半岛·综合体育官网入口 降速山地车避震前叉的研究与开发.doc

中山火炬职业技术学院 作品描述 作品名称：降档山地车悬挂前叉设计 作者： 学号：1103020220 所在部门： 装备制造系 专业： 机械制造及其自动化 指导老师： 专业技术教师 中山火炬职业技术学院 教务处 摘要 随着科技的发展，自行车文化也得到了迅速的发展，衍生出公路车、山地车、越野公路车等，其中山地车又分为普通山地车和降档山地车。作为山地车，前叉是整车科技含量最高的部件，前叉性能的好坏直接决定了一辆车的价值。前叉部件受力属于悬臂梁性质，因此前叉部件必须具备足够的强度等性能。其中，前叉又可以分为以弹簧回弹为基础的弹簧叉、以油阻尼为基础的弹簧油叉、以空气压缩弹簧为基础的气叉。我国虽然被称为自行车生产王国，但是前叉的产品设计与国外先进水平相比还存在很大的差距。其中，前叉的设计涉及到大量的计算和技术问题，为了简化计算，优化设计。本次设计将利用SOLIDWORKS，CAD软件从模型开始设计一款降档前叉，并使用数控车床和数控铣床对部分零件进行加工。关键词：数控编程SOLIDWORKS有限元分析CAD目录摘要2目录3第一章绪论51.选题来源、目的、意义52.山地车悬挂前叉技术概述53.阻尼概述64.材料选择6第二章悬挂原理设计9第三章产品设计101.外观参考（来自网络）：102.SOLIDWORKS辅助设计：103.最终产品：114.方向盘受力校核：115.M8螺栓剪切强度校核：126.前轴：127.小减震行程调节装置：138.弹簧减震+空气阻尼：139.空气弹簧系统：1410.受力校核：14第四章实际生产加工151.方向盘加工：151.建模152.仿真刀路轨迹153.高级仿真164.实际加工作品：17 2.内筒加工（数控车床加工）：17 第五章：作品创意说明 20 第六章：结束语 21 致谢 21 参考文献 21 第一章绪论 1.课题来源、目的、意义 1.课题来源：生产实践 2.目的：通过SOLIDWORKS对零件的设计，更深层次的了解CAM/CAD辅助加工技术的应用和设计步骤，强化数控车床和数控铣削技能的应用能力和工艺方案的选择 3.意义：本次山地自行车悬挂前叉毕业设计是一个综合应用项目，包括3D软件辅助设计、CAD应用、数控技术应用，是对大学期间所学知识的全面总结，理论与实践相结合，因此本次毕业设计对今后的工作和学习有着十分重要的意义。

2、山地车避震前叉技术概述所谓避震前叉，就是带有避震功能设计的前叉。为了让山地车骑士在越野、颠簸的路面上有更舒适的骑行感受，避震前叉应运而生。为了增加山地车在颠簸地形上的舒适度与操控性，1989年，RockShox创始人Paul Turner正式推出了第一款避震前叉RS-1。最早的RS-1避震前叉的设计理念是借鉴越野摩托车用的避震前叉的结构与原理，行程在当时非常短（约40mm）。发展至今，因应不同的地形与操控需求，避震前叉不仅加长了行程（203mm），还衍生出避震行程可调、避震硬度可调、可锁定（省力状态）、回弹速度可调、压力可调、油气压混合、线控等功能设计。总体来说，自行车向着美观、轻便、坚固、新颖的方向发展。美观就是漂亮、华丽；轻便就是轻质材料的应用，除了传统的钢材作为生产材料外，现在更多的使用碳纤维、铝合金、镁合金、钛合金等新材料；坚固就是在轻便的基础上使用新材料，将重量降到最低，使整车重量减轻，增加骑行舒适度；新颖就是新颖，新颖更多的是悬挂前叉的更新，增加了可锁死、行程可调、阻尼可调等各种功能。前叉的工作顺序：遇到障碍物——悬挂系统压缩——压缩到极限——悬挂弹簧回弹至原长（回弹速度受阻尼影响）——弹起系统结束。

