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河北华利机械配件有限公司

競賽型自行車手把的優化設計

2013/7/5 13:54:51

 

鄧作梁1 鄭凱文2

(1. 修平技术学院机械工程学系 台中 41280 中國台灣;

2. 大叶大学机械工程研究所 彰化 51591 中國台灣)

摘要:手把是自行車重要支撐及承受負荷的零件,尤其自行車手把受到踩踏力以及騎乘者質量所産生的反力與壓力相當大,故在設計初期須以自行車手把的強度與剛性爲設計重點,並且必須要符合法規要求,以確保其結構強度及安全性。爲建立CAE 設計與模擬分析技術在自行車結構的研發能量,以競賽型自行車手把爲研究對象,並藉由競賽型自行車手把設計重點的探討,改變傳統圓形截面的手把,設計出相對應的手把截面幾何形狀及管壁厚度,以減少因尺寸增加造成固定端應力集中增加的現象,並改善手把因受力變形導致踩踏能量損耗的現象。進行手把幾何尺寸的優化設計,以達到比傳統圓形截面手把更輕且更強的競賽型手把設計。經優化設計的手把結構必須再依照歐盟EN 14781 靜力與疲勞測試法規,及德國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産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

中圖分類號:TP391

前言*

自行車支撐騎乘者的3 個部位分別爲手把、坐墊及腳踏板,由于車手把只利用豎管將中央固定並與頭管連接,而兩端承受手部施予向上拉力、向下壓力以及路面傳來的沖擊,沒有與其他杆件連接,故爲結構強度較脆弱處。競賽型自行車的行駛環境一般爲平整路面,甚至爲專用跑道,幾乎不會承受路面導致的沖擊。由于該型自行車的設計目的在于競速,所以減少能量的耗損是相當重要的。雖然減少了路面導致的沖擊,但是騎乘者施予車架結構的力量卻非常大,尤其是在全力沖刺時,手把受到踩踏力而産生的反向上拉力及騎乘者體重所産生的向下壓力,都需要由手把結構來吸收。因手把只有中央固定且沒有其他管件連接,故受力後極易在固定端造成應力集中,且于自由端發生大幅度的撓曲。若自行車手把的剛性不足,則騎乘者的踩踏力將無法藉由高剛性的手把輔助而完全發揮出來,每一次踩踏所産生的手把撓曲現象都會損失部分能量。另外自行車手把會依騎乘者體型而有不同尺寸的設計,其中寬度對手把剛性的影響較大。目前廠商在設計制造手把時,並未針對不同尺寸的同款手把進行適化設計,以減少不同尺寸産生不同負荷的影響。自行車是一種單軌迹車輛,其構造雖然簡單但其運動自由度多且複雜,故對自行車的設計除應該注意到所有結構的強度,以確保騎乘的安全外,尚須考慮其自行車質量以及踩踏能量損失等問題。1993 STONE [1]提出騎乘者體重對結構負載的影響,提出了體重較重的騎乘者、較大的踩踏力(最大車速快、加速度大)、較快的速度都是增加結構負載的原因,反之較輕的騎乘者、較小的踩踏力、較慢的車速相對于車架的負載較小。1994 LESSARD[2]利用I-DEAS 設計複合材料的自行車車架結構,文中設計兩款複合材料結構且有別傳統構型,並針對其剛性及舒適性加以分析比較,結果顯示所設計的兩款複合材料車架擁有較好側向剛性,並且比傳統車架更加舒適。2004 年謝勝任[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 年陳慶祥[4]提出了自行車車架性能比較測試方法,將市售8 款包含登山袌D案傎愋妥孕熊囓嚰埽勒哲囀坠艽怪奔皞认蜢o力測試、後三角垂直及側向靜力測試、五通水平靜力測試、後倒沖擊性能測試等項目,進行試驗並撷取包含變形量及加速度等測試數據,以評價各車架的剛性、刹車性能、踩踏效率、操控性及舒適性等各項車架性能。2005 年宋宜駿[5]利用ANSYS 有限元分析軟件對複合材料自行車架進行分析,探討應力集中處並加以補強,分別針對前叉正向及側向剛性測試模擬、車架單及雙邊剛性測試模擬及車架頭管剛性測試模擬進行分析及補強,有效改善各部位的剛性。1999 LORENZO[6]實際撷取自行車行駛時手把的負載曆程,利用雨流法歸納出主要負載曆程再進行測試;並使用動態負載方法,預估自行車手把及其他重要結構的疲勞壽命。2002 MCKENNA [7]使用單一方向負載疲勞測試方法預估自行車手把的疲勞壽命,找出手把最大負載的方向進行並進行疲勞測試,以幫助自行車手把設計及通過各項測試法規。2002 CHANG[8]提出複合材料自行車手把的應力及破壞分析步驟與方法。1998 SEIBI [9]采用有限元分析對複合材料自行車的圓管結構及最適化進行分析。

