新型滑板自行車設(shè)計(jì)【青少年滑板車設(shè)計(jì)】【說(shuō)明書+CAD+SOLIDWORKS+仿真】

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這學(xué)期，我們通過(guò)優(yōu)化機(jī)械系統(tǒng)和改善其安全來(lái)改進(jìn)以前HRBS設(shè)計(jì)。我們團(tuán)隊(duì)的主要目標(biāo)是建立一個(gè)正常運(yùn)作的原型20"輪，它重量更輕，并具有運(yùn)動(dòng)部件少。比前幾代，作為它部分的設(shè)計(jì)已精心研究，我們的團(tuán)隊(duì)取得了現(xiàn)存的液壓系統(tǒng)的微小變化。此次設(shè)計(jì)由我們的贊助商，大衛(wèi)環(huán)保局史懷恩先生指導(dǎo)，我們建立了一個(gè)滿足客戶的要求項(xiàng)目清單。下面的表1列出了許多我們的重點(diǎn)工程，并創(chuàng)造了滿足這些要求的規(guī)格，以及最后的樣機(jī)特征。我們的四大類工程規(guī)格為，安全性、成本、重量和功能性。由于這些規(guī)格與其性質(zhì)的沖突，它一直難以改善自行車的許多系統(tǒng)而對(duì)他人設(shè)計(jì)產(chǎn)生不利影響。妥協(xié)以創(chuàng)造一個(gè)可行的設(shè)計(jì)是必要的途徑。 表1：重點(diǎn)工程規(guī)格概要 特征 指標(biāo) 樣機(jī) 前輪的裝配重量 ≤30磅 24.75磅 自行車額定負(fù)載（騎手體重） ≤160磅 ＞200磅 限量系統(tǒng)壓力安全閥 ≤4200psi ≤4200psi 自行車減速指標(biāo) 3.4m/s2—2.6m/s2 無(wú)法取得 自行車加速指標(biāo) 2.0m/s2—2.5m/s2 無(wú)法取得 移動(dòng)/旋轉(zhuǎn)樞紐內(nèi)部零部件數(shù)量 ＜11 7 樣機(jī)成本 ≤1400美元 1338美元 許多主要的液壓元件需要長(zhǎng)期收購(gòu)多次。為了完成我們?nèi)纹诮Y(jié)束時(shí)作出一個(gè)擁有這些功能的樣機(jī)的目標(biāo)，我們加快觀念的生成和選擇，從而以留出足夠的時(shí)間訂購(gòu)和接收這些部件。基于預(yù)期的任務(wù)要求以及交貨時(shí)間，這學(xué)期我們創(chuàng)造了一個(gè)詳細(xì)的計(jì)劃。 與以前的設(shè)計(jì)相比，我們已經(jīng)大大降低了齒輪的數(shù)量來(lái)減輕樣機(jī)的重量，用一個(gè)輕型鋁合金發(fā)言系統(tǒng)來(lái)取代笨重的玻璃纖維樞紐的支撐系統(tǒng)，并從內(nèi)部支撐板（“superbracket”）去除多余的材料。這些修改的選擇來(lái)自于一個(gè)基于深入分析每個(gè)組件所需的力量和扭矩廣泛的概念。實(shí)現(xiàn)這些涉及公制和非公制元件之間的非標(biāo)準(zhǔn)接口這項(xiàng)主要工程的障礙進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并確定液壓回路的路線選擇。 1摘要 美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）正在努力研究液壓混合動(dòng)力運(yùn)輸系統(tǒng)以解決有關(guān)全球氣候變化和貪得無(wú)厭的化石燃料的需求得到越來(lái)越多的關(guān)注。在過(guò)去的7年里，ME450在美國(guó)密西根大學(xué)（UM）的學(xué)生為液壓混合動(dòng)力自行車系統(tǒng)設(shè)計(jì)作出發(fā)展，液壓混合動(dòng)力汽車使用再生制動(dòng)儲(chǔ)存能量加壓液體這種能量的釋放可以協(xié)助車輛加速。這學(xué)期，我們提出20英寸自行車輪內(nèi)的液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是降低重量，提高安全性，并減少移動(dòng)部件的數(shù)量。 2引言 本節(jié)概述了液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)的概念、自行車環(huán)保局的起源以及其發(fā)展的原動(dòng)力。此項(xiàng)目在2009年冬季學(xué)期ME450范圍內(nèi)進(jìn)行，概要介紹如下。 2.1背景和動(dòng)機(jī) 美國(guó)環(huán)境保護(hù)局成立于1970年，是一個(gè)負(fù)責(zé)糾正損害環(huán)境和建立指引的聯(lián)邦機(jī)構(gòu)，以幫助保護(hù)美國(guó)的自然環(huán)境[1]。