-碳纤维自行车疲劳综合试验台结构设计【全套图纸】.doc

北华大学学士学位论文目 录第一章 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.1.1 课题研究背景11.1.2 课题研究意义31.2 国内外研究现状和发展趋势41.2.1 国外研究现状41.2.2 国内研究现状5第二章 总体设计方案72.1 主要研究内容72.2 试验台整体方案的设计72.3 测试部件的分析82.3.1 制动性能差异82.3.2 车架-脚蹬力测试分析102.3.3 车架-水平力测试分析102.3.4 车架-垂直力测试分析112.3.5 前叉-弯曲力测试分析112.3.6 曲柄组合件测试分析122.3.7 鞍管测试分析13第三章 总体结构方案153.1 总体方案153.2 零件装夹方案设计153.3 课题难点和关键技术173.4 增强主体稳定性的设计与主要零部件173.4.1 增强主体稳定性的设计173.4.2 试验台主要零部件18第四章 机械系统部分194.1 电机的选择194.2 带传动设计204.2.1 计算设计功率204.2.2 选择带型214.2.3 带轮齿数及节圆半径214.2.4 计算带速和带长234.2.5 计算轴间距和啮合齿数244.2.6 计算作用在轴上的力254.3 梯形丝杠的参数设计及校核264.3.1 丝杠材料的选择264.3.2 丝杠螺母的耐磨性计算264.3.3 丝杠的稳定性计算274.3.4 丝杠的刚度计算284.3.5 丝杠的强度计算294.3.6 螺纹牙的强度计算29结论31致谢32参考文献33 II 第一章 绪论1.1 课题研究的背景和意义1.1.1 课题研究背景全套图纸，加153893706自行车是人们出行时常用的代步工具，由于其绿色环保、轻便灵活、价格低廉等，因此，无论是在工业发达的欧美国家，还是发展中国家，自行车始终深受人们的欢迎，形成了巨大的自行车消费市场。据不完全统计，当今世界上共有65个国家和地区生产自行车。按地区划分，世界重要自行车生产国主要分布在亚洲、欧洲、北美地区。有资料显示，自2005年以来世界自行车年产量大约为1.2亿辆，其中自行车贸易总量7500万辆左右，约占世界自行车总产量的63%。近年来，我国自行车工业发展迅速，生产的社会化、专业化程度越来越高，每年生产数千万辆各种花色、规格的自行车，社会拥有数亿辆，已成为名副其实的自行车王国和世界自行车制造中心。随着现代社会的飞快发展，自行车已不仅仅是交通和运输工具，已具有集健身、旅游、竞赛等多种功能。因此迫切需要有新形态、新材料的自行车出现，以使自行车外观更具美感，重量进一步下降，骑乘舒适性更好。自行车档次的高低取决于材料的选择和做工。典型的低、中、高档自行车构架分别由碳钢、铬钼合金及铝合金和碳纤维制造。碳纤维是一种新型的复合材料，它有质量轻、强度高、刚度好、抗振性强等优点，而且具有可设计性和易成型性，从而使设计的结构有更高的结构效率。随着碳纤维复合材料制造技术逐渐趋于成熟，碳纤维售价大幅度下降，促进了碳纤维自行车的开发研究。经过多年的发展，碳纤维复合材料已成为高档自行车车架的主流材料，受到了越来越多的关注。为了保证碳纤维自行车的质量和安全有效的使用，国家颁布了有关标准，有关标准中规定了各种自行车的性能和检测试验方法。自从我国加入WTO以来，我国自行车整车安全标准及主要零部件标准要与国际标准完全接轨，近年来欧盟、日本等国家和地区新的自行车安全标准的推行，使得企业原有的检测设备和检测能力不适应新标准的技术要求，对碳纤维自行车出口贸易的产品质量提出了更高要求，急需一些与新标准配套的检测设备。鉴于以上因素，本企业充分运用当前计算机自动检测与测量技术，急需研制一种碳纤维自行车整车及主要零件的疲劳测试平台。自行车具有无污染、有强身健体功能和价格便宜等特点, 被人们广泛使用, 尤其变速自行车, 具有较好的调速功能, 爬坡性能好, 是丘陵城市消费者的主要交通工具之一。变速自行车的大规模生产必须有先进、实用、可靠而安全的变速传动部件和外变速系统专用的质量检测、试验分析设备。