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 摘  要

山地自行車源于美國，是美國青年為了尋求刺激，在摩托車比賽的越野場地上駕駛自行車進行花樣比賽而派生發(fā)展起來的車型。小型四輪山地自行車的設計時一門專業(yè)的學科，國外山地自行車工業(yè)發(fā)達的國家都在自行車中投入大量人力，物力和財力，也取得了很好的效果。我國雖然被成為自行車生產(chǎn)王國，但在產(chǎn)品設計工作上與國外先進水平相比還存在差距。

小型四輪山地自行車是山地自行車的一類，小型四輪山地自行車的設計涉及到大量的技術問題。本次畢業(yè)設計中通過研究小型四輪山地自行車的工作原理，初步確定了自行車車架結構尺寸并對其進行了強度校核，選擇了車架材料，確定了車架的焊接工藝，設計計算了鏈傳動，選擇了關鍵零件并做了相關計算，選擇了山地自行車的輪胎，并說明了小型四輪山地自行車日常生活中的維護，然后用ug進行了建模，并用CAD進行了修改。

關鍵詞：小型四輪山地自行車；車架材料強度校核；焊接工藝；鏈傳動；ug建模

ABSTRAKT

Mountain bikes from the United States, is seeking to stimulate young americans, in the motorcycle race off-road driving bicycles in the field of pattern match and derived developed models. Small four-wheel mountain bike design as a professional discipline, mountain bike industry developed countries abroad are in bicycle invest a lot of manpower, material and financial resources, also has obtained the good effect. Although China is becoming a kingdom of bicycle production, there is a gap in product design work compared to the advanced level of foreign countries.

Small four-hill mountain bikes are a category of mountain bikes, and the design of small four-wheel-mountain bikes involves a lot of technical problems. This graduation design by studying the principle of small four-wheel mountain bike, preliminarily determines the bicycle frame structure size and the intensity, the selected frame material, determine the welding technology of frame, design calculation of the chain drive, select the key parts and do the related calculation, choose the mountain bike tires, and illustrates the small four-wheel mountain bike maintenance in everyday life, and then use ug to the modeling, with CAD were modified.

Keywords: small four-hill mountain bikes;  Strength check of frame materials; Welding process;  Chain drive; Ug modeling

