山地车避震前叉设计毕业论文

山地车避震前叉设计毕业论文 中山火炬职业技术学院毕业项目 中山火炬职业技术学院 作品#说明书# 作品名称: 降速山地车避震前叉设计 作 者: 学 号: 1103020220 系 别: 装备制造系 专 业: 机械制造与自动化 指导老师: 专业技术职务 教师 中山火炬职业技术学院教务处制 页 1 中山火炬职业技术学院毕业项目 摘要 随着科技的发展，自行车文化也得到高速的发展，已经分支出公路自行车，山地自行车，越野公路车等。其中山地车又分支出普通山地车和降速山地车。作为一款山地车，前叉是整车科技含量最高的一个部件。前叉性能的好坏，直接决定一台车的价值。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。其中前叉又可分为基于弹簧回弹的弹簧叉，基于油阻尼的弹簧油叉，基于空气压缩弹簧的气叉等。我国虽然称为自行车生产王国，但在前叉的产品设计与国外先进水平存在很大差距。其中前叉设计涉及到大量计算和技术问题，为简化计算并且优化设计。本设计将借助SOLIDWORKS, CAD软件从模型出发设计一款降速车前叉，并利用数控车床，数控铣床生产部分零件。 关键词:数控编程 SOLIDWORKS 有限元分析 CAD 页 2 中山火炬职业技术学院毕业项目 摘要 ...................................................... 2 目录 ...................................................... 3 第一章 概论.............................................. 5 1.课题来源、目的、和意义............................................................................................. 5 2.山地车避震前叉技术概述............................................................................................. 5 3.阻尼概述 ....................................................................................................................... 6 4.材料的选择 ................................................................................................................... 6 第二章 避震原理设计 ...................................... 9 第三章 产品设计.......................................... 10 1.外形参考(来自互联网): ...................................................................................... 10 2.SOLIDWORKS辅助设计: ............................................................................................ 10 3.最终成品: ................................................................................................................. 11 4.转向盘受力校核: ...................................................................................................... 11 5.M8螺栓抗剪强度校核: ............................................................................................ 12 6.前轴: ......................................................................................................................... 12 7.小避震行程调节装置: .............................................................................................. 13 8.弹簧避震+空气阻尼: ................................................................................................ 13 9.空气弹簧系统: .......................................................................................................... 14 10.受力校核:................................................................................................................ 