目前的疲劳试验机主要有以下三种: 采用凸轮- 杠杆机构拨链, 该装置结构简单、紧凑, 但使用后易产生磨损, 影响拨链准确性, 且通用性不好; 采用气动控制的疲劳试验机, 该机虽具有气动动作迅速、反应快、维护简单等优点, 但由于空气可压缩性大, 工作速度的稳定性差, 有一定的冲击; 通过小型电动机或电磁铁, 牵引钢绳进行自动拨链, 效果也不尽人意。经过多年的努力, 我们成功地研制出变速系统综合试验分析机。自行车是重要的交通工具之一，与人们的切身利益息息相关。而中国是自行车生产大国，为了提高产品质量，确保人身安全，生产的自行车的各组零部件能否合格，是一个关键问题，因此迫切需要一种自行车零部件的检测设备对其检测。疲劳失效是机器零部件失效的主要形式，因此疲劳试验是检测材料的重要手段，在疲劳试验中判断试件十是否破坏，传统方法主要以目测宏观裂纹的出现为依据，这种观测方法往往难以保证准确地给出材料的疲劳寿命，而且也不能提供裂纹随载荷、时间、温度等外变量变化而变化的实时或连续信息。因此，研制一台通用性好的疲劳试验机具有实际意义。自行车骑行过程中,容易引起颠簸振动,加上频繁的刹车制动,产生瞬间的冲击作用,当这种瞬间的冲击力累积到一定的次数,如果车把不具有足够的强度,车把的薄弱环节就会失效。车把的金属材料虽然抗塑性变形的性能较好,但是反复施加应力时,金属材料还是可能被破坏(被称为微细的应力集中)。疲劳破坏常常是由一些微小的表面裂纹引起的,在交变应力的作用下,这些微小裂纹就会扩展而当一条主要裂纹的尺寸达到临界值时,构件就发生破坏。疲劳失效是材料在正常工作情况下,在长期反复作用的应力下所发生的性能变化,该应力的大小并没有超出材料能够承受的范围,但是长期反复的作用就会引起材料的疲劳,材料的疲劳并不是一开始就会被察觉的,它是一个缓慢发展的过程。机械制造、化工生产、建筑工程等许多方面都面临材料结构疲劳的影响。面对由于材料与结构的疲劳与断裂所带来的种种问题及影响,疲劳研究的现实意义也就尤为突出了。疲劳失效是机器零部件失效的主要形式,因此疲劳试验是检验材料性能的重要手段,在疲劳试验中判断试件是否破坏,传统方法主要以目测宏观裂纹的出现为依据,这种观测方法往往难以保证准确地给出材料的疲劳寿命,而且也不能提供裂纹随载荷、时间、温度等外变量变化而变化的实时或连续信息。因此,研制一台通用性好的疲劳试验机具有实际意义。材料试验机是在各种条件、环境下测定金属材料、非金属材料、机械零件、工程结构等的机械性能、工艺性能、内部缺陷和校验旋转零部件动态不平衡量的精密测试仪器，可以对材料进行拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、冲击、疲劳、蠕变、持久、松弛、磨损、硬度等试验。在研究探索新材料、新工艺、新技术和新结构的过程中，试验机是一种不可缺少的重要测试仪器。广泛应用于机械、冶金、石油、化工、建材、建工、航空航天、造船、交通运输、等工业部门以及大专院校、科研院所的相关实验室。对有效使用材料、改进工艺、提高产品质量、降低成本、保证产品安全可靠等都具有重要作用。材料试验机的种类很多，有多种不同的分类方法。按加荷方法分类: 静负荷试验机(静态)和动负荷试验机(动态)。其中静态试验机一个主要组成部分。万能试验机可分为机械万能试验机、液压万能试验机、电液伺服万能试验机和电子万能试验机。自行车车把部件是自行车里非常重要的部件,因此自行车车把部件的疲劳试验是对自行车疲劳试验中很重要的一个环节。通过对自行车车把的疲劳试验,可以具体地分析自行车把材料的质量和结构设计,从而对改进自行车把提供实际依据,并为自行车的安全问题提供保障。本课题所研制的自行车疲劳试验机包括机械系统、控制系统和测试系统。控制系统是整个系统非常重要的部分,对于疲劳试验机整个系统的稳定起关键作用,控制系统设计的好坏直接影响到疲劳试验机的性能。1.1.2 课题研究意义自行车的质量检测是自行车制造及使用的重要安全保障要素之一。