自行車行業的主流新標準與設計分析

——基于SolidWorks及COSMOS的應用

2007年，中國創新自行車及零配件選拔展示會于中國臺灣舉行。展會期間許多優秀的設計作品在評選過程當中獲獎，其評選范圍涵蓋整車類、車架類、變速系統、車輪等關鍵結構零件。在此次的評比活動中，共選出12大類36件獲獎作品，其中永褀車業巨大機械、愛地雅工業、卜威工業、野寶科技、桂盟企業等一批優秀企業榜上有名。

在此次獲獎的二十多家企業中，其中超過80%的企業，其所使用的設計分析系統均是SolidWorks。其中整車類的前四名巨大車業——永祺車業等四家，以及車架類的前兩名企業卜威工業、野寶科技，皆使用SolidWorks及COSMOS作為公司的設計分析平臺。由此可見，SolidWorks以及COSMOS已經成為自行車行業的一種主流設計分析的新標準。

自1791年法國人西弗拉克發明了最原始的自行車以來，時至今日自行車已經走過了二百多年的歷史，期間經歷了從簡單代步工具到一種時尚運動工具的變革。當然，對于自行車的結構也發生了巨大的變化，從只有兩個車輪開始，到現在的具備多種休閑運動功能于一體的時尚運動工具，自行車的設計者們也在不斷推陳出新，賦予其更多的時尚元素。

專業設計工具

如何將一種傳統的代步工具賦予更多的新元素，使其外觀更時尚、結構更穩定、騎乘更舒服，這就需要自行車設計師們不斷注入新的理念。工欲善其事，必先利其器，有好的設計理念及思想，還需要良好的傳達工具來表現。而SolidWorks作為一款出色的三維設計軟件正在被自行車設計行業所認同，正越來越多地被應用到新產品的設計研發過程中，其設計流程如圖1所示。

我們可從圖1中比較清楚地看到一款自行車的設計流程大體經過這幾個階段。由此可見，在整個的開發過程中，CAD的設計數據及設計驗證部分就顯得十分關鍵，這直接關系到一款產品設計的成功與否。SolidWorks作為視窗環境下發展而來的3D實體模型設計系統，采用參變數相結合的設計方式，并以特征化的思想來進行實體模型的設計，結合至上而下、至下而上的靈活裝配體設計思路，使設計者可以更加得心應手地將自己的設計意圖體現在實際的設計模型數據上。

通常來講，一輛自行車的設計打樣周期在30-45天左右，因此分到設計階段的具體時間就會更加地緊張，這個過程當中就需要設計工程師們有良好的概念元素，并擁有得心應手的輔助工具來加快設計速度、提高設計效率。SolidWorks作為一款在自行車設計行業非常高效的設計工具，正在被越來越多的企業投入使用。

首先在自行車的概念設計階段，我們往往會拿到所要求的設計圖樣或需求概念，之后在此基礎上展開設計工作的第一個階段。從ID設計工程師將設計概念傳遞到結構工程師手上時，我們的結構工程師們便可以方便地通過ID工程師的手繪或圖片數據來提取結構設計所需要的相應線條元素。在此部分SolidWorks提供有一個快捷的“自動跟蹤器”插件工具，提供多種跟蹤過濾選擇工具，并通過調整圖像的對比度、識別公差等來自動地跟蹤圖稿中的線條元素，以方便地將其調用到結構設計的過程中應用，如圖2所示。

當我們從第一步當中提取了所要的數據之后，就可以將其直接應用到三維實體模型的構建當中。以車架為例，我們提取的線段主要是整體車架的結構部分，之后便可以通過兩種思路模式來進行車架體的構建。

首先我們可以利用常用的路徑掃描方式來實現，即利用現有骨架線條作為路徑線段，根據設計概念的要求，選擇適合的截面進行掃描，得出車架體的架構，如圖3所示；并且以參數化的方式進行截面及路徑參變數設計，方便后期對設計結構進行調整，如圖4所示。

其次我們可以通過SolidWorks所提供的焊接工具更加方便快捷地實現車架體的構建，并且利用其多種修剪工具來進行相交處的交接形狀修剪，以求快速高效地進行設計操作；并且通過此種方式完成的架體結構，可以更好地進行設計變更或設計數據的再利用。我們可以方便地通過其所自定義的截面圖庫來進行同種車型的多種配置設計，以達到不同的設計效果。從車架圖到工程圖中進行整理時，亦可以通過其所提供的焊件切割單元整理工具來方便地生成每個結構單元的詳細信息，并以表格的方式列出來，如圖5所示。

