折叠式自行车设计计算方案

2 折叠式自行车设计计算方案 一 选题背景 题的提出 统自行车的弊病 传统自行车作为短途代步工具具备其他交通工具不可替代的功能，“但是现在的城市交通拥挤、存车面积明显不足、自行车停车场所缺乏、占用人行道停车情况严重且自行车被盗现象也十分严重。”因此设计一种占地面积小、轻便、防盗、时尚的可折叠自行车就显得十分有必要。 献综述 行车的发明与演变 据史料记载，最早的实物自行车是 1791 年法国人西拉夫克发明的在玩具马车上装两个轮子的“玩具马”。因无驱动装置，坐垫 较低，骑车人两脚着地，用脚蹬地前进。 1818德国的 德拉伊斯 首创了前轮可以转向的自行车。他用 2个木轮、 1个鞍座和 1个控制前轮的车把制成 1辆木轮车，人坐在车上，用两脚蹬地，驱动木轮运动。 1839 年苏格兰铁匠麦克米兰把自行车由木质结构改为金属结构，轮子做成前轮小后轮大，在前轮处有脚蹬，通过曲柄使后轮转动，骑车人用两脚踩动两根长杆车子就向前行进，骑车人的脚真正离开了地面。 1863 年法国马车店老板米乔克斯在前轮上安装了脚蹬。 1870 年法国的古里门为自行车装上了钢丝辐条，采用加大前轮，以链条传动后轮的结构。 1874 年英国人劳森造出 1 辆和今天形式大致相同的自行车，在车上开始装上链轮和链条，用后轮驱动车子前进，成为安全自行车，但前轮仍比后轮大，鞍座较低。 英国机械师斯塔雷，在自行车上安装上前叉和刹车，首次使用橡胶作车轮，改进了自行车的很多结构，同时改造了很多生产自行车的机器，为自行车的大量生产创造了条件，被后人成为自行车工业之父。 1885 年苏格兰的邓洛普研制将充气轮胎用于自行车，使自行车减震性能大大增强，让骑车的人骑行舒适度更为提高。再加上管材结构，配上车铃、支架、车灯等部件，前后轮改为一样大，到 19 世纪末自行车结 构就基本完善了。经过 3 将机械工业技术发展的成果运用于自行车的设计制造的努力，自行车开始通过批量生产走进普通人的生活，成为人们生活中方便、快捷的交通工具。 叠式自行车的优点和前景 折叠自行车是 20世纪 30年代在欧洲起源于军事用途并伴随着轿车的普及和城市人口的增多而发展起来的，近些年由于采用各种新材料、新技术及结构创新从而使之体积更小重量更轻、更结实耐用。 折叠自行车有很多优点，主要有： 1）寿命超长。车体老化和丢车是人们最烦恼的问题。拥有折叠自行车后，就可以把它放在家里、办公室或者汽车后 备箱里，不用担心被盗和风吹日晒雨淋。 2）时尚浪漫。折叠式自行车比一般自行车轻。提上楼、上电梯、上公交、乘地铁，都不费劲，是公共交通的最佳伴侣。 3）骑乘轻松。把手、坐垫无须任何工具可自由调整高低，男女老幼，皆可乘骑。 目前折叠自行车时常主要集中在欧美等发达国家。在这些国家，很多私人轿车都配备折叠自行车，以备应急和休闲之用。根据发达国家发展的经验，正处在经济高速发展和轿车开始大量进入家庭阶段的我国，自行车行业产业即将迎来更大的发展机遇，而折叠自行车一起独特的符合国情的优势将会出现很大的发展空间。 自行车的发 展方向是设计个性化、功能综合化、自重轻量化、操纵方便化、款式多样化，自行车系列产品将得到更迅速的发展，并形成高中低多档次格局，尤其这地自行车是我国最具潜力取得世界领先水平的产品。 目前已经有这地自行车使用单列向心球轴承、腹板结构及独创的 711 齿分体小飞轮，解决了小自行车受传动比限制的技术难题，使小自行车不但体积小、重量轻而且速度快，十分便于骑行、携带和存放。通过 12 英寸样车在各种路况试骑后，速度与 26 英寸自行车相同，骑行操控性、舒适性、安全性均非常令人满意，完全可以满足成人代步需要，整车质量只有 59 公斤 ，大大低于普通 26英寸自行车，开发形成系列产品后，极具潜力。在城市部分取代 26英寸自行车，成为上班族、学生、有车族、老年人的时尚选择，有着诱人的市场前景。 总结 折叠自行车形态巧妙、绿色环保，既能够很好节省空间又满足人们快节奏生活的需要，为未来理想短途交通工具。 二 设计方案的选择 出方案 叠自行车现有产品设计分析并确立方案 自折叠自行车出现以来，人们尝试了多种折叠方式，“其中广泛采用的折叠方式主要是将车架大梁折叠，前后车轮能叠在一起，车把侧放倒，座管压到底， 4 脚踏板折叠。这种折叠方式在折 叠后体积确实缩小了，但外形不规则，必须提着行走，不便于携带，收起、展开费事，不足之处显而易见。”