毕业设计（论文）-自行车造型设计.doc

摘 要在制图软件中，Solidworks软件自上而下方法的研究已成为研究和开发的热点，逐渐成为一种趋势。在 Solidworks环境中 ,通过产品 、部件和零件三者之间参数关联 ,采用一种基于装配约束的参数化设计方法实现部件的参数化建模 ,阐述了这种参数化设计方法中的关键技术 ,包括产品结构的划分 、尺寸分析 、关联设计 、基于布局草图的设计和方程式的添加 ;运用部件参数化设计方法构建了一个 Solidworks 部件库 。采用这种方法 ,有利于产品的修改和系列化 ,提高设计效率。本文在参阅了国内外大量对参数化设计的文献基础之上，以自行车自上而下设计为例，进一步探讨了自上而下的发展和过程。并根据参数化过程中出现的API函数进行阐述，让设计人员从繁琐的绘图工作中解脱出来，集中精力选择和优化设计参数，提高产品质量，缩短产品设计周期。【关键词】：Solidworks；装配约束；自上而下；部件库；自行车ABSTRACTIn drawing software, the method of top-down design research has become the focus of research and development, Top-down, and gradually become a trend. The thesis discusses the parametric modeling method of component s completed by adopting the parametric method based o n assembly constraint through t heir parametric links of product component s and part s under the SolidWorks. Meanwhile , it introduces the key technique of this method , including the partition of product structure , dimension analysis , relating design , assembly design based on layout sketch and t he accession of equation. The thesis creates a component s library in t he SolidWorks by using t he method of parametric design for component s. Adopting t his method will be in favor of t he modification and serial design of a product , and raise t he design efficiency. Based on a large number of domestic parametric design based on the literature, bicycle of parametric design, for example, further discusses the development and the process parameters. And according to the parametric process, API design personnel from drawing work freed, concentrate on selection and optimal design parameters, improve product quality, shorten the product design cycle.KEYWORDS：SolidWorks；assembly constraint ；Top-down；component s library；bicycle 目 录第1章 绪论11.1自行车的行业11.2选题依据与研究意义11.3课题的研究及研究现状2第2章 