洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） I 基于 Pro/E 的山地自行車造型設(shè)計 摘 要 山地 自行 車，英文名叫 “mountain bike”，縮寫為 MTB。 山地 自行車設(shè)計是一項十分重要的工作，也是一門專業(yè)的抖學(xué)。國外 山地 自行車工業(yè)發(fā)達(dá)的國家都在自行車設(shè)計中投入了大量人力、物力和財力，也取得了很好的效果。我國雖然被稱為自行車生產(chǎn)王國，但在產(chǎn)品設(shè)計工作上與國外先進水平相比還存在差距。為了迅速提高我國自行車水平，必須在設(shè)計工作中下功夫。 山地 自行車設(shè)計涉及到大量計算和技術(shù)問題， 本設(shè)計將利用 PRO/E、 CAD 等軟件從模型出發(fā)到一整部山地自行車的成型的介紹。 將 從山地 自行車設(shè)計的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)、 山地 自行車設(shè)計的使用要求和步驟、 山地 自行車設(shè)計人員要求、 山地自行車影響出功率的機械因素、 山地 自行車行駛阻力、 山地 自行車安全要求、 山地 自行車設(shè)計的配合要求八個方面 。 關(guān)鍵詞： 山地自行車 ， PRO/E， CAD， 機械因素 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） II Pro/E Based On The Mountain Bike Modelling Design ABSTRACT Mountain bike, called mountain bike English, abbreviation for MTB. Mountain bike design is a very important work, is also a kind of professional shaking learn. Foreign mountain bike industry developed countries are in bicycle design invested a huge human, material and financial resources, and good results have been achieved. Although China is called the kingdom of bicycles, but production product design work compared with foreign advanced level also has the disparity. In order to quickly raise our bicycle level in design work, we must make great efforts. Mountain bike design involves substantial computation and technical problems, this design will use PRO/E, such as CAD software to a whole department from the model of the mountain bike molding introduction. Mountain bike design from technical and economic indexes, the use of the mountain bike design requirements and steps, mountain bike design personnel requirements, mountain bike influence the mechanical factors, the power of the mountain bike driving resistance, mountain bike safety requirements, mountain bike with eight aspects of design requirements. KEY WORDS: Mountain bike， PRO/E， CAD， Mechanical factors 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） III 目 錄 前 言 . 1 第 1 章 山地自行車設(shè)計的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo) . 2 第 2 章 自行車行駛阻力分析 . 5 2.1 滾動阻力 . 5 2.2 空氣阻力 . 5 2.3 內(nèi)部阻力 . 5 第 3 章 山地自行車設(shè)計的要點 . 7 3.1 材料因素 . 7 3.1.1 下面就幾種材料做具體分析 . 7 3.1.2 材料的選擇 . 11 3.2 結(jié)構(gòu)因素 . 12 3.2.1 車架 . 13 3.2.2 前叉 . 14 3.2.3 車把及位置 . 15 3.2.4 前軸、后軸和中軸 . 15 3.2.5 腳蹬 . 16 3.2.6 飛輪 . 16 3.2.7 變速器 . 17 3.2.8 前后輪 . 18 3.2.9 鞍座及高度 . 19 3.2.10 前后閘 . 20 3.2.11 曲柄 . 