（机械设计及理论专业论文）基于proengineer的自行车参数化设计系统.pdf

中文摘要 针对当前我国c a d 技术应用日益普及和推广，而自行车c a d 二次开发相对落 后的现状，本文利用p r o e n g i n e e r 提供的二次开发工具p r o t o o l k i t 和v i s u a l c + + 6 0 的集成开发环境，对p r o e n g i n e e r 进行二次开发，建立了一个快速的自 行车设计系统。该系统采用三维造型技术与参数化设计相结合的方法，通过 p r o t o o l k i t 应用程序设计模块，进入自行车零件模型库，对零件模型进行调用、 修改、再生等操作，从而实现自行车产品的快速设计。 首先，在对自行车的结构及其装配特点进行分析的基础上，将自行车拆分成 车架、前叉、车把等部分。通过对自行车各部分零件的构型和功能分析，优化零 件结构，并利用p r o e n g i n e e r 的三维建模和参数化功能，设计初始零件模型，建 立自行车零件模型库。 其次，在研究了p r o e n g i n e e r 零件参数化设计方法及其特点的基础上，建立 自行车参数化设计的系统结构框图，设计合理的人机交互界面，开发零件参数化 设计的程序模块。通过p r o t o o l k i t 接口程序设计，实现各个应用程序模块与 p r o e n g i n e e r 系统的无缝集成，建立自行车设计系统。 由于迸行自行车设计时的零件模型是通过调用自行车零件库中的模型再生得 到的，避免了设计系列化零件模型的重复劳动，提高了设计效率，使得自行车设 计更为方便快捷。同时，该软件系统的开发为商用c a d 软件在机械设计领域的应 用研究提出新的途径。 关键词：自行车；参数化设计；交互界面；零件模型库 a b s t r a c t n o wt h ef u r t h 刨； d e v e l o p m e n tu p o nt h eb i c y c l ec a ds y s t e ml a g sb e h i n dt h e i n c r e a s i n gp o p u l a r i t yo ft h ea p p l i c a t i o no ft h ec a ds y s t e mi n o u rc o u n t r y af a s t b i c y c l ed e s i g ns y s t e mi ss e tu pb yt h ef b l t h e l d e v e l o p m e n tu p o np r o e n g i n e e ru s i n g v c 抖6 0a n dp r o t o o l k i t , w h i c ha r et h ef u r t h e rd e v e l o p m e n tt o o l so fp r o e n g i n e e r a m e t h o do fc o m b i n i n gt h r e e - d i m e n s i o nm o d e l i n gt e c h n i q u ew i t hp a r a m e t e r i z e dd e s i g n i su s e di nt h i ss y s t e m f a s td e s i g no fb i c y c l ec a nb er e a l i z e db yt r a n s f e r r i n gp a r t s m o d e l ，m o d i f y i n gm o d e lp a r a m e t e ra n dr e g e n e r a t i n gp a r t sm o d e li np a r tl i b r a r y t h r o u g hp r o t o o l k i tp r o c e d u r em o d u l e f i r s to fa 1 1 ab i c y c l ei sd i v i d e di n t os e v e r a lp a r t ss u c ha sf r o n tf o r k , s a d d l e ， h a n d l e b a ra n ds oo nt h r o u g ha n a l y z i n gi t sc o n f i g u r a t i o na n da s s e m b l i n gc h a r a c t e r i s t i c s o r i g i n a lm o d e lo fb i c y c l ep a r ti sd e s i g n e dt o s e tu pb i c y c l ep a r tl i b r a r yt h r o u g h a n a l y z i n gt h es h a p ea n df u n c t i o no f e a c hp a r t ，u s i n gt h ef u n c t i o n so f t h r e