本科毕业论文-多功能自行车的设计与仿真.doc

湖北文理学院毕业设计(论文)正文题 目多功能自行车的设计与仿真专 业机械设计制造及其自动化班 级机制0812班姓 名学 号指导教师职 称2012年 5月 23日湖北文理学院 毕业设计（论文）报告纸多功能自行车的设计与仿真摘要：自行车是一种基本的出行交通工具。在当今社会，虽然有更多的新型交通工具可供人选择，但在提倡低碳生活的今天，自行车作为绿色交通工具更被人们所青睐，并成为人们生活中不可分割的一部分。本文通过对市场上已有自行车的结构特点和功能进行研究，结合人机工程学的原理，在考虑合理性与舒适性要求的基础上完成了多功能自行车的总体设计。同时应用Pro/E软件的高级建模技术和运动仿真功能对自行车进行了三维建模、虚拟装配及仿真。这样更直观、更全面地反映了多功能自行车的设计意图，让设计者在设计阶段就能清楚地见到产品的最终结果，及时发现设计问题，缩短了产品开发周期，提高了设计效率，符合现代技术的发展要求，同时该设计对自行车新产品的开发也有一定的借鉴意义。关键词：多功能自行车；虚拟装配；三维建模； Pro/E；运动仿真Design and Simulation of Multifunctional BicycleAbstract：People travel bike is one of the basic means of transport. Although in todays society,there is more alternative mode of transportation for people to choose, but in promoting low carbon living today, a bike as a green transport was favored by more and become an integral part of peoples lives. According to the analysis of the structural features and functions on the existing bicycle in this paper, combined with the ergonomics of principle, the overall design of the multi-function bike were completed based on the requirements of rationality and comfort property.At the same time, a 3D modeling, virtual assembly and simulation of a bike were completed by advanced modeling techniques and motion simulation based on Pro/ E software. This is more intuitive, more comprehensively reflect the design intent of the multifunctional bicycle. Designers at the design stage we can clearly see the final result of the product, timely detection of design problems, shorten the design and development cycle, the design efficiency were improved. Development requirements in line with modern technology. Meanwhile, the design of bicycle development of new products also have some reference.Key words: Multifunctional bicycle;Virtual Assembling;3D Modeling; Pro/E; Motion Simulation湖北文理学院 毕业设计（论文）报告纸目 录- - - - - - - - 装 - - - - - - - 订- - - - - - - 线 - - - - - - - - - - - - - - -湖北文理学院 毕业设计（论文）报告纸1 绪 论11.1 本课题的研究背景11.1.1 自行车的研究现状11.1.2 自行车的发展趋势21.2虚拟样机设计的意义及前景51.3本课题研究的目的71.4自行车材料的选择81.4.1铬钼钢车架81.4.2铝合金车架81.4.3钛合金车架91.4.4碳纤维车架101.5 本课题研究的主要内容111.6 本章小结112 多功能自行车主要零件的结构设计122.1 Pro/E设计方法概述122.2 多功能自行车的总体设计122.2.1 自行车的组成122.2.2自行车设计原则与设计流程122.3 