自行车的一般设计52.1自行车的新型材料52.2自行车造型62.3自行车结构62.4自行车功能72.5人与自行车系统82.5.1人与支撑部件的关系92.6.1基本原则102.6.2结构尺寸确定10第3章 自行车零件的作用及三维建模123.1自行车简介123.2三维建模123.2.1创建布局草图123.2.2自行车零件车架133.2.3自行车零件车把133.2.4自行车零件前叉143.2.5自行车零件鞍座143.2.6自行车零件车轮153.2.7自行车零件踏板组合件163.2.8自行车零件后座、挡泥板、链盒183.3自行车整车三维模型203.4自行车的爆炸视图21第4章 Solidworks simulation对自行车的结构分析234.1Solidworks Simulation234.2线性静态分析234.3结构分析234.4对自行车的力学分析244.4.1对前叉的分析过程244.5运行结果25结论27参考文献28致谢30自行车造型设计第1章 绪论1.1自行车的行业自行车历史渊源久长。据史料文字记载，大约公元前2300年，中国、埃及、印度都出现过人类原始的自行车雏形。意大利庞贝城中的壁画是最早的图形记载。世界上第一辆真正的自行车是由法国人米狄德，西福拉克于1790年发明的两轮脚蹬自行车。链条式驱动装置的发明者是英国人丁斯塔利和劳森。1888年英国人邓洛普将实心轮胎改为充气轮胎，使行驶较为轻便。自行车的发展，从车型看，20世纪60年代初期以普遍车轻便车为主，到70年代开始流行小轮车，80年代则是山地车的天下。而近10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。目前，我国共有自行车整车厂和零件厂1081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6000多万辆。经过80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。今年来，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6大系列上万个规格样式。采用的材料从单一的钢材逐步发展铝合金、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。1.2选题依据与研究意义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。而自行车的用途已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、骑车轻快、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，自下而上设计法是比较传统的方法，先设计并造型零件，然后将之插入装配体，接着使用配合来定位自行车参数零件。若想更改零件，必须单独编辑零件，这些更改可以在装配体中看见。自上而下法在Solidworks也成“关联设计”，是指在装配体的布局草图上布置设计信息，然后把信息传递到下级的产品结构，从开始就把零部件作为系统的一部分并考虑零部件之间的相互作用，随着设计的进行，更为的细节信息成为可能并被包含到设计当中。通过在一个布局草图中表达整体设计意图，就很容易做出正确的设计修改。运用机械设计等知识完成自行车骨架结构的设计同时，利用Solidworks的建模功能，建立三维模型。最后应用Solidworks的运动仿真功能，使得自行车设计直观、快捷、高效。该技术在机械工程、化工设备。汽车制造等很多领域有很强的实用性和推广价值。Solidworks是美国Solidworks公司的一款高性能三维机械设计提供了一个方便的可视化平台，设计创建自行车的三维模型，把整个自行车系统拆分成相互独立且整体统一的模块，模块内部的零件又可以实现互换的柔性化装配。1.3课题的研究及研究现状近年来，关于自行车设计和以及在对Solidworks的力学分析，国内外在这些方面的不断的研究,对于自行车方面的研究国内主要有：王建华1等人对运动自行车整个车架结构参数化设计，让运动自行车适应人体的特征，从而发挥骑车者体能技术发挥。谢庆森、林俊聪2等人在基于Pro/E的自行车参数化设计主要是缩短自行车设计的周期，提高自行车设计的水平，提出了自行车参数化设计理论，阐述了系统的构建原理和系统框架。