魏軼凡 常天藝 王 程

（江蘇大學(xué)京江學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江212000）

為應(yīng)對(duì)全球氣候變化和環(huán)境污染帶來(lái)的挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，2020 年中國(guó)首次向全球宣布，二氧化碳排放要力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。同時(shí)中國(guó)快速的城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，交通擁堵、空氣污染、環(huán)境破壞等“城市病”引起了人們的廣泛關(guān)注。在此背景下，健康城市、生態(tài)城市等城市發(fā)展理念逐漸興起，為減少由于機(jī)動(dòng)車出行而導(dǎo)致的能源消耗和環(huán)境污染問(wèn)題，公共自行車逐漸進(jìn)入公眾視野，備受關(guān)注，成為一種重要的低碳出行交通方式。2016 年以來(lái)，共享單車迅猛發(fā)展，對(duì)城市居民出行產(chǎn)生了重大影響，為城市交通發(fā)展帶來(lái)了新的契機(jī)[2]。

1 自行車設(shè)計(jì)

本文基于工程上廣泛使用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件UG（UnigraphicsNX），在保證自行車功能的前提下，設(shè)計(jì)有較少零件的自行車，以方便批量生產(chǎn)且節(jié)省材料、降低成本、組裝便捷、減輕裝配勞動(dòng)強(qiáng)度。另外還可以演示自行車模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，用于教學(xué)。

1.1 車架設(shè)計(jì)

車架是自行車的主體，其它零件直接或間接地被安裝在車架上。本設(shè)計(jì)車架由鐵鋁合金材料制成，性價(jià)比高，框架采用近似三角靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)實(shí)耐用。

1.1.1 主框架草圖繪制：打開(kāi)UGNX 軟件，選擇建模環(huán)境，在xz 平面根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸畫(huà)出主框架草圖。點(diǎn)擊創(chuàng)建基準(zhǔn)平面按鍵，創(chuàng)建基準(zhǔn)平面（垂直于直線），作圓Φ50（本設(shè)計(jì)繪圖單位均為毫米mm）。同法創(chuàng)建基準(zhǔn)平面及草圖，作大徑60 小徑50 的橢圓。然后在垂直最右端的直線上（車架尾部）創(chuàng)建基準(zhǔn)平面作圓Φ50，再垂直于直線作圓Φ35，最后在垂直線軌跡的位置作圓Φ30。

1.1.2 草圖掃略拉伸前主框架：選擇此前三次所作圓，沿直線掃掠（插入-掃掠-沿引導(dǎo)線掃掠）。設(shè)置第一偏置為5，向內(nèi)偏移。選擇草圖上的圓，沿直線掃掠，第一偏置為-5，向內(nèi)偏移，布爾運(yùn)算求和成為整體。繼續(xù)選擇xz 平面，在距y 軸198.8，x 軸79.0 的位置創(chuàng)建草圖，對(duì)稱拉伸35，倒R10 圓角（插入-細(xì)節(jié)特征-倒圓角）。

在圓柱頂端作圓Φ40 進(jìn)行拉伸求差處理，使圓柱貫通形成框管。xz 平面作圓Φ60 和Φ40 雙向拉伸50 與圓柱作布爾求和。

1.1.3 車架后支架：后支架承重為分叉對(duì)稱設(shè)計(jì)，xz 平面繪制橫向框管與內(nèi)圓截面切。繪制豎立橢圓，大徑R15，小徑R10，掃掠形成實(shí)體。xz 平面拉伸后座支架另一條邊形成靜定三角結(jié)構(gòu)，尺寸為對(duì)稱拉伸200。點(diǎn)擊插入-來(lái)自體的曲線-求交，第一組面選擇剛剛的片體，第二組面選擇圓柱外表面，得到相交曲線圓。利用相交曲線，在片體上創(chuàng)建繪制后支架曲線。選擇上一步草圖曲線，以類型為在曲線上創(chuàng)建基準(zhǔn)面，弧長(zhǎng)0%。在其上繪制圓Φ16，并沿創(chuàng)建的曲線掃掠得到實(shí)體。