自行车基本尺寸设计142.4 车身的设计162.4.1 车架的设计162.4.2前叉的设计172.4.3把手的设计182.4.4 鞍座的设计192.4.5 脚蹬的设计202.4.6车把与鞍座之间的相对位置202.4.7鞍座与脚踏之间的相对位置212.5 车轮的设计212.6链轮小轮盘的设计222.7 链轮大轮盘的设计232.8 链条设计232.9 折叠后的轮椅座位设计242.10人体工程学在自行车设计中应用的思考242.11 本章小结253 自行车的装配设计与功能仿真263.1 装配概述263.2 自行车的装配过程263.2.1 自行车装配的基本原则263.2.2 车架的装配273.2.3 车架与鞍座的装配283.2.4 车架与把手的装配283.2.5车架与前后叉的装配293.2.6 链轮等传动装置与车架等的装配303.2.7 自行车整机装配303.2.8 自行车折叠后主车架与前后叉的装配313.2.9自行车折叠后座板与前叉的装配323.2.10 自行车折叠后传动部分的装配323.3自行车的多功能设计与仿真333.4多功能自行车的色彩设计343.5本章小结35参考文献36附 录37致 谢39 1 绪 论1.1 本课题的研究背景1.1.1 自行车的研究现状在种类繁多的现代交通工具中,自行车一直是和人们日常生活关系最密切的交通工具之一。自行车自诞生至今已有近200年历史。如果要溯本求源,在造型上,自行车最初从独轮车(类似于哪叱的风火轮)发展来的,经历木制玩具马、充气式轮胎自行车、大小轮车、第一辆标准的链轮驱动式安全车,到现在的折叠车。而从功能上来看,自行车最初是由作为玩耍、娱乐的用具开始,经由交通工具、运输工具到今天的休闲、娱乐、健身的伙伴,甚至成为人们生活艺术的化身。虽然在科技极其高度发达的今天,有很多交通工具比自行车更舒适、快捷、方便。但是,在倡导环保交通工具的今天,自行车在许多欧洲发达国家却越来越受到青睐,而且成为城市交通的重要组成部分。21世纪是环保的世纪,绿色的世纪,像自行车这种以人为本,以人为先的交通工具既保证了交通秩序和安全,又营造了一种优秀的人文氛围,使得整个道路交通成为一种文明而和谐的整体。换个角度思考,这就要求自行车的设计,一方面要以科学技术为基础,设计出可持续发展和生态化的自行车。在今天,设计是不是合理,是不是有价值,也许首先就看这个设计符合不符合生态化的理念。另一方面,自行车的设计应能够满足各个层次的消费者需要,使自行车具有功能性、易用性和快乐性等特性。在自行车研究上，国外建立了一整套详细的设计和生产体系，今一百年来的设计风格对自行车有着深刻的影响，而国外设计者对此研究得比较透彻，在自行车设计创新方面，以用户的舒适，方便，安全等人性化设计为考虑起点进行设计。例如，1930 年，第一台用于军用使用的折叠自行车诞生，开拓了折叠车的历史。其次，国外对自行车的材料研究处于领先地位。在 20 世界初期，欧洲自行车基本完成了完善自行车各部件的设计生产，在 20 世纪 40 年代，铝合金的自行车在欧洲研制成功，并于 50 年代开始出现于各大市场。1948 年，日本设计了第一款竞技自行车，并且在 1956 年设计更现代的女性自行车。20 世纪 70 年代，英国人 Brampton 发明了小型的铝合金折叠自行车，改变了人们对折叠自行车的使用理念。随后，国外对自行车材料有了回归性的研究，2008 年，欧洲有竹子制作成的自行车，还有宝马公司设计的众多概念自行车。近年来，由于自行车经济，使用性强，无污染，还能增强体质，所以外国又出现了重新启动自行车的趋势，因而我国不少名牌自行车还远销到欧美，亚飞拉美等国家。1.1.2 自行车的发展趋势未来自行车的发展趋势是: 轻质高档、款式多变、功能多样、外形美观。1、轻质高档90 年代后自行车将向轻质化高强度的中高档产品方向发展。它预示着自行车在用材方面又将进行一次重大革命, 进入轻合金和复合材料的时代。1 7 9 1 年法国人西布拉克制成的世界上第一辆自行车是全木结构。1839年, 苏格兰人马克米兰将木制结构的自行车改为钢铁结构, 这是自行车用材上的一次重大革命。1839年, 爱尔兰的邓禄普给自行车装上充气胎、使自行车的结构基本定型。进入20 世纪后, 自行车用材则一直以普通碳素钢为主。用钢制成的自行车, 普通车重量为2 5k g 、轻便车为20k g , 赛车低于15kg 。随着现代科学技术的发展、冶炼工业水平的提高, 轻合金材料的应用面逐渐扩大。最早应用于自行车工业的轻合金材料要属铝合金。铝合金材料具有重量轻、强度高、抗腐蚀、工艺性能好, 价格适中等优点、从而成为生产中、高档自行车的理想用材。铝合金自行车重约15k g , 售价每辆可达200美元以上。应用于自行车工业的轻合金材料除铝合金之外, 还有铬铝合金、铝镁合金、钦合金等。钦合金的比重仅为钢的一半, 但其抗拉强度却是目前金属材料中强度较高的一种。因此, 用钦合金来制作自行车极具魅力。由于冶炼技术和加工工艺等因素而使其制作成本昂贵,钦合金自行车暂不能形成商品。复合材料碳纤维应用于自行车工业只是近几年的事情, 但自碳纤维自行车诞生之日起, 便显示出强大的生命力。