3、阻尼概述前叉的减震系统通常由两部分组成：一部分是弹簧，主要控制减震行程的长短；另一部分是阻尼器，负责控制压缩和回弹功能。根据弹簧的特性，其弹力的大小与其弹性系数K和压缩或拉伸的长度（L-L0）有关，因此其弹力计算为F=K（L-L0），其中弹性系数与弹簧材料有关，为定值，因此弹力F与变形量成正比，呈线性特性。这种特性对山地车的应用不利BOB半岛·体育在线登录，回弹力等于压力，在大行程压缩时可能会弹起，因此必须增加阻尼装置来控制回弹速度。山地车避震前叉常用的有基于控制气流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上，除了过去常用的铝合金外，还有铬钼钢、钛合金、碳纤维、镁合金等材料。还有不少采用新材料制作的车架，如硬质涂层材料的应用。1、抗拉强度：抗拉强度是指材料产生最大均匀塑性变形时的应力，它反映了材料抵抗最大均匀变形的能力，也叫材料的抗拉强度。抗拉强度对照表：2、密度：单位体积的重量。密度是决定工件重量的重要因素之一，所以为了尽量减轻整车重量，密度是设计时不可忽视的数据。主流材料密度对比表： 材料名称 密度（g/cm^3） 材料名称 密度（g/cm^3） 铬钼钢(低合金钢) 7.9 铝合金 2.6-2.9 钛 4.5 钛合金 4.3-5.1 碳纤维(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).加工性佳 (2).冲击吸收性能佳 组成车架的铬钼钢管，具有优异的冲击吸收性能。

（3）容易焊接：铬钼钢比钛、铝容易焊接，可设计成各种形状，加上焊接后不需热处理，所以不需要大型热处理设备，成本低。 （4）价格低廉 铬钼钢的缺点 （1）容易生锈 铬钼钢含有铬，但添加量少（不锈钢含铬12%），若无表面处理，有伤痕时容易生锈，但一般都会做防锈处理。 （2）金属疲劳显著（应力集中引起的金属疲劳） 铝合金（Al-Mg-Si、Al-Zn-Mg-(Cu)）： （1）铝比重轻但硬度不够，为增强其强度，故制成合金后进行热处理，热处理采用时效沉淀强化法。简单来说就是金属中生成一种阻碍金属变形的物质，在一定的高温下进行热处理时，就会产生时效析出，如果不进行这一过程，也会发生常温时效。 （2）长期使用外观变化不大。铝本身是一种容易腐蚀的金属，空气中几乎没有未氧化的铝，放在空气中就会立刻被氧化，形成一层很薄的氧化膜。为什么不生锈呢？原因是氧化膜达到一定程度后，会阻止进一步生锈。氧化膜几乎是无色的，所以外观上不容易发现变化（有时会变成白色）。 铝合金的缺点： 1).铝是弹性模量和刚性较低的材料。因此，多采用厚管，或改变形状如交叉管、加垫管等。

（2）必须进行热处理，不然强度不够，所以小规模工厂一般都无力购置热处理设备，尤其6000系列铝合金管，多数情况下管材生产厂家都会指定热处理条件。钛及钛合金（Ti、Ti-Al-V）：钛合金优点（1）轻巧坚固：纯钛金属强度较高，钛金属加入铝、钒元素后弹性更好（与铝相比），对设计也有好处。（2）防锈：钛在一般环境下几乎不腐蚀，但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结合在一起，成为电极，电位差造成局部带电腐蚀。钛合金缺点是价格昂贵，钛在自然界以二氧化钛形式存在，提取加工工序复杂，技术要求高，耗时长半岛·体育网站平台登陆，成本高。此外，焊接也极其困难，因为钛与氧有很强的亲和力，与空气接触后立即变成二氧化钛。二氧化钛硬而脆，此部位的强度会不断下降。因此，焊接时要小心使用惰性气体。钨极氩弧焊通常是使用钨电极和氩气进行电弧焊。钛的焊接必须在密闭的环境下进行。碳纤维（CERP）：碳纤维的优点：（1）。可生产轻量化产品。碳纤维是将碳纤维沿着应力方向堆叠起来，以获得强度而制成的。碳纤维很轻，这是由于它的密度大，抗拉强度强。（2）。具有良好的冲击吸收性。碳纤维用于制造残疾人运动用的假腿，或特殊的弹簧等，应用于各个领域。