因此虽然技术较为成熟，但并不是理想的折叠式自行车。 折叠方式影响着自行车的各项性能。一种设计方式被消费者接受并被厂家广泛采用也自然会成为行业的标准，但是自折叠自行车出现以来，人们尝试的多种折叠方式都有其局限性。车架大梁折叠式见图 后叉折叠式见图 目前较新的一种折叠方式， 图 5 图 折叠方式没有采用传统的车架大梁折叠的方式，好处就是既缩小了体积，同时，也保留了 2 个车轮正常的功能，方便拖行。 图 6 折叠自行车见图 前一款的基础上，有了进一步的提高，它最大的特 图 是采用特殊的前后叉结构，前后叉并不在一个平面上，将自行车的两轮通过折叠后平行并排，这样的设计在进一步缩小体积的同时，使自行车折叠后能直接拖行，携带更方便。 常见的还有一种折叠式自行车见图 本身体积就足够小，基本上只是 图 单的一次折叠，将自行车的前叉部件折叠，而并没有改变车轮的位置，这类折叠自行车由于自身体积的小巧，因此折叠的过程十分方便。 随着技术以 及需求的进一步发展，现在出现了一类便携性更好的折叠自行车，这类自行车在“存储状态”时甚至已经失去了传统自行车的基本特征。不过这样的设计也确实为特定的使用者带来了极大的便利，折叠后的自行车可以如同行李箱一样任意拖动。箱体式折叠自行车见图 类折叠车通过折叠成为一个类似行李箱的造型，使折叠后的形状更加规则，给了设计师更大的造型发挥空间。 7 图 在结构上，折叠自行车开始使用单列向心球轴承、辐板结构及独创的 711 齿分体小飞轮，解决了小轮自行车受传动比限制的技术难题，使小轮自行车不但体积小、重量 轻而且速度快，十分便于骑行、携带和存放。” 通过对以上折叠形式的分析，发现消费者的需求模式决定了折叠自行车的折叠模式，而不同的折叠方式又影响着产品的外观。设计者应细分折叠自行车市场，设计时追求特点而不强求完美，突出一点并兼顾全面，提供更多的折叠方式和便携方式供消费者选择是折叠自行车的发展方向。 三 尺度综合 构关键尺寸计算 我们自定 大链轮转速 错误 !未找到引用源。 ; 传动功率 错误 !未找到引用源。 ; 选择链轮齿数： 根据折叠自行车的尺寸大小， 取： 小链轮齿数： 错误 !未找到引用源。 ; 自定：传动比： 错误 !未找到引用源。 ; 则： 大链轮齿数 错误 !未找到引用源。 =未找到引用源。 2选取链节距： 初定中心距： 取： 错误 !未找到引用源。 链节数： 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 取： 错误 !未找到引用源。 8 3滚子链主要尺寸 滚子外径： 错误 !未找到引用源。 销轴直径： 错误 !未找到引用源。 内链节内宽： 错误 !未找到引用源。 内链节外宽： 错误 !未找到引用源。 内链板高度： 错误 !未找到引用源。 排距： 错误 !未找到引用源。 4链轮基本尺寸（ 分度圆直径： 错误 !未找到引用源。 ,其中小链轮为 链轮为 齿顶圆直径： 错误 !未找到引用源。 其中 小链轮为 链轮为 齿根圆直径： 错误 !未找到引用源。 其中小链轮为 链轮为 最大齿根距离： 错误 !未找到引用源。 其中小链轮为 链轮为 齿侧凸缘 (或排间槽 )直径： 错误 !未找到引用源。 其中小链轮为 链轮为 分度圆直径： 错误 !未找到引用源。 齿顶圆直径： 错误 !未找到引用源。 齿根圆直径： 错误 !未找到引用源。 最大齿根距离 ： 错误 !未找到引用源。 齿侧凸缘 (或排间槽 )直径： 错误 !未找到引用源。 构关键尺寸优化 额定功率： 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 ( 其中 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 ） 小链轮转速： 错误 !未找到引用源。 链节距： 根据 错误 !未找到引用源。 、 错误 !未找到引用源。 ， 由教材图 出 选用 08 取： 错误 !未找到引用源。 9 确定实际中心距： 中心距： 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 取： 错误 !未找到引用源。 1 四 受力分析 构动态静力描述 作用轴上载荷： 链速： 错误 !未找到引用源。 10 错误 !未找到引用源。 