1、摘 要在制图软件中，Solidworks 软件自上而下方法的研究已成为研究和开发的热点，逐渐成为一种趋势。在 Solidworks 环境中 ,通过产品 、部件和零件三者之间参数关联 ,采用一种基于装配约束的参数化设计方法实现部件的参数化建模 ,阐述了这种参数化设计方法中的关键技术 ,包括产品结构的划分 、尺寸分析 、关联设计 、基于布局草图的设计和方程式的添加 ;运用部件参数化设计方法构建了一个 Solidworks 部件库 。采用这种方法 ,有利于产品的修改和系列化 ,提高设计效率。本文在参阅了国内外大量对参数化设计的文献基础之上，以自行车自上而下设计为例，进一步探讨了自上而下的发展和过程。
2、并根据参数化过程中出现的 API 函数进行阐述，让设计人员从繁琐的绘图工作中解脱出来，集中精力选择和优化设计参数，提高产品质量，缩短产品设计周期。关键词：Solidworks ；装配约束；自上而下；部件库；自行车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
3、modeling 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 ,
4、 dimension 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
5、 design 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 personn
6、el 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 第一章 绪论1.1 自行车的行业自行车历史渊源久长。据史料文字记载，大约公元前 2300 年，中国、埃及、印度都出现过人类原始的自行车雏形。意大利庞贝城中的壁
7、画是最早的图形记载。世界上第一辆真正的自行车是由法国人米狄德，西福拉克于 1790 年发明的两轮脚蹬自行车。链条式驱动装置的发明者是英国人丁斯塔利和劳森。1888 年英国人邓洛普将实心轮胎改为充气轮胎，使行驶较为轻便。自行车的发展，从车型看，20 世纪60 年代初期以普遍车轻便车为主，到 70 年代开始流行小轮车，80 年代则是山地车的天下。而近 10 年来的世界自行车市场结合城市轻便车和山地车两者优点而设计的混合型自行车。随着全球环保绿色浪潮的兴起以及人们由于生活节奏加快而对交通工具速度上的要求进一步提升。自行车市场向高档化方向的发展，已成为全球自行车行业发展的必然趋势。目前，我国共有自行车
8、整车厂和零件厂 1081 家。自行车整车厂数量占行业企业总数的 1/3，整个自行车行业。国有、三资和组装型企业三足鼎立，年生产能力为 6000 多万辆。经过 80 多年的发展，我国自行车行业取得了骄人的进步，自行车的款式和种类不断得到丰富。目前行业产品范围主要包括各种类型、档次、功能的自行车、助力自行车、童车与各类自行车零件。今年来，一些自行车生产厂挖掘生产潜力，开发了各类健身车、健身器材等。同时，产品品种摆脱了单一的普通车生产，发展为载重车、轻便车、运动车、赛车、山地车、城市车等 6 大系列上万个规格样式。采用的材料从单一的钢材逐步发展铝合金、工程塑料与碳纤维复合材料等。同时自行车零件品种显
9、著增加，档次提高较快。1.2 选题依据与研究意义自行车从发明伊始就是一种最普及的大众化的轻便交通工具，其造价低廉、维修简单、使用方便，无污染，深受人们喜爱。至今它仍然是一些国家的城市和农村的重要交通工具。而自行车的用途已由单一的代步载货工具向娱乐、健身、旅游等方向发展。如何设计出结构合理、骑车轻快、美观舒适的自行车成为当前各自行车生产厂家热切关心的问题，自下而上设计法是比较传统的方法，先设计并造型零件，然后将之插入装配体，接着使用配合来定位自行车参数零件。若想更改零件，必须单独编辑零件，这些更改可以在装配体中看见。自上而下法在 Solidworks 也成“关联设计” ，是指在装配体的布局草图上
