【文章內(nèi)容簡介】 。 4. 碳纖維 (CERP) 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 碳纖維車架的特征是輕、不彎曲、沖擊吸收性好，但是，充分發(fā)揮碳纖維的優(yōu)異性能，在技術(shù)上看起來不是那么容易，各碳纖維材料廠家之間的品質(zhì)差異也較大。自行車廠家考慮到成本問題，不大可能使用高等級的碳纖維來制作車架。圖 32 COLNAGO 牌 的碳纖維車架碳纖維是把碳纖維用樹脂凝固成形的東西。 (如圖 32)非常輕，但它是具有方向性的材料 (拉伸強(qiáng)但容易斷 )，因此采用把薄料層層重疊的方法來解決缺點。但成本太高。 圖 32 碳纖維車架 ●碳纖維車架的優(yōu)點 (1)可以制作重量輕的車架 碳纖維車架是把碳纖維對著發(fā)生應(yīng)力的方向?qū)訉盈B而得到強(qiáng)度。碳纖維車架非常輕，這是它的密度和強(qiáng)的拉伸強(qiáng)度構(gòu)成的。捷安特的碳纖維車架非常輕， 2020 年的型號 重。 (2)沖擊吸收性好 碳纖維用來制作殘疾者運動時用的假腿，或者特殊的彈簧等被用在各領(lǐng)域。利用它的吸收沖 擊力優(yōu)異的性能，制作不用避震器的自行車。如SCOTT 廠的 ELEVATED 車架是著名的。但是各個廠家之間的品質(zhì)差異較大，有的很硬，因此這種車架乘騎后才能知道好或者不好。 ●碳纖維車架的缺點 (1)復(fù)雜的應(yīng)力計算 構(gòu)成碳纖維車架的是碳纖維，它的特點是拉伸強(qiáng)度強(qiáng)，但剪斷強(qiáng)度弱，洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 加工時需要進(jìn)行復(fù)雜的應(yīng)力計算 (縱剛性、橫剛性 )，根據(jù)計算把碳纖維片重疊成型。加工技術(shù)各廠家各異，應(yīng)選擇有經(jīng)驗可靠廠家的是很重要的。 (2)老化 使用樹脂因此會不會老化 ? 這是一個存在的課題，它放置在陽光下時會逐漸變白。當(dāng)然這種現(xiàn)象關(guān)系到廠 家的技術(shù)。最好不要放置在陽光下。 5. 鎂合金 鎂的比重很輕 ()，約鐵的 1/5，鈦的 2/5，鋁的 2/3。它是不容易腐蝕的活性金屬。它廣泛用在各種領(lǐng)域里，如照相器及電腦的外框、車輛的車圈等配件。通過合金化耐腐蝕性也得到進(jìn)一步提高。 ●鎂合金車架的優(yōu)點 (1)可以制造重量輕的車架 它比鋁密度低，可以制造輕的車架。楊氏彈性模量稍微低些，但是可以用加粗管直徑及橢圓化等方法來解決。使用鋁合金的目的僅僅是為了減輕重量，將來可能會被鎂合金取代 ? 鈦和鎂的研究課題稍不同，這兩種金屬今后仍然會活躍下去。 (2)加工性 好 鎂制車架加工不會差。切粉的燃燒、爆炸等能夠通過合金元素來回避的話，剪斷、溶接性可能不會差。和鈦比較起來加工性好。 ●鎂合金車架的缺點 生產(chǎn)鎂車架的廠商都說耐腐蝕性好。但是這方面的資料當(dāng)前還很少，耐腐蝕性好到何種程度難于判斷。鎂是劇烈氧化的金屬，不小心操作錯了很容易爆炸，純鎂一般不能使用，添加其他金屬 (鋁、鋅、錳等 )制成合金來使用，制成的鎂合金強(qiáng)度、機(jī)械性能都得到提高。有些人曾經(jīng)使用過鎂合金制用具，如摩托車的曲柄套等、他們說：雖然用了很久，但是很好，不會象鋁般發(fā)白。 材料 的選擇 已經(jīng)介紹了幾 種自行車材料，總地來說，騎感好的是鉻鉬鋼制的、要輕的是鋁制的，沖擊吸收性最好的是碳纖維。鈦合金制的上述各種性能都不是最好的，但是為什么對它感興趣呢 ? 因為它是有前途的金屬。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 1．鉻鉬鋼已經(jīng)使用了很久，對它的研究也最多，除非有什么突破，鉻鉬鋼的前途可想而知的了。使用適正厚度的管道時重量是會增加，但是不容易引起金屬疲勞，這種車能帶給車手極佳的騎感。