1、摘 要在制圖軟件中，Solidworks軟件自上而下方法的研究已成為研究和開發(fā)的熱點，逐漸成為一種趨勢。在 Solidworks環(huán)境中 ,通過產品 、部件和零件三者之間參數(shù)關聯(lián) ,采用一種基于裝配約束的參數(shù)化設計方法實現(xiàn)部件的參數(shù)化建模 ,闡述了這種參數(shù)化設計方法中的關鍵技術 ,包括產品結構的劃分 、尺寸分析 、關聯(lián)設計 、基于布局草圖的設計和方程式的添加 ;運用部件參數(shù)化設計方法構建了一個 Solidworks 部件庫 。采用這種方法 ,有利于產品的修改和系列化 ,提高設計效率。本文在參閱了國內外大量對參數(shù)化設計的文獻基礎之上，以自行車自上而下設計為例，進一步探討了自上而下的發(fā)展和過程。并根

2、據(jù)參數(shù)化過程中出現(xiàn)的API函數(shù)進行闡述，讓設計人員從繁瑣的繪圖工作中解脫出來，集中精力選擇和優(yōu)化設計參數(shù)，提高產品質量，縮短產品設計周期。【關鍵詞】：Solidworks；裝配約束；自上而下；部件庫；自行車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 mod

3、eling 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 , di

4、mension 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 de

5、sign 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

6、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 錄第1章 緒論 11.1自行車的行業(yè) 11.2選題依據(jù)與研究意義 11.3課題的研究及研究現(xiàn)狀 2第2章 自行車的一般設計 52.1自行車的新型材料 52.2自行

7、車造型 62.3自行車結構 62.4自行車功能 72.5人與自行車系統(tǒng) 8 9 10 10第3章 自行車零件的作用及三維建模 123.1自行車簡介 123.2三維建模 12 12 13 13 14 14 15 16 183.3自行車整車三維模型 203.4自行車的爆炸視圖 21第4章 Solidworks simulation對自行車的結構分析 234.1Solidworks Simulation 234.2線性靜態(tài)分析 234.3結構分析 234.4對自行車的力學分析 24 244.5運行結果 25結論 27參考文獻 28致謝 30第1章 緒論1.1自行車的行業(yè)自行車歷史淵源久長。據(jù)史料文字

8、記載，大約公元前2300年，中國、埃及、印度都出現(xiàn)過人類原始的自行車雛形。意大利龐貝城中的壁畫是最早的圖形記載。世界上第一輛真正的自行車是由法國人米狄·德，西福拉克于1790年發(fā)明的兩輪腳蹬自行車。鏈條式驅動裝置的發(fā)明者是英國人丁·斯塔利和勞森。1888年英國人鄧洛普將實心輪胎改為充氣輪胎，使行駛較為輕便。自行車的發(fā)展，從車型看，20世紀60年代初期以普遍車輕便車為主，到70年代開始流行小輪車，80年代則是山地車的天下。而近10年來的世界自行車市場結合城市輕便車和山地車兩者優(yōu)點而設計的混合型自行車。隨著全球環(huán)保綠色浪潮的興起以及人們由于生活節(jié)奏加快而對交通工具速度上的要求進

9、一步提升。自行車市場向高檔化方向的發(fā)展，已成為全球自行車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。目前，我國共有自行車整車廠和零件廠1081家。自行車整車廠數(shù)量占行業(yè)企業(yè)總數(shù)的1/3，整個自行車行業(yè)。國有、三資和組裝型企業(yè)三足鼎立，年生產能力為6000多萬輛。經(jīng)過80多年的發(fā)展，我國自行車行業(yè)取得了驕人的進步，自行車的款式和種類不斷得到豐富。目前行業(yè)產品范圍主要包括各種類型、檔次、功能的自行車、助力自行車、童車與各類自行車零件。今年來，一些自行車生產廠挖掘生產潛力，開發(fā)了各類健身車、健身器材等。同時，產品品種擺脫了單一的普通車生產，發(fā)展為載重車、輕便車、運動車、賽車、山地車、城市車等6大系列上萬個規(guī)格樣式。采用的材

10、料從單一的鋼材逐步發(fā)展鋁合金、工程塑料與碳纖維復合材料等。同時自行車零件品種顯著增加，檔次提高較快。1.2選題依據(jù)與研究意義自行車從發(fā)明伊始就是一種最普及的大眾化的輕便交通工具，其造價低廉、維修簡單、使用方便，無污染，深受人們喜愛。至今它仍然是一些國家的城市和農村的重要交通工具。而自行車的用途已由單一的代步載貨工具向娛樂、健身、旅游等方向發(fā)展。如何設計出結構合理、騎車輕快、美觀舒適的自行車成為當前各自行車生產廠家熱切關心的問題，自下而上設計法是比較傳統(tǒng)的方法，先設計并造型零件，然后將之插入裝配體，接著使用配合來定位自行車參數(shù)零件。若想更改零件，必須單獨編輯零件，這些更改可以在裝配體中看見。自上

11、而下法在Solidworks也成“關聯(lián)設計”，是指在裝配體的布局草圖上布置設計信息，然后把信息傳遞到下級的產品結構，從開始就把零部件作為系統(tǒng)的一部分并考慮零部件之間的相互作用，隨著設計的進行，更為的細節(jié)信息成為可能并被包含到設計當中。通過在一個布局草圖中表達整體設計意圖，就很容易做出正確的設計修改。運用機械設計等知識完成自行車骨架結構的設計同時，利用Solidworks的建模功能，建立三維模型。最后應用Solidworks的運動仿真功能，使得自行車設計直觀、快捷、高效。該技術在機械工程、化工設備。汽車制造等很多領域有很強的實用性和推廣價值。Solidworks是美國Solidworks公司的一

