山地車避震前叉設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)項(xiàng)目中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院作品說明書作品名稱： 降速山地車避震前叉設(shè)計(jì) 作 者： 學(xué) 號： 1103020220 系 別： 裝備制造系 專 業(yè)： 機(jī)械制造與自動化 指導(dǎo)老師： 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 教師 中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院教務(wù)處制摘要隨著科技的發(fā)展，自行車文化也得到高速的發(fā)展，已經(jīng)分支出公路自行車，山地自行車，越野公路車等。其中山地車又分支出普通山地車和降速山地車。作為一款山地車，前叉是整車科技含量最高的一個(gè)部件。前叉性能的好壞，直接決定一臺車的價(jià)值。前叉部件的受力情況屬懸臂梁性質(zhì)，故前叉部件必須具有足夠的強(qiáng)度等性質(zhì)。其中前叉又可分為基于彈簧回彈的彈簧叉，基于油阻尼的彈簧油叉，

2、基于空氣壓縮彈簧的氣叉等。我國雖然稱為自行車生產(chǎn)王國，但在前叉的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與國外先進(jìn)水平存在很大差距。其中前叉設(shè)計(jì)涉及到大量計(jì)算和技術(shù)問題，為簡化計(jì)算并且優(yōu)化設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)將借助SOLIDWORKS, CAD軟件從模型出發(fā)設(shè)計(jì)一款降速車前叉，并利用數(shù)控車床，數(shù)控銑床生產(chǎn)部分零件。關(guān)鍵詞：數(shù)控編程 SOLIDWORKS 有限元分析 CAD目錄摘要2目錄3第一章 概論51.課題來源、目的、和意義52.山地車避震前叉技術(shù)概述53.阻尼概述64.材料的選擇6第二章 避震原理設(shè)計(jì)9第三章 產(chǎn)品設(shè)計(jì)101.外形參考（來自互聯(lián)網(wǎng)）：102.SOLIDWORKS輔助設(shè)計(jì)：103.最終成品：114.轉(zhuǎn)向盤受力校核：

3、115.M8螺栓抗剪強(qiáng)度校核：126.前軸：127.小避震行程調(diào)節(jié)裝置：138.彈簧避震+空氣阻尼：139.空氣彈簧系統(tǒng)：1410.受力校核：14第四章：實(shí)際生產(chǎn)加工151.轉(zhuǎn)向盤的加工：151.建模152.模擬刀路軌跡153.高級仿真164.實(shí)際加工：172.內(nèi)氣筒加工(數(shù)控車床加工)：17第五章：作品創(chuàng)意說明20第六章：結(jié)論21謝辭21參 考 文 獻(xiàn)21第一章 概論1.課題來源、目的、和意義1.課題來源：生產(chǎn)實(shí)踐2.目 的：通過SOLIDWORKS對該零件的設(shè)計(jì)，更加深刻理解CAM/CAD輔助加工技術(shù)的應(yīng)用和設(shè)計(jì)步驟，加強(qiáng)對數(shù)控車，數(shù)控銑加工技能的應(yīng)用能力和工藝方案的選擇3.意 義：此次山

4、地車避震前叉畢業(yè)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合應(yīng)用的項(xiàng)目制作，包括三維軟件輔助設(shè)計(jì)，CAD的應(yīng)用，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用，是大學(xué)所學(xué)知識的綜合總結(jié)，理論與實(shí)踐的結(jié)合，所以這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對以后工作、學(xué)習(xí)都有重要意義。2.山地車避震前叉技術(shù)概述 所謂避震前叉，就是有避震功能設(shè)計(jì)的前叉，為了讓山地車騎行者在越野與顛簸的道路上騎行能有更舒適的騎行感受，因而有了避震前叉的出現(xiàn)。為了增加登山車在顛簸地形上的舒適性與操控性，第一支避震前叉RS-1由RockShox創(chuàng)始人PaulTurner于1989年正式推出，最早期RS-1避震前叉的設(shè)計(jì)理念，是借助于越野機(jī)車用避震前叉的結(jié)構(gòu)與原理，當(dāng)時(shí)的行程很短（約40mm）。發(fā)展至今，因應(yīng)不同地