（3）可制造各种形状的产品。碳纤维的基本成型方法是将纤维片铺在模具上，然后倒入树脂烧成，可制成各种形状的车架。碳纤维车架的缺点： （1）应力计算复杂 碳纤维车架采用碳纤维制成，具有抗拉强度大，但剪切强度弱的特点。加工时需进行复杂的应力计算（纵向刚度和横向刚度），并根据计算结果将碳纤维片搭接成型。 第二章 减震原理的设计 前叉的减震系统通常由两部分组成：一是弹簧，主要控制减震行程的长短，可由气弹簧、合金钢压缩弹簧等配合；一是阻尼，负责压缩和回弹功能的控制。阻尼是改变减震触底后的速度，基本上是靠改变回弹时液压油或空气回流的流量来控制回弹速度。一般弹簧可分为螺旋合金钢弹簧(螺旋弹簧)、气弹簧、气弹簧与阻尼油结合的油气弹簧。气弹簧较轻，维修较容易，但价格较贵，技术含量较高。若需要不同硬度的弹簧，不必更换弹簧，只要增加或减少气压即可。但气弹簧的使用需要更精进的技术，因为高压必须完全密封，否则一旦漏气就会失去作用。早期的气弹簧只有正气室设计，没有负气室，需要一定的冲击力才能使避震系统工作，实用性不强，性能较差，所以采用负气室设计来弥补不足。示意图：整体设计：本设计采用三级避震设计，第一级负责短行程、小载荷的避震，同时加装螺纹杆以供调整，使整个避震系统紧缩。第二级为大行程大载荷的减震器，采用较大Hook系数比的弹簧，为较大行程载荷提供减震，同时增加空气阻尼控制，控制回弹速度，达到减震效果；第三级为正负气室减震器的空气悬架系统。

此三层系统共同作用，达到优异的减震效果。材料为铝合金6061，实际应用中，可通过热处理使用6061T4或7075。 第三章 产品设计 1.外观参考（来自互联网）： 根据现有速降山地车前叉外观进行模仿设计，据相关资料，26寸山地车中管（前叉与车架连接处）直径为28.575mm，轮毂半径在330mm以上，中管连接部分到轮毂安装孔距离至少为360mm。由于速降车用途特殊，因此需要较大的减震行程，至少为200mm。 二、SOLIDWORKS辅助设计： 1.方向盘的设计，采用铝合金板为基材，整体厚度设计为15mm。与减震器管连接部分采用M8、M6螺栓锁紧，实现紧密连接，部分设计尺寸如下图所示： 3.最终产品： 4.方向盘受力验证： 使用材料为铝合金6061，采用SOLIDWORKS插件SolidWorks Simulation进行有限元静力分析。未加螺栓时对管壁施加约6500牛顿的压力，可见断裂处有微小位移，但加螺栓后这个小位移可以忽略。 5.M8螺栓剪切强度验证： 根据机械手册，M8螺栓截面积为36.6mm^2。根据抗剪强度计算公式：t=F(Q)/A[t]，其中F(Q)取模拟力6507N，A=36.6mm^2，t=90.27MPa，螺栓的许用剪应力[t]=100MPa，安全系数较高，因此M8螺栓的抗剪强度满足设计要求。