有效拉力： 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 轴上载荷： 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 定润滑方式 根据教材 图 应采用滴油润滑 11 2 五 机构建模 构运动简图及尺寸标注 图 构关键构件建模过程 、车身 1建模过程 (1)、新建一个名为“ 零件文件，进入 的零件模块。 (2)、创建拉伸特征，构造车身圆筒部分： 、草绘拉伸截面，如下图所示： 12 图 、退出草绘编辑器，进行拉伸，如下图所示： 图 3)、创建混合扫描特征，构造车杆： 、选择菜 单“插入”“混合”“伸出项“，进入截面草绘，如下图所示： 13 图 、编辑混合扫描轨迹，如下图所示： 图 可得到如下图所示的车杆： 14 图 4)、创建拉伸特征，构造车杆连接部分： 、草绘拉伸截面，如下图所示： 15 图 、退出草绘编辑器，输入拉伸数值，完成拉伸特征创建，如下图所示： 图 、再进行几次拉伸，则可得到下图所示的车杆连接部分： 16 图 5)完成车身 1的模型创建，最终得下图所示： 图 二 )、车身 2建模过程： 、新建一个名为“ 零件文件，进入 的零件模块。 (2)、创建拉伸特征，构造车身圆筒部分： 、草绘拉伸截面，如下图所示： 17 图 、然后拉伸成如下图所示： 图 3)、创建混合扫描特征： 、选择菜单“插入”“混合”“伸出项“，进入截面草绘，如下图所示： 18 图 、编辑混合扫描轨迹，如下图所示： 图 、完成以下创建： 19 图 4)、进一步通过拉伸特征创建，如下图： 、草绘拉伸截面： 图 、创建拉伸特征，如下图所示： 20 图 4)、创建混合扫描特征： 、选择菜单“插入”“混合”“伸出项“，进入截面草绘，如下图所示： 图 、编辑混合扫描轨迹，如下图所示： 21 图 、完成以下创建： 图 22 (5)、利用拉伸、阵列创建如下特征： 图 6)、利用拉伸、镜像创建如下特征： 图 23 图 7)、再进行倒圆角等命令，得到车身 2的模型，如下图所示： 图 24 (三 )、车身 3建模： (1)创建拉伸、镜像特征， 构造如下图所示： 图 2)、创建扫描混合特征： 、进行如下草绘： 图 25 、 菜 单 “ 插 入 ” “ 扫 描 混 合 ”， 并 分 别 进 行 如 下 编 辑 ：图 26 、得到如下特征： 图 3)、再由拉伸、镜像后，得到如下图所示： 图 27 (4)、由拉伸、倒圆角特征 创建如以下图示： 图 5)、再由拉伸、镜像等创建以下特征： 图 28 (6)、最后，即得到车身 3的模型： 图 四 )、车轮的模型建立： (1)、创建轮辐混合扫描特征： 、选择菜单“插入”“混合”“伸出项“，进入截面草绘，如下图所示： 29 图 、编辑混合扫描轨迹： 图 30 (2)、外胎 创建混合扫描特征，构造外胎，如下图所示： 图 3)、创建拉伸特征，如下图所示： 图 31 (4)、创建混合扫描特征，并进行阵列，得到以下图示： 图 32 (5)、旋转复制，即可得到如下图所示模型： 图 6)、再进行拉伸特征操作，即可得到车轮的模型： 图 33 (五 )、链轮的模型建立： (1)、新建一个名为“ 零件文件，进入 的零件模块。 (2)、创建旋转特征，构造链轮的大体结构： 、选择“菜单”“插入”“旋转”，进入草绘编辑器完成以下草绘： 图 、旋转一圈完成如下图所示： 图 3)、利用拉伸、阵列特征，创建链轮齿廓： 、在草绘编辑器中完成以下草绘： 34 图 、退出草绘编辑器，进行拉伸、阵列： 图 35 、即可得到如下图所示： 图 4)、拉伸、阵列特征的创建： 、在草绘编辑器中完成以下草绘： 图 36 、退出草绘编辑器，进行拉伸、阵列： 图 、最终得到大链轮的模型： 图 37 构总体装配过程 （ 1） 车头部分 1） 单击 （新建）按钮，弹出“新建”对话框。 2） 在“类型”选项组中选择“组件”单选项，在“子类型”选项组中选择“设计” 单选项，输入组件名称为 击“使用缺省模板”复选项以不使用默认模板，单击“确定”按钮。 3） 在出现的“新文件选项”对话框中，从“模板”选项组中选择击“确定”按钮。 4） 单击“插入 装配”按钮，插入 义为“固定”。 5） 插入 钉连接， 与 同轴； 42平面与 29 重合。 6） 插入 钉连接， 与 同轴； 面与 0 7） 插入 性连接， 与 同轴； 面与合。 