张祥林、邓磊3等人研究面向装配的自行车CAD系统研究，其为了提高自行车设计效率和设计质量,而基于UG 建立了自行车CAD 系统, 引入了参数化模板和装配接口模型，还阐述了参数化建模、自动装配、干涉检查等关键技术在该系统中的实现。陈东祥、胡冬梅4的硕士论文基于Pro/Engineer的自行车参数化计系统中是对当前我国CAD技术应用日益普及和推广，而自行车CAD二次开发相对落后的现状，利用ProEngineer提供的二次开发工具ProToolkit和VisualC+60的集成开发环境，对ProEngineer进行二次开发，建立了一个快速的自行车设计系统。采用三维造型技术与参数化设计相结合的方法，通过ProToolkit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。林霜5的论文主要研究与分析自行车设计中的人机因素，从人机工程学的角度出发,对自行车设计的发展、自行车设计中人的因素和自行车设计人机关系进行分析和研究。利用三维造型软件设计出自行车,借助人机分析软件结合自行车结构和人的因素进行分析自行车设计的合理性和舒适性。邓磊6研究参数化模板的自行车快速设计方法，是针对自行车的设计建立了基于UG的专用CAD系统。通过对自行车零部件进行ABC分析和几何形状分析,建立了描述产品结构的参数化模板,创建了完善的零部件数据库,开发了不同款式自行车车架的快速设计模块和零部件自动装配模块,实现了对产品配置、模具明细表以及其它产品相关信息的管理,快速生成工程图,有效地指导分析和生产,并为知识的再利用提供基础。王璞7主要研究儿童自行车，是以儿童为中心的前提下提出了儿童参与设计的方式、分析了儿童参与自行车设计的组织过程,并构建了儿童自行车用户参与设计的任务模型和思维模型。对儿童参与设计中界面的设计依儿童年龄层次不同,提出了不同的设计指导意见。 实践部分对儿童自行车进行了模块化的划分,归纳出适于儿童参与设计的基本模块部分。建立了儿童自行车个性化设计的基本模块库与个性化模块库。宋贤敦8自针对自行车设计，从自行车的使用要求，及设计要求进行展开阐述。林俊聪9研究与开发自行车模块化概念设计系统，而此文是在研究模块化设计和概念化设计的基础之上,针对自行车设计的特点,探讨了自行车的模块化概念设计的理论和实现。分析了自行车模块化概念设计系统的结构,并把该系统拆分成3个相对独立的子系统:基础数据库、自行车模块化数据库、用户交互接口。邓国光10从力学角度较为详细地研究了自行车运动员的蹬踏方式，并用微机控制系统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。刘军、耿国强 11的主要研究了Solidworks自上而下设计方法。林修成、张朝阳12的论文是对自行车行驶稳定性及后进动性的力学分析，文章首先根据拉格朗H方程，得到广义坐标下的车轮运动的拉格朗H方程，然后根据广义坐标下的拉格朗H微分方程研究车轮的运动状态，车轮初始的不稳定性，在直线行驶中的稳定性，抗冲击性以及自行车转弯时的后进动问题倾翻的问题，从而回答了自行车在弯道行驶车身处于颠倒状态，在重力作用下而不致。李立顺、孟祥德等人13的论文基于Solidworks的整车自装卸车虚拟设计与运动仿真，主要介绍了基于Solidworks软件进行机械系统虚拟设计和运动仿真的基本方法，综合利用Solidworks的参数化、变量化建模技术以及自下而上和自上而下相结合的设计方法，完成了整体自装卸车的虚拟设计，证明了这种方法可有效提高设计效率，具有良好的应用前景。付永忠14基于Solidworks的自顶而下装配体设计及运动仿真，改论文指出了传统的自下而上装配体设计的缺点，并提出自顶而下装配体与运动仿真相结合的产品设计方法。郑向华15基于Solidworks的机械手运动仿真设计，本文在上料机械手设计与研究的基础上，具体进行了机械手仿真动画设计。杨艳红、周红生等人 16的硕士论文液压传动自行车车自顶向下设计及传动分析，液压传动自行车是一种新型的交通工具，通过绘制液压传动自行车的概念草图，基于参数化特征建模技术多层次的装配模型，利用自顶向下设计方法完成液压传动自行车的骨架模型及整机设计，并对液压泵和马达传动原理进行分析。