碳纤维的比重只有钢的4 , 比铝还轻, 而强度却是钢的4倍, 它既没有明显的性能顶点, 亦没有最低的价格限度, 用碳纤维制造的自行车重量仅为9kg 。台湾巨大公司新推出一辆碳纤维自行车售价为692美元,该公司的目标是: 在短时间内努力降低其价格至5 0 0 美元以下, 达到广大消费者均可接受的程度。可以相信, 随着市场对此种材料的认可和商业上的成功(价格下降) , 九十年代中后期, 碳纤维自行车将会占据自行车市场的主导地位。据资料显示, 目前生产碳纤维自行车的国家和地区有: 美国、日本、法国、意大利和台湾省, 我国已着手此方面的研究。美国现在约有12 家公司共生产有20 种型号的碳纤维自行车。美国今年销售此类车将达2 万辆,1995年复合材料制成的自行车产品其销量将超过钢制自行车,1997年则会超过铝合金自行车。2、款式多变自行车产品的款式变化将会越来越多, 越来越奇特。国外自行车品种是年年有变化, 五年一大变。81年到85年是BM X 越野车的黄金时代, 86 年便被M T B山地车取而代之。现在一种结合运动赛车与山地车之优点的“混合自行车” , 继M T B 山地车之后“ 粉墨登场” , 它既有运动赛车的速度又有M T B 山地车的强度; 既可跑路, 又能登山。可以预计, 九十年代前期为M T B 的天下, 后期则由新一代混合自行车主导市场。3、功能多样集娱乐、健身、运动型自行车产品将会成为自行车市场的主流。这是因为自行车运动将成为主要的体育运动项目, 自行车将成为一种娱乐工具。现代三项铁人运动的兴起, 更是自行车成为娱乐工具的强力助动剂。九十年代社会老龄化问题将日益突出, 妇女儿童亦纷纷加入到自行车运动行列, 因而在九十年代, 适合老年人、妇女、儿童骑行的自行车产品极具市场潜力。交通堵塞、车位难寻、高层住宅成为现代都市生活的缩影。折叠式自行车将以其独具的魅力(折叠后体积小、不占空间、易携引) 畅销九十年代自行车市场。4、外型美观当今的中、高档自行车产品其传动系统都为轻快的多级变速, 目前最多的达三链轮八飞24 变速, 因而速度极快。自行车产品设计者们将会充分考虑运动时的每一个技术问题, 空气动力学将得到充分的运用。可以想象, 自行车产品定会极具流线型而使其外型更美观。大自然色彩将会成为九十年代自行车的主色调。九十年代随着自行车整车的高档化, 自行车零部件的开发亦将日新月异。日本岛野公司和桑塔公司最新推出了安装在把横管下方的姆指按压式换档器。堪派诺罗公司亦推出一种转动把手套即可换档的新型换档器。进入九十年代, 自行车变速拨链器将会进入一个新的发展阶段。自行车速度的提高, 对其制动性能的要求亦就越高, 因此类似摩托车制动装置的液压闸将会应用于自行车上, 避震悬挂装置亦是如此。自行车工业的发展变化, 必然会将最新的技术和工艺应用于自行车上。如轻合金焊接工艺, 复合材料的粘接技术等。电子技术亦将应用于自行车工业, 诸如电子拨链器、电子自行车测速表等。自行车将进入信息时代, 骑车人只要按动装在自行车上的微电脑, 便可知自己的骑行速度, 累计行程、运动量大小、心率变化等。同时，自行车表面装饰趋于时装化、人性化，五颜六色的自行车不仅能发挥其使用功能，同时它还能表达出个人的个性和爱好。这是因为好多人买自行车也像买时装一样喜欢挑挑拣拣，这种情况现在国外相当普遍。今天，国外自行车的颜色可谓丰富多彩，一般均为多色、双色镶拼和多种色彩组合而成的色彩(有三色、四色、五色甚至更多)以及立体感较强的荧光丝纹贴花、花色贴花，各种莹光漆、珠光漆、裂纹漆、条纹漆更为常见。除此之外，表现各种人物和动物的艺术图案现也纷纷进入车架表面涂饰这一领域，有的厂家已将生动活泼的动物图案、儿童卡通画，甚至自行车运动竞赛冠军(各种不同的比赛运动项目冠军)及电影明星画像也搬上粗犷的山地自行车或越野自行车车架。为了使自行车色彩更为和谐，有部分厂家在车把把立管上还采用了色彩和车架相仿的多彩朦胧艺术图案的表面装饰，这种装饰使人在视觉和触觉上始终有一种新鲜的感觉，目前已成为自行车市场上的一种流行趋势。总而言之,自行车产品日趋高档。自行车用材进入轻合金和复合材料时代。自行车款式将围绕着娱乐、健身、运动这一主题而不断变化。自行车零部件大放异彩, 电子技术会在自行车工业得到广泛应用。因此，自行车设计，一方面要满足消费者的需求，使自行车具有功能性，人性化，另一方面要符合当前社会科技发展的要求，具有时代性。如何设计和一个功能强大、人性化的自行车成为了当今人们比较关心的问题。 以下是两款设计比较新颖的自行车：第1款：此自行车为可折叠的自行车，自行车后架为一个背包的形状，自行车可折叠收拢到背包范围内，便于携带，设计特别新颖。图1.1可折叠式背包自行车 第2款:这一款自行车可称之为概念车,设计很独特,造型很美观,在座椅的地方的改进特别突出,显示出当代自行车的多样性. 图1.2 概念车的造型1.2虚拟样机设计的意义及前景虚拟样机技术就是在建立第一台物理样机之前，设计师利用计算机技术建立机械系统的数学模型，进行仿真分析并从图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性，从而修改并得到最优设计方案的技术；虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学特性。