12、款高性能三維機械設計提供了一個方便的可視化平臺，設計創(chuàng)建自行車的三維模型，把整個自行車系統(tǒng)拆分成相互獨立且整體統(tǒng)一的模塊，模塊內部的零件又可以實現(xiàn)互換的柔性化裝配。1.3課題的研究及研究現(xiàn)狀近年來，關于自行車設計和以及在對Solidworks的力學分析，國內外在這些方面的不斷的研究,對于自行車方面的研究國內主要有：王建華1等人對運動自行車整個車架結構參數(shù)化設計，讓運動自行車適應人體的特征，從而發(fā)揮騎車者體能技術發(fā)揮。謝慶森、林俊聰2等人在基于Pro/E的自行車參數(shù)化設計主要是縮短自行車設計的周期，提高自行車設計的水平，提出了自行車參數(shù)化設計理論，闡述了系統(tǒng)的構建原理和系統(tǒng)框架。張祥林、鄧磊3等

13、人研究面向裝配的自行車CAD系統(tǒng)研究，其為了提高自行車設計效率和設計質量,而基于UG 建立了自行車CAD 系統(tǒng), 引入了參數(shù)化模板和裝配接口模型，還闡述了參數(shù)化建模、自動裝配、干涉檢查等關鍵技術在該系統(tǒng)中的實現(xiàn)。陳東祥、胡冬梅4的碩士論文基于Pro/Engineer的自行車參數(shù)化計系統(tǒng)中是對當前我國CAD技術應用日益普及和推廣，而自行車CAD二次開發(fā)相對落后的現(xiàn)狀，利用ProEngineer提供的二次開發(fā)工具ProToolkit和VisualC+60的集成開發(fā)環(huán)境，對ProEngineer進行二次開發(fā)，建立了一個快速的自行車設計系統(tǒng)。采用三維造型技術與參數(shù)化設計相結合的方法，通過ProTool

14、kit應用程序設計模塊，進入自行車零件模型庫，對零件模型進行調用、修改、再生等操作，從而實現(xiàn)自行車產品的快速設計。林霜5的論文主要研究與分析自行車設計中的人機因素，從人機工程學的角度出發(fā),對自行車設計的發(fā)展、自行車設計中人的因素和自行車設計人機關系進行分析和研究。利用三維造型軟件設計出自行車,借助人機分析軟件結合自行車結構和人的因素進行分析自行車設計的合理性和舒適性。鄧磊6研究參數(shù)化模板的自行車快速設計方法，是針對自行車的設計建立了基于UG的專用CAD系統(tǒng)。通過對自行車零部件進行ABC分析和幾何形狀分析,建立了描述產品結構的參數(shù)化模板,創(chuàng)建了完善的零部件數(shù)據(jù)庫,開發(fā)了不同款式自行車車架的快速設

15、計模塊和零部件自動裝配模塊,實現(xiàn)了對產品配置、模具明細表以及其它產品相關信息的管理,快速生成工程圖,有效地指導分析和生產,并為知識的再利用提供基礎。王璞7主要研究兒童自行車，是以兒童為中心的前提下提出了兒童參與設計的方式、分析了兒童參與自行車設計的組織過程,并構建了兒童自行車用戶參與設計的任務模型和思維模型。對兒童參與設計中界面的設計依兒童年齡層次不同,提出了不同的設計指導意見。 實踐部分對兒童自行車進行了模塊化的劃分,歸納出適于兒童參與設計的基本模塊部分。建立了兒童自行車個性化設計的基本模塊庫與個性化模塊庫。宋賢敦8自針對自行車設計，從自行車的使用要求，及設計要求進行展開闡述。林俊聰9研究與

16、開發(fā)自行車模塊化概念設計系統(tǒng)，而此文是在研究模塊化設計和概念化設計的基礎之上,針對自行車設計的特點,探討了自行車的模塊化概念設計的理論和實現(xiàn)。分析了自行車模塊化概念設計系統(tǒng)的結構,并把該系統(tǒng)拆分成3個相對獨立的子系統(tǒng):基礎數(shù)據(jù)庫、自行車模塊化數(shù)據(jù)庫、用戶交互接口。鄧國光10從力學角度較為詳細地研究了自行車運動員的蹬踏方式，并用微機控制系統(tǒng)自行車運動訓練測試臺得出的數(shù)據(jù)，研究出曲柄旋轉角與蹬踏角的關系。劉軍、耿國強 11的主要研究了Solidworks自上而下設計方法。林修成、張朝陽12的論文是對自行車行駛穩(wěn)定性及后進動性的力學分析，文章首先根據(jù)拉格朗H方程，得到廣義坐標下的車輪運動的拉格朗H方

17、程，然后根據(jù)廣義坐標下的拉格朗H微分方程研究車輪的運動狀態(tài)，車輪初始的不穩(wěn)定性，在直線行駛中的穩(wěn)定性，抗沖擊性以及自行車轉彎時的后進動問題傾翻的問題，從而回答了自行車在彎道行駛車身處于顛倒狀態(tài)，在重力作用下而不致。李立順、孟祥德等人13的論文基于Solidworks的整車自裝卸車虛擬設計與運動仿真，主要介紹了基于Solidworks軟件進行機械系統(tǒng)虛擬設計和運動仿真的基本方法，綜合利用Solidworks的參數(shù)化、變量化建模技術以及自下而上和自上而下相結合的設計方法，完成了整體自裝卸車的虛擬設計，證明了這種方法可有效提高設計效率，具有良好的應用前景。付永忠14基于Solidworks的自頂而下