10、布置设计信息，然后把信息传递到下级的产品结构，从开始就把零部件作为系统的一部分并考虑零部件之间的相互作用，随着设计的进行，更为的细节信息成为可能并被包含到设计当中。通过在一个布局草图中表达整体设计意图，就很容易做出正确的设计修改。运用机械设计等知识完成自行车骨架结构的设计同时，利用 Solidworks 的建模功能，建立三维模型。最后应用Solidworks 的运动仿真功能，使得自行车设计直观、快捷、高效。该技术在机械工程、化工设备。汽车制造等很多领域有很强的实用性和推广价值。Solidworks 是美国 Solidworks 公司的一款高性能三维机械设计提供了一个方便的可视化平台，设计创建自
11、行车的三维模型，把整个自行车系统拆分成相互独立且整体统一的模块，模块内部的零件又可以实现互换的柔性化装配。1.3 课题的研究及研究现状近年来，关于自行车设计和以及在对 Solidworks 的力学分析，国内外在这些方面的不断的研究,对于自行车方面的研究国内主要有：王建华1等人对运动自行车整个车架结构参数化设计，让运动自行车适应人体的特征，从而发挥骑车者体能技术发挥。谢庆森、林俊聪2 等人在基于 Pro/E 的自行车参数化设计主要是缩短自行车设计的周期，提高自行车设计的水平，提出了自行车参数化设计理论，阐述了系统的构建原理和系统框架。张祥林、邓磊3等人研究面向装配的自行车 CAD 系统研究，其为
12、了提高自行车设计效率和设计质量,而基于 UG 建立了自行车 CAD 系统, 引入了参数化模板和装配接口模型，还阐述了参数化建模、自动装配、干涉检查等关键技术在该系统中的实现。陈东祥、胡冬梅4的硕士论文基于 Pro/Engineer 的自行车参数化计系统中是对当前我国 CAD 技术应用日益普及和推广，而自行车 CAD二次开发相对落后的现状，利用 ProEngineer 提供的二次开发工具 ProToolkit 和VisualC+6 0 的集成开发环境，对 ProEngineer 进行二次开发，建立了一个快速的自行车设计系统。采用三维造型技术与参数化设计相结合的方法，通过ProToolkit 应用
13、程序设计模块，进入自行车零件模型库，对零件模型进行调用、修改、再生等操作，从而实现自行车产品的快速设计。林霜5的论文主要研究与分析自行车设计中的人机因素，从人机工程学的角度出发,对自行车设计的发展、自行车设计中人的因素和自行车设计人机关系进行分析和研究。利用三维造型软件设计出自行车,借助人机分析软件结合自行车结构和人的因素进行分析自行车设计的合理性和舒适性。邓磊6研究参数化模板的自行车快速设计方法，是针对自行车的设计建立了基于 UG 的专用 CAD 系统。通过对自行车零部件进行 ABC 分析和几何形状分析,建立了描述产品结构的参数化模板,创建了完善的零部件数据库,开发了不同款式自行车车架的快速
14、设计模块和零部件自动装配模块,实现了对产品配置、模具明细表以及其它产品相关信息的管理,快速生成工程图,有效地指导分析和生产,并为知识的再利用提供基础。王璞7主要研究儿童自行车，是以儿童为中心的前提下提出了儿童参与设计的方式、分析了儿童参与自行车设计的组织过程,并构建了儿童自行车用户参与设计的任务模型和思维模型。对儿童参与设计中界面的设计依儿童年龄层次不同,提出了不同的设计指导意见。 实践部分对儿童自行车进行了模块化的划分,归纳出适于儿童参与设计的基本模块部分。建立了儿童自行车个性化设计的基本模块库与个性化模块库。宋贤敦8自针对自行车设计，从自行车的使用要求，及设计要求进行展开阐述。林俊聪9研究
15、与开发自行车模块化概念设计系统，而此文是在研究模块化设计和概念化设计的基础之上,针对自行车设计的特点,探讨了自行车的模块化概念设计的理论和实现。分析了自行车模块化概念设计系统的结构,并把该系统拆分成 3 个相对独立的子系统:基础数据库、自行车模块化数据库、用户交互接口。邓国光10从力学角度较为详细地研究了自行车运动员的蹬踏方式，并用微机控制系统自行车运动训练测试台得出的数据，研究出曲柄旋转角与蹬踏角的关系。刘军、耿国强 11的主要研究了 Solidworks 自上而下设计方法。 林修成、张朝阳12的论文是对自行车行驶稳定性及后进动性的力学分析，文章首先根据拉格朗 H 方程，得到广义坐标下的车轮