借助于这项技术，设计师可以在计算机上建立机械系统模型，伴之以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结果精简和优化系统； 虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式探索虚拟物体功能，对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在CAD模型的基础上，把虚拟技术与仿真方法相结合，为产品的研发提供了一个全新的设计方法。1994年Boeing777在世界上首次借助虚拟样机技术(Virtual Prototyping简称VP)成功取代大型物理模型，保证了机翼和机身的一次接合成功，缩短了数千小时的研发周期，开创了VP研究应用的先河。虚拟样机技术是在CAXDFX(CAD、CAM、CAE、CAPP、DFA、DFM、DFT、DFS、DFD等)技术基础上发展起来的，它进一步融合信息技术、先进制造技术和仿真技术，在计算机上建立数字化模型，伴之以三维可视化处理，模拟在现实环境下系统的运动和动力特性，并根据仿真结果优化系统的设计与过程，为产品的研发提供了一个全新的设计方法。机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是20世纪80年代随着计算机技术发展起来的一项新技术，其核心是机械系统运动学和动力学仿真技术，同时还包括三维CAD建模技术，有限元分析技术，机电液控技术最优化技术等相关技术。与传统的基于物理样机的设计研发方法相比，虚拟样机设计方法具有以下特点：(1)全新的研发模式。传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程，这种方法存在很多的弊端。而虚拟样机技术真正地实现了系统角度的产品优化，它基于并行工程，使产品的概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案，确定影响性能的敏感参数，并通过可视化技术设计产品、预测产品在真实工况下的特征以及所具有的响应，直至获得最优工作性能。(2)更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量。采用虚样机设计方法有助于摆脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立产品的数字化模型(即虚拟样机)，可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验(成本和时间条件不允许)。从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案，因此不但减少了物理样机的数量，而且缩短了研发周期、提高了产品质量。(3)实现动态联盟的重要手段。目前世界范围内广泛地接受了动态联盟的概念，即为了适应快速变化的全球市场，克服单个企业资源的局限性，出现了在一定时间内，通过Internet(或Intranet)临时缔结成的一种虚拟企业，为实现并行设计和制造，参盟企业这间产品信息的敏捷交流尤显重要，而虚拟样机是一种数字化模型，通过网络输送产品信息，具有传递快速、反馈及时的特点，进而使动态联盟的活动具有高度的并行性。虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商业化虚拟样机软件实现的。国外虚拟样机相关技术软件的商业化过程已经完成。目前由二十多家公司在这个日益增长的市场上竞争。比较有影响的有美国机械动力学公司(Mecharlatanic Dynamics Inc)的ADAMS(Automatic D ymanic Analysis of Mechanical System)，CADSI公司的DADS(Dynamic Analysis and Design System)，PTC公司的Pro/ENGINEER及德国航天局的SIMPACK,其他还有ANSYS、ADINA、IDEAS、FLOW 3D、MSC、Software等等；其中美国机械动力学公司的ADAMS占据了市场的50以上。由于机械系统仿真分析提供的分析技术能够满足真实系统并行工程设计要求，通过建立机械系统的模拟样机，使得在物理样机建造前便可分析出它们的工作性能，因而其日益受到国内外机械领域的重视。应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、医学以及工程咨询等不同领域。但国内的研究范围较狭窄，在制造行业中应用还有待普及。Pro/E是法国达索公司开发的专业大型高端CAD/CAE/CAM一体化应用软件，在世界CAD/CAE/CAM领域中处于领军者地位，其内容涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图输出，到生产加工成产品的全过程，其应用范围涉及机械、航空航天、汽车、造船、通用机械、医疗机械和电子等诸多领域。