18、裝配體設計及運動仿真，改論文指出了傳統(tǒng)的自下而上裝配體設計的缺點，并提出自頂而下裝配體與運動仿真相結合的產品設計方法。鄭向華15基于Solidworks的機械手運動仿真設計，本文在上料機械手設計與研究的基礎上，具體進行了機械手仿真動畫設計。楊艷紅、周紅生等人 16的碩士論文液壓傳動自行車車自頂向下設計及傳動分析，液壓傳動自行車是一種新型的交通工具，通過繪制液壓傳動自行車的概念草圖，基于參數(shù)化特征建模技術多層次的裝配模型，利用自頂向下設計方法完成液壓傳動自行車的骨架模型及整機設計，并對液壓泵和馬達傳動原理進行分析。結果表明，自頂向下設計方法為提高產品的快速更新設計提供了一條新路子。國外在自行車方

19、面的研究：Soden和Adeyefai17對騎車中的自行車做了受力分析，指出騎車開始是蹬踏力可達到人體體重的三倍。Hull和他的合作者們18研究了騎車生物力學，用五趕平面機構模擬具有圓鏈輪驅動的腳蹬自行車系統(tǒng)，探討了腳蹬力和腳蹬速率如何影響騎行過程以及鉸鏈力矩節(jié)奏的關系。第2章 自行車的一般設計2.1自行車的新型材料運用在自行車上的材料多種多樣，目前比較流行的材質有鋼材、鋁合金、鎂合金、欽合金、高分子碳纖維材料、復合材料等。鋁合金是目前最看好的材質，在80年代初期就己經(jīng)開始被大量運用在自行車制造上，雖然鋁合金車架重量輕、延伸性相當好，但應力較集中，所以性能較差。近年來鋁合金材質在車架上運用了新

20、技術，其中漸進式抽管法最被看好，即分數(shù)次將鋁材逐漸抽薄，減少重量而又不損失強度，消除了車架接縫處的潛在斷裂處。英國設計者Kirk Precision大膽地利用新型材料高純度鎂，通過鎂合金澆注成模方法，再結合高科技制造設備和計算機輔助設計手段，成功地將大規(guī)模制造的優(yōu)勢運用到傳統(tǒng)手工制造的自行車行業(yè)中來，生產出比相同大小和重量的鋼管車架質量更輕、剛度更高，性能更佳、動感更強的合金管車架。欽合金在航空工業(yè)上普遍被運用，同時也漸漸被自行車行業(yè)所注意。欽合金穩(wěn)定性高、不易氧化.強度高、抗腐蝕性好.吸震性也十分好，如此多的優(yōu)點和制造難度使得欽合金車架的價格一直十分昂貴.復合材料在運動器材方面蓬勃發(fā)展，加上

21、制造技術漸趨成熟，引起有心人士投入復合材料代替金屬的開發(fā)。碳纖維是一種纖維補強的熱固樹脂，屬于非金屬材料，它重量輕、可塑性大、耐牢性卓越，防震性能好，與同質量的金屬相比有更優(yōu)良的強度與剛硬度;將碳纖維管狀物與鋁合金接頭這兩種截然不同性能的物體以高分子接著劑膠合組成一體化成型車架，最適用于競賽型的自行車。碳纖維自行車的國內外發(fā)展狀況如下所述。80年代中期，意大利、法國、英國和美國利用復合材料和工程塑料方面的技術優(yōu)勢.相繼開發(fā)成功了用碳纖維管和鋁合金接頭粘接成車架的碳纖維自行車。隨后，歐美等國對自行車進行計算機輔助受力分析和強度計算，使計算機外形更符合人機工程學的要求，研制出碳纖維整體車架成型工藝

22、。90年代初，國外廠商將粘接型和整體性進行混合技術，即用碳纖維管和多通接頭作“底”.外敷纏繞碳纖維層，使多通接管掩埋在里面，外部看起來似整體成型。以確保自行車的強度。臺灣最大的自行車廠商捷安特Giantl公司與臺灣材料研究室共同開發(fā)碳纖維自行車，成功開發(fā)一種新穎的鋁合金金屬壓注接頭膠接碳纖維自行車構架。隨后.公司于1993年聯(lián)合開發(fā)整體碳纖維自行車構架，便臺灣自行車工業(yè)發(fā)展上一新臺階。近年來臺灣自行車業(yè)者將諸多新開發(fā)的高科技材料大量運用于傳統(tǒng)的自行車產品.提高功能性和實用性，大幅度減輕自行車重量，使產品的附加價值大為增加。1993年，我國天津飛鴿自行車(集團公司和北京環(huán)航復合材料公司聯(lián)合投資開

23、發(fā)粘接型碳纖維自行車。深圳中華自行車公司自行研制可焊接碳纖維自行車。但整體成型碳纖維車架國內目前還是空白。2.2自行車造型現(xiàn)代自行車造型設計的一大特點就是應用新材料、新工藝、新結構。有種無輻條、前后輪均為碳素鋼輪的自行車，其前輪略小，后輪略大，造型整體呈前傾狀態(tài)，高速行駛時，能減少空氣阻力具有較強的速度感和力感。1999年臺北自行車展示會上，Elebike公司展出了由工程學院的學生設計的兩人同時駕駛的新型三輪電動自行車。車的前輪有一個轉矩，電池安裝在座墊下面，車駕與擋泥板創(chuàng)造出一種優(yōu)美的流線形。“羚羊型”、“白天鵝型”等使自行車造型趨于多樣化。“流線型”結構造型以及改變駕駛者的姿態(tài)的“身尚式”