手把是自行車重要支撐及承受負荷的零件,故在設計初期必須要嚴格遵守法規要求,以確保其結構強度及安全性。一般使用者對自行車的要求是:能耐用、不變形、不破壞,由于騎乘者是用自己的體力驅動自行車,單憑以上概念是不夠的,原因是每踩踏一次,車架與各部結構就會承受一次撓曲或扭轉,這不僅是踏力上的損失,而且由于前後輪的姿勢變化,增加自行車的轉動阻力,産生負面不利影響,在自行車結構上只做到“不彎曲、不折斷”是不夠的,必須再考量“結構不得輕易撓曲或扭轉”的結構剛性。自行車結構剛性的考量與汽車或摩托車不同,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 高轉速,扭矩大致一樣,自行車則是靠雙腳踩踏,約50150 r/min 的低轉速,扭矩的變動極大。以上都是損失騎乘者踩踏力的原因,故自行車在設計各部結構時必須將手把結構剛性納入考量。由于過去自行車手把的構形較爲簡單,皆是采用圓管進行彎折加工,以達到所需的構形,因此手把所有位置皆爲圓形截面。圓形管件雖對扭矩及彎矩有較好的抵抗能力,但是若能針對手把構形所産生的最大負載方向,設計出能抵抗其負載的截面形狀,將可以有效增加手把的強度、剛性及耐用度。目前複合材料及金屬材料,都可加工成任何不同截面形狀的管材,所以設計不同管形或加大中央固定部位的管徑,都是目前制造商增加手把性能的方法。

中國台灣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産品。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,可达到增进産品设计开发的品质与效能的目的。为建立CAE設計與模擬分析技術在自行車結構的研發能量,本文以競賽型自行車手把爲研究對象,並藉由競賽型自行車手把設計重點的探討,改變傳統圓形截面的手把,設計出相對應的手把截面幾何形狀及管壁厚度,以減少因尺寸增加造成固定端應力集中增加的現象,並改善手把因受力變形導致踩踏力損耗的現象。最後進行手把幾何尺寸的優化設計,以達到比傳統圓形截面手把更輕且更強的競賽型手把設計。經優化設計的手把結構必須再經歐盟EN 14781 的靜力與疲勞測試法規、德國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産品开发设计时的参考。

1 競賽型手把的結構設計

競賽型自行車手把在騎乘者操作下,在手把固定端産生扭轉及撓曲與下把位彎曲處産生撓曲現象,將損耗踩踏力的能量;且對較寬的手把其固定端易造成嚴重的應力集中,以及自由端較大的撓度現象將損耗能量;由于設計出不同截面形狀的手把,可有效提高手把結構彎曲性及扭轉剛性,進而減少能量耗損,例如若將管形設計成橢圓形,則可利用橢圓長軸部分較大的慣性矩來抵抗撓曲。本節將分別設計一款圓形截面形狀的競賽型手把,及兩款不同橢圓形截面形狀競賽型手把,如圖1 所示,並利用靜力強度測試分析,比較3 種構形手把的固定端及下把位彎曲處的應力值、自由端撓度及手把質量。若能有效降低應力值、撓度及質量的手把截面構形,即代表該款手把截面構形擁有較佳的結構剛性,且能夠減少踩踏力的損失,並達到輕量化及降低制作成本的目的。

1 手把截面形状示意圖

1.1 手把有限元模型

自行車手把材料爲鋁合6061-T6,其密度爲2.7 g/cm3,彈性模量爲68.9 GPa ,屈服強度爲 255MPa,極限抗拉強度爲290 MPa,泊松比爲0.33。競賽型手把有限元模型的建構中,在圓形截面手把方面:首先在Solid works 绘圖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 有限元分析軟件,在模型中心線中央建立一圓形截面,指定繞行的中心線,建立實體管形。其圓管半徑爲12.7 mm,厚度爲2.0 mm,寬度爲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,如圖2 所示;圓形截面

手把有限元模型共計有6 200 個元素及9 300 個節點。在第1 款橢圓截面A 型手把方面:于模型中心線中央建立一橢圓形截面,其截面積應等于圓形手把截面積,指定繞行的中心線,建立實體管形,其橢圓形長軸(y ) 半徑爲16.12 mm,短軸(x ) 半徑爲10 mm,厚度爲2 mm,寬度爲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,如圖3 所示;橢圓截面A 型手把有限元模型共計有6 200 個元素及9 300個節點。在第2 款橢圓截面B 型手把方面,于模型中心线中央建立另一长軸方向的椭圆形截面,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。其椭圆形长軸(x )半徑爲14.6mm,短軸(y )半徑爲11.0 mm,厚度爲2.0 mm,寬度爲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,如圖4 所示;橢圓截面B 型手把有限元模型共計有6 200 個元素及9 300個節點。