16、运动的拉格朗 H 方程，然后根据广义坐标下的拉格朗 H 微分方程研究车轮的运动状态，车轮初始的不稳定性，在直线行驶中的稳定性，抗冲击性以及自行车转弯时的后进动问题倾翻的问题，从而回答了自行车在弯道行驶车身处于颠倒状态，在重力作用下而不致。李立顺、孟祥德等人13的论文基于 Solidworks的整车自装卸车虚拟设计与运动仿真，主要介绍了基于 Solidworks 软件进行机械系统虚拟设计和运动仿真的基本方法，综合利用 Solidworks 的参数化、变量化建模技术以及自下而上和自上而下相结合的设计方法，完成了整体自装卸车的虚拟设计，证明了这种方法可有效提高设计效率，具有良好的应用前景。付永忠14
17、基于Solidworks 的自顶而下装配体设计及运动仿真，改论文指出了传统的自下而上装配体设计的缺点，并提出自顶而下装配体与运动仿真相结合的产品设计方法。郑向华15基于 Solidworks 的机械手运动仿真设计，本文在上料机械手设计与研究的基础上，具体进行了机械手仿真动画设计。杨艳红、周红生等人 16的硕士论文液压传动自行车车自顶向下设计及传动分析，液压传动自行车是一种新型的交通工具，通过绘制液压传动自行车的概念草图，基于参数化特征建模技术多层次的装配模型，利用自顶向下设计方法完成液压传动自行车的骨架模型及整机设计，并对液压泵和马达传动原理进行分析。结果表明，自顶向下设计方法为提高产品的快速
18、更新设计提供了一条新路子。国外在自行车方面的研究：Soden 和 Adeyefai17对骑车中的自行车做了受力分析，指出骑车开始是蹬踏力可达到人体体重的三倍。Hull 和他的合作者们18研究了骑车生物力学，用五赶平面机构模拟具有圆链轮驱动的脚蹬自行车系统，探讨了脚蹬力和脚蹬速率如何影响骑行过程以及铰链力矩节奏的关系。第 2 章 Solidworks 的概述2.1 Solidwork 软件的介绍Solidworks 是一款非常优秀的三维制图软件，易学易用，目前是市场份额增长最快、技术发展最快、市场前景最好、性能价格比最优的软件。在全球销量已达到30 万套，排名处于 3D CAD 软件销售榜首，遥
19、遥领先与其他同类产品。一套基于Windows 的 CAD 桌面集成系统,是由美国 SolidWorks 公司在总结和继承了大型机械 CAD 软件的基础上,在 Windows 环境下实现的第一个机械三维 CAD 软件。SolidWorks 的基本特性与以前的桌面 CAD 机械设计系统相比较具有以下特性：1.具有强大的实体建模功能和直观的 Windows 用户界面；2.具有独特的特征管理员历史树；3.双向关联的尺寸驱动机制；4.支持 Internet 技术，实现数据共享；5.提供了 VB、VBA(宏记录)、Visual C+、Delphi 等支持 OLE(Object Linking and Em
20、bedding, 对象链接与嵌入)或 COM（ComponentObject Model,组件对象模型）的开发语言接口用于 SolidWorks 的二次开发,创建出用户定制的专用 SolidWorks 功能模块。虽然 SolidWorks 所提供的功能非常强大，但要使其在我国企业中真正发挥作用，使常用的或重复的任务自动化，提高效率，就必须对其进行本地化、专业化的二次开发工作，而且这在虚拟工程中也是十分必要的。2.2 自上而下设计的概念和方法Solidworks 的设计方法有两种，自下而上设计和自上而下设计。2.2.1 自下而上特点自下而上设计是指独立于装配体设计的零件，并把这些零件组装成装配体
21、。通常，创建完成装配体后，会发现模型不符合要求，只有手工调整每一个相关模型。随着装配数量的增加，检测和更正这些错误会耗费大量的时间。如果出现重大设计变更，就会影响到大量零部件，必须手工辨别和修正每一个零部件来满足设计的调整，所以这种设计方法一般应用在已有的产品的建模或者标准零部件的设计。自下而上设计优点:自下而上设计方法是最基本的设计方法，首先单独设计零件，然后由零件组装装配体，装配体验证通过后生成工程图。简单：由于零部件单独设计，彼此之间没有相互关联参考，所以建模简单，不容易出错，即使出现错误也容易判断和修改。对硬件要求低：零部件之间没有关联参考，修改局限于单个零件或装配体，所以运算量比较小