5、形以及操控需求，避震前叉除了行程拉長許多（203mm），更衍生出避震行程可調(diào)、避震軟硬度可調(diào)、可鎖死（省力狀態(tài)）、回彈速度可調(diào)、壓力可調(diào)、油氣壓混合以及線控等的功能設(shè)計(jì)，總的來說，自行車是朝著美，輕，牢，新的方向發(fā)展，美是造型美觀，華麗；輕則是輕材料的應(yīng)用，除了傳統(tǒng)的鋼材作為生產(chǎn)材料，現(xiàn)在更多的是采用碳纖維，鋁合金，鎂合金，鈦合金等新材料發(fā)展；牢則是在輕的基礎(chǔ)上使用新材料達(dá)到重量盡量減小的目的，使整車更輕便，增加騎行舒適度；新則是功能新穎，功能新穎更多的是在避震前叉上的更新，增加了可鎖死，行程可調(diào)，阻尼可調(diào)等各類功能。前叉的工作順序：遇到障礙物避震系統(tǒng)被壓縮被壓縮到到了極點(diǎn)避震彈簧回彈到原來長

6、度（回彈的速度受阻尼的影響）彈跳系統(tǒng)工作結(jié)束。3.阻尼概述前叉的避震系統(tǒng)通常包含兩個(gè)部分：一個(gè)是彈簧（Spring），主控避震行程的長短，一個(gè)是阻尼（Damper），負(fù)責(zé)壓縮（Compression）與回彈（Rebund）功能的控制。根據(jù)彈簧特性，其彈力的大小與其彈性系數(shù)K和被壓縮或被拉伸長度(L-L0)有關(guān)，則其彈力計(jì)算為F=K(L-L0)，其中彈性系數(shù)與彈簧材料有關(guān)，是固定值，故彈力F與形變量成正比，為線形特性。此特性在山地車的應(yīng)用是不利的，回彈力與壓力相等，在大行程壓縮時(shí)可能被彈飛。故必須加入阻尼裝置來控制回彈速度。在山地車避震前叉常用的有基于控制空氣流動速度原理的空氣阻尼和基于阻尼油的

7、油阻尼。4.材料的選擇在山地車的應(yīng)用材料中，除了已往使用的鋁合金以外、還有鉻鉬鋼、鈦合金、碳纖維、鎂合金等材料。還出現(xiàn)了不少用新材料制成的車架，如硬質(zhì)涂層材料的應(yīng)用。1.拉伸強(qiáng)度：拉伸強(qiáng)度是指材料產(chǎn)生最大均勻塑性變形的應(yīng)力，它反映了材料最大均勻變形的抗力 ，也稱材料的抗拉伸強(qiáng)度。拉伸強(qiáng)度對照表：2.密度：單位體積的重量，密度決定工件重量的重要因素之一。故要使整車重量到達(dá)最輕，密度是設(shè)計(jì)時(shí)不可忽視的數(shù)據(jù)。主流材料的密度對照表：材料名稱密度(g/cm3)材料名稱密度(g/cm3)鉻鉬鋼(低合金鋼)7.9鋁合金2.6-2.9鈦4.5鈦合金4.3-5.1碳纖 (CFRP)1.5-1.6鎂合金1.7綜合

8、分析：鉻鉬鋼（Fe-Cr-Mo）：鉻鉬鋼的優(yōu)點(diǎn)：(1).加工性好(2).沖擊的吸收性能好構(gòu)成車架的鉻鉬鋼管道有優(yōu)異的吸收沖擊的性能。(3).焊接容易：鉻鉬鋼比起鈦、鋁焊接容易?？梢栽O(shè)計(jì)成名種形狀。另外，焊接后也不需要熱處理，因此不需要大型的熱處理設(shè)備，成本低。(4).價(jià)格便宜鉻鉬鋼的缺點(diǎn)(1).容易生銹鉻鉬鋼含有鉻，但是添加量少(不銹鋼含有12%的鉻)的鐵系合金。若沒有施有表面處理的話，有傷口時(shí)容易生銹。但是一般都有進(jìn)行防銹加工。(2).金屬的疲勞顯著(應(yīng)力集中引起的金屬疲勞)鋁合金（Al-Mg-Si,Al-Zn-Mg-(Cu)）：(1).鋁的比重輕但不夠硬，為了增強(qiáng)強(qiáng)度把它制成合金并施予熱處