繪制坐墊桿草圖圓Φ40 并求差拉伸至貫通，再設(shè)計(jì)后輪軸座平面輪廓草圖并拉伸，開(kāi)始值0，結(jié)束值35，與車架管體布爾求和。開(kāi)孔軸圓Φ16，求差拉伸至貫通，后倒圓角R3。最后使用鏡像命令（插入-關(guān)聯(lián)復(fù)制-抽取幾何體-鏡像）鏡像掃掠所得實(shí)體，鏡像平面為xz 平面，完成車架。

圖1 自行車車架

1.2 握把及坐墊設(shè)計(jì)

1.2.1 握把：自行車握把用來(lái)保持平衡與控制行駛方向，主要分為平把、上翹把、下垂把。本設(shè)計(jì)采用平把，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于操控。

xy 平面原點(diǎn)繪制圓Φ17 和Φ25，完成草圖后點(diǎn)擊拉伸命令，限制選項(xiàng)結(jié)束選項(xiàng)為528。xz 平面利用回轉(zhuǎn)命令，將草圖回轉(zhuǎn)成柱體和一個(gè)凸緣。將凸緣陣列，選擇線性陣列節(jié)距6.2，數(shù)量15 個(gè)，形成握把紋路。xy 平面創(chuàng)建并繪制草圖，并將其雙向拉伸17.5。將握把與上步實(shí)體做求差處理，得到圓孔和剎車把裝配孔。在剎車握把實(shí)體背面作草圖做拉伸求差處理，后將剎車握把的實(shí)體邊倒圓R5。

在剎車把前端雙向拉伸求差3，xy 平面繪制剎車連接件輪廓雙向拉伸2.5，并與剎車把求和。然后進(jìn)行倒圓處理。最后以xz 平面鏡像完成車把手創(chuàng)建。

1.2.2 坐墊：在離xy 平面下方20 的平面創(chuàng)建基準(zhǔn)平面并繪制坐墊輪廓。xz 平面繪制中間曲線，用拉伸命令草圖曲線拉伸成片體，數(shù)值設(shè)為對(duì)稱值100。選用投影曲線命令，將俯視草圖投影到上步拉伸而成的片體上，矢量方向豎直向。

在距yz 平面15 處平面描點(diǎn)，用藝術(shù)樣條將其連起來(lái)，后用鏡像使其沿z 軸對(duì)稱。同法在距離yz 平面83 的平面繪制曲線并沿z 軸鏡像。在距yz 平面145.5 處平面通過(guò)描點(diǎn)、樣條連接點(diǎn)，鏡像繪制坐墊下部輪廓。將上部草圖曲線對(duì)稱拉伸5 形成片體。選擇通過(guò)曲線網(wǎng)格，主曲線為中間曲線，交叉曲線為豎著的3 個(gè)曲線，注意箭頭方向要相同。后沿xz 平面鏡像，將鏡像實(shí)體縫合成一個(gè)實(shí)體。xy 平面繪制圓Φ30 和Φ40，后將草圖拉伸為一個(gè)空心管，開(kāi)始距離-49，結(jié)束距離310，完成坐墊設(shè)計(jì)。

1.3 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1 前叉：xz 平面繪制前叉架草圖雙向拉伸16。在離xy 平面39 處繪制圓Φ17 拉伸開(kāi)始值-10，結(jié)束值18。在實(shí)體的側(cè)壁繪制圓Φ12 拉伸求差，使其形成孔。最后將實(shí)體各邊倒R2 圓角，完成前叉設(shè)計(jì)。