e d i m e n s i o n a l m o d e l i n ga n dp a r a m e t e r i z e dd e s i g no fp r o e n g i n e e r s e c o n d l y ，c o n f i g u r a t i o nc h a r to fb i c y c l ep a r a m e t e r i z e dd e s i g ns y s t e m ，r e a s o n a b l e u s e ri n t e r f a c ea n dp r o c e d u r em o d u l eo fp a r tp a r a m e t e ra l ed e s i g n e da f t e rr e s e a r c h i n g t h em e t h o da n dc h a r a c t e r i s t i c so fp a r a m e t e r i z e dd e s i g no fp r o e n g i n e e r b i c y c l e d e s i g ns y s t e mi ss e tu p b yr e a l i z i n gt h es e a m l e s si n t e g r a t i o nb e t w e e n e a c ha p p l i c a t i o n p r o c e d u r em o d u l ea n dp r o e n g i n e e rs y s t e mt h r o u g hp r o t o o l k i t i n t e r f a c ep r o g r a m d e s i g n p a r tm o d e lo f u s i n gb i c y c l ed e s i g ni ss e tu pt h r o u g hr e g e n e r a t i n gm o d e li nb i c y c l e p a r tl i b r a r y ，w h i c ha v o i d sr e p e a t i n gw o r ko f8 a i e sm o d e ld e s i g n , e n h a n c i n gd e s i g n e f f i c i e n c yg r e a t l y t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n tu p o n t h es o r w a r es y s t e mw i l lp r o v i d ea n e ws o l u t i o nf o r t h ea p p l i c a t i o no fc o m m e r c i a lc a ds o f t w a r et ot h ef i e l do fm a c h i n e d e s i g n k e yw o r d s ：b i c y c l e ；p a r a m e t e r i z e dd e s i g n ；u s e ri n t e r f a c e ；p a r tl i b r a r y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤姿盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位缴储签名垌名癌签字睨彻多年”加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权：叁鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查两和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 黜一勰谰蛐翩勰协净 签字日期：7 叨6 年月乡。日 签字日期：2 6 年月弓口日 第一章绪论 1 1 自行车行业现状 第一章绪论 自行车从发明伊始就是一种最普及的大众化的轻便交通工具，其造价低廉、 维修简单、使用方便，无污染，深受人们喜爱。至今它仍然是一些国家的城市和 农村的重要交通工具。中国是自行车交通很发达的国家，多年来自行车年产量都 在3 0 0 0 万辆以上，全国在用自行车超过1 亿辆，两者均为世界之冠，有自行车王 国之称。自行车作为交通代步、休闲、健身的工具，已有百年以上的历史。而自 行车在其发展进程中，几乎每一个零件都发生了巨大的变革，甚至是革命性的变 革。到今天，自行车可以说已臻完善。 纵观自行车从诞生到现在1 7 0 多年的历史，它一直是在改革中发展前进的。 完全可以预料，各种新型自行车将与日俱增。事实上，自进入1 9 世纪，生产自行 车所采用的材料已由木料发展到了金属，而今更是出现了馅钨钢、铝合金、钻合 金、轻合金、工程塑料、碳纤维复合材料等多种新型材质。 自行车的发展，从车型看，2 0 世纪6 0 年代初期以普通车轻便车为主，到7 0 年代开始流行小轮车，8 0 年代则是山地车的天下。