單純地追求薄壁的管道的現(xiàn)在，鉻鉬鋼應(yīng)該走自己的道路，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，否則很可能被其他材料淘汰。 2．白行車用鋁管，當(dāng)前的設(shè)計方針很危險，鋁是沒有疲勞極限，為了降低應(yīng)力 應(yīng)該增加厚度。但是為了單純地謀求薄壁，使用強(qiáng)勒的新合金來制作車架。從外觀來看這些制品使人引起很不錯的錯覺，但是疲勞壽命將是如何呢 ? 鋁管的薄壁程度已經(jīng)到了極限，不可能再薄下去。結(jié)果它的命運將和鉻鉬鋼一樣。今后鋁制自行車向那一個方向發(fā)展 吶 ? 我認(rèn)為可能會成為比賽專用自行車的素材。若用鋁制自行車來練習(xí)，一定會感覺到性能的降低顯著。 3．碳纖維制自行車 是有前途的，通過應(yīng)力計算會找到最適合的加工條件。另外是信心問題 。當(dāng)前尚存在各種問題。 4．鈦管還有發(fā)展的余地，強(qiáng)度可能會超過鉻鉬鋼，現(xiàn)在己能制造 的車架，鈦必 定會奪去鋁的 “ 輕量王 ” 的寶座。另外，鈦不需要涂漆，可減少這部分的重量 (20～ 409)。 綜合種種因素，考慮到設(shè)計初衷的理念：娛樂、休閑、時尚、旅游、便攜，結(jié)合材料的特性，選擇鈦鎂合金材料作為其主要構(gòu)件材料。 結(jié)構(gòu)因素 本次自行車設(shè)計運用圓形形態(tài)組合原則，受到“新鋒銳” (New Edge)理論及圓周運動規(guī)律的啟發(fā)，其整體構(gòu)架由平面倒角板材 (車身部位 )與直線金屬管材 (自行車車頭碗組、座桿等部件 )以及塑料、橡膠部件 (自行車坐墊、車把手、腳踏板 )(如圖 33)；車架分為前部和后部，前部為轉(zhuǎn)向部分，以簡潔 的弧線為貫穿，后部為驅(qū)動 部分，由于后部的特性 —— 受力較大，則對后半部分進(jìn)行加固；其傳動方式仍然保留原有的鏈條式傳動，配備單速或速度調(diào)節(jié)器。 為貫穿，其傳動方式仍然保留原有的鏈條式傳動，配備單速或速度調(diào)節(jié)器。就整車結(jié)構(gòu)來說，以點、線、面式的組合結(jié)構(gòu)為主，洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 配上直線構(gòu)架、倒角支架板材以及富有動感的弧線，整體造型圓滑、線條簡潔，藉由連結(jié)中央圓盤組合，且車架鋼性強(qiáng)。另外，可利用在圓盤移動時折疊整車，實現(xiàn)便攜的功能。 我所設(shè)計的自行車的造型設(shè)計如下圖 33： 圖 33 車體造型 車架 車架 是構(gòu)成自行車的 基體聯(lián)接著自行車的其余各個部件并承受騎者的體重及自行車在行駛時經(jīng)受各種震動和沖擊力量，因此除了強(qiáng)度以外還應(yīng)有足夠的剛度，這是為了在各種行駛條件下，使固定在車架上的各機(jī)構(gòu)的相對位置應(yīng)保持不變，充分發(fā)揮各部位的功能。車架結(jié)構(gòu)可由設(shè)計人員創(chuàng)新，但與其他部件相關(guān)的安裝尺寸，應(yīng)嚴(yán)格控制。 在車架加工過程中，或多或少地存在加工精度問題，從后視方向觀察車輪，兩輪也不在同一平面上，使騎行產(chǎn)生“沉重”的感覺。 車架立管與水平面之間的夾角稱之立管 傾角。立管延長線和鞍座上表面的交點為鞍座的位置。一般情況下，騎車人股關(guān)節(jié)的位置大致地 與鞍座位置一致。對于洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 騎車人來說，下肢的關(guān)節(jié)相對中軸中心的位置，是決定下肢肌肉群的肌力有效利用的一個關(guān)鍵，即踏力和踏速能否獲得最佳的配合的一個關(guān)鍵。隨著踏速的提高，如果股關(guān)節(jié)的股骨運動角范圍不相應(yīng)地縮小，由于肌肉運動速度跟不上，下肢肌力就不能充分發(fā)揮。在膝關(guān)節(jié)也存在同樣情況。