目  錄

1 緒論 1

1.1 研究的背景及意義 1

1.2 國內外山地自行車研究動態(tài)及存在的問題 1

1.2.1國內山地自行車研究動態(tài)及存在問題 1

1.2.2國外山地自行車研究動態(tài)及存在的問題 2

2 小型四輪山地自行車概述及工作原理 4

2.1 山地自行車的概述 4

2.2 小型四輪山地自行車結構及工作原理 5

3 四輪山地自行車車架材料的選擇及結構設計 6

3.1 四輪山地自行車車架介紹及材料的選擇 6

3.2 鋁合金概述 8

3.2.1鋁合金的性能特點 8

3.2.2車架鋁合金的研究現(xiàn)狀 9

3.3 小型四輪山地自行車車架結構設計 9

3.3.1小型四輪山地自行車車架尺寸設計 10

3.3.2車架強度計算 11

4 小型四輪山地自行車車架焊接工藝 12

4.1 鋁合金車架焊接方法的選擇 12

4.2 氬弧焊的分類及材質 13

4.3 焊接準備 14

4.4 焊接操作方法 14

4.5 焊后檢驗 15

5 鏈傳動設計 16

5.1 鏈傳動特點及應用 16

5.2 滾子鏈結構及鏈傳動的參數(shù)選擇 16

5.3 鏈傳動的失效形式 18

5.4 滾子鏈傳動的設計計算 18

6 關鍵零件結構設計及強度計算 20

6.1 彈簧的設計 20

6.1.1彈簧的類型及選擇 20

6.1.2彈簧的設計及計算 20

6.2 軸承的選擇及壽命計算 21

6.3  十字軸萬向聯(lián)軸器的選擇及載荷計算 23

6.3.1 十字萬向節(jié)選擇 23

6.3.2十字萬向聯(lián)軸器載荷計算 24

6.4 傳動軸的強度校核 24

7小型四輪山地自行車車輪的選擇 26

8 小型四輪山地自行車維護 29

參考文獻 30

致謝 31

附件 3 大學本科生畢業(yè)論文（設計）中期檢查表 學生姓名 阿布都熱合曼·吐爾孫 學院 班級 機械工程學院 機械 1311班 指導 教師 阿達依 老師 論文（設計）題目 小型四輪山地自行車的 設計 已 完 成 的 任 務 1、 文獻查閱 2、 裝置的機構示意圖 3、 初步的結構設計 4、 說明書的部分章節(jié)（手寫） 是否符合 任務書要 求進度 基本符合進度要求 尚 須 完 成 的 任 務 1、 完善 關鍵零件的 設計 2、 關鍵零件 3、 說明書撰寫（電子版） 能否按期 完成任務 是 存在的問題和解決辦法 1、 進度較慢 ，原因是學生要參加公務員考試； 2、 關鍵知識節(jié)點的應用與理解有待提升。 填 表 人 日期 教研室主任簽字： 教學副院長（主任）簽字： 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文（設計） 新 疆 大 學 畢業(yè)論文（設計）任務書 班 級： 機械 13 姓名： 阿布都熱合曼·吐爾孫 論文（設計）題目： 小型四輪山地自行車的 設計 專 題： 四連桿機構的應用設計 要求完成的內容： 1）關鍵零件圖 2）完成裝配圖 3） 關鍵結構的設計 4） 文獻查閱 5）設計說明書 發(fā)題日期： 2016 年 12月 20日 完成日期 :2017 年 6月 1日 實習實訓單位： 地點： 論文頁數(shù)： 頁； 圖紙張數(shù)： 2 張 指導教師 ： 教研室主任 ： 院 長 ： 大學畢業(yè)論文 (設計 ) 題 目： 小型四輪山地自行車的設計 指導老師： 阿達依老師 學生姓名： 阿布都熱合曼·吐爾孫 所屬院系： 機械工程學院 專 業(yè)： 機械工程（礦山機電） 班 級： 機械 13 完成日期： 2017 年 5 月 30 日 大學畢業(yè)論文 (設計 ) 題 目： 小型四輪山地自行車的設計 指導老師： 阿達依老師 學生姓名： 阿布都熱合曼·吐爾孫 所屬院系： 機械工程學院 專 業(yè)： 機械工程（礦山機電） 班 級： 機械 13 完成日期： 2017 年 5 月 30 日 聲 明 本人 鄭重聲明 ，畢業(yè) 設計論文 —— 《小型四輪山地自行車的結構設計》 系本人 在 阿達依老 師指導下獨立完成 ， 沒有抄襲、剽竊他人成果，由此造成的 一切后果 由本人負責。 聲明人： 年 月 日 新 疆 大 學 畢業(yè)論文（設計）任務書 班 級： 機械 1311 班 姓名： 阿布都熱合曼·吐爾孫 論文（設計）題目： 小型四輪山地自行車的設計 專 題： 四連桿機構應用設計 要求完成的內容： 1） 關鍵零件圖 2） 完成裝配圖 3） 關鍵結構的設計 4） 文獻查閱 5） 設計說明說 發(fā)題日期： 2016 年 12 月 20 日 完成日期 :2017 年 6 月 1 日 實習實訓單位： 地點： 論文頁數(shù)： 頁； 圖紙張數(shù)： 2 張 指導教師 ： 教研室主任 ： 院 長 ： 大學機械工程 學院本科畢業(yè)論文（設計） I 摘 要 山地自行車源于美國，是美國青年為了尋求刺激，在摩托車比賽的越野場地上駕駛自行車進行花樣比賽而派生發(fā)展起來的車型。小型四輪山地自行車的設計時一門專業(yè)的學科，國外山地自行車工業(yè)發(fā)達的國家都在自行車中投入大量人力，物力和財力，也取得了很好的效果。我國雖然被成為自行車生產(chǎn)王國，但在產(chǎn)品設計工作上與國外先進水平相比還存在差距。 小型四輪山地自行車是山地自行車的一類，小型四輪山地自行車的設計涉及到大量的技術問題。本次畢業(yè)設計中通過研究小型四輪山地自行車的工作原理，初步確定了自行車車架結構尺寸并對其進行了強度校核，選擇了車架材料，確定了車架的焊接工藝，設計計算了鏈傳動，選擇了關鍵零件并做了相關計算，選擇了山地自行車的輪胎，并說明了小型四輪山地自行車日常生活中的維護，然后用用 關鍵詞 ：小型四輪山地自行車；車架材料強度校核；焊接工藝；鏈傳動； 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文（設計） is to in in of as a in a of is a of is a in to of a of of a of by of of of do in ug to AD of Ug 疆大學機械工程學院本科畢業(yè)論文（設計） 錄 1 緒論 ...................................................................... 