作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。模块化的Pro/E系列产品旨在满足客户在产品开发活动中的需要，包括风格和外型设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析和模拟。Pro/E产品基于开放式可扩展的V5架构。通过使企业能够重用产品设计知识，缩短开发周期，Pro/E解决方案加快企业对市场的需求的反应。自1999年以来，市场上广泛采用它的数字样机流程，从而使之成为世界上最常用的产品开发系统。 Pro/E系列产品已经在七大领域里成为首要的3D设计和模拟解决方案：汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子、消费品和通用机械制造。1.3本课题研究的目的该课题通过对自行车的结构特点和原理进行分析，对自行车的功能进行了创新性设计，应用Pro/E三维软件高级建模技术和机构运动仿真功能对自行车进行三维建模、虚拟装配以及仿真，以便对其结构进行改进及优化。通过该课题的研究，全面而广泛地了解当前国内外相关领域的最新发展动态，系统的掌握了自行车的性能、用途以及其设计原则，对所学知识有进一步的认识和了解。该设计可以有效降低成本，缩减产品的研发周期，提高设计效率，为新产品的开发奠定了基础。1、从人机工程学的角度,对自行车设计发展进行研究,总结自行车设计发展的规律,预测未来自行车设计发展的趋势,为未来自行车外观造型设计提供可借鉴性的理论依据和理论指导；2、针对目前自行车结构进行分析改进,提出可行性解决办法,提出自行车改良设计新的思路和方法,期望能够为今后自行车的设计提供理论指导和评价标准。同时通过设计可以培养学生的现代化设计理念和创新设计能力，有利于培养良好的工程素质。通过毕业论文的写作，提高学生独立完成任务的能力及自学能力，进一步提高文献检索和信息处理能力，而且通过该设计，可以为未来对该领域的一些设计与研究工作提供一定的参考价值。中国未来的产品设计必须以创意与革新为首要条件,唯有真正好用且务实的商品才一能在市场上脱颖而出。符合人机工程,人性化的设计是最实在的,同时也是最前沿的潮流与趋势,是一种人文精神的体现,是人与产品完美和谐的结合。在未来的一段时间内,随着人民生活水平的日益提高,中国的自行车设计将更加注重娱乐、美观、个性和舒适,更加人性化,而不再像原来只是一种交通工具。1.4自行车材料的选择除了车架的造型对使用者有很大影响外，车架所使用的材料也是重要的因素。自行车的使用材料主要指车架所采用的材质，自行车的材料有已往使用的铬钼钢以外、还有铝、钛、碳纤、镁等不断出现新材料，目前出现了不少用这些新材料制成的车架。1.4.1铬钼钢车架铬钼钢车架优点：(1)易加工历史最悠久的车架，要属铬钼钢的车架是，也是人们运用时间最久的材料。因此，无聊是加工或焊接工艺，大多数工厂已经运用娴熟。(2)冲击的吸收性能好骑乘感极强，弹性好，因为铬钼钢组成的车架，可以吸收车体震动带来的冲击力。(3)焊接工艺简单铬钼钢的焊接工艺相对其他材料来说相对简单，而且也不需要经过 T4/T6处理等热处理，因此操作和成本相对简单。(4)价格低廉因为钢材本身的价格相对铝合金，钛合金等其他材料来说相对便宜，所以其被大量运用到自行车设计当中。铬钼钢车架的缺点：(1)防锈能力差铬钼钢在没有添加其他金属的情况下，很容易和空气发生化学反应而生锈。因此一般情况下，铬钼钢必须得进行表面处理的工序，但是在自行车使用过程中，很容易出现车架的磨损，因此，磨损的区域很容易产生锈斑。(2) 铬钼钢的抗疲劳度差铬钼钢虽然硬度比较大，但是柔韧性比较差，即当铬钼钢第一次弯曲后，即使回复原位，但是其强度大大减弱。例如铬钼钢车把在经常的使用后，很容易产生形变或者自行车发生意外的冲撞，将会大大的缩短自行车的寿命，或者当你在踩踏脚踏时感觉到不够顺利，那么有可能金属就以发生了疲劳。1.4.2铝合金车架铝合金车架的优点：铝，相对来说比铁的比重轻，但是强度比较软，通过热处理制成合金是增加其强度的一种方式并。时析出增强法是常用的一种热处理方式，概括的说，通过热处理方式在妨碍金属的变形。时效析出会在高温的热处理情况下伴随出现，假如车架没有经过该程序，便会产生常温时效。6061T6 和 7055T6 是铝合金车架的常用材料。T6 标志即表示之前经过T4处理和热处理。假如没经过热处理，那么其强度只会比原铝强度硬1/5左右。但是，某些具有自行车零件（7055 铝），严格来说，它并没有经过热处理。它是常温兴的，并没有时效性的产生。但是本身 7055铝的硬度就相当的高，假如再进行热处理，其强度可高出一般铝5的硬度五倍。除此之外，7005铝是一种常见运用于车架的材料，虽然它的硬度没有7075铝高，但是他在普通的温度下，依旧能够进行时效反应。7005 铝也可以制作成车架的支撑薄片。但是材料本身的可塑性很低，弹性不够大，所以经常所见到的7005 铝的直径都比较宽外观长时间不容易产生形变铝是属于一种被腐蚀的金属物质，没有被氧化的铝基本是不可能存在的，它会在被氧化的过程中，在铝的表面形成一层很薄的氧化膜。