0.015 0.09 0.61 0.21 B型螺旋桨各半径处切面纵坐标

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248X225 248X225

六 结束语

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还记得那次何国旗老师给我布置这个题目的时候，当时我还挺兴奋的，感觉水上自行车很简单，简单的几乎将它当做是第二次课程设计，可正当我着手去做的时候，却不知道如何下手，于是我开始去图书馆和网上查阅大量有关本课题方面的资料，还有很多和自己专业都是毫无关系的。

通过查询这些资料，渐渐地我的思维变得开阔起来。我找到了突破口，锁定了设计所需的主要参数结合自己的专。业知识，查询各种手册，很快我就完成了初步的建模，使自己的设计逐步完善起来，同时经过何老师的指点，改进了很多，每一次改进都是我受益匪浅。从中我了解了机械有太多太多的东西需要学了。

虽然我的设计不是很成熟，还有很多不足之处，但我付出了自己的劳动，这是我引以为豪的地方，我相信只有经历过的人才会明白其中的酸甜苦辣。

这次设计我学到了很多东西，我感到做好设计是真正用心去做一件事情，是自己真正把自己大学四年来学的东西巩固和提高的过程，逆水行舟不进则退，希望通过这次经历激励自己今后学习中取得更大的进步。

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参考文献

[1] 濮良贵.机械设计.北京：高等教育出版社，2006.5 [2] 朱理.机械原理.北京：高等教育出版社，2004.4

[3] 许福玲，陈尧明.液压与气压传动.北京：机械工业出版社，2007.5 [4] 赵大兴.工程制图.北京：高等教育出版社，2006

[5] 张万奎.机床电气控制技术.北京：中国林业出版社，北京大学出版社，2006.8 [6] 张福云.TOX 板件冲压连接技术[J] .新技术新工艺，1998.5 [7] 徐学林.互换性与测量技术基础.长沙：湖南大学出版社，2009.7 [8] 孟宪源，姜琪.机构构型与应用.北京：机械工业出版社，2004.1

[9] 周开利，邓春晖.MATLAB基础及应用教程.北京：北京大学出版社，2007.3 [10] 庞国星.工程材料与成形技术基础.北京：机械工业出版社2005.8 电子档：

[11] 成大先.机械设计手册.单行本.液压传动.北京：化学工业出版社，2004.1 [12] 成大先.机械设计手册.单行本.液压控制.北京：化学工业出版社，2004.1 [13] 成大先.机械设计手册.单行本.机械制图.极限与配合.北京：化学工业出版社2004.1

[14] 成大先.机械设计手册.单行本.联接与紧固.北京：化学工业出版社，2004.1 [15] 林清安.Pro/ENGNEER Wildfire零件设计.北京：中国铁道出版社，2003.11 [16] 三菱电机自动化（上海）有限公司.FXPLC综合样本

[17] 卢险峰.中国模具设计大典 第3卷 冲压模具设计.南昌：江西科学技术出版社，2003.1

[18] 机械设计手册编委会.机械设计手册.第五卷.北京：机械工业出版社，2004.8 注：除以上参考资料外还借助网络查询水上自行车发展状况。

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致谢

脑海里还清晰得记得第一次踏入大学门槛时的情景。但如今我们都将是要离开培育我们四年的湖南工业大学了，都要去为自己的事业而打拼奋斗了。一切将重新开始。在大学里学的东西，所做的设计以及实习印象都极其深刻。尤其是这最后的毕业设计，感觉是在写一本陌生的小说。

在大学里，我认识了这么多老师、同学，感谢每一位老师对我的教导，你们传授我知识，启发我的思维，感谢我的同学，跟你们在一起我感到很快乐，你们给了我很多的帮助。特别要感谢我的导师，何国旗老师，您指导我的学习，关心我的生活，对我严格要求，对我在设计上的问题，您都热情地给我解决，您的治学态度和教学育人的精神，都深深地感动了我。

感谢我的母校湖南工业大学，你是我人生中的第一座灯塔，是你让我在这里重拾自我，找到人生的方向。你教会了我什么是“厚德博学”，我将在今后的生活工作中发扬工大精神，不断进步，提高自身能力，谱写人生的新篇章。同时祝你蒸蒸日上，谱写工大美好篇章。

最后，再次向本次设计中所有关心、帮助过我的老师和同学表示衷心的感谢！！！

2011年4月

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