结果表明，自顶向下设计方法为提高产品的快速更新设计提供了一条新路子。国外在自行车方面的研究：Soden和Adeyefai17对骑车中的自行车做了受力分析，指出骑车开始是蹬踏力可达到人体体重的三倍。Hull和他的合作者们18研究了骑车生物力学，用五赶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。 第2章 自行车的一般设计2.1自行车的新型材料运用在自行车上的材料多种多样，目前比较流行的材质有钢材、铝合金、镁合金、钦合金、高分子碳纤维材料、复合材料等。铝合金是目前最看好的材质，在80年代初期就己经开始被大量运用在自行车制造上，虽然铝合金车架重量轻、延伸性相当好，但应力较集中，所以性能较差。近年来铝合金材质在车架上运用了新技术，其中渐进式抽管法最被看好，即分数次将铝材逐渐抽薄，减少重量而又不损失强度，消除了车架接缝处的潜在断裂处。英国设计者Kirk Precision大胆地利用新型材料高纯度镁，通过镁合金浇注成模方法，再结合高科技制造设备和计算机辅助设计手段，成功地将大规模制造的优势运用到传统手工制造的自行车行业中来，生产出比相同大小和重量的钢管车架质量更轻、刚度更高，性能更佳、动感更强的合金管车架。钦合金在航空工业上普遍被运用，同时也渐渐被自行车行业所注意。钦合金稳定性高、不易氧化.强度高、抗腐蚀性好.吸震性也十分好，如此多的优点和制造难度使得钦合金车架的价格一直十分昂贵.复合材料在运动器材方面蓬勃发展，加上制造技术渐趋成熟，引起有心人士投入复合材料代替金属的开发。碳纤维是一种纤维补强的热固树脂，属于非金属材料，它重量轻、可塑性大、耐牢性卓越，防震性能好，与同质量的金属相比有更优良的强度与刚硬度;将碳纤维管状物与铝合金接头这两种截然不同性能的物体以高分子接着剂胶合组成一体化成型车架，最适用于竞赛型的自行车。碳纤维自行车的国内外发展状况如下所述。80年代中期，意大利、法国、英国和美国利用复合材料和工程塑料方面的技术优势.相继开发成功了用碳纤维管和铝合金接头粘接成车架的碳纤维自行车。随后，欧美等国对自行车进行计算机辅助受力分析和强度计算，使计算机外形更符合人机工程学的要求，研制出碳纤维整体车架成型工艺。90年代初，国外厂商将粘接型和整体性进行混合技术，即用碳纤维管和多通接头作“底”.外敷缠绕碳纤维层，使多通接管掩埋在里面，外部看起来似整体成型。以确保自行车的强度。台湾最大的自行车厂商捷安特Giantl公司与台湾材料研究室共同开发碳纤维自行车，成功开发一种新颖的铝合金金属压注接头胶接碳纤维自行车构架。随后.公司于1993年联合开发整体碳纤维自行车构架，便台湾自行车工业发展上一新台阶。近年来台湾自行车业者将诸多新开发的高科技材料大量运用于传统的自行车产品.提高功能性和实用性，大幅度减轻自行车重量，使产品的附加价值大为增加。1993年，我国天津飞鸽自行车(集团)公司和北京环航复合材料公司联合投资开发粘接型碳纤维自行车。深圳中华自行车公司自行研制可焊接碳纤维自行车。但整体成型碳纤维车架国内目前还是空白。2.2自行车造型现代自行车造型设计的一大特点就是应用新材料、新工艺、新结构。有种无辐条、前后轮均为碳素钢轮的自行车，其前轮略小，后轮略大，造型整体呈前倾状态，高速行驶时，能减少空气阻力具有较强的速度感和力感。1999年台北自行车展示会上，Elebike公司展出了由工程学院的学生设计的两人同时驾驶的新型三轮电动自行车。车的前轮有一个转矩，电池安装在座垫下面，车驾与挡泥板创造出一种优美的流线形。“羚羊型”、“白天鹅型”等使自行车造型趋于多样化。“流线型”结构造型以及改变驾驶者的姿态的“身尚式”造型是自行车造型发展的新趋势。2.3自行车结构自行车的结构多样，金属板、塑料的组合式、管式、组成式、轴传动机构、橡胶车架、碳精纤维车架、无幅条车轮、单轮车式、曲柄式往复运动机构、钢丝幅条车轮、无滚珠轴承、蛇腹车架、双管车架、双圆棒车架、蜂窝结构、玻璃纤维车架、流线型结构、整体车轮、驱动部与后轴的整体连结、无螺丝安装、带式驱动机构、流式驱动机构等m。而折叠式自行车是近几年发展起来的一种新型结构的自行车.结构更简便，性能更高.(1)独转健身自行丰一种独轮健身自行车，由摇动手柄、脚踏，轮子和保护架构成，摇动手柄和脚踏分别与棘爪传动机构的棘爪固定，棘轮与车轮同轴转动。