24、造型是自行車造型發(fā)展的新趨勢。2.3自行車結構自行車的結構多樣，金屬板、塑料的組合式、管式、組成式、軸傳動機構、橡膠車架、碳精纖維車架、無幅條車輪、單輪車式、曲柄式往復運動機構、鋼絲幅條車輪、無滾珠軸承、蛇腹車架、雙管車架、雙圓棒車架、蜂窩結構、玻璃纖維車架、流線型結構、整體車輪、驅動部與后軸的整體連結、無螺絲安裝、帶式驅動機構、流式驅動機構等m。而折疊式自行車是近幾年發(fā)展起來的一種新型結構的自行車.結構更簡便，性能更高.(1獨轉健身自行豐一種獨輪健身自行車，由搖動手柄、腳踏，輪子和保護架構成，搖動手柄和腳踏分別與棘爪傳動機構的棘爪固定，棘輪與車輪同軸轉動。使用者通過兩手的前后搖動和腳踩腳踏兩

25、種方式連續(xù)驅動車輪行走。(2折圣式自行豐德國斯圖嘉特市車輛設計鍛造公司最近開發(fā)成功一種隨意放入任何一種行李箱內的微型折疊式自行車。它裝有可調式支承座的鞍管和車架上的避震器可迅速從車架上卸下，車架通過一種新式中軸活絡關節(jié)一步折疊到位。車架制造采用“中空事骨架件”方法，既有效提高車架抗扭強度.又可顯著減輕車架重量。日本成功制造出總重量僅為6. 5千克的一種新型的安全可靠的折盛式輕便自行車，堪稱世界上最輕量的自行車。車體材料采用堅固而較輕的欽合金，所有框架采用中空工藝加工，框架管子的壁厚僅有1毫米，此外，輪胎采用了聚氨酷橡膠等輕量材料，所有部位盡可能設法變輕.折疊設計方面，對折疊后的高度、厚度都進行

26、了嚴格調查比較，產品最終實現(xiàn)了能滿足多種情況下的攜帶與放置。臺灣展開發(fā)公司推出的折疊式電動自行車獲日本外觀及結構專利權。全車僅32公斤，攜帶方便、機動性高。該車采用微電腦控制器，剎車自動斷電，電源歸零起動，具有電量指示燈，啟動扭力大，速度可達25公里/hr，充電時間4-6小時，平地續(xù)航力可達40公里。前輪配置的12. 5英寸避震器已獲臺灣專利權，是目前臺灣行程尺寸最短的避震器。我國柯思達發(fā)明的折疊自行車系列產品，性能上具有折疊迅速、結構簡便的特點，與同類產品相比，體積小1/2，重量輕1/3，折疊時間為2-4秒，可隨意掛靠，攜帶便利。2.4自行車功能自行車除了作為一種交通工具，還具有健身、娛樂、

27、競賽等多方面功能。隨著高新技術的不斷提高，運用越來越廣泛，功能越來越完備，出現(xiàn)了水陸兩用自行車、多檔變速自行車、登山越野自行車等多功能型自行車。(1多檔變速自行車變速裝置的形式很多，內裝、外裝、手動無級變速、電氣式自動無級變速、流體變速、細繩式、帶式、隨動式、離合器式、磁力式、連桿式、摩擦離合器式、摩擦板式、離心力式、異型電機式、柱塞式、和諧傳動、行星齒輪式、照相機光圈式、改變鏈輪徑、凸輪偏心式(帶行星齒輪和鏈輪、橡膠變速式、滾珠螺絲變速等等。外裝變速器直接接觸外部空間，變速的范圍較大，多用于山地車。內裝變速器暗藏于后花鼓中，由于設計的空間有限，變速的范圍較有限，一般用于城市內騎行的輕便車。森

28、威系列中的摩擦式換檔變速器，采用低接觸式走線方式和擺動機構，實現(xiàn)前、后自動定位定檔工NDEX調速。它選用高強度的壓鑄鋁、塑脂件，采用旋轉手柄、GD型飛輪，具有預撥功能，使得工NDEX系統(tǒng)達到平順、準確的變速性能。最新產品中還有通過電腦感應和微型馬達來自動進行變速的全自動內變速系統(tǒng)。通過變速把上的電腦液晶FLGHT DECK電子顯示系統(tǒng)實現(xiàn)顯示時間、平均速度、騎行總距離等17種的功能。(2山地自行牟山地自行車適于行駛在不平整的路面上。由Bertone公司和通用(GM的子公司歐寶聯(lián)合開發(fā)的山地自行車，用一根管材構成的龍骨代替了傳統(tǒng)的四邊形車架。此車將后輪，車鏈連接腳蹬子的中軸作成一體，減震器安裝在

29、鎂管中，從而使得24速換檔機構中的鏈條張緊力不受到車輪跳動的影響，解決了后懸掛系統(tǒng)的自行車經(jīng)常遇到的問題。(3遭震賽車在登山自行車、下坡賽車上，為了降低自行車車輛重量，發(fā)揮乘騎者的最大極限，提高耐沖擊性，普遍采用高性能的前后叉避震設計，懸吊式后避震系統(tǒng)和彈簧壓迫式的傳動系統(tǒng)。在把手、避震座管、立管等各部分均采用創(chuàng)新的材料，使自行車的“減震”功能幾乎可以與機車相媲美。同時，為了減少抗風阻系數(shù)，以往管狀的車身已逐漸為扁平的設計所代替。第四章車架造型設計自行車創(chuàng)新設計包括所示的各個方面，本論文重點討論車架造型、傳動系統(tǒng)方案設計。本章首先研究車架造型設計。2.5人與自行車系統(tǒng) 組成自行車的功能是供人騎