實驗證明 :高速自行車股關(guān)節(jié)相對中軸的位置應(yīng)該前移，即立管傾角增大。反之，股關(guān)節(jié)位置后移，立管傾角減小。 如圖 34： 圖 34 車架 前叉 前叉 有三個作用。第一個作用是支承前輪所受的重量， 第二個作用是將車把轉(zhuǎn)向動作傳送到前輪，使自行車能按騎者的意愿方向行駛；第三個作用是前義下端壓有彎度，能促使自行車有自己向前直駛的性能，減輕騎車者操縱強(qiáng)度，并起一些緩沖作用。前叉裝在車架前管內(nèi)，能在管內(nèi)靈活轉(zhuǎn)動，前叉 的上端與車把緊固地連結(jié)在一起，下端與前軸連接，與前輪以前軸為中心自由轉(zhuǎn)動，組成轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)。 如圖 35： 圖 35 前叉 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 車把 及位置 車把是 連接著前叉，可轉(zhuǎn)動前叉 ，在使用性能上主要是操縱自行車的行駛方向，并作為騎車者的扶手，支承著一部分騎車者的重量，在車把上安裝著制動手把和車鈴，控制制動和信號。車把因裝在自行車正前方，要求美觀合適，必須能承受一定的顛簸撞擊性能。 車把和鞍座的位置影響了騎車人上半身的姿勢。車把的水平位置離地高度約等于騎車人股骨的長度。如果車把位置太高，會增加車架長度；過低，將妨礙車把的轉(zhuǎn)向。車把的垂直位置應(yīng)略高放鞍座，如果長期騎行車把位置低于鞍座位置的自行車，對身體是不利的。 如圖 36。 綜上所述，中軸、鞍座和車把三者的位置稱為車架的三支點，支配著騎車 人的姿勢，對自行車的出力性能影響很大，是自行車設(shè)計工作的重要課題。關(guān)齡車架三支點的研究，除考慮出力性能外，還要考慮騎車人的疲勞程度、身體局部疼痛，駕駛方便程度和安全性能等因素。 如圖 37： 圖 36 車把 的位置圖 37 車把圖 前軸 、后軸和中軸 前軸 是承受由前叉?zhèn)鱽淼淖孕熊嚤旧砑膀T車者的部分 (約 40% )重量，并通過前花盤、輻條、車圈及輪胎，將重量傳落地面和推動前輪旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的支承，必須有足夠的強(qiáng)度和轉(zhuǎn)動的靈活性能。 如圖 38： 圖 38 前軸 后軸 有三個作用，第一個作用是承受由立管和平叉?zhèn)鱽淼淖孕熊嚤旧砺尻柪砉W(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 及騎車者的一大部分 (約 60％ )重量，并通過后花盤、鏈條、車圈及輪胎，將重量傳落地面；第二個作用是推動前輪旋轉(zhuǎn)前進(jìn)；第三個作用是驅(qū)動全車前進(jìn)的主動軸承。因此，后軸必須具有比前軸更大的強(qiáng)度，并需保持軸承轉(zhuǎn)動靈活。 同時為了調(diào)整鏈條的松緊度，后軸必須能前后調(diào)整，并能在合適的位置上緊固而保持不動。 和前軸 一樣。 中軸是傳動機(jī)構(gòu)，承受騎車者的腳踏力量。傳動力遙過腳蹬、曲柄、鏈條、鏈輪傳到后輪，驅(qū)動全車前進(jìn)。 參照前軸。 腳蹬 腳蹬 是承受騎車者的蹬踏，然后通過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)車前進(jìn)。在運轉(zhuǎn)中腳蹬本身能自轉(zhuǎn)，以保持腳掌用力位置的不變， 腳蹬的結(jié)構(gòu)與規(guī)格是否合適，將直接影響到騎車者的放腳位置是否舒適，足脛關(guān)節(jié)和小腿肌肉的作用狀況是否最佳，這是設(shè)計者要考慮的因素。 如圖 39： 圖 39 腳蹬子 飛輪 飛輪 有兩個作用，一個是當(dāng)騎車者用力踏動腳蹬時，飛輪能將踏力傳到后軸身上，推動全車前進(jìn)；另一個作用是在行駛途中當(dāng)騎車者不踏動腳蹬時，自行車因受慣性影響，仍繼續(xù)前進(jìn)，但飛輪外套并不隨著后軸身轉(zhuǎn)動，腳蹬也不旋轉(zhuǎn)，可使騎行者獲得休息機(jī)會和便于上下車。