而近1 0 年来的世界自行车市 场结合城市轻便车和山地车两者优点而设计的混合型自行车。随着全球环保绿色 浪潮的兴起以及人们由于生活节奏加快而对交通工具速度上的要求进一步提升。 自行车市场向高档化方向的发展，已成为全球自行车行业发展的必然趋势。 近年来，世界各国自行车厂家不断交换车型、车款，以适应和刺激市场，但 是由于自行车需求不足、市场普遍疲软，近期全球自行车工业仍呈现不景气的局 面。全世界自行车年生产能力1 2 0 0 0 万辆左右，而实际生产却仅为9 0 0 0 万辆，欧 洲、亚洲、美洲三大自行车市场的产量均呈低靡状态。其中，中国、日本、美国、 德国近年来的产量下降趋势明显，而台湾、韩国、法国等产量始终在8 0 年代末 9 0 年代初期的低产量附近徘徊。从世界各国自行车进出口贸易情况来看，全球贸 易总量8 0 年代为1 5 0 0 万辆，到9 0 年代初已达到2 8 0 0 万辆，目前仅稳定在2 5 0 0 万辆左右，占全球年产量的2 7 。 目前，我国共有自行车整车厂和零件厂1 0 8 1 家。自行车整车厂数量占行业企 业总数的1 3 ，整个自行车行业。国有、三资和组装型企业三足鼎立，年生产能 力为6 0 0 0 多万辆。经过8 0 多年的发展，我国自行车行业取得了骄人的进步，自 行车的款式和种类不断得到丰富。目前行业产品范围主要包括各种类型、档次、 功能的自行车、助力自行车、童车与各类自行车零件。近年来，一些自行车生产 厂挖掘生产潜力，开发了各类健身车、健身器材等。同时，产品品种摆脱了单一 的普通车生产，发展为载重车、轻便车、运动车、赛车、山地车、城市车等8 大 1 蔓二至鳖丝 系列上万个规格样式。采用的材料从单一的钢材逐步发展到铝合金、工程塑料与 碳纤维复合材料等。同时自行车零件品种显著增加，档次提高较快。5 1 1 2 课题的研究背景及研究现状 我国是自行车生产和消费大国，自行车的用途己由单一的代步载货工具向娱 乐、健身、旅游等方向发展。如何设计出结构合理、骑行轻快、美观舒适的自行 车成为当前各自行车生产厂家热切关心的问题，而系列化、小批量、快速设计生 产是一个必须解决的问题。因此本文就此问题提出了建立一个快速的自行车模型 设计系统。 市场经济的长足发展使得商品竞争越为激烈，一个企业要在激烈的竞争中取 胜，就必须开发出适合市场需要，有竞争力的新产品，抢先占领市场。自行车新 产品开发尤其如此，上品种，上批量成为厂家注重的首要问题。目前，国内自行 车行业纷纷加快产品开发步伐，结束了少数品种一统天下的局面，出现了花色繁 多，系列品种趋于齐全、结构新颖的“百花齐放”的新局面，这也就为c a d 技术 的应用提供了用武之地。 在信息技术、计算机技术和数据库网络技术飞速发展的今天，新产品的开发 以其重要性和复杂性，日益受到国内外科研机构和企业的重视。为了满足客户的 各种需求，如何将产品以最短的时间、最高的产量、最低的成本推向市场已经成 为国际化市场竞争的焦点。产品的设计直接影响到产品的整个生命周期，在整个 生命周期中，设计的创造性是整个过程中最为活跃的因素。产品设计过程是一个 复杂的创造性活动，产品设计从根本上决定着产品的内在质量和生产成本。因此， 新的、有效的设计理论和方法的研究与实施受到了学术界和企业界的广泛重视。 现在流行的c a d 系统提供了较强的零件实体造型功能，特别是特征造型技术的发 展，使用户可以方便的设计出各种形状的零件。p r o e n g i n e e r 软件是当前三维c a d 软件中的典型代表，它的全参数设计、特征基础、模型关系数据等特点，使设计工 作直观化、高效化、系统化。目前是国外c a d c a e c a m 软件中国内用户最多的软 件。它的出现改变了传统设计方式，并逐渐得到制造行业的肯定。 模块化设计是日趋发展的一种新型设计方法。它的特点是在功能分析的基础 上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块选择与组合。在一定范围内根据不 同功能构成不同性能、不同规格的系列产品。模块化设计可以缩短概念设计的周 期，并可使产品有很大的灵活性和适应性。而参数化设计要求对象的结构形状一 般比较定型，尺寸关系可以用一组参数来确定。 自行车的主要组成部分有车架、前叉、车轮、车把、鞍座、挡泥板、车闸、 驱动系统及附件。当自行车属于同一系列不同型号时，这些零件的外形则是相似 的，差别只是尺寸数值不同而己；当自行车属于不同系列同一型号时，大部分的 零件的外形较为相似，参数值变化程度不大。这些特点使得自行车的设计适合采 蔓二童堑丝 用模块化设计与参数化设计相结合的方法，这种设计方式可以大大提高自行车的 设计效率，从根本上解决繁重的绘图工作，并有利于自行车设计的系列化、标准 化。自行车的参数化设计是以通过自行车零件模型的参数化设计来实现，即设计 最基础、最重要的部分是建立一个调用方便快捷的零件参数化模型库。其中零件 模型库的建立是采用基于已有产品的变形设计思想。所谓变形设计实质上是在已 有的产品的基础上做特定的修改，以产生一个和原产品形似的新产品。这种修改 通常会保持原产品的基本结构特征，仅仅做一些原产品特定参数的修改或局部特 征的增减，从而达到产品快速设计的目的。 