1 究的背景及意義 ..................................................... 1 內外山地自行車研究動態(tài) 及存在的問題 ............................... 1 ............................... 1 ............................. 2 2 小型四輪 山地自行車概述及工作原理 ........................................... 4 地自行車的概述 ..................................................... 4 型四輪山地自行車結構及工作原理 ..................................... 5 3 四輪山地自行 車車架材料的選擇及結構設計 ..................................... 6 輪山地自行車車架介紹及材料的選擇 ................................... 6 合金概述 ........................................................... 8 ............................................... 8 ........................................... 9 型四輪山地自行車車架結構設計 ....................................... 9 ................................ 10 .................................................. 11 4 小型四輪山地自行車車架焊接工藝 ............................................ 12 合金車架焊接方法的選擇 ............................................ 12 弧焊的分類及材質 .................................................. 13 接準備 ............................................................ 14 接操作方法 ........................................................ 14 后檢驗 ............................................................ 15 5 鏈傳動設計 ................................................................ 16 傳動特點及應用 .................................................... 16 子鏈結構及鏈傳動的參數(shù) 選擇 ........................................ 16 傳動的失效形式 .................................................... 18 子鏈傳動的設計計算 ................................................ 18 6 關鍵零件結構設計及強度計 算 ................................................ 20 簧的設計 .......................................................... 20 .............................................. 20 .............................................. 20 承的選擇及壽命計算 ................................................ 21 十字軸萬向聯(lián)軸器的選擇及載荷計算 ................................... 23 字萬向節(jié)選擇 ................................................ 23 ........................................ 24 動軸的強度校核 .................................................... 24 7 小型四輪山地自行車車輪的選擇 .............................................. 26 8 小型四輪山地自行車維護 .................................................... 29 參考文獻 ................................................................... 30 致謝 ....................................................................... 31 大學機械工程 學院本科畢業(yè)論文（設計） 1 1 緒論 究的背景及意義 世界自行車行業(yè)的發(fā)展是從傳統(tǒng)的自行車運輸工具到運動型、山地型和休閑型。在美國、歐洲、日本等發(fā)達國家的自行車更為常見的運動、健身、休閑和娛樂產(chǎn)品。日本 計顯示，自行車保持 106 萬套的世界需求，自行車的年營業(yè)額是 500 億美元。由于工業(yè)的特點和勞動力成本的因素，過去 15 年全球自行車制造業(yè)主要有產(chǎn)業(yè)制造業(yè)優(yōu)勢的國家和地區(qū)轉移。