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河北华利机械配件有限公司

竞赛型自行车手把的优化设计

2013/7/5 13:54:51

 

邓作梁1 ?2

(1. 修平技术学院机械工程学系 台中 41280 中国台湾;

2. 大叶大学机械工程研究所 彰化 51591 中国台湾)

摘要:手把是自行车重要支撑及承受负荷的零件,尤其自行车手把受到踩踏力以及骑乘者质量所产生的反力与压力相当大,故在设计初期须以自行车手把的强度与刚性为设计重点,并且必须要符合法规要求,以确保其结构强度及安全性。为建立CAE 设计与模拟分析技术在自行车结构的研发能量,以竞赛型自行车手把为研究对象,并藉由竞赛型自行车手把设计重点的探讨,改变传统圆形截面的手把,设计出相对应的手把截面几何形状及管壁厚度,以减少因尺寸增加造成固定端应力集中增加的现象,并改善手把因受力变形导致踩踏能量损耗的现象。进行手把几何尺寸的优化设计,以达到比传统圆形截面手把更轻且更强的竞赛型手把设计。经优化设计的手把结构必须再依照欧盟EN 14781 静力与疲劳测试法规,及德国DIN 79100冲击测试法规进行测试模拟,以确保所设计的手把结构符合法规规范。此竞赛型手把数值模型的设计分析方法可提供相关产业未来在产品开发设计时的参考。

关键词:自行车 自行车手把 优化设计 ANSYS

中图分类号:TP391

前言*

自行车支撑骑乘者的3 个部位分别为手把、坐垫及脚踏板,由于车手把只利用竖管将中央固定并与头管连接,而两端承受手部施予向上拉力、向下压力以及路面传来的冲击,没有与其他杆件连接,故为结构强度较脆弱处。竞赛型自行车的行驶环境一般为平整路面,甚至为专用跑道,几乎不会承受路面导致的冲击。由于该型自行车的设计目的在于竞速,所以减少能量的耗损是相当重要的。虽然减少了路面导致的冲击,但是骑乘者施予车架结构的力量却非常大,尤其是在全力冲刺时,手把受到踩踏力而产生的反向上拉力及骑乘者体重所产生的向下压力,都需要由手把结构来吸收。因手把只有中央固定且没有其他管件连接,故受力后极易在固定端造成应力集中,且于自由端发生大幅度的挠曲。若自行车手把的刚性不足,则骑乘者的踩踏力将无法藉由高刚性的手把辅助而完全发挥出来,每一次踩踏所产生的手把挠曲现象都会损失部分能量。另外自行车手把会依骑乘者体型而有不同尺寸的设计,其中宽度对手把刚性的影响较大。目前厂商在设计制造手把时,并未针对不同尺寸的同款手把进行适化设计,以减少不同尺寸产生不同负荷的影响。自行车是一种单轨迹车辆,其构造虽然简单但其运动自由度多且复杂,故对自行车的设计除应该注意到所有结构的强度,以确保骑乘的安全外,尚须考虑其自行车质量以及踩踏能量损失等问题。1993 STONE [1]提出骑乘者体重对结构负载的影响,提出了体重较重的骑乘者、较大的踩踏力(最大车速快、加速度大)、较快的速度都是增加结构负载的原因,反之较轻的骑乘者、较小的踩踏力、较慢的车速相对于车架的负载较小。1994 LESSARD[2]利用I-DEAS 设计复合材料的自行车车架结构,文中设计两款复合材料结构且有别传统构型,并针对其刚性及舒适性加以分析比较,结果显示所设计的两款复合材料车架拥有较好侧向刚性,并且比传统车架更加舒适。2004 年谢胜任[3]利用电脑模拟分析的技术来探讨钻石型自行车车架结构在设计的过程中结构上的应力分布以及结构寿命, 并进行其结构最适化设计。2005 年陈庆祥[4]提出了自行车车架性能比较测试方法,将市售8 款包含登山型及竞赛型自行车车架,依照车首管垂直及侧向静力测试、后三角垂直及侧向静力测试、五通水平静力测试、后倒冲击性能测试等项目,进行试验并撷取包含变形量及加速度等测试数据,以评价各车架的刚性、刹车性能、踩踏效率、操控性及舒适性等各项车架性能。2005 年宋宜骏[5]利用ANSYS 有限元分析软件对复合材料自行车架进行分析,探讨应力集中处并加以补强,分别针对前叉正向及侧向刚性测试模拟、车架单及双边刚性测试模拟及车架头管刚性测试模拟进行分析及补强,有效改善各部位的刚性。1999 LORENZO[6]实际撷取自行车行驶时手把的负载历程,利用雨流法归纳出主要负载历程再进行测试;并使用动态负载方法,预估自行车手把及其他重要结构的疲劳寿命。2002 MCKENNA [7]使用单一方向负载疲劳测试方法预估自行车手把的疲劳寿命,找出手把最大负载的方向进行并进行疲劳测试,以帮助自行车手把设计及通过各项测试法规。2002 CHANG[8]提出复合材料自行车手把的应力及破坏分析步骤与方法。1998 SEIBI [9]采用有限元分析对复合材料自行车的圆管结构及最适化进行分析。