近年来，国内外在自行车方面的研究主要有： s o d e n 和a d e y e f a l “对骑行中的自行车做了受力分析，指出骑行开始时蹬踏 力可达到人体体重的三倍。 h u l l 和他的合作者们“研究了骑行生物力学，用五杆平面机构模拟具有 圆链轮驱动的脚蹬自行车系统，探讨了脚蹬力和脚蹬速率如何影响骑行过程以及 铰链力矩节奏的关系。 r e d f i e l d ”对脚踏数据进行测量，估计出曲柄转角和脚踏角的关系。 r a y p sm a n和m a t h o m i n s o n l “”等人着眼于非圆链轮驱动系统运动 学和动力学分析与研究，并对人体作用进行评估，包括关节力矩、腿的角加速度、 输出力等。通过将两自由度的五杆模型简化为杆件长随曲柄变化的等效四杆机构， 再求解两链轮臂连杆顶部的位嚣，得到非圆驱动链轮的形状。同时建议将椭圆链 轮和圆链轮结合起来运用：在低速状态下，使用前者，在高速状态下，切换到后者。 国内研究人员邓国光“从力学角度较为详细地研究了自行车运动员的蹬踏 方式，并用微机控制闭环系统一自行车运动训练测试台得出的数据，研究出曲柄 旋转角与蹬踏角的关系。 1 3c a d 的发展及应用“1 自从2 0 世纪5 0 年代c a d 技术发展以来，到今天的广泛应用。c a d 经历了曲 面造型技术和实体造型技术，实现了三维实体造型，简述如下： 第一次c a d 技术革命曲面造型系统 6 0 年代出现的三维c a d 系统只是简单的线框式系统，只能表达基本的几何信 息，不能有效的表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，c a d 及 c a m 均无法实现。 进入7 0 年代，正值飞机及汽车行业蓬勃发展的时期，此间汽车及飞机制造中 遇到大量的自由曲面问题，在当时只能用多截面视图和特征纬线的方式进行表达。 c a t i a 的出现，标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三维视图 模式中解放出来，首次实现以计算机完整的描述产品零件的主要信息，同时也使 得c a m 技术的开发有了实现的基础。这一次革命改变了以往只能借助油泥模型来 第一章绪论 表达曲面的工作方式。 第二次c a d 技术革命曲面造型技术 8 0 年代初，c a d 系统的价格依然令一般企业望而却步。这使得c a d 技术无法 拥有更广阔的市场。为使自己的产品更有特色，以c v 、u g 、s d r c 为代表的系统开 始朝各自的发展方向前进。 基于对c a d c a m 一体化技术发展的探索，s d r c 公司于1 9 7 9 年发布了世界上 第一个完全基于实体造型技术的大型c a d c a m 软件- - i - d e a s 。它代表着未来c a d 技术的发展方向。基于这样的共识，可以说，实体造型技术的普及应用标志着c a d 发展史上的第二次技术革命。 实体造型技术在带来了改进算法和未来发展的希望的同时，也带来了数据计 算量的极度膨胀。因此，在当时的硬件条件下，实体造型的计算及显示速度很慢， 在实际应用中进行设计显得很勉强。由于以实体造型为基础的c a e 本身就属于高 层次技术，普及面窄。另外在算法和系统效率的矛盾面前，许多赞成实体造型设 计的公司并没有下大力气去开发，而是转去开发相对容易的表面造型技术，实体 造型技术因而没能在整个行业迅速推广。在此后的十年里，随着硬件性能的提高， 实体造型技术才逐渐为众多的c a d 系统所采用。 第三次c a d 技术革命参数化技术 8 0 年代末，计算机技术迅猛发展，硬件成本大幅度下降，c a d 技术硬件平台 成本降低，很多小企业开始有能力使用c a d 技术。一些公司重新设计新的c a d 系 统，称为改进型，它在系统结构、集成化程度、特征造型和参数化设计方面有了 很多改进。进入9 0 年代，参数化技术变得比较成熟起来，充分体现出其在通用零 件、零件设计上的简单易行的优势。在那些改进的系统中，最具有代表性的是美 国p i c 公司推出的p r o e n g i n e e r 系统，它的最突出特点是参数化造型技术，该技 术克服了以前的无约束自由造型的缺点。可以说，参数化技术的应用主导了c a d 发展史上的第三次技术革命。 近年来自行车c a d 技术方面逐渐得到了研究人员的重视和应用。 1 9 9 9 年胡小娟“利用p r o e n g i n e e r 完成了自行车计算机建模与动画模拟及 其应用技术。 、2 0 0 0 年杨琦”“从人机工程学的角度，研究了自行车车架造型的创新设计，利 用人与自行车系统的五连杆机构数学模型，辅以力学分析的方法进行运动仿真： 借助有限元分析软件对车架进行应力计算，以验证其设计方案的可行性。 2 0 0 1 年黄海波”，以全新的视角对自行车鞍座进行了人机工程分析，从国内 外现有自行车鞍座研究了现有人机工程鞍座的特点，找出了其不足之处，以人机 工程学、医学、力学和美学等学科的理论为依据，对鞍座进行了全方位综合研究， 提出了改进措旖。 