UG自行车设计毕业设计.docx

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UG自行车设计毕业设计

随着社会的发展、人类文明的提高、科学技术的进步以及人们审美观念的变化，自行车这一既能节约能源、无污染，又能锻炼身体、使用特别方便的交通工具同其他工业产品一样，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，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。

自行车的发展史

1．早期自行车的造型

自行车的历史渊源久远，据史料文字记载，大约公元前2300年，在中国、埃及和印度都出现过人类原始的自行车雏形，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辩的壁画了。

随着17世纪欧洲工业革命的开始，特别是18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了人们的生活之中。

法国人米狄·德·西福拉克在1790年发明了两轮脚蹬地自行车。

这种自行车结构简单，车轮和辐条均是木制的，没有脚踏装置和传动装置，骑车人用双脚蹬地，推动车子前进。

由于前轮装有类似‘马头’一样的车把，其造型又像儿童骑的木马，故这种自行车称为‘玩具马’自行车，见图1。

这就是世界上第一辆真正的自行车，它奠定了自行车的基本原理。

自行车靠人的双脚蹬地前进，人极易疲劳，速度也很慢，而且原由的车把‘马头’造型相当呆板，华而不实。

于是，一位名叫麦克米伦的苏格兰人在1893年第一次设计出一种新型脚踏自行车，如图2所示。

这种自行车前轮大后轮小，车头有受柄可转变方向，并在车轮上首次裹上了一层铁皮，增加了轮子的耐磨性，又在前轮上安装了脚踏板和曲柄，用2根连杆带动后轮。

骑车人不用两脚蹬地，只需将双脚放在脚踏板上前后，即可带动后轮，自行车就前进了。

这种自行车在造型上比‘玩具马’自行车简洁多了，而且线型相当流畅。

第一辆脚踏板自行车尽管在结构上比‘玩具马’自行车改进了许多，但骑起来还很不方便。

19世纪中叶英国人达尔·米逊在他的自行车上安装了一种带脚踏板的曲柄，曲柄直接固定在前轮上，带动车轮旋转。

这种自行车在结构上又向前改进了一大步。

纵观早期自行车造型，由于没有设计理论指导，加之制造技术的落后，故设计出的自行车造型线型较为凌乱，整体比较呆板；而且大多数自行车前后轮大小不一，产生不平衡的视觉效果。

2．近代自行车造型

19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要的进一步要求，具有安全性的链条驱动自行车开始出现。

英国的约翰·斯达雷与1888年设计并制作了第一辆“安全”自行车，如图3。

这种自行车是安全型自行车的开端，是划时代的重要发明。

冲压和拉伸工艺的出现，使得自行车线型流畅、表面平整。

刹车装置、变速齿轮和充气轮胎的发明又使自行车的安全性得到了进一步的完善，使自行车成为代步的安全交通工具。

安全自行车成功地将一系列相关的革新融汇成一个协调的整体，其主要特点是：

采用了菱形的车架，使得车身具有更高的强度和刚度，前后轮直径相同，材料均为钢制的，以链条作为传动机构带动后轮（主动轮），并通过前叉直接把握方向。

造型特征为：

以直线为住来塑造车身，整体显得简洁大方、结构合理，使之一眼看上去有着安稳的美感，并能较好得发挥自行车的功能。

但这种造型缺乏变化与人情味，且色彩单调。

3．现代自行车造型

20世纪之前的自行车只是从改进车身结构以及传动装置出发以达到提高自行车的使用功能的目的，而造型随之作相应的变化。

20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地开始注重造型设计。

首先表现在造型的整体设计上。

以前链条上安装的挡灰盖板不是封闭的，使得造型支离破碎。

为了保持其造型的完整性，现在链条盖板大部分为封闭式的。

其次表现自行车的系列上。

有适合于农村的加重自行车，适合城市的轻便自行车，适合于女性的自行车、适合于儿童的各种童车……。

一系列自行车，不仅满足了人们的不同需要，而且在造型上表现出节奏与韵律之美。

还有一个重要的表现，就是自行车造型的线型风格。

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，突破传统的三角架形式，将杠做成大圆弧型衔接在传动齿轮的上方处。

