基于UG的自行车支架结构设计-毕业论文.doc
《基于UG的自行车支架结构设计-毕业论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于UG的自行车支架结构设计-毕业论文.doc（30页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
摘要
本篇毕业论文（设计）主要阐述了28寸自行车支架的设计过程，三维建模方法和关键零部件的强度校核，主要内容如下：
首先对28寸自行车的结构进行了分析，然后通过数据采集、实体测量等手段，完成整个自行车支架的设计。
最后采用UG4.2软件对自行车支架进行了三维建模.
关键次:
自行车,支架,三维建模,UG软件
Abstract
Thisthesis（design）onthemain28-inchbikestentdesignprocess,three-dimensionalmodellingandcheckingthestrengthofkeypartsandcomponents,mainlyasfollows:
Firstofallthe28-inchbikefortheanalysisofthestructure,andthenthroughdatacollection,measurement,andotherentitiesmeans,tocompletethebikestentdesign.
FinallyUG4.2softwareusedonabikeathree-dimensionalmodelingstent.
Thekey:
abike,frame,three-dimensionalmodeling,UGSoftware
目录
引言
第一章
1.1概况
1.2结构
1.3设计构思及优化方案
第二章
2.1设计原理
2.2理论尺寸设计
第三章
3.1UG简介
3.2UG建模
引言
现代交通工具种类繁多，但自行车一直是和人们日常生活关系最密切的产品之一。
自行车诞生至今已有200年历史，从作为玩耍、娱乐的用具开始，经由交通工具、运输工具而演变为今天的更多用途，就是一个近代文明社会技术创新与人类需求不断提升的缩影。
从1790年制造出第一个自行车实物，到，1873年，英国人劳森把脚镫安装在前后两轮的中间，并用链条来使动，开始具备现代自行车的结构形式。
1885年，英国人斯泰利在劳森设计的自行车的基础上进一步作了改进，车架采用金属材料的三角结构，脚镫也安放在前后轮中间部位并用链条传动，还首次采用了刹车装置。
斯泰利称之为安全自行车。
1889年，英国人康洛普发明了充气轮胎，自行车采用充气轮胎后使用性更趋完善。
至此，自行车基本定型。
从自行车产生及发展的前期来看，由于当时的生产制造工艺水平的低下，在车架制作上以碳钢为主要材料，采用焊接方式构成车架，车体零件多且繁杂。
后来进展到铬钼钢，而后又出现了铝合金车架，在车架的轻量化、材质的质感、涂饰方面都有了长足的进步。
近年来，将碳纤维复合材料应用于自行车则是另一个趋势。
碳纤维复合材料的成型方式与传统的金属车架完全不同，虽然制造工艺难度高，但由于采用一体成型的方式，使得车架能够突破传统菱形车架造型的限制，造型空间大，于是今天市场上许多极具速度感的流线型的自行车应运而生。
随着科学进步的不断发展，自行车已经被人类广泛运用，世界各地很多地方都能看到自行车的影子，自行车的发明对于人类交通、环保等带来了极大的帮助，但如何设计号一个自行车支架并不是一件非常容易的事情，而本篇毕业设计的目的就是设计一个28寸自行车支架。
自行车支架，简单的讲，就是连接自行车其他各部件的主体。
它对整部自行车的其它部件及整体的美观、性能起着决定性作用。
本篇设计主要就28寸男式自行车支架进行了设计、计算和概括分析。
本论文主要由以下几个部分组成：
第一部分：
确定支架设计方案。
第二部分：
进行数据计算和分析。
第三部分：
采用UG软件对支架进行三维建模。
一、自行车结构分析
1.国内外自行车设计概况
有前人用AutoCAD二次开发技术在自行车车架设计上做过研究，但是成果并不明显。
其中一种实现方式是：
用AutoCAD内部嵌入的一种程序设计语言AutoLisp来完成常用的科学计算和数据分析，同时又能调用几乎全部的绘图命令。
使用该程序能自动完成车架简图的绘制，然后自动提取关键参数进行分析判别并反馈出最后结果，以实现优化设计的目的。