9、理。熱處理采用時(shí)效析出增強(qiáng)法，簡單地說，在金屬內(nèi)形成一種妨礙金屬變形的物質(zhì)。在某種高溫下進(jìn)行熱處理時(shí)，會引起時(shí)效析出，若沒有經(jīng)過這個(gè)程序，也會引起常溫時(shí)效。(2)長時(shí)間使用外觀不怎么變化，鋁本身是很容易受腐蝕的金屬，在空氣中幾乎不存在沒有被氧化的鋁，放置在空氣中馬上被氧化而形成很薄的氧化膜。為什么不生銹呢？原因是該氧化膜達(dá)到一定的程度時(shí)防止繼續(xù)生銹。該氧化膜幾乎是無色因此外觀上不容易發(fā)現(xiàn)變化(有時(shí)會發(fā)白)。鋁合金的缺點(diǎn)：1).鋁是彈性率及剛性低的材料。因此采用粗的管道，或者改變形狀如cross-over管、padded管等。(2).需要進(jìn)行熱處理必需進(jìn)行熱處理，否則強(qiáng)度不夠。因此一般的規(guī)模不大

10、的工廠無能力購買熱處理設(shè)備。尤其是6000系的鋁合金管，多數(shù)情況是管道廠家指定熱處理?xiàng)l件。鈦、鈦合金（Ti,Ti-Al-V)：鈦合金的優(yōu)點(diǎn)(1).重量而強(qiáng)度大：純鈦金屬的強(qiáng)度更高。在鈦金屬中添加鋁和釩，彈性更高(和鋁比較)，也有利于設(shè)計(jì)。(2).不生銹：鈦在一般的環(huán)境下幾乎不會被腐蝕。但是它有另一種腐蝕現(xiàn)象即異種金屬腐蝕。例如，不同種類的合金接合在一起時(shí)，成為電極狀態(tài)，電位差使局部通電引起腐蝕。鈦合金的缺點(diǎn)價(jià)格高。鈦在自然界以二氧化鈦的形態(tài)存在，提練及加工過程復(fù)雜，技術(shù)要求高，并花時(shí)間因此成本高。再有溶接加工極為困難，因?yàn)殁伜脱醯挠H和力極強(qiáng)，和空氣接觸后馬上變成二氧化鈦，而二氧化鈦硬而脆，該部

11、分的強(qiáng)度會不斷下降。因此用惰性氣體小心焊接。通常所說的Tig焊接是：(Tig：鎢、惰性氣體的略語)用鎢電極及氬氣體進(jìn)行弧焊接。鈦的焊接必需隔絕空氣下進(jìn)行。碳纖維 （CERP)：碳纖維的優(yōu)點(diǎn)：(1).可以制作重量輕的產(chǎn)品碳纖維是把碳纖維對著發(fā)生應(yīng)力的方向?qū)訉盈B而得到強(qiáng)度。碳纖維非常輕，這是它的密度和強(qiáng)的拉伸強(qiáng)度構(gòu)成的。(2).沖擊吸收性好碳纖維用來制作殘疾者運(yùn)動時(shí)用的假腿，或者特殊的彈簧等被用在各領(lǐng)域。(3).可以制造各種形狀的產(chǎn)品碳纖維的基本成型方法是，在模具上鋪上纖維片然后流入樹脂并燒固?？梢灾瞥筛鞣N形狀的車架。碳纖維車架的缺點(diǎn)：(1).復(fù)雜的應(yīng)力計(jì)算構(gòu)成碳纖維車架的是碳纖維，它的特點(diǎn)是拉伸

12、強(qiáng)度強(qiáng)，但剪斷強(qiáng)度弱，加工時(shí)需要進(jìn)行復(fù)雜的應(yīng)力計(jì)算(縱剛性、橫剛性)，根據(jù)計(jì)算把碳纖維片重疊成型。第二章 避震原理設(shè)計(jì)前叉的避震系統(tǒng)通常包含兩個(gè)部分：一個(gè)是彈簧，主控避震行程的長短，可以由氣壓彈簧和合金鋼壓縮彈簧協(xié)同工作，另一個(gè)是阻尼，負(fù)責(zé)壓縮與回彈功能的控制。阻尼就是改變避震沖底后彈起的速度.基本上都是改變回彈時(shí)液壓油或空氣回流的流速來控制回彈速度。一般彈簧可分為線圈合金鋼彈簧（螺旋彈簧）、氣壓彈簧，還有結(jié)合氣壓彈簧與阻尼油的油氣壓式彈簧。氣壓彈簧較輕量、維修較易，但較貴且技術(shù)性較高；若需要不同硬度的彈簧，不必更換彈簧，只需增加或減少氣壓高低即可。不過使用氣壓彈簧須有較精密的技術(shù)，因?yàn)楦邏罕?/p>