虽然色彩依附于形体，但比形体更具有吸引力，能先于形体而影响人的情感，在自行车造型设计中具有先声夺人的艺术魅力。

现代自行车突破了传统的黑色、灰色为主的格局，根据功能不同，人们的审美要求不同以及年龄、性别、职业、使用的环境等的不同，设计出以高明度、低纯度为主的丰富多彩的自行车。

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。

70年代末，英国的设计师舒莫夫斯基设计了一辆由增强铝或铝镁合金制成的自行车。

在工艺上采用铸塑工艺，车轮由塑料整体铸成；挡泥板则是用聚缩醛或玻璃纤维强尼龙制成，车重大大减轻。

这种车在结构上去掉了链条，借助于轴的传动，折叠后外形十分紧凑。

80年代初，奥地利人设计了一种新型自行车。

车架由3层塑料制成，中间呈蜂窝状结构，保证了车身的强度并减轻了重量。

在座位下面的立柱上设计了一个打气筒，只要上下按动车座，就可给轮胎打气，给使用者带来了极大的方便，如图4所示。

最近，日本人设计出了一种无辐条、前后轮均为碳素钢轮的自行车。

这种自行车前轮略小，后轮略大。

自行车造型整体呈前倾状态，在高速行驶时，能减少空气阻力，具有较强的速度感和力感。

轮胎是用缓冲性能良好的聚脂纤维制成的空心轮胎。

尽管人们提出了多种改进自行车结构的设计以及新材料、新工艺的应用，使得自行车造型也随之变化，然而对自行车造型影响较大的还有2个方面，即自行车车把设计和链条传动机构设计。

自行车车把除了常见的平把手外，还有“一字”型、“鹿角”型、“羊角”型、“牛角”型……，使自行车的造型趋于多样化；齿轮链条传动由传统的单一速度发展到多档变速，适应了各种路况条件和各种载重情况，充分发挥了自行车的功能。

多档变速链条传动机构也使自行车的造型更具速度感和稳重感。

现代自行车还具有功能各异的造型——登山自行车、比赛自行车、越野自行车等，他们广泛用于体育比赛、旅游、健身等方面。

4．自行车发展新趋势

世界各地有不少人致力于以全新的观念塑造自行车。

就自行车而言，减少空气阻力的办法不外乎2种：

一种是改变驾驶者的姿态——“躺式”自行车造型；一种是改变外形设计——“流线型”自行车造型。

直立驾驶的姿势，无异于迎风推着一堵墙，阻力太大。

弯腰俯身与车把上行驶，阻力会小许多，但时间长了，人易疲劳。

而以仰躺的姿势汽车，阻力更小、速度更快。

图5为美国人1922年所设计的名为“猎豹”的躺式自行车造型。

这种自行车将自行车钢架从传统的构造形式调整为半卧式，使骑车人的力量得到最佳利用，并减少了风的阻力。

实验表明，当自行车时速超过40km时90%的阻力来自于空气。

为了减少空气阻力，有人用透明高强度的碳纤维制成自行车整流罩，按放在自行车上，如图6所示。

这种整流罩为流线型结构，轻巧、牢固，用计算机进行模拟设计，使得整流罩正面面积减少15%，空气动力效率提高30%。

这2种自行车，虽然还没有进入商业化，但在世界范围内，已不定期得举行了一些比赛。

1985年，在英国朱尔顿米斯市举行了一次自行车比赛，众多设计者别出心裁的设计，使自行车从结构到外形都有新的突破。

从外表上看，有的像浑身漆黑的雪茄，有的像变了形的豆子，有的仿佛是用鲜艳色彩涂饰的火箭，有的如同带轮的椅子和坐凳。

从结构上看，有的采用全封闭式，以减少空气阻力提高速度，有的安装了3只轮子，以求行驶稳定。

这些自行车可能就是未来新一代自行车的雏形。

自行车有了一个光辉的过去，现在正是兴盛时期，同时，它还有一个美好的未来，特别是人类在创造绿色世界的过程中，由于自行车无污染、无噪声、节能及有益于人体健康，因而深受人们喜欢，是社会必然的发展趋势。

