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3-1 研究材料

3-1-1 研究對象

本研究對象為巨大 (Giant)股份有限公司所生產型號 WARP-DS-3 之全懸式自行車 (圖 3-1),車架材質由鋁合金 A6061-T6 製造。該車出產於西元 2004 年,正是自行車車 架從以往較低階高碳鋼材料邁向中高階級鋁合金材料的時期。

圖 3-1 本文研究對象之全懸式自行車 (巨大股份有限公司)

17 3-1-2 使用軟體

(1) 套裝軟體 I-DEAS

I-DEAS (Integrated Design Engineering Analysis Software)是由美國 SDRC (Structural Dynamics Research Corporation)公司所發展的一套參變數式電腦輔助設計軟體。軟體內 部 主 要 分 為 七 個 模 組 (Application) , 包 括 Design 、 Drafting 、 Simulation 、 Test 、

ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)軟體是屬於電腦輔助運 動模擬分析軟體的一種,結合了電腦科技、動力學、機構學與數值分析等方面的技術,

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20 3-3-1 自行車車架之電腦模型建構

車架電腦模型之建構方式,是依照實際量測研究對象外形 (圖 3-3),及以 I-DEAS 分別建構車體及重要元件之電腦模型 (圖 3-4 與 3-5)。其中重要元件包括:前叉 (Front Fork)、前管 (Head Tube)、上管 (Top Tube)、座管 (Seat Tube)、下管 (Down Tube)、後 上叉 (Seat Stay)、後下叉 (Chain Stay)等,其規格如表 3-1。接著以 I-DEAS 計算各部位 的物理性質 (Interial Properties),包含:質量、質心位置、及相對於質心位置的慣性矩等 (表 3-2)。

後上叉 (Seat Stay) 上管 (Top Tube) 前管 (Head Tube)

後下叉 (Chain Stay) 座管 (Seat Tube) 下管 (Down Tube) 圖 3-3 本研究對象自行車之重要部位元件圖

前叉 (Front Fork)

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表 3-1 本研究對象自行車各組成元件規格 規格

部位名稱 截面型式 (mm) 材料型式 重量 (kg)

前管 (Head Tube) Ø 39×2.0 A6061-T6

上管 (Top Tube) □35×20×1.0 A6061-T6

下管 (Down Tube) □85×40×1.5 A6061-T6

座管 (Seat Tube) Ø 33×1.0 A6061-T6

車身總重 9.5

後上叉 (Seat Stay) □28×13×1.5 A6061-T6

後下叉 (Chain Stay) □28×13×1.5 A6061-T6

後四連桿總重 3.5

輪胎 (Wheel) MICHELIN W.G.COMP 26×

1.95

鋁合金雙層輪圈 前後輪分別各重 2

圖 3-4 以 I-DEAS 建構之自行車電腦模型 (前等角視圖)

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圖 3-5 以 I-DEAS 建構之自行車電腦模型 (後等角視圖)

表 3-2 車架重要元件之物理性質

手把 前避震機構 車架 後連桿機構

Ixx (kg mm3) 208.726 32133.8 1230.36 18647.8 Ixy (kg mm3) 5.74726 11.4612 1.17094E-11 14.2108 Iyy (kg mm3) 13417.2 7947.63 -309.003 15592.8 Ixz (kg mm3) 16.0575 1.98644 -1.73427E-11 75.8329 Iyz (kg mm3) 41.8026 -10183.1 759.381 1762.45 Izz (kg mm3) 13315.2 32215.8 1615.6 4941.38

Mass (kg) 0.619344 1.65635 0.883464 0.878049

23 3-3-2 自行車模型驗證

本研究雖然並未對自行車之手把及座位質心位置進行實驗驗證;但以重量比對作粗 略驗證。實際測量整部自行車的重量為 18 至 20 公斤。經由拆下自行車各實體部位進行 量測,再經由 I-DAES 套裝軟體建構之電腦模型比較,整部自行車模擬重量與實際車體 重量大約差 2 至 3 公斤。誤差原因推測是因為量測自行車主體車架重量時,並未把齒輪、

齒條及腳踏板等部位拆下來所造成的少許誤差。

3-3-3 自行車車架模型結構之有限元素分析

建構完整的自行車車架電腦模型後,接著分別以市面上自行車所常用的鋁合金 (A6061-T6)、鎂合金 (AZ31B)與鈦合金 (ASTM 等級 1)三種不同材料構成車架元素,以 I-DEAS 對其進行靜態負荷結構特性之有限元素分析。其步驟如圖 3-6。而三種車架材料 之成份及機械性質分別如表 3-3 及表 3-4 所示。

輸入車架材料性質

圖 3-6 有限元素分析流程圖 定義拘束條件

指定網格類型與元素種類

車架模型分割

有限元素分析

車架結構安全評估

車架尺寸改良

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方面,由於車架之三種材料特性皆屬於延展性材料,因此在判別三種車架材料承受負載 時結構是否遭到破壞,則是根據最大畸變能損壞理論來判別該車架結構是否安全,及檢 視其安全係數。最後再根據結果利用該軟體之內建最佳化模組進行該車架尺寸改良。