到 2013，中國仍然是世界上最大的自行車生產(chǎn)基地，汽車生產(chǎn)廠，零部件生產(chǎn)廠分別達到 500以上，超過 700，世界上五大生產(chǎn)商是中國的主要基地。隨著世界各地的人們收入的增加，生 活水平的提高，促進了人類對于保護環(huán)境意識的重視，對自行車的全球需求將進一步擴大，隨著自行車結構的進一步升級，行業(yè)參與者帶來更大的利潤空間，中國自行車行業(yè)的發(fā)展前景將更加廣闊。 一般小型四輪山地自行車最大的特點是它擁有減震器和優(yōu)質鋼、鋁合金或碳纖維來打造車身從而達到良好的減震和平衡作用。一般騎山地自行車，不用關心自行車的重量，所以小型四輪山地自行車結構是強大的。但它也不是對輕，如輕鋼或鋁或碳纖維車身可以使整個車身的重量輕，但一般而言，除非它是參加比賽使用專業(yè)賽車水平山自行車，重量的車本身是不太受歡迎的。 最初 的阻尼系統(tǒng)安裝在山地自行車的目的，主要是為了配合下坡比賽時碰撞。在越野山地自行車設計中，是在山坡上爬的越快越好，不關心下坡或滿足特殊條件的不均勻表面，職業(yè)選手的山地自行車很輕。 多功能四輪山地自行車既是山地自行車又是城市自行車，是兩者自行車融合的設計。為了增強我國大陸地區(qū)自行車企業(yè)新產(chǎn)品的自主研發(fā)能力，本文選擇小型四輪山地自行車作為研究對象。具體而言，本文的研究重點是：小型四輪山地自行車的結構設計。選擇這樣的研究內容是基于以下方面的考慮：首先當代社會四輪山地自行車非常受人們的喜愛，研究成果一旦獲得應用，經(jīng)濟 效益十分可觀；其二，四輪山地自行車騎行路況惡劣，各種性能指標要求較高，其動態(tài)騎行性能更是整個四輪山地自行車性能的關鍵；其三全減振四輪山地自行車是近年來出現(xiàn)的新型山地自行車，需要對其進行更進一步優(yōu)化。 內外山地自行車研究動態(tài)及 存在的 問題 內山地自行車研究動態(tài)及存在問題 1991 年唐山的工程技術學院王子良 , 黃永強根據(jù)隨機振動理論建立系統(tǒng)動力學模型 ,通過 薦評價方法分析模型 ;基于自行車的結構動態(tài)特性的大學機械工程學院本科畢業(yè)論文（設計） 2 分析車架 ,車架的結構重新根據(jù)分析結果設計。 1995年鄭州輕工業(yè)學院楊向東，他設計了有機碳纖維自行車車架，對車架的強度、剛度、阻尼性能測試分析 ;后來，陶浩和段紅杰使用超級有限元軟件包分析車架的車架。 ,1995年天津輕院的李亞平 ,王鐘和宋桂林與有限元法對自行車的車架內力進行了計算 ,并用實驗驗證了 ;后來 , 李亞平、殷安琪和王延漢使用振動結構理論對車架系統(tǒng)進行了振動特性分析 ,計算了前叉的動態(tài)應力 ,為前叉斷裂問題的研究提供了理論依據(jù)； 2002年 ,東南大學 , 董曉馬根據(jù)隨機振動理論和 立了山地自行車全減 震自行車騎振動模型 , 對山地自行車為減振系統(tǒng)參數(shù)進行了優(yōu)化 ,并優(yōu)化前后的性能加以對比證明參數(shù)優(yōu)化的有效性。 在山地自行車及其它類型自行車結構與機構設計方面， 1990 年西北輕工業(yè)學院的劉云霞、馬中興等對自行車在正常騎行狀況下的承載進行了測試與分析，得出“騎行者 — 自行車”傳遞系統(tǒng)載荷的統(tǒng)計數(shù)據(jù)；之后，沈義明、晏恒等以車架重量最小為目標對車架結構進行了優(yōu)化設計，并對車架剛度、強度進行了校核；1990 年華南理工大學的嚴軍、丁德通過試驗和計算的方法對車架和前叉進行了靜力強度和疲勞強度分析； 2000 年臺灣國立中山大學機械工程研究所的許正和，陳正升對減振山地自行車后懸架機構進行了分析與設計，并設計了相應的分析與設計計算機程序； 2001 年北京工業(yè)大學的王建華、楊文通等基于運動自行車車架結構的參數(shù)化設計，開發(fā)了專用的 計系統(tǒng) 近年來上海交大的何其昌、范秀敏等以交互式自行車模擬器為研究對象，使騎車者在虛擬環(huán)境中獲得真實騎自行車過程中的全身心感受，建立了路面騎行者自行車系統(tǒng)模型，研究了系統(tǒng)在復雜路況下運動的穩(wěn)定性和振動響應特性。這些都是我國對山地自行車的研究和開發(fā)，對于四輪山地自行車因為結構復雜開發(fā) 并發(fā)展，我國還需要進一步研究，做工量大所以還沒有普遍應用，四輪的也就雙人 四輪山地自行車的設計思路和需要解決的問題較高并復雜，主要是比起普通自行車四輪自行車有較好的減震和平衡作用，這些如何來實現(xiàn)的等，還需要設計鏈傳動并它需要克服力等。 綜 上所述，國內針對四輪山地自行車動態(tài)騎行性能方面的研究不多，部分研究中建立的動力學模型過于簡單，且所做研究大多集中在自行車的結構設計方面。 外山地自行車研究動態(tài)及存在的問題 加利福尼亞大學 校的 授及其研究團隊從 80 年代初至 90 年代末一直從事自行車相關研究，主要工作如下： 1981 年研究車把承受的載荷時，將人體上臂和小臂處理為剛體而不是集中質量； 1983 年研究了承受路面激勵時，公路自行車車架主要零部件承受載荷情況； 1985 年研究了騎行者大學機械工程學院本科畢業(yè)論文（設計） 3 坐姿下車架所受載荷的試驗測量方法和仿真分析方法； 1990 年研究了一種便攜式數(shù)字信號采集處理系統(tǒng)，用來 測量 自行車在騎行過程中鞍座、車把和蹬車處的載荷； 1993 年研究了騎行者在站立姿態(tài)下車架所受載荷的試驗測量方法和仿真分析方法； 1994 年建立騎行者 — 自行車系統(tǒng)模型，采用試驗和仿真兩種方法 ，分析在不平坦的路面上騎行時山地自行車車架所受的載荷情況，比較了騎行者狀態(tài)處于坐駛和站立兩種姿勢的狀況； 1996 年用 建立騎行者 — 自行車系統(tǒng)動力學模型，用仿真方法分析騎行者引起的能量損失與減振彈簧、阻尼減振器、鉸鏈位置等參數(shù)的關系； 1997 年以懸架系統(tǒng)能量損失最小為目標，對鉸鏈的位置進行優(yōu)化，對騎行狀況腳蹬運動、彈簧和阻尼參數(shù)以及鏈條參數(shù)進行靈敏度分析。 接下來的幾年，美國空軍學院以 C. 做工作的基礎上，繼續(xù)以山地自 行車為研究對象開展了進一步的研究工作。 