20英寸自行车轮液压湿式制动系统的优化设计.docx
折叠式自行车的结构设计【说明书+CAD+PROE】
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折叠式自行车的结构设计【说明书+CAD+PROE】,折叠式,自行车,结构设计,说明书,CAD,PROE
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20英寸自行车轮液压湿式制动系统的优化设计 摘要 随着气候变化和减少使用化石燃料日益受到关注，美国环境保护署（EPA）已研发了液压混合动力运输系统。在7年时间中，EPA和美国密西根大学（UM）的学生组成的机械工程450团队（ME450）为发展自行车液压再生制动系统（HRBS）进行了项目合作。一般来说，这些系统节约了在摩擦制动过程中丢失的能源。它采用了将自行车的动能通过泵液压油的流动进入蓄能器，从而制动车辆。而此次储存的能量将释放来加速自行车向前行驶。这学期，我们通过优化机械系统和改善其安全来改进以前HRBS设计。我们团队的主要目标是建立一个正常运作的原型20轮，它重量更轻，并具有运动部件少。比前几代，作为它部分的设计已精心研究，我们的团队取得了现存的液压系统的微小变化。此次设计由我们的赞助商，大卫环保局史怀恩先生指导，我们建立了一个满足客户的要求项目清单。下面的表1列出了许多我们的重点工程，并创造了满足这些要求的规格，以及最后的样机特征。我们的四大类工程规格为，安全性、成本、重量和功能性。由于这些规格与其性质的冲突，它一直难以改善自行车的许多系统而对他人设计产生不利影响。妥协以创造一个可行的设计是必要的途径。表1：重点工程规格概要特征 指标 样机前轮的装配重量 30磅 24.75磅自行车额定负载（骑手体重） 160磅 200磅限量系统压力安全阀 4200psi 4200psi自行车减速指标 3.4m/s2.6m/s 无法取得 自行车加速指标 2.0m/s2.5m/s 无法取得移动/旋转枢纽内部零部件数量 11 7 样机成本 1400美元 1338美元许多主要的液压元件需要长期收购多次。为了完成我们任期结束时作出一个拥有这些功能的样机的目标，我们加快观念的生成和选择，从而以留出足够的时间订购和接收这些部件。基于预期的任务要求以及交货时间，这学期我们创造了一个详细的计划。与以前的设计相比，我们已经大大降低了齿轮的数量来减轻样机的重量，用一个轻型铝合金发言系统来取代笨重的玻璃纤维枢纽的支撑系统，并从内部支撑板（“superbracket”）去除多余的材料。这些修改的选择来自于一个基于深入分析每个组件所需的力量和扭矩广泛的概念。实现这些涉及公制和非公制元件之间的非标准接口这项主要工程的障碍进行改进设计，并确定液压回路的路线选择。1摘要美国环境保护署（EPA）正在努力研究液压混合动力运输系统以解决有关全球气候变化和贪得无厌的化石燃料的需求得到越来越多的关注。在过去的7年里，ME450在美国密西根大学（UM）的学生为液压混合动力自行车系统设计作出发展，液压混合动力汽车使用再生制动储存能量加压液体这种能量的释放可以协助车辆加速。这学期，我们提出20英寸自行车轮内的液压混合动力系统的设计，重点是降低重量，提高安全性，并减少移动部件的数量。 2引言本节概述了液压混合动力系统的概念、自行车环保局的起源以及其发展的原动力。此项目在2009年冬季学期ME450范围内进行，概要介绍如下。2.1背景和动机 美国环境保护局成立于1970年，是一个负责纠正损害环境和建立指引的联邦机构，以帮助保护美国的自然环境1。主要研究清洁能源，特别是运输是EPA的努力的几个重点2。与伊顿公司、联合包裹运送服务公司、福特、国际和美国军队保持合作，环保局已开发出几种改善燃油经济性和减少对环境的影响为目的的液压混合动力汽车3。