主要研究清潔能源，特別是運(yùn)輸是EPA的努力的幾個(gè)重點(diǎn)[2]。與伊頓公司、聯(lián)合包裹運(yùn)送服務(wù)公司、福特、國(guó)際和美國(guó)軍隊(duì)保持合作，環(huán)保局已開發(fā)出幾種改善燃油經(jīng)濟(jì)性和減少對(duì)環(huán)境的影響為目的的液壓混合動(dòng)力汽車[3]。 液壓混合動(dòng)力車技術(shù)的主要概念是捕捉和利用，否則將失去制動(dòng)過(guò)程中用它來(lái)加快車輛的能源。作為汽車制動(dòng)器，液壓泵連接到傳動(dòng)泵的液壓油進(jìn)入高壓蓄能器。在車輛加速過(guò)程中，在蓄能器儲(chǔ)存的能量被釋放到動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，液體流動(dòng)通過(guò)液壓馬達(dá)。這大大降低了所需的燃料，回到正常的運(yùn)行速度以加速[3]。這種再生制動(dòng)的結(jié)果是在燃油經(jīng)濟(jì)性上明顯的改善—不僅是對(duì)環(huán)境有益，也為業(yè)主降低燃料成本的特點(diǎn)。這種液壓再生制動(dòng)系統(tǒng)（HRBS）（如圖1所示）的圖表在第6頁(yè)上顯示。 圖1：液壓油在HRBS上的路徑[4] 使用自行車作為交通工具上下班，減少了化石燃料的使用、減輕了溫室氣體排放、減緩了道路擁堵，同時(shí)騎行自行車數(shù)英里還提高了用戶的身體健康[5]。環(huán)保局已經(jīng)證明在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛上安裝HRBS可改善20-40％的燃油經(jīng)濟(jì)值[3]。自2002年以來(lái)，環(huán)保局已與澳學(xué)生對(duì)液壓自行車實(shí)施狀況進(jìn)行合作，對(duì)其具有清潔、液壓助力式承擔(dān)的高效的運(yùn)輸可能性進(jìn)行探索。但該項(xiàng)目產(chǎn)生只有一個(gè)功能性的產(chǎn)品。 2.2工程項(xiàng)目說(shuō)明 這個(gè)項(xiàng)目是以開發(fā)20英寸兒童式自行車液壓再生制動(dòng)系統(tǒng)為目標(biāo)。由于液壓系統(tǒng)在同比例大小進(jìn)行縮放向下的艱巨性和縮放向上較為容易性，因此選擇20英寸這個(gè)尺寸研究HRBS自行車，它在分析重量、力的大小、和固有的扭矩問(wèn)題上較為合適。 在過(guò)去的7年,環(huán)保局和機(jī)械工程學(xué)450的學(xué)生一直致力于研究HRBS自行車。以前的ME450隊(duì)一直在26英寸和20英寸自行車輪子上擬合這些系統(tǒng)。我們?cè)谘芯縃RBS方面的主要焦點(diǎn)是改善現(xiàn)有的設(shè)計(jì)，以提高它的安全性、降低重量、確保功能性和降低成本。值得注意的是，我們正在設(shè)計(jì)的20英寸輪HRBS系統(tǒng)，其主要目標(biāo)之一是在不犧牲機(jī)械強(qiáng)度或壓力容器的安全的前提下將設(shè)備的重量減少到30磅。我們的計(jì)劃是保留大部分過(guò)去設(shè)計(jì)的液壓元件，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)已由大衛(wèi)_斯溫和以前的團(tuán)隊(duì)得到了很好的研究和記錄。我們正在進(jìn)一步制定一個(gè)HRBS技術(shù)的、以減少運(yùn)動(dòng)部件、降低重量、提高安全性為重點(diǎn)的功能樣機(jī)。 3信息收集 為了更好的理解液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)，我們團(tuán)隊(duì)調(diào)查了廣泛收集的信息，其中包括研究論文、以前ME450的報(bào)告和環(huán)保局的資源。在這部分報(bào)告所顯示的信息中我們找出了液驅(qū)混合動(dòng)力車輛技術(shù)。 液壓系統(tǒng)在如機(jī)械、制動(dòng)系統(tǒng)、儲(chǔ)能等各種應(yīng)用場(chǎng)合下受到使用。由于液壓系統(tǒng)傳輸較大的力的性質(zhì)和高效地將勢(shì)能轉(zhuǎn)換成動(dòng)力的能力而受到了大家廣泛地使用。為了安全地利用這項(xiàng)技術(shù)，我們必須采取預(yù)防措施，以防止因高壓而爆裂液壓系統(tǒng)。 