折叠自行车设计计算说明书

西南交通大学 折叠式自行车设计计算说明书所在班级：08机械四班学生姓名：20080917 张奥 指导老师：刘光帅2012年6月目 录引言11引 言42一 选题背景21.1 问题的提出21.2 文献综述33二 设计方案的选择52.1 提出方案54三 尺度综合93.1 机构关键尺寸计算93.2机构关键尺寸优化115四 受力分析134.1 机构动态静力描述136五 机构建模145.1 机构运动简图及尺寸标注145.2机构关键构件建模过程145.3 机构总体装配过程407六 机构仿真456.1 机构仿真配置456.2 机构仿真过程描述486.3 仿真参数测量及分析496.4 仿真中存在的不足528七 有限元分析537.1 轴结构分析537.2板结构分析559八 设计总结5610九 收获和体会5611十 致谢5612参考文献5713附 录581 引 言 随着社会的发展，交通问题和污染问题已经日益严重。面对当今这种拥挤和有碍环保与健康的交通状况，需要有一种轻巧便于携带的交通工具来服务于人们的日常生活，这给折叠自行车带来很大的发展空间。折叠自行车的好处就是它可以带到地铁、公交车等交通工具上，当目的地距离较远需要转车时它可以用作短途的交通工具，既省下了等车时间又省下了转车的费用，还可以达到自行车保养和防盗的目的。12 一 选题背景1.1 问题的提出1.1.1传统自行车的弊病传统自行车作为短途代步工具具备其他交通工具不可替代的功能，“但是现在的城市交通拥挤、存车面积明显不足、自行车停车场所缺乏、占用人行道停车情况严重且自行车被盗现象也十分严重。”因此设计一种占地面积小、轻便、防盗、时尚的可折叠自行车就显得十分有必要。 图1.1 图1.21.2 文献综述1.2.1 自行车的发明与演变 据史料记载，最早的实物自行车是1791年法国人西拉夫克发明的在玩具马车上装两个轮子的“玩具马”。因无驱动装置，坐垫较低，骑车人两脚着地，用脚蹬地前进。1818德国的德拉伊斯首创了前轮可以转向的自行车。他用2个木轮、1个鞍座和1个控制前轮的车把制成1辆木轮车，人坐在车上，用两脚蹬地，驱动木轮运动。1839年苏格兰铁匠麦克米兰把自行车由木质结构改为金属结构，轮子做成前轮小后轮大，在前轮处有脚蹬，通过曲柄使后轮转动，骑车人用两脚踩动两根长杆车子就向前行进，骑车人的脚真正离开了地面。1863年法国马车店老板米乔克斯在前轮上安装了脚蹬。1870年法国的古里门为自行车装上了钢丝辐条，采用加大前轮，以链条传动后轮的结构。1874年英国人劳森造出1辆和今天形式大致相同的自行车，在车上开始装上链轮和链条，用后轮驱动车子前进，成为安全自行车，但前轮仍比后轮大，鞍座较低。英国机械师斯塔雷，在自行车上安装上前叉和刹车，首次使用橡胶作车轮，改进了自行车的很多结构，同时改造了很多生产自行车的机器，为自行车的大量生产创造了条件，被后人成为自行车工业之父。1885年苏格兰的邓洛普研制将充气轮胎用于自行车，使自行车减震性能大大增强，让骑车的人骑行舒适度更为提高。再加上管材结构，配上车铃、支架、车灯等部件，前后轮改为一样大，到19世纪末自行车结构就基本完善了。经过将机械工业技术发展的成果运用于自行车的设计制造的努力，自行车开始通过批量生产走进普通人的生活，成为人们生活中方便、快捷的交通工具。1.2.1折叠式自行车的优点和前景 折叠自行车是20世纪30年代在欧洲起源于军事用途并伴随着轿车的普及和城市人口的增多而发展起来的，近些年由于采用各种新材料、新技术及结构创新从而使之体积更小重量更轻、更结实耐用。折叠自行车有很多优点，主要有：1）寿命超长。车体老化和丢车是人们最烦恼的问题。拥有折叠自行车后，就可以把它放在家里、办公室或者汽车后备箱里，不用担心被盗和风吹日晒雨淋。2）时尚浪漫。折叠式自行车比一般自行车轻。