西欧一些国家提倡无汽车星期日，号召人们骑自行车。

有的国家把自行车作为重要交通工具，平均使用率为29%，有的大城市占到50%。

人们从实践中认识到使用自行车的前景，正在研究自行车的新材料、新结构和新工艺，其造型将进一步完善。

（1）自行车材料。

车架将普遍采用铝合金、钛合金、铬合金以及碳纤维材料;车轮也将采用铝合金、碳纤维或工程塑料。

航天业材料已逐步用于自行车。

自行车一些次要零件，可用塑料代替。

（2）自行车结构。

借助电子计算机辅助设计，自行车结构将进一步完善，更符合人车工程学原理。

总之，现在的自行车发展不是到此为止，而是会不断发展。

将来的自行车是高技术的产物，它的发展有待进一步实践、研究和创造。

参考文献

1何人可工业设计史北京理工大学出版社

2石龙人力运载工具——自行车的今昔世界知识画报

3何车自行车发展的新趋势世界知识画报等

方案的选择

目前市面上的车架多种多样

图7

如图7所示，第一类车架最为普通，但优点在于稳定，众所周知，三角形是最稳定的结构。

图8

如图8所示，第二类车架结构新颖，取消了上管和下管的设计，而用比较宽的椭圆形管联结于立管与前管之间，但是它不如第一类车架的结构稳定。

图9

如图9所示，第三类车架与第二类相类似，不过前者较后者多了下管的设计，因此它的稳定性也强于第二类车架。

图10

如图10所示，第四类车架乍看上去会让人觉得耳目一新，它独特的设计，取消了立管与立叉，所以它的减震效果非常好，但因此它结构的稳定性也最差。

所以我选择设计第一类车架。

（二）支架尺寸的设计

图11

1．设计曲柄长和中轴高

按照车架设计的一般方法，取曲柄长（qbl）为轮半径（ljr）的一半，即

qbl≈ljr/2=轮径/4=610/4=152.5mm

为了满足整车的运动性能，中轴高度（zzh）与曲柄长和轮半径关系应为

qbl

按自行车安全要求（GB3565-83），曲柄端与地面应有一定距离。

一般对26寸车（轮半径为ljr=660/2=330mm），取此距离为95mm，则按线性关系，有：

zzh≈qbl+95*ljr/330=152.5+95*305/330=240.3mm

中轴高度的最后大小应根据使用环境而定。

如取大值，则路面适应性能好，适用于在凹凸不平的路面上骑行，比如农村地区；取小值，则由于重心降低而使其稳定性好，使用于市区道路骑行。

2．设计立管、上管长度

根据统计研究及人机学原理，一般在骑行者手臂与上胸夹角为50度左右时的骑姿最为舒适，如图所示。

按余弦定理，上管长（sgl）可由下式求得

sgl=

°

其中hl为手臂长，xl为胸长。

设骑行者身高为1650mm,则她手臂长约550mm,胸长约500mm，腿长约800mm,则

sgl≈446mm

立管的长度应略小于腿长（tl）减去曲柄长，即

lgl

按照经验方法，一般取

lgl≈tl-1.8*qbl=800-1.8*152.5=525.5mm

图12

3．设计立管、前管倾角

立管倾角（简称倾角）和前管倾角（简称前角）如图11与图12所示。

一般地

65°≤lj≤75°

65°≤qj≤75°

其中lj取大值则骑行效率高（如赛车）；取小值则整车稳定性好。

现取lj=68°。

qj取大值则车架刚性好；取小值则吸振性好。

qj通过图13中的dist1与dist2来确定。

其中dist2与脚蹬宽度有关，现脚蹬取80mm。

图13

按整车安全要求

50*ljr/330

dist2>89*ljr/330

设计时取dist1为中间值，即

dist1=60*ljr/330=55.45mm

所以可以确定前轴位置，从而确定相应的dist2.