由于自行车大多行驶在城市郊区、农村、山村等地区，由于路况差，而且疲劳破坏具有突然性而出现问题，往往会造成严重的后果。为此，开展自行车疲劳耐久试验是非常重要和必要的，也越来越受到自行车生产厂家的关注。 车架、前叉和车把是碳纤维自行车的关键零部件，其质量直接关系到整车的好坏。自行车的车架是受力复杂的结构件，它承受着整车及载荷的重量，接受动力传递装置的扭矩，通过驱动轮与路面的附着作用，产生对自行车的牵引力；自行车架受着路面作用于车轮的各种力及力矩承受着自行车在不平路面行驶时产生的冲击和振动载荷等。并且路面的交变载荷经车轮、前叉传递到车把，同时经后轮和车架传递到车把和坐垫，使骑车者感觉不舒适的同时，也对前叉等部件产生冲击和振动，易使前叉受损。因此，自行车车架和前叉必须有足够的强度和刚性，而且在重量、造型等方面也有相应的要求。在载荷的作用下，车架和前叉必须有足够的静强度和疲劳强度。静强度是指在承受冲击载荷时，车架抵抗永久变形的能力。疲劳强度是指自行车在行驶过程中，承受交变应力时不产生疲劳裂纹和疲劳断裂的能力。实践证明，目前碳纤维自行车车架和前叉的主要损坏形式是疲劳破坏，一般先在局部区域（焊接接头处）产生裂纹，然后裂纹扩展导致断裂。疲劳强度不够，使用一段时间后，容易发生车架断裂、永久变形等严重事故，给人身安全带来严重威胁。通过对碳纤维自行车整车及关键部件结构进行疲劳强度分析及寿命预估，不但可以对现行自行车车架前叉进行剩余寿命评估，而且能有效地指导新型自行车的开发，提高了国内碳纤维自行车的设计水平，具有十分重要的理论意义和实用价值。同时，通过对碳纤维自行车整车系统的疲劳强度研究，制定疲劳强度试验标准，最终实现在疲劳试验机上对碳纤维自行车进行疲劳试验，不仅可以大大缩短产品开发周期、降低开发费用，避免路试中的安全事故，而且为在碳纤维自行车开发和定型抽检中对整车及关键部件疲劳耐久性考核试验及主要性能对比提供技术支持。而国内/吉林在此方面尚无有效检测手段，此课题成功开发可填补国内/吉林在此方面的空白，通过研究形成试验的标准，在条件成熟的基础上可上升为国家行业标准，具有十分重要的社会意义和经济效益。本项目预研制一台用于自行车疲劳测试的综合试验台，该试验台充分利用组合夹具柔性装夹、适应范围广的特点，可对自行车的前叉、车架、车把、脚踏车闸、车轮及整车的疲劳性能测试实验；并利用液压与机电结合控制方式，灵活准确的控制疲劳加载力的大小、频率，更好地满足了实验参数要求，提高了实验的准确性，同时也提高了试验台测试的效率。1.2 国内外研究现状和发展趋势1.2.1 国外研究现状20世纪中叶以来，随着碳纤维技术和山地自行车运动的发展，国内外的一些公司对碳纤维山地车架的制造工艺进行了大量的研究和创新设计，推出了各种性能优异的碳纤维车架，使碳纤维复合材料的优越性得以充分体现。20世纪80年代中期，意大利、法国、英国和美国利用他们在复合材料和工程塑料方面的技术优势，相继开发成功了用碳纤维管和铝合金接头粘接成车架的碳纤维自行车。其车架重量较铬钼钢车架轻，强度、刚度却比铬钼钢车架高，因此一经研制成功，便被用作专门的比赛用车。欧美等国的自行车厂商与研究部门密切合作，对自行车进行了计算机辅助受力分析和强度计算，使自行车外形更符合人机工程学的要求。他们先用纤维编织机将碳纤维编成车架状的“骨架”，再放置在模腔内，注入树脂后进行加温加压固化，再对其表面进行光整处理。由此研究出重量轻、刚度大的碳纤维整体车架，随着碳纤维整体车架成型工艺的研制开发，碳纤维自行车在欧洲市场的地位不断上升，年销售量已达几万辆。传统型的碳纤维管和铝合金接头的粘接式车架也让位于整体车架。这其中具有代表性的是法国Look公司的KG-196和DONNAY公司的PRO9000整体式车架及KESTREL车架。到了90年代，国外厂商将粘接型和整体型进行了“混合”技术。即用碳纤维管和多通接头作“底”外敷缠绕碳纤维层，使多通接管掩埋在里面，外部看起来似整体成型，以确保自行车的强度。