液压混合动力车技术的主要概念是捕捉和利用，否则将失去制动过程中用它来加快车辆的能源。作为汽车制动器，液压泵连接到传动泵的液压油进入高压蓄能器。在车辆加速过程中，在蓄能器储存的能量被释放到动力传动系统，液体流动通过液压马达。这大大降低了所需的燃料，回到正常的运行速度以加速3。这种再生制动的结果是在燃油经济性上明显的改善不仅是对环境有益，也为业主降低燃料成本的特点。这种液压再生制动系统（HRBS）（如图1所示）的图表在第6页上显示。 图1：液压油在HRBS上的路径4使用自行车作为交通工具上下班，减少了化石燃料的使用、减轻了温室气体排放、减缓了道路拥堵，同时骑行自行车数英里还提高了用户的身体健康5。环保局已经证明在内燃发动机的车辆上安装HRBS可改善20-40的燃油经济值3。自2002年以来，环保局已与澳学生对液压自行车实施状况进行合作，对其具有清洁、液压助力式承担的高效的运输可能性进行探索。但该项目产生只有一个功能性的产品。 2.2工程项目说明这个项目是以开发20英寸儿童式自行车液压再生制动系统为目标。由于液压系统在同比例大小进行缩放向下的艰巨性和缩放向上较为容易性，因此选择20英寸这个尺寸研究HRBS自行车，它在分析重量、力的大小、和固有的扭矩问题上较为合适。在过去的7年,环保局和机械工程学450的学生一直致力于研究HRBS自行车。以前的ME450队一直在26英寸和20英寸自行车轮子上拟合这些系统。我们在研究HRBS方面的主要焦点是改善现有的设计，以提高它的安全性、降低重量、确保功能性和降低成本。值得注意的是，我们正在设计的20英寸轮HRBS系统，其主要目标之一是在不牺牲机械强度或压力容器的安全的前提下将设备的重量减少到30磅。我们的计划是保留大部分过去设计的液压元件，因为这项技术已由大卫_斯温和以前的团队得到了很好的研究和记录。我们正在进一步制定一个HRBS技术的、以减少运动部件、降低重量、提高安全性为重点的功能样机。3信息收集为了更好的理解液压混合动力系统，我们团队调查了广泛收集的信息，其中包括研究论文、以前ME450的报告和环保局的资源。在这部分报告所显示的信息中我们找出了液驱混合动力车辆技术。液压系统在如机械、制动系统、储能等各种应用场合下受到使用。由于液压系统传输较大的力的性质和高效地将势能转换成动力的能力而受到了大家广泛地使用。为了安全地利用这项技术，我们必须采取预防措施，以防止因高压而爆裂液压系统。4项目要求及工程规范该部分概述了这个项目的规格，我们首先了解我们的客户的需求。然后我们改变工程规格要求来满足客户的需求。这部分的报告详细介绍了一些要求和并由此产生的规范。 4.1客户要求作为我们的提案者大卫-斯温在这学期为我们概述了客户的要求，客户的要求是，延续过去两个学期的内容，并补充强调了三大主题，及安全、性能、成本。通过上述要求来知道我们的工程技术规范的形成。我们对三大主题和他们的重要性进行分组.第11页表1显示我们客户要求的一个列表。表1 按客户要求的重要性进行分类相对重要性 安全性 性能 成本 高 用户安全 轻量级 廉价的制造工艺 自然制动率 可靠 以A股 自行车为准 使用方便 高效 材料成本 低 易于维修 足够的启动速度 4.2工程规范客户要求的成本和安全可直接转换成工程规格，然而，性能可分为重量和功能，我们了解两者都具有重要性且相对独立，而由此产生的规格说明在以下列表中。这些规范以及客户的要求可以使我们对质量和功能设计的展开和相互作用。 5概念生成为了有效地创造广泛收集的概念，首先，我们通过分解HRBS的主要系统，分解成各个子系统后，我们列出了其各个主要的组成部分。然后，我们每个团队队员创建每个组件的一个概念列表，通过彼此创建的想法组成一个整体的概念咧表。5.1功能分解基于独特的历史和相对复杂的项目，以及与之前大部分团队相比，我们采取了稍微不同的概念生成过程。