1986 年， 同發(fā)表了一篇文章，從能量的角度來研究了鉸鏈力矩與蹬車頻率之間的關系。 2004 年研究了山地自行車人機交互的動力學行為； 2005 年用鍵合圖方法建立了人和全減振山地自行車模型，研究了系統(tǒng)在跳躍、碰撞和崎嶇路面等大振幅運動時的動力學行為。 另外一支團隊是德國 人，所做工作如下： 1994 年研究帶有懸架系統(tǒng)自行車動力學模型 建立； 1998年研究了騎行者所受振動強度的試驗與仿真； 1999 年研究了帶有懸架系統(tǒng)自行車振動舒適性的仿真計算； 2002 年建立了騎行者自行車系統(tǒng)動力學模型，根據(jù)兩種不同車型的自行車和四種路面情況，分別用實驗和仿真計算方法分析了系統(tǒng)的動態(tài)特性。 此外其它一些研究部門也進行了自行車相關研究：意大利的 用和試驗方法對車架進行模態(tài)分析，研究車架結構對模態(tài)參數(shù)的影響，并對車架結構進行優(yōu)化設計；加拿大的 分析了全減振山地自行車各關鍵點的受力情況，并根據(jù)不同的情況合理的布置傳感器，測量騎行者在真實的崎嶇路面上騎行時車架的受力情況；之后，通過模態(tài)試驗方法分析人對自行車模態(tài)參數(shù)的影響，以及模態(tài)參數(shù)與自行車騎行過程中車架振動強度之間的關系。 由以上敘述可見，國外關于山地自行車在理論和試驗方法的研究上均取得了相當成就，建立了多種用于分析山 地自行車動力學性能的動力學模型，設計開展了一系列分析山地自行車性能的試驗，尤其是加利福尼亞大學的 授，他們的研究成果給以后的研究奠定了的基礎。 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文（設計） 4 2 小型四輪山地自行車概述及工作原理 地自行車的概述 自行車制造業(yè)多年來一直是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展造成了嚴重的環(huán)境污染 ,如交通擁堵、資源枯竭、自行車再次成為全世界特別是發(fā)達國家人們喜歡的交通工具、健身、娛樂等休閑 。 世界自行車行業(yè)的重心是 步行交通工具像運動型 休閑 型 、山 地型 類型轉換 ,在歐洲 ,美國 ,日本和其他發(fā)達國家 ,自行車是一種很常見的體育、健身、娛樂和休閑產(chǎn)品。中國是一個自行車王國，目前國內自行車的數(shù)量約為 5億，隨著人們生活水平的迅速提高，國內的時尚，體育休閑娛樂，交通工具的自行車需求急劇增長。 對 自行車每年全世界的需求量都是巨大的，日本的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全世界自行車的需求量大約在 1億 臺的水平 ，每年自行車的營業(yè)額大約是 億美元 。不僅自行車王國，中國是自行車制造大國，現(xiàn)在中國已經(jīng)成為世界上最大的自行車制造基地，國際五大自行車制造商 基地 在中國。 自行車分為五類 :山地自行車、公路 自行車 車、城市 自行車 車、沙灘車和小輪車。 四輪 山地自行車的 車身 相對穩(wěn)定 ,輪胎寬 ,平衡性能好 ,有 好的減震的優(yōu)點 ,能適應山上或其他復雜地形的特點 , 一般帶有前避震或者前后避震系統(tǒng) ,可靠性要求高 ,車輛的各種組件的安全可靠性高 ,當前幀更多使用鋁合金或碳纖維材料。公路車，俗稱跑車，具有超輕的車身、較窄的輪胎、小的風阻、快的速度和 多用與 公路賽。城市汽車的特點是輕便、快速、舒適，許多 車 座椅都有襯墊，而且車架材料通常是鋁合金。沙灘車的特點 :超級舒適，但更重，適合在沙灘上騎行，或在城市漫步。一個 小的輪子或性能的車，一個超級強壯的，但是沉重的身體，主要用于極限運動性能 。 圖 地自行車 圖 越野自行車 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文（設計） 5 型四輪山地自行車結構及工作原理 小型四輪山地自行車整車主要包括車架、導向系統(tǒng)、傳動（驅動）系統(tǒng)和安全裝置四大部分。 車架是構成自行車的最基本結構體，為自行車的主體和骨架，其他部件均直接或間接地安裝在車架之上，因此車架是自行車上最重要的部件之一。 導向系統(tǒng)由前輪、前軸、車把轉向桿、車把，轉向連桿等部件組成，乘騎者可以通過車把來改變行駛的方向并保持車身平衡。 傳動（驅動）系統(tǒng)由后輪、傳動軸、飛輪、鏈條、曲柄、腳蹬、中軸、鏈輪等部件組成，腳踏力通過腳蹬、曲柄、鏈輪、鏈條、飛輪、后軸等部件傳動，使自行車持續(xù)前進。 安全裝置主要包括車鈴、反射裝置、車燈等，確保行車安全。 自行車車架 是自行車部件中 基本結構，是自行車和骨架的主體，其他部件直接或間接安裝在車架上。 車架結構類型多， ,現(xiàn)有的車架材料主要是鋼鐵、鋁合金、碳纖維 ,合金 ,坑合金、 鈦合金， 鎂合金等。輪由金屬輪 子 ,橡膠輪胎、 花 鼓 (花 )和 輻條 ,一般 輻條，輪圈 采用合金或 不銹 鋼 ,車軸 使用鍍鎳黃銅 , 外胎一般為輪聚氨酷泡沫 ,橡膠 ,等。通常飛輪內螺紋的方法固定后 軸右段 ,與鏈輪保持在同一個平面上 ,通過自行車的鏈條和鏈輪傳動系統(tǒng)。 中軸部件的左右曲柄上裝配腳蹬部件，腳踏部件是將平動力轉化為轉動力的裝置，騎行自行車時，腳踏部件首先獲得腳踏力，之后由腳踏軸轉動曲柄，牙盤，中軸，鏈條和飛輪，從而后輪轉動，使得自行車不斷前進。 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文（設計） 6 3 四輪山地自行車車架材料的選擇及結構設計 輪山地自行車車架介紹及材料的選擇 自行車依靠人的自己的 驅動力 和騎自行車技術 ,自行車架在駕駛的過程中 受沖擊載荷 的 重要的結構 ,并且可以直接影響駕駛者舒適 ,安全駕駛 ,騎自行車速度等。 車架可以說是 是自行車的靈魂。該 車 架應承載人的重量和沖擊載荷，要求材料具有一定的硬度和強度。同時，材料的制備和后續(xù)的變形、焊接或熱處理工藝和設備相對簡單、容易。在露天的 天 氣中也有自行車暴露在 外面 ，這種材料 應 具有良好的耐腐蝕性能。彈性模量是應力與應變的比值，以及彈性變形階段材料的應力與 應變 正比的關系。