半岛·BOB官方网站 降速山地车避震前叉设计.doc

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1.中山火炬职业技术学院毕业设计第1页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院系装备制造系专业机械制造及其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编制中山火炬职业技术学院毕业设计第2页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，前叉是整车中技术含量最高的部件，前叉的性能好坏直接决定了一辆车的价值，前叉部件的受力状态为悬臂梁状态，所以前叉部件必须具备足够的强度等性能。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、基于空气的弹簧叉。

2、带压缩弹簧的气叉等。我国虽然被称为自行车生产王国，但前叉的产品设计与国外先进水平还存在很大的差距。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和CAD软件，在模型的基础上设计一款下坡车前叉，并使用数控车床和数控铣床生产部分零件。关键词 CNC编程 SOLIDWORKS 有限元分析 CAD 中山火炬职业技术学院毕业设计 第3页 目录 摘要 2 目录 3 第1章 引言 51 课题来源、目的及意义 52 山地自行车悬架前叉技术概述 53 阻尼概述 64 材料选择 6 第2章 减震原理设计 9 第3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 方向盘受力验证 115 M8螺栓防

3.剪切强度校核126前桥127小减震器行程调节装置138弹簧减震器空气阻尼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172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中山火炬职业技术学院毕业设计第4页参考文献21中山火炬职业技术学院毕业设计第5页第一章绪论1选题来源、目的、意义1选题来源生产实践2目的通过用SOLIDWORKS进行零件设计，加深对CAM/CAD辅助加工技术的应用及设计步骤的了解，提高数控车床加工的应用能力及工艺选择车床和数控铣床加工技能将得到加强3意义本次毕业设计山地自行车悬挂前叉是一个综合应用

4.本次项目制作用到的内容包括3D软件辅助设计、CAD的应用、数控技术的应用，是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以后的工作和学习有着十分重要的意义。2山地车悬挂前叉技术概述所谓悬挂前叉，就是带有减震功能设计的前叉。为了让山地车骑行者在越野和颠簸的路面上有更加舒适的骑行感受，悬挂前叉便应运而生。为了增加山地车在颠簸地形上的舒适性和操控性，1989年ROCKSHOX创始人PAULTURNER正式推出了第一款悬挂前叉RS1。最早的RS1悬挂前叉的设计理念是借鉴越野摩托车的悬挂前叉的结构和原理，当时的行程很短（约40MM）。发展到今天，为应对不同的地形和操控需求，避震前叉不仅加长了行程，还具备了不少其他的特性。

5.（203MM），并衍生了可调避震行程、可调避震硬度、可锁定（省力状态）、可调回弹速度、可调压力、油气混合加线控等功能设计。总体来说，自行车向着美观、轻便、坚固、创新的方向发展。美观就是美观华丽的外观；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，现在更多的采用碳纤维、铝合金、镁合金、钛合金等新材料；坚固就是在轻便的基础上采用新材料，尽量减轻重量，使整车更轻，增加骑行舒适度；创新就是新功能，新功能更多的是避震前叉的更新，增加了可锁定、可调行程、可调阻尼等各种功能。前叉的工作顺序是：遇到障碍物，避震系统压缩，压缩到极限，避震弹簧回弹到原长（回弹速度受阻尼影响）弹跳系统的工作结构

6. 横梁。中山火炬职业技术学院毕业设计第63页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（SPRING），主要控制减震行程的长度；另一部分是阻尼器（DAMPER），负责控制压缩（COMPRESSION）和回弹（REBUND）功能。根据弹簧的特性，其弹力的大小与其弹性系数K和压缩或拉伸长度LL0有关，则其弹力计算为FKLL0，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。此特性对山地车的应用不利，回弹力等于压力，在大行程压缩时可能会弹起，因此必须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空气流速原理的空气阻尼和基于阻尼油的油阻尼。4 山地车避震前叉的材料选择