首先，我们将自行车HRBS分解成五个功能子系统。这些子系统分别为液压系统、动力系统、轮毂、超级支架、和用户界面。每个子系统包含至少2个主要成分。图3是一个功能分解树，它显示了那些组件属于哪个子系统。图3：介绍各子系统的组要组成部分的功能分解数 完成功能分解后，各个系统产生了各系统组件的概念，作为一个团队，我们分别去建立概念和进行分析，从而我们可以从多个角度入手每一个问题。 5.2液压系统该系统由以前的团队设计，此子系统已经非常完善。这项目也是筹备时间最长的一个子系统。因此，我们的许多液压元件，包括泵、电机、高压蓄能器、管材及配件、低压油箱，仍将以前团队所指定的相同。除了前几代所使用的系统，在增压系统上安装包括泄压装置等设备以防止过度增压是非常重要的。如一个可变的泄压阀或者爆裂光盘都可实现以上功能。该阀的分类是由一个防止高压力流体进入泵的止回阀和启动和停止程序启动的换向阀。应用各种类型的止回阀来更好地应对压力的不同。而该换向阀可以是双向或三通电磁阀。不同类型的阀门有不同的密封方法，其中锥阀密封性能很好，只有几滴每分钟，线轴阀泄漏为几十毫升每分钟。5.3动力系统及密封动力传动系统可分解成只有两种组件的类别，但是由于20英寸自行车车轮的约束，使得它变得非常复杂。在过去，机械式的减速装置使用了直齿圆柱齿轮，由此我们产生了许多新的概念，其中包括塑料齿轮、酚醛齿轮、链轮及链条、齿形传动带、电缆和滑轮、像那些用来启动云霄飞车的摩擦轮。第二个动力系统的组成是离合器机理。一个系统应具备一个能随时从运行的泵和电机中脱离运行和制动的旋转枢纽，而来完成这项任务的概念为包括机电离合器（基准）、机械离合器、滚珠离合器和利用一个线性驱动器定制的离合器。5.4枢纽该自行车轮毂的主要作用是支撑自行车车圈，与自行车的减速装置连接，并在其附上该系统的运动部件。轮毂固定绕在自行车的轮轴上。以前的团队已经创建了以碳纤维和玻璃纤维制成的轮毂，我们扩入了以前的概念和我们自己的概念如铝金属板，真空成型塑料，和轮辐与薄盖等，由此我们制定了由轮辐和真空形式设计相结合的新的概念。在本设计中，钢性的骨骼结构将用于支撑自行车并用塑料薄膜盖盖住系统。5.5超级支架该支架子系统由超级支架和自行车的轮毂组成，这些组件都是刚性连接在一起。该轮毂的旋转轴和电气线路的出入端通过轴心轮毂。Superbracket设计是材料选用以及厚度的最优化的设计问题。该支架需要支撑液压和机械部件和为阻碍正在加载的径向泵和电机的输入输出轴。为了满足这些指标，我们创建了一个虚拟的材料清单，其中包括钢铁、铝、玻璃纤维、工装板、木材、碳纤维、塑料等。随着材料的选择完成，我们已经讨论了采用凹坑模具、加入三角撑板和增加角钢辅助的方法来提高支架的刚度。5.6使用者界面和控制项在以往的设计中，该界面纳入了一个控制启动和制动功能的开关盒，这个盒子直接安装在座位前的自行车车架上，然而在功能上，这就迫使自行车手必须放开至少一个把手去启动这些系统，如果系统发生制动失效，骑手必须迅速调整自己手的位置去使用手刹车车把进行制动。这里产生了一个可能的概念来解决这个问题，就是将开关和存在的手刹车进行集成。如可以在钢丝绳上铰接一个拨动开关，通过轻微的挤压手刹来启动HRBS，而用力挤压则足以使它摩擦制动。另一种选择的前提是这辆车必须配备前后手刹车，则可以脱离未修改的后手刹车，并且将前车手刹的钢丝绳与扳钮开关相连，通过安装在手把上的切换扳钮开关来启动激活系统，或者在每个把手上都安装一个按钮，而两个开关处于平行线状态，就可以两个按钮必须启动而触发。站在安全的角度上看，这是相对有益的。6结论这学期，我们围绕20英寸自行车轮设计和构建了液压制动再生系统。通过使用环保局和以前ME450团队的技术
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