该氧化膜可以在一定程度上保持内部的铝材质不被氧化。氧化膜是一种白色，不容易被发现的薄膜。近来许多商家为了谋求暴利，很多车架都被制作成超薄的形式。这些车架都的疲劳度都是相当的低，因此出现问题的几率相当的大。铝合金车架的缺点：铝的弹性和韧性相对其他车架材料较差。因此采用的车架管子是比较粗，管径比较大，并且都需要进行热处理才能使用，否者强度都不够使用。然而一般的热处理设备相当昂贵，一般中小规模的工厂无能力购买设备，尤其是 7005 以上的金属管材，多数情况下，必须制定厂家进行热处理。1.4.3钛合金车架钛合金车架的优点：(1)可以制成量轻且高强度硬度的车架钛金属属于质轻强度高的稀有金属，即使在钛金属中添加钒和铝，强度相对于铝合金来说也是很高的，有利于各种自行车厂商设计。(2)抗腐蚀性强不易生锈：钛的适应能力很强，即使在很潮湿的环境下也不容易生锈，即使存放多年，色泽一样多彩艳丽。(3)骑乘感好钛合金常常用于前叉避震或者后避震的弹簧上。而用钛合金制成的自行车车架韧性高质量轻，便于长时间的骑行。有些专业的骑手认为，钛合金的车架骑感好，柔软性强，但是也有人仅仅喜欢铬钼钢，他们认为铬钼钢车架课吸收的力道和冲击性更好，并且视觉上，因为铬钼钢的车架管径比较大，看起来会有更强的视觉感。钛合金车架的缺点：钛合金属于稀有金属，因此价格昂贵。钛在自然界以二氧化钛的形态存在，但是提炼二氧化钛的技术要求很高，并且成本大，有风险。并且钛合金之间的熔接难度很大，因为当钛合金与空气接触后，马上形成了二氧化钛，当钛金属形成二氧化钛时，二氧化钛部分会相当的脆，会导致接触面硬度下降。因此焊接钛金属与钛合金时，得使用昂贵的惰性气体钨来进行。但最近有些高端的铝合金车架比钛合金车架贵，这从侧面表明了钛合金的工艺提高了。1.4.4碳纤维车架碳纤维车架的优点：(1).可以制作质轻韧性好的车架碳纤维车架之所以强度高，是因为其内部的碳纤维结构是对着发生应力的方向层层叠加的。因为碳纤维车架是由其内部的密度和强的拉伸强度构成，所起其车架质轻而韧性大。(2).冲击吸收性好碳纤维可以用来制作各种攀爬用的山地车，或者其他要求弹性大的其他领域。还有一些自行车，利用碳纤维弹性大的功能，可以不采用避震器。但是因为各个工厂之间的工艺差异比较大，因此不同厂家的车架韧性不一样。(3).车架的形态多样化因为碳纤维的可塑性比较强，因此碳纤维可以塑造多种多样的车架。碳纤维车架的缺点： (1)成本高碳纤维是构成碳纤维车架的重要组成部分，它的可拉伸强度高，但是天然的碳纤维韧性不够，需要通过加工才能。然而各加工厂家的技术有限，因此加工碳纤维车架的价格和成本较高。(2)尺寸单一由于碳纤维车架是是铸模成型，因此，尺寸结构变化需要重新铸模，因此成本提高，使得碳纤维车架的造型单一。(3)在阳光下容易变老化碳纤维若在太阳下长期爆晒，会产生严重的老化现象，因此长期出去户外的碳纤维自行车的色彩容易产生变化。钛合金车架比较好，自身有弹性而且寿命长，强度高，综合性能好。但价格相对来说较贵些。1.5 本课题研究的主要内容了解自行车设计的发展，通过各个时期自行车的造型特点、结构、材料、色彩等设计要素分析自行车外观造型特点,从而总结出各个时期自行车设计的发展特点，预测自行车的发展趋势。结合人机工程学的相关理论，针对现有自行车所存在的问题，进行改良设计，同时进行多功能的创新设计，并利用Pro/E三维造型和运动仿真功能对产品进行三维造型设计和仿真分析，模拟机构的实际运动，便于以后的改进和结构优化，为新产品的开发奠定基础。其基本结构包括：（1） 多功能自行车总体结构设计。（2） 多功能自行车主要零件的结构设计与装配。（3） 多功能自行车结构方案的优化设计。（4） 多功能自行车的功能仿真。1.6 本章小结本章主要介绍了课题的研究主要内容，介绍了介绍了自行车的发展趋势，明确了研究目的和意义，通过对这些问题的分析和探讨,更加深入地了解了课题研究的必要性。2 多功能自行车主要零件的结构设计2.1 Pro/E设计方法概述 使用Pro/E软件进行虚拟产品设计总的来说有两种设计方法，它们分别是自底向上的产品设计和自顶向下的产品设计。自底向上的产品设计就是先设计好产品的各个零部件，然后再把各个零部件逐一装配成完整产品的设计方法。由底向上的产品设计方法是一种比较简单、低级的方法，其设计思路比较清晰，设计原理也比较容易被广大用户接受。但是其设计理念还不够先进产品需求分析，设计方法还不够灵活，还不能完全适应现代设计的基本要求。这种方法主要使用于一些已经比较成熟的产品设计过程，可以获得比较高的设计效率。由顶向下的装配设计与由底向上的设计方法正好相反。设计时，首先从整体上画出产品的整体结构关系或创建装配体的二维零件布局关系图，然后再根据这些关系或布局逐一设计出产品的零件模型。在现代的虚拟产品设计中，往往都是先设计出整个产品的外在概念和功能概念后，逐步对产品进行设计上的细化直至单个零件。2.2 多功能自行车的总体设计2.2.1 自行车的组成大部分的自行车都由以下零件所构成1、自行车体部分：包括前叉、车架，车把，鞍座等，为自行车的主体。