22、，对于硬件的要求相对较低自下而上设计缺点:不符合产品设计流程：自下而上设计流程与产品设计流程整好相反，因此不适合进行新产品研发。局限性强：设计修改局限于单个零部件，不能总揽全局进行设计和修改修改单个零部件后，相关零部件不能自动更新，需要进行手工干预。完全融合到产品研发中。2.2.2 自上而下的特点自上而下的设计方法就是从整机、分系统、子系统等不同的父子模块按顺序入手，按照实际装配的工艺过程，综合考虑各个模块之间的约束因素，最后逐层将详细设计动作分解到每个零件的设计方法。自上而下的特点全局性强：总图修改后，设计变更能自动传递到相关零部件，从而保证设计一致。效率高：一处修改而全局变化。在系列零件设
23、计中效率更高：主参数修改零部件自动更新所有工程图自动更新，一套新的产品数据自动生成，现在用几个小时就能完成原来几周的工作量。复杂：零部件之间有大量的关联参考，会增加零部件的复杂度，有时候甚至因为找不到参考源头而无法修改。对工程师要求高：由于参考关联复杂，要求工程师能够熟练操作软件，熟悉产品设计流程和变化趋势。对总工程师的要求更高，如果初始布局不合理，则需要进行大量修改，甚至因为无法修改而导致整体崩溃。对硬件要求高：关联设计带来大量关联计算，尤其是总图的更新，会导致全部相关零部件自动更新，对于计算机硬件和网络速度提出了很高的要求。2.3 自上而下设计分类SolidWorks 的自上而下设计方法主
24、要分为三类：关联参考、外部参考法和布局。下面分别进行介绍。1.关联参考关联参考法是基础的自上而下设计方法，它通过零部件之间的关联参考来传递设计关联，从而达到修改一个零部件，则相关零部件根据关联自动更新的目的。优点：关联参考方便快捷，可以同步更新。缺点：关联是单向的，并且当关联很多时不易查找参考源和修改错误。应用范围：主要应用在部件级关联设计，关联尽量控制在一定的范围内，这样容易进行控制和修改。2.外部参考法（即主零件法）在一个主零件中完成整体设计，然后使用多体或分割的方法，将主零件分解为多个局部并传递到单独的零部件中，对分解后的零件进行详细设计，最后在装配体内进行汇总以完成设计。优点：所有相关
25、零部件在同一个主零件中完成，这样就不会产生复杂的关联参考，并且修改容易。缺点：如果零部件之间有复杂的相互运动，或者零部件非常多，这样设计就很困难。适用范围：零部件之间的关联非常多而且复杂、部件之间相互没有运动，在这种情况下，如果使用关联参考法，就会造成关联太多、太复杂而无法管理的情况。3.布局布局符合传统产品开发流程，先进行装配体布局，然后进行任务分解和分派，详细设计后在进行汇总。首先，根据初始参数，在装配体内进行总体布局（也可以称之为“骨架模型“绘制布局草图） 、定义草图块，同时完成图块间的装配关系。验证结构设计正确后开始建立零部件的虚拟结构，把主要参数和结构形状传递到相应的零部件中。然后把
26、设计任务（包含设计信息的子装配体）分派到项目组成员手中进行详细设计，当详细设计完成后，进行汇总生成总装配体，验证完成后生成相应的工程图。在需要修改设计时，通过修改总体布局，所有相关零件会自动更新。优点：符合传统产品开发流程，设计具有全局观，总图修改，所有相关零件自动更新。缺点：关联参考复杂，对设计团队整体实力和图档管理能力要求高。适用范围：模块化传统机械设计和有复杂机构运动的机械设计。2.4 骨架感念骨架法即在组装件装配环境中建立一个骨架零件模型，该模型确定了整个组件中各个零件之间的布局关系、约束关系及其特征等重要设计信息，主要元件模型的建立与装配都基于该骨架模型。骨架法适用于有动态机构的产品