使用者通过两手的前后摇动和脚踩脚踏两种方式连续驱动车轮行走。(2)折圣式自行丰德国斯图嘉特市车辆设计锻造公司最近开发成功一种随意放入任何一种行李箱内的微型折叠式自行车。它装有可调式支承座的鞍管和车架上的避震器可迅速从车架上卸下，车架通过一种新式中轴活络关节一步折叠到位。车架制造采用“中空事骨架件”方法，既有效提高车架抗扭强度.又可显著减轻车架重量。日本成功制造出总重量仅为6. 5千克的一种新型的安全可靠的折盛式轻便自行车，堪称世界上最轻量的自行车。车体材料采用坚固而较轻的钦合金，所有框架采用中空工艺加工，框架管子的壁厚仅有1毫米，此外，轮胎采用了聚氨酷橡胶等轻量材料，所有部位尽可能设法变轻.折叠设计方面，对折叠后的高度、厚度都进行了严格调查比较，产品最终实现了能满足多种情况下的携带与放置。台湾展开发公司推出的折叠式电动自行车获日本外观及结构专利权。全车仅32公斤，携带方便、机动性高。该车采用微电脑控制器，刹车自动断电，电源归零起动，具有电量指示灯，启动扭力大，速度可达25公里/hr，充电时间4-6小时，平地续航力可达40公里。前轮配置的12. 5英寸避震器已获台湾专利权，是目前台湾行程尺寸最短的避震器。我国柯思达发明的折叠自行车系列产品，性能上具有折叠迅速、结构简便的特点，与同类产品相比，体积小1/2，重量轻1/3，折叠时间为2-4秒，可随意挂靠，携带便利。2.4自行车功能自行车除了作为一种交通工具，还具有健身、娱乐、竞赛等多方面功能。随着高新技术的不断提高，运用越来越广泛，功能越来越完备，出现了水陆两用自行车、多档变速自行车、登山越野自行车等多功能型自行车。(1)多档变速自行车变速装置的形式很多，内装、外装、手动无级变速、电气式自动无级变速、流体变速、细绳式、带式、随动式、离合器式、磁力式、连杆式、摩擦离合器式、摩擦板式、离心力式、异型电机式、柱塞式、和谐传动、行星齿轮式、照相机光圈式、改变链轮径、凸轮偏心式(带行星齿轮和链轮)、橡胶变速式、滚珠螺丝变速等等。外装变速器直接接触外部空间，变速的范围较大，多用于山地车。内装变速器暗藏于后花鼓中，由于设计的空间有限，变速的范围较有限，一般用于城市内骑行的轻便车。森威系列中的摩擦式换档变速器，采用低接触式走线方式和摆动机构，实现前、后自动定位定档工NDEX调速。它选用高强度的压铸铝、塑脂件，采用旋转手柄、GD型飞轮，具有预拨功能，使得工NDEX系统达到平顺、准确的变速性能。最新产品中还有通过电脑感应和微型马达来自动进行变速的全自动内变速系统。通过变速把上的电脑液晶FLGHT DECK电子显示系统实现显示时间、平均速度、骑行总距离等17种的功能。(2)山地自行牟山地自行车适于行驶在不平整的路面上。由Bertone公司和通用(GM)的子公司欧宝联合开发的山地自行车，用一根管材构成的龙骨代替了传统的四边形车架。此车将后轮，车链连接脚蹬子的中轴作成一体，减震器安装在镁管中，从而使得24速换档机构中的链条张紧力不受到车轮跳动的影响，解决了后悬挂系统的自行车经常遇到的问题。(3)遭震赛车在登山自行车、下坡赛车上，为了降低自行车车辆重量，发挥乘骑者的最大极限，提高耐冲击性，普遍采用高性能的前后叉避震设计，悬吊式后避震系统和弹簧压迫式的传动系统。在把手、避震座管、立管等各部分均采用创新的材料，使自行车的“减震”功能几乎可以与机车相媲美。同时，为了减少抗风阻系数，以往管状的车身已逐渐为扁平的设计所代替。第四章车架造型设计自行车创新设计包括所示的各个方面，本论文重点讨论车架造型、传动系统方案设计。本章首先研究车架造型设计。2.5人与自行车系统 组成自行车的功能是供人骑行，就发挥自行车的功能作用而言，把人看作自行车的组成部分是完全合理的。因此，人在骑车时组成了人一车系统，该人一车系统中的人一车界面关系可由图来进行分析。图2.1人与自行车的关系2.5.1人与支撑部件的关系支撑部件主要有车架、前叉、鞍座和车把等，是自行车的构架。支撑部分将其他零部件固定在相互间正确的位置上，保证自行车的整体性，实现自行车的功能。从人机关系来看，鞍座、车把和车架等的位置和大小，以及它们间的相互关系，与骑车人的位置和肌肉的动作有着性的设计参数。 2.5.2人与动力接受部件关系 动力接受部件主要是脚蹬和曲柄。动力是靠骑车人的双脚踩在脚蹬上，下肢运动的力使曲柄转动而产生的。