1.2 手把靜力強度分析

自行車在行進間手把受到騎乘者上拉與下壓的負載會造成手把變形而損失踩踏力,分別對此3款手把進行靜力強度測試分析,藉由結構應力值及撓度結果來比較出手把的性能。首先將3 款有限元手把模型中央(35 mm)部分的所有自由度拘束,並在距自由端50 mm 處向下施加1 kN 力。3 款手把的應力與撓度計算結果如表1 所示,由表1 得知,圓形截面的手把質量爲318.16 g,下把位彎曲處的應力爲241.85 MPa,固定端的應力爲255.87 MPa,自由端撓度21.68 mm;橢圓截面A 型手把的質量爲254.72 g,下把位彎曲處的應力爲239.30 MPa,固定端的應力爲261.48 MPa,自由端撓度17.32 mm;橢圓截面B 型手把的質量爲335.02 g,下把位彎曲處的應力爲243.53 MPa,固定端的應力爲249.52MPa,自由端撓度22.95 mm。上述3 款截面形狀的手把構形中,在手把兩個應力集中部位下把位彎曲處及固定端之應力值相差不大,但橢圓截面A 型手把能夠有效地減少結構質量,且可有效減少自由端的撓度,顯示橢圓截面A 型手把爲較佳的設計,可有效減少踩踏能量的損耗。

2 競賽型手把的優化設計

自行车手把除须符合法规测试的基本要求外,厂商希望産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,提高産品质能,增加産品价值,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産品。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産品,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。

本节以産品中常用380 mm 寬度之橢圓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軸半径ra、短軸半径rb 及管壁厚度δ;限制條件爲手把總重以及截面形狀橢圓比(短軸半径除以长軸半径,即rb /ra),此手把質量變數設一上限,即相同寬度的圓形截面手把總質量爲上限;目標函數則爲固定端的應力最小值。首先設計380 mm 的手把最适化参数,设计变数范围设定为:长軸半径ra=1218 mm,短軸半径rb=913 mm、截面形狀的橢圓比R=0.51.0、管壁厚度δ =1.02.2 mm;限制條件爲小于相同寬度的圓形截面手把質量318.16 g.

由以上結果得知,自行車手把配合適當的管徑、管形、管厚即可有效減少質量、應力值及自由端撓度,達到輕量化及增加強度及剛性的目的,並減少踩踏能量損失,更有效解決了大尺寸手把在固定端較爲嚴重的應力集中現象。

3 自行車手把法規測試模擬

經優化設計的手把結構必須再進行法規測試模擬,以確保所設計的手把結構符合法規規範,以下將以最適化設計的手把結構,采用歐盟EN 14781的靜力與疲勞測試法規,及德國DIN 79100 的沖擊測試法規進行測試模擬。

3.1 手把靜力測試法規

依據歐盟EN 14781 法規的靜力測試規範,系于自行車手把中央部份固定,並在距手把末端50mm±1 mm 處,施予向下1 000 N 的作用力,並施力維持1 min,測試標准爲測試時,手把不得出現裂縫或裂痕,且作爲測定測試力作用點的永久變形量不得超過15 mm,如圖5 所示。將寬度380 mm 的橢圓形截面手把依照法規環境進行模擬分析,得到測試力作用點的永久變形量爲0.9 mm,其作用点的挠度量如圖6 所示。由于手把的永久變形量均小于法規要求的最大永久變形量15 mm,故此最適化設計的競賽型手把均通過EN 14781 的靜力測試規範。

3.2 手把疲勞測試

依據歐盟EN 14781 法規的疲勞測試規範,系于自行車手把中央部位固定,于下把位彎曲處中央施以±400 N 同向作用力循環100 000 次,最大測試頻率爲25 Hz,测试标准为测试过程中,车手把不得出现断裂或裂痕,如圖7 所示。將寬度380 mm的橢圓形截面手把依照法規環境進行模擬分析,得到其疲勞壽命次數爲150 000 次,其应力集中部位接近固定端如圖8 所示,此部位亦爲疲勞破壞的起始點。由于手把的疲勞壽命均超過法規的100 000次要求,故此最適化設計的競賽型手把均通過EN14781 的疲勞測試規範。

3.3 手把沖擊測試

依據德國DIN 79100 法規的沖擊測試規範,系于自行車手把中央部位固定,並以一質量10 kg 重錘,于500 mm高度垂直落下撞擊距手把端面50 mm处,测试标准为手把无折断且无裂痕,如圖9 所示。

將寬度380 mm 橢圓形截面手把依照法規環境進行模擬分析,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,其模拟动态反应如圖10所示,過程中最大應力值爲285.04 MPa,未達到材料的極限應力290 MPa,故判定未破壞,過程中沖擊點的永久變形量爲6.02 mm,其冲击端挠度及最大应力值历程如圖1112 所示。由上述分析結果得知此款最適化設計的競賽型手把通過了DIN 79100的沖擊測試法規。

4 結論

(1) 手把固定端及下把位彎曲處同爲騎乘時發生應力集中部位,容易造成破壞及損耗踩踏效率,該處爲設計階段應注意的重點。另外同款自行車手把會因寬度尺寸而産生不同的應力,亦是須考量的問題。

(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;橢圓截面形状的手把可抵抗更大的弯曲力并减少质量。

(3) 通過ANSYS 有限元分析軟件內的優化設計功能,可以找出設計變數範圍及限制條件內的最適當結構尺寸。

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