美国Trek公司应用其OCLV专利技术，精确控制了碳纤维车架成型过程中的温度和压力，消除了车架制作过程中多层多方向层叠碳纤维之间产生的气泡，从而使车架具有了最大的强度质量比；在车架碳纤维结构部段连接方面，Trek公司采用阶梯式连接法(STEP JOINT)，保持了管壁厚度的一致性与连贯性。德国、美国等国的碳纤维自行车质量检测设备比较复杂、自动化程度高，但是设备造价高，价格昂贵，并且单件检测费用高昂，一般企业难以承受。日本、意大利等企业的疲劳测试机结构简单，但因技术封锁，只向我国提供实验设备，不提供试验方法和检测标准；即使提供相关的试验规范，我国的车型和路况与其国家的截然不同，试验规范亦无实用价值。目前从瑞士、英国、西德、日本等生产的疲劳试验机来看,大都是以电磁激励的共振型疲劳试验机为主。另外,由于疲劳试验技术的发展,为适应多种疲劳试验目的,而出现疲劳试验机。1957年电液伺服谐振式疲劳试验机问世,为疲劳试验机技术迈开了新的一步。它能实现高负荷、高频率、低消耗,从而缩短了试验时间,降低了试验费用。疲劳试验机实际上能对各种部件施加静负荷和动负荷,特别是在动态试验中能用最小能量的损耗得到大负荷,高交变速度,根据需要还能进行低循环试验,程序试验和随机负荷试验,这种试验机巧妙地使用了电液伺服阀,采用一般试验机的弹簧/质量系统的结构,使之满加种试验如。1.2.2 国内研究现状20世纪80年代初期，台湾是世界上最大的自行车出口基地，然而到了80年代中期，台湾自行车工业由于其高科技含量低,失去了在国际市场上的竞争力。于是便开始着手研制碳纤维自行车。1985年，台湾最大的自行车厂商之一捷安特(Giant)公司与台湾材料研究室(MRL)共同开发碳纤维自行车，他们在不长的时间内取得了一系列科研成果，成功地开发了一种新颖的铝合金金属压注接头胶接碳纤维自行车构架。1988年，捷安特公司开始批量生产联合开发的碳纤维自行车构架，并组装整车上市，获得了每年一百万辆的市场份额，这种高科技自行车的成功开发，使捷安特一举成为世界著名商标，捷安特自行车得以顺利地畅销美国、日本、澳大利亚和欧洲共同体国家，捷安特公司的碳纤维自行车得以占领全球的60%市场份额。台湾的碳纤维自行车安全测试机多采用气动控制，设备可靠性差，检测精度难以保证。伴随着试验技术的发展趋势，未来我国试验机产品的发展会朝着功能模块化、系列化、共用化方向发展;朝着特种、专业化方向发展;朝着准确模拟各种特殊环境、模拟实际工况的方向发展，以便提供更接近特殊环境和实际工况的综合、复杂的试验条件;朝着自动化、智能化、网络化的方向发展;试验机的应用软件会朝着可扩展、可升级、个性化的方向发展，从一定意义上来看，未来试验系统功能的优劣会在其系统的应用软件方面更多的表现出来。我国计量检测事业的历史悠久，但试验机制造行业在旧中国是空白，中华人民共和国成立后，党和政府十分重视计量检测技术的发展，采取了许多重要措施来发展仪器仪表工业。经过五十多年的努力，我国万能材料试验机的制造，从无到有、从小到大，从单参数到多参数，从静态到动态，逐步发展成初具规模，具有能生产静负荷试验机（如拉、压万能试验机、扭转试验机、松弛试验机、持久强渡试验机、蠕变试验机、复合应力试验机等）和动负荷试验机（如冲击试验机和疲劳试验机等）的能力，有效地促进了国民经济建设和国防建设的发展。我国万能材料试验机市场已形成一定的规模，试验机产品的发展日趋大型化、智能化、动静态功能复合化，有的试验机产品已出口到国外，远销到亚洲和欧美市场，具有一定的竞争能力。此外，长春试验机研究所以其行业归口所的身份，开展了试验机行业产品的标准化工作、行业发展规划的编制工作，建立了试验机技术情报网，设立了试验机测试中心站(国家试验机产品质检中心的前身)，编辑出版了我国试验机行业学术期刊，这些都对我国试验机行业的技术发展发挥了重大的推动作用。国内的碳纤维自行车在最近几年取得了较大的进展。1993年，我国天津飞鸽自行车(集团)公司和北京环航复合材料公司联合投资开发粘接型碳纤维自行车。深圳中华自行车公司自筹资金在1993年底建成一个生产厂，生产自行车用碳纤维管，目前已研制出可焊接碳纤维管自行车。