双轮躺式自行车的设计与分析优化

摘要

本课题在传统自行车设计的基础上，运用人机工程学、自顶向下以及有限元分析等方法对其整体结构进行重新设计，并以设计后的双轮躺式自行车为研究对象，进行分析优化以及轻量化设计。 本课题研究的内容主要包括： （1）运用自顶向下的设计方法设计双轮躺式自行车，先确定躺式自行车的整体尺寸，然后再局部细化，并且将该自行车车架设计为具有前后伸缩功能的车架，将座椅设计为具有前后移动并且角度可调节功能的座椅。 （2）运用人机工程学使产品更符合人体需求，通过人机工程学中的理论，使得该躺式自行车的各部件尺寸与人体尺寸相匹配，达到了舒适度的要求。 （3）确定躺式自行车的关键尺寸，该自行车中的关键尺寸是与人体紧密相连的机构的尺寸，这些尺寸能够影响人在骑行中的舒适度，即车架、躺椅、头枕、把手和脚蹬等尺寸。 （4）对躺式自行车进行结构设计，该躺式自行车是在传统自行车的基础上改进的，所以基本部件与传统自行车部件类似。在设计的时候参考传统自行车进行设计。 （5）对该车进行运动学分析，通过装配干涉检查来确保躺式自行车无干涉现象并且能够正常运行。 （6）对该车进行结构静力分析、模态分析、敏感度分析、优化设计以及疲劳分析。静力分析主要是检验该自行车的应力要小于许用应力，变形量要满足QB/T1880-2008《自行车车架》行业要求，应不大于3.0mm。模态分析主要是研究该车的振动频率以及是否会产生共振现象，通过分析可知该躺式自行车不会出现共振现象。敏感度分析主要是研究该自行车中连接件和伸缩杆长度的变化对模型的整体最大应力、最大变形量以及各阶模态分析的影响情况，通过分析可知连接件长度的变化对整体最大应力和最大变形量以及第五阶频率有较为明显的影响；伸缩杆长度的变化对整体最大应力以及第一阶和第三阶频率有较为明显的影响。优化设计主要是研究连接件和伸缩杆的长度在给定范围内，并在许用应力和变形量均不超过标准规定的情况下，连接件和伸缩杆的长度在何值时应力和变形量达到最小值，优化后连接杆长度为240mm，伸缩杆长度为26mm。疲劳分析主要研究该车脚蹬轴在断裂之前所能承受的最大寿命，通过分析，可知脚蹬轴的疲劳寿命最小值为105.745，满足标准规定中的10万次。 （7）对该车车架进行轻量化设计，轻量化设计包含两个方面，一方面通过更换更轻质的材料，另一方面通过减小该车车架壁厚。这两种方式均可以使得该车车架在满足力学性能的同时，质量变轻。通将材料由SCM415铬钼钢更换为更轻质的碳纤维，分析后可知满足力学性能要求；将壁厚由3mm减小到2mm，分析可知可满足力学性能；当减小至1mm时，不满足力学性能，所以壁厚不应过小。

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