2、自行车的传动部分：包括了链条，曲柄，飞轮，大齿盘，转动中轴，由人驱动脚踏，通过以上零件，驱动自行车的前行。3、转动部分：包括轮胎，车圈，内胎，辐条等。4、警示装置：包括车闸刹车、摩电灯、车玲、反光片等。5、附件：如菜篮，后货架，打气筒，备用内胎等，同时许多高档变速车还配有变速器和控制器等。2.2.2自行车设计原则与设计流程1、自行车设计原则自行车设计不仅要考虑整体结构设计的合理性、舒适性，还要考虑人体在内的自行车主要部件的尺寸结构，即前部(人的肩宽与车把的宽度、前叉翘度、前轮的质量等)，中部(人的臂长与车架上管的长度、立管的高度、前叉斜度)和后部(人的腿长度和鞍座位置等)，以达到最佳舒适效果。（1）考虑骑车时的舒适性不正确的工作姿势易引起疲劳、诱发职业病，而且还因能量消耗过多使工作效率下降。骑行时的姿势就是骑自行车时的工作姿势，在自行车设计时应考虑骑车时的舒适，便于用力、并不易产生疲劳。（2）提高自行车的综合性能。人们对生活、交通的质量的要求在不断的提高，自行车的设计应考虑对自行车的舒适性、安全性、美观性、提高速度、省力等多方而的性能进行提高，并向多功能方向发展。本自行车采用传统的链传动为传动机构；车架基于人机工程学设计成流线型，既符合人机工程学原理，让驾驶者体会到最省力，最舒适的行车感觉，又具有时尚美感和独特的外观，充分体现出车主的个性特色：车轮采用特种钢圈制造，在传统的自行车车轮上有独特的设计，让车的抓地性更好，行车更加稳当；鞍座和把手也结合人机工程学，设计出合理且舒适的角度和外形，让驾驶者在长时间骑车后不易感觉疲劳；在车身的颜色方面，结合车身的整体构造选择相应的颜色。本设计除完成自行车的一般功能外，折叠后也可以成为一个轮椅，实现一机多用。2、自行车设计流程产品结构设计的设计基本流程大概划分为：1.课题提出2.制定计划3.市场调查4.资料分析5.确定主题方向6.设计构思7.提出方案8.细化定案9.方案评审10.自行车产品结构设计11.三维造型设计12.装配13.产品图。设计方案如图所示。 图2.1产品方案设计流程图2.3 自行车基本尺寸设计自行车的设计过程中必须考虑到使用者的感受及舒适，因而在基本尺寸设计时需参照GB/T 10000-88 中国成年人人体尺寸（如产品面向国际市场，设计时需参照当地标准或进行相关调研） 如图2.2人体站立基本尺寸 图2.2成年人立姿尺寸选取年龄分组：1860岁，性别：男性 项目里的数据：身高1754mm，前臂长 253mm，上臂长 333mm ，大腿长496mm ，小腿长 396mm，小腿加足高 439mm，臀膝距 585mm图2.3成年人坐姿尺寸传统自行车设计，最能体现整体设计思想和风格的是车架造型，车架的造型设计是体现自行车整车形体、风格和款式等最重要的部分, 也是车辆保证质量和性能的基础。传统车架有如下几种型式。图2.4车架的基本构造综合以上各方面的信息及要求，本课题设计的自行车的基本结构和主要尺寸如下图所示。图2.5多功能自行车的结构及功能车架采用的是钢管结构，表面的洛氏硬度为8090，强度为70，结合材料力学和理论力学的知识，经过对钢架的结构分析，以及考虑到车轮轮胎和钢圈的承受压力，我们可以得出自行车的重心位于自行车的中点靠后轮100mm。另外一方面，一般骑车者的重量为4570kg，弹簧的承受压力为74kg，以及车架分担的压力，综合考虑本设计的承受总量为4085kg。全车采用铝合金钢架结构，鞍座采用pick特殊材料，车轮采用橡胶结构，全车总重量为15kg左右。2.4 车身的设计车身部分是整车的主体部分，既是全部零部件的安装主体，又是决定整体骑行性能的关键部分，包括车架，前叉，车把，鞍座等。2.4.1 车架的设计车架是自行车各零部件安装依附的主体部件，车架的结构决定了自行车的类型，也是构成自行车的基本结构体，它具有载人和承受各种不同环境的功能。人，是自行车所用的载体，根据外部条件与内部条件的变化，加载于车架上的载重比车体本身要重很多倍。同时，因人自身的骑行技能以及人体自身的动力的安全性，能够安全载人便成为了车架的重要因素。车架就犹如自行车中的骨骼，为了在使用时，保证车架不破裂变形，车架必须保持可靠的强度。在自行车骑行过程中，由于受到路面和人体本身造成的扭转，横弯，纵向弯曲等这段以及反复负载，车架的绕曲，会影响使用人群的稳定感和舒适感。因此，车架的必须强度高，牢固耐用，容易发挥人体机能。自行车的车架起着支撑整个机构的作用，各部件之间采用焊接的方式连接在一起，以加强整体的刚性。车架的前后支撑采用椭圆形管材，扩大了基架与地板之间的接触面积，减小接触点的压强，进而可以达到减少磨损的效果。为了减轻管重量，提高强度，较高档的自行车采用低合金钢管制造。为了减少快速行驶的阻力，有的自行车还采用流线型的钢管。由于自行车是依靠人体自身的驱动力和骑车技能而行驶的，车架便成为承受自行车在行驶中所产生的冲击载荷以及能否舒适、安全地运载人体的重要结构体，车架部件制造精度的优劣，将直接影响乘骑的安全、平稳、和轻快。主车架的结构如图2.6所示。图2.6主车架的结构主车架采用流行型的车体构成，符合现代人的审美观念，时尚大方，主车架与与脚踏等连接处采用弧线结构支撑，考虑到以后折叠成轮椅时靠背支撑的稳定行，在主车架中间附加一支撑，车架整体结构如图所示。