福建华兴碳纤维复合材科技有限公司的WINSPACE、 深圳喜得盛自行车有限公司的XDS和浙江力霸皇集团代工的TRIACE 等碳纤维自行车品牌均已接近国际标准。但是随着碳纤维自行车国际贸易的发展，我国自行车安全质量检测设备却达不到欧洲国家标准，所以只有在消化吸收国外技术的基础上，进行更深入的研究开发一种碳纤维自行车综合疲劳测试平台，并结合客户所在国家的自行车道路标准的实际情况制定企业的检测评价标准，以缩短产品开发周期，降低开发费用，提高产品开发质量，对于我国碳纤维自行车企业而言，具有广阔的市场应用价值和产业化前景。第二章 总体方案分析2.1 主要研究内容本课题针对碳纤维自行车各部件的疲劳性能测试进行研究，设计一台疲劳性能综合测试试验机，该试验台应适用于自行车各项零件及材料，成车之疲劳动态检验测试，功能齐全，用途广泛，测试符合各国自行车测试规范标准。同时具有各测试部件安装简单可靠、具有数字控制能力、检测结果可自动生成报表显示等功能。本次设计主要是研究试验台机械系统设计部分。2.2 试验台整体方案的设计针对自行车疲劳测试的方法及相关标准进行深入的调研与理论分析，得到了相应的设计方案，并设计出试验机的总体方案，如图2.1所示。图2.1 试验机整体结构图该试验机采用的是高频加载与力闭环有机结合，在保证力闭环的前提下，通过计算机采集（速度为10Kb/s）来的大量高速数据的处理，经专门算法，再反馈给伺服阀和伺服缸。这样采集-计算-反馈-再采集-再计算-再反馈，直到输出的力值与设定值相等为止，闭环控制保证了力控制的准确和可靠。该试验机的机械部分主要包括试验台龙门框架、升降台、加载装置、检测装置及组合夹具组成，如图2.2所示。在其总体设计思路中，主要通过测试工作台及组合夹具安装（1）被测零部件，通过升降台的升降、平移及角度调整等功能，将加载装置按要求作用于被测部件。利用压力传感器及位移传感器等检测元件，检测加载力大小及位移量，并反馈回上位机，从而进行闭环控制。图2.2 疲劳综合测试试验台构成图2.3 测试部件的分析目前，自行车整车检测标准：CPSC 1512、欧洲标准：EN 14764、EN 14766 以及日本标准：JIS D9301。大部分国家主要依据EN标准为主要测试标准。本次设计是以EN14764欧洲标准（2）为依据进行的分析检测。2.3.1 制动性能差异制动性能试验须在车闸已通过车闸强度试验后的整车上进行。不论以哪种方式试验的受试自行车，在试验前都应将轮胎充足气，并按制造商的建议说明调整车闸；如有轮缘部，应将闸皮和轮辋间的间隙调整到制造商规定的最大值。在手闸闸把、把端把或装有副闸把的自行车，除了对主闸把进行试验外，还须对副闸把另行试验。表2.1 各标准制动试验的速度和制动距离表标准代号干态制动湿态制动备注试验速度/km.h-1制动距离/m试验速度/km.h-1制动距离/m使用两个车闸单用后闸使用两个车闸单用后闸ISO 42102571516919JIS D9301GD5m以上255.5169行程GDGD5m以下165.5EN147642571516510JIS D9301 与 ISO 4210 标准的试验方法基本相同。EN 14764 标准规定了两种试验方法：一种试验方法是道路试验，该试验的制动距离是直接测得的，让受试车闸自身证明其可靠性能。与 ISO 4210 标准的试验方法相同；另一种供选择的试验方法是试验机试验，由试验测得制动力，然后经计算求得制动距离。车闸的可靠性能由线性测量决定。最后还要有一次道路试验，借以检验其平稳、安全、停住的特性。在美国 CPSC 1512制动性能测试也是采用道路试验，但一些测试条件，如跑道摩擦系数、倾斜角度和风速的要求与 ISO 4210 不同。CPSC 1512 标准要求：制动试验的速度和制动距离详见表2.2。表2.2 CPSC 1512 标准的制动试验的速度和制动距离试验方式试验速度/km·h-1制动距离/m备注手闸164.5724脚蹬曲柄速率60r/min，相当于行程大于6.67m脚闸1624脚蹬曲柄速率60r/min，相当于行程大于6.67m脚闸与手闸并用1624脚蹬曲柄速率60r/min，相当于行程大于6.67m2.3.2 车架-脚蹬力测试分析在EN14764标准中对车架-脚蹬力疲劳试验有要求。