提上楼、上电梯、上公交、乘地铁，都不费劲，是公共交通的最佳伴侣。3）骑乘轻松。把手、坐垫无须任何工具可自由调整高低，男女老幼，皆可乘骑。目前折叠自行车时常主要集中在欧美等发达国家。在这些国家，很多私人轿车都配备折叠自行车，以备应急和休闲之用。根据发达国家发展的经验，正处在经济高速发展和轿车开始大量进入家庭阶段的我国，自行车行业产业即将迎来更大的发展机遇，而折叠自行车一起独特的符合国情的优势将会出现很大的发展空间。自行车的发展方向是设计个性化、功能综合化、自重轻量化、操纵方便化、款式多样化，自行车系列产品将得到更迅速的发展，并形成高中低多档次格局，尤其这地自行车是我国最具潜力取得世界领先水平的产品。目前已经有这地自行车使用单列向心球轴承、腹板结构及独创的711齿分体小飞轮，解决了小自行车受传动比限制的技术难题，使小自行车不但体积小、重量轻而且速度快，十分便于骑行、携带和存放。通过12英寸样车在各种路况试骑后，速度与26英寸自行车相同，骑行操控性、舒适性、安全性均非常令人满意，完全可以满足成人代步需要，整车质量只有59公斤，大大低于普通26英寸自行车，开发形成系列产品后，极具潜力。在城市部分取代26英寸自行车，成为上班族、学生、有车族、老年人的时尚选择，有着诱人的市场前景。总结折叠自行车形态巧妙、绿色环保，既能够很好节省空间又满足人们快节奏生活的需要，为未来理想短途交通工具。3 二 设计方案的选择2.1 提出方案2.2折叠自行车现有产品设计分析并确立方案自折叠自行车出现以来，人们尝试了多种折叠方式，“其中广泛采用的折叠方式主要是将车架大梁折叠，前后车轮能叠在一起，车把侧放倒，座管压到底，脚踏板折叠。这种折叠方式在折叠后体积确实缩小了，但外形不规则，必须提着行走，不便于携带，收起、展开费事，不足之处显而易见。”因此虽然技术较为成熟，但并不是理想的折叠式自行车。折叠方式影响着自行车的各项性能。一种设计方式被消费者接受并被厂家广泛采用也自然会成为行业的标准，但是自折叠自行车出现以来，人们尝试的多种折叠方式都有其局限性。车架大梁折叠式见图2.1，前后叉折叠式见图2.2，为目前较新的一种折叠方式， 图2.1图2.2该折叠方式没有采用传统的车架大梁折叠的方式，好处就是既缩小了体积，同时，也保留了2 个车轮正常的功能，方便拖行。图2.3折叠自行车见图2.4，在前一款的基础上，有了进一步的提高，它最大的特图2.4点是采用特殊的前后叉结构，前后叉并不在一个平面上，将自行车的两轮通过折叠后平行并排，这样的设计在进一步缩小体积的同时，使自行车折叠后能直接拖行，携带更方便。常见的还有一种折叠式自行车见图2.5，它本身体积就足够小，基本上只是图2.5简单的一次折叠，将自行车的前叉部件折叠，而并没有改变车轮的位置，这类折叠自行车由于自身体积的小巧，因此折叠的过程十分方便。随着技术以及需求的进一步发展，现在出现了一类便携性更好的折叠自行车，这类自行车在“存储状态”时甚至已经失去了传统自行车的基本特征。不过这样的设计也确实为特定的使用者带来了极大的便利，折叠后的自行车可以如同行李箱一样任意拖动。箱体式折叠自行车见图2.6，这类折叠车通过折叠成为一个类似行李箱的造型，使折叠后的形状更加规则，给了设计师更大的造型发挥空间。图2.6“在结构上，折叠自行车开始使用单列向心球轴承、辐板结构及独创的711 齿分体小飞轮，解决了小轮自行车受传动比限制的技术难题，使小轮自行车不但体积小、重量轻而且速度快，十分便于骑行、携带和存放。”通过对以上折叠形式的分析，发现消费者的需求模式决定了折叠自行车的折叠模式，而不同的折叠方式又影响着产品的外观。设计者应细分折叠自行车市场，设计时追求特点而不强求完美，突出一点并兼顾全面，提供更多的折叠方式和便携方式供消费者选择是折叠自行车的发展方向。