还有人在自行车CAD技术上做过参数化设计方面的研究。
建立参数化设计系统的关键是建立一套描述参数和尺寸之间关系的约束方程，然后根据一组尺寸参数求解出新的设计参数。
采用这种方法进行设计，仅需输入必要的参数，计算机就可自动生产出所需部件的图样。
这种方案只适用于结构变化不大或按一定规律变化部件的设计与绘图。
结合自行车设计的特点，这种方法有一定的可取之处。
但对于造型设计复杂、变化多样的情况，则是不能满足实际设计要求的。
采用三维软件进行设计可达到缩短产品开发周期，降低设计成本的效果，还能使二维平面设计软件不容易表达的曲线和曲面在三维设计上变得容易实现，且效果直观，有利于设计人员和客户之间的直接沟通。
2.自行车基本结构
组成
①车体部分：
包括车架、前叉、车把、鞍座和前叉合件等，是自行车的主体。
②传动部分：
包括脚蹬、曲柄、链轮、链条、中轴和飞轮等，由人力踩动脚蹬，通过以上传动件带动车轮旋转，驱车前行。
③行动部分：
即前后车轮、包括前后轴部件、辐条、轮辋（车圈）、轮胎等。
④安全装置：
包括制动器（车闸）、车灯、车铃、反射装置等。
根据需要，还可增加一些附件，如支架、衣架、保险叉、挡泥板、气筒等。
另外，装有变速机构的运动车、竞赛车、山地车等还装有变速控制器和前后拨链器等。
分类
根据用途可分为载重车、普通车、轻便车、运动车、竞赛车、山地车、特种车（如健身车、杂技车）等。
根据使用对象可以分为男车、女车和童车等。
根据车轮直径大小可以分为71厘米车、66厘米车、61厘米车等。
根据车架等主体部件的用材可以分为碳钢车、合金钢车、铝合金车、碳纤维车、钛合金车等。
根据车架的结构可以分为杆叠车、可拆卸车和整体车等。
原理
自行车的车架、轮胎、脚踏、刹车、链条等25个部件中，其基本部件缺一不可。
其中，车架是自行车的骨架，它所承受的人和货物的重量最大。
按照各部件的工作特点，大致可将其分为导向系统、驱动系统、制动系统：
1、导向系统：
由车把、前叉、前轴、前轮等部件组成。
乘骑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（传动或行走）系统：
由脚蹬、中轴、牙盘、曲柄、链条、飞轮、后轴、后轮等部件组成。
人的脚的蹬力是靠脚蹬通过曲柄，链轮、链条、飞轮、后轴等部件传动的，从而使自行车不断前进。
3、制动系统：
它由车闸部件组成、乘骑者可以随时操纵车闸，使行驶的自行车减速、停使、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。
部件
1、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。
车架部件的结构形式有很多，但总体可以分为两大类：
即男式车架和女式车架。
车架一般采用普通碳素铜管经过焊接、组合而成。
为了减轻管重量，提高强度，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。
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，将直接影响乘骑的安全、平稳、和轻快。
一般辐条是等径的，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
2、外胎：
分软边胎和硬边胎两种。
软边胎断面较宽，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。
3、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，牙盘，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。
脚踏：
可分为整体式脚踏和组合式脚踏。
无论什么款式的脚踏都必须有脚踏面，必须安全可靠，具有一定的防滑性能，可以选用橡胶、塑料或金属材料制造。
脚踏必须转动灵活。
4、前叉部件：
前叉部件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。
5、链条：
链条又称车链、滚子链，安装在连轮和飞轮上。
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。
链轮：
用高强度钢材制成，保证其达到需要的拉力。