4.设计前管、下管长度

由于前角已定，前轴位置也就相应确定，因而如图13所示，qgl+dist3（qgl为前管长）的大小也确定,为208.2mm（CAD中测量）。

而为了安装挡泥板，一般

dist3≥0.2*ljr=0.2*305=61mm

现取dist3=65mm，则qgl=208.2-65=143.2mm

有了上管长、立管长、前管长及立角、前角，易求得下管长（xgl）。

CAD中测得下管长xgl=472.9mm

5．设计后轴位置及立叉与平叉长

后轴与前轴的垂直位置自然是在同一高度（ljr）上，所以只需确定后轴的水平位置。

一般而言，后轴与中轴的水平距离同前轴与中轴的水平距离之比为

2:

3，前轴与中轴的水平距离为532.9mm（CAD测得），所以可确定后轴位置，即后轴与中轴的水平距离为355.3mm。

但需要安装后轮挡泥板，如图14所示，应满足

dist4≥0.2*ljr=0.2*305=61mm

图14

取dist4=65mm,测得后轴与中轴的水平距离为426.7mm。

有了后轴位置，即可方便地求得平叉长（pcl）与立叉长（lcl）

测得pcl=432.1mm

lcl=477.8mm

至此，就完成了整个车架的结构尺寸设计。

具体数据如图15所示

图15

（三）材料的选择

上管、下管、立管选用外径为20mm的铝合金圆管，壁厚为3mm；

平叉、立叉选用外径为10mm的铝合金圆管，壁厚为2mm。

（四）受力分析

1．以车架整体为研究对象，设骑行者加载重为100kg，取g=10N/kg

画出受力图如图16所示

图16

则F2+F3=F1=1000N；

F2*506.5=F3*229.8

得F2=312.1N,F3=687.9N

2.根据平行四边形定则，将F1，F2，F3分解，如图17所示

图17

测得F1′=621.3N

F1″=483.5N

F2′=412.9N

F2″=270.3N

F3′=721.3N

F3″=351.2N

分解后受力如图18所示

图18

3．强度较核

1求各管的轴力

轴力，是指受轴向拉压的杆件，外力的作用线都与杆件的轴线重合，故内力也作用于杆的轴线，用符号Fn表示。

习惯上，把背离截面的轴力规定为正，指向截面的轴力为负。

如果将轴力方向总是设定为离开截面，那么计算结果为正值，则轴力为拉力；计算结果为负值，则轴力为压力。

以上管为研究对象，设轴力为拉力，由截面法（如图19）可得

图19

ΣFx=0FN上+F2″=0

解得FN上=-270.3N（压力）

以下管为研究对象，设轴力为拉力，由截面法（如图20）可得

图20

ΣFx=0FN下-F2′=0

解得FN下=412.9N（拉力）

以立管为研究对象，设轴力为拉力，由截面法（如图21）可得

图21

ΣFx=0FN立+F1′=0

解得FN立=-621.3N（压力）

以平叉为研究对象，设轴力为拉力，由截面法（如图22）可得

图22

ΣFx=0FN下-F3″=0

解得FN平=351.2N（拉力）

以立叉为研究对象，设轴力为拉力，由截面法（如图23）可得

图23

ΣFx=0FN立叉+F3′-F1″=0

解得FN立叉=-237.8N（压力）

即，上管FN上=270.3N

下管FN下=412.9N

立管FN立=621.3N

平叉FN平=351.2N

立叉FN立叉=237.8N

②较核强度

在设计构件时，有许多情况难以准确估计，另外，还要考虑到留有适当的强度储备。

因此，必须把构件的最大工作应力限制在极限应力σs以下。

构件在工作时所允许的最大应力称为许用应力，用[σ]表示。

显然，许用应力必须低于极限应力。

将极限应力除以大雨1的系数n得出许用应力，n称为安全系数，即

[σ]=极限应力σ0/安全因素n

对于脆性材料，一般取nb=2.0～3.5

根据式[σ]=σs/ns,并查得材料的屈服点σs=55Mpa，安全系数ns=2.0，

则材料的许用应力为

[σ]=σs/ns=110/2=55Mpa

为了保证拉（压）杆安全正常地工作，必须使杆内的最大工作应力不超过材料的许用应力，即

σmax=FN/A≤[σ]