圖 3-7 I-DEAS 中自行車車架基本材料性質設定

圖 3-8 自行車車架電腦模型拘束條件與負載位置 負載位置

拘束位置

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圖 3-9 四面體元素劃分圖

圖 3-10 車架有限元素模型分割圖

27 3-3-4 輪胎與路面模型之建構

經由 I-DEAS 內部的 UG 轉檔方式可將所建構的自行車車架模型轉至套裝軟體 ADAMS 中,再輸入 I-DEAS 先前所計算的自行車車架模型的材料性質,如密度與質量 等至 ADAMS。接者利用 ADAMS/Solver/Tire 輪胎模組,建構自行車輪胎模型。該模組 內建五種不同類型的輪胎特性,分別為 Fiala 輪胎模型、UA 輪胎模型、User Defined 輪 胎模型、Delft 輪胎模型與 Smithers 輪胎模型 (表 3-5),用以模擬分析車輛輪胎在車輛加 性強度僅考慮與路垂直的方向而忽略縱向 (Longitudinal)與橫向 (Lateral)的剛性效應。

輪胎基本性質包括徑向剛性 (Radial Tire Stiffness)、輪胎徑向阻尼比 (Radial Damping Ratio)、滾動力矩係數 (Rolling Resistance Moment Coefficient)、與路面靜摩擦係數。

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圖 3-11 輪胎幾何外型示意圖 (傅 2003)

圖 3-12 以 ADAMS 建構電腦模型之未受負載之輪胎實際尺寸

29 (2) 路面模型之設定

ADAMS 軟體路面工具模組中內建路面檔資料可用來定義所需模擬路況的幾何外形 與路面–輪胎間的摩擦性質。ADAMS 軟體路面檔形成是由編號 1 到 6 的六個節點所建 構而成 (圖 3-13)。經由定義適當的節點座標及相互的連結關係來產生所需要的路面元素 (element)外形 (圖 3-14)。這六個節點一共可形成四個三角形,即元素 A、B、C 與 D,

每個三角形代表一個元素,其單位法向量均為已知。ADAMS/Solver 需要先在一個已知 的座標系中定義每個節點的座標,就如同有限元素法 (Finite Element Method)節點的定 義一樣,接者就可定義出每個三角形的聯結方式。而當每一個三角形聯結完成後,可個 別定義輪胎與路面不同的摩擦效應。值得注意的是,在電腦模擬分析運算時,輪胎同時 只能與兩個元素接觸。當輪胎與三個以上的元素接觸時,ADAMS 軟體只會隨機計算兩 個元素,且這兩個元素不一定是最重要的,所以必須妥善設計路面元素,以免造成模擬 失真。設定條件中只要在一個已知的座標系中定義每個節點的座標,就可以定義出每個 三角形的聯結方式。當每個三角形聯結完成,即可定義出在各個元素上不同摩擦係數的 路面。

圖 3-13 路面幾何外型示意圖 (傅 2003)

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圖 3-14 本研究路面模型之節點元素相關位置

(3) 路面障礙物模型之建構

本研究以不同之路面障礙建構了四種不同類型的路面狀況。模擬道路測試全長皆為 100 公尺,障礙物凸出高度及凹陷深度 5 公分則是參考王 (1997)所設定。第一種為凸起 障礙路面 5 公分 (圖 3-15 與 3-16)。第二種為凹陷障礙深度 5 公分 (圖 3-17 與 3-18)。第 三種為半正弦波凸起障礙尺寸 30×5 公分 (圖 3-19 與 3-20)。第四種為半正弦波凹陷障礙 尺寸 30×5 公分 (圖 3-21 與 3-22),以下分別簡稱各路面障礙路況為 A、B、C 及 D。

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圖 3-15 含障礙物 A 路況之路面側面示意圖

圖 3-16 以 ADAMS 建構含障礙物 A 模擬路況之路面

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圖 3-17 含障礙物 B 路況之路面側面示意圖

圖 3-18 以 ADAMS 建構含障礙物 B 模擬路況之路面

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圖 3-19 含障礙物 C 路況之路面側面示意圖

圖 3-20 以 ADAMS 建構含障礙物 C 模擬路況之路面

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圖 3-21 含障礙物 D 路況之路面側面示意圖

圖 3-22 以 ADAMS 建構含障礙物 D 模擬路況之路面

35 前端 (圖 3-27)等部位相互固定。第二種拘束為平移接頭 (Translational Joint),即一般的 滑塊,所指定的物件在指定的平面位置上平行移動僅能提供一個自由度 (圖 3-28)。使用