14 第四章:实际生产加工 .................................... 15 1.转向盘的加工: .......................................................................................................... 15 1.建模 ......................................................................................................................... 15 2.模拟刀路轨迹 .......................................................................................................... 15 3.高级仿真 ................................................................................................................. 16 4.实际加工: .............................................................................................................. 17 2.内气筒加工(数控车床加工): .................................................................................... 17 第五章:作品创意说明 .................................... 20 第六章:结论............................................. 21 谢辞 ..................................................... 21 页 3 中山火炬职业技术学院毕业项目 参 考 文 献.............................................. 21 页 4 中山火炬职业技术学院毕业项目 第一章 概论 1.课题来源、目的、和意义 1.课题来源:生产实践 2.目 的:通过SOLIDWORKS对该零件的设计，更加深刻理解CAM/CAD辅助加工技术的应用和设计步骤，加强对数控车，数控铣加工技能的应用能力和工艺的选择 3.意 义:此次山地车避震前叉毕业设计是一项综合应用的项目制作，包括三维软件辅助设计，CAD的应用，数控技术的应用，是大学所学知识的综合总结，理论与实践的结合，所以这次毕业设计对以后工作、学习都有重要意义。 2.山地车避震前叉技术概述 所谓避震前叉，就是有避震功能设计的前叉，为了让山地车骑行者在越野与颠簸的道路上骑行能有更舒适的骑行感受，因而有了避震前叉的出现。为了增加登山车在颠簸地形上的舒适性与操控性，第一支避震前叉RS-1由RockShox创始人PaulTurner于1989年正式推出，最早期RS-1避震前叉的设计理念，是借助于越野机车用避震前叉的结构与原理，当时的行程很短(约40mm)。发展至今，因应不同地形以及操控需求，避震前叉除了行程拉长许多(203mm)，更衍生出避震行程可调、避震软硬度可调、可锁死(省力状态)、回弹速度可调、压力可调、油气压混合以及线控等的功能设计， 总的来说，自行车是朝着美，轻，牢，新的方向发展，美是造型美观，华丽;轻则是轻材料的应用，除了传统的钢材作为生产材料，现在更多的是采用碳纤维，铝合金，镁合金，钛合金等新材料发展;牢则是在轻的基础上使用新材料达到重量尽量减小的目的，使整车更轻便，增加骑行舒适度;新则是功能新颖，功能新颖更多的是在避震前叉上的更新，增加了可锁死，行程可调，阻尼可调等各类功能。 前叉的工作顺序:遇到障碍物——避震系统被压缩——被压缩到到了极点——避震弹簧回弹到原来长度(回弹的速度受阻尼的影响)——弹跳系统工作结束。 页 5 中山火炬职业技术学院毕业项目 3.阻尼概述 前叉的避震系统通常包含两个部分:一个是弹簧(Spring)，主控避震行程的长短，一个是阻尼(Damper)，负责压缩(Compression)与回弹(Rebund)功能的控制。根据弹簧特性，其弹力的大小与其弹性系数K和被压缩或被拉伸长度(L-L0)有关，则其弹力计算为F=K(L-L0)，其中弹性系数与弹簧材料有关，是固定值，故弹力F与形变量成正比，为线形特性。此特性在山地车的应用是不利的，回弹力与压力相等，在大行程压缩时可能被弹飞。故必须加入阻尼装置来控制回弹速度。在山地车避震前叉常用的有基于控制空气流动速度原理的空气阻尼和基于阻尼油的油阻尼。 4.材料的选择 在山地车的应用材料中，除了已往使用的铝合金以外、还有铬钼钢、钛合金、碳纤维、镁合金等材料。还出现了不少用新材料制成的车架，如硬质涂层材料的应用。 1.拉伸强度:拉伸强度是指材料产生最大均匀塑性变形的应力，它反映了材料最大均匀变形的抗力 ，也称材料的抗拉伸强度。 拉伸强度对照表: 2.密度:单位体积的重量，密度决定工件重量的重要因素之一。故要使整车重量到达最轻，密度是设计时不可忽视的数据。 页 6 中山火炬职业技术学院毕业项目 主流材料的密度对照表: 材料名称 密度(g/cm^3) 材料名称 密度(g/cm^3) 铬钼钢(低合金7.9 铝合金 2.6-2.9 钢) 钛 4.5 钛合金 4.3-5.1 碳纤 (CFRP) 1.5-1.6 镁合金 1.7 综合分析: 铬钼钢(Fe-Cr-Mo): 铬钼钢的优点: (1).