所以彈性模量可以被視為判斷目標材料產(chǎn)生彈性變形 難易程度 ,彈性模量越大 ,使 材料的彈性變形有一定需要更多的壓力 ,這是材料剛度較大 ,下表顯示了 車架 材料 和 近年來出現(xiàn)的一些新材料彈性模量。每一幀楊氏模量的模量和密度 表 3山地自行車車架材料楊氏彈性模量及密度 自行車的車架材料 楊氏彈性模量（ 密度（ g/ 絡銦鋼 200～ 207 合金 69～ 79 116 合金 80～ 130 纖維 70～ 200 合金 41～ 47 料的密度是決定自行車重量的最重要因素之一，而一些車架材料的密度與上面的密度相同。它的密度小到可以使一個較輕的車架，同時考慮到抗拉強度、彈性率和彈性模量等因素的影響。比較表中材料的密度、鋁合金、碳纖維和鎂合金的密度不太大。 金屬材料的變形和斷裂稱為金屬的強度，材料可以拉段最大應力稱為材料的抗拉強度，表顯示了一些車架材料的抗拉強度。其中，鐵、鐵合金、超硬鋁和鉻鉬鋼都是抗拉強度相對好一點。 表 3自行車各車架材料的抗拉強度 自行車車架材料 熱處理 抗拉強度（ 有熱處理 >834 6061鋁合金 無熱處理 >100 有熱處理 >246 7005鋁合金 有熱處理 >345 7075鋁合金 無熱處理 >230 有熱處理 >597 純鈦 有熱處理 >597 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文（設計） 7 續(xù)表 3 有熱處理 >685 6 無熱處理 >980 有熱處理 >1160 (1)鉻鉬鋼車架的優(yōu)缺點 鉻鉬鋼車架的缺點主要體現(xiàn)在 :耐蝕性是不好的 ,如果沒有足夠的表面處理 ,或在使用的過程中材料表面的傷口 ,容易生銹 ,最終導致失敗 ,車架 ;材料疲勞性能不好 ,同樣大小的影響和各種材料 ,鉻鋁鋼應力大 ,細管材料疲勞損傷的原因造成的車架 ,鋼的密度是有點太密集 ,而在這一代是不可能通過其他方式來減肥 ,但是很難減少鋼車架的重量克以下。 (2)鋁合金車架的優(yōu)缺點 鋁合金的密度較低，比強度高，可制作質量小的車架。鋁合金車架長時間使用外觀較為穩(wěn)定，在大自然環(huán)境中表面極易發(fā)生氧化生成致密的氧化膜，且該氧化膜幾乎是無色的，不影響美觀，又可避免內部材料進一步被腐燭。與其它車架材料相比，鋁合金的彈性模量小，培制車架受到同等的應力時發(fā)生的應變小，抵抗車架使用過程中疲勞破壞的能力更高。同時鋁合金的可加工性能優(yōu)異，生產(chǎn)技術較為成熟，適合進行工業(yè)化大批量化生產(chǎn)。相對于其它的運動自行車材料，錫的價格最低，生產(chǎn)加工性能最好，具有明顯的優(yōu)勢。因此，鉛是運動自行車車架使用最廣泛的材料。 鋁制車 架的缺點主要是鋁的沖擊吸收性能較差，使用鋁材制作的硬尾車架將把騎行過程中大多數(shù)的顛簸震動傳遞到騎行者的身體上，使得鋁制車架乘坐起來顛簸幅度較大，乘騎的舒適感較差。另外，鋁合金車架傳接完成后，需進行熱處理，否者材料強度不夠。 （ 3）鎂合金車架的優(yōu)缺點 鎂合金車架的優(yōu)點主要在以下三個方面。首先，鎂合金具有高強度、彈性模量，比鋼和鋁合金低，但幾乎與三種材料的硬度相同，強度比鋁合金好，鋼幾乎是一倍。因此，采用鎂合金車架設計，通過表面處理，改變截面，可使鎂合金的性能降低，降低不利因素，使鎂合金車架性能得到改善。其次， 鎂合金能吸收沖擊和振動，振動性能優(yōu)良。鎂合金的性能是合金鋼的兩倍，而硬鋁的性能是合金的兩倍。這種性能特點使鎂合金車架的騎行舒適性特別好。第三，生物相容性和良好的接觸、鎂合金和人體的生物相容性都很好，車架和人體接觸是最無害的。 鎂合金車架的缺陷是材料性能較差，加工性能差，加工成本高。特別的是，鎂的電 負 性非常大，而標準的電極電位則是 耐燭性特別差。 。在潮濕的空氣中，很容易產(chǎn)生腐蝕，而表面會產(chǎn)生一層薄薄的氧化膜。這個薄層是松散的， ，耐燭性很差 ，而脆性是很大的，需要增加其他的過程來保護金屬表面。鎂合金的收縮大學機械工程學院本科畢業(yè)論文（設計） 8 率非常大， 鎂或鎂合金的收縮率降低到室溫，鎂合金的收縮率降低到室溫。鎂合金鑄造和冷卻收縮率大，鑄造合金特別容易收縮氣孔，材料具有低、高的靈敏度，鎂合金加工性能差，加工性能差，制造成本非常高。 （ 4）鐵合金車架的優(yōu)缺點 鐵合金的強度高，可以用來制作強度大且質量小的車架。耐腐燭性能優(yōu)異，在一般的常規(guī)使用環(huán)境中不發(fā)生腐燭。欽合金車架騎感好，錢還可以制做優(yōu)質避震器彈簧。同時鐵合金具有形態(tài)記憶功能車架在長年的使用過程中不容易發(fā)生變形，鐵制車架適合于長時間的使用。 鐵合金車架的主要缺點是價格高昂。鐵在自然界存在的形態(tài)為二氧化鈦，提煉及其加工過程極其復雜，設備、防護措施、技術要求高。鈦合金的溶煉極其困難，因為鐵在高溫下與空氣中氧親和力極強，和空氣接觸后立刻變?yōu)?，而大脆而硬，該部分的性能將大幅度降低。并且，鐵制車架的燥接必需在隔離的條件下進行。由于以上種種原因鐵車架價格昂貴，加工困難，不適合一般消費群體，更不適合大批量生產(chǎn)。 合金概述 合金的性能特點 鋁合金是以鋁為基體的合金總稱。純鋁的密度?。?P=只有鐵密度 的 1/3，熔點低（ 660。 C），鋁的微觀結構為面心立方體，故具有很高的塑性，易于加工，但強度很低。鋁經(jīng)過合金化之后，保持了純鋁的可塑性、低密度優(yōu)異的陽極氧化著色性能、優(yōu)良的導電熱性能、良好的耐腐燭性能等，可以根據(jù)需要制造多種性能特點的材料，鋁中常見合金元素有桂、鎂、銅、鋅、鉻、猛等。純鋁強度低，但可以通過合金化及其它處理獲得高強鋁合金，其強度可以接近或超過優(yōu)質鋼材。因此鋁合金已成為有色金屬中工業(yè)應用最廣泛的一類結構材料。鋁合金的性能優(yōu)良，因此被廣泛應用于建筑裝飾、交通運輸、航天航空、機械電子等領域。 根據(jù)能否通過熱處理強化，變形鋁合 金又可分為兩種：熱處理可強化型鋁合金和熱處理不可強化型鋁合金。熱處理可強化型鋁合金可以通過固溶、時效等熱處理手段來提高其力學性能，可分為鍛鋁、硬鋁、超硬鋁和特殊鋁合金等；熱處理不可強化型鋁合金無法通過熱處理的方式來提高其力學性能，只能通過變形加工的方式來實現(xiàn)合金的強化，主要包括防銹鋁、工業(yè)用純培、高純鋁等。 