27、，方便在设计时对设计的控制机校验。第 3 章 自行车的一般设计3.1 自行车的新型材料运用在自行车上的材料多种多样，目前比较流行的材质有钢材、铝合金、镁合金、钦合金、高分子碳纤维材料、复合材料等。铝合金是目前最看好的材质，在 80 年代初期就己经开始被大量运用在自行车制造上，虽然铝合金车架重量轻、延伸性相当好，但应力较集中，所以性能较差。近年来铝合金材质在车架上运用了新技术，其中渐进式抽管法最被看好，即分数次将铝材逐渐抽薄，减少重量而又不损失强度，消除了车架接缝处的潜在断裂处。英国设计者 Kirk Precision 大胆地利用新型材料高纯度镁，通过镁合金浇注成模方法，再结合高科技制造设备和计
28、算机辅助设计手段，成功地将大规模制造的优势运用到传统手工制造的自行车行业中来，生产出比相同大小和重量的钢管车架质量更轻、刚度更高，性能更佳、动感更强的合金管车架。钦合金在航空工业上普遍被运用，同时也渐渐被自行车行业所注意。钦合金稳定性高、不易氧化.强度高、抗腐蚀性好.吸震性也十分好，如此多的优点和制造难度使得钦合金车架的价格一直十分昂贵.复合材料在运动器材方面蓬勃发展，加上制造技术渐趋成熟，引起有心人士投入复合材料代替金属的开发。碳纤维是一种纤维补强的热固树脂，属于非金属材料，它重量轻、可塑性大、耐牢性卓越，防震性能好，与同质量的金属相比有更优良的强度与刚硬度;将碳纤维管状物与铝合金接头这两种
29、截然不同性能的物体以高分子接着剂胶合组成一体化成型车架，最适用于竞赛型的自行车。碳纤维自行车的国内外发展状况如下所述。80 年代中期，意大利、法国、英国和美国利用复合材料和工程塑料方面的技术优势.相继开发成功了用碳纤维管和铝合金接头粘接成车架的碳纤维自行车。随后，欧美等国对自行车进行计算机辅助受力分析和强度计算，使计算机外形更符合人机工程学的要求，研制出碳纤维整体车架成型工艺。90 年代初，国外厂商将粘接型和整体性进行混合技术，即用碳纤维管和多通接头作“底”.外敷缠绕碳纤维层，使多通接管掩埋在里面，外部看起来似整体成型。以确保自行车的强度。台湾最大的自行车厂商捷安特 Giantl 公司与台湾材
30、料研究室共同开发碳纤维自行车，成功开发一种新颖的铝合金金属压注接头胶接碳纤维自行车构架。随后.公司于 1993 年联合开发整体碳纤维自行车构架，便台湾自行车工业发展上一新台阶。近年来台湾自行车业者将诸多新开发的高科技材料大量运用于传统的自行车产品.提高功能性和实用性，大幅度减轻自行车重量，使产品的附加价值大为增加。1993 年，我国天津飞鸽自行车(集团)公司和北京环航复合材料公司联合投资开发粘接型碳纤维自行车。深圳中华自行车公司自行研制可焊接碳纤维自行车。但整体成型碳纤维车架国内目前还是空白。3.2 自行车造型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。有种无辐条、前后轮均为碳
31、素钢轮的自行车，其前轮略小，后轮略大，造型整体呈前倾状态，高速行驶时，能减少空气阻力具有较强的速度感和力感。1999 年台北自行车展示会上，Elebike 公司展出了由工程学院的学生设计的两人同时驾驶的新型三轮电动自行车。车的前轮有一个转矩，电池安装在座垫下面，车驾与挡泥板创造出一种优美的流线形。 “羚羊型” 、 “白天鹅型”等使自行车造型趋于多样化。 “流线型”结构造型以及改变驾驶者的姿态的“身尚式”造型是自行车造型发展的新趋势。3.3 自行车结构自行车的结构多样，金属板、塑料的组合式、管式、组成式、轴传动机构、橡胶车架、碳精纤维车架、无幅条车轮、单轮车式、曲柄式往复运动机构、钢丝幅条车轮、
32、无滚珠轴承、蛇腹车架、双管车架、双圆棒车架、蜂窝结构、玻璃纤维车架、流线型结构、整体车轮、驱动部与后轴的整体连结、无螺丝安装、带式驱动机构、流式驱动机构等 m。而折叠式自行车是近几年发展起来的一种新型结构的自行车 .结构更简便，性能更高.(1)独转健身自行丰一种独轮健身自行车，由摇动手柄、脚踏，轮子和保护架构成，摇动手柄和脚踏分别与棘爪传动机构的棘爪固定，棘轮与车轮同轴转动。使用者通过两手的前后摇动和脚踩脚踏两种方式连续驱动车轮行走。(2)折圣式自行丰德国斯图嘉特市车辆设计锻造公司最近开发成功一种随意放入任何一种行李箱内的微型折叠式自行车。它装有可调式支承座的鞍管和车架上的避震器可迅速从车架上