手把是自行车重要支撑及承受负荷的零件,故在设计初期必须要严格遵守法规要求,以确保其结构强度及安全性。一般使用者对自行车的要求是:能耐用、不变形、不破坏,由于骑乘者是用自己的体力驱动自行车,单凭以上概念是不够的,原因是每踩踏一次,车架与各部结构就会承受一次挠曲或扭转,这不仅是踏力上的损失,而且由于前后轮的姿势变化,增加自行车的转动阻力,产生负面不利影响,在自行车结构上只做到“不弯曲、不折断”是不够的,必须再考量“结构不得轻易挠曲或扭转”的结构刚性。自行车结构刚性的考量与汽车或摩托车不同,最大原因有以下3 点:① 自行车与其他车辆不同,缓冲装置较少;② 自行车左右受踏的踏板距车架中心各约100 mm,容易对车架产生极大的扭转,手掌出力亦会对手把产生挠曲现象;③ 汽车引擎的2 0003 500 r/min 高转速,扭矩大致一样,自行车则是靠双脚踩踏,约50150 r/min 的低转速,扭矩的变动极大。以上都是损失骑乘者踩踏力的原因,故自行车在设计各部结构时必须将手把结构刚性纳入考量。由于过去自行车手把的构形较为简单,皆是采用圆管进行弯折加工,以达到所需的构形,因此手把所有位置皆为圆形截面。圆形管件虽对扭矩及弯矩有较好的抵抗能力,但是若能针对手把构形所产生的最大负载方向,设计出能抵抗其负载的截面形状,将可以有效增加手把的强度、刚性及耐用度。目前复合材料及金属材料,都可加工成任何不同截面形状的管材,所以设计不同管形或加大中央固定部位的管径,都是目前制造商增加手把性能的方法。

中国台湾省自行车产业的发展非常蓬勃,无论成车厂或零件厂都需要设计与分析的人才,但目前为数众多的厂商,仍然依照传统的经验法则制造自行车手把,故无法提供最安全且最适用的产品。由于自行车手把设计制作过程若完全采用试验测试将增加研发时程与成本,故有效运用CAE 技术于自行车车架及手把等零组件的设计与分析上,可达到增进产品设计开发的品质与效能的目的。为建立CAE设计与模拟分析技术在自行车结构的研发能量,本文以竞赛型自行车手把为研究对象,并藉由竞赛型自行车手把设计重点的探讨,改变传统圆形截面的手把,设计出相对应的手把截面几何形状及管壁厚度,以减少因尺寸增加造成固定端应力集中增加的现象,并改善手把因受力变形导致踩踏力损耗的现象。最后进行手把几何尺寸的优化设计,以达到比传统圆形截面手把更轻且更强的竞赛型手把设计。经优化设计的手把结构必须再经欧盟EN 14781 的静力与疲劳测试法规、德国DIN 79100 的冲击测试法规进行测试模拟,以确保所设计的手把结构符合法规规范。此竞赛型手把数值模型的设计分析方法可用作相关产业未来在产品开发设计时的参考。