同时在机械手册里可以查到最小的M6螺栓，8.8级的抗拉强度是800MPa，6.8级的抗拉强度是600MPa，这个抗拉强度完全可以胜任这种锁紧方式所需要的拉力。6、前轴：前轴是前叉与车架的连接部分，主要承受侧向阻力，外径接在车架相应的孔位上，外径28.59mm，是26寸山地车前轴的标准尺寸，壁厚3mm，长度100mm，长度需根据切组类型确定，多余的部分切除，实际加工时采用内径25的铝合金管进行加工，数控车床G90代码进行多余循环切屑。 7、小减震行程调节装置：通过调节旋钮带动螺纹杆来调节弹簧的压缩量，既可以调节小载荷的减震行程，又可以同时压紧整个减震器，使整个内部结构紧凑。8、弹簧减震器+空气阻尼：采用丝径3mm的弹簧承担主要载荷，行程较大的减震器，同时连接单向气缸，降低回弹行程时的回弹速度，从而达到空气阻尼的效果。9、空气弹簧系统：空气弹簧减震是通过正气室压缩，负气室拉伸来实现的。空气弹簧的优点是隔振效率很高，可以达到高频隔振效果。10、受力验证：整个系统中，气缸连杆是最脆弱的部分，是一个10mm的气缸。那么它能承受5000N的压力吗？我们用SOLIDWORKS来分析一下。

分析结果如图所示： 可见没有产生明显的位移。因此已经满足了应用需求。 第四章：实际生产加工 1、方向盘的加工： 1、建模 此类零件需要通过数控铣削将毛坯外缘铣掉才能得到需要的零件。通过CimatronE软件进行自动编程，我们采用CimatronE9.0进行仿真加工及自动代码生成。首先需要建模，毛坯为205x110x15mm的铝合金板。新建零件文件，编辑草图，拉伸15mm： 最终结果如图所示： 2、仿真刀路轨迹 对205x110x15mm的铝合金块毛坯进行仿真，铣刀为10mm，刀路轨迹分为两步，第一步将中间镂空部位铣掉，第二步铣掉原则目标工件的外缘。每个零件预留1mm的精加工余量，以4000转的转速精加工，以获得光滑的表面，最后得到想要的工件： 3、高级模拟 进行高级模拟，可以看到走刀轨迹为要求的轨迹，加工顺序完全正确，将代码输入数控铣床，完成工件的加工。 4、实际加工： 2、内筒加工（数控车床加工）： 它的CAD和3D图如下图所示： 采用数控车床加工，毛坯为直径35的铝合金棒。 0.安装刀具并找正中心； 1、安装工件，找正刀具； 2、编辑加工程序： G97 G99 M03 S1000; G00 X200 Z200; T0101;（45度刀）M08；（开冷却液）G00 X35 Z5； G90 X35 Z-45 F0.15; X33; X31; X29; X27 Z-10; X25; X23; X21; X19; X17; X15; G00 X200 Z200; T0202; (外切刀) 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;(切刀，刀刃宽度为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;(关闭冷却液)M30;(程序结束)3.输入代码，开始加工。

第五章 作品创意描述 如图所示，本次设计的减震前叉主要有3个零件，包括压缩弹簧，线径2.0mm，长度100mm。第二级为空气阻尼系统半岛·体育中国官方网，通过气缸装置与压缩弹簧相连，压缩弹簧承受来自空气弹簧的反作用力，与空气弹簧一起承受来自车轮的力。第三级为空气弹簧系统，有两个活塞用于密封，两个活塞之间的间隙为10mm，并加入足量的密封油进行油封，确保不漏气。底部连接气嘴，长期使用需要充气或调节气压来调整弹簧的软硬程度。创意点：采用三级减震器，对于小行程、小载荷，减震器由一级减震系统承担，因此对于小载荷有更好的减震效果，也能提高骑行舒适度。对于大行程载荷，则是以二级减震器系统来实现，同时加入了空气阻尼系统，因此在大行程的减震器工作中有很好的回弹感受，不会因为反作用力而反弹，受到的冲量较小。同时在大载荷的突发冲击中，先被三级减震器过滤掉，三级减震系统的反作用力会传递到二级减震系统，所以对整个系统的影响比较小，也能提升减震性能，增加乘坐舒适度。第六章：结束语通过这次毕业设计，自己收获颇多，从这次设计到加工，是大学期间所学知识的综合运用，从早期在网上收集减速车前叉的资料，到构思结构设计，再到开始用SOLIDWORKS进行建模、修改，是知识的综合运用。第一次从事设计工作，遇到很多问题，包括尺寸、材质、结构的不断修改，同时也意识到设计没有想象中那么简单，需要结合实际的加工情况，能不能加工，材料是否合适等