式中FN为横截面上的轴力，以其绝对值代入式中；A为横截面的面积。

上管、下管、立管的横截面积为

A=3.14*（20²-14²）/4=160.1mm²

平叉、立叉的横截面积为

A=3.14*（10²-6²）*2/4=50.2mm²

上管σmax=FN/A=270.3/160.1=1.69Pa<[σ]

所以上管的强度足够；

下管σmax=FN/A=412.9/87.1=2.58MPa<[σ]

所以下管的强度足够；

立管σmax=FN/A=621.3/87.1=3.88MPa<[σ]

所以立管的强度足够；

平叉σmax=FN/A=351.2/80=7MPa<[σ]

所以平叉的强度足够；

立叉σmax=FN/A=237.8/80=4.74MPa<[σ]

所以立叉的强度足够；

所以整个车架的强度都足够。

自行车的保养

一般情况下，引起商品变质的原因大致有两种：

即自然环境和包装材料，这里主要谈自然环境的影响，自然因素包括：

1．大气俗称空气，指包围地球的气体，由干燥空气、水汽、微尘等混合物组成。

其中氧与金属表面接触后，容易使自行车的钢材制件氧化产生锈蚀。

在大气中还有相当含量的腐蚀性气体对金属件的腐蚀较强，特别是化工厂附近，这类气体尤其严重。

另外，一些电器控制设备发出的电火花，与空气中的氧接触后，生成的臭氧，对橡胶制品也起加速老化的作用。

2．气温是指空气的冷热程度。

一般情况下，当温度超过35摄氏度以上时，会使内外胎等橡胶制件加速老化。

但当温度低于零下15摄氏度后，上述制件和材料也会失去弹性或粘性。

3.温度是指空气中的水气含量。

俗称“潮气”.库房中相对温度的大小，对商品的储存、保管影响颇大，相对湿度大于85%，温度在25摄氏度以上时，自行车的钢材制件容易氧化发生锈蚀。

所以库房内应设有相应的排潮通风设备，当相对温度过高时，应及时采取措施，以免商品变质。

为了及时掌握和控制库房中的相对温度，仓库里应放置干湿温度表。

4.盐雾是指含有盐分的潮湿空气，一般出现在炎热的沿海地区，如商品存放于露天，无适当的遮盖物，盐雾极易侵入。

盐雾对金属表面的复盖镀层有渗透性，使底层金属锈蚀。

对无涂层的钢材制件，更易引起锈蚀。

所以，直行车金属制件不宜长期存放于沿海码头。

5.日照是指强烈的阳光固定照射。

它会引起自行车橡胶制件早期老化，以至产生粘连现象，也会促使自行车的油漆件漆膜倒光变色，失去光泽。

所以，商品受潮后，一般不宜在日光下曝晒，而应置于音量的通风处吹干。

由于我国幅员广大，各地气候不一。

因此，各地区对自行车的储存，养护要因地制宜，采取不同的方法。

除了上述自然因素对商品的影响外，自然界中存在的各类生物如老鼠、蛀虫、白蚁等对自行车商品在储存时的危害性也较大。

如白蚁分泌出来的酸液，能严重腐蚀金属的镀层。

皮囊虫能蛀食鞍座皮革面，虫鼠会啃损橡胶、塑料、皮革制品和包装材料等。

因此，必须经常做好防虫灭鼠工作。

自行车在较长时期停止使用时，为了防止零部件锈蚀，变质，需注意及个问题：

将全车擦拭干净，然后用防锈油（白凡士林50%，缝纫机油50%，加热溶解待冷却后使用）均匀地涂敷于电镀件上；再在前、后轮胎中适量充气（应低于平时的充气内压），将自行车盖上塑料薄膜或旧布，用以防尘。