13、須完全密封，否則一旦漏氣就喪失功能。 早期氣壓彈簧只有正氣室的設(shè)計(jì)，尚無負(fù)氣室，必須遇到一定程度的沖擊才會讓避震系統(tǒng)動作，實(shí)用性不高且性能不佳，因此才有負(fù)氣室的設(shè)計(jì)來彌補(bǔ)缺失。示意圖：總體設(shè)計(jì)：本設(shè)計(jì)采取3級避震設(shè)計(jì)，第一級負(fù)責(zé)短行程小載荷的避震，同時(shí)加入螺紋桿進(jìn)行調(diào)節(jié)，使整個(gè)避震系統(tǒng)壓緊，第二級為大行程大載荷的避震，采用較高的胡克系數(shù)比的彈簧，為較大行程的載荷提供避震，同時(shí)加入空氣阻尼控制，控制回彈速度，從而實(shí)現(xiàn)阻尼效果，第三級為空氣懸掛系統(tǒng)，正負(fù)氣室避震。此三級系統(tǒng)協(xié)同工作，從而完成優(yōu)秀的避震功能。材料采用鋁合金6061，實(shí)際應(yīng)用中可以進(jìn)行熱處理使用6061T4或7075.第三章 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

14、1.外形參考（來自互聯(lián)網(wǎng)）：根據(jù)已有的降速山地車前叉外形進(jìn)行模仿設(shè)計(jì)，查閱相關(guān)資料得知，26寸山地車中管(前叉與車架連接部分)直徑為28.575mm，其中車輪半徑為330mm以上，則中間連接部分距離車輪安裝孔距離至少在360mm以上，由于降速車的特殊使用場合，所以需要較大的避震行程，至少200mm以上。2.SOLIDWORKS輔助設(shè)計(jì)： 1.轉(zhuǎn)向盤的設(shè)計(jì)，以鋁合金板塊為基體材料，整體厚度設(shè)計(jì)為15mm，與避震管連接部分采用M8,M6螺栓鎖緊，從而可以實(shí)現(xiàn)緊固連接，其部分設(shè)計(jì)尺寸如下圖所示：3.最終成品：4.轉(zhuǎn)向盤受力校核：材料使用鋁合金6061，使用SOLIDWORKS插件SolidWorks

15、 Simulation進(jìn)行有限元靜態(tài)分析，在不加入螺栓的情況下對管壁添加各6500左右牛頓的壓力，可以看到在斷裂處有輕微的位移現(xiàn)象，但是加入螺栓連接后此小位移可以忽略不計(jì)。5.M8螺栓抗剪強(qiáng)度校核：查詢機(jī)械手冊可知M8螺栓截?cái)嗝娣e為36.6mm2，根據(jù)抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式：=F(Q)/A < ，其中取F(Q)為模擬受力6507N，A=36.6mm2，得= 90.27MPa，取螺栓許用切應(yīng)力 = 100MPa，安全系數(shù)較高，故M8的螺栓抗剪強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)最小的M6螺栓查詢機(jī)械手冊可知8.8級的抗拉伸強(qiáng)度為800MPa，6.8級的為600MPa，此抗拉伸強(qiáng)度對于此類鎖緊所需拉力完全勝任。

16、6.前軸：前軸是前叉與車架的連接部分，主要承受來自橫向的阻力，外徑大小與車架相應(yīng)的孔連接，外徑為28.59mm，為26寸山地車前軸標(biāo)準(zhǔn)尺寸。壁厚為3mm，長度100mm，長度必須根據(jù)剜組的類型決定最終的長短。多余部分切割除去。實(shí)際加工中采用內(nèi)徑為25的鋁合金管加工，由數(shù)控車床G90代碼進(jìn)行余量循環(huán)切削。7.小避震行程調(diào)節(jié)裝置：通過調(diào)節(jié)旋鈕帶動螺紋桿，來調(diào)節(jié)彈簧的被壓縮量，可以調(diào)節(jié)小載荷的避震行程，同時(shí)壓緊整個(gè)避震器，使整個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊。8.彈簧避震+空氣阻尼：通過線徑為3mm的彈簧承擔(dān)主要的載荷和較大行程的避震，同時(shí)連接單向氣筒，使得在回程的時(shí)候減小回彈速度，從而實(shí)現(xiàn)空氣阻尼的作用效果。9.空