第一章绪论 1 4 论文的主要工作内容 从查阅的国内外相关领域的文献资料可以看出，目前国内还没有一套完整的 自行车参数化造型设计软件系统，本文在选题时针对这一现状，通过对自行车零 件模型特点进行分析，研究计算机建模及其应用技术，并在此基础上开发自行车 参数化设计系统，为进一步研制这方一面的软件系统进行技术探讨。下面是本课 题的主要内容： 1 、确立系统结构 本课题的开发系统是建立在p r o e n g i n e e r 平台上，采用t o p d o w n 的设计方式， 具体如图卜1 所示。将整个设计开发系统设置成两个部分：自行车的整车修改和自 行车的整车装配。其中，前者用于已有整车造型的修改，后者用于新造型的整车 装配。系统顶层是p r o e n g i n e e r 系统，整个系统自上而下调用，用户输入信息及 数据库信息通过p r o t o o l k i t 程序传递给p r o e n g i n e e r 系统并驱动p r o e n g i n e e r 系统访问模型库，更新模型参数，自动生成新零件模型，并可以根据具体需要修 改新生成的模型。 图卜1 系统结构框图 2 、三维实体模型的创建 三维实体模型的创建包括构成自行车零件模型库的初始零件模型的创建和构 成自行车整车模型库的整车模型的创建。 自行车零件模型库主要由车架模型库、车把模型库等子零件模型库组成。在 一 5 第一章绪论 子零件模型库中，存储着该零件不同构型的初始零件模型，这些初始零件模型是 通过对自行车零件的特点进行分析，将不同构型的相似零件进行优化，利用 p r o e n g i n e e r 的三维造型功能创建的简化零件模型。同时通过对初始零件模型参 数的修改，可以衍生出该零件的多种相似的构型。 3 、系统晁面的创建 设计交互界面最主要考虑的是友好性，以及零件模型调用和修改的方便性， 尽量使用户感到方便，合乎用户的设计习惯，通过按钮的选择即可使用户进入相 应的设计界面。没有交互的系统是封闭的系统，不能实现用户特殊的功能需求。 p r o e n g i n e e r 提供的开放用户接口可以使用户定制适合于用户习惯的交互界 面，其主要方式是菜单接口( m e n u ) 和用户界面接口( u s e ri n t e r f a c e ，简称u i ) ，即 对话框技术。因此这一步的主要目的是建立系统的下拉菜单“自行车设计”，以 及适合系统操作的对话框。 4 、自行车参数化模型库的建立 模型库的建立分为两部分： 第一部分是自行车零件( 如车架、前叉、车座等) 和整车三维模型的建立， 并将所有零件模型进行参数优化设计及参数关系设置。 第二部分是利用p r o e n g i n e e r 自身提供的p r o t o o l k i t - - 次开发程序模块进 行模型库的程序设计和模型的参数化设计，建立零件参数化模型库。 5 、系统的建立。 通过设计接口程序，将完成的模型库、交互界面和参数化设计部分联接在一 起，最终形成一个完整的设计系统。 接口程序是使用二次开发工具p r o t o o l k i t 以v c + + 6 o 为编译平台来编写程 序，实现用户程序和p r o e n g i n e e r 的无缝连接。接口程序完成后，就可以动态连 接模型库，调用、修改模型，实现零件模型的自动更新，进行整车设计等。 第二章自行车零件的三维建模 第二章自行车零件的三维建模 自行车零件三维模型是整个系统建立的基础，通过采用交互方式完成的。由 于零俘模型的参数化设计是在零件三维建模的基础上实现的，零件模型的完善程 度也将直接决定参数化程序的开发难度和工作量，因此在自行车零件三维建模时 要充分考虑到参数化实现，合理标注尺寸，优化模型结构。 2 1 开发工具p r o e n gin e e r 软件简介 p r o e n g i n e e r 是美国p t c 公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n 。参数 技术公司) 开发的三维造型设计系统，它以单一数据、参数化、基于特征、全相 关性以及工程数据再利用等改变了传统机械设计的观念，为工业产品设计提供完 整的解决方案，成为当今世界机械c a d 领域的新标准，广泛应用于造型设计、机械 设计、模具设计、加工制造、机构分析、有限元分析及关系数据库管理等各个领 域。 当今世界上领先的企业，现在正在追求的战略是并行工程，在该环境中，把 产品投放到市场所需的过程是同时进行的，而非顺序进行的。在概念设计进行的 同时，可以较早的创建详细的零件和装配体，进行优化设计，并且定义制造过程。 这些工程的并行交迭，极大的缩减了产品投放市场的时间。 p r o e n g i n e e r 软件开发环境在支持并行工程方面事独一无二的。通过一系列 完全相关的模块他们能表达产品的外形、装配及其功能p r o e n g i n e e r 能 把多个部门同时致力于一个产品模型中，这包括在工业设计和机械设计方面的多 项功能。