目前車架鋁合金材料應用最多的是 6061 合金， 6061鋁合金是耐腐燭、強度、揮接性、熱處理工藝性等綜合性能比較好的材料。 7005 合金也常用來制做自行車車架，它的強度比高，在室溫下放置會發(fā)生常溫時效，這在一 定程度上可以改善它的性能。但是這種 7005 鋁合金的冷加工成形、焊接、熱處理都比較困難。大學機械工程學院本科畢業(yè)論文（設計） 9 7075是特超硬鋁，廣泛應用于航空工業(yè)，但是它的輝接難度大、耐腐燭性差（會發(fā)白），多應用于高強度的非燥接零件上，較少用于制做自行車車架。 架鋁合金的研究現(xiàn)狀 目前，大多數(shù)材料采用的材料是合金、鋁合金、耐腐蝕、強度、焊接性能好，是一種綜合性能。鋁合金常用于自行車架，其強度高，在室溫下會失效，在一定程度上提高了其性能。但是，冷加工、焊接和熱處理是很困難的。它廣泛應用于航空工業(yè)，但很難焊接，對腐蝕的耐腐蝕能力較低，對 高強度零件的耐蝕性更強，自行車車架也更少。隨著社會的發(fā)展，資源和環(huán)境的問題，人們對自行車的需求，傳統(tǒng)的鋁合金材料無法滿足市場的需求，尤其是在高端自行車市場。具體性能是鋁合金自行車架 (主要的山地自行車模型 )重，高標準安全可靠性測試難以通過。例如，在目前歐盟車架水平受力可靠性測試的標準中，為了保證車架的安全性和可靠性，需要在車架內，車架頭管的梁管和焊接接頭 添加補強片 。增加一個堅固的補 強片 以增加生產(chǎn)時間的成本，嚴重影響 車架 的外觀，降低產(chǎn)品的定位、品牌形象和市場競爭力 表 3典型鋁合金力學性能 合金及狀態(tài) 抗拉強度 /服輕度 /伸率 /度 606186 145 12 60 606141 214 12 69 可見，優(yōu)化車架結構對于改善招合金車架的安全可靠性有一定效果，但這種方法無法從根本上改善鋁合金車架的安全可靠性，且不適應瞬息萬變的車架市場需求。 6061 鋁合金工藝技術相對成熟，通過優(yōu)化焊接和熱處理工藝，車架安全可靠性可提升的空間有限。鋁合金車架的焊接和熱處理制度復雜，其焊接和熱處理難度大的問題并沒有得到有效解決。 型四輪山地自行車車架結構設計 圖 3型四輪山地自行車車架結構 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文（設計） 10 型四輪山地自行車車架尺寸設計 四輪山地自行車中車架是最主要也是最重要的部件，車架結構設計的好壞，直接關系到自行車的使用及 性能。通常來說評判一個車架的好壞，除了考慮其是否重量輕，強度高之外，還應考慮其是否具有較高的承載能力，抗負荷能力，抗震能力，等等。在車架設計時主要考慮三個因素： （ 1）車架材料的選擇：穩(wěn)定性能好，質量輕，耐騎； （ 2）車架幾何形狀：根據(jù)車架用途，功能而定； （ 3）車架尺寸：與人體各部位尺寸相適應 為了確保運動者體能，技術的充分發(fā)揮，應使自行車各部分尺寸完全適合運動者身材，因此按運動者特有的身材設計車架非常重要。設計車架是根據(jù)訂車著的身高腿長，臂長，上身長及自行車用途（公路車還是山地車，山地車是爬坡型還是速降型，等等）來確定車架的大小和主要幾何尺寸。 當車架作用確定以后，車架設計的第一部是確定車架尺寸大小，車架尺寸是車架中軸與上管及座管的交點處之間的距離，是車架設計最基本的參數(shù)，車架的尺寸大小與訂車者跨步高度（簡稱跨高 S）直接有關系，跨高是指車座頂面與地面的高度或騎車者跨步與地面的高度。 車架尺寸的確 定公式為：車架尺寸 =S*果車架的上管是傾斜的，應先將長管假設為水平的再測量中軸與上管及座管的延長線交點處之間的距離。 取 165青年人跨高為 900 車架尺寸 =S*00*49座到手把距離用 示，兩輪之間的距離用 示，車架總長度用 ： 06080架總長度為 530 3四輪山地自行車車架尺寸 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文（設計） 11 架強度計算 最大彎曲正應力即為如下： ????????= ??????≤ ??[;1] (3式中 ????????： 最大彎曲正應力，單位為 :最大彎矩，單位為 KN/m ????為抗截面系數(shù)，單位為 ??3 車架結構簡化成一個粱，一段為鞍座位置，受到載荷記為 ??1；另一端為車把位置，受到載荷記為 ??2,則 ??1=m×60%×00×60%×88N ??2= m×40%×00 ×40%×92N 計算支反力，由平衡方程： ∑????=??1 ×L+??2 ×L=m ?? = 計算抗截面系數(shù) : ????=??,??332 (1-??4)= =0;6??3 (3最大彎曲正應力為： ????????= ??????= ??/??0?6??3=材料力學附錄 ?[;1]=412為 ????????25，50,一般不大于 114。 由于鏈節(jié)數(shù)通常是偶數(shù)，為使鏈條和鏈輪磨損均勻，場取鏈輪齒數(shù)為奇數(shù)，并盡可能與連節(jié)數(shù)互質。優(yōu)先選用 ,鏈輪齒數(shù)系列為： 17,19,21,23,25,38,57,95，114, （ 2）傳動比 i 傳動比過大，鏈條在小鏈輪上的包角就會過小，參與嚙合的齒數(shù)減少，每個輪齒承受載 荷增大，加速輪齒的磨損，并且易出現(xiàn)跳齒和脫鏈現(xiàn)象。一般鏈傳動的傳動比 i≤6,常取 i=2～ 條在小鏈輪上的包角不應小于 120°。 a （ 1）中心距過小，單位時間內鏈條的撓轉次數(shù)增多，鏈條曲伸次數(shù)和應力循環(huán)次數(shù)增多，因而增加鏈的磨損和疲勞。 （ 2）由于中心距小，鏈條在小齒輪上的包角變小，每個輪齒所承受的載荷增大，易出現(xiàn)跳齒和脫鏈現(xiàn)象；一般 α0=（ 30～ 50） P，最大取 α080P。 二， 滾子鏈輪的結構和材料 鏈輪由輪齒，輪緣，輪輻和輪轂組成。鏈輪設計主要是確定其結構和尺寸，選擇材料和熱處理方式。 鏈輪輪齒要具有足夠的耐磨性和強度。由于小鏈輪輪齒的嚙合次數(shù)比大鏈輪多，所受的沖擊也較大，故小鏈輪應采用較好的材料制造。 