为了使人省力和有舒适感，必须在骑自行车人的体格和体力与自行车元件的尺寸关系上下功夫，即研究人体下肢肌肉的收缩运动与曲柄转动之间的能量转换问题。2.5.3人与传动部件关系 传动部件主要是滚珠、链条和链轮。人的作用力是通过链条和链轮传动而带动后轮转动，从而使自行车前移。传动部分的设计关键是要有较高的传动效率和可靠性，且有易操纵的变速机构。保证较高的传动效率，才能使人用一定的肌力而获得较大的输出功率。 2.5.4人与工作部件关系 工作部件就是车轮，即车圈、轮胎等。绝大部分轮胎是充气的，少数是实心的。车轮一方面把骑车人的肌肉力量，有效地转换为同地面接触而向前运动的力；另一方面将骑车人的握力转换为与接地部分所产生的刹车阻力。在设计自行车的各部分尺寸、车闸及变速器等时，应该着眼于骑车人动力传动工作的连贯性，才可能设计出同骑车人手的大小或握力相适应的闸把、刹车力适当的车闸，才不会发生刹车阻力不够而造成失误现象。 2.6自行车设计原则自行车设计要从材料强度、骑行运动学、加工工艺，可靠性等各个方面进行考虑，这些因素都直接影响着车架的外观美感、强度大小和弹性优劣。而车架造型很大程度上决定着自行车骑行好坏、易转性能、骑行舒畅感等。车架管材的长短、构成的角度等影响整体自行车的特性。除考虑车架的造型结构尺寸外，尤其应该考虑自行车与人的协调关系，以及身体尺寸与自行车各部件之间的关系。主要的基本技术参数有:前管轴线与地面夹角、立管轴线与地面夹角p、传动中心距C、前后轮中心距D、中接头中心离地距离E等。只有这些参数均趋于合理，才能保证自行车的稳定性和操纵性。下面以大众车为例，讨论如何确定车架设计方案。2.6.1基本原则(1)自行车的性能是通过人来体现的，它的结构设计应以人为主，充分考虑到人体工程学、自行车运动学、形态美学等方面的知识。(2)车架的形状和尺度与其功能有关。要求外形尺寸合适，以提高骑行舒适性;要求所受阻力最小，骑行的输出性能最佳。(3)要求有足够的刚性和强度，并且尽量减少重量。具有良好的抗冲击、耐疲劳性，以保证寿命使用。2.6.2结构尺寸确定(1)车架规格运动员下肢(大腿、小腿、脚)的长短，决定车架的高度。上肢(上臂、下臂和手腕)的长短与胸之和，决定车架的长度。(2)前角和后角前角指前管对于车架的倾斜度。前角为710时，操纵性和稳定性都比较好，确定其范围为650 -750。赛车车架的前角更陡，采用730-750，这样在骑行时反应快，速度灵活。坐管角取与前角相同，陡的角度可使骑车者前扑在中轴的上方，从而获得较大的蹬力。后角指立管轴线与地面夹角。后角决定了骑行者在自行车上的重心位置，一般认为在680 -73。范围内。当传动中心距设定的值较小时，角度偏小，反之偏大。(3)前又翘度前叉翘度指前管中心线和前轮轴之间的垂直距离。为提高自行车的的导向灵活性，一般取较小的值。(4)上管长度从鞍立管接头到前叉接头的长度，角度较陡的赛车车架相应地使上管缩短了。这样可使骑车者能下扑着双手握住车把骑行，以减小风的阻力并增强脚踏的力量。(5)转距为了减少自行车的重量，提高运动性能，必须考虑尽量缩短轮距。前、后轮中心距的尺寸大小与传动中心距有关，当传动中心距较小时前、后轮中心距可取小一些，反之取大一点。(6)后心距从保证车架的刚性和良好的加速性能出发，尽量缩短后心距。第3章 自行车零件的作用及三维建模3.1自行车简介自行车的车架、轮胎、脚踏、刹车等24个部件中，其基本部件缺一不可。其中，车架是自行的车的骨架，它所承受的人或货物的重量最大。按照各部件工作特点，大致可将其分为导向系统、驱动系统、制动系统：1.导向系统：有车把、前轮、前叉等部件组成。骑乘者可以通过操纵车把来改变行驶方向并保持车身平衡。2.驱动系统：有脚蹬、曲柄、链条、飞轮、后轮等部件组成。人脚的脚蹬力是靠脚蹬通过曲柄，链轮、链条、飞轮等部件传动的，从而使自行车不断前进。3.制动系统：由车闸部件组成、乘者可以随时操纵车闸，使行驶的减速、始、停，以确保行车安全。此外，为了安全和美观，以及从实用出发，还装配了车灯，支架等部件。下面将在这一节中详细介绍自行车主要部件的具体情况。3.2三维建模3.2.1创建布局草图创建一个新的装配体，在前视基准面创建一个自行车草图，在该草图中绘制关键零件，并把每个零件生成块，其中块的名称修改成零件的名称，如图3.1自行车布局草图。