概括来讲，p r o e n g i n e e r 软件的特点有如下几个方面： 1 、尺寸驱动将设计图形的直观性和设计尺寸的精确性有效地统一起来， 大大的提高了设计的效率和质量； 2 、单一的数据库整个p r o e n g i n e e r 系统建立在统一豹数据库上，具有完 整而统一的模型，提供了所谓双向关联性的功能，符合现代产品中“并行工程” 概念，为产品的同开发提供了可能； 3 、相关性p r o e n g i n e e r 的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开 发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程 文档，包括装配体、设计图纸以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点 进行修改却没有任何损失并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期 的一些功能提前发挥做用。 4 、基于特征的参数化造型p r o e n g i n e e r 使对象特征成为产品几何模型的 构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并可以按预先设计很容易的进行修 第二章自行车零件的三维建模 改。通过给这些特征设置参数，然后修改参数，很容易的进行多次设计迭代，实 现产品开发。 5 、数据管理数据管理模块的开发研制，可以提高市场投放效率，并使得 并行工程同时进行各项工作成为可能。 6 、装配管理一一通常产品开发是指产品，而非一个个的零件。因此， p r o e n g i n e e r 的基本结构能够利用一些命令( 插入、对齐等) 把零件装配起来， 并保持设计意图。 除了以上列举的一些特点外，p r o e n g i n e e r 还具有工程数据重用、硬件独立 等特点，由于与本课题关系不大，故不在此详细介绍了，如有需要请查阅其他相 关资料。 2 2 自行车三维实体模型 2 2 1 自行车的造型 自行车是一种既能节约能源、无污染，又能锻炼身体、使用特别方便的交通 工具，同其它工业产品一样，其造型在不断变化着，表现出明显的时代性。自行 车造型的演变是逐个部位地变更，不断改革、不断创造，日趋完善的结果，最终 才形成现代的式样。而现代自行车造型更注重色彩设计，新材料、新工艺、新结 构的应用以及多功能的设计。 2 2 1 1 早期自行车造型 ( 1 8 世纪后叶一一1 9 世纪中叶) 自行车的历史渊源久远。据史料文字记载，大 约公元前2 3 0 0 年，在中国、埃及和印度都出现过人类原始的自行车雏型，而有关 自行车的最早图形记载，大概要数意大利庞贝城中那些依稀可辨的壁画了。随着 1 7 世纪欧洲工业革命的开始，特别是1 8 世纪后半叶英国工业革命的兴起，机器 和机械制造的工具开始进入人们的生活中。 图2 1 早期自行车造型 图2 1 所示的图形是早期的自行车造型。早期的自行车造型还处于科学家的摸 第二章自行车零件的三维建模 索中，但它们已经具各了现代自行车的雏形，车轮、可转向的车把和曲柄等一些 关键技术都己出现在自行车上。朝“儿5 1 2 2 1 2 近代自行车的造型 ( 十九世纪中叶十九世纪末) 十九世纪下半叶，自行车的结构随着科学 技术的发展，新材料新工艺的出现以及人们对安全需求的进一步提高，具有安全 性的链条驱动自行车出现，至今链条传动仍是自行车传动的主流。在这个阶段， 车架经历了几场变革式的修改，到1 8 9 3 年菱形车架被公认为最便宜和最可靠的车 架结构，至今它仍是自行车最流行的车架形式。自行车在经过一系列的发展和改 进，性能变得更好了，其基本结构已经完备，外形也基本上定形了，更接近和等 同现代自行车了。 图2 2 所示的是几个近代的自行车造型。这时的自行车结构已臻完善，菱形 车架、前后轮等径、链条传动、灵活的前叉、便利的踏板、刹车装置、变速齿轮 等的应用，使得自行车的安全性得到保证；冲压和拉伸工艺的出现，使得自行车 线形流畅、表面平整，外形更为美观。到此时为止，自行车已经定形了，自行车 也逐渐成为代步工具，为世人所接受。”“”。 2 2 1 3 现代自行车造型 图2 2 近代自行车造型 ( 2 0 世纪初至今) 2 0 世纪之前的自行车只是从改进车身以及传动装置等 方面出发以期完善结构来达到提高自行车使用功能的目的，使造型随之做相应的 变化。2 0 世纪的自行车除了继续加强车身结构和传动装置的设计外，还特别注意 新材料的应用，并有意识的开始注重造型设计。 首先表现在自行车的系列设计上。出现了适合运输的加重自行车，适合城市 的轻便休闲自行车，适合比赛的自行车，适合儿童的各种儿童车等等。 另一个重要的表现，就是自行车造型的线性风格趋于多样化。表现男性阳刚 之美的男式自行车，以直线为主小圆角过渡；表现女性阴柔之美的女式自行车， 在以直线为主大圆角过渡的基础上，根据女性前上方便的特点，突破了传统的三 角架形式，将杠做成大圆弧形，斜着接在传动齿轮的上方处。 现代自行车还突破了传统的黑色、灰色为主的格局，根据功能不同，人们的 第二章自行车零件的三维建模 审美要求不同以及年龄、性别、职业、使用环境等的不同，设计出了丰富多彩的 自行车。1 图2 - 3 所示的就是部分现代的自行车造型。现代自行车除了受上述的两个方 面的影响，还受到车把设计和传动链设计的影响，使得现代自行车的造型趋于多 样化，出现了各种功能各异的自行车登山自行车( 也称山地自行车) 、比赛 自行车、越野自行车、双人自行车、卧式自行车、运动自行车、折叠自行车等。 