33、卸下，车架通过一种新式中轴活络关节一步折叠到位。车架制造采用“中空事骨架件”方法，既有效提高车架抗扭强度.又可显著减轻车架重量。日本成功制造出总重量仅为 6. 5 千克的一种新型的安全可靠的折盛式轻便自行车，堪称世界上最轻量的自行车。车体材料采用坚固而较轻的钦合金，所有框架采用中空工艺加工，框架管子的壁厚仅有 1 毫米，此外，轮胎采用了聚氨酷橡胶等轻量材料，所有部位尽可能设法变轻.折叠设计方面，对折叠后的高度、厚度都进行了严格调查比较，产品最终实现了能满足多种情况下的携带与放置。台湾展开发公司推出的折叠式电动自行车获日本外观及结构专利权。全车仅 32公斤，携带方便、机动性高。该车采用微电脑控制
34、器，刹车自动断电，电源归零起动，具有电量指示灯，启动扭力大，速度可达 25 公里/hr，充电时间 4-6 小时，平地续航力可达 40 公里。前轮配置的 12. 5 英寸避震器已获台湾专利权，是目前台湾行程尺寸最短的避震器。我国柯思达发明的折叠自行车系列产品，性能上具有折叠迅速、结构简便的特点，与同类产品相比，体积小 1/2，重量轻 1/3，折叠时间为 2-4 秒，可随意挂靠，携带便利。3.4 自行车功能自行车除了作为一种交通工具，还具有健身、娱乐、竞赛等多方面功能。随着高新技术的不断提高，运用越来越广泛，功能越来越完备，出现了水陆两用自行车、多档变速自行车、登山越野自行车等多功能型自行车。(1
35、)多档变速自行车变速装置的形式很多，内装、外装、手动无级变速、电气式自动无级变速、流体变速、细绳式、带式、随动式、离合器式、磁力式、连杆式、摩擦离合器式、摩擦板式、离心力式、异型电机式、柱塞式、和谐传动、行星齿轮式、照相机光圈式、改变链轮径、凸轮偏心式(带行星齿轮和链轮)、橡胶变速式、滚珠螺丝变速等等。外装变速器直接接触外部空间，变速的范围较大，多用于山地车。内装变速器暗藏于后花鼓中，由于设计的空间有限，变速的范围较有限，一般用于城市内骑行的轻便车。森威系列中的摩擦式换档变速器，采用低接触式走线方式和摆动机构，实现前、后自动定位定档工 NDEX 调速。它选用高强度的压铸铝、塑脂件，采用旋转手柄
36、、GD 型飞轮，具有预拨功能，使得工 NDEX 系统达到平顺、准确的变速性能。最新产品中还有通过电脑感应和微型马达来自动进行变速的全自动内变速系统。通过变速把上的电脑液晶 FLGHT DECK 电子显示系统实现显示时间、平均速度、骑行总距离等 17 种的功能。(2)山地自行牟山地自行车适于行驶在不平整的路面上。由 Bertone 公司和通用(GM)的子公司欧宝联合开发的山地自行车，用一根管材构成的龙骨代替了传统的四边形车架。此车将后轮，车链连接脚蹬子的中轴作成一体，减震器安装在镁管中，从而使得 24 速换档机构中的链条张紧力不受到车轮跳动的影响，解决了后悬挂系统的自行车经常遇到的问题。(3)遭
37、震赛车在登山自行车、下坡赛车上，为了降低自行车车辆重量，发挥乘骑者的最大极限，提高耐冲击性，普遍采用高性能的前后叉避震设计，悬吊式后避震系统和弹簧压迫式的传动系统。在把手、避震座管、立管等各部分均采用创新的材料，使自行车的“减震”功能几乎可以与机车相媲美。同时，为了减少抗风阻系数，以往管状的车身已逐渐为扁平的设计所代替。第四章车架造型设计自行车创新设计包括所示的各个方面，本论文重点讨论车架造型、传动系统方案设计。本章首先研究车架造型设计。3.5 人与自行车系统 组成自行车的功能是供人骑行，就发挥自行车的功能作用而言，把人看作自行车的组成部分是完全合理的。因此，人在骑车时组成了人一车系统，该人一
38、车系统中的人一车界面关系可由图来进行分析。图 3.1 人与自行车的关系3.5.1 人与支撑部件的关系 支撑部件主要有车架、前叉、鞍座和车把等，是自行车的构架。支撑部分将其他零部件固定在相互间正确的位置上，保证自行车的整体性，实现自行车的功能。从人机关系来看，鞍座、车把和车架等的位置和大小，以及它们间的相互关系，与骑车人的位置和肌肉的动作有着性的设计参数。 3.5.2 人与动力接受部件关系 动力接受部件主要是脚蹬和曲柄。动力是靠骑车人的双脚踩在脚蹬上，下肢运动的力使曲柄转动而产生的。为了使人省力和有舒适感，必须在骑自行车人的体格和体力与自行车元件的尺寸关系上下功夫，即研究人体下肢肌肉的收缩运动与