4項(xiàng)目要求及工程規(guī)范 該部分概述了這個(gè)項(xiàng)目的規(guī)格，我們首先了解我們的客戶的需求。然后我們改變工程規(guī)格要求來(lái)滿足客戶的需求。這部分的報(bào)告詳細(xì)介紹了一些要求和并由此產(chǎn)生的規(guī)范。 4.1客戶要求 作為我們的提案者大衛(wèi)-斯溫在這學(xué)期為我們概述了客戶的要求，客戶的要求是，延續(xù)過(guò)去兩個(gè)學(xué)期的內(nèi)容，并補(bǔ)充強(qiáng)調(diào)了三大主題，及安全、性能、成本。通過(guò)上述要求來(lái)知道我們的工程技術(shù)規(guī)范的形成。我們對(duì)三大主題和他們的重要性進(jìn)行分組.第11頁(yè)表1顯示我們客戶要求的一個(gè)列表。 表1 按客戶要求的重要性進(jìn)行分類 相對(duì)重要性 安全性 性能 成本 高 用戶安全 輕量級(jí) 廉價(jià)的制造工藝 自然制動(dòng)率 可靠 以A股 自行車為準(zhǔn) 使用方便 高效 材料成本 低 易于維修 足夠的啟動(dòng)速度 4.2工程規(guī)范 客戶要求的成本和安全可直接轉(zhuǎn)換成工程規(guī)格，然而，性能可分為重量和功能，我們了解兩者都具有重要性且相對(duì)獨(dú)立，而由此產(chǎn)生的規(guī)格說(shuō)明在以下列表中。這些規(guī)范以及客戶的要求可以使我們對(duì)質(zhì)量和功能設(shè)計(jì)的展開和相互作用。 5概念生成 為了有效地創(chuàng)造廣泛收集的概念，首先，我們通過(guò)分解HRBS的主要系統(tǒng)，分解成各個(gè)子系統(tǒng)后，我們列出了其各個(gè)主要的組成部分。然后，我們每個(gè)團(tuán)隊(duì)隊(duì)員創(chuàng)建每個(gè)組件的一個(gè)概念列表，通過(guò)彼此創(chuàng)建的想法組成一個(gè)整體的概念咧表。 5.1功能分解 基于獨(dú)特的歷史和相對(duì)復(fù)雜的項(xiàng)目，以及與之前大部分團(tuán)隊(duì)相比，我們采取了稍微不同的概念生成過(guò)程。首先，我們將自行車HRBS分解成五個(gè)功能子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)分別為液壓系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、輪轂、超級(jí)支架、和用戶界面。每個(gè)子系統(tǒng)包含至少2個(gè)主要成分。圖3是一個(gè)功能分解樹，它顯示了那些組件屬于哪個(gè)子系統(tǒng)。 圖3：介紹各子系統(tǒng)的組要組成部分的功能分解數(shù) 完成功能分解后，各個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生了各系統(tǒng)組件的概念，作為一個(gè)團(tuán)隊(duì)，我們分別去建立概念和進(jìn)行分析，從而我們可以從多個(gè)角度入手每一個(gè)問(wèn)題。 5.2液壓系統(tǒng) 該系統(tǒng)由以前的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)，此子系統(tǒng)已經(jīng)非常完善。這項(xiàng)目也是籌備時(shí)間最長(zhǎng)的一個(gè)子系統(tǒng)。因此，我們的許多液壓元件，包括泵、電機(jī)、高壓蓄能器、管材及配件、低壓油箱，仍將以前團(tuán)隊(duì)所指定的相同。 除了前幾代所使用的系統(tǒng)，在增壓系統(tǒng)上安裝包括泄壓裝置等設(shè)備以防止過(guò)度增壓是非常重要的。如一個(gè)可變的泄壓閥或者爆裂光盤都可實(shí)現(xiàn)以上功能。 該閥的分類是由一個(gè)防止高壓力流體進(jìn)入泵的止回閥和啟動(dòng)和停止程序啟動(dòng)的換向閥。應(yīng)用各種類型的止回閥來(lái)更好地應(yīng)對(duì)壓力的不同。而該換向閥可以是雙向或三通電磁閥。不同類型的閥門有不同的密封方法，其中錐閥密封性能很好，只有幾滴每分鐘，線軸閥泄漏為幾十毫升每分鐘。 5.3動(dòng)力系統(tǒng)及密封 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)可分解成只有兩種組件的類別，但是由于20英寸自行車車輪的約束，使得它變得非常復(fù)雜。在過(guò)去，機(jī)械式的減速裝置使用了直齒圓柱齒輪，由此我們產(chǎn)生了許多新的概念，其中包括塑料齒輪、酚醛齒輪、鏈輪及鏈條、齒形傳動(dòng)帶、電纜和滑輪、像那些用來(lái)啟動(dòng)云霄飛車的摩擦輪。 