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基于plc方案设计书

洛阳理工学院毕业设计（论文）

基于Pro/E的山地自行车造型设计

摘要

山地自行车，英文名叫“mountainbike”，缩写为MTB。

山地自行车设计是一项十分重要的工作，也是一门专业的抖学。

国外山地自行车工业发达的国家都在自行车设计中投入了大量人力、物力和财力，也取得了很好的效果。

我国虽然被称为自行车生产王国，但在产品设计工作上与国外先进水平相比还存在差距。

为了迅速提高我国自行车水平，必须在设计工作中下功夫。

山地自行车设计涉及到大量计算和技术问题，本设计将利用PRO/E、CAD等软件从模型出发到一整部山地自行车的成型的介绍。

将从山地自行车设计的技术经济指标、山地自行车设计的使用要求和步骤、山地自行车设计人员要求、山地自行车影响出功率的机械因素、山地自行车行驶阻力、山地自行车安全要求、山地自行车设计的配合要求八个方面。

关键词：

山地自行车，PRO/E，CAD，机械因素

Pro/EBasedOnTheMountainBikeModellingDesign

ABSTRACT

Mountainbike,called"mountainbike"English,abbreviationforMTB.Mountainbikedesignisaveryimportantwork,isalsoakindofprofessionalshakinglearn.Foreignmountainbikeindustrydevelopedcountriesareinbicycledesigninvestedahugehuman,materialandfinancialresources,andgoodresultshavebeenachieved.AlthoughChinaiscalledthekingdomofbicycles,butproductionproductdesignworkcomparedwithforeignadvancedlevelalsohasthedisparity.Inordertoquicklyraiseourbicyclelevelindesignwork,wemustmakegreatefforts.

Mountainbikedesigninvolvessubstantialcomputationandtechnicalproblems,thisdesignwillusePRO/E,suchasCADsoftwaretoawholedepartmentfromthemodelofthemountainbikemoldingintroduction.Mountainbikedesignfromtechnicalandeconomicindexes,theuseofthemountainbikedesignrequirementsandsteps,mountainbikedesignpersonnelrequirements,mountainbikeinfluencethemechanicalfactors,thepowerofthemountainbikedrivingresistance,mountainbikesafetyrequirements,mountainbikewitheightaspectsofdesignrequirements.

KEYWORDS:

Mountainbike，PRO/E，CAD，Mechanicalfactors

目　录

前　言 1

第1章山地自行车设计的技术经济指标 2

第2章自行车行驶阻力分析 5

2.1滚动阻力 5

2.2空气阻力 5

2.3内部阻力 5

第3章山地自行车设计的要点 7

3.1材料因素 7

3.1.1下面就几种材料做具体分析 7

3.1.2材料的选择 11

3.2结构因素 12

3.2.1车架 13

3.2.2前叉 14

3.2.3车把及位置 15

3.2.4前轴、后轴和中轴 15

3.2.5脚蹬 16

3.2.6飞轮 16

3.2.7变速器 17

3.2.8前后轮 18

3.2.9鞍座及高度 19

3.2.10前后闸 20

3.2.11曲柄 20

第4章自行车车座的模具设计 21

4.1塑件成型工艺性分析 21

4.1.1塑件的分析 21

4.1.2PC的性能分析 21

4.1.3PC的注射成型过程及工艺参数 22

4.2拟定模具的结构形式 22

4.2.1分型面位置的确定 23

4.2.2型腔数量和模具结构形式的确定 23

4.2.3注射机型号的确定 24

4.2.4主流道的设计 25

4.3成型零件的设计 26

4.3.1成型零件的结构设计 26

4.4模架的确定 27

4.4.1各模板尺寸的确定 27

4.5冷却水线的设计 27

4.6总装配图和部分零件图的绘制 28

第5章鞍座模具的上模腔的NC代码 29

5.1工件图形 29

5.2模架图形 29

5.3部分工序NC代码 30

结　论 33

谢辞 34

参考文献 35

外文资料翻译 37

前　言

山地自行车，又称脚踏车或单车，是通常二轮的小型陆上车俩。

一般以人骑上脚踩踏板驱动。

英文bicycle或bike的bi意指二而cycle意指轮。

在中国大陆、台湾、新加坡，通常称为“自行车”或“脚踏车”，在香港、澳门则通常称为“单车”。

很多国家和地区认为山地自行车是车辆，常常要求适当配备甚至是要向政府相关部门登记领取车牌后始得上路。

有些地方要求夜间行车时自行车要使用车灯。

中华人民共和国的交通法规将自行车列为一种非机动车。

在香港，山地自行车属于“非机动车辆”，无须领有牌照，但在路上行驶时，须遵守和机动车辆一样的交通规则。

山地自行车是一中种面对生活的态度，也中种纯真梦想的执着。

一辆好的自行车首先要有好的车架、好的零件组成，然后还要有良好的组装技术。

将这三个因素科学地加以组合后，才能算是一辆好的自行车。

由于各国生活水平的差异，使用自行车的目的各不相同，有些国家的骑行者以旅游、锻炼身体以及少年儿童体育运动为主要目的，一般使用多速车、越野车和山地车；有些国家的自行车主要作为交通工具，多使用轻便车和多速车。

总的来说，自行车是朝着美、轻、牢、新、廉方向发展。

美是造型美观、色彩鲜艳、华丽而不俗；轻是自重轻、骑行轻；牢是强度高；新是款式新、品种多；廉是成本低、竞争力强。

有目的的了解学习有关的山地自行车各部件之间的连接方式，一方面，在使用上能我们更清楚自行车本身的构造，以便更好的、更安全方便的使用山地自行车，也能更好的对他进行维护和保养。

在一方面，对于一个从事学习工业设计的人来说，更多的了解一些机械构造，内部原理等知识，可以使我们在设计产品的时候，形成一个完整的思路，是我们的美好的外*观造型构思与事物本身的构造形成一个完美的结合。

第1章山地自行车设计的技术经济指标

山地自行车设计的基本任务是根据使用者的要求结合制造部门的可能性，创造性地运用有关科学技术和知识，设计出受用户欢迎的产品。

因此，设计自行车时，首先应该选择合理的结构，同时还应符合有关技术经济指标的要求。

社会对自行车使用的要求是多方面的，因此，自行车的技术经济指标包括的内容也较多，这里就提出下列最常用的若干内容。

1、使用寿命

山地自行车属日用消费品，不同类型的自行车均有相应的使用寿命要求，因为山地自行车的易损零部件，在运转中要磨耗、变形或损坏，不但增加了维修工作量，甚至会失去使用价值。

因此，设计山地自行车时应根据不同的使用要求，对寿命问题予以重视。

2、行驶安全性

这是山地自行车设计者必须考虑的内容，随着车辆的增多和车祸的经常发生，国内外对自行车的行驶安全性越来越加重视，国际自行车标准已有明确的安全标准要求，不符合安全要求的自行车严格禁止行驶。

当然，骑车事故的发生原因是多方面的，但首先要从产品设计结构上保证达到安全标准的要求。

3、产品标准化

这是指山地自行车产品的系列化，部件通用化和零件标准化。

在各企业都在大力开展新品种的新形势下，标准化工作就显得更为重要了，目前我国自行车标准化主要存在二个问题，首先是国家标准未能完全很好的贯彻，不少人认为只要达到自行车质量鉴定40项就行了，这是一种不全面的观点，何况我国现行的40项内容有其历史和客观的原因，从目前来看很有修改的必要。

因此，我国山地自行车首先应当符合国家标准的要求，同时，要使新开发的产品符合标准化要求，标准要先行，如果各厂由于没有明确标准就自行设计，待社会上形成一定数量后，再统一标准就困难了。