8） 插入 9） 插入 钉连接， 10）插入 钉连接， 1） 插入 钉连接， 与 同轴， 面与52） 完成车头部分装配。 38 图 2） 车身部分 1) 插入 与 同轴， 面与 2) 插入 钉连接， 与 3）插入 钉连接， 与 同轴， 面与 4）插入 钉连接， 5）插入 钉连接， 6） 插入 钉连接， 7）插入 钉连接， 与 同轴， 8）插入 钉连接， 与 同轴， 面重合； 面与 9) 插入 钉连接， 与 同轴， 面与 10) 插入 钉连接，曲线 同轴， 39 11） 分别插入 钉连接。 12）车身部分装配完成。 图 3）动力传动部分 1) 插入 钉连接， 2) 插入 钉连接， 与 同轴， 面与 3) 插入 性连接， 面偏移 10 4）插入 性连接， 与 7 5）插入 面对齐 面与 40 图 ）插入 连接。 图 41 8）动力传动部分装配完成。 图 炸图 表 炸图各个机构对应名称表 1 前轮 8 车头 2 15 车座 2 装配骨架 9 紧定件 16 弹簧 3 大链轮 10 车身 2 17 链条 4 车头 3 11 车身 1 18 小链轮 5 脚踏 12 车头 1 19 后轮 6 轴 13 连接板 7 撇子 14 车身 3 42 3 六 机构仿真 构仿真配置 单击 按钮，打开 击“应用程序 进入机构模块。 1）伺服电动机设置 单击 按钮，进行伺服电动机设置。 类 型 菜 单 ， 选 择 “ 从 动 图 元 - 运 动 轴 ”， 再 选 前 轮 的 运 动 轴“ 轮廓菜单，选择“规范 “模 “ 单击“确定”。 图 机设置： 单击 按钮，进行伺服电动机设置。 类 型 菜 单 ， 选 择 “ 从 动 图 元 - 运 动 轴 ”， 再 选 后 轮 的 运 动 轴“ 轮廓菜单，选择“规范 “模 “ 单击“确定”。 43 图 单击 按钮，进行伺服电动机设置。 类 型 菜 单 ， 选 择 “ 从 动 图 元 - 运 动 轴 ”， 再 选 脚 踏 的 运 动 轴“ 轮廓菜单，选择“规范 “模 “ 单击“确定”。 44 图 单击 按钮，进行伺服电动机设置。 类型菜单，选择“从动图元 再选车身后半部分的运动轴“ 轮廓菜单，选择“规范 “模 “ 单击“确定”。 图 45 构仿真过程描述 在“标准”环境中，装配组件（进行约束与连接） 进入“机构”环境，定义特殊连接 从分析文件中载入结果集，开始测量 回放运动分析，并保存 生成测量分析结果，创建新测量 定义车轮、 后半车身与脚踏转速，转向相同 进入机构分析，开始进行机构仿真 46 图 真参数测量及分析 真参数测量 1）单击 按钮，打开 击“应用程序 进入机构模块。 2）新建一个分析，类型为“动力学”，终止时间为 25，帧数 10。 3）设置电动机启动时间。 图 ）点击“运行”，运行完成后单击“确认”。 5）单击“回放”，播放当前结果集，分析完后保存到指定文件夹。 6）单击 ，开始定义测量。 47 图 行车脚踏运动 图 48 车身后部转速 图 轮转速 图 49 真中存在的不足 1） 链条连接每个链节都需要使用一个槽连接，因此约束太多，电脑太卡不能继续装配，我们减少了链节槽连接，造成链条不能仿真。 2） 链条不是每个链节都是用了槽连接，与骨架线不能很好配合，因此与链轮也不是完全配合，造成链轮仿真存在干涉 3） 无法测量轴的力矩和点的受力情况。 50 4 七 有限元分析 结构分析 打开 件，单击 按钮，文件类型选择“所有文件”，文件名选择“ * 然后打开 零件文件，点击彻底分析模型，所有全选勾，输入实体，这样就在 件中得到了转换文件。 打开“ 件， 单击 ，选择 件。 新建算例 ，应用材料，选择合金钢。 图 选择夹具 选择轴外表面。 选择外部载荷 选取一个圆环面，大小为 100N。 单击运行按钮，最终获得所需的受力结构图。 51 图 析： 图示轴端部连接处最危险，压力最大在 右，且在任意位置，因此，可得出以下结论： 端部连接处设计不合理 改进方式： 增大轴的直径。 增加连接处厚度。 52 结构分析 打开“ 单击 ，选择 件。 新建算例 ，应用材料，选择合金钢。 选择夹具 选择板平面。 选择外部载荷 选取板平面，大小为 单击运行按钮，最终获得所需的 受力结构图。 图 析： 图示在连接孔处最危险，压力最大在 右，且分布于连接板内侧。 改进方式： 增加连接板厚度。 增加连接板宽度。 53 5 八 设计总结 通过这学期的课程设计，不但让我再一次熟练对 件的绘制，还让我掌