20 第 4 章 自行車車座的模具設(shè)計 . 21 4.1 塑件成型工藝性分析 . 21 4.1.1 塑件的分析 . 21 4.1.2 PC 的性能分析 . 21 4.1.3 PC 的注射成型過程及工藝參數(shù) . 22 4.2 擬定模具的結(jié)構(gòu)形式 . 22 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） IV 4.2.1 分型面位置的確定 . 23 4.2.2 型腔數(shù)量和模具結(jié)構(gòu)形式的確定 . 23 4.2.3 注射機型號的確定 . 24 4.2.4 主流道的設(shè)計 . 25 4.3 成型零件的設(shè)計 . 26 4.3.1 成型零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 26 4.4 模架的確定 . 27 4.4.1 各模板尺寸的確定 . 27 4.5 冷卻水線的設(shè)計 . 27 4.6 總裝配圖和部分零件圖的繪制 . 28 第 5 章 鞍座模具的上模腔的 NC 代碼 . 29 5.1 工件圖形 . 29 5.2 模架圖形 . 29 5.3 部分工序 NC 代碼 . 30 結(jié) 論 . 33 謝 辭 . 34 參考文獻 . 35 外文資料翻譯 . 37 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 前 言 山地 自行車，又稱 腳踏車 或單 車 ，是通常二輪的小型陸上 車倆 。一般以人騎上腳踩踏板驅(qū)動。英文 bicycle 或 bike 的 bi 意指二而 cycle 意指輪。在 中國 大陸、臺 灣 、新加坡，通常稱為 “ 自行 車 ” 或 “ 腳踏車 ” ，在香港、澳門則通常稱為 “ 單車 ” 。 很多國家和地區(qū)認(rèn)為 山地 自行車是車輛，常常要求適當(dāng)配備甚至是要向政府相關(guān)部門登記領(lǐng)取車牌后始得上路。有些地方要求夜間行車時自行車要使用車燈。中華人民共和國的交通法規(guī)將自行車列為一種非機動車。在香港， 山地 自行車屬于 “ 非機動車輛 ” ，無須領(lǐng)有牌照，但在路上行駛時，須遵守和機動車輛一樣的交通規(guī)則。 山地 自行 車 是一 中種 面 對 生活的 態(tài) 度，也 中種純真夢想的執(zhí)著 。 一輛好的自行車首先要有 好的車架 、 好的零件組成， 然后還要有良好的 組裝技術(shù)。將這三個因素科學(xué)地加以組合后，才能算是一輛 好的自行車。由于各國生活水平的差異，使用自行車的目的各不相同，有些國家的騎行者以旅游、鍛煉身體以及少年兒童體育運動為主要目的，一般使用多速車、越野車和山地車；有些國家的自行車主要作為交通工具，多使用輕便車和多速車?？偟膩碚f，自行車是朝著美、輕、牢、新、廉方向發(fā)展。美是造型美觀、色彩鮮艷、華麗而不俗；輕是自重輕、騎行輕；牢是強度高；新是款式新、品種多；廉是成本低、競爭力強。 有目的的了解學(xué)習(xí)有關(guān)的 山地 自行車各部件之間的連接方式，一方面，在使用上能我們更清楚自行車本身的構(gòu)造，以便更好的、更安全方便的使用 山地 自行 車，也能更好的對他進行維護和保養(yǎng)。在一方面，對于一個從事學(xué)習(xí)工業(yè)設(shè)計的人來說，更多的了解一些機械構(gòu)造，內(nèi)部原理等知識，可以使我們在設(shè)計產(chǎn)品的時候，形成一個完整的思路，是我們的美好的外 *觀造型構(gòu)思與事物本身的構(gòu)造形成一個完美的結(jié)合。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 第 1 章 山地 自行車設(shè)計的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo) 山地 自行車設(shè)計的基本任務(wù)是根據(jù)使用者的要求結(jié)合制造部門的可能性，創(chuàng)造性地運用有關(guān)科學(xué)技術(shù)和知識，設(shè)計出受用戶歡迎的產(chǎn)品。因此，設(shè)計自行車時，首先應(yīng)該選擇合理的結(jié)構(gòu)，同時還應(yīng)符合有關(guān)技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的要求。社會對自行車使用的要求是多方面的， 因此，自行車的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)包括的內(nèi)容也較多，這里就提出下列最常用的若干內(nèi)容。 1、 使用壽命 山地 自行車屬日用消費品，不同類型的自行車均有相應(yīng)的使用壽命要求，因為 山地 自行車的易損零部件，在運轉(zhuǎn)中要磨耗、變形或損壞，不但增加了維修工作量，甚至?xí)ナ褂脙r值。因此，設(shè)計 山地 自行車時應(yīng)根據(jù)不同的使用要求，對壽命問題予以重視。 2、 行駛安全性 這是 山地 自行車設(shè)計者必須考慮的內(nèi)容，隨著車輛的增多和車禍的經(jīng)常發(fā)生，國內(nèi)外對自行車的行駛安全性越來越加重視，國際自行車標(biāo)準(zhǔn)已有明確的安全標(biāo)準(zhǔn)要求，不符合安全要求的自行車嚴(yán)格禁 止行駛。