因此，产品设计，首先要查找和依据有关标准。

4、工艺性

山地自行车设计时要考虑加工工艺的合理性，特别批量生产的品种，工艺合理性显得更为重要。

所设计的自行车在保证使用要求的情况下，应该能用最少的工时，材料和加工费用制造出来。

山地自行车的外形应合乎比例、和谐平整、美观大方，以增加使用者对自行车的美观感。

贴花、色彩等也是吸引消费者的重要方面。

现在消费者购买山地自行车时，主要依据是牌号、价格、外形和美观程度。

在自行车日趋饱和，市场竞争更加剧烈与的新形势下，产品设计工作对外形和美观的考虑与研究就更加重要了。

5、强度和最大容许负荷

设计山地自行车中的每个零部件时，必须保证足够的强度。

任何一个零件在使用时都不应产生断裂损坏和发生的残余变形，否则将不能正常地使用甚至引起事故。

自行车如有过大的允许负荷能力，虽然能扩大其使用范围，但将使自行车零件的尺寸和强度随着增大，是不经济的，因此要合理选择而设计。

6、成本

山地自行车制造成本能综合地表示出很多项技术经济指标的结果。

例如重量、自行车制造工艺性、新工艺采用情况和标准化通用化程度等。

成本的高低，表示了经济上是否合理，所以产品设计要有经济观点，十分重视和努力降低自行车制度成本。

7、骑行轻快和舒适

山地自行车既要有一定的刚度，也要有相应的弹性，否则就会影响骑行性能和使骑行者容易产生疲劳，因此对架、前叉和鞍座等主要部件都要与人的体形结合起来考虑，使之达到骑行舒适的要求。

本设计所参照的山地自行车类型如图1-1、1-2：

图1-1

图1-2

第2章自行车行驶阻力分析

2.1滚动阻力

相当于车轮在路面上滚动时所引起的能量损失。

它由滚动时轮胎断面产生变形、胎面与路面之间相对滑动、路面变形、由于路面不平而引起的振荡损失等因素组成。

2.2空气阻力

自行车在空气中运动，空气本身也在流动，两者综合形成的相对运动，造成对自行车骑行阻力。

空气阻力由磨擦阻力和压力阻力构成，磨擦阻力是空气对车和人体表面的磨擦作用造成的阻力。

压力阻力有二种:

一种是车和人的前部气流被紧挤，产生对抗车和人前进的正压；另一种在后部和拐角处空气变得稀薄而引起涡流，产生将车和人吸住的负压。

构成磨擦阻力的因素与车和人的表面平整、光滑度和外形大小有关，此外还与挥动脚蹬时的空气阻力和车轮转动的空气阻力有关。

目前出现的高速自行车、避风式自行车、流线型自行车以及采用“滴水管”和异径辐条等，其目的均为了减轻空气的阻力。

2.3内部阻力

骑车人驱动中轴转动所做的功，在转换成为有效的后轮推力过程，把动力传递中所浪费的部分称内部阻力。

其中包括:

1.各转动部分的转动摩擦力矩:

如果环绕中轴力矩，则其摩擦力矩（公斤力·厘M）为:

若前后轴:

2.4，则中轴:

1.0，链轮和链条:

1.2，飞轮和链条:

1.2。

如果环绕后轴，则其值进一步减小到它的三分之一左右，与滚动阻力、空气阻力相比，仅为百分之一左右。

2.链传动的效率:

轴皮转动、链轮、飞轮和链条的啮合，产生的摩擦阻力并不大。

3.由于车架的弯曲或扭曲等瞬时弯曲变形时变形产生的能量消耗:

由于大链轮和飞轮的旋转与车架中心平面不重合，如果踏力较大，在强大的链条抗力作用下，使中接头和后平立叉部分受弯曲而靠拢，曲柄每转一周，这种现象在左右脚蹬各发生一次，使车架弯曲变形，并出现“抖动”现象。

不单是能量的损失，随着车架的抖动促成车轮安装精度的破坏而增大滑角，从而引起滚动阻力的增加。

设计赛车等自行车时应特别重视这一点。

抖动的能量损失很大，一般占内部阻力的10%左右。

4.轴皮变速内部阻力:

轴皮变速内部的行星齿轮机构是由很多零件组成的:

中心齿轮、行星齿轮、内齿轮、撑牙等，但其摩擦阻力不大。

外变速或变速器的链条中心线是偏斜的，但传动效率的降低也很小。

5.骑车人身体的上下振动的能量损失:

从带有减震的车架和鞍座到骑车人身体的上下振动，其能量的损失有时很大。

为了骑行舒适，车架、前叉、鞍座的弹性要好，但设计时也要考虑保持其合理的刚性，以充分发挥骑车人输出功率的实际效能。

由于自行车内部阻力的产生原因和性质，与其它骑行阻力不同，设计时，可以传动效率的形式来处理。

第3章山地自行车设计的要点

3.1材料因素

材料是实现自行车设计的物质基础，离开了材料及辅助材料的材性与工艺，其设计只能是一种抽象存在，无法体现其存在的意义和价值。

就其主要构件——车架而言，自行车车架的材料有已往使用的铬铝钢以外、还有铝、钛、碳纤、镁等不断出现新材料。

其中钢制的车架最便宜，不过重量也最重，表面的油漆脱落后便有生锈的危险，所以平时在保养上要下功夫。

再高级点就是铝合金，重量较轻，但是需要较粗的管径才能达到与钢管相同的强度，为大部分登山车所采用。

表面抛光后整台车呈现银白色，很好看。

碳纤维车架的特点是可以一体成型，不需要焊接，不过每个车架需要特殊的模具制造，成本也很高。

钛合金不但重量轻，不生锈，强度高，材料特性最佳，不过原料昂贵，加工困难。

3.1.1下面就几种材料做具体分析

1.铬钼钢（Fe—Cr—Mo）

图3-1铬钼钢车架

在自行车的100年历史当中，铁素材是刚性与重量方面都均衡的理想素材。

（如图3.1）铁制车架的最大特征是可在各种成份，各种粗细厚薄的铁管中，任意选择所需要的铁管进行加快。

因此可以选择最适合于的尺寸、刚性、骑感的车架，这对于数毫M的差异也敏感的老车手来说是很有好处的。

它的最大的缺点是比起其它的素材重（过去）。

但是最近的铁素材车架经过热处理，把薄的管道做成粗的管来使用，其重量不会输给轻的合金。

2.铝合金（A1-Mg-Si，Al—Zn—Mg一（Cu））

用铝合金制作的车架。

轻而价格低是它的优点。

但是从『轻』来说，当前与铁素材比较相差并不大。

老车手对它的反应是『虽轻但易弯曲』。

虽然经过多次改进，但是始终克服不了杨氏弹性模量低的缺点。

最近的铝合金车架，为了提高杨氏弹性模量，加大管道外径，使用扁平管，或者对铝管进行热处理等，制造出轻而有刚性的车架，这种最新的铝合金车架对车手来说，具有足够的轻量与刚性。

铝合金是纯铝中加入Mg，zn，si，cu等金属的合金。

铝本身具有轻量、可塑性好、耐腐蚀等优点，加入其他金属后显著提高了机械性能。

●铝合金车架的优点

（1）可以制作重量轻的车架铝的比重轻但不够硬，为了增强强度把它制成合金并施予热处理。

热处理采用时效析出增强法，简单地说，在金属内形成一种妨碍金属变形的物质。

在某种高温下进行热处理时，会引起时效析出，若没有经过这个程序的车架，也会引起常温时效。

就是说把车架放置在房间内也会逐渐变强。

有7075标志的自行车零件（如XTR曲柄等），严格来讲没有经过热处理。

也就是说因没有时效，因此是常温时效。

7075合金本来就必要进行热处理，通过热处理其强度可以增加5倍。

（2）长时问使用外观不怎么变化

铝本身是很容易受腐蚀的金属，在空气中几乎不存在没有被氧化的铝，放置在空气中马上被氧化而形成很薄的氧化膜。

为什么不生锈昵?

原因是该氧化膜达到一定的程度时防止继续生锈。

该氧化膜几乎是无色因此外观上不容易发现变化（有时会发白）。

●铝合金车架的缺点

（1）铝是弹性率及刚性低的材料。

因此采用粗的管道，或者改变形状如cross—over管、padded管等。

（2）需要进行热处理必需进行热处理，否则强度不够。

因此一般的规模不大的工厂无能力购买热处理设备。

尤其是6000系的铝合金管，多数情况是管道厂家指定热处理条件。

3.钛、钛合金（Ti，Ti—A—V）

美国在60年代首次使用钛合金来制作白行车车架。

钛合金给人的印象是轻而硬。

早期的钛合金车架，作为比赛用车，刚性不足，其车架不适合于长距离赛车，也不是适用于所有的比赛，只适合用在山岳，或者Bigreces，Timetraial等需要轻型车的特定的场合。

