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运动自行车结构尺寸的计算机参数化设计
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  • 更新时间:2014-09-26
  • 发 布 人忘川秋水
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  • 随着中国经济的快速发展和城市化进程的加快,汽车已经进入寻常百姓家,由此带来的城市道路拥堵、能源短缺、环境污染等问题越来越严重。与此同时,人们对健身、娱乐、休闲的要求不断提高,更加渴望拥有绿色环保的生活环境。在这种状况下,自行车以其占用空间孝灵活方便、适应性强、造价低廉、经济耐用、绿色环保和便于维修等特点,重新受到人们的青睐,发展迅速。

    我国是自行车的生产和消费大国,曾经的三酵(凤凰、永久、飞鸽)-统天下,风光无限,但随着人们生活水平的提高,自行车已经从传统意义的代步载货工具向休闲、娱乐、健身、旅游等方向发展。如何设计出结构更加合理、新颖时尚、使用方便、符合人体工学原理的运动型自行车成为行业的发展趋势。

    1 运动自行车的组成、分类和设计思路1.1 运动自行车的组成根据运动自行车各零部件的工作特点不同,运动自行车由传动系统(脚蹬、曲柄、链条和后轮等)、导向系统(车把、前轮、前叉和车座等)和制动系统(车闸)组成。运动 自行车的组成参见图1。

    1.2 运动自行车的分类运动自行车的分类方法很多,按照运动型自行车的用途不同可以分为山地、越野、极限、速降、绕标、自 由骑、攀爬等等。按照车架的性能不 同分为:硬尾车 图1 运动自行车的组成架、软尾车架、全减震车架等。各种不同类型的自行车由于骑行者身材不同、使用环境不同,对自行车具体要求各不相同,因此,具体在设计自行车时,设计参数多,考虑的影响因素多,涉及尺寸变化大,给运动自行车的个性化设计带来了很多困难。

    1.3 运动自行车设计思路传统自行车设计耗费大量的人力、物力和财力,设计周期长,效果差。尤其对于运动型自行车的设计,其使用条件特殊,具体要求各不相同,多数情况下是在比较恶劣的条件下使用,大幅度的振动和跳跃收稿日期:2013-01.15作者简介:刘书华(1964-),男,山东省青岛市人,西安航空学院副教授,主要研究方向为机械设计、工程力学。

    陕西理工学院学报(自然科学版) 第29卷动作,要求自行车具有较高的动态性能和舒适性。因此,传统的自行车设计方法在山地车设计中存在很大的局限性。

    由于力量、速度和用途的不同,对运动自行车的结构以及舒适性要求也就各不相同,标准化、批量生产已不再是唯-的生产方式。个性化设计、根据人体尺寸量身定做已逐渐成为当前运动自行车设计的流行趋势。运动 自行车中最为重要的零部件是车架,车架结构尺寸与自行车的用途、骑行者的身体尺寸、骑行的路况、车架的材质、车架的几何尺寸以及制造加工工艺等因素有关,直接关系到骑车者自身的身体素质(身高、腿长、上臂长等)和技术(耐力、爆发力等)的发挥。

    对于某-类型的自行车来说,它的基本结构基本上是固定不变的,不同的是产品的结构尺寸有所差异,而结构尺寸的差异是由于人体尺寸和具体使用要求不同造成的,运动自行车的这些特点使其非常适应利用参数化设计方式进行个性化设计。图2是运动 自行车参数化设计系统框架图,随着计算机技术、信息处理技术、现代制造设计技术的不断完善,为运动自行车的参数化研发、设计、制造提供了-种全新的解决方案。

    2 运动自行车设计相关数据库的建立图2 运动 自行车参数化设计系统框架图2.1 人体尺寸库的建立运动自行车作为代步和娱乐健身工具,其结构设计必然要考虑骑行者的身体特征,传统的自行车设计-般是按照西方人体尺寸来设计的,无法满足中国人的需要,因此根据《中国成人人体尺寸》(GB10000-88)相关数据,采集与自行车设计有关的相关人体数据,为个性化设计提供数据支持。

    与运动自行车设计有关的人体尺寸包括:大腿长度(身体直立,两脚相隔十公分,人体裆部至地面的距离)、身长(锁骨之间V字型槽底部至人体裆部之间的距离)、臂长(水平站立,手臂平伸,掌心向前,测量从虎口到肋骨所在平面的距离)、肩宽(直立,双臂放松,测量肩关节处的距离)等,以此作为人体尺寸参数的主要数据进行数据库的建立。

    2.2 自行车零件库的建立由于自行车设计标准化程度低,零部件个数多以及对自行车的用途、要求千变万化,尺寸大小不同、约束限制条件不同等给自行车设计带来很多麻烦,但对于某-类型的自行车而言,其结构大体相同,只是尺寸有所差别,建立-系列描述运动 自行车设计参数和尺寸参数之间的方程,形成运动自行车零件库,按照不同的设计要求调用相关的零件库,通过对相应的零件给定不同的尺寸大小,形成系列化、标准化零件库,从而提高自行车设计的效率,为产业化生产提供保障。