當(dāng)然，騎車事故的發(fā)生原因是多方面的，但首先要從產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)上保證達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。 3、 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化 這是指 山地 自行車產(chǎn)品的系列化，部件通用化和零件標(biāo)準(zhǔn)化。在各企業(yè)都在大力開展新品種的新形勢下，標(biāo)準(zhǔn)化工作就顯得更為重要了，目前我國自行車標(biāo)準(zhǔn)化主要存在二個問題，首先是國家標(biāo)準(zhǔn)未能完全很好的貫徹， 不少人認(rèn)為只要達(dá)到自行車質(zhì)量鑒定 40 項就行了，這是一種不全面的觀點，何況我國現(xiàn)行的 40 項內(nèi)容有其歷史和客觀的原因，從目前來看很有修改的必要。 因此，我國 山地 自行車首先應(yīng)當(dāng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時，要使新開發(fā) 的產(chǎn)品符合標(biāo)準(zhǔn)化要求， 標(biāo)準(zhǔn)要先行，如果各廠由于沒有明確標(biāo)準(zhǔn)就自行設(shè)計，待社會上形成一定數(shù)量后，再統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)就困難了。因此， 產(chǎn)品設(shè)計，首先要查找和依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 4、 工藝性 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 山地 自行車設(shè)計時要考慮加工工藝的合理性，特別批量生產(chǎn)的品種， 工藝合理性顯得更為重要。所設(shè)計的自行車在保證使用要求的情況下，應(yīng)該能用最少的工時，材料和加工費用制造出來。 山地 自行車的外形應(yīng)合乎比例、和諧平整、美觀大方，以增加使用者對自行車的美觀感。貼花、色彩等也是吸引消費者的重要方面?，F(xiàn)在消費者購買 山地 自行車時，主要依據(jù)是牌號、價格、 外形和美觀程度。在自行車日趨飽和，市場競爭更加劇烈與的新形勢下，產(chǎn)品設(shè)計工作對外形和美觀的考慮與研究就更加重要了。 5、 強度和最大容許負(fù)荷 設(shè)計 山地 自行車中的每個零部件時，必須保證足夠的強度。任何一個零件在使用時都不應(yīng)產(chǎn)生斷裂損壞和發(fā)生的殘余變形， 否則將不能正常地使用甚至引起事故。自行車如有過大的允許負(fù)荷能力，雖然能擴大其使用范圍，但將使自行車零件的尺寸和強度隨著增大，是不經(jīng)濟的，因此要合理選擇而設(shè)計。 6、 成本 山地 自行車制造成本能綜合地表示出很多項技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的結(jié)果。例如重量、自行車制造工藝性、新 工藝采用情況和標(biāo)準(zhǔn)化通用化程度等。成本的高低，表示了經(jīng)濟上是否合理，所以產(chǎn)品設(shè)計要有經(jīng)濟觀點，十分重視和努力降低自行車制度成本。 7、 騎行輕快 和 舒適 山地 自行車既要有一定的剛度，也要有相應(yīng)的彈性，否則就會影響騎行性能和使騎行者容易產(chǎn)生疲勞，因此對架、前叉和鞍座等主要部件都要與人的體形結(jié)合起來考慮，使之達(dá)到騎行舒適的要求。 本設(shè)計所參照的山地自行車類型如圖 1-1、 1-2： 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 圖 1-1 圖 1-2 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 第 2 章 自行車行駛阻力 分析 2.1 滾動阻力 相當(dāng)于車輪在路面上滾動時所引起的能量損失。它 由滾動時輪胎斷面產(chǎn)生變形、胎面與路面之間相對滑動、路面變形、由于路面不平而引起的振蕩損失等因素組成。 2.2 空氣阻力 自行車在空氣中運動，空氣本身也在流動，兩者綜合形成的相對運動，造成對自行車騎行阻力?？諝庾枇τ赡ゲ磷枇蛪毫ψ枇?gòu)成，磨擦阻力是空氣對車和人體表面的磨擦作用造成的阻力。壓力阻力有二種 :一種是車和人的前部氣流被緊擠，產(chǎn)生對抗車和人前進的正壓；另一種在后部和拐角處空氣變得稀薄而引起渦流，產(chǎn)生將車和人吸住的負(fù)壓。構(gòu)成磨擦阻力的因素與車和人的表面平整、光滑度和外形大小有關(guān)，此外還與揮動腳蹬時的 空氣阻力和車輪轉(zhuǎn)動的空氣阻力有關(guān)。目前出現(xiàn)的高速自行車、避風(fēng)式自行車、流線型自行車以及采用“滴水管”和異徑輻條等，其目的均為了減輕空氣的阻力。 2.3 內(nèi)部阻力 騎車人驅(qū)動中軸轉(zhuǎn)動所做的功，在轉(zhuǎn)換成為有效的后輪推力過程，把動力傳遞中所浪費的部分稱內(nèi)部阻力。其中包括 : 1. 各轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動摩擦力矩 :如果環(huán)繞中軸力矩，則其摩擦力矩 (公斤力厘米 )為 :若前后軸 :2.4，則中軸 :1.0，鏈輪和鏈條 :1.2，飛輪和鏈條 :1.2。如果環(huán)繞后軸，則其值進一步減小到它的三分之一左右，與滾動阻力、空氣阻力相比，僅為百分 之一左右。 2. 鏈傳動的效率 :軸皮轉(zhuǎn)動、鏈輪、飛輪和鏈條的嚙合，產(chǎn)生的摩擦洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 阻力并不大。 3. 由于車架的彎曲或扭曲等瞬時彎曲變形時變形產(chǎn)生的能量消耗 :由于大鏈輪和飛輪的旋轉(zhuǎn)與車架中心平面不重合，如果踏力較大，在強大的鏈條抗力作用下，使中接頭和后平立叉部分受彎曲而靠攏，曲柄每轉(zhuǎn)一周，這種現(xiàn)象在左右腳蹬各發(fā)生一次，使車架彎曲變形，并出現(xiàn)“抖動”現(xiàn)象。不單是能量的損失，隨著車架的抖動促成車輪安裝精度的破壞而增大滑角，從而引起滾動阻力的增加。設(shè)計賽車等自行車時應(yīng)特別重視這一點。抖動的能量損失很大，一般占內(nèi)部阻力的 10%左右。 4. 軸皮變速內(nèi)部阻力 :軸皮變速內(nèi)部的行星齒輪機構(gòu)是由很多零件組成的 :中心齒輪、行星齒輪、內(nèi)齒輪、撐牙等，但其摩擦阻力不大。外變速或變速器的鏈條中心線是偏斜的，但傳動效率的降低也很小。 5. 騎車人身體的上下振動的能量損失 :從帶有減震的車架和鞍座到騎車人身體的上下振動，其能量的損失有時很大。為了騎行舒適，車架、前叉、鞍座的彈性要好，但設(shè)計時也要考慮保持其合理的剛性，以充分發(fā)揮騎車人輸出功率的實際效能。由于自行車內(nèi)部阻力的產(chǎn)生原因和性質(zhì)，與其它騎行阻力不同，設(shè)計時，可以傳動效率的形式來處理。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 第 3 章 山地 自行車設(shè)計的要 點 3.1 材料因素 材料是實現(xiàn)自行車設(shè)計的物質(zhì)基礎(chǔ)，離開了材料及輔助材料的材性與工藝，其設(shè)計只能是一種抽象存在，無法體現(xiàn)其存在的意義和價值。就其主要構(gòu)件 車架而言，自行車車架的材料有已往使用的鉻鋁鋼以外、還有鋁、鈦、碳纖、鎂等不斷出現(xiàn)新材料。其中鋼制的車架最便宜，不過重量也最重，表面的油漆脫落后便有生銹的危險，所以平時在保養(yǎng)上要下功夫。再高級點就是鋁合金，重量較輕，但是需要較粗的管徑才能達(dá)到與鋼管相同的強度，為大部分登山車所采用。表面拋光后 整臺車呈現(xiàn)銀白色，很好看。碳纖維車架的特點是可以一體成型，不需要焊接，不過每個車架需要特殊的模具制造，成本也很高。鈦合金不但重量輕，不生銹，強度高，材料特性最佳，不過原料昂貴，加工困難。 3.1.1 下面就幾種材料做具體分析 1. 鉻鉬鋼 (Fe Cr Mo) 圖 3-1 鉻鉬鋼 車架 在自行車的 100 年歷史當(dāng)中，鐵素材是剛性與重量方面都均衡的理想素材。 (如圖 3.1)鐵制車架的最大特征是可在各種成份，各種粗細(xì)厚薄的鐵管中，任意選擇所需要的鐵管進行加快。因此可以選擇最適合于的尺寸、剛性、騎感的車架，這對于數(shù) 毫米的差異也敏感的老車手來說是很有好處洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 的。它的最大的缺點是比起其它的素材重 (過去 )。但是最近的鐵素材車架經(jīng)過熱處理，把薄的管道做成粗的管來使用，其重量不會輸給輕的合金。 2. 鋁合金 (A1-Mg-Si， Al Zn Mg 一 (Cu) 用鋁合金制作的車架。輕而價格低是它的優(yōu)點。但是從輕 來說，當(dāng)前與鐵素材比較相差并不大。老車手對它的反應(yīng)是雖輕但易彎曲 。雖然經(jīng)過多次改進，但是始終克服不了楊氏彈性模量低的缺點。最近的鋁合金車架，為了提高楊氏彈性模量，加大管道外徑，使用扁平管，或者對鋁管進行熱處理等，制造出輕而 有剛性的車架，這種最新的鋁合金車架對車手來說，具有足夠的輕量與剛性。 鋁合金是純鋁中加入 Mg， zn， si， cu 等金屬的合金。鋁本身具有輕量、可塑性好、耐腐蝕等優(yōu)點，加入其他金屬后顯著提高了機械性能。 鋁合金車架的優(yōu)點 (1)可以制作重量輕的車架鋁的比重輕但不夠硬，為了增強強度把它制成合金并施予熱處理。熱處理采用時效析出增強法，簡單地說，在金屬內(nèi)形成一種妨礙金屬變形的物質(zhì)。在某種高溫下進行熱處理時，會引起時效析出，若沒有經(jīng)過這個程序的車架，也會引起常溫時效。就是說把車架放置在房間內(nèi)也會逐漸變強。 有 7075 標(biāo)志的自行車零件 (如 XTR 曲柄等 )，嚴(yán)格來講沒有經(jīng)過熱處理。也就是說因沒有時效，因此是常溫時效。 7075 合金本來就必要進行熱處理，通過熱處理其強度可以增加 5 倍。 (2)長時問使用外觀不怎么變化 鋁本身是很容易受腐蝕的金屬，在空氣中幾乎不存在沒有被氧化的鋁，放置在空氣中馬上被氧化而形成很薄的氧化膜。為什么不生銹昵 ?原因是該氧化膜達(dá)到一定的程度時防止繼續(xù)生銹。該氧化膜幾乎是無色因此外觀上不容易發(fā)現(xiàn)變化 (有時會發(fā)白 )。 鋁合金車架的缺點 (1)鋁是彈性率及剛性低的材料。因此采用粗的管道，或者改變形狀如cross over 管、 padded 管等。 (2)需要進行熱處理必需進行熱處理，否則強度不夠。因此一般的規(guī)模不大的工廠無能力購買熱處理設(shè)備。尤其是 6000 系的鋁合金管，多數(shù)情況洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 是管道廠家指定熱處理條件。 3. 鈦、鈦合金 (Ti， Ti A V) 美國在 60 年代首次使用鈦合金來制作白行車車架。鈦合金給人的印象是 輕而硬。早期的鈦合金車架，作為比賽用車，剛性不足，其車架不適合于長距離賽車，也不是適用于所有的比賽，只適合用在山岳，或者 Big reces，Time traial 等需要輕型車的特定的場合。鈦金屬給一些人錯覺，貴而 稀有，實際上鈦是地球上埋藏量豐富的元素之一。只是由于合金的制作成本高，價格才較貴。 鈦合金車架的優(yōu)點 (1)可以制作輕量而強度大的車架純鈦金屬的強度更高。在鈦金屬中添加鋁和釩，彈性更高 (和鋁比較 )，也有利于設(shè)計。 (2)不生銹：鈦在一般的環(huán)境下幾乎不會被腐蝕。但是它有另一種腐蝕現(xiàn)象即異種金屬腐蝕。例如，不同種類的合金接合在一起時，成為電極狀態(tài)，電位差使局部通電引起腐蝕。對此現(xiàn)象采取的措施是用脂膏等來絕緣(混有金屬粉末的脂膏，如商品名： Ti Plepu 等 )。這種金屬粉末防止脂膏流失，即使流失后也用來防止緊密 接觸。這種金屬粉末有導(dǎo)電性也不要緊，接觸后被較小的荷重破壞掉。這種現(xiàn)象稱為粘住 ，它和烘焙 是不同的。粘住、咬合 ：金屬之間通過腐蝕來接合的現(xiàn)象。烘焙接合 ：加工金屬時所產(chǎn)生的熱量來溶融接合。 鈦合金車架的缺點 價格高。鈦在自然界以二氧化鈦的形態(tài)存在，提練及加工過程復(fù)雜，技術(shù)要求高，并花時間因此成本高。再有溶接加工極為困難，因為鈦和氧的親和力極強，和空氣接觸后馬上變成二氧化鈦，而二氧化鈦硬而脆，該部分的強度會不斷下降。因此用惰性氣體小心焊接。通常所說的 Tig 焊接是： (Tig：鎢、惰性氣體的略語 )用 鎢電極及氬氣體進行弧焊接。鈦的焊接必需隔絕空氣下進行。由于以上原因鈦車架價格很貴。 近來有些鋁合金車架比鈦合金車架價格貴，這說明鈦合金車架的價格下降了。其因是冷戰(zhàn)結(jié)束后軍費縮小，鈦的用量少了；優(yōu)秀的技術(shù)員開始用鈦來制作車架：制作鈦車架的成本降低等原因。 4. 碳纖維 (CERP) 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 碳纖維車架的特征是輕、不彎曲、沖擊吸收性好，但是，充分發(fā)揮碳纖維的優(yōu)異性能，在技術(shù)上看起來不是那么容易，各碳纖維材料廠家之間的品質(zhì)差異也較大。自行車廠家考慮到成本問題，不大可能使用高等級的碳纖維來制作車架。圖 3-2 COLNAGO 牌 的碳纖維車架碳纖維是把碳纖維用樹脂凝固成形的東西。 (如圖 3-2)非常輕，但它是具有方向性的材料 (拉伸強但容易斷 )，因此采用把薄料層層重疊的方法來解決缺點。但成本太高。 圖 3-2 碳纖維車架 碳纖維車架的優(yōu)點 (1)可以制作重量輕的車架 碳纖維車架是把碳纖維對著發(fā)生應(yīng)力的方向?qū)訉盈B而得到強度。碳纖維車架非常輕，這是它的密度和強的拉伸強度構(gòu)成的。捷安特的碳纖維車架非常輕， 2000 年的型號 1.2kg 重。 (2)沖擊吸收性好 碳纖維用來制作殘疾者運動時用的假腿，或者特殊的彈簧等被用在各領(lǐng)域。利用它的吸收沖 擊力優(yōu)異的性能，制作不用避震器的自行車。如SCOTT 廠的 ELEVATED 車架是著名的。但是各個廠家之間的品質(zhì)差異較大，有的很硬，因此這種車架乘騎后才能知道好或者不好。 碳纖維車架的缺點 (1)復(fù)雜的應(yīng)力計算 構(gòu)成碳纖維車架的是碳纖維，它的特點是拉伸強度強，但剪斷強度弱，洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 加工時需要進行復(fù)雜的應(yīng)力計算 (縱剛性、橫剛性 )，根據(jù)計算把碳纖維片重疊成型。加工技術(shù)各廠家各異，應(yīng)選擇有經(jīng)驗可靠廠家的是很重要的。 (2)老化 使用樹脂因此會不會老化 ? 這是一個存在的課題，它放置在陽光下時會逐漸變白。當(dāng)然這種現(xiàn)象關(guān)系到廠 家的技術(shù)。最好不要放置在陽光下。 5. 鎂合金 鎂的比重很輕 (1.74)，約鐵的 1/5，鈦的 2/5，鋁的 2/3。它是不容易腐蝕的活性金屬。它廣泛用在各種領(lǐng)域里，如照相器及電腦的外框、車輛的車圈等配件。通過合金化耐腐蝕性也得到進一步提高。 鎂合金車架的優(yōu)點 (1)可以制造重量輕的車架 它比鋁密度低，可以制造輕的車架。楊氏彈性模量稍微低些，但是可以用加粗管直徑及橢圓化等方法來解決。使用鋁合金的目的僅僅是為了減輕重量，將來可能會被鎂合金取代 ? 鈦和鎂的研究課題稍不同，這兩種金屬今后仍然會活躍下去。 (2)加工性 好 鎂制車架加工不會差。切粉的燃燒、爆炸等能夠通過合金元素來回避的話，剪斷、溶接性可能不會差。和鈦比較起來加工性好。 鎂合金車架的缺點 生產(chǎn)鎂車架的廠商都說耐腐蝕性好。但是這方面的資料當(dāng)前還很少，耐腐蝕性好到何種程度難于判斷。鎂是劇烈氧化的金屬，不小心操作錯了很容易爆炸，純鎂一般不能使用，添加其他金屬 (鋁、鋅、錳等 )制成合金來使用，制成的鎂合金強度、機械性能都得到提高。