钛金属给一些人错觉，贵而稀有，实际上钛是地球上埋藏量丰富的元素之一。

只是由于合金的制作成本高，价格才较贵。

●钛合金车架的优点

（1）可以制作轻量而强度大的车架纯钛金属的强度更高。

在钛金属中添加铝和钒，弹性更高（和铝比较），也有利于设计。

（2）不生锈：

钛在一般的环境下几乎不会被腐蚀。

但是它有另一种腐蚀现象即异种金属腐蚀。

例如，不同种类的合金接合在一起时，成为电极状态，电位差使局部通电引起腐蚀。

对此现象采取的措施是用脂膏等来绝缘（混有金属粉末的脂膏，如商品名：

TiPlepu等）。

这种金属粉末防止脂膏流失，即使流失后也用来防止紧密接触。

这种金属粉末有导电性也不要紧，接触后被较小的荷重破坏掉。

这种现象称为『粘住』，它和『烘焙』是不同的。

『粘住、咬合』：

金属之间通过腐蚀来接合的现象。

『烘焙接合』：

加工金属时所产生的热量来溶融接合。

●钛合金车架的缺点

价格高。

钛在自然界以二氧化钛的形态存在，提练及加工过程复杂，技术要求高，并花时间因此成本高。

再有溶接加工极为困难，因为钛和氧的亲和力极强，和空气接触后马上变成二氧化钛，而二氧化钛硬而脆，该部分的强度会不断下降。

因此用惰性气体小心焊接。

通常所说的Tig焊接是：

（Tig：

钨、惰性气体的略语）用钨电极及氩气体进行弧焊接。

钛的焊接必需隔绝空气下进行。

由于以上原因钛车架价格很贵。

近来有些铝合金车架比钛合金车架价格贵，这说明钛合金车架的价格下降了。

其因是冷战结束后军费缩小，钛的用量少了；优秀的技术员开始用钛来制作车架：

制作钛车架的成本降低等原因。

4.碳纤维（CERP）

碳纤维车架的特征是轻、不弯曲、冲击吸收性好，但是，充分发挥碳纤维的优异性能，在技术上看起来不是那么容易，各碳纤维材料厂家之间的品质差异也较大。

自行车厂家考虑到成本问题，不大可能使用高等级的碳纤维来制作车架。

图3-2COLNAGO牌的碳纤维车架碳纤维是把碳纤维用树脂凝固成形的东西。

（如图3-2）非常轻，但它是具有方向性的材料（拉伸强但容易断），因此采用把薄料层层重叠的方法来解决缺点。

但成本太高。

图3-2碳纤维车架

●碳纤维车架的优点

（1）可以制作重量轻的车架

碳纤维车架是把碳纤维对着发生应力的方向层层叠而得到强度。

碳纤维车架非常轻，这是它的密度和强的拉伸强度构成的。

捷安特的碳纤维车架非常轻，2000年的型号1.2kg重。

（2）冲击吸收性好

碳纤维用来制作残疾者运动时用的假腿，或者特殊的弹簧等被用在各领域。

利用它的吸收冲击力优异的性能，制作不用避震器的自行车。

如SCOTT厂的ELEVATED车架是著名的。

但是各个厂家之间的品质差异较大，有的很硬，因此这种车架乘骑后才能知道好或者不好。

●碳纤维车架的缺点

（1）复杂的应力计算

构成碳纤维车架的是碳纤维，它的特点是拉伸强度强，但剪断强度弱，加工时需要进行复杂的应力计算（纵刚性、横刚性），根据计算把碳纤维片重叠成型。

加工技术各厂家各异，应选择有经验可靠厂家的是很重要的。

（2）老化

使用树脂因此会不会老化?