1 竞赛型手把的结构设计

竞赛型自行车手把在骑乘者操作下,在手把固定端产生扭转及挠曲与下把位弯曲处产生挠曲现象,将损耗踩踏力的能量;且对较宽的手把其固定端易造成严重的应力集中,以及自由端较大的挠度现象将损耗能量;由于设计出不同截面形状的手把,可有效提高手把结构弯曲性及扭转刚性,进而减少能量耗损,例如若将管形设计成椭圆形,则可利用椭圆长轴部分较大的惯性矩来抵抗挠曲。本节将分别设计一款圆形截面形状的竞赛型手把,及两款不同椭圆形截面形状竞赛型手把,如图1 所示,并利用静力强度测试分析,比较3 种构形手把的固定端及下把位弯曲处的应力值、自由端挠度及手把质量。若能有效降低应力值、挠度及质量的手把截面构形,即代表该款手把截面构形拥有较佳的结构刚性,且能够减少踩踏力的损失,并达到轻量化及降低制作成本的目的。

1 手把截面形状示意图

1.1 手把有限元模型

自行车手把材料为铝合6061-T6,其密度为2.7 g/cm3,弹性模量为68.9 GPa ,屈服强度为 255MPa,极限抗拉强度为290 MPa,泊松比为0.33。竞赛型手把有限元模型的建构中,在圆形截面手把方面:首先在Solid works 绘图软件内建构出自行车手把构型中心线,再将此中心线汇入ANSYS 有限元分析软件,在模型中心线中央建立一圆形截面,指定绕行的中心线,建立实体管形。其圆管半径为12.7 mm,厚度为2.0 mm,宽度为380.0 mm,使用壳元素为数值模型元素,并设定结构材料参数,再进行有限元模型网格划分,如图2 所示;圆形截面

手把有限元模型共计有6 200 个元素及9 300 个节点。在第1 款椭圆截面A 型手把方面:于模型中心线中央建立一椭圆形截面,其截面积应等于圆形手把截面积,指定绕行的中心线,建立实体管形,其椭圆形长轴(y ) 半径为16.12 mm,短轴(x ) 半径为10 mm,厚度为2 mm,宽度为380 mm,使用壳元素为数值模型元素,并设定结构材料参数,再进行有限元模型网格划分,如图3 所示;椭圆截面A 型手把有限元模型共计有6 200 个元素及9 300个节点。在第2 款椭圆截面B 型手把方面,于模型中心线中央建立另一长轴方向的椭圆形截面,其截面积应等于圆形手把截面积,指定绕行的中心线,建立实体管形。其椭圆形长轴(x )半径为14.6mm,短轴(y )半径为11.0 mm,厚度为2.0 mm,宽度为380.0 mm,使用壳元素为结构模型元素,再进行有限元模型网格划分,如图4 所示;椭圆截面B 型手把有限元模型共计有6 200 个元素及9 300个节点。

1.2 手把静力强度分析

自行车在行进间手把受到骑乘者上拉与下压的负载会造成手把变形而损失踩踏力,分别对此3款手把进行静力强度测试分析,藉由结构应力值及挠度结果来比较出手把的性能。首先将3 款有限元手把模型中央(35 mm)部分的所有自由度拘束,并在距自由端50 mm 处向下施加1 kN 力。3 款手把的应力与挠度计算结果如表1 所示,由表1 得知,圆形截面的手把质量为318.16 g,下把位弯曲处的应力为241.85 MPa,固定端的应力为255.87 MPa,自由端挠度21.68 mm;椭圆截面A 型手把的质量为254.72 g,下把位弯曲处的应力为239.30 MPa,固定端的应力为261.48 MPa,自由端挠度17.32 mm;椭圆截面B 型手把的质量为335.02 g,下把位弯曲处的应力为243.53 MPa,固定端的应力为249.52MPa,自由端挠度22.95 mm。上述3 款截面形状的手把构形中,在手把两个应力集中部位下把位弯曲处及固定端之应力值相差不大,但椭圆截面A 型手把能够有效地减少结构质量,且可有效减少自由端的挠度,显示椭圆截面A 型手把为较佳的设计,可有效减少踩踏能量的损耗。

2 竞赛型手把的优化设计

自行车手把除须符合法规测试的基本要求外,厂商希望产品能够使用更少的材料,并提供更大的强度,不仅能够降低成本,提高产品质能,增加产品价值,更可展现厂商在设计及制作的工艺。要达到以上的目标,除了一般的结构强度分析外,还须配合结构最适化设计,方可获得完美可靠的产品。管径尺寸、管壁厚度、截面形状及椭圆比率都是影响自行车手把刚性的因素,然而并非增加所有适合参数即可成为最好的产品,很可能因此造成结构强度过强及材料浪费的情况,而增加不必要的质量与成本,故必须在符合法规要求的前提下,尽可能增加结构强度及刚性并维持较小的质量,因此手把必须进行优化设计方可达到以上目标。