图2.7车架的整体结构2.4.2前叉的设计前叉部件是整车重要的组成部分。它支撑前轮，加上转向功能，可以保持骑行的平稳。该前叉为普通型前叉，采用钢焊焊接而成，3 个管件之间相结合部位制作成相贯线，使管件间结合部位形成无缝隙结合，然后在气体保护下用电弧焊的方式在管材结合处焊合。考虑到自行车的多功能，在前叉侧面安装以后折叠轮椅用的座位部分。 前叉部件在自行车结构中处于前方部位，它的上端与车把部件相连，车架部件与前管配合，下端与前轴部件配合，组成自行车的导向系统。转动车把和前叉，可以使前轮改变方向，起到了自行车的导向作用。此外，还可以起到控制自行车行驶的作用。前叉部件的受力情况属悬臂梁性质，故前叉部件必须具有足够的强度等性质。同时前叉上装有座板，折叠收拢，不会影响自行车的行走；将自行车前后轮旋转90后，将座板打开，前后两个座板之间用销钉固定，变可以成为轮椅的座板，使用方便，操作简单，安装稳固。 图2.8前叉及附件的结构2.4.3把手的设计把手是驾车者在行驶过程中控制方向的重要工具，其设计需考虑在踏步过程中，人的双臂自然弯曲的角度，以及四指和拇指握住是的基本状态。1)车把的高度。自行车的车把如果偏低，骑车者必须弯下腰，时间久了，就会感到腰酸背疼，胳膊疲劳。车把的高度应保证骑车者在骑车时处于自然坐姿或接近自然坐姿，并使颈关节、胸关节、腰关节、髋关节、肩关节和肘关节处于舒适的调节范围内。2)车把的宽度.经实践测量,当车把的宽度接近于骑车者的最大肩宽时,人能够自然舒适地握住车把，并能保持长时间不易疲劳。中等身材(50%的人群)的人最大肩宽,男为63.1cm,女为59.7cm，此,车把的宽度可定为59.763.1cm。3)把手:现行自行车的把手很多都是橄榄形的，其实这并不符合人机工程学原理，因为当手握把手时，手的屈肌和伸肌共同完成握把。从手掌的解剖特征看，掌心部分的肌肉最少，指骨间肌和手指部分是神经末稍满布的部位；指球肌和大、小鱼际是肌肉丰富的部位，是手部的天然减振器。4)把手的弯度。传统的自行车把手为水平，这不符合人机工程学原理，因为这样将会使手腕处于背屈状态，腕部酸痛，握力减小，还会引起腕道综合症、腱鞘炎等症状。测试表明，把手与水平位置成10左右效果最好，可以降低疲劳，容易操作，还使腕关节处于放松状态。在实际生产过程中，可以使用弯管机和缩管机来进行生产，还可以根据不同需求对扶手的各种角度参数进行调整。自行车把手的结构如下：图2.9把手的结构2.4.4 鞍座的设计目前作为自行车设计中的鞍座设计，其必须符合人性化设计中的人机工程学，鞍座是骑车人为了驱动操纵自行车而乘坐的座位。大多数人长时间骑自行车，都会感到臀部疼痛，之所以如此，一部分原因是前倾式的骑车姿势使骑车者会阴与车座前端产生磨擦，时间一久就会感到不舒服；一部分原因则是车座的尺寸与人体尺寸不符所致。根据人体组织的解剖特性可知，坐骨结节处是人体最能耐受压力的部位，身体的主要重量均由骨盆下的两块面积约为25 cm2的坐骨结节承受故车座后端宽度过小就会使坐骨结节处在鞍座外缘或紧挨外缘的位置。这样，身体的压力使得坐骨结节被迫分离的趋势过大，由此导致臀部的疼痛感。所以车座后端应在现有的基础上适当加宽。前市场上存在的鞍座设计主要是由皮面、发泡、底壳、弹簧、卡子（固定在车上的部位） 这几个部分组成。本自行车鞍座皮面采用软PVC 材料，通过对皮面表面纹理的处理，曲率应该在一定的范围内，一方面使鞍座样式多样化，满足不同消费群体对设计风格的需求；一方面通过纹理的处理了起到防滑的作用。鞍座的皮面并不是直接安装在底壳上的，为了避免坚硬的底壳给使用者坐骨区带来的不适，中间加了一层发泡。发泡起缓冲抗震的作用，并且它的优点就是不易变形，挤压后还原能力强。大大减轻了坐骨区神经压迫的痛苦，无疑这个设计是对使用者身体安全的保障。因此，鞍座的设计，应该以舒适性为第一设计性原则。这种要求是不能使臀部有疼痛的感觉，因此要增大鞍座面的受力面积，减少压力，同时尽可能的使用减震弹簧。鞍座的结构如图所示。图2.10鞍座的结构设计2.4.5 脚蹬的设计脚蹬部件装配在中轴部件的左右曲柄上，是一个将平动力转化为转动力的装置，自行车骑行时，脚踏力首先传递给脚蹬部件，然后由脚蹬轴转动曲柄，中轴，链条飞轮，使后轮转动，从而使自行车前进。因此脚蹬部件的结构和规格是否合适，将直接影响骑车人的放脚位置是否合适，自行车的驱动能否顺利进行。图2.11脚蹬的结构设计2.4.6车把与鞍座之间的相对位置 车把与鞍座之间的相对位置决定了骑乘者上半身的姿势。车把过低会使骑行者的上肢承受很大的静压，时间稍长手臂和手掌易发生疲劳，同时过低的上身也会压迫腹部，但力容易传递到车。提高车把高度可使背部弯曲度变浅，可以避免对腹部的压迫，但力不易传递到前轮。从生物力学角度来看， 当人体脊柱处于非自然弯曲状态时，会引起椎间盘压力改变，致使腰部疼痛。所以良好的骑姿应使骑乘者脊柱接近正常形态。在腰部增加适当的靠背可以改善臀部受力，维持脊柱的正常形态，并有利于腿部蹬力的发挥。2.4.7鞍座与脚踏之间的相对位置鞍座与脚踏之间的相对位置直接影响蹬踏方式，由鞍座相对中轴轴心的位置和曲柄长度决