这是一个存在的课题，它放置在阳光下时会逐渐变白。

当然这种现象关系到厂家的技术。

最好不要放置在阳光下。

5.镁合金

镁的比重很轻（1.74），约铁的1/5，钛的2/5，铝的2/3。

它是不容易腐蚀的活性金属。

它广泛用在各种领域里，如照相器及电脑的外框、车辆的车圈等配件。

通过合金化耐腐蚀性也得到进一步提高。

●镁合金车架的优点

（1）可以制造重量轻的车架

它比铝密度低，可以制造轻的车架。

杨氏弹性模量稍微低些，但是可以用加粗管直径及椭圆化等方法来解决。

使用铝合金的目的仅仅是为了减轻重量，将来可能会被镁合金取代?

钛和镁的研究课题稍不同，这两种金属今后仍然会活跃下去。

（2）加工性好

镁制车架加工不会差。

切粉的燃烧、爆炸等能够通过合金元素来回避的话，剪断、溶接性可能不会差。

和钛比较起来加工性好。

●镁合金车架的缺点

生产镁车架的厂商都说耐腐蚀性好。

但是这方面的资料当前还很少，耐腐蚀性好到何种程度难于判断。

镁是剧烈氧化的金属，不小心操作错了很容易爆炸，纯镁一般不能使用，添加其他金属（铝、锌、锰等）制成合金来使用，制成的镁合金强度、机械性能都得到提高。

有些人曾经使用过镁合金制用具，如摩托车的曲柄套等、他们说：

虽然用了很久，但是很好，不会象铝般发白。

3.1.2材料的选择

已经介绍了几种自行车材料，总地来说，骑感好的是铬钼钢制的、要轻的是铝制的，冲击吸收性最好的是碳纤维。

钛合金制的上述各种性能都不是最好的，但是为什么对它感兴趣呢?

因为它是有前途的金属。

1．铬钼钢已经使用了很久，对它的研究也最多，除非有什么突破，铬钼钢的前途可想而知的了。

使用适正厚度的管道时重量是会增加，但是不容易引起金属疲劳，这种车能带给车手极佳的骑感。

单纯地追求薄壁的管道的现在，铬钼钢应该走自己的道路，充分发挥其优势，否则很可能被其他材料淘汰。

2．白行车用铝管，当前的设计方针很危险，铝是没有疲劳极限，为了降低应力应该增加厚度。

但是为了单纯地谋求薄壁，使用强勒的新合金来制作车架。

从外观来看这些制品使人引起很不错的错觉，但是疲劳寿命将是如何呢?

铝管的薄壁程度已经到了极限，不可能再薄下去。

结果它的命运将和铬钼钢一样。

今后铝制自行车向那一个方向发展呐?

我认为可能会成为比赛专用自行车的素材。

若用铝制自行车来练习，一定会感觉到性能的降低显著。

3．碳纤维制自行车是有前途的，通过应力计算会找到最适合的加工条件。

另外是信心问题。

当前尚存在各种问题。

4．钛管还有发展的余地，强度可能会超过铬钼钢，现在己能制造1.5k的车架，钛必定会夺去铝的“轻量王”的宝座。

另外，钛不需要涂漆，可减少这部分的重量（20～409）。

综合种种因素，考虑到设计初衷的理念：

娱乐、休闲、时尚、旅游、便携，结合材料的特性，选择钛镁合金材料作为其主要构件材料。

3.2结构因素

本次自行车设计运用圆形形态组合原则，受到“新锋锐”（NewEdge）理论及圆周运动规律的启发，其整体构架由平面倒角板材（车身部位）与直线金属管材（自行车车头碗组、座杆等部件）以及塑料、橡胶部件（自行车坐垫、车把手、脚踏板）（如图3-3）；车架分为前部和后部，前部为转向部分，以简洁的弧线为贯穿，后部为驱动部分，由于后部的特性——受力较大，则对后半部分进行加固；其传动方式仍然保留原有的链条式传动，配备单速或速度调节器。

为贯穿，其传动方式仍然保留原有的链条式传动，配备单速或速度调节器。

就整车结构来说，以点、线、面式的组合结构为主，配上直线构架、倒角支架板材以及富有动感的弧线，整体造型圆滑、线条简洁，藉由连结中央圆盘组合，且车架钢性强。

另外，可利用在圆盘移动时折叠整车，实现便携的功能。

我所设计的自行车的造型设计如下图3-3：

图3-3车体造型