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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:王俊生
研究生(外文):Jyun-Sheng Wang
論文名稱:登山車車架幾何與剛性關係之研究
論文名稱(外文):The Relation between Frame Geometry and Stiffness for Mountain Bike
指導教授:吳英正
指導教授(外文):Ying-Jeng Wu
口試委員:鄭俊誠徐正能
口試委員(外文):Jyun-Cheng ChengJeng-Neng Shiu
口試日期:2014-07-28
學位類別:碩士
校院名稱:國立雲林科技大學
系所名稱:機械工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:44
中文關鍵詞:自行車車架幾何與剛性有限元素模型登山車
外文關鍵詞:bike frame geometry and stiffnessfinite elementmountain bike
相關次數:
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自行車以功能性區分為數種,一般大眾常見到的有公路車(road bicycle)、登山車(mountain bicycle)、越野公路車(cross-country bicycle)及其他眾多種類,不同功能性的自行車車架有其特殊的幾何設計。
本研究的目的是探討自行車車架之幾何尺寸改變後,對車架剛性之影響。首先,挑選四個廠牌之26吋與27.5吋輪圈之單避震器登山車的車架幾何,利用有限元素分析軟體分別模擬外力施加在立管、五通及頭管三處不同的位置。探討車架變形量大小之分布,再計算車架剛性,藉此了解車架受到外力後的狀況。進一步,挑選其中一廠之27.5吋車架,將立管C-C長度(seat tube center to center)、立管與地面之夾角(seat tube angle)及五通下降量(BB drop)之尺寸參數化,以改變單一部位之尺寸的方式進行變形量分析,了解不同部位之尺寸改變後對車架剛性之影響。最後,利用最佳化分析將車架幾何最佳化。
本研究使用美國Swanson Analysis System ,Inc. 之有限元素分析軟體-ANSYS workbench做為模擬軟體,模擬車架受力後的變形量。有限元素分析提供了簡單且快速的方法來獲得自行車車架之幾何設計與變形量的關係,以工程分析的方法提供自行車車架幾何之特性,等得到滿意的模擬結果再進行原型的開發,如此可以節省開發的成本、縮短開發的時間,並提升自行車車架的品質與性能。

Bicycles are classified into different kinds by their function, among others are road bicycle, mountain bicycle, cross-country bicycle and many others. However, different kinds of bicycle frames have specific geometric design for different purposes.
The research is to discuss the effect of geometric dimension on bike frame stiffness. Firstly, use four different brands of hardtail mountain bike with 26 and 27.5 inch frame geometry, then stimulate how outer force functions on seat tube, bottom bracket and head tube with analysis software. Discuss the distribution of frame deformation and calculate bike frame stiffness to know how it works. Secondly, select a 27.5 inch rim bike frame from one of the four brands and parameterize the dimension of seat tube center to center, seat tube angle and BB drop. This is done by changing dimension of single part to realize the effect of dimension in different part on frame deformation. Lastly, optimize the bike frame geometry.
The research is done by a finite element analysis software─ANSYS workbench, to simulate the deformation of forced bike frame. Finite element analysis provide a fast and easy way to obtain the relation between the bike frame geometric design and its deformation. By combining with engineering analysis to analyze the properties of bike frame, a bike prototype can be developed until satisfactory results are acquired. The research provides the benefits of lowered development cost, shortened development time, enhanced quality and performance for a bike frame.

摘 要 i
ABSTRACT ii
誌 謝 iii
目 錄 iv
表 目 錄 vi
圖 目 錄 viii
第1章 緒論 1
1.1. 研究動機與目的 1
1.2. 文獻回顧 2
1.3. 研究方法 3
1.4. 論文架構 3
第2章 自行車車架幾何介紹 4
2.1. 各廠牌之車架幾何 4
2.2. 車架管徑及管壁厚度之設定 6
第3章 車架有限元素模型 8
3.1. 邊界條件設定 8
3.1.1. 模態分析 8
3.1.2. 立管施力 9
3.1.3. 五通施力 10
3.1.4. 頭管施力 11
3.2. 材料參數之定義 12
3.3. 有限元素模型與收斂性測試 13
第4章 車架結構之分析結果 14
4.1. 車架之模態分析 14
4.2. 車架之應力分析 15
4.2.1. 立管施力之應力 16
4.2.2. 五通施力之應力 17
4.2.3. 頭管施力之應力 18
4.3. 車架之變形量分析與剛性 19
4.3.1. 立管施力之Y方向變形量 20
4.3.2. 五通施力之Y方向變形量 22
4.3.3. 頭管施力之Y方向變形量 23
4.3.4. 車架剛性比較 24
第5章 車架結構之最佳化 25
5.1. 幾何尺寸之參數化分析 25
5.2. 參數化分析結果 27
5.2.1. 立管施力之參數化分析 27
5.2.2. 五通施力之參數化分析 29
5.2.3. 頭管施力之參數化分析 30
5.2.4. 參數化分析之車架變形量比較 31
5.3. 車架幾何之最佳化結果 32
第6章 結論與建議 36
6.1. 結論 36
6.2. 建議 37
參考文獻 38
附錄 39
附錄一-各車架應力分布圖 39
附錄二-各車架變形量分布圖 42

[1] 吳煌杰,2009,碳纖維複材自行車架之有限元素應力分析,碩士論文,明志科技大學,新北
[2] 廖嘉俊,2007,碳纖維自行車車架之剛性分析,碩士論文,逢甲大學,台中
[3] 宋宜駿,2005,複材自行車架重新設計與力學分析,碩士論文,中山大學,高雄
[4] 蘇崑熙,2003,使用ANSYS之機械結構動態分析,碩士論文,中原大學,桃園
[5] 陳毓夫,2012,利用田口方法於自行車車架垂直拉力分析,碩士論文,南台科技大學,台南
[6] 謝忠祐、蔡國銘、莊薰仁、陳立罡,2013,ANSYS電腦輔助工程實例分析,夸克工作室
[7] Heui-Huang Lee, 2010, Finite Element Simulations with ANSYS Workbench 12, GOTOP INFORMATION INC.
[8]http://www.rikulau.com/rikulau_chinese/bikes/mountainbike-reynolds931-agility/material.php
[9]Martin H. Sadd, 2009, Elasticity : Theory, Applications, and Numerics, Second edition

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