30、行，就發(fā)揮自行車的功能作用而言，把人看作自行車的組成部分是完全合理的。因此，人在騎車時組成了人一車系統(tǒng)，該人一車系統(tǒng)中的人一車界面關系可由圖來進行分析。圖2.1人與自行車的關系  支撐部件主要有車架、前叉、鞍座和車把等，是自行車的構架。支撐部分將其他零部件固定在相互間正確的位置上，保證自行車的整體性，實現(xiàn)自行車的功能。從人機關系來看，鞍座、車把和車架等的位置和大小，以及它們間的相互關系，與騎車人的位置和肌肉的動作有著性的設計參數(shù)。 動力接受部件主要是腳蹬和曲柄。動力是靠騎車人的雙腳踩在腳蹬上，下肢運動的力使曲柄轉動而產生的。為了使人省力和有舒適感，必須在騎自行車人的體格和體

31、力與自行車元件的尺寸關系上下功夫，即研究人體下肢肌肉的收縮運動與曲柄轉動之間的能量轉換問題。 傳動部件主要是滾珠、鏈條和鏈輪。人的作用力是通過鏈條和鏈輪傳動而帶動后輪轉動，從而使自行車前移。傳動部分的設計關鍵是要有較高的傳動效率和可靠性，且有易操縱的變速機構。保證較高的傳動效率，才能使人用一定的肌力而獲得較大的輸出功率。 工作部件就是車輪，即車圈、輪胎等。絕大部分輪胎是充氣的，少數(shù)是實心的。車輪一方面把騎車人的肌肉力量，有效地轉換為同地面接觸而向前運動的力；另一方面將騎車人的握力轉換為與接地部分所產生的剎車阻力。在設計自行車的各部分尺寸、車閘及變速器等時，應該著眼于騎車人動力傳動工作的連貫性，

32、才可能設計出同騎車人手的大小或握力相適應的閘把、剎車力適當?shù)能囬l，才不會發(fā)生剎車阻力不夠而造成失誤現(xiàn)象。 2.6自行車設計原則自行車設計要從材料強度、騎行運動學、加工工藝，可靠性等各個方面進行考慮，這些因素都直接影響著車架的外觀美感、強度大小和彈性優(yōu)劣。而車架造型很大程度上決定著自行車騎行好壞、易轉性能、騎行舒暢感等。車架管材的長短、構成的角度等影響整體自行車的特性。除考慮車架的造型結構尺寸外，尤其應該考慮自行車與人的協(xié)調關系，以及身體尺寸與自行車各部件之間的關系。主要的基本技術參數(shù)有:前管軸線與地面夾角、立管軸線與地面夾角p、傳動中心距C、前后輪中心距D、中接頭中心離地距離E等。只有這些參數(shù)

33、均趨于合理，才能保證自行車的穩(wěn)定性和操縱性。下面以大眾車為例，討論如何確定車架設計方案。(1自行車的性能是通過人來體現(xiàn)的，它的結構設計應以人為主，充分考慮到人體工程學、自行車運動學、形態(tài)美學等方面的知識。(2車架的形狀和尺度與其功能有關。要求外形尺寸合適，以提高騎行舒適性;要求所受阻力最小，騎行的輸出性能最佳。(3要求有足夠的剛性和強度，并且盡量減少重量。具有良好的抗沖擊、耐疲勞性，以保證壽命使用。(1車架規(guī)格運動員下肢(大腿、小腿、腳的長短，決定車架的高度。上肢(上臂、下臂和手腕的長短與胸之和，決定車架的長度。(2前角和后角前角指前管對于車架的傾斜度。前角為710時，操縱性和穩(wěn)定性都比較好，

34、確定其范圍為650 -750。賽車車架的前角更陡，采用730-750，這樣在騎行時反應快，速度靈活。坐管角取與前角相同，陡的角度可使騎車者前撲在中軸的上方，從而獲得較大的蹬力。后角指立管軸線與地面夾角。后角決定了騎行者在自行車上的重心位置，一般認為在680 -73。范圍內。當傳動中心距設定的值較小時，角度偏小，反之偏大。(3前又翹度前叉翹度指前管中心線和前輪軸之間的垂直距離。為提高自行車的的導向靈活性，一般取較小的值。(4上管長度從鞍立管接頭到前叉接頭的長度，角度較陡的賽車車架相應地使上管縮短了。這樣可使騎車者能下?lián)渲p手握住車把騎行，以減小風的阻力并增強腳踏的力量。(5轉距為了減少自行車的重

35、量，提高運動性能，必須考慮盡量縮短輪距。前、后輪中心距的尺寸大小與傳動中心距有關，當傳動中心距較小時前、后輪中心距可取小一些，反之取大一點。(6后心距從保證車架的剛性和良好的加速性能出發(fā)，盡量縮短后心距。第3章 自行車零件的作用及三維建模3.1自行車簡介自行車的車架、輪胎、腳踏、剎車等24個部件中，其基本部件缺一不可。其中，車架是自行的車的骨架，它所承受的人或貨物的重量最大。按照各部件工作特點，大致可將其分為導向系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)：1.導向系統(tǒng)：有車把、前輪、前叉等部件組成。騎乘者可以通過操縱車把來改變行駛方向并保持車身平衡。2.驅動系統(tǒng)：有腳蹬、曲柄、鏈條、飛輪、后輪等部件組成。人腳的