7、应用材料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。还有许多新材料制成的车架，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，也称为材料的抗拉强度。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，为了使整车重量达到最轻，密度是设计时不可忽视的数据。中山火炬职业技术学院毕业设计第7页主流材料密度对比表材料名称密度G/CM3材料名称密度G/CM3铬钼钢低合金钢79铝合金2629钛45钛合金4351碳纤维CFRP1516镁合金17铬钼钢（FECRMO）综合分析铬钼钢优点1加工性能好2冲击

8、减震性能佳。组成车架的铬钼钢管，减震性能优良。 3、容易焊接。铬钼钢比钛、铝更容易焊接，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、便宜 铬钼钢的缺点 1、容易生锈。铬钼钢含有铬，但添加量少。不锈钢是含铬12%的铁基合金，若没有表面处理，有伤痕时容易生锈，但一般都会做防锈处理。 2、金属疲劳。应力集中明显引起的金属疲劳。 铝合金（ALMGSI、ALZNMGCU） 1、铝比重轻，但硬度不够，为增强其强度半岛·BOB官方网站，制成合金，再进行热处理。热处理采用时效沉淀强化法，简单来说就是在金属中形成一种阻碍金属变形的物质半岛·BOB官方网站，在一定的高温下进行热处理就会产生时效沉淀，如果不进行这一过程

9、顺序，在常温下也会造成老化。2、长期使用外观变化不大。铝本身是一种非常容易被腐蚀的金属，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，就阻止了进一步生锈。氧化膜几乎是无色的，所以外观上不容易发现变化，有时会变白。铝合金的缺点1、铝是弹性模量小，刚性小的材料，所以要用厚管，或者改变形状如CROSSOVER管，PADDED管等。2、需要热处理，必须进行热处理，否则强度不够，所以一般小规模工厂无力购买热处理设备。特别是6000系列铝合金管，多数情况下，管材生产厂家都会规定热处理条件。钛、钛合金（TI、TIALV钛合金

10、优点 1、轻便坚固。纯钛金属强度较高，在钛金属中添加铝、钒等元素，使其比铝更有弹性，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，当不同种类的合金结合在一起时，它们就成为电极，电位差就会引起局部带电腐蚀。 钛合金的缺点是价格昂贵。钛在自然界中以二氧化钛的形式存在，提取加工过程复杂，技术要求高，而且耗时，所以成本高。另外，由于钛对氧有很强的亲和力，焊接难度极大，与空气接触后，立即变成二氧化钛，而二氧化钛硬而脆，这部分的强度会不断下降。所以焊接时要小心使用惰性气体。所谓TIG焊接，就是TIG钨和惰性气体的简称。电弧焊采用钨电极和氩气进行。钛焊接必须在密闭环境中进行。碳纤维（

11、CERP碳纤维的优点 1、可以制成轻量化的产品。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，这是由于它密度大，抗拉强度强。 2、冲击吸收性好。碳纤维用来制作残疾人运动用的假肢，或者特殊的弹簧等，应用于各个领域。 3、可以制成各种形状的产品。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。可以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，其特点是抗拉强度大，但剪切强度弱。加工时需要进行复杂的应力计算。计算纵向刚度和横向刚度，并将碳纤维片重叠成型。中山火炬职业技术学院毕业设计 第9页 第二章 减震设计原理 前叉的减震系统通常由两部分组成，一是弹簧，控制减震的作用。

12、行程长短可由气弹簧与合金钢压缩弹簧共同作用来控制，另一个就是阻尼，负责压缩与回弹功能的控制。阻尼就是改变避震器触底后回弹的速度，基本上就是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、以及气弹簧与阻尼油相结合的油气弹簧。气弹簧重量较轻，维修较容易，但价格较贵，技术要求较高；若需要不同硬度的弹簧，则无须更换弹簧，只要增减气压即可。不过气弹簧的使用需要较复杂的技术，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的设计，没有负气室。必须遭遇到一定程度的冲击，避震系统才会启动，实用性不强，且效能不佳，所以采用负气室设计来弥补不足。