让每个脚踏轴（或等同的减震器部分）在距离车架中心面150mm的位置施加一个重复向下的1200N的作用力，且作用力的方向与车架中心面向外左右倾斜7.5度（精度在0.5度以内）如图2.3所示。在施加这作用力时，保证在开始对第二个脚蹬轴施加作用力时，先对施加于第一个脚蹬轴的作用力减为最大力的5%或比最大力的5%更小的力。试验100000次，频率2-3Hz，受试自行车两边各施力1次为一个试验周期。图2.3 车架用脚蹬力进行疲劳测试图2.3.3 车架-水平力测试分析在 EN 14764 中对车架-水平力疲劳试验有要求。将车架摆放成正常姿势，固定平叉接片，以至于车架转动时不受任何限制（尤其是通过后轴）如图2.4所示。保证前后轴的中心在同一水平线上。在受试自行车前叉接片向前施加1200N大小的水平力，向后施加600N的水平力，测试50000次，频率为3-5Hz，如图2.4所示，前叉限制在垂直方向，但在作用力下可在前后方向自由滑动。图2.4 车架-水平力进行疲劳测试图2.3.4 车架-垂直力测试分析在 EN 14764 中对车架-垂直力疲劳试验有要求。将车架摆放成正常姿势，固定后轴，车架后轴能转动（尤其是通过后轴）如图2.5所示。安装一个合适的滚轮在前轴上以使得车架在测试力的作用下前后方向自由滑动。在立管顶部插入一根相当于鞍管的管子，插入的深度为75mm，然后按照厂家规定紧固。在管子上端安全固定一个水平朝后的加长装置（图3所示E），以至于该管子的长度（如图2.5所示尺寸h）将与座夹紧固的中心相当的H位置为特殊车架可推荐的最高鞍座高度，或如果最高鞍座高度不能确定，则尺寸h应为250mm。在加长装置上，距管子中心轴点70mm处，如图2.5所示，施加垂直向下的01200N的力，测试50000次，频率3-5Hz图2.5 车架-垂直力进行疲劳测试图2.3.5 前叉-弯曲力测试分析JIS D 9301 标准对前叉疲劳不做要求。EN 14764 标准与 ISO 4210 要求是一致的，但 EN14764 中增加了对碳纤维材质前叉的要求：在试验时其最大偏移峰值不论在哪个方向上应不超过其原始值的 20%。避震前叉应以其自由、伸展长度进行试验。将前叉及前叉组合件安装在模拟前管的夹具上，并拧紧轴承如图2.6所示。在装载装置上施加一个方向完全相反的交变力，大小为650N的力，该力的方向在车轮所在的平面内并垂直于前叉立管，在该作用力下绕着固定在叉口的轴转动，测试100000次，测试频率3-5Hz。图2.6 前叉弯曲疲劳测试图2.3.6 曲柄组合件测试分析CPSC 1512 标准对曲柄组合件的疲劳试验不做要求；JIS D 9301 标准与 ISO 4210 相同，其中 JIS D 9301 标准对除铁类材料外的曲柄组合件的曲柄长度在140mm 以下的，荷重为 700N。无销曲柄与中轴试验棒配合时，固定螺母或固定螺栓的紧固力矩为（40±5）N·m。EN 14764 标准要求中对碳纤维制成的曲柄，在试验时任一曲柄的最大偏移峰值均不应超过其原始值的 20%。疲劳测试有两种方法，一种是曲柄与水平线呈45度，用脚蹬模拟作用力，第二种是曲柄与水平线呈30度，在下坡时骑行者站在脚蹬上模拟作用力。a）与水平面呈45度的曲柄测试方法将由两个脚蹬轴（有必要的话，加上加长装置），两个曲柄和链轮（或其他驱动部分），装在专用的轴承中的中轴，安装在带有轴承座的模拟中接头的专用夹具上如图2.7所示。让曲柄处于水平向下倾斜45度的位置。用一根长度适当的传动链固定在最大链轮或单独的链轮上以防止整个组合件转动，将这个传动链牢固的固定在一个合适的支撑装置，或者卡住任何类型的传动方式（如皮带或传动轴）来确保传动的第一级。在左右曲柄的脚蹬轴上，在距离曲柄外侧定位面的65mm处，交替施加一个重复的，1800N的垂直动力，如图2.7所示，试验周期为50000次（各个试验周期包括施加两个力）。