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。
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、丝挡几钢球等零件组成。
其单级飞轮工作原理：
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”声响得更急促。
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。
自行车由九大部分组成，如图1所示。
其中最主要的部分是车体。
车体由车架、前叉、车头组件、中轴组件、鞍管组件和贴花等组成。
图1自行车组件图
车架设计是自行车设计中最关键和核心的部分，其设计主要分为前三角的设计、后叉片的设计和后三角的设计。
前三角的设计包括五通、立管、头管、上管和下管的设计。
后三角的设计包括平叉和立叉的设计。
后叉片主要用来连接后轴、平叉和立叉。
后叉片的设计应在前三角完成以后，后三角设计之前完成。
车架结构如图2所示。
图2车架结构示意图
根据需要，还可增加一些附件，如支架、衣架、保险叉、挡泥板、气筒等。
另外，装有变速机构的运动车、竞赛车、山地车等还装有变速控制器和前后拨链器等。
1.2、知识工程在车架设计时的应用
车架CAD设计共分为选择查询、结构优化设计和快速建模造型设计三部分。
整体思路是先将车架各管的中心线画出，制作成各式模版，然后进行结构调整并对设计参数进行优化修改，最后再进行管件造型设计。
三部分分别采用了不同的KBE技术，取得了良好的应用效果，下面将进一步介绍各部分采用的不同KBE技术，并分析其使用原因。
1.选择查询
选择查询采用了基于实例的知识表示，在工程设计领域，它有着广泛的应用。
实例蕴涵着丰富的专家知识，可以为当前的设计提供有价值的参考。
自行车车架的设计相对自由，样式多种多样，共分为11种款式。
各款式中部分管件的搭接形式又不相同，因此衍生出各式不同的车架外形。
从车架设计条件描述中抽取出共同的特征及特殊特征并建立筛选条件，根据这些条件能从实例库中搜索并选择出与设计要求最接近的实例，进行改进设计。
实例包括骨架实例（既中心线模版）和成品实例两部分，可根据不同的用户需求选用不同的实例。
2.结构优化设计
结构优化设计包括参数化驱动、参数的程序优化求解和结构优化三部分。
（1）参数化驱动。
近似实例调出后，接下来将进行参数优化修改。
对结构相似的实例，只需修改其参数具体数值。
参数分为关键结构参数和普通结构参数，关键结构参数用统一规划的表达式记录并保存于数据库中，普通参数则采用自动分配的表达式。
参数修改通过修改表达式的值来实现参数化驱动。
系统设计则能够读出实例中的关键结构参数并提供了修改工具。
常用的关键结构参数主要来源于自行车行业设计标准、专家设计知识经验和生产经验，并用数据库进行管理。
数据库中主要记录了部分车架关键结构参数的经验数据及实例数据。
普通结构参数的修改则提供了专用的修改拾取工具，能够拾取实体对象并读取相应的表达式，关键结构参数的修改亦可用其实现。
普通结构参数通常根据客户的实际订单需要来确定。
（2）参数的程序优化求解。
优化计算时，由于未知参数很多，部分设计参数采用逆运算的方法，即将未知量按设计经验假定为已知量，然后以微量增量的方式进行迭代试算，直至算出符合要求的参数为止。
例如，在计算五通下垂量及已知毛坯圆管直径计算变截面管的相关参数时就采用了这种方法。
图4圆形管变形为水滴管
以变形后截面是水滴型为例，如图4所示，在假设变形后截面周长和原截面周长保持不变的条件下，其求解方程如下所示：
其中，D为毛坯管直径，R1为水滴管大半圆半径，R2为水滴管小半圆半径，β为大半圆半径与竖直中心线交角。
将此方程的解看作是正切曲线和一条直线的交点，循环给出β的一个初值，直至使等式两边满足一定的条件为止。
代入公式：
即可求得水滴管的轴向高度B。
此方法并未直接以水滴管的轴向高度B为未知参数求解，而采用了过渡未知参数β进行方程求解。
第二种方法是采用试算法，即一些参数必须给出，但是又不能确定，用另外一些已知的参数试算出这些参数，但这个参数以后可能还是会修改的，并且要能和其相关的对象实现关联设计。
（3）结构优化。
车架设计中，后叉片是一个关键部件，如图5所示。
由于本身设计较为复杂，为了使后叉片的设计不影响后面工序的设计，将后叉片的造型设计与选用和定位设计分开进行，举例采用了自顶向下设计、自动装配和关联设计相结合的方法。