本节以产品中常用380 mm 宽度之椭圆A 型手把的宽度尺寸作为最适化设计的尺寸依据。在手把优化设计中,设计变量为手把管形的长轴半径ra、短轴半径rb 及管壁厚度δ;限制条件为手把总重以及截面形状椭圆比(短轴半径除以长轴半径,即rb /ra),此手把质量变数设一上限,即相同宽度的圆形截面手把总质量为上限;目标函数则为固定端的应力最小值。首先设计380 mm 的手把最适化参数,设计变数范围设定为:长轴半径ra=1218 mm,短轴半径rb=913 mm、截面形状的椭圆比R=0.51.0、管壁厚度δ =1.02.2 mm;限制条件为小于相同宽度的圆形截面手把质量318.16 g.

由以上结果得知,自行车手把配合适当的管径、管形、管厚即可有效减少质量、应力值及自由端挠度,达到轻量化及增加强度及刚性的目的,并减少踩踏能量损失,更有效解决了大尺寸手把在固定端较为严重的应力集中现象。

3 自行车手把法规测试模拟

经优化设计的手把结构必须再进行法规测试模拟,以确保所设计的手把结构符合法规规范,以下将以最适化设计的手把结构,采用欧盟EN 14781的静力与疲劳测试法规,及德国DIN 79100 的冲击测试法规进行测试模拟。

3.1 手把静力测试法规

依据欧盟EN 14781 法规的静力测试规范,系于自行车手把中央部份固定,并在距手把末端50mm±1 mm 处,施予向下1 000 N 的作用力,并施力维持1 min,测试标准为测试时,手把不得出现裂缝或裂痕,且作为测定测试力作用点的永久变形量不得超过15 mm,如图5 所示。将宽度380 mm 的椭圆形截面手把依照法规环境进行模拟分析,得到测试力作用点的永久变形量为0.9 mm,其作用点的挠度量如图6 所示。由于手把的永久变形量均小于法规要求的最大永久变形量15 mm,故此最适化设计的竞赛型手把均通过EN 14781 的静力测试规范。

3.2 手把疲劳测试

依据欧盟EN 14781 法规的疲劳测试规范,系于自行车手把中央部位固定,于下把位弯曲处中央施以±400 N 同向作用力循环100 000 次,最大测试频率为25 Hz,测试标准为测试过程中,车手把不得出现断裂或裂痕,如图7 所示。将宽度380 mm的椭圆形截面手把依照法规环境进行模拟分析,得到其疲劳寿命次数为150 000 次,其应力集中部位接近固定端如图8 所示,此部位亦为疲劳破坏的起始点。由于手把的疲劳寿命均超过法规的100 000次要求,故此最适化设计的竞赛型手把均通过EN14781 的疲劳测试规范。

3.3 手把冲击测试

依据德国DIN 79100 法规的冲击测试规范,系于自行车手把中央部位固定,并以一质量10 kg 重锤,于500 mm高度垂直落下撞击距手把端面50 mm处,测试标准为手把无折断且无裂痕,如图9 所示。

将宽度380 mm 椭圆形截面手把依照法规环境进行模拟分析,于0.31 s 撞击时手把的固定端及撞击点产生较大的应力值,其模拟动态反应如图10所示,过程中最大应力值为285.04 MPa,未达到材料的极限应力290 MPa,故判定未破坏,过程中冲击点的永久变形量为6.02 mm,其冲击端挠度及最大应力值历程如图11、12 所示。由上述分析结果得知此款最适化设计的竞赛型手把通过了DIN 79100的冲击测试法规。

4 结论

(1) 手把固定端及下把位弯曲处同为骑乘时发生应力集中部位,容易造成破坏及损耗踩踏效率,该处为设计阶段应注意的重点。另外同款自行车手把会因宽度尺寸而产生不同的应力,亦是须考量的问题。

(2) 经由改变竞赛型自行车手把的截面构形可以有效降低应力值、质量及挠度,进而减少踩踏能量的耗损。其中较大的管径可以增加手把的强度以抵抗弯曲及扭转;薄管壁可以减少整体质量;椭圆截面形状的手把可抵抗更大的弯曲力并减少质量。

(3) 通过ANSYS 有限元分析软件内的优化设计功能,可以找出设计变数范围及限制条件内的最适当结构尺寸。

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