4 三 尺度综合3.1 机构关键尺寸计算我们自定 大链轮转速 ; 传动功率 ;选择链轮齿数：根据折叠自行车的尺寸大小，取： 小链轮齿数： ;自定：传动比： ;则： 大链轮齿数 =i2选取链节距： 初定中心距： 取： 链节数： 取： 3滚子链主要尺寸 滚子外径： 销轴直径： 内链节内宽： 内链节外宽： 内链板高度： 排距： 4链轮基本尺寸（mnm） 分度圆直径： ,其中小链轮为77.16mm，大链轮为237.05mm；齿顶圆直径：其中小链轮为82.96mm，大链轮为237.05mm；齿根圆直径：其中小链轮为69.21mm，大链轮为222.59mm；最大齿根距离： 其中小链轮为68.95mm，大链轮为222.50mm；齿侧凸缘(或排间槽)直径： 其中小链轮为62.79mm，大链轮为216.88mm。 分度圆直径： 齿顶圆直径：齿根圆直径：最大齿根距离： 齿侧凸缘(或排间槽)直径： 3.2机构关键尺寸优化额定功率： ( 其中 ）小链轮转速： 链节距： 根据 、， 由教材图14.17查出选用 08A号滚子链， 取： 确定实际中心距： 中心距： 取： 5 四 受力分析4.1 机构动态静力描述 作用轴上载荷： 链速： 有效拉力： 轴上载荷： 定润滑方式根据教材 图14.20 应采用滴油润滑6 五 机构建模5.1 机构运动简图及尺寸标注图5.15.2机构关键构件建模过程、车身1建模过程(1)、新建一个名为“cheshen1”的零件文件，进入Pro/E的零件模块。(2)、创建拉伸特征，构造车身圆筒部分：、草绘拉伸截面，如下图所示：图5.2、退出草绘编辑器，进行拉伸，如下图所示：图5.3(3)、创建混合扫描特征，构造车杆：、选择菜单“插入”“混合”“伸出项“，进入截面草绘，如下图所示：图5.4、编辑混合扫描轨迹，如下图所示：图5.5即可得到如下图所示的车杆：图5.6(4) 、创建拉伸特征，构造车杆连接部分： 、草绘拉伸截面，如下图所示：图5.7 、退出草绘编辑器，输入拉伸数值，完成拉伸特征创建，如下图所示：图5.8 、再进行几次拉伸，则可得到下图所示的车杆连接部分：图5.9(5)完成车身1的模型创建，最终得下图所示：图5.10(二)、车身2建模过程： 、新建一个名为“cheshen2”的零件文件，进入Pro/E的零件模块。(2)、创建拉伸特征，构造车身圆筒部分：、草绘拉伸截面，如下图所示：图5.11、然后拉伸成如下图所示：图5.12(3)、创建混合扫描特征：、选择菜单“插入”“混合”“伸出项“，进入截面草绘，如下图所示：图5.13、编辑混合扫描轨迹，如下图所示：图5.14、完成以下创建： 图5.15(4)、进一步通过拉伸特征创建，如下图： 、草绘拉伸截面：图5.16 、创建拉伸特征，如下图所示：图5.17 (4)、创建混合扫描特征：、选择菜单“插入”“混合”“伸出项“，进入截面草绘，如下图所示：图5.18、编辑混合扫描轨迹，如下图所示：图5.19、完成以下创建：图5.20(5)、利用拉伸、阵列创建如下特征：图5.21(6)、利用拉伸、镜像创建如下特征：图5.22图5.23(7)、再进行倒圆角等命令，得到车身2的模型，如下图所示：图5.24(三)、车身3建模：(1)创建拉伸、镜像特征，构造如下图所示：图5.25(2) 、创建扫描混合特征： 、进行如下草绘：图5.26 、菜单“插入”“扫描混合”，并分别进行如下编辑：图5.27图5.28、得到如下特征：图5.29(3) 、再由拉伸、镜像后，得到如下图所示：图5.30(4) 、由拉伸、倒圆角特征创建如以下图示：图5.31(5) 、再由拉伸、镜像等创建以下特征：图5.32(6) 、最后，即得到车身3的模型：图5.33(4) 、车轮的模型建立： (1)、创建轮辐混合扫描特征：、选择菜单“插入”“混合”“伸出项“，进入截面草绘，如下图所示：图5.34 、编辑混合扫描轨迹：图5.35(2)、外胎 创建混合扫描特征，构造外胎，如下图所示：图5.36(3)、创建拉伸特征，如下图所示：图5.37(4)、创建混合扫描特征，并进行阵列，得到以下图示：图5.38图5.39(5)、旋转复制，即可得到如下图所示模型：图5.40(6)、再进行拉伸特征操作，即可得到车轮的模型：图5.41(五)、链轮的模型建立： (1)、新建一个名为“dalianlun”的零件文件，进入Pro/E的零件模块。 (2)、创建旋转特征，构造链轮的大体结构：、选择“菜单”“插入”“旋转”，进入草绘编辑器完成以下草绘：图5.42、旋转一圈完成如下图所示：图5.43（3)、利用拉伸、阵列特征，创建链轮齿廓： 、在草绘编辑器中完成以下草绘： 图5.44、退出草绘编辑器，进行拉伸、阵列： 图5.45 、即可得到如下图所示： 图5.46 (4)、拉伸、阵列特征的创建： 、在草绘编辑器中完成以下草绘： 图5.47、退出草绘编辑器，进行拉伸、阵列： 图5.48、最终得到大链轮的模型：图5.495.3 机构总体装配过程（1） 车头部分1） 单击（新建）按钮，弹出“新建”对话框。2） 在“类型”选项组中选择“组件”单选项，在“子类型”选项组中选择“设计”单选项，输入组件名称为bike，单击“使用缺省模板”复选项以不使用默认模板，单击“确定”按钮。3） 在出现的“新文件选项”对话框中，从“模板”选项组中选择mmns_asm_design单击“确定”按钮。4） 单击“插入-元件-装配”按钮，插入chetou3.prt，定义为“固定”。5） 插入chetou2.prt，销钉连接，A-11轴与A-13轴同轴；chentou3 F42平面与chetou2 F29重合。6） 插入chetou1.prt，销钉连接，A-5轴与A-3轴同轴；chetou1 F-14平面与chetou2F-6偏距80mm。7） 插入ding.prt，刚性连接，A-4轴与A-11轴同轴；ding F-9平面与chetou2F-15重合。8） 插入ku.prt，A-5轴与A-3轴同轴，ku F-15平面与chetou2 F-16平面重合9） 插入pie2.prt，销钉连接，A-6轴与A-9轴同轴，pie2 F-13平面与ku F-19平面重合。 10）插入pie.prt，销钉连接，A-14轴与A-3轴同轴，pie F-11平面与pie2 F-6平面偏移1mm11） 插入lun1.prt，销钉连接，A-1轴与AA-1轴同轴，lun1 F-42平面与chetou3 F-16平面偏移15mm12） 完成车头部分装配。图5.50（2） 车身部分 1) 插入cheshen1.prt，A-11轴与A-2轴同轴，cheshen1 F-13平面与chetou3 F-50平面重合。 2) 插入cheshen2.prt，销钉连接，A-40轴与A-20轴同轴，cheshen2 F-60平面与cheshen1 F-20平面重合。 3）插入ding3.prt，销钉连接，A-2轴与A-20轴同轴，ding3 F-12平面与cheshen1 F-8平面重合。 4）插入ding4.prt，销钉连接，A-4轴与A-43轴同轴，ding4 F-8平面与cheshen2 F-69平面重合。 5）插入pie.prt，销钉连接，A-14轴与A-7轴同轴，pie F-11平面与ding4 F-12平面重合。 6） 插入ban.prt，销钉连接，A-3轴与A-5轴同轴，ban F-6平面与cheshen2 F-24平面重合。 7）插入cheshen3.prt，销钉连接，A-7轴与A-4轴同轴，cheshen3 F-8平面与ban F-6平面重合。 