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 圖 310 前飛輪 圖 311 后飛輪 變速器 自行車在行駛時遇到的道路情況是復(fù)雜的，有時風(fēng)速和風(fēng)向?qū)︱T行者影響也很大，因此，自行車在不同的行駛條件下，應(yīng)有不同的速比，就需要安裝變速器，變速器有內(nèi)、外變速兩種，內(nèi)變速器一般在后軸內(nèi)，也有利用中軸變速。 如圖 312： 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 圖 312 變速器 前后輪 前后輪總稱車輪，一個作用是承受自行車本身和騎車者的全部重量，另一個作用是車輪旋轉(zhuǎn)推動自行車前進(jìn)及轉(zhuǎn)向，因此必須具有足夠的強(qiáng)度，以免在行駛中受到震動發(fā)生折斷，同時要求車輪須圓正，可保持在旋轉(zhuǎn)時平穩(wěn)，此外車輪結(jié)構(gòu)要有適當(dāng)彈性，以增強(qiáng)避震性，提高騎行者的舒適性。 胎冠的厚度和胎肩的厚度越大，滾動阻力系數(shù)越大。胎冠的花紋呈線型、細(xì)條型 、簾線的支數(shù)細(xì)，其滾動阻力系數(shù)往往較小，多用于運動車。普通車對路面的抓著力、雨天的剎車力、防止側(cè)滑能力、耐久性等有較高需求，往往采用塊形花紋和簾線支數(shù)粗的輪胎，而其滾動阻力相應(yīng)也增大。因此，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)具體的車型選用相應(yīng)的輪胎。 圖 313 輪子 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 鞍座 及高度 鞍座 是承受騎車者的體重作用，要有足夠的強(qiáng)度和彈性，不同型號的自行車對鞍座的要求也不完全一致， 對鞍座的要求是堅固、舒適，既能使騎行者提高輸出功率的作用，同時減少騎行者的疲勞，提高行駛性能。 圖 314 鞍座 圖 315 鞍座的位置 鞍座的高度是指鞍座管延長線與鞍座上表面的交點到中軸中心的距離。為了有效地產(chǎn)生必要的踏力和踏速，下肢骨骼應(yīng)保持合理的運動角范圍。鞍管高度是一個重要因素，騎行者雖然可適當(dāng)調(diào)整，但首先在設(shè)計時要合理確定。 有自行車旅游特別是長途旅游，掌握好自行車技術(shù)是很重要的，目的是為了節(jié)省體力，保證安全。自行車車座的調(diào)整，是 自行車技術(shù)的一個重要方面。自行車車座應(yīng)調(diào)整到什么高度為最佳呢 ?一般說來，以車座較低并有 510 度的后傾最便于長途旅游。因為低車座好處很多： 1. 低車座蹬車靈活，可用腳的不同部位輪流用力，這樣可使腳的各種肌肉輪流休息，延長耐久長 ； 2. 車座低，人的位置相對降低，可減少空氣阻力，也便于伏在車把上，改進(jìn)空氣流張 ； 3. 車座低，微后傾，可使身體挺直，臀部受力均勻，減少疲勞感，同時又可減輕雙臂的負(fù)擔(dān)，保護(hù)手腕 。 坐墊前后位置的設(shè)定其實相當(dāng)簡單：先在坐墊上坐好，將腳掌放在踏板上正確的位置，然后踩個幾下，接著將踏板 擺成水平，這是前腳的 “ 膝洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 蓋下點 ” 所垂下的垂直線要剛好通過踏板的中心位置（也就是踏板軸），這樣就完成了 ！ 前后閘 前后閘 是保證騎行安全的關(guān)鍵部件，有普通閘、鉗形闡、觸閘、抱闡、漲閘、腳閘、盤閘等多種結(jié)構(gòu)、形式、但不管何種結(jié)構(gòu)，都要切實保證達(dá)到制動性能的要求。 如圖 316： 圖 316 前后閘 曲柄 曲柄長度決定了腳蹬軸的前后水平距離和上下垂直距離。由此也確定了大腿骨的運動角度和有關(guān)肌肉群的收縮程度。由于肌肉的收縮使兩個骨骼夾著關(guān)節(jié)而運動、