每个块只需要表达零件的关键形状、尺寸和位置即可，不需要画上全部的细节。图3.1自行车布局草图3.2.2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。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。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。3.2.3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3.2 自行车车把3.2.4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。3.2.5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3.3 鞍座3.2.6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。传统的自行车车轮由轮胎（内胎、外胎）、辐条，花毂等组成，其结构造型其中，车轮的外胎又分软边胎和硬边胎两种。软边胎断面宽，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。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。图3.4 车轮图3.5 车轮3.2.7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哪。近年来国外有新品，踏板轴的长度缩短为是可增加力矩的。图3. 6 脚踏板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16.5 cm起，每隔0.25 cm为一标准，到17.5 cm，(165、167.5、170、172.5、175)等五种，但实际应用时对其尺寸的要求更为精密化。4、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。4.2创建布局草图创建一个新的装配体，在前视基准面创建一个自行车草图，在该草图中绘制关键零件，并把每个零件生成块，其中块的名称修改成零件的名称，如图4.1自行车布局草图。每个块只需要表达零件的关键形状、尺寸和位置即可，不需要画上全部的细节。图3.7 链条5、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。6、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和多级飞轮两大类。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“嗒嗒”声响的更急促。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。3.2.8自行车零件后座、挡泥板、链盒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：、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。图3.8 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2-11及是比较常见的造型图3.9 后座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。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。4.链盒图3.10 链盒3.3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。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，这些类型之间又存在着相似的关系，因此，将相似的模型归为一组，找出最具代表性的，将之存放到模型库中，构成整车模型库。