    自行车零件库包括:车架、车把、前叉、车轮、曲柄、飞轮、链条以及制动系统等相关零件库,各零件库按照自行车的用途、类型不同分别建库,形成系列化零件库,以供设计时调用。

    2.2.1 车架零件库由于自行车是依靠人体自身的力量和骑行技巧来运行的,自行车车架承担了骑行过程中的各种载荷冲击,很多其他的零部件通过车架连接在-起,因此,自行车车架是自行车最为核心的关键部件之-,最大程度地决定并影响着自行车整体的性能∑学合理的自行车车架的结构尺寸,可以有效地减少行驶的阻力,提高人体骑行姿势的舒适性和正确性,保证自行车整体的安全性。运动自行车车架各管的长度、相互之间的角度以及焊接加工工艺等因素,直接影响自行车整体的力学性能。

    2.2.2 前叉零件库前又是自行车转向操纵装置,上端通过首管与车把相连,下端与转向前轮的轴相连。前叉和车把组第3期 刘书华,焦林 运动自行车结构尺寸的计算机参数化设计成的转向装置,在自行车的导向操控性能和保持 自行车平衡等方面起着重要的作用。由于自行车前叉的受力情况属于典型的悬臂梁,因此前叉必须具有较高的强度、刚度和良好的结构形式。

    2.2.3 车把零件库自行车的车把主要用于改变自行车行驶的方向,并在自行车运动过程中起着保持其平衡的作用,通过对车把上安装的制动系统的操作,实现自行车的制动。自行车车把的设计选择可以根据自行车的用途来确定。运动自行车可以优先选择下垂把和平把,休闲娱乐则可以选择上翘把和u型把。

    3 自行车车架结构的参数化设计自行车车架结构尺寸设计包括各管长度和角度设计,图3为自行车车架结构尺寸示意图,其中各管尺寸大小以及相互之间的夹角决定着运动自行车整体的性能。

    3.1 前管(首管)长度前管与 自行车的前叉相连,前管的长短 以及和上、下管之间角度的大婿定 自行车的操控性能和稳定性,对 自行车车架的结构设计有直接的关系。自行车前管的长度E-般在80~220 mm之间,具体尺寸大猩以根据使用要求的不同进行选择确定。

    3.2 上管长度上管的长度-方面决定着 自行车的骑行空间大小,另-方面决定着 自行车的力学性质。上管的长度如果较大,骑行者有较大的活动空间,骑行的舒适性提高,但影响人体力量的发挥。上管长度过小,对于骑行会产生-定的负面影响。因此上管的尺寸范围 0 、1l/ 丫. F- l G图3 自行车车架结构示意图必须在-定的范围之内,即让手臂可以自然的伸展握到车把上,并且让车把和膝盖之间保持合适的距离(-般 1O~15 cm左右)。在上管长度基本满足要求的前提下,结合表1中的推荐值,再根据车把的高低、鞍座前后位置的调整弥补上管长度的不足,以满足不同尺寸人体的需要,达到自行车设计以人为本的理念。

    上管长度可以通过经验公式进行初步估算:DL ,其中 为腿长,K为上管长度修正系数,Kl0-15 cm,再结合下面的公式(1)来最终确定 ,D , (1)其中 为人体身长, 为手臂长度。上述公式中,考虑人体工学原理,手臂与上身之间的夹角以55。最为舒适,这样充分发挥人体的潜力,避免人体疲劳和运动损伤,达到最佳的骑行效果。

    表 1 上管长度与人体身高推荐表 (单位:cm)3.3 立管长度立管长度决定自行车车架的大小,我们通常所说的自行车尺寸实际上就是指立管的尺寸大小,例如:符号 PM 599 x510中,P是指普通自行车,M是指男式车架,599 mm为后轮直径,510 mm为自行车立管的长度。立管的长度A-般是由人体的腿长和曲柄长度 来 决定的。立管长度可以根据以下公式来确定 :- Q≤A≤ -R, (2)AL-/zLD, (3)其中:R为车轮半径, 1.618-1.8为立管长度系数,山地自行车 1.8,公路自行车 1.618,公路车架(立管)尺寸AL×0.618(cm), (4)山地车架尺寸A(L×0.67-11.0)×0.394(英寸), (5)陕西理工学院学报(自然科学版) 第29卷根据以上公式,通过数据库对数据的筛选,可以确定立管尺寸的大小范围,另外 ,也可以用最简单的方式,即人体正常坐在自行车的鞍座上,腿长减去20~30 cm就是立管的长度。

    在自行车国家标准GB3568-1983中,立管的长度应在280-635 mm的范围内选取,并且末位数字- 般选取5或O的整数倍,大多数运动自行车立管的长度-般在 470-620 mm之间,共计 8个或 l6个尺寸单位可供选择。量产自行车车架按照每2 cm-个尺寸,高级订制自行车每 1 em为-个尺寸。以英寸为标准的西方国家,每O.5英寸为-个尺寸,基本上可以满足人体尺寸的要求。