13.整体设计示意图。本设计采用三级减震设计，第一级负责短行程小载荷的减震，同时增加螺纹杆进行调节，使整个减震系统压缩。第二级负责大行程大载荷的减震，采用Hook系数比值较高的弹簧，对较大的行程载荷提供减震，同时增加空气阻尼控制，控制回弹速度，达到减震效果。第三级为正负气室的空气悬架系统，起到减震作用。此三级系统相互配合，达到良好的减震功能。材料为铝合金6061，实际应用中，热处理后可采用6061T4或者7075。中山火炬职业技术学院毕业设计第10页第三章产品设计1外观参考（来自网络）根据现有降档山地车前叉外观进行模仿设计，经查阅相关资料得知，26寸山地车中管前叉与车架连接处直径为28575MM，其中轮毂半轴

14、如果直径超过330MM，中间连接部分与车轮安装孔之间的距离至少要有360MM。由于减速车的特殊用途，需要更大的减震器行程，至少要有200MM。2SOLIDWORKS辅助设计1方向盘的设计采用铝合金板作为基材，整体厚度设计为15MM，与减震管的连接部分采用M8、M6的螺栓锁紧，实现紧密连接，其部分设计尺寸如下图所示。中山火炬职业技术学院毕业设计第113页最终产品4方向盘受力验证材料采用铝合金6061，利用SOLIDWORKS插件SOLIDWORKS SIMULATION进行有限元静力分析。在不加螺栓的情况下，对管壁施加约6500牛顿的压力。可以看出，断口处有轻微位移，但螺栓的增加

15、连接后的这小段位移可以忽略不计。中山火炬职业技术学院毕业设计第125页M8螺栓剪切强度验证查机械手册可知M8螺栓的截面积为366MM2，根据剪切强度计算公式FQ/A，式中FQ取为模拟力6507N，得A366MM2，9027MPA，螺栓的许用剪应力取100MPA。安全系数比较高，因此M8螺栓的剪切强度满足设计要求。同时在机械手册中查询最小的M6螺栓，得知88级的抗拉强度为800MPA，68级的为600MPA，这个抗拉强度完全能够胜任这种锁紧类型所需要的拉力。6前轴前轴是前叉与车架的连接部位。主要承受侧向阻力，外径接在车架相应孔位，外径2859MM，是26寸山地车前轴标准尺寸，壁厚3MM，长度100MM。

16、最终长度必须根据切割组类型确定，将多余的部分切除，实际加工时采用内径25的铝合金管，用数控车床G90代码进行多余循环切割。中山火炬职业技术学院毕业设计第137页小型减震器行程调节装置通过调节旋钮带动螺纹杆调节弹簧的压缩量，可以调节小载荷的减震器行程，使整个减震器压缩，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，承受主要载荷，行程较大的减震器。同时连接单向气缸，降低回程时的回弹速度，从而达到空气阻尼的效果。中山火炬职业技术学院毕业设计第149页空气弹簧系统通过压缩正气室，拉伸负气室来实现空气弹簧的减震。空气弹簧的优点是隔振效率很高，可以达到很高的频率。

17.率隔振效果。 10 受力验证 气缸连杆是整个系统中最脆弱的零件，它是一个10MM的气缸，那么它能承受5000N的压力吗？我们利用SOLIDWORKS对其进行分析，分析结果如图所示，没有产生明显的位移，因此满足使用要求。 中山火炬职业技术学院毕业设计第15页 第四章实际生产加工 1 方向盘的加工 1 建模 这类零件要通过CNC铣削掉毛坯外缘，才能得到需要的零件。 通过CIMATRONE软件自动编程。我们利用CIMATRONE90进行仿真加工和自动代码生成。首先需要建模。毛坯采用205X110X15MM的铝合金板。新建零件文件，编辑草图半岛·BOB官方网站，拉伸15MM。最终结果如图2所示，模拟205X110X15MM的刀具路径轨迹

18、对铝合金块毛坯进行模拟，铣刀为10MM，走刀轨迹分为两步，第一步将中间镂空部分铣出，第二步铣出目标工件外缘，每部分预留1MM的精加工余量，以4000rpm的转速进行精加工，得到光滑的表面中山火炬职业技术学院毕业设计第16页，最后对所需工件进行3级模拟。可以看出走刀轨迹为所需轨迹，加工顺序完全正确，将代码输入数控铣床，完成工件的加工。中山火炬职业技术学院毕业设计第174页 实际加工 2 内筒加工 数控车床加工 其CAD及3D图如下图所示 中山火炬职业技术学院毕业设计第18页 采用数控车床加工，毛坯为直径35的铝合金棒。 0 安装刀具并进行中心对位 1 安装工件并进行刀具校准； 2 编辑添加