17、氣彈簧系統(tǒng)：通過對正氣室的壓縮以及對負(fù)氣室的拉伸，從而實(shí)現(xiàn)空氣彈簧的避震，空氣彈簧的優(yōu)點(diǎn)是隔振效率很高，能實(shí)現(xiàn)高頻率的隔振效果。10.受力校核：在整個(gè)系統(tǒng)中氣筒連接桿是最脆弱部分，為10mm的圓柱體。那么是否能承受5000N的壓力呢？我們使用SOLIDWORKS分析一下。分析結(jié)果如圖：可以看到，并沒有產(chǎn)生明顯的位移。故已符合應(yīng)用要求。第四章：實(shí)際生產(chǎn)加工1.轉(zhuǎn)向盤的加工： 1.建模此類零件必須通過數(shù)控銑銑掉毛坯外沿，從而得到所需零件。通過CimatronE軟件進(jìn)行自動編程。我們采用CimatronE9.0進(jìn)行仿真加工并自動生成代碼。首先需要進(jìn)行建模，毛坯采用205x110x15mm鋁合金板，新

18、建零件文件，進(jìn)行草圖編輯，進(jìn)行拉伸15mm：最終成果如圖所示： 2.模擬刀路軌跡以205x110x15mm的鋁合金塊毛坯進(jìn)行仿真，銑刀為10mm，刀路軌跡共分為兩步，第一步為對中間的鏤空部分進(jìn)行鏤空銑削，第二步為原則目標(biāo)工件外沿進(jìn)行銑削，每部預(yù)留1mm的精加工余量，以4000轉(zhuǎn)的速度進(jìn)行精加工，從而得到光滑表面，最終得到所需工件：3.高級仿真進(jìn)行高級仿真，可以看到刀路軌跡為所需軌跡，加工順序完全正確，把代碼輸入到數(shù)控銑床，從而完成工件的加工。 4.實(shí)際加工：2.內(nèi)氣筒加工(數(shù)控車床加工)：其CAD以及三維圖如下圖所示：采用數(shù)控車床進(jìn)行加工，毛坯為直徑35的鋁合金棒。0.裝刀，并進(jìn)行中心對正;1

19、.安裝工件，并進(jìn)行對刀；2.編輯加工程序：G97 G99 M03 S1000;G00 X200 Z200;T0101;(45度切刀)M08;(開冷卻液)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;(外圓刀) 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

20、.1; G01 Z-36 F0.2; G03 X29 Z-39 R1.5 F0.1; G00 X200; Z200; T0303;(切斷刀,刀口寬度為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;(關(guān)冷卻液) M30;(程序結(jié)束)3.輸入代碼，進(jìn)行加工。第五章：作品創(chuàng)意說明如圖所示，本次設(shè)計(jì)的避震前叉共有3個(gè)主要部分，其中壓緊彈簧，線徑為2.0mm，長度為100mm。第二級為空氣阻尼系統(tǒng)，由氣筒裝置連接壓縮彈簧，壓縮彈簧承受來自

21、空氣彈簧的反作用力，與空氣彈簧共同承受來自車輪的作用力。第三級為空氣彈簧系統(tǒng)，共有兩個(gè)活塞進(jìn)行密封，兩個(gè)活塞的間隙10mm加入足量的密封油進(jìn)行油封，從而保證不漏氣。底部連接氣嘴，長時(shí)間使用需要進(jìn)行打氣或者根據(jù)氣壓的高低調(diào)節(jié)從而實(shí)現(xiàn)彈簧的硬度調(diào)節(jié)。創(chuàng)意點(diǎn)：采用三級避震，對于小行程，小載荷的避震由一級避震系統(tǒng)承受，所以對于小載荷的避震有著更好的避震效果，也更能提高騎行舒適度。對于大行程的載荷，由二級避震系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)加入空氣阻尼系統(tǒng)。從而在大行程的避震工作中，有著良好的回彈體驗(yàn)。不會被反作用力彈飛，接收的沖量較小。同時(shí)在大載荷的突然沖擊中，首先由三級避震過濾掉，由三級避震系統(tǒng)的反作用力傳到二級避震系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)所受的沖擊較小。也能提高避震性能。增加騎行舒適度。第六章：結(jié)論通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，收獲良多。從本