图2 3 现代自行车造型 2 2 2 自行车零件的特点、功能及三维模型 从2 2 1 节中所介绍的自行车发展情况，我们可以看出，无论是休闲自行车， 还是山地车、童车，它们的结构都包括车架、前叉、车轮、车把、鞍座、挡泥板、 车闸、驱动系统、附件，详细的自行车结构如2 - 4 图所示。其中起主导作用的是 第二章自行车零件的三维建模 蒸辫 瓣瀚 蕊攀 2 2 2 1 自行车零件车架 车架部件是构成自行车的基本结构体，也是自行车的骨架和主体，其他部件 也都是直接或间接安装在车架上的。车架就相当于人的骨架，有了车架才能选用 安装车轮等零件完成整车设计。 车架为了减轻管重量，提高强度，其材料通常由铁、铝合金等材料一般 采用普通碳素铜管，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经过焊接、组合而成，根据管材的长 短构成的角度等影响整体自行车的特性。比如，直线骑行较好的自行车、易转的 自行车、骑行舒畅的自行车等，决定这些因素的很多都来自于车架，同时车架的 形状决定了自行车的整体外观、类型和骑行性能。 第二章自行车零件的三维建模 自行车车架的结构形式有很多，但总体可以分为两大类：即男式车架和女式 车架。图2 - 5 所示的几个车架三维模型是本文所引用的几个模式。 图2 5 自行车车架三维模型 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，将直接影响乘者的安全、平稳、和轻快。 2 2 2 2 自行车零件车把 车把属于自行车的导向部件，乘者可以通过操纵车把来改变行驶方向并保持 车身平衡。 车把按形状可分为平把、下垂把、上翘把等，按使用时手握的位置相对于把 横管的位置可分为前置式和后置式。设计时应按不同的车种选择合适的车把。运 动形自行车宜采用平把和下垂把，以手前置式为宜。图2 - 6 所示的是几种自行车车 把三维模型。 图2 6 自行车车把三维模型 2 2 2 3 自行车零件前叉 前叉是自行车的导向部件之一。 前叉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 第二章自行车零件的三维建模 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。 车胎充足气后，车轮与道路的接触面积小，摩擦阻力相应减小，使得行驶较轻松。 但是，一旦遇上高低不平的道路，就会颠簸不稳，特别是前叉震动更加厉害。因 此，近几年来，人们又研究出了具有减震作用的前叉避震前叉。避震前叉将 自行车的车架和前轮弹性的连接在一起，可吸收并缓解因路面不平而传递给车架 的冲击和震动，保持骑行的舒适和平稳。由于减震装雹具有缓冲作用，可以避免 某些零件因过分震动而损坏。图2 7 所示的是几种常见的自行车前叉三维模型。 图2 - 7 自行车前叉三维模型 2 2 2 4 自行车零件鞍座 鞍座是保证长时间骑行不疲劳的关键部件，运动车一般采用无弹簧式鞍座一 一鞍座面下应采用较硬的海绵，形状以狭长为宜。鞍座的长度、宽度的鞍梁的结 构是以车型和乘者的性别、习惯来确定。鞍座的结构设计应充分考虑乘者舒适。 鞍座依靠鞍管与车架做钢性连接，用来承受人体的重量。具体来说： 鞍座面：是人体体重的支撑面，具有良好的强度和弹性，它由鞍座面皮和垫 皮组成。 鞍座架：又称鞍梁，是鞍座的主体，其结构比较复杂，一般由前后撑板，左 右鞍撑，上下梁组成，并连接和支撑鞍面。 鞍座簧：实质上是鞍座架的一部分。它支撑着鞍座架和鞍座面，起着缓冲和 减震的作用。鞍座簧的形式有立簧、卧簧和拉簧等几种。 鞍座夹：又称鞍座卡，是由夹紧螺钉，座夹和夹板等组成，用来将鞍座固定 在鞍簧上。自行车的座垫下安装弹簧，可以利用它的缓冲作用以减小震动。图2 8 所示的是本文采用的几种比较常见的鞍座三维模型。 第二章自行车零件的三维建模 图2 8 自行车鞍座三维模型 2 2 2 5 自行车零件车轮 自行车的车轮属于导向系统( 前轮) 也属于驱动系统( 后轮) ，其种类型主 要分为传统型( 辐条型) 和实体型。 图2 9 自行车车轮三维模型 传统的自行车车轮由轮胎( 内胎、外胎) 、辐条，花毂等组成，其结构造型 如图2 9 ( 左一) 所示。其中，车轮的外胎又分软边胎和硬边胎两种。软边胎断面 较宽，能全部裹住内胎，着地面积比较大，能适宜多种道路行驶。硬边胎自重轻， 着地面积小适宜在平坦的道路上行驶，具有阻力小，行驶轻快等优点。外胎上的 花纹是为了增加与地面的摩擦力。山地自行车的外胎宽度特别宽，花纹较深也是 适应越野山地用。车轮的辐条一般是等径的，为了减轻重力，也有制成两端大、 中间小的变径辐条，还有为了减少空气阻力将辐条制成扁流线型。 但近几年，市场上出现了脱离传统的车轮实体车轮，整个车轮都是一体 的，如图2 9 ( 中间、右一) 所示。这些造型奇特的车轮一般都用在运动型自行车 上。 两种类型的车轮相较，辐条车轮较轻，但实体车轮更符合空气动力学原理。 2 2 2 6 自行车零件踏板组合件 踏板是自行车驱动系统的主要部件，是自行车驱动力蹬力的“传送点”。 在这组组合件中包含中轴、曲柄等多种零件，具体组装三维模型如2 1 0 所示。