有些人曾經(jīng)使用過鎂合金制用具，如摩托車的曲柄套等、他們說：雖然用了很久，但是很好，不會象鋁般發(fā)白。 3.1.2 材料 的選擇 已經(jīng)介紹了幾 種自行車材料，總地來說，騎感好的是鉻鉬鋼制的、要輕的是鋁制的，沖擊吸收性最好的是碳纖維。鈦合金制的上述各種性能都不是最好的，但是為什么對它感興趣呢 ? 因為它是有前途的金屬。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 1鉻鉬鋼已經(jīng)使用了很久，對它的研究也最多，除非有什么突破，鉻鉬鋼的前途可想而知的了。使用適正厚度的管道時重量是會增加，但是不容易引起金屬疲勞，這種車能帶給車手極佳的騎感。單純地追求薄壁的管道的現(xiàn)在，鉻鉬鋼應(yīng)該走自己的道路，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，否則很可能被其他材料淘汰。 2白行車用鋁管，當(dāng)前的設(shè)計方針很危險，鋁是沒有疲勞極限，為了降低應(yīng)力 應(yīng)該增加厚度。但是為了單純地謀求薄壁，使用強勒的新合金來制作車架。從外觀來看這些制品使人引起很不錯的錯覺，但是疲勞壽命將是如何呢 ? 鋁管的薄壁程度已經(jīng)到了極限，不可能再薄下去。結(jié)果它的命運將和鉻鉬鋼一樣。今后鋁制自行車向那一個方向發(fā)展 吶 ? 我認(rèn)為可能會成為比賽專用自行車的素材。若用鋁制自行車來練習(xí)，一定會感覺到性能的降低顯著。 3碳纖維制自行車 是有前途的，通過應(yīng)力計算會找到最適合的加工條件。另外是信心問題 。當(dāng)前尚存在各種問題。 4鈦管還有發(fā)展的余地，強度可能會超過鉻鉬鋼，現(xiàn)在己能制造 1.5k的車架，鈦必 定會奪去鋁的 “ 輕量王 ” 的寶座。另外，鈦不需要涂漆，可減少這部分的重量 (20 409)。 綜合種種因素，考慮到設(shè)計初衷的理念：娛樂、休閑、時尚、旅游、便攜，結(jié)合材料的特性，選擇鈦鎂合金材料作為其主要構(gòu)件材料。 3.2 結(jié)構(gòu)因素 本次自行車設(shè)計運用圓形形態(tài)組合原則，受到“新鋒銳” (New Edge)理論及圓周運動規(guī)律的啟發(fā)，其整體構(gòu)架由平面倒角板材 (車身部位 )與直線金屬管材 (自行車車頭碗組、座桿等部件 )以及塑料、橡膠部件 (自行車坐墊、車把手、腳踏板 )(如圖 3-3)；車架分為前部和后部，前部為轉(zhuǎn)向部分，以簡潔 的弧線為貫穿，后部為驅(qū)動 部分，由于后部的特性 受力較大，則對后半部分進行加固；其傳動方式仍然保留原有的鏈條式傳動，配備單速或速度調(diào)節(jié)器。 為貫穿，其傳動方式仍然保留原有的鏈條式傳動，配備單速或速度調(diào)節(jié)器。就整車結(jié)構(gòu)來說，以點、線、面式的組合結(jié)構(gòu)為主，洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 配上直線構(gòu)架、倒角支架板材以及富有動感的弧線，整體造型圓滑、線條簡潔，藉由連結(jié)中央圓盤組合，且車架鋼性強。另外，可利用在圓盤移動時折疊整車，實現(xiàn)便攜的功能。 我所設(shè)計的自行車的造型設(shè)計如下圖 3-3： 圖 3-3 車體造型 3.2.1 車架 車架 是構(gòu)成自行車的 基體聯(lián)接著自行車的其余各個部件并承受騎者的體重及自行車在行駛時經(jīng)受各種震動和沖擊力量，因此除了強度以外還應(yīng)有足夠的剛度，這是為了在各種行駛條件下，使固定在車架上的各機構(gòu)的相對位置應(yīng)保持不變，充分發(fā)揮各部位的功能。車架結(jié)構(gòu)可由設(shè)計人員創(chuàng)新，但與其他部件相關(guān)的安裝尺寸，應(yīng)嚴(yán)格控制。 在車架加工過程中，或多或少地存在加工精度問題，從后視方向觀察車輪，兩輪也不在同一平面上，使騎行產(chǎn)生“沉重”的感覺。 車架立管與水平面之間的夾角稱之立管 傾角。立管延長線和鞍座上表面的交點為鞍座的位置。一般情況下，騎車人股關(guān)節(jié)的位置大致地 與鞍座位置一致。對于洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 騎車人來說，下肢的關(guān)節(jié)相對中軸中心的位置，是決定下肢肌肉群的肌力有效利用的一個關(guān)鍵，即踏力和踏速能否獲得最佳的配合的一個關(guān)鍵。隨著踏速的提高，如果股關(guān)節(jié)的股骨運動角范圍不相應(yīng)地縮小，由于肌肉運動速度跟不上，下肢肌力就不能充分發(fā)揮。在膝關(guān)節(jié)也存在同樣情況。實驗證明 :高速自行車股關(guān)節(jié)相對中軸的位置應(yīng)該前移，即立管傾角增大。反之，股關(guān)節(jié)位置后移，立管傾角減小。 如圖 3-4： 圖 3-4 車架 3.2.2 前叉 前叉 有三個作用。第一個作用是支承前輪所受的重量， 第二個作用是將車把轉(zhuǎn)向動作傳送到前輪，使自行車能按騎者的意愿方向行駛；第三個作用是前義下端壓有彎度，能促使自行車有自己向前直駛的性能，減輕騎車者操縱強度，并起一些緩沖作用。