19.工艺G97G99M03S1000G00X200Z200T010145度铣刀M08开冷却液G00X35Z5G90X35Z45F015X33X31X29X27Z10X25X23中山火炬职业技术学院毕业设计第19X21X19X17X15G00X200Z200T0202外圆刀G00X30Z11G01X 29G03X29Z14R15F01G01Z16F02G03X29Z19R15F01G01Z31F02G03X29Z34R15F01G01Z36F02G03X29Z39R15F01G00X200Z200T0303割刀，刃宽为5MMG00X30Z20S500G01X10F02G00X30Z24G01X

20、10G00X30Z25G01X10G00X200Z200M09关冷却液M30程序结束3输入代码进行处理。中山火炬职业技术学院毕业设计第20页第五章创意作品描述如图所示，本次设计的减震前叉，主要有3个部分，包括压缩弹簧，其丝径为20MM，长度为100MM。第二级为空气阻尼系统，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，并与空气弹簧一起承受来自车轮的作用力。第三级为空气弹簧系统，它有两个活塞用于密封，两活塞之间间隙为10MM，并加入充足的密封油进行油封，保证不漏气。底部与气嘴相连。如需长期使用，需充气或根据气压大小调节弹簧软硬程度，创意点在于采用三级避震，适合行程小，载重量小的情况。

21、减震是由一级减震系统承担的，所以对于小载荷有较好的减震效果，也能提高乘坐舒适度。对于大行程载荷，则由二级减震系统来实现，并增加了空气阻尼系统，这样在长行程的减震工作中有很好的回弹感受，不会被反作用力弹走，受到的冲量小。同时在大载荷的突然冲击中，先被三级减震滤除，三级减震系统的反作用力传递到二级减震系统，对整个系统的影响小，也能提高减震性能，提高乘坐舒适度。中山火炬职业技术学院毕业设计第21页第六章结语通过这次毕业设计，收获颇丰，从这次设计到加工，是整个大学期间所学知识的一次综合运用。从早期在网上收集速降车前叉的资料，到构思结构设计，之后开始用SOLIDWORKS进行建模、修改等。

22. 是知识的综合应用。第一次从事设计工作，出现了很多问题，包括尺寸、材料、结构的不断修改，同时也意识到设计没有想象的那么简单，需要结合实际的加工情况，是否可以加工，材料是否可以购买相应规格，都需要在网上、机械设计手册上查好后才能进行设计。同时通过数控铣削、数控车削、有限元分析、CAD制图、CIMATRONE、自动编程等的交叉使用，综合应用能力得到了提升。同时，也体验了设计师的角色，设计自己喜欢的东西是一件很有趣也很有意义的事情。从这次毕业设计中，我了解到CAM辅助设计的重要性，通过SOLIDWORKS的设计，通过计算、仿真分析等实际应用，同时设计离不开实际，需要加强实际加工能力，不断

23、加强理论知识可以为以后的机械设计师打下基础。谢谢。我即将告别校园生活，步入职场。大学生活中学习了很多理论知识和操作技能，但知识比较零散，没有实际基础。但学校给我们提供了这次毕业设计，大大弥补了我们省内的不足。我的理论和实际应用能力得到了结构性的加强。在此感谢学校和我的指导老师黄红兵老师，他不断督促和监督我们的设计和生产进度，在遇到问题时给予专业细致的指导，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 丁俊建等，《机械设计基础》，北京师范大学出版社，2011 2 凌爱林，《工程材料》，天津大学出版社，2011 3 赵华等，《数控机床编程与操作模块化教程》，清华大学出版社，2011 中山火炬职业技术学院毕业设计第224页 孙兵，《气动与液压控制技术》主编，科学出版社，2008