停放的场所应通风干燥避免太阳照射，不要放在煤炉旁及烟煤能进入的密闭室内。

停放期间应每隔一月左右将车轮转动一下，使之改变外胎与地面接触的位置。

如发现内胎中充气量减少，应及时补充。

此外，如有条件的话，可把各部件全部拆下擦洗，洁净后再涂上防锈油及润滑油（脂），最后，用防潮纸包扎集中存放。

内、外胎经清洗净擦干后再在内胎中少量充气，表面擦少许滑石粉，然后套装于外胎中挂起来存放。

自行车保养工作的好坏，不仅影响外观，而且还会影响零部件的使用寿命。

一辆崭新的自行车，在使用中必然会遇到大气中各种有害物质的侵蚀，其中经常遇到的是存在于周围的灰尘。

它的细小微尘中含有多种腐蚀性物质，落积于零件表面，便会产生电化学反应，破坏表面防护层，促使金属锈蚀。

因此，我们必须经常用软布擦净自行车表面的灰尘，使它光亮的外衣能长期保持不衰。

其次，应避免酸、碱、盐类物质与自行车接触，因为它们都是促使金属产生腐蚀的大敌，对橡胶件也会产生不良影响。

因此，当自行车偶然与这些物质接触后，应及时用清水冲洗揩干。

另外，应避免水份与自行车零件长期吸附，因为水中的氧是促使铁基金属腐蚀的产物。

如果零部件表面覆盖上一层极薄的水膜，细小的水珠便会逐渐从表面的毛细孔中渗入金属基体，产生氧化，所以，我们对受潮的自行车应及时揩擦干净。

对电镀油漆件进行保养，应采取中性油或油膜，油漆件上不能用油揩擦，因为一般油类均属于溶剂，它们会使漆膜失去光泽，发生脱漆现象。

油类也不能与橡胶件接触，橡胶遇到油类会产生软化、膨胀、失去弹性。

总之，对自行车除了合理使用外，还必须重视按常规进行保养。

自行车的一些零部件需要经常进行润滑，主要有前、后、中轴,飞轮,前叉挡、碗,脚蹬等。

它们均属于滚动轴承部件。

链条，链轮，车闸的支柱点，双支架的耳片及锁片等也均需要适当的润滑保养，自行车应防止零部件在干摩擦状态下运转，因为良好的油润摩擦可大大减少零件摩擦阻力。

定期润滑不仅可以延长使用寿命，而且能明显地提高骑行的轻快感。

自行车转动部件的润滑周期约一年左右，平时对处于滑动摩擦的零件需经常加注润滑油。

常用的润滑剂有两种，用于滚动部件（飞轮除外）的润滑剂时具有一定粘性的钙基润滑脂（俗称黄油），其余属于相对摩擦工作的零件适宜用#10-#20的机械油（机油）润滑。

凡是已加注润滑脂的转动部件，平时不宜再加注薄质机械油，以免被稀释而失去润滑作用。

需进行润滑保养的转动部件，事先应经常清洗后再加注润滑脂，防止磨损后的金属粉末微粒或其他杂质黏附在润滑脂中损伤零件，影响润滑效果。

自行车车架的三维建模

1.UG的发展史

由于制图工具发展的缓慢，长期以来，图样的绘制一直采用的都是手工绘制，不仅效率低，工作繁重，而且制图的精度以及图纸的修改和保存等等都存在着许多问题，逐渐不能适应现代工业发展的需要。

随着现代工业和计算机技术的发展，采用计算机绘图已经成为绘图的一个重要手段。

计算机绘图即是应用计算机软、硬件，制作符合设计要求的图样，再通过绘图设备自动绘图或将绘制结果传输给相关的加工设备，直接完成零件的加工制造。

计算机绘图目前已作为一门成熟的技术，用软件的方式提供给千千万万的使用者。

计算机绘图的软、硬件也是各种各样，可选用的范围因使用者而异。

这些软件的使用，不要求拥护通晓理论与算法，只需掌握软件功能及所要求的操作技能就能实现计算机绘图的目的。

因此，本课题主要根据UG软件，做针对实际的一些介绍。

UnigraphicsNX（UGNX）是美国UnigraphicsSolutionsofEDS公司推出的CAD/CAM/CAE一体化集成软件，广泛应用于航空、汽车、机械、电子等行业。

利用UGNX可以进行产品设计（零件设计和装配设计），绘制工程图，工程分析（有限元分析和运动分析等）以及编制数控加工程序等。

对于新世纪的发展趋势，UG软件在机械设计中的发展将发挥出巨大的作用。