39、曲柄转动之间的能量转换问题。3.5.3 人与传动部件关系 传动部件主要是滚珠、链条和链轮。人的作用力是通过链条和链轮传动而带动后轮转动，从而使自行车前移。传动部分的设计关键是要有较高的传动效率和可靠性，且有易操纵的变速机构。保证较高的传动效率，才能使人用一定的肌力而获得较大的输出功率。 3.5.4 人与工作部件关系 工作部件就是车轮，即车圈、轮胎等。绝大部分轮胎是充气的，少数是实心的。车轮一方面把骑车人的肌肉力量，有效地转换为同地面接触而向前运动的力；另一方面将骑车人的握力转换为与接地部分所产生的刹车阻力。在设计自行车的各部分尺寸、车闸及变速器等时，应该着眼于骑车人动力传动工作的连贯性，才可能
40、设计出同骑车人手的大小或握力相适应的闸把、刹车力适当的车闸，才不会发生刹车阻力不够而造成失误现象。 3.6 自行车设计原则自行车设计要从材料强度、骑行运动学、加工工艺，可靠性等各个方面进行考虑，这些因素都直接影响着车架的外观美感、强度大小和弹性优劣。而车架造型很大程度上决定着自行车骑行好坏、易转性能、骑行舒畅感等。车架管材的长短、构成的角度等影响整体自行车的特性。除考虑车架的造型结构尺寸外，尤其应该考虑自行车与人的协调关系，以及身体尺寸与自行车各部件之间的关系。主要的基本技术参数有:前管轴线与地面夹角、立管轴线与地面夹角 p、传动中心距 C、前后轮中心距 D、中接头中心离地距离 E 等。只有这
41、些参数均趋于合理，才能保证自行车的稳定性和操纵性。下面以大众车为例，讨论如何确定车架设计方案。3.6.1 基本原则(1)自行车的性能是通过人来体现的，它的结构设计应以人为主，充分考虑到人体工程学、自行车运动学、形态美学等方面的知识。(2)车架的形状和尺度与其功能有关。要求外形尺寸合适，以提高骑行舒适性; 要求所受阻力最小，骑行的输出性能最佳。(3)要求有足够的刚性和强度，并且尽量减少重量。具有良好的抗冲击、耐疲劳性，以保证寿命使用。3.6.2 结构尺寸确定(1)车架规格运动员下肢(大腿、小腿、脚)的长短，决定车架的高度。上肢(上臂、下臂和手腕)的长短与胸之和，决定车架的长度。(2)前角和后角前
42、角指前管对于车架的倾斜度。前角为 710 时，操纵性和稳定性都比较好，确定其范围为 650 -750。赛车车架的前角更陡，采用 730-750，这样在骑行时反应快，速度灵活。坐管角取与前角相同，陡的角度可使骑车者前扑在中轴的上方，从而获得较大的蹬力。后角指立管轴线与地面夹角。后角决定了骑行者在自行车上的重心位置，一般认为在 680 -73。范围内。当传动中心距设定的值较小时，角度偏小，反之偏大。(3)前又翘度前叉翘度指前管中心线和前轮轴之间的垂直距离。为提高自行车的的导向灵活性，一般取较小的值。(4)上管长度从鞍立管接头到前叉接头的长度，角度较陡的赛车车架相应地使上管缩短了。这样可使骑车者能下
43、扑着双手握住车把骑行，以减小风的阻力并增强脚踏的力量。(5)转距为了减少自行车的重量，提高运动性能，必须考虑尽量缩短轮距。前、后轮中心距的尺寸大小与传动中心距有关，当传动中心距较小时前、后轮中心距可取小一些，反之取大一点。(6)后心距从保证车架的刚性和良好的加速性能出发，尽量缩短后心距。第 4 章 自行车零件的作用及三维建模4.1 自行车简介自行车的车架、轮胎、脚踏、刹车等 24 个部件中，其基本部件缺一不可。其中，车架是自行的车的骨架，它所承受的人或货物的重量最大。按照各部件工作特点，大致可将其分为导向系统、驱动系统、制动系统：1.导向系统：有车把、前轮、前叉等部件组成。骑乘者可以通过操纵车
44、把来改变行驶方向并保持车身平衡。2.驱动系统：有脚蹬、曲柄、链条、飞轮、后轮等部件组成。人脚的脚蹬力是靠脚蹬通过曲柄，链轮、链条、飞轮等部件传动的，从而使自行车不断前进。3.制动系统：由车闸部件组成、乘者可以随时操纵车闸，使行驶的 减速、始、停，以确保行车安全。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。下面将在这一节中详细介绍自行车主要部件的具体情况。4.2 三维建模4.21 创建布局草图创建一个新的装配体，在前视基准面创建一个自行车草图，在该草图中绘制关键零件，并把每个零件生成块，其中块的名称修改成零件的名称，如图 4.1 自行车布局草图。每个块只需要表达零件的关键形状