右曲柄的作用力方向垂直向下，而在左曲柄的作用力方向垂直向上，也就是说后方曲柄的作用力垂直向上，前方曲柄的作用力垂直向下，确认在脚蹬轴的作用力大小降到最大力的5%或更小时，然后开始在另外一个脚踏轴上施加测试力。最大测试频率应为25Hz。图2.7 曲柄组合件曲柄45度疲劳测试图b）与水平面呈30度的曲柄的测试方法将由两个脚蹬轴、（有必要的话，换上加长装置），两个曲柄，链轮组（或其他驱动部分），装在专用的轴承中的中轴安装在带有轴承座的模拟中接头的专用具上如图2.8所示。让左曲柄处于水平向下倾斜30度的位置。在脚蹬轴上距曲柄外侧定位面65mm处固定在一个装置上，用这种方法来使得左曲柄被限制在受试自行车的底部。在右曲柄的脚蹬轴上，在距离曲柄外侧定位面的65mm处，施加一个重复的1800N的垂直动力，如图2.8所示，试验周期为50000次。最大测试频率应为25Hz。 图2.8 曲柄组合件曲柄30度疲劳测试图2.3.7 鞍管测试分析CPSC 1512 标准对鞍管的疲劳试验不做要求。除 JIS D 9301 与 ISO 4210 标准相同的鞍管疲劳试验外，另加有组合鞍管疲劳试验。EN 14764 标准中，在进行鞍管疲劳试验时，如果经鞍座和鞍管夹紧装置疲劳试验，在鞍座夹中心后面70mm 处施加试验力，能通过的话，则无须再做鞍管疲劳试验；对于碳纤维制成的鞍管，在试验时其最大偏移峰值应不超过其原始值的 20%。将鞍管插入好比安装在自行车上的装置的最小插入深度的位置处后将其紧，鞍管轴与水平呈73度，如图2.9所示。测试棒安全紧固在鞍座夹紧装置上，测试棒与水平呈10度的夹角，在距离测试棒中心线与螺栓中心线相交所形成的鞍座夹紧螺栓的中心位置的70mm处施加一个垂直向下的作用力，如图2.9所示。在上述所规定之处施加一个重复的，垂直向下的1200N作用力如图2.9所示，按照此方法测试100000次，测试频率不得超过25Hz。图2.9 鞍管疲劳测试图第三章 总体结构设计3.1 总体方案利用机械结构学的基本理论，以龙门框架结构为主体，利用丝杠螺旋驱动的原理，构建试验台的主体机械结构及滑移装置。借助三维实体造型软件的自顶向下设计的功能，构建试验台模型（3）。为了实现多种疲劳试验在该试验台上的高度集成，利用夹具设计学理论，针对不同的测试零件应设计不同的专用夹具，再对装夹形式相同的夹具体进行整合，设计出一套柔性较高、组装方便的组合夹具。1）疲劳测试功能集成，能实现一机多用；采用双组式加载方式，可满足被测量部件双作用力的要求；利用组合夹具，根据不同的测试需求，能对自行车的零部件进行定位装夹；通过调整移动滑台的位置，改变加载力的方向与作用点从而满足不同零部件的实验要求，实现一机多用。图3.1 双组加载机构2）该试验机采用高频加载与力闭环有机结合；在保证力闭环的前提下，通过计算机采集（速度为10Kb/s）来的大量高速数据的处理，经专门算法，再反馈给伺服阀和伺服缸。这样采集-计算-反馈-再采集-再计算-再反馈，直到输出的力值与设定值相等为止，闭环控制保证了力控制的准确和可靠。3.2 零件装夹方案设计组合夹具的设计是解决测试方法集成的一项关键技术，设计出组合灵活方便、可靠性高的组合夹具，是实现多种零件同试验台测试的基础，针对自行车车架、车把、脚踏、前叉几种关键部件，现设计出几种零件装夹方案（4），如图3.2-3.9所示。 图3.2 自行车脚蹬疲劳测试 图3.3 自行车前叉弯曲疲劳测试 图3.4 自行车架垂直力疲劳测试 图3.5 自行车把立管与前叉立管力矩测试 图3.6 自行车把立管前方弯曲测试 图3.7自行车横管与立管力矩测试 图3.8 自行车架水平疲劳测试 图3.9自行车把疲劳测试3.3 课题难点和关键技术以满足测试频率为目标，对疲劳加载系统进行设计，以得到稳定的符合测试要求的频率；以功能集成、一机多用为目标，将各部件疲劳测试进行集成，利用组合夹具实现不同零部件的定位装夹，利用移动滑台实现加载力的变换；以检测结果数字化可视为目标，在检测过程中，将各种变量进行检测，利用上位机中的处理软件，对检测过程进行控制，并对检测结果进行分析显示。