設計驗證工具
車架作為自行車的最關鍵部件之一，對于自行車的整體造型起著決定性的作用，同時車架的強度與穩定性的好壞也直接決定了整輛自行車的質量好壞，因此如何將車架設計成既可以滿足創意十足的動感個性化需求，又可以保證其良好的結構穩定性、騎坐舒服性，就成了擺在設計師們面前的一道難題。
COSMOS作為SolidWorks公司的搭配分析產品線，可以與SolidWorks產品作無縫的整合，用戶可以直接通過他們的 SolidWorks 界面執行設計分析、仿真和優化，讓設計人員專注于產品創新，而不是學習模擬和分析工具。COSMOS提供了簡單準確的設計分析，它通過為設計人員提供捕捉錯誤的安全網，使設計人員能夠放手創新，確保不會將嚴重錯誤傳到下一環節。在專業版中，COSMOS可以幫助那些熟悉設計驗證概念的工程師對零件和裝配體進行虛擬測試和分析。如果工程師們需要使用更具體的設計分析功能，則可以使用 COSMOSWorks advanced Profes sional對任何零件或裝配體在任何載荷條件下的物理特性進行預測。

對于任何一款看似結構簡單的車架來講，如圖6所示，其在成型之前需要根據不同的設計要求，及相關的國家標準來進行嚴格的測試，如GB標準、DIN標準、JIS標準等等。每一項標準都對各個部分做了嚴格的要求，以保證可以更好的滿足整體性能的要求。

如圖7所示，我們都知道車前輪的部分經常會出現與前端物件撞擊的現像，因此這個部分應該是在設計車架時需要主要考慮的一個問題。為了保證我們所設計出來的車架體結構可以滿足沖擊需求，所以利用COSMOS設計驗證工具來進行一項沖擊的設計分析。在此分析的算例中，我們可以根據近于實際的狀況，將沖擊力的大小、相應車架部分的約束條件設定完成，讓軟件在試樣之前就可以找出設計中的缺陷，避免問題的發生，從而更加優化設計。

現今的自行車不僅僅是普通意義上的一種代步工具，而且成為了一種時尚的休閑運動工具，那么人們相應的對于自行車的要求也在一步步的提高，不僅僅可以騎乘，而且可以滿足各種體育運動的要求，所以這無形當中就對車體設計提出了更高的要求，就需要新車在出廠之前做更加嚴格的測試。這一部分我們可以通過COSMOS的運動仿真與應力分析相結合的環境進行一個車架的摔落模擬，模擬通過一定的高度和載何情況下摔落所產生的幾何體應力、形變狀況，如圖8所示。

COSMOSMotion部分作為SolidWorks的運動仿真插件，可以真實地模擬車體的運動狀況，運動時整個結構相互之間的約束條件、運動副、耦合形式等，并賦予相應的運動條件。COSMOSMo tion使工程師能夠設計聯動布局、模擬凸輪運動、了解齒輪傳動、調整彈簧/減震器的尺寸以及確定接觸零件的動作方式，通過仿真模擬可以節省大量測試樣品制作的時間及成本。

大家知道，每一項產品都會有它的設計壽命、疲勞狀況，同樣對于一款自行車來言，我們一樣需要得到類似的信息，所以在設計之初我們就需要通過設計工具來進行驗證設計是否合理。比如這一款自行車，我們需要看一下它在顛簸狀態下可以運轉多久，那就需要通過在COSMOSM otion中設定它的運動狀態，之后將其相應的仿真結果輸入到COSMOSWorks里面進行疲勞壽命的分析，通過在設計階段進行驗證來消除可能出現的問題，如圖9所示。

一款車體的設計是一個比較復雜的過程，如何將復雜的設計簡單化，讓設計工程師們有更多的精力用于真正的設計過程中，而不是花費大量的時間進行模型的構建、思考設計是否合理、強度是否滿足要求等，所以可以通過SolidWorks設計軟件及COSMOS分析工具在自行車的設計階段就將不合理因素排除在外。希望可以通過SolidWorks及COSMOS的協助，提高產品設計效率、縮減設計周期、降低生產制造成本，使工程師的設計意圖得到更好的體現及驗證，給中國自行車產業的發展注入更多新的活力元素。