8）插入tanhuang.prt，销钉连接，A-2轴与A-11轴同轴，tanhuang F-6平面与cheshen3 F-34平面重合；A-9轴与A-23轴同轴，tanhuang F-22平面与cheshen2 F-45平面重合。 9) 插入lun2.prt，销钉连接，A-1轴与AA-3轴同轴，lun2 F-16平面与cheshen3 F-34平面重合。10) 插入chezuo1.prt，销钉连接，曲线F8与A-3轴同轴，chezuo1 F-9平面与cheshen2 F-13平面重合。11） 分别插入ku.prt、pie.prt、pie2.prt，销钉连接。12）车身部分装配完成。图5.51（3）动力传动部分 1) 插入zhou.prt，销钉连接，A-2轴与A-6轴同轴，cheshen2 F-15平面与zhou F-5平面重合。 2) 插入jiaota.prt，销钉连接，A-2轴与A-2轴同轴，jiaota F-6平面与zhou F-5平面重合。 3) 插入xiaolianlun.prt，刚性连接，A-6轴与A-1轴同轴，xiaolianlun F-6平面与lun2 F-16平面偏移10mm。 4）插入dalianlun.prt，刚性连接，A-2轴与A-2轴同轴，dalianlun F-6平面与zhou F-5平面偏移27mm。 5）插入gujia.prt，平面对齐gujia：Front平面与dalianlun：Front平面重合。图5.52 7）插入liantiao.asm，槽连接。图5.53 8）动力传动部分装配完成。图5.54爆炸图表5.3.1 爆炸图各个机构对应名称表1前轮8车头215车座2装配骨架9紧定件16弹簧3大链轮10车身217链条4车头311车身118小链轮5脚踏12车头119后轮6轴13连接板7撇子14车身37 六 机构仿真6.1 机构仿真配置单击按钮，打开bike.asm，单击“应用程序-机构”，进入机构模块。1）伺服电动机设置 1.前轮伺服电动机设置：单击按钮，进行伺服电动机设置。类型菜单，选择“从动图元-运动轴”，再选前轮的运动轴“Connection_26.axis_1”。轮廓菜单，选择“规范-速度”，“模-常数”，“A-100”。单击“确定”。图6.1 2.后轮伺服电动机设置： 单击按钮，进行伺服电动机设置。类型菜单，选择“从动图元-运动轴”，再选后轮的运动轴“Connection_51.axis_1”。轮廓菜单，选择“规范-速度”，“模-常数”，“A-100”。单击“确定”。图6.2 3.脚踏伺服电动机设置：单击按钮，进行伺服电动机设置。类型菜单，选择“从动图元-运动轴”，再选脚踏的运动轴“Connection_57.axis_1”。轮廓菜单，选择“规范-速度”，“模-常数”，“A-50”。单击“确定”。图6.3 4.车身后半部分伺服电动机设置：单击按钮，进行伺服电动机设置。类型菜单，选择“从动图元-运动轴”，再选车身后半部分的运动轴“Connection_35.axis_1”。轮廓菜单，选择“规范-速度”，“模-常数”，“A-15”。单击“确定”。图6.46.2 机构仿真过程描述生成测量分析结果，创建新测量回放运动分析，并保存进入“机构”环境，定义特殊连接进入机构分析，开始进行机构仿真定义车轮、后半车身与脚踏转速，转向相同在“标准”环境中，装配组件（进行约束与连接）从分析文件中载入结果集，开始测量图6.56.3 仿真参数测量及分析6.3.1仿真参数测量1）单击按钮，打开bike.asm，单击“应用程序-机构”，进入机构模块。2）新建一个分析，类型为“动力学”，终止时间为25，帧数10。3）设置电动机启动时间。图6.64）点击“运行”，运行完成后单击“确认”。5）单击“回放”，播放当前结果集，分析完后保存到指定文件夹。6）单击，开始定义测量。