第二個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的組成是離合器機(jī)理。一個(gè)系統(tǒng)應(yīng)具備一個(gè)能隨時(shí)從運(yùn)行的泵和電機(jī)中脫離運(yùn)行和制動(dòng)的旋轉(zhuǎn)樞紐，而來(lái)完成這項(xiàng)任務(wù)的概念為包括機(jī)電離合器（基準(zhǔn)）、機(jī)械離合器、滾珠離合器和利用一個(gè)線性驅(qū)動(dòng)器定制的離合器。 5.4樞紐 該自行車輪轂的主要作用是支撐自行車車圈，與自行車的減速裝置連接，并在其附上該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件。輪轂固定繞在自行車的輪軸上。以前的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)創(chuàng)建了以碳纖維和玻璃纖維制成的輪轂，我們擴(kuò)入了以前的概念和我們自己的概念如鋁金屬板，真空成型塑料，和輪輻與薄蓋等，由此我們制定了由輪輻和真空形式設(shè)計(jì)相結(jié)合的新的概念。在本設(shè)計(jì)中，鋼性的骨骼結(jié)構(gòu)將用于支撐自行車并用塑料薄膜蓋蓋住系統(tǒng)。 5.5超級(jí)支架 該支架子系統(tǒng)由超級(jí)支架和自行車的輪轂組成，這些組件都是剛性連接在一起。該輪轂的旋轉(zhuǎn)軸和電氣線路的出入端通過(guò)軸心輪轂。Superbracket設(shè)計(jì)是材料選用以及厚度的最優(yōu)化的設(shè)計(jì)問(wèn)題。該支架需要支撐液壓和機(jī)械部件和為阻礙正在加載的徑向泵和電機(jī)的輸入\輸出軸。為了滿足這些指標(biāo)，我們創(chuàng)建了一個(gè)虛擬的材料清單，其中包括鋼鐵、鋁、玻璃纖維、工裝板、木材、碳纖維、塑料等。隨著材料的選擇完成，我們已經(jīng)討論了采用凹坑模具、加入三角撐板和增加角鋼輔助的方法來(lái)提高支架的剛度。 5.6使用者界面和控制項(xiàng) 在以往的設(shè)計(jì)中，該界面納入了一個(gè)控制啟動(dòng)和制動(dòng)功能的開關(guān)盒，這個(gè)盒子直接安裝在座位前的自行車車架上，然而在功能上，這就迫使自行車手必須放開至少一個(gè)把手去啟動(dòng)這些系統(tǒng)，如果系統(tǒng)發(fā)生制動(dòng)失效，騎手必須迅速調(diào)整自己手的位置去使用手剎車車把進(jìn)行制動(dòng)。這里產(chǎn)生了一個(gè)可能的概念來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，就是將開關(guān)和存在的手剎車進(jìn)行集成。如可以在鋼絲繩上鉸接一個(gè)撥動(dòng)開關(guān)，通過(guò)輕微的擠壓手剎來(lái)啟動(dòng)HRBS，而用力擠壓則足以使它摩擦制動(dòng)。另一種選擇的前提是這輛車必須配備前后手剎車，則可以脫離未修改的后手剎車，并且將前車手剎的鋼絲繩與扳鈕開關(guān)相連，通過(guò)安裝在手把上的切換扳鈕開關(guān)來(lái)啟動(dòng)激活系統(tǒng)，或者在每個(gè)把手上都安裝一個(gè)按鈕，而兩個(gè)開關(guān)處于平行線狀態(tài)，就可以兩個(gè)按鈕必須啟動(dòng)而觸發(fā)。站在安全的角度上看，這是相對(duì)有益的。 6結(jié)論 這學(xué)期，我們圍繞20英寸自行車輪設(shè)計(jì)和構(gòu)建了液壓制動(dòng)再生系統(tǒng)。通過(guò)使用環(huán)保局和以前ME450團(tuán)隊(duì)的技術(shù)，以及采用我們團(tuán)隊(duì)所具有的豐富的資源，我們?cè)谧孕熊嚿现匦略O(shè)計(jì)了機(jī)械和電氣系統(tǒng)。我們所設(shè)計(jì)的自行車，其液壓元件的規(guī)格與歷代的自行車上的規(guī)格沒(méi)有變化，而是減輕重量、提高安全性和增加其功能，并在制造和裝配過(guò)程中得到驅(qū)動(dòng)和激勵(lì)。積極采購(gòu)零部件，主動(dòng)安排任務(wù)，我們能夠在整個(gè)學(xué)期的最后期限完成這個(gè)項(xiàng)目。在這較短的設(shè)計(jì)周期中，堅(jiān)持一個(gè)以有條不紊和深思熟慮的做法是必要的，從而避免出現(xiàn)混亂和誤導(dǎo)工作，并且使得每個(gè)團(tuán)隊(duì)成員建立一個(gè)縝密的知識(shí)系統(tǒng)和它的組成，以致可以在這個(gè)項(xiàng)目上提出一些飛躍性的演化。