36、腳蹬力是靠腳蹬通過曲柄，鏈輪、鏈條、飛輪等部件傳動的，從而使自行車不斷前進。3.制動系統(tǒng)：由車閘部件組成、乘者可以隨時操縱車閘，使行駛的減速、始、停，以確保行車安全。此外，為了安全和美觀，以及從實用出發(fā)，還裝配了車燈，支架等部件。下面將在這一節(jié)中詳細介紹自行車主要部件的具體情況。3.2三維建模創(chuàng)建一個新的裝配體，在前視基準面創(chuàng)建一個自行車草圖，在該草圖中繪制關鍵零件，并把每個零件生成塊，其中塊的名稱修改成零件的名稱，如圖3.1自行車布局草圖。每個塊只需要表達零件的關鍵形狀、尺寸和位置即可，不需要畫上全部的細節(jié)。圖3.1自行車布局草圖車架部件是構成自行車的基本結構體，也是自行車的骨架和主體，其他

37、部件也都是直接或間接安裝在車架上的。車架就相當于人的骨架，有了車架才能選用安裝車輪等零件完成整車設計。車架為了減輕管重量，提高強度，其材料通常由鐵、鋁合金等材料一般采用普通碳素銅管，較高檔的自行車采用低合金鋼管制造，為了減少快速行駛的阻力，有的自行車還采用流線型的鋼管經(jīng)過焊接、組合而成，根據(jù)管材的長短構成的角度等影響整體自行車的特性。比如，直線騎行較好的自行車、易轉的自行車、騎行舒暢的自行車等，決定這些因素的很多都來自于車架，同時車架的形狀決定了自行車的整體外觀、類型和騎行性能。自行車車架的結構形式有很多，但總體可以分為兩大類：即男式車架和女式車架。由于自行車是依靠人體自身的驅動力和騎車技能而

38、行駛的，車架便成為承受自行車在行駛中所產生的沖擊載荷以及能否舒適、安全地運載人體的重要結構體，車架部件制造精度的優(yōu)劣，將直接影響乘者的安全、平穩(wěn)和輕快。車把屬于自行車的導向部件，乘者可以通過操縱車把來改變行駛方向并保持車身平衡。車把按形狀可分為平把、下垂把、上翹把等，按使用時手握的位置相對于把橫管的位置可分為前置式和后置式。設計時應按不同的車種選擇合適的車把。運動形自行車宜采用平把和下垂把，以手前置式為宜。圖3.2 自行車車把前叉是自行車的導向部件之一。前叉在自行車結構中處于前方部位，它的上端與車把部件相連，車架部件與前管配合，下端與前軸部件配合，組成自行車的導向系統(tǒng)。轉動車把和前叉，可以使前

39、輪改變方向，起到了自行車的導向作用。此外，還可以起到控制自行車行駛的作用。前叉部件的受力情況屬懸臂梁性質，故前叉部件必須具有足夠的強度等性質。車胎充足氣后，車輪與道路的接觸面積小，摩擦阻力相應減小，使得行駛較輕松。但是，一旦遇上高低不平的道路，就會顛簸不穩(wěn)，特別是前叉震動更加厲害。因此，近幾年來，人們又研究出了具有減震作用的前叉避震前叉。避震前叉將自行車的車架和前輪彈性的連接在一起，可吸收并緩解因路面不平而傳遞給車架的沖擊和震動，保持騎行的舒適和平穩(wěn)。由于減震裝雹具有緩沖作用，可以避免某些零件因過分震動而損壞。鞍座是保證長時間騎行不疲勞的關鍵部件，運動車一般采用無彈簧式鞍座一一鞍座面下應采用較

40、硬的海綿，形狀以狹長為宜。鞍座的長度、寬度的鞍梁的結構是以車型和乘者的性別、習慣來確定。鞍座的結構設計應充分考慮乘者舒適。鞍座依靠鞍管與車架做鋼性連接，用來承受人體的重量。具體來說：鞍座面：是人體體重的支撐面，具有良好的強度和彈性，它由鞍座面皮和墊皮組成。鞍座架：又稱鞍梁，是鞍座的主體，其結構比較復雜，一般由前后撐板，左右鞍撐，上下梁組成，并連接和支撐鞍面。鞍座簧：實質上是鞍座架的一部分。它支撐著鞍座架和鞍座面，起著緩沖和減震的作用。鞍座簧的形式有立簧、臥簧和拉簧等幾種。鞍座夾：又稱鞍座卡，是由夾緊螺釘，座夾和夾板等組成，用來將鞍座固定在鞍簧上。自行車的座墊下安裝彈簧，可以利用它的緩沖作用以減

41、小震動。圖3.3 鞍座自行車的車輪屬于導向系統(tǒng)（前輪）也屬于驅動系統(tǒng)（后輪），其種類型主要分為傳統(tǒng)型（輻條型）和實體型。傳統(tǒng)的自行車車輪由輪胎（內胎、外胎）、輻條，花轂等組成，其結構造型其中，車輪的外胎又分軟邊胎和硬邊胎兩種。軟邊胎斷面寬，能全部裹住內胎，著地面積比較大，能適宜多種道路行駛。硬邊胎自重輕，著地面積小適宜在平坦的道路上行駛，具有阻力小，行駛輕快等優(yōu)點。外胎上的花紋是為了增加與地面的摩擦力。山地自行車的外胎寬度特別寬，花紋較深也是適應越野山地用。車輪的輻條一般是等徑的，為了減輕重力，也有制成兩端大、中間小的變徑輻條，還有為了減少空氣阻力將輻條制成扁流線型。但近幾年，市場上出現(xiàn)了脫離