1.3.2 車輪：xz 平面繪制圓Φ20，Φ40 和Φ520。將Φ20 進(jìn)行雙向20 拉伸。Φ40 拉伸開(kāi)始距離20，結(jié)束距離25，并且與Φ20 拉伸而成的實(shí)體求和。后再次將Φ20 拉伸，開(kāi)始距離20，結(jié)束距離40，并與上步實(shí)體求和。xz 平面繪制Φ20.2 的半圓弧。將上步草圖沿著Φ520 回轉(zhuǎn)，形成車輪外輪廓。yz 平面繪制輪輻線草圖，用管道（插入-掃掠-管道）命令形成輪輻。在管道創(chuàng)建的實(shí)體上繪制圓Φ5.7。拉伸開(kāi)始距離-2，結(jié)束距離0。用圓形陣列在圓形實(shí)體上均布12 個(gè)，將管道進(jìn)行圓形陣列，得到12 個(gè)均布的車輪輻條。最后將左邊輻條多次鏡像到右面，從而得到完整24 根輻條。

雪螢從窗臺(tái)上摸出鑰匙開(kāi)了門，直奔臥室，趴在地上，拉出床下一雙統(tǒng)靴，伸手一摸，沒(méi)有。于是把手伸進(jìn)另一只鞋子。里面果然有一個(gè)油膩膩的小本子，還有一個(gè)U盤，用一塊布包著。她把證據(jù)捂在胸前，長(zhǎng)長(zhǎng)地出了一口氣，忍不住翻開(kāi)來(lái)，快速地掃了一眼，心都快跳出來(lái)了。

1.3.3 腳踏板：xz 平面繪制圓Φ40 雙向拉伸75，得到一個(gè)實(shí)體圓柱。yz 平面繪制腳踏板俯視圖草圖，將腳踏板俯視草圖進(jìn)行拉伸結(jié)束值7.5，并且與先前的圓柱實(shí)體布爾求和。后對(duì)腳踏板周邊倒R3 圓角。在腳踏板上平面繪制孔洞草圖，進(jìn)行拉伸求差，以方便鞋底泥沙漏出。

1.3.4 牙盤及飛輪：調(diào)用出圓柱齒輪建模命令，選擇創(chuàng)建齒輪，齒輪模數(shù)選擇3，齒數(shù)為48。yz 平面以原點(diǎn)為圓心繪制圓Φ40，四周圓形陣列圓Φ20，拉伸求差得到圓孔。調(diào)用出圓柱齒輪建模命令，選擇創(chuàng)建齒輪，齒輪模數(shù)3，齒數(shù)24。yz 平面繪制圓Φ12 拉伸求差，得到通孔，完成腳踏板設(shè)計(jì)。

1.4 鏈條設(shè)計(jì)

鏈條由鏈條體、片體、固定銷三個(gè)部分裝配而成，每單各鏈條體由兩個(gè)片體聯(lián)接而成。前段鏈條的尾部鏈接片體前部，后端鏈條前部鏈接片體尾部，由此首尾依次相連形成整個(gè)鏈條。

1.4.1 鏈條體：yz 平面繪制鏈節(jié)外輪廓拉伸，從距離草圖平面0.31 拉伸到1.0。在所得拉伸平面繪制圓Φ7.7 拉伸開(kāi)始值0，結(jié)束值0.31。

將上步拉伸的實(shí)體通過(guò)xz 平面，由yz 平面鏡像，布爾求和將鏡像過(guò)去的實(shí)體與原來(lái)的整體合并成一個(gè)實(shí)體。在拉伸而成的實(shí)體上繪制圓Φ3.9，拉伸求差成通孔。后將通孔由xz 平面鏡像。

1.4.2 片體：xz 平面繪制尺寸草圖（與鏈條體第一步草圖相同）。后拉伸成實(shí)體，要求從距離草圖平面1 的位置開(kāi)始，在距離草圖平面2 的位置結(jié)束。最后由yz 平面鏡像。