前叉裝在車架前管內(nèi)，能在管內(nèi)靈活轉(zhuǎn)動，前叉 的上端與車把緊固地連結(jié)在一起，下端與前軸連接，與前輪以前軸為中心自由轉(zhuǎn)動，組成轉(zhuǎn)動機構(gòu)。 如圖 3-5： 圖 3-5 前叉 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 3.2.3 車把 及位置 車把是 連接著前叉，可轉(zhuǎn)動前叉 ，在使用性能上主要是操縱自行車的行駛方向，并作為騎車者的扶手，支承著一部分騎車者的重量，在車把上安裝著制動手把和車鈴，控制制動和信號。車把因裝在自行車正前方，要求美觀合適，必須能承受一定的顛簸撞擊性能。 車把和鞍座的位置影響了騎車人上半身的姿勢。車把的水平位置離地高度約等于騎車人股骨的長度。如果車把位置太高，會增加車架長度；過低，將妨礙車把的轉(zhuǎn)向。車把的垂直位置應(yīng)略高放鞍座，如果長期騎行車把位置低于鞍座位置的自行車，對身體是不利的。 如圖 3-6。 綜上所述，中軸、鞍座和車把三者的位置稱為車架的三支點，支配著騎車 人的姿勢，對自行車的出力性能影響很大，是自行車設(shè)計工作的重要課題。關(guān)齡車架三支點的研究，除考慮出力性能外，還要考慮騎車人的疲勞程度、身體局部疼痛，駕駛方便程度和安全性能等因素。 如圖 3-7： 圖 3-6 車把 的位置圖 3-7 車把圖 3.2.4 前軸 、后軸和中軸 前軸 是承受由前叉?zhèn)鱽淼淖孕熊嚤旧砑膀T車者的部分 (約 40% )重量，并通過前花盤、輻條、車圈及輪胎，將重量傳落地面和推動前輪旋轉(zhuǎn)前進的支承，必須有足夠的強度和轉(zhuǎn)動的靈活性能。 如圖 3-8： 圖 3-8 前軸 后軸 有三個作用，第一個作用是承受由立管和平叉?zhèn)鱽淼淖孕熊嚤旧砺尻柪砉W(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 及騎車者的一大部分 (約 60 )重量，并通過后花盤、鏈條、車圈及輪胎，將重量傳落地面；第二個作用是推動前輪旋轉(zhuǎn)前進；第三個作用是驅(qū)動全車前進的主動軸承。因此，后軸必須具有比前軸更大的強度，并需保持軸承轉(zhuǎn)動靈活。 同時為了調(diào)整鏈條的松緊度，后軸必須能前后調(diào)整，并能在合適的位置上緊固而保持不動。 和前軸 一樣。 中軸是傳動機構(gòu)，承受騎車者的腳踏力量。傳動力遙過腳蹬、曲柄、鏈條、鏈輪傳到后輪，驅(qū)動全車前進。 參照前軸。 3.2.5 腳蹬 腳蹬 是承受騎車者的蹬踏，然后通過傳動機構(gòu)驅(qū)車前進。在運轉(zhuǎn)中腳蹬本身能自轉(zhuǎn)，以保持腳掌用力位置的不變， 腳蹬的結(jié)構(gòu)與規(guī)格是否合適，將直接影響到騎車者的放腳位置是否舒適，足脛關(guān)節(jié)和小腿肌肉的作用狀況是否最佳，這是設(shè)計者要考慮的因素。 如圖 3-9： 圖 3-9 腳蹬子 3.2.6 飛輪 飛輪 有兩個作用，一個是當(dāng)騎車者用力踏動腳蹬時，飛輪能將踏力傳到后軸身上，推動全車前進；另一個作用是在行駛途中當(dāng)騎車者不踏動腳蹬時，自行車因受慣性影響，仍繼續(xù)前進，但飛輪外套并不隨著后軸身轉(zhuǎn)動，腳蹬也不旋轉(zhuǎn)，可使騎行者獲得休息機會和便于上下車。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 圖 3-10 前飛輪 圖 3-11 后飛輪 3.2.7 變速器 自行車在行駛時遇到的道路情況是復(fù)雜的，有時風(fēng)速和風(fēng)向?qū)︱T行者影響也很大，因此，自行車在不同的行駛條件下，應(yīng)有不同的速比，就需要安裝變速器，變速器有內(nèi)、外變速兩種，內(nèi)變速器一般在后軸內(nèi)，也有利用中軸變速。 如圖 3-12： 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 圖 3-12 變速器 3.2.8 前后輪 前后輪總稱車輪，一個作用是承受自行車本身和騎車者的全部重量，另一個作用是車輪旋轉(zhuǎn)推動自行車前進及轉(zhuǎn)向，因此必須具有足夠的強度，以免在行駛中受到震動發(fā)生折斷，同時要求車輪須圓正，可保持在旋轉(zhuǎn)時平穩(wěn)，此外車輪結(jié)構(gòu)要有適當(dāng)彈性，以增強避震性，提高騎行者的舒適性。 胎冠的厚度和胎肩的厚度越大，滾動阻力系數(shù)越大。胎冠的花紋呈線型、細(xì)條型 、簾線的支數(shù)細(xì)，其滾動阻力系數(shù)往往較小，多用于運動車。普通車對路面的抓著力、雨天的剎車力、防止側(cè)滑能力、耐久性等有較高需求，往往采用塊形花紋和簾線支數(shù)粗的輪胎，而其滾動阻力相應(yīng)也增大。因此，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)具體的車型選用相應(yīng)的輪胎。 圖 3-13 輪子 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 3.2.9 鞍座 及高度 鞍座 是承受騎車者的體重作用，要有足夠的強度和彈性，不同型號的自行車對鞍座的要求也不完全一致， 對鞍座的要求是堅固、舒適，既能使騎行者提高輸出功率的作用，同時減少騎行者的疲勞，提高行駛性能。 圖 3-14 鞍座 圖 3-15 鞍座的位置 鞍座的高度是指鞍座管延長線與鞍座上表面的交點到中軸中心的距離。為了有效地產(chǎn)生必要的踏力和踏速，下肢骨骼應(yīng)保持合理的運動角范圍。