首先将设计好的后叉片放入指定目录下，并采用数据库进行分类数据管理。
然后将后叉片与主模版的对应装配关系抽取为一个矢量平面和两个矢量轴，这样在进行车架设计时只需按要求选用适合的后叉片即可装配到位，而位置的调整也可通过界面调整参数达到设计要求。
最后的关联设计主要采用了Smartpoint（智能点）和UDO（用户自定义）两项技术实现。
智能点用来连接后叉片和平、立叉的关键接触点，能够在后叉片位置改变或所选用后叉片改变时，实现关联对象的自动变化，并能够在一些参数不满足基本要求时自动给出提示。
3.快速建模造型设计
造型设计主要指管件的造型设计。
其具体实现方式如下。
（1）在管件导引线（中心线）的不同位置按要求给出截面的轮廓形状（截面形状导引线）。
车架截面形状有圆形、椭圆形、水滴型（又分正水滴、反水滴）、方形、菱形和8字形等，可以先基于KF规则创建几何建模特征和知识表达式的特性，然后采用UDF（UserDefinedFeature）用户定义特征建立装配件，即将截面形状画好作为一个装配件，做截面时只需将相应的截面调出即可，截面的形状参数则通过读取相应的知识表达式达到快速修改的目的。
（2）通过扫描将管件外形做出。
扫描中心法矢的运动轨迹是管截面形状引导线，此引导线不做成整个的封闭曲线，而是将各位置上的引导线分割为同段数的曲线且使对应曲线的切线方向一致，否则扫描出的管件容易扭曲。
此时做出的是一薄壁管。
（3）加厚形成管件的厚度。
（4）连接管件间相交部分的剪切。
当用户拖动管件导引线时，管件能够关联变化。
采用此实现方法充分体现了对知识和规则的重用性。
对象间的关联设计用UDO的方法，将管件的一些列数据记录到UDO中，实现完成了管件的自动剪切、自动标注、尺寸检查、BOM表的自动生成和模具查询等关联设计。
二、自行车支架数据确定及设计
8|I|#@"B/n）Z
^ P6LV0_;Lb（H 一般人都有共同的观念，以为骑车只是两腿的运动而已，事实这是不正确的，弯把手是根据人体力学而设计的。
使用高把手遇爬坡时，会感到爬坡的吃力，因为这种骑法只仰赖下肢的力量，来驱动踏板，这种力量是单薄的，而为了使脚踏回转的力量增强，必会握紧把手，因此从手臂、胸肌、阔背肌、腹肌，配合背腰、臀部到腿部的力量都用到，而在人体力学的相对论理里，产生了弯把手，这样手臂出的力量和腿的力量产生相对，可增加力量的原动力。
q c wT1t6N;t
6bYok,e T G%_V&Z
5i,i3}'[C6h,fb-I
A|（bDH i）QOKbike自行车资讯网4_L!
{b*@ V0A&L（DGi6a
骑车是靠人的力量来推动机械，处由车运动中最困难的，也最生要的是如何使“人与车”形成一体，发挥自如，因而乘车的姿势，出力的方法，角度的应用是直接影响其自由车运动优劣的一环，为使自由车运动中，肌肉收缩的力量与牵引角度能达到最佳配合，来产生最大的力量，进而达到最高速度，因此我们必须对自由车运动，加以研究，就能找出动作中最有效、出力的位置与角度。
'^/Jw1Jz4x4CGINl
u{U!
T Uw&c 车架的尺寸不合适，其乘坐姿势必然不佳，一们15岁至20岁的骑士体型在成长过程中都会有显著的改变，因此，车架的尺寸则应如衣服一样，随着身体的成长而改变尺寸，并且不同况竞赛项目其车架的角度设计也必然不同。
OKbike自行车资讯网*A;WO[$vw"srZ6H-FF
d_3l-G X/SLj 1、中长距离的车子，其座垫与主轴的距离较大，使身体接近三分之二的重量在后轮，主轴的水平线与两轮子花鼓水平线之距离较大，轴心离地面的距离也较低，重心较稳，在踩踏的回转数，较短距离的车架为低，其角度是较能持久，使体力、耐力更易发挥。
KTHNIF"T0kOKbike自行车资讯网UwGYi B&K8GD
2、短距离的车架，其座垫与轴心的距离较小，“U.C.I”的规定，座垫的前端之垂直线与轴心的距离不得大于12公分。
因此车架设计的配合专项的需要之外，又不得和规则相抵触，其座垫与轴心的距离较小，是出力上利于敏捷性与高回转数能力的需要，其身体的重量约于前轮48%，于后轮52%，其轴心离地面的距离28CM—30CM为佳（UCI的规定，轴心不得低于24CM，高不可超过30CM）。
W a&@^）P1CK
8dSpy4lJ 车架虽然是依选手的竞赛项目，身高，体重，上肢，下肢长，肩宽等尺寸设计，但同一位选手所使用的车架之上管尺寸，短距离，较中长距离短2公分以上。
G（Q+_6?