1.4.3 固定銷：yz 平面繪制圓弧Φ3.9，拉伸尺寸為對(duì)稱2。將拉伸實(shí)體圓形陣列，其中節(jié)距角是根據(jù)齒輪分度圓Φ，結(jié)合余弦定理，反余弦函數(shù)計(jì)算鏈條體長(zhǎng)度。同法對(duì)右邊進(jìn)行圓形陣列，計(jì)算過(guò)程與上步相同。

將實(shí)體線性陣列在直線上，節(jié)距12.6 與鏈條體兩個(gè)圓心距相同。后將鏈節(jié)對(duì)xy 平面鏡像。

1.4.4 鏈條裝配：先以絕對(duì)原點(diǎn)載入上面固定銷實(shí)體，在用約束載入鏈條體，最后用中心約束2 對(duì)2 進(jìn)行與銷的配對(duì)。同法用約束方式載入片體，將獨(dú)立的鏈條體首尾相接起來(lái)。完成鏈條裝配。

至此自行車的主要部件已設(shè)計(jì)完成，可實(shí)現(xiàn)自行車功能。還可根據(jù)需要加裝一些附件，如支撐架、吊架、叉、擋泥板等。

2 自行車動(dòng)畫(huà)裝配

2.1 創(chuàng)建裝配序列

首先將自行車各部件依次組裝形成裝配體文件，然后創(chuàng)建動(dòng)畫(huà)文件，選擇菜單中“裝配”→“序列”的命令（或單擊裝配工具條中的“裝配序列”圖標(biāo)），系統(tǒng)將出現(xiàn)“裝配序列”工具條，單擊“新建序列”圖標(biāo)，激活“序列”下拉框。

2.2 拆卸組件

單擊“插入運(yùn)動(dòng)”圖標(biāo)，系統(tǒng)將會(huì)彈出“錄制組件運(yùn)動(dòng)”工具條，系統(tǒng)提示“選擇要移動(dòng)的組件”，選中某一部件。此時(shí)，“錄制組件運(yùn)動(dòng)”工具條中其余的工具圖標(biāo)被激活，單擊“移動(dòng)對(duì)象”圖標(biāo)和“拆卸”圖標(biāo)，選中部件從視圖中消失。

按照上述的方法，依次拆卸其余組件，拆卸順序按照裝配順序的倒序拆卸，即后裝的先拆，先裝的后拆，一直拆卸到只剩一個(gè)部件為止。裝配的順序是車架→后輪→腳踏→齒輪鏈條→坐墊→上套筒車把→下套筒→前叉→前輪，拆卸順序正好與之相反，拆卸完成后，單擊“×”按鈕，退出“錄制組件的運(yùn)動(dòng)”。此時(shí)，“系列回放”工具條顯示幀數(shù)默認(rèn)為64。

2.3 播放動(dòng)畫(huà)

單擊“系列回放”工具欄中的“向后播放”圖標(biāo)，系統(tǒng)開(kāi)始播放裝配的順序動(dòng)畫(huà)，幀數(shù)從64 變成0。單擊“向前播放”圖標(biāo)，系統(tǒng)則開(kāi)始播放拆卸的順序動(dòng)畫(huà)，幀數(shù)從0 變成64。

2.4 導(dǎo)出至電影完成序列

單擊“系列回放”工具條中的“導(dǎo)出至電影”，系統(tǒng)將會(huì)彈出“錄制電影”對(duì)話框，選擇目標(biāo)文件夾，輸入文件，單擊“OK”。此時(shí)生成動(dòng)畫(huà)電影，出現(xiàn)“導(dǎo)出至電影”提示，單擊“確定”按鈕導(dǎo)出至電影（格式為*.avi），完成裝配動(dòng)畫(huà)，以相同方式完成拆卸動(dòng)畫(huà)。在目標(biāo)文件夾中找到對(duì)應(yīng)視頻文件，使用播放器即可播放。

圖2 自行車裝配爆炸圖