表 5鏈輪常用的材料和應用范圍 材料 熱處理 熱處理后的硬度 應用范圍 15,20 滲碳，淬火，回火 50～ 60≤25，有沖擊載荷的主，從動鏈輪 35 正火 160～ 200正常工作條件下，齒數(shù)較多 (z>25)的鏈輪 40,50， 570 淬火，回火 40～ 50劇烈震動及沖擊的鏈數(shù) 1520碳，淬火，回火 50～ 60動載荷及傳遞較大功率的重要鏈輪（ 8000； 拉壓彈性模量為 E/d=4 207500～ 20500； d>4 ,200000； 推存使用溫度： 120 C。 特性及用途：強度高，性能好，適用于做小彈簧； 簧的設計及計算 最大工作載荷為 00 g=980N,最小工作載荷 0g=490N,彈簧工作行程為 S=40彈簧屬Ⅱ類載荷， 簧外徑 D=6 1）選擇材料 選用碳素彈簧鋼絲 表 19r]=G=80000N/ δb與 d=6b?=1340 [? ]=340=536 N/ (6(2)按強度計算求彈簧鋼絲直徑 d 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文（設計） 21 因為 D=42 故： 28 (6由式 22 d=1.6√??]=√80×6√588 = (6可見，查表 16d=7估計相符合。 （ 3）按變形計算求彈簧有效工作線圈 n ??1??1 = ??2??2 = ??2;??1??2;??1 =980;49049 =49049=10 (610 ×110 ×490=49mm 980490 =40×2=80 所以 δ取為 40： n =?? ????8 ???? =80×80000×7 8 ×980×729 = (6按表 19 n =7 圈 (4) 求工作極限載荷 )=70N/由式（ 19得： ????3????????8????2= 3×6708×5 =1967 N (6(5) 求工作極限載荷 =??2 ×???????? ??2 = 1967980 = (6(6)求工作極限載荷 ??, ??, = == (6 (7)求彈簧的幾何尺寸 彈簧鋼絲直徑： d=7簧中徑： 5簧內經(jīng)： 258簧外徑： D=D2+d=35+7=42 效工作線圈： n=7圈 總圈數(shù)： n1=n+2=7+2=9圈 節(jié)距： p=d+f,=7+承的選擇及壽命計算 一，軸承用途：依靠主要元件的滾動接觸來在支承轉動零件的。 二，滾動軸承的特點：具有啟動所需力矩小，旋轉精度高，選用方便等優(yōu)點。 三，基本結構：由內圈，外圈，滾動體和保持架等 4部件組成。內圈用來和大學機械工程學院本科畢業(yè)論文（設計） 22 軸勁裝配，外圈用來和軸承座孔裝配。通常是內圈隨軸勁回轉，外圈固定，但也可以用于外圈回轉而內圈不動，或是內外圈同時回轉的場合。當內，外圈相對傳動時，滾動體即在內，外圈的滾動間滾動。 軸承內，外圈上 的滾道，有限制滾動體沿軸向位移的作用。保持架的主要作用是均勻的隔開滾動體。如果沒有保持架，則相領滾動體轉動時將會由于接觸處產(chǎn)生的相對滑動速度而引起磨損。保持架有沖壓的和實體的兩種。沖壓保持架一般用低碳鋼板沖壓制成，它與滾動體間有較大的間隙。實體保持架用銅合金，鋁合金或塑料等材料經(jīng)切削加工制成，有較好的定心作用。 軸承內，外圈和滾動體，一般用高碳鉻軸承（如 滲碳軸承鋼（如造的，熱處理后硬度一般不低于 60于一般軸承的這些元件都經(jīng)過 150°以通常當軸承的 工作溫度不高于 120°件的硬度不會下降 滾動軸承的主要類型及選擇 擬選滾動軸承的類型 選擇軸承類型時主要看軸承所承受載荷的大小，方向，性質。因為自行車承受較輕，中等的載荷，優(yōu)先選用球軸承，而且自行車受徑向載荷和選用角接觸球軸承。 軸承的轉速 1） 與滾子軸承相比較，球軸承有較高的極限轉速，故在高速時應優(yōu)先選用球軸承。 2） 在內經(jīng)相同的條件下，外徑越小，則滾動體就越小，運動時滾動體加在外圈滾道上的離心力也就越小，因而也就更適于在更高的轉速下工作。故在高速時，宜選用相同內徑而外徑較小的軸承。 3） 保持架的材料與結構對軸承轉速的影響極大，實體保持架比沖壓保持架允許高一些的轉速，青銅實體保持架允許更高的轉速。 4） 推力軸承的極限轉速均很低。當工組轉速高時，若軸向載荷不大，可以采用角接觸球軸承承受純軸向力。 5） 若工作轉速略超過樣本中的極限轉速，可以選用較高公差等級的軸承，或者選用較大游隙的軸承。 滾動軸承的尺寸選擇 （一） 滾動軸承的失效形式及基本額定壽命 滾動軸承的正常失效形式是內外圈滾動或滾動體上的點蝕破壞。軸承點蝕破壞后，在運轉時通常會出現(xiàn)較強烈的震動，噪聲，發(fā)熱現(xiàn)象。 除了點蝕以外，軸承還可能發(fā)生其他多種形式的 失效。（ 1）潤滑油不足使軸承燒傷；（ 2）潤滑油不清潔而使?jié)L動體和滾道過度磨損；（ 3）裝配不當而使大學機械工程學院本科畢業(yè)論文（設計） 23 軸承卡死，脹破內圈，擠碎內外圈和保持架等； 目前尚不能根據(jù)這些失效形式來建立軸承的計算理論和公式。所以，對于一般的軸承，可以采用裝配質量控制和完善使用條件的措施。對于重要的用途的軸承，可在使用中采取在線監(jiān)測及故障診斷措施，及時發(fā)現(xiàn)上述故障并更換失效的軸承。 本次設計中考慮到四輪山地自行車上坡或下坡時會受到徑向載荷和軸向載荷我選用角接觸球軸承。 （二） 滾動軸承的壽命計算 外界作用到軸上的徑向力 為 ??????=30×G=294N 根據(jù)力的徑向平衡條件，軸承上的徑向載荷： ????1=????2=294N 由 ????1， ????2派生的 軸向力 ????1， ????2的大小按下表中的公式計算 表 6 角接觸球軸承 角接觸球軸承 70000C(∝=15°) 70000=25°) 70000=40°) ????=e???? ????=?? ????=?? ????1=??1=94N=???1=????1=比值： ????????=據(jù)表 13溝球球軸承的最大 此時 ???????? < e 初步計算當量載荷 p，根據(jù)式 13=????(X????+y????) (6按照表 13???= ????= 按照表 13X=Y= :P=45+圖 13壽命曲線 可知 =20×106r 由公式 13 C=P√60×n×????106?? = 0×340×20×1061