加工性好 (2).冲击的吸收性能好构成车架的铬钼钢管道有优异的吸收冲击的性能。 (3).焊接容易:铬钼钢比起钛、铝焊接容易。可以设计成名种形状。另外， 焊接后也不需要热处理，因此不需要大型的热处理设备，成本低。 (4).价格便宜 铬钼钢的缺点 (1).容易生锈 铬钼钢含有铬，但是添加量少(不锈钢含有12%的铬)的铁系合金。若没有 施有表面处理的话，有伤口时容易生锈。但是一般都有进行防锈加工。 (2).金属的疲劳显著(应力集中引起的金属疲劳) 铝合金(Al-Mg-Si,Al-Zn-Mg-(Cu)): (1).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，也会引起常温时效。 (2)长时间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。为什么不生锈呢,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 页 7 中山火炬职业技术学院毕业项目 理条件。 钛、钛合金(Ti,Ti-Al-V): 钛合金的优点 (1).重量而强度大: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。 钛合金的缺点 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。 碳纤维 (CERP): 碳纤维的优点: (1).可以制作重量轻的产品 碳纤维是把碳纤维对着发生应力的方向层层叠而得到强度。碳纤维非常轻，这是它的密度和强的拉伸强度构成的。 (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。 (3).可以制造各种形状的产品 碳纤维的基本成型是，在模具上铺上纤维片然后流入树脂并烧固。可以制成各种形状的车架。 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。 页 8 中山火炬职业技术学院毕业项目 第二章 避震原理设计 前叉的避震系统通常包含两个部分:一个是弹簧，主控避震行程的长短，可以由气压弹簧和合金钢压缩弹簧协同工作，另一个是阻尼，负责压缩与回弹功能的控制。阻尼就是改变避震冲底后弹起的速度.基本上都是改变回弹时液压油或空气回流的流速来控制回弹速度。 一般弹簧可分为线圈合金钢弹簧(螺旋弹簧)、气压弹簧，还有结合气压弹簧与阻尼油的油气压式弹簧。气压弹簧较轻量、维修较易，但较贵且技术性较高;若需要不同硬度的弹簧，不必更换弹簧，只需增加或减少气压高低即可。不过使用气压弹簧须有较精密的技术，因为高压必须完全密封，否则一旦漏气就丧失功能。 早期气压弹簧只有正气室的设计，尚无负气室，必须遇到一定程度的冲击才会让避震系统动作，实用性不高且性能不佳，因此才有负气室的设计来弥补缺失。 示意图: 总体设计:本设计采取3级避震设计，第一级负责短行程小载荷的避震，同时加入螺纹杆进行调节，使整个避震系统压紧，第二级为大行程大载荷的避震，采用较高的胡克系数比的弹簧，为较大行程的载荷提供避震，同时加入空气阻尼控制，控制回弹速度，从而实现阻尼效果，第三级为空气悬挂系统，正负气室避震。此三级系统协同工作，从而完成优秀的避震功能。材料采用铝合金6061，实际应用中可以进行热处理使用6061T4或7075. 页 9 中山火炬职业技术学院毕业项目 第三章 产品设计 1.外形参考(来自互联网): 根据已有的降速山地车前叉外形进行模仿设计，查阅相关资料得知，26寸山地车中管(前叉与车架连接部分)直径为28.575mm，其中车轮半径为330mm以上，则中间连接部分距离车轮安装孔距离至少在360mm以上，由于降速车的特殊使用场合，所以需要较大的避震行程，至少200mm以上。 2.SOLIDWORKS辅助设计: 1.转向盘的设计，以铝合金板块为基体材料，整体厚度设计为15mm，与避震管连接部分采用M8,M6螺栓锁紧，从而可以实现紧固连接，其部分设计尺寸如下图所示: 页 10 中山火炬职业技术学院毕业项目 3.最终成品: 4.转向盘受力校核: 材料使用铝合金6061，使用SOLIDWORKS插件SolidWorks Simulation进行有限元静态分析，在不加入螺栓的情况下对管壁添加各6500左右牛顿的压力，可以看到在断裂处有轻微的位移现象，但是加入螺栓连接后此小位移可以忽略不计。 页 11 中山火炬职业技术学院毕业项目 5.M8螺栓抗剪强度校核: 查询机械手册可知M8螺栓截断面积为36.6mm^2， 根据抗剪强度计算:,=F(Q)/A < [,]，其中取F(Q)为模拟受力6507N，A=36.6mm^2，得,= 90.27MPa，取螺栓许用切应力[,] = 100MPa，安全系数较高，故M8的螺栓抗剪强度符合设计要求。同时最小的M6螺栓查询机械手册可知8.8级的抗拉伸强度为800MPa，6.8级的为600MPa，此抗拉伸强度对于此类锁紧所需拉力完全胜任。 6.前轴: 前轴是前叉与车架的连接部分，主要承受来自横向的阻力，外径大小与车架相应的孔连接，外径为28.59mm，为26寸山地车前轴尺寸。壁厚为3mm，长度100mm，长度必须根据剜组的类型决定最终的长短。多余部分切割除去。实际加工中采用内径为25的铝合金管加工，由数控车床G90代码进行余量循环切削。 页 12 中山火炬职业技术学院毕业项目 7.小避震行程调节装置: 通过调节旋钮带动螺纹杆，来调节弹簧的被压缩量，可以调节小载荷的避震行程，同时压紧整个避震器，使整个内部结构紧凑。 8.弹簧避震+空气阻尼: 通过线径为3mm的弹簧承担主要的载荷和较大行程的避震，同时连接单向气筒，使得在回程的时候减小回弹速度，从而实现空气阻尼的作用效果。 页 13 中山火炬职业技术学院毕业项目 9.