45、、尺寸和位置即可，不需要画上全部的细节。4.2.2 自行车零件车架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。车架就相当于人的骨架，有了车架才能选用安装车轮等零件完成整车设计。车架为了减轻管重量，提高强度，其材料通常由铁、铝合金等材料一般采用普通碳素铜管，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经过焊接、组合而成，根据管材的长短构成的角度等影响整体自行车的特性。比如，直线骑行较好的自行车、易转的自行车、骑行舒畅的自行车等，决定这些因素的很多都来自于车架，同时车架的形状决定了自行车的整体外观、类型
46、和骑行性能。自行车车架的结构形式有很多，但总体可以分为两大类：即男式车架和女式车架。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，将直接影响乘者的安全、平稳和轻快。4.2.3 自行车零件车把车把属于自行车的导向部件，乘者可以通过操纵车把来改变行驶方向并保持车身平衡。车把按形状可分为平把、下垂把、上翘把等，按使用时手握的位置相对于把横管的位置可分为前置式和后置式。设计时应按不同的车种选择合适的车把。运动形自行车宜采用平把和下垂把，以手前置式为宜。图4.2自行车车把4.2.4 自行车
47、零件前叉前叉是自行车的导向部件之一。前叉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。车胎充足气后，车轮与道路的接触面积小，摩擦阻力相应减小，使得行驶较轻松。但是，一旦遇上高低不平的道路，就会颠簸不稳，特别是前叉震动更加厉害。因此，近几年来，人们又研究出了具有减震作用的前叉避震前叉。避震前叉将自行车的车架和前轮弹性的连接在一起，可吸收并缓解因路面不平而传递给车架的
48、冲击和震动，保持骑行的舒适和平稳。由于减震装雹具有缓冲作用，可以避免某些零件因过分震动而损坏。4.2.5 自行车零件鞍座鞍座是保证长时间骑行不疲劳的关键部件，运动车一般采用无弹簧式鞍座一一鞍座面下应采用较硬的海绵，形状以狭长为宜。鞍座的长度、宽度的鞍梁的结构是以车型和乘者的性别、习惯来确定。鞍座的结构设计应充分考虑乘者舒适。鞍座依靠鞍管与车架做钢性连接，用来承受人体的重量。具体来说：鞍座面：是人体体重的支撑面，具有良好的强度和弹性，它由鞍座面皮和垫皮组成。鞍座架：又称鞍梁，是鞍座的主体，其结构比较复杂，一般由前后撑板，左右鞍撑，上下梁组成，并连接和支撑鞍面。鞍座簧：实质上是鞍座架的一部分。它支
49、撑着鞍座架和鞍座面，起着缓冲和减震的作用。鞍座簧的形式有立簧、卧簧和拉簧等几种。鞍座夹：又称鞍座卡，是由夹紧螺钉，座夹和夹板等组成，用来将鞍座固定在鞍簧上。自行车的座垫下安装弹簧，可以利用它的缓冲作用以减小震动。4.2.6 自行车零件车轮自行车的车轮属于导向系统（前轮）也属于驱动系统（后轮） ，其种类型主要分为传统型（辐条型）和实体型。传统的自行车车轮由轮胎（内胎、外胎） 、辐条，花毂等组成，其结构造型其中，车轮的外胎又分软边胎和硬边胎两种。软边胎断面宽，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。车轮的辐条一般是等径的，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。但近几年，市场上出现了脱离传统的车轮实体车轮，整个车轮都是一体的。这些造型奇特的车轮一般都用在运动型自行车上。两种类型的车轮相较，辐条车轮较轻，但实体车轮更符合空气动力学原理。4.2.7 自行车零件踏板组合件踏板是自行车驱动系统的主要部件，是自行车驱动力