3e1T
4\ }3W'Ho.kyl 在车架尺寸没办法完美的配合下，我们仍可使用三点调整法，来加以调整，使骑者更合适。
OKbike自行车资讯网%C|f|J[H
OKbike自行车资讯网J（qqt-S y
其三点为
1）座垫高，低前，后OKbike自行车资讯网D$aEW-LiA
2）龙头高，低前，后OKbike自行车资讯网9rT3{pV*k3^把手
Ojt7d8]'ii S1X*`3）曲柄长，短v!
mG\*V0bQsi踏板
u9[ g2d+tD:
]O*WOKbike自行车资讯网$i*aT R}8@#s
1、座垫除了高低，前后调整外，短距离项目使用的座垫亦较中长距离项目来得细小，这是因为短距离选手，大腿肌较长距离选手来得粗大，出力时减少磨擦，增加敏捷性。
中长距离的选手则使用较为宽阔的座垫，可使姿势稳定与舒适。
短距离的座垫较中长距离来的高些，可使下肢的弯曲角度较小。
座垫的前线与轴心距离，一般而言，公路车在5－12公分，场地车则在3公分以内。
CfIKGO*V（N
7[E+]T.@We 2、龙头与把手，龙头的角度是配合项目的需要，短距离项目的选手，使用的龙头角度较小，争先赛及1千公尺计时赛选手通常使用68o,而追逐赛则在730以上，龙头的长短是要配合选手体型，把手应使用与肩同宽，但短距离项目，可使用小于肩宽带的把手，这是得于冲刺及上身的弯曲以减少空气的阻力。
OKbike自行车资讯网A zV` s
OKbike自行车资讯网;Z#G1?
（h:
}ZIa"z\
既知把手越低对选手越有利的情况下，70年代初期瑞士的航空专家设计出了犀牛角把手，在发明之前机车引导赛中已有24 的前轮，担犀牛把手的诞生后，设计师们才把两者结合在一起，使计时赛和追逐赛的选手，有更完美角度的车子问世。
?
pW&D0RQ7szOKbike自行车资讯网no'Nw l
3、踏板、曲柄，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52mm，近年来国外有新品，踏板轴杆缩短为47mm是可增加力矩的。
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16.5cm起，每隔0.25cm为一标准，到17.5cm，（165、167.5、170、172.5、175）等五种，但好的选手对其尺寸的要求更为精密化。
OKbike自行车资讯网[ }6?
\} R
OKbike自行车资讯网p/y~|"A）xOpfj
q（L2cj7J JySOKbike自行车资讯网fy X#x,j
谈完上列与车架有关的角度，在此顺便跟大家说明前叉，前叉的弯曲度，设计取决于加速性与舒适性，通常在场地车的前叉弯曲度较小（较直），其作用是在场地上急速的转弯动作，能抵抗和克服离心力以及利于冲刺。
车架的理论尺寸设计：
1、轮径710mm，后叉必须可容纳后轮的大小，且为挡泥板等附加物留下足够的空间，中管距外胎边缘至少100mm，根据习惯，后叉的斜管与中管呈等腰三角形，根据人的身高，车架高度应在850mm左右，由此在UG中加入这些条件后，可以确定后叉的尺寸，如图所示：
2、参考GIANT自行车的尺寸，我们知道大号的自行车上管的长度为580mm，车首管角度一般为20度，长100mm，由此车架的主要形状就可以得出了，如图所示：
3、前叉的尺寸应使得前轮和斜杠的最小距离也为100mm，且前叉的角度和车首管一致，且前叉下部有一段折弯，保证车身稳定。
前叉上管比车首管至少高150mm，使人在操纵的时候能比较舒适，由此得出前叉设计如图：
三、UG3维建模
1、UG简介
UG就是UniGraphics软件缩写
升级会员 