下 第二章自行车零件的三维建模 面是对这组部件的简单拆解。 1 、脚蹬部件 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。 2 、脚踏板 脚踏板可分为整体式脚踏板和组合式脚踏板。无论什么款式的脚踏板都必须 有脚踏面，必须安全可靠，并且具有一定的防滑性能，制造材料可以选用橡胶、 塑料或金属。 脚踏板必须转动灵活。脚踏板是整个车子，旋转部位的动力源，过去的踏板 其鞋底板自出力点中央至曲柄的距离都超过5 2 哪。近年来国外有新品，踏板轴的 长度缩短为4 7 r a m 是可增加力矩的。 3 、曲柄 曲柄的长度使用上，原则以下肢长来调配，此外还得考虑项目的应用，一般 曲柄大众化的尺寸，都是从1 6 5 c m 起，每隔0 2 5 c m 为一标准，到1 7 5 c m ， ( 1 6 5 、 1 6 7 5 、1 7 0 、1 7 2 5 、1 7 5 ) 等五种，但实际应用时对其尺寸的要求更为精密化。 3 、链条 链条又称车链、滚子链，安装在链轮和飞轮上。其作用是将脚踏力由曲柄、 链轮传递到飞轮和后轮上，带动自行车前进。 4 、链轮 链轮需用高强度钢材制成，保证其达到需要的拉力强度。 5 、飞轮 飞轮以内螺纹旋拧固定在后轴的右端，与链轮保持同一平面，并通过链条与 链轮相连接，构成自行车的驱动系统。 飞轮从结构上可分为单级飞轮 图2 一l o 左一) 和多级飞轮( 图2 - 1 0 右一) 两 大类。 单级飞轮又称为单链轮片飞轮，主要由外套、平挡和芯子、千斤、千斤簧、 垫圈等零件组成。单级飞轮的工作原理：当向前踏动脚踏是，链条带动飞轮向前 转动，这时飞轮内齿和千斤相含，飞轮的转动力通过千斤传到芯子，芯子带动后 轴和后轮转动，自行车就前进了。当停止踏动脚踏板时，链条和外套都不旋转， 但后轮在惯性作用下仍然带动芯子和千斤向前转动，这时飞轮内齿产生相对滑动， 由此将芯子压缩到芯子的槽口内，千斤又压缩了千斤簧。当千斤齿顶滑到飞轮内 齿顶端时，千斤簧被压缩得最多，再稍微向前滑一点，千斤被千斤簧弹到齿根上， 发出“嗒嗒”的声响。芯子转动加快，千斤也很快在各个飞轮内齿上滑动，发出 “嗒嗒”的声音。当反向踏动脚踏时，外套反向转动，会加速千斤的滑动。使“嗒 1 5 第二章自行车零件的三维建模 嗒”声响得更急促。 多级飞轮是自行车变速装置中的一个重要部件。多级飞轮是在单级飞轮的基 础上，增加几片飞轮片，与中轴上的链轮结合，组成各种不同的传递比，从而改 变了自行车的速度。 图2 一1 0 自行车踏板三维模型 2 2 2 7 自行车零件链盒、后座、挡泥板等 自行车的部件除了上述的几种主要部件，还包括挡泥板、撑脚、车闸等附件， 具体功用、造型如下所述： 1 ，挡泥板： 挡泥板属可选择性部件，休闲自行车一般都会安装，但运动车一般以不装挡 泥板为宜，有时也可采用窄形挡泥板。 2 、后座 后座又称货架，其功用主要用来承载，一般自行车都有安装，运动车则很少 安装。后座的造型非常多，图2 1 l 及是比较常见的造型 3 、车闸 车闸是保证骑乘者安全的结构，其优点是刹车的制动点不在轮缘上，不会损 坏车圈的电镀层。 车间按制动点的位置来分，可以分为轮缘闸和轴闸两大类，我们重点介绍最 常见的轮缘闸。 轮缘闸是一种通过机械杠杆、推杆、拉杆或钢丝绳等直接将高摩擦因素的闸 皮压向车圈边缘后轮胎，将转动中的车轮刹停的装置。轮缘闸结构简单，维修保 养方便，因此被广泛使用。但是，如果接触车圈轮缘不正，或雨水淋湿的影响， 会降低摩擦，从而影响制动的效果。常见的有： 普通闸： 优点为接触面合理，制动力矩大，制动灵敏，刹车性能可靠，结 构简单和安装修理方便。 钳形闸：当刹车时，其左右闸叉和闸皮就像钳子一样，紧紧地钳住车圈的两 个端边，达到使车减速或停的目的。优点是刹车时力臂大，制动效果好，传动零 件少，调节和维修方便，重力轻，外形美观。 i 第二章自行车零件的三维建模 悬臂闸：优点为悬臂闸刹车时的力矩比钳形闸更大。制动性能好，结构简单。 重力轻，调节和维修方便。 前触闸：前触闸是靠杠杆原理制动的。当手握紧闸把时，闸把的另一头梅接 头、拉杆、拉管向下压，使闸皮向下压至与轮胎接触，产生摩擦制动力。其缺点 是刹车教果与轮胎充气程度有关。充气不足时，会使摩擦力减小，影响刹车效果。 脚闸：优点为由于刹车是用脚力的，所以在脚闸上产生的正压力越大，刹车 效果越好。 图2 1 l 自行车附件的三维模型 2 2 3 自行车整车三维模型 自行车设计在某种程度上是一种积累的过程。企业已有自行车产品以及国内 外自行车样车的车型数据。蕴涵着设计者的经验和知识。对于设计新产品具有很 重要的借鉴作用。本文的自行车参数化设计系统就是要将自行车车型尺寸及结构 型式数据信息和产品开发过程集成起来，创造出一种透明度很高的虚拟环境，能 适应复杂多变的变形设计的需求，保证在整个产品生命周期中使产品数据具有一 致性定义的条件下，进行产品设计的数据管理和过程控制。 第二章自行车零件的三维建模 图2 - 1 2 所示的是自行车的几个比较常见三维模型样品。 图2 1 2 自行车整车三维模型 整车模型及其构成的整车模型库是在零件模型库的基础上建立的，整车模型 通过车架、车把、前叉等模型的自由组装，可以形成多种多群的类型