42、傳統(tǒng)的車輪實體車輪，整個車輪都是一體的。這些造型奇特的車輪一般都用在運動型自行車上。兩種類型的車輪相較，輻條車輪較輕，但實體車輪更符合空氣動力學原理。圖3.4 車輪圖3.5 車輪踏板是自行車驅動系統(tǒng)的主要部件，是自行車驅動力蹬力的“傳點”。在這組組合件中包含中軸、曲柄等多種零件，具體組裝三維模型1、腳蹬部件腳蹬部件裝配在中軸部件的左右曲柄上，是一個將平動力轉化為轉動力的裝置，自行車騎行時，腳踏力首先傳遞給腳蹬部件，然后由腳蹬軸轉動曲柄，中軸，鏈條飛輪，使后輪轉動，從而使自行車前進。因此腳蹬部件的結構和規(guī)格是否合適，將直接影響騎車人的放腳位置是否合適，自行車的驅動能否順利進行。2、腳踏板腳踏板可

43、分為整體式腳踏板和組合式腳踏板。無論什么款式的腳踏板都必須有腳踏面，必須安全可靠，并且具有一定的防滑性能，制造材料可以選用橡膠、塑料或金屬。腳踏板必須轉動靈活。腳踏板是整個車子，旋轉部位的動力源，過去的踏板其鞋底板自出力點中央至曲柄的距離都超過哪。近年來國外有新品，踏板軸的長度縮短為是可增加力矩的。圖3. 6 腳踏板3、曲柄曲柄的長度使用上，原則以下肢長來調配，此外還得考慮項目的應用，一般曲柄大眾化的尺寸，都是從16.5 cm起，每隔0.25 cm為一標準，到17.5 cm，(165、167.5、170、172.5、175 等五種，但實際應用時對其尺寸的要求更為精密化。4、鏈條鏈條又稱車鏈、滾

44、子鏈，安裝在鏈輪和飛輪上。其作用是將腳踏力由曲柄、鏈輪傳遞到飛輪和后輪上，帶動自行車前進。4.2創(chuàng)建布局草圖創(chuàng)建一個新的裝配體，在前視基準面創(chuàng)建一個自行車草圖，在該草圖中繪制關鍵零件，并把每個零件生成塊，其中塊的名稱修改成零件的名稱，如圖4.1自行車布局草圖。每個塊只需要表達零件的關鍵形狀、尺寸和位置即可，不需要畫上全部的細節(jié)。圖3.7 鏈條5、鏈輪鏈輪需用高強度鋼材制成，保證其達到需要的拉力強度。6、飛輪飛輪以內螺紋旋擰固定在后軸的右端，與鏈輪保持同一平面，并通過鏈條與鏈輪相連接，構成自行車的驅動系統(tǒng)。飛輪從結構上可分為單級飛輪和多級飛輪兩大類。單級飛輪又稱為單鏈輪片飛輪，主要由外套、平擋和

45、芯子、千斤、千斤簧、墊圈等零件組成。單級飛輪的工作原理：當向前踏動腳踏是，鏈條帶動飛輪向前轉動，這時飛輪內齒和千斤相含，飛輪的轉動力通過千斤傳到芯子，芯子帶動后軸和后輪轉動，自行車就前進了。當停止踏動腳踏板時，鏈條和外套都不旋轉，但后輪在慣性作用下仍然帶動芯子和千斤向前轉動，這時飛輪內齒產生相對滑動，由此將芯子壓縮到芯子的槽口內，千斤又壓縮了千斤簧。當千斤齒頂滑到飛輪內齒頂端時，千斤簧被壓縮得最多，再稍微向前滑一點，千斤被千斤簧彈到齒根上，發(fā)出“嗒嗒”的聲響。芯子轉動加快，千斤也很快在各個飛輪內齒上滑動，發(fā)出“嗒嗒”的聲音。當反向踏動腳踏時，外套反向轉動，會加速千斤的滑動。使“嗒嗒”聲響的更急

46、促。多級飛輪是自行車變速裝置中的一個重要部件。多級飛輪是在單級飛輪的基礎上，增加幾片飛輪片，與中軸上的鏈輪結合，組成各種不同的傳遞比，從而改變了自行車的速度。自行車的部件除了上述的幾種主要部件，還包括擋泥板、撐腳、車閘等附件，具體功用、造型如下所述：、擋泥板：擋泥板屬可選擇性部件，休閑自行車一般都會安裝，但運動車一般以不裝擋泥板為宜，有時也可采用窄形擋泥板。圖3.8 擋泥板2、后座后座又稱貨架，其功用主要用來承載，一般自行車都有安裝，運動車則很少安裝。后座的造型非常多，圖2-11及是比較常見的造型圖3.9 后座3、車閘車閘是保證騎乘者安全的結構，其優(yōu)點是剎車的制動點不在輪緣上，不會損壞車圈的電