空气弹簧系统: 通过对正气室的压缩以及对负气室的拉伸，从而实现空气弹簧的避震，空气弹簧的优点是隔振效率很高，能实现高频率的隔振效果。 10.受力校核: 在整个系统中气筒连接杆是最脆弱部分，为10mm的圆柱体。那么是否能承受5000N的压力呢,我们使用SOLIDWORKS分析一下。分析结果如图:可以看到，并没有产生明显的位移。故已符合应用要求。 页 14 中山火炬职业技术学院毕业项目 第四章:实际生产加工 1.转向盘的加工: 1.建模 此类零件必须通过数控铣铣掉毛坯外沿，从而得到所需零件。通过CimatronE软件进行自动编程。我们采用CimatronE9.0进行仿真加工并自动生成代码。首先需要进行建模，毛坯采用205x110x15mm铝合金板，新建零件文件，进行草图编辑，进行拉伸15mm: 最终成果如图所示: 2.模拟刀路轨迹 以205x110x15mm的铝合金块毛坯进行仿真，铣刀为10mm，刀路轨迹共分为两步，第一步为对中间的镂空部分进行镂空铣削，第二步为原则目标工件外沿进行铣削，每部预留1mm的精加工余量，以4000转的速度进行精加工，从而得到 页 15 中山火炬职业技术学院毕业项目 光滑表面，最终得到所需工件: 3.高级仿真 进行高级仿真，可以看到刀路轨迹为所需轨迹，加工顺序完全正确，把代码 输入到数控铣床，从而完成工件的加工。 页 16 中山火炬职业技术学院毕业项目 4.实际加工: 2.内气筒加工(数控车床加工): 其CAD以及三维图如下图所示: 页 17 中山火炬职业技术学院毕业项目 采用数控车床进行加工，毛坯为直径35的铝合金棒。 0.装刀，并进行中心对正; 1.安装工件，并进行对刀; 2.编辑加工程序: G97 G99 M03 S1000; G00 X200 Z200; T0101;(45度切刀) M08;(开冷却液) G00 X35 Z5; G90 X35 Z-45 F0.15; X33; X31; X29; X27 Z-10; X25; X23; 页 18 中山火炬职业技术学院毕业项目 X21; X19; X17; X15; G00 X200 Z200; T0202;(外圆刀) G00 X30 Z-11; G01 X29; G03 X29 Z-14 R1.5 F0.1; G01 Z-16 F0.2; G03 X29 Z-19 R1.5 F0.1; G01 Z-31 F0.2; G03 X29 Z-34 R1.5 F0.1; G01 Z-36 F0.2; G03 X29 Z-39 R1.5 F0.1; G00 X200; Z200; T0303;(切断刀,刀口宽度为5mm) G00 X30 Z-20; S500; G01 X10 F0.2; G00 X30; Z-24; G01 X10; G00 X30; Z-25; G01 X10; G00 X200; Z200; M09;(关冷却液) M30;(程序结束) 3.输入代码，进行加工。 页 19 中山火炬职业技术学院毕业项目 第五章:作品创意说 明 如图所示，本次设计的避震前叉共有3个主要部分，其中压紧弹簧，线径为2.0mm，长度为100mm。 第二级为空气阻尼系统，由气筒装置连接压缩弹簧，压缩弹簧承受来自空气弹簧的反作用力，与空气弹簧共同承受来自车轮的作用力。 第三级为空气弹簧系统，共有两个活塞进行密封，两个活塞的间隙10mm加入足量的密封油进行油封，从而保证不漏气。底部连接气嘴，长时间使用需要进行打气或者根据气压的高低调节从而实现弹簧的硬度调节。 创意点:采用三级避震，对于小行程，小载荷的避震由一级避震系统承受，所以对于小载荷的避震有着更好的避震效果，也更能提高骑行舒适度。对于大行程的载荷，由二级避震系统实现，同时加入空气阻尼系统。从而在大行程的避震工作中，有着良好的回弹体验。不会被反作用力弹飞，接收的冲量较小。同时在大载荷的突然冲击中，首先由三级 避震过滤掉，由三级避震系统的反作用力传到二级避震系统，整个系统所受的冲 击较小。也能提高避震性能。增加骑行舒适度。 页 20 中山火炬职业技术学院毕业项目 第六章:结论 通过本次毕业设计，收获良多。从本次设计到加工，是整个大学所学知识的一次综合应用。从前期网上关于降速车前叉的资料收集，到结构设计的构思，再由SOLIDWORKS开始进行建模，修改等等。是一次知识的全面应用。第一次从事设计角色，出现了很多问题，其中尺寸，材料，结构的不断进行修改。同时也体会到设计并不是想象中那么简单，需要结合实际的加工条件，是否能加工，材料是否可以买到相应规格的材料。都需要在网上和机械设计手册中查询后再进行设计。同时通过数控铣，数控车，有限元分析，CAD绘图，CimatronE，自动编程等的交叉使用，提高了综合应用能力。同时也体验到了设计师的角色，设计自己喜欢的东西，是一件有趣并且非常有意义的事。 从本次毕业设计，明白了CAM辅助设计的重要性，通过SOLIDWORKS的设计，并且通过计算，模拟分析等等的实践应用。同时设计是不离实际的，需要加强实际加工能力，不断强化理论知识，才能为将来的机械设计师打下基础。 谢辞 即将离开学校的学习生活，进入工作岗位。大学生活学习了很多理论知识和操作技能，知识比较零散和没有实践基础。但学校提供给我们这次毕业设计，大大弥补了本省的缺陷。使自己的理论和实际应用能力得到结构化的加强，感谢学校～同时还要感谢我的指导老师，黄红兵老师。他不断督促和监督我们的设计制作进度，遇到问题时提供专业详细的指导，并提供相应的加工材料和加工所需的工具。 谢谢～ 参 考 文 献 [1] 丁俊健等编， 《机械设计基础》，北京师范大学出版社，2011 [2] 凌爱林编，《工程材料》， 天津大学出版社，2011 [3] 赵华等编，《数控机床编程与操作模块化教程》，清华大学出版社，2011 [4] 孙兵主编，《气液动控制技术》，科学出版社，2008 页 21