利用车架模型的不同，完全可以归结为两种造型，而其他被替换掉的整车模型类型，可以通过系统完成后的整车修改模块来重新生成，即通过相近造型的零件模型的替换再生得到。图3.11自行车的布局草图3.4自行车的爆炸视图 装配爆炸图是将装配到一起的零部件分别移开，使设计人员可以更好地对装配关系进行分析和观察。现在不少CAD三维软件，都可形象地模拟出装配体各零件间的装配和拆卸过程，并直接转化为动画。如图所示，自行车的爆炸图。该软件除可自动根据装配关系生成爆炸图外，还提供了自动和手动相结合的方法生产爆炸图，在手动调整中可以对每个零件移出的方向、距离等进行设定。图3.12 自行车爆炸图 第4章 Solidworks simulation对自行车的结构分析4.1Solidworks SimulationSolidworks Simulation作为SolidworksCOSMOSWork的新名词，是与Solidworks完全集成的设计分析系统。它提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析，凭借着快速解算器的强有力支持，使用户能够使用个人计算机快速解决大型问题。Solidworks Simulation提供了多种捆绑包，可满足各项分析需要。4.2线性静态分析线性分析是指当载荷作用于物体表面上时，物体发生变化，载荷的作用将传到整个物体。外部载荷会引起内力和反作用力，使物体进入平衡状态。线性静态分析有两个假设。1.静态假设。所有载荷被缓慢且逐渐应用，直到它们达到其完全量值。在达到完全量值后，载荷保持不变。2.线性假设。载荷和所引起的反应力之间的关系是线性。4.3结构分析首先，什么是结构设计？结构要处理比较静态的物体。因为一个产品有了外型（造型设计）以后，就要做机构设计来处理其运动特性。然后，这样的的产品在结构上是否坚固，就成了结构设计的主要课题了。在结构分析中主要有三个方面：结构强度与寿命评估由于结构的速度、成本、耐久性、可靠性的要求不断提高，导致结构设计师在设计结构时，以减轻产品重量为最高原则。这样，结构强度与寿命的评估就变得越来越复杂，越来越重要来了。结构优化将设计问题的力学特性与数值方法中的各种相似的手段相结合，然后将高度非线性问题转化为一系列近似的带状显示约束问题，最后通过数学规划法来解答。3.有限元法以有限元分析为基础。可以分析产品零件或组装系统，以确保整个产品是符合设计要求的。有限元模型和产品的几何模型是相关的，通过建模和分析后，计算出结构反应（变形、应力、温度等）。4.4对自行车的力学分析在现代机械行业中，理论力学，材料力学及工程力学在实际生产过程中越来越发挥出其强大的作用。面对日益创新与进步的社会，在社会生活中人们越来越重视自身所得的生活环境与生活质量，这就要求像自行车、汽车、家用电器等这些与日常生活密不可分的产品的质量性和安全性。而设计前的产品分析就是希望借助先进的生产科技，最大化的节省企业的资源，对产品的质量再设计前给予基本的保障，使其在以后的使用过程中能够做到使顾客用的放心，安心。在机械行业中，机械产品的设计，生产及使用都涉及到机械材料、加工制造、日常使用等无时无刻不在影响着机械产品本身性能。当产品的在使用过程中因为产品本身的问题给顾客的家庭或者企业本身带来的伤害都是巨大的。所以在机械行业中对所设计的产品在生产加工之前做好预防工作是很有必要的。结构力学分析，本身依靠所用材料本身的性能，对材料本身给予评定。对加工过程中所产生的力的变形，是得材料在由材料半成品成品的过程中所产生的不利于使用者或者工作人员的事情发生。由此可见，在设计过程中对产品进行必要的产品力学分析，使设计人员在设计过程中即可清楚明白在生产实际的过程中材料会有哪些不利的因素产生，对生产者或者是使用者会造成什么样的影响。并且在设计过程中尽量的去解决可以解决的问题，使其在以后的生产中和使用中减少或者避免事故的产生。结构分析的主要内容是对产品在某一材料下，对该材料在加工过程中由于受到一定的力的情况下有可能产生的力学变形及这些变形可能会造成的事故或者是影响。根据结构分析，结合具体的情况，对可能或者将要出现的情况进行一定的合理评估，设计并解决由于结构问题所出现的不良现象。4.4.1对前叉的分析过程前叉所受的分力以及轮子对其的作用力。由此对前叉的材料及受力情况进行分析。1首先确定前叉的材料类型：对于自行车的材