47、鍍層。車間按制動點的位置來分，可以分為輪緣閘和軸閘兩大類，我們重點介紹最常見的輪緣閘。輪緣閘是一種通過機械杠桿、推桿、拉桿或鋼絲繩等直接將高摩擦因素的閘皮壓向車圈邊緣后輪胎，將轉動中的車輪剎停的裝置。輪緣閘結構簡單，維修保養(yǎng)方便，因此被廣泛使用。但是，如果接觸車圈輪緣不正，或雨水淋濕的影響，會降低摩擦，從而影響制動的效果。常見的有：普通閘：優(yōu)點為接觸面合理，制動力矩大，制動靈敏，剎車性能可靠，結構簡單和安裝修理方便。鉗形閘：當剎車時，其左右閘叉和閘皮就像鉗子一樣，緊緊地鉗住車圈的兩個端邊，達到使車減速或停的目的。優(yōu)點是剎車時力臂大，制動效果好，傳動零件少，調節(jié)和維修方便，重力輕，外形美觀。懸臂

48、閘：優(yōu)點為懸臂閘剎車時的力矩比鉗形閘更大。制動性能好，結構簡單。重力輕，調節(jié)和維修方便。前觸閘：前觸閘是靠杠桿原理制動的。當手握緊閘把時，閘把的另一頭梅接頭、拉桿、拉管向下壓，使閘皮向下壓至與輪胎接觸，產生摩擦制動力。其缺點是剎車教果與輪胎充氣程度有關。充氣不足時，會使摩擦力減小，影響剎車效果。腳閘：優(yōu)點為由于剎車是用腳力的，所以在腳閘上產生的正壓力越大，剎車效果越好。4.鏈盒圖3.10 鏈盒3.3自行車整車三維模型自行車設計在某種程度上是一種積累的過程。企業(yè)已有自行車產品以及國內外自行車樣車的車型數(shù)據(jù)。蘊涵著設計者的經(jīng)驗和知識。對于設計新產品具有很重要的借鑒作用。本文的自行車參數(shù)化設計系統(tǒng)就

49、是要將自行車車型尺寸及結構型式數(shù)據(jù)信息和產品開發(fā)過程集成起來，創(chuàng)造出一種透明度很高的虛擬環(huán)境，能適應復雜多變的變形設計的需求，保證在整個產品生命周期中使產品數(shù)據(jù)具有一致性定義的條件下，進行產品設計的數(shù)據(jù)管理和過程控制。整車模型及其構成的整車模型庫是在零件模型庫的基礎上建立的，整車模型通過車架、車把、前叉等模型的自由組裝，可以形成多種多群的類型，這些類型之間又存在著相似的關系，因此，將相似的模型歸為一組，找出最具代表性的，將之存放到模型庫中，構成整車模型庫。利用車架模型的不同，完全可以歸結為兩種造型，而其他被替換掉的整車模型類型，可以通過系統(tǒng)完成后的整車修改模塊來重新生成，即通過相近造型的零件模

50、型的替換再生得到。圖3.11自行車的布局草圖3.4自行車的爆炸視圖 裝配爆炸圖是將裝配到一起的零部件分別移開，使設計人員可以更好地對裝配關系進行分析和觀察。現(xiàn)在不少CAD三維軟件，都可形象地模擬出裝配體各零件間的裝配和拆卸過程，并直接轉化為動畫。如圖所示，自行車的爆炸圖。該軟件除可自動根據(jù)裝配關系生成爆炸圖外，還提供了自動和手動相結合的方法生產爆炸圖，在手動調整中可以對每個零件移出的方向、距離等進行設定。            圖3.12 自行車爆炸圖  

51、                                                   

52、; 第4章 Solidworks simulation對自行車的結構分析4.1Solidworks SimulationSolidworks Simulation作為SolidworksCOSMOSWork的新名詞，是與Solidworks完全集成的設計分析系統(tǒng)。它提供了單一屏幕解決方案來進行應力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析，憑借著快速解算器的強有力支持，使用戶能夠使用個人計算機快速解決大型問題。Solidworks Simulation提供了多種捆綁包，可滿足各項分析需要。4.2線性靜態(tài)分析線性分析是指當載荷作用于物體表面上時，物體發(fā)生變化，載荷的作用將傳到整個物體。

53、外部載荷會引起內力和反作用力，使物體進入平衡狀態(tài)。線性靜態(tài)分析有兩個假設。1.靜態(tài)假設。所有載荷被緩慢且逐漸應用，直到它們達到其完全量值。在達到完全量值后，載荷保持不變。2.線性假設。載荷和所引起的反應力之間的關系是線性。4.3結構分析首先，什么是結構設計？結構要處理比較靜態(tài)的物體。因為一個產品有了外型（造型設計）以后，就要做機構設計來處理其運動特性。然后，這樣的的產品在結構上是否堅固，就成了結構設計的主要課題了。在結構分析中主要有三個方面：結構強度與壽命評估由于結構的速度、成本、耐久性、可靠性的要求不斷提高，導致結構設計師在設計結構時，以減輕產品重量為最高原則。這樣，結構強度與壽命的評估就變得越來越復雜，越來越重要來了。結構優(yōu)化將設計問題的力學特性與數(shù)值方法中的各種相似的手段相結合，然后將高度非線性問題轉化為一系列近似的帶狀顯示約束問題，最后通過數(shù)學規(guī)劃法來解答。3.有限元法以有限元分析為基礎。可以分析產品零件或組裝系統(tǒng)，以確保整個產品是符合設計要求的。有限元模型和產品的幾何模型是相關的，通過建模和分析后，計算出結構反應（變形、應力、溫度等）。4.4對自行車的力學分析在現(xiàn)代機械行業(yè)中，理論力學，材料力學及工程力學在實際生產過程中越來越發(fā)揮出其強大的作用。面對日益創(chuàng)新與進步的社會，在社會生活中人們越來越