鞍管高度是一個重要因素，騎行者雖然可適當(dāng)調(diào)整，但首先在設(shè)計時要合理確定。 有自行車旅游特別是長途旅游，掌握好自行車技術(shù)是很重要的，目的是為了節(jié)省體力，保證安全。自行車車座的調(diào)整，是 自行車技術(shù)的一個重要方面。自行車車座應(yīng)調(diào)整到什么高度為最佳呢 ?一般說來，以車座較低并有 5-10 度的后傾最便于長途旅游。因為低車座好處很多： 1. 低車座蹬車靈活，可用腳的不同部位輪流用力，這樣可使腳的各種肌肉輪流休息，延長耐久長 ； 2. 車座低，人的位置相對降低，可減少空氣阻力，也便于伏在車把上，改進空氣流張 ； 3. 車座低，微后傾，可使身體挺直，臀部受力均勻，減少疲勞感，同時又可減輕雙臂的負(fù)擔(dān)，保護手腕 。 坐墊前后位置的設(shè)定其實相當(dāng)簡單：先在坐墊上坐好，將腳掌放在踏板上正確的位置，然后踩個幾下，接著將踏板 擺成水平，這是前腳的 “ 膝洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 蓋下點 ” 所垂下的垂直線要剛好通過踏板的中心位置（也就是踏板軸），這樣就完成了 ！ 3.2.10 前后閘 前后閘 是保證騎行安全的關(guān)鍵部件，有普通閘、鉗形闡、觸閘、抱闡、漲閘、腳閘、盤閘等多種結(jié)構(gòu)、形式、但不管何種結(jié)構(gòu)，都要切實保證達(dá)到制動性能的要求。 如圖 3-16： 圖 3-16 前后閘 3.2.11 曲柄 曲柄長度決定了腳蹬軸的前后水平距離和上下垂直距離。由此也確定了大腿骨的運動角度和有關(guān)肌肉群的收縮程度。由于肌肉的收縮使兩個骨骼夾著關(guān)節(jié)而運動、肌肉的收縮力是通過骨骼而起作用的，表現(xiàn)在手碗或腳的端部的力量，就是肌力。肌力的大小與肌肉的伸長和收縮程度有密切關(guān)系。如果踏速增高，而骨骼的運動角范圍不相應(yīng)地縮小，那么，肌肉收縮的速度就跟不上，收縮力就下降。曲 柄長度可取股骨長的二分之一左右。也有把曲柄長度的基準(zhǔn)定為身高的十分之一。如圖 3-17： 圖 3-17 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 第 4 章 自行車車座 的模具設(shè)計 4.1 塑件成型工藝性分析 4.1.1 塑件的分析 1 外形尺寸 該塑件壁厚 均勻，平均壁厚 2mm 左右，塑件外形尺寸不 太 大， 外形不復(fù)雜， 塑料熔體流程不太長，適合于注塑成型，如圖 4-1。 2 脫模斜度 PC 屬于 熱塑性工程 塑料， 沖擊強度高，尺寸穩(wěn)定性好，無色透明，著色性好，電絕緣性、耐腐蝕性、耐磨性好，但自潤滑性差，有應(yīng)力開裂傾向，高溫易水解，與其它樹脂相溶性差。 查表 (常用塑件的脫模斜度 )選擇該塑件的型芯和凹模的統(tǒng)一模斜度為 0.5。 圖 4-1 塑件的二維工程圖 4.1.2 PC 的性能分析 1物理性能 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 沖擊強度高，尺寸穩(wěn)定性好 ，無色透明，著色性好，電絕緣性、耐腐蝕性、耐磨性好，但自潤滑性差，有應(yīng)力開裂傾向，高溫易水解，與其它樹脂相溶性差。 2成型性能 (1) 無定形料 ,熱穩(wěn)定性好，成型溫度范圍寬，流動性差。吸濕小，但對水敏感，須經(jīng)干燥處理。成型收縮率小，易發(fā)生熔融開裂和應(yīng)力集中，故應(yīng)嚴(yán)格控制成型條件，塑件須經(jīng)退火處理。 (2) 熔融溫度高，粘度高，大于 200g 的塑件，宜用加熱式的延伸噴嘴。 (3) 冷卻速度快，模具澆注系統(tǒng)以粗、短為原則，宜設(shè)冷料井，澆口宜取大，模具宜加熱。 (4) 料溫過低會造成缺料，塑件無光澤，料溫過高易溢 邊，塑件起泡。模溫低時收縮率、伸長率、抗沖擊強度高，抗彎、抗壓、抗張強度低。模溫超過 120 度時塑件冷卻慢，易變形粘模 4.1.3 PC 的 注射成型過程及工藝參數(shù) 1 注射成型過程 (1) 成型前的準(zhǔn)備。對 PC 的色澤、粒度和均勻度等進行檢驗。 (2) 注射過程。 塑料在注射機料筒內(nèi)經(jīng)過加熱、塑化達(dá)到流動狀態(tài)后，由模具的澆注系統(tǒng)進入模具型腔。其過程可分為加料、塑化、充模、保壓、倒流、冷卻和脫模等七個階段。 2注射成型工藝參數(shù) (1) 注射機：柱塞式 (2) 料筒溫度 ( )：前段 240285；中段 230280；后段 210240 (3) 噴嘴溫度 ( )： 240250 (4) 模具溫度 ( )： 90110 (5) 注射壓力 (MPa)： 80130 (6) 成型時間 (s)： 110 4.2 擬定模具的結(jié)構(gòu)形式 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 4.2.1 分型面位置的確定 通過對塑件的結(jié)構(gòu)形式分析，分型面應(yīng)選在瓶塞截面積最大且利于開模取出塑件的平面上，如圖 4-2。 圖 4-2 分型面位置 4.2.2 型腔數(shù)量和模具結(jié)構(gòu)形式的確定 1 型腔數(shù)量的確定 該塑件的精度要求一般在 2-3 級之間，且中、小 大批生產(chǎn)， 可采取一模多腔的結(jié)構(gòu)形式。但是 ，