3.4 增强主体稳定性的设计与主要零部件3.4.1 增强主体稳定性的设计由于课题研究的解碳纤维自行车疲劳综合试验台采用的是龙门式框架（5），由四根导柱支撑，导柱两端可加固定座稳定。在疲劳测试时稳定性较差，这里可以采用钢丝绳拉紧来提高其稳定性（6）。图3.10 钢丝绳 图3.11 固定座 图3.12 保护罩 3.4.2 试验台主要零部件图3.13 试验台测试平台 图3.14 丝杠 图3.15 螺母图3.16刻度盘 图3.17支座 图3.18连接座 图3.19 升降横梁 图3.20 横梁第四章 机械系统部分4.1 电机的选择1） 选择电动机的型号。初选转速n=1500r/min。又给出的技术参数可知:F=300KN 有采用的是双立柱 则 F=50KN，V=n/i总=31.25mm/s （4.1） 又因为 P=F·V=1.56KW （4.2） 根据以上计算 查标准手册(7)可以选电动机型号：Z2-41-58系列型号。表4-1 Z系列直流电机性能数据表则 额定功率 P=3KW，额定电压U=220 V ，额定转速n=1500r/min，Z2系列是我国目前应用较普遍的小型直流电动机 2） 惯量匹配的验算 为了使机械系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量Jd与伺服电动机的转动惯量之比一般应满足下面公式，即0.25 （4.3）故满足惯量匹配要求4.2 带传动设计带传动是一种挠性传动。带传动的基本组成零件为带轮（主动带轮和从动带轮）和传动带。当主动带轮转动时，利用带轮和传动带间的摩擦或啮合作用，将运动和动力通过传动带传递给从动带轮。带传动具有结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸震等特点，在近代机械中应用广泛。带传动的类型：按工作原理的不同，带传动可分为摩擦型带传动和啮合型带传动。在摩擦型带传动中，根据带传动的截面形状的不同，又可以分为平带传动、圆带传动、V带传动和多楔带传动。啮合带传动一般也称为同步带传动。它通过传到带内表面上的等距分布的横向齿和带轮上的相应齿槽的啮合来传递运动。与摩擦型带传动相比较，同步带传动的带轮和传动带之间没有相对的滑动，能保证严格的传动比。但同步带传动对中心距及其稳定性要求较高。初拟传动比i2。4.2.1 计算设计功率根据机械特性查询（8）选择工况系数KA，根据公式计算 （4.4）P-传递功率；KA-载荷修正系数；根据下图查得：K=1.2 则 （4.5） =1.2×3 =3.6 KW4.2.2 选择带型已知小带轮转速 n=1500r/min， P=3.6 KW根据小带轮转速和设计功率查询(9)得出所需带型图4.1 梯形齿同步带选型图可得 小带轮所需带型为：L 型4.2.3 带轮齿数及节圆半径查询得出最小小带轮齿数 zmin，根速zmin输入小带轮齿数，带速和安装尺寸允许时，小带轮齿数尽可能选取较大值。表4.2 小带轮转速与带型小带轮转速n1/r·min (-1)带型MXLXXLXLLHXHXXH9001012142222900120012121012162424120018001414121418262618003600161612162030360048001818151822根据查询得出最小小带轮齿数 zmin，根速 zmin输入小带轮齿数，带速和安装尺寸允许时，小带轮齿数尽可能选取较大值 取 z1=18大带轮齿数：根据公式 Z2=i·z1 （4.6） =36小带轮节圆直径：根据公式 （4.7） = =20.6根据下表 d1= 54大带轮节圆直径：根据公式 （4.8） = =41.12 d2=113可得：小带轮齿数z1为18；大带轮齿数Z2为36；小带轮节圆直径d1=54；大带轮节圆直径d2为113.表4.3 带轮齿数与标准直径表4.2.4 计算带速和带长1) 带速：根据公式V= (4.9) =4.24 m/s2) 初定轴间距： 0.7(d1+d2)a0 2(d1+d2) (4.10)116.9a0 334取 a0=200 mm3) 带长及其齿数：根据公式：