图6.7自行车脚踏运动图6.8车身后部转速图6.9车轮转速图6.106.4 仿真中存在的不足1） 链条连接每个链节都需要使用一个槽连接，因此约束太多，电脑太卡不能继续装配，我们减少了链节槽连接，造成链条不能仿真。2） 链条不是每个链节都是用了槽连接，与骨架线不能很好配合，因此与链轮也不是完全配合，造成链轮仿真存在干涉3） 无法测量轴的力矩和点的受力情况。8 七 有限元分析7.1 轴结构分析打开Solidworks软件，单击按钮，文件类型选择“所有文件”，文件名选择“*.prt”。然后打开Pro/E零件文件，点击彻底分析模型，所有全选勾，输入实体，这样就在Solidworks软件中得到了转换文件。打开“cheshen1.prt”文件， 单击，选择Solidworks Simulation插件。新建算例 ，应用材料，选择合金钢。图6.11选择夹具-固定几何体-选择轴外表面。选择外部载荷-力-选取一个圆环面，大小为100N。单击运行按钮，最终获得所需的受力结构图。图6.12分析：图示轴端部连接处最危险，压力最大在2.450Mpa左右，且在任意位置，因此，可得出以下结论： 端部连接处设计不合理改进方式： 增大轴的直径。 增加连接处厚度。7.2板结构分析 打开“cheshen4.sldprt”， 单击，选择Solidworks Simulation插件。新建算例 ，应用材料，选择合金钢。 选择夹具-固定几何体-选择板平面。 选择外部载荷-力-选取板平面，大小为100N.m。 单击运行按钮，最终获得所需的受力结构图。图6.13分析：图示在连接孔处最危险，压力最大在1.854Mpa左右，且分布于连接板内侧。改进方式： 增加连接板厚度。 增加连接板宽度。 9 八 设计总结通过这学期的课程设计，不但让我再一次熟练对PROE零件的绘制，还让我掌握了平常不经常用的一些命令，全面的掌握了各项命令的使用方法。在这次实践中我认识到在面对一个模型时，首先要学会分析，并有层次，有条理的绘制图形，学会在原有的程序中使用简便的方法绘制图形，使图形准确，快速的绘制出来。在此同时，分析、计算同样显得至关重要。通过课程设计，弥补了以往许多的不足之处，使自己对proe有了进一步的了解， 此次课程设计可谓是收获甚多。基本完成了该折叠式自行车的设计要求，从市场调研到产品设计，再到外观造型，已近基本满足设计所要达到的各种性能，工作有一定得成果，但该机构也有待完善，希望能选择更好的机构与建模方法，使其更加完美。10 九 收获和体会通过该产品的设计与计算，加深了对机械原理课程的理解，进一步熟练掌握了机械原理的设计方法与理念，加强了实践动手能力，同时熟练应用了CAD，Pro/E等建模与仿真软件，为今后的研究与学习打下良好的基础。11 十 致谢本设计在选题及设计过程中得到刘光帅老师的悉心指导。刘老师不仅教会我如何更好的运用word和Pro/E等软件，而且为我指点迷津，帮助我开拓设计思路，精心点拨、热忱鼓励。 刘老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以知识，而且教我做人，虽历时二载，却给以终生受益无穷之道。对刘老师的感激之情是无法用言语表达的。 12 参考文献1 陈宪春，朱志伟，陈淑红.折叠自行车设计研究J.包装工程，2007（08）2 蒋旻昱，折叠自行车设计探讨J.包装工程，2010（10）3 谢进，万朝燕，杜立杰主编M. 机械原理 . 北京：高等教育出版社，20044 邱宣怀等编著 . 机械设计M. 北京：高等教育出版社，20095 卢耀祖等. 机械结构设计M.上海：同济大学出版社，200413 附 录1. 机构运动简图（标准详细尺寸）2.机构总装配图3.机构仿真状态图（起始位置、中间位置、终止位置）1.机构运动简图（标准详细尺寸）2. 机构总装配图3.机构仿真状态图（起始位置、中间位置、终止位置）起始位置 中间位置终止位置63