    3.4 曲柄长度曲柄长度虽然和自行车车架的结构尺寸设计不是直接相关,但曲柄的长度决定 自行车车架中轴的位置,与自行车的整体空气阻力大型骑行的舒适性有直接关系。曲柄长度的大小,-方面决定 自行车与地面的距离,另-方面决定自行车骑行过程中扭矩的大校曲柄长度和骑行者的身高有直接的关系,通常与腿长和使用者的发力习惯有关。曲柄长度短,蹬踏的圆周小,蹬踏频率提高,可以顺利通过曲柄的上、下死点,减少死点对膝盖的损伤,但太短的曲柄会出现踩踏力矩小,身体的大、小腿无法伸展,会造成膝盖和肌肉的不适,影响力量的充分发挥。反之,曲柄长度大,通过较小蹬踏力使曲柄产生的力矩相应提高,再结合较高的轮齿比,可以达到省力和提高自行车运动速度的目的,但这种情况下,会导致膝盖的压力增大,造成对膝盖软骨组织的抽筋或损伤,因此,必须合理选择曲柄的长度。

    曲柄的长度可以根据人体的身高,大腿和小腿的比例来确定,-般情况下,曲柄长度可以按照以下公式确定:LQ:S/IO, (6)LQD/(2~10), (7)其中s为身高,单位:mm;D为轮径,单位:cm。在公式(6)中,中国人可以将计算结果缩短5~15mm。

    按照公式(6),(7)可以确定曲柄长度,并结合曲柄长度和人体腿长的推荐数据表2,确定曲柄最终的尺寸大校表2 运动自行车车架尺寸、腿长、身高和曲柄长度推荐数据库注:曲柄长度推荐数值(ram):130-220 mm,末位数-般为 0或 5,例如:130/135/140等3.5 前管角度前管的角度 是指将前管的上、下部分中心连线与通过自行车中轴水平方向所夹的角度。B决定自行车的操控灵活性和与生俱来的稳定性。头管的角度-般在 65。-75。之间,具体可以根据其他条件来确定,常见运动自行车头管的角度为71。和73。两种,也可以根据具体的要求设计个性化的头管角度。

    头管角度较大,直挺的车头角度让前叉滑动方向更垂直,前叉对比较小的撞击和低速时的振动会更加敏感,自行车整体结构较僵硬,灵活性强而稳定性差些,自行车整体的舒适程度欠佳。头管角度较小,在受到冲击和剧烈制动时,自行车不会有车头下沉的情况,抗冲击的性能好,自行车直线行驶时,自行修复能力较强,稳定性好,但灵活性相对较差。

    3.6 座管角度座管角度c是指座管与后下叉之间的夹角,该角度决定着运动自行车骑行者的体重在前、后两轮之间的重心均衡分配。座管的角度-般在65。-75。之间,考虑到运动自行车的舒适性要求,-般座管角度应比头管角度略大-些。具体座管角度大小的选择还可以通过微调做相应调整。身高和腿长的骑行者,重心会落在后轮,影响骑行的速度,在这种情况下,-方面可以适当调高座位的高度或选择较长的曲柄,使身体的重心前移,减少车轮的循迹贴地性。另-方面还可以通过选择不同的车把宽度、高度、脚踏的大小等作相应的调整,以保证具体的要求。

    第3期 刘书华,焦林 运动自行车结构尺寸的计算机参数化设计3.7 中轴的位置中轴的位置决定自行车车架距离地面的高度。中轴位置高,则自行车的越野性能好,更加适合路面状况较差的情况下使用,例如山地车中的越野车、自由骑和攀爬车等均属于这种情况。反之,中轴位置较低,骑行的空气阻力小,更加适合对速度有特殊要求的诚,例如场地运动车等。

    中轴的位置-般可以按照前、后轮应在同-高度的要求,-般而言,中轴距地面的距离应为运动 自行车车轮的半径,其尺寸范围在230~320 him之间,并且满足式(8),(9)的条件:中轴与前轴之间的距离/中轴与后轴之间的距离 3/2, (8)H LQ /300(mm), (9)式(8)中,运动自行车前后轮之间的距离为100~130 em;式(9)中日为中轴高度,表示中轴位置修正系数,取值范围在90~100之间,式(9)是以26寸自行车车轮半径300 mm作为标准推导的,具体可以根据不同的车轮直径做相应的调整。-般而言,如果要求自行车的越野性能好,可以取大值,而对自行车运动的速度要求高则取小值。

    4 结束语针对传统自行车设计不支持草图设计、不支持全部设计过程、缺乏对所有不同零部件关系的表示、不能随时进行修改和系列化,以及运动自行车的结构设计理论和设计方法不够完善,车架结构尺寸的标准化程度不高等设计缺陷,通过建立人体数据库、自行车零件库以及自行车结构尺寸库,采用开放式的系统管理拈对数据进行补充、修改、维护和完善,充分利用参数化设计的优势,在满足不同约束条件下,自动生成运动自行车车架结构三维实体模型,通过菜单方式,利用第三方软件对数据库相关数据进行修改,实现全尺寸约束,全数据相关,以尺寸驱动的全新设计方法,为个性化设计、提高设计效率、量身定制运动自行车提供-种方便快捷的设计方法。

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