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圖 3-23 ADAMS 內建之固定接頭示意圖

圖 3-24 座椅與座管部位以固定接頭固定示意圖

固定接頭

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圖 3-25 車架與手把以固定接頭連接示意圖

圖 3-26 車架與齒輪部位以固定接頭連接示意圖

固定接頭

固定接頭

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圖 3-27 後避震器前端以固定接頭連接示意

圖 3-28 ADAMS 內建之平移接頭示意圖

固定接頭

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圖 3-29 前避震器平移接頭連接示意圖

圖 3-30 ADAMS 內建之旋轉接頭示意圖

平移接頭

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圖 3-31 前輪以旋轉接頭固定示意圖

圖 3-32 後輪以旋轉接頭固定示意圖

旋轉接頭

旋轉接頭

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圖 3-33 車架與後四連桿機構以旋轉接頭連接示意圖

圖 3-34 後避震器後端以旋轉接頭連接示意圖

旋轉接頭

旋轉接頭

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圖 3-35 ADAMS 內建之平面接頭示意圖

圖 3-36 輪胎模型附著與路面上以平面接頭連接圖 旋轉接頭

43 3-3-6 人機電腦模型之建構

本研究以騎乘者重量作為行駛路面障礙模擬反應測試時的負載,圖 3-37 為人機電 腦模型建構流程圖。首先利用 I-DEAS 軟體建構簡易的騎乘之人體電腦模型 (圖 3-38),

該電腦模型的體重及身高乃依據人體測計資料 (2007)所提供之國人 18 歲至 65 歲的男性 勞工平均體重 65 公斤及 168.7 公分而設定。再根據李 (2001)所提供身高於身體各部位 的分配百分比 (表 3-7)可求出身體各部位長度。而所建構之人體電腦模型再經由 UG 轉 檔方式輸入至 ADAMS 軟體,再以 ADAMS 軟體定義拘束條件,所使用的拘束為固定接 頭 (Fixed Joint)將騎乘者的四肢部位的電腦模型先以在站立的姿勢固定。接者在以騎乘 者的騎乘姿勢利用固定接頭固定至自行車之手把、座椅與腳踏墊等部位完成人–車整合 電腦模型 (圖 3-39)來進行模擬。至於整部自行車所承受來自騎乘者的負載重量分佈主 要是根據劉等人 (1999),研究的人體重量騎乘自行車之分配比例採用五點配重的方式,

重量分別於左右把手、左右踏墊及座椅等位置 (表 3-8)。

騎乘者電腦模型建構

圖 3-37 人機模型建構之流程圖 騎乘者拘束條件設定

騎乘者負載重量設計

人-車整合拘束條件設定

人-車整合電腦模型動態分析

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表 3-8 自行車負荷五點分配情形

負荷部位 所佔比例 (%) 負荷大小 (kg)

座椅 52 39

左手把 10 7.5

右手把 10 7.5

左腳踏 14 10.5

右腳踏 14 10.5

總和 100 65

3-3-7 行車模擬狀況設定

本研究模擬自行車行經路面障礙路況之速度設定為 V=10 km/h 和 20 km/h 兩種。須 注意的是,執行動態模擬時,若輪胎初速直接設定為 10 km/h 或是 20 km/h,容易造成 輪胎初始的轉速與車速不相符合。為了避免此情形發生,故利用 ADAMS 軟體內建 motion 工具以步階函數 (Step function)設定 0 至 5 秒速度由 0 上升至 5 km/h,5 至 10 秒 速度分別由 5 km/h 上升至 10 km/h 和 20 km/h (圖 3-40),使自行車行駛速度逐漸上升以 進行模擬分析。

圖 3-40 ADAMS 內自行車行經路面障礙路況之速度設定

45 3-3-8 避震系統性能模擬分析

本文之自行車避震系統性能分析,是以自行車行經路面障礙路況時騎乘者的手 把及座位質心位置 (圖 3-41)所量測到的垂直方向加速度變化及瞬間加速度值作為評估 自行車避震系統性能,即騎乘舒適度好壞的參考指標。其值越小,表示振動越緩和,騎 乘舒適度越高。分析自行車通過路面障礙時手把及座位垂直加速度變化時,不考慮騎乘 時腳踏力所造成的影響,因此將騎乘者之大腿、小腿及腳踏板與車架視為同一剛體。而 所建構之自行車電腦模型是以車架及前後輪避震系統為主體,並且加入模擬之輪胎與路 面的摩擦效應,並不考慮因避震系統作動,所造成與其他剛體元件間的摩擦效應。

本文之自行車避震系統性能分析,是以自行車行經路面障礙路況時騎乘者的手 把及座位質心位置 (圖 3-41)所量測到的垂直方向加速度變化及瞬間加速度值作為評估 自行車避震系統性能,即騎乘舒適度好壞的參考指標。其值越小,表示振動越緩和,騎 乘舒適度越高。分析自行車通過路面障礙時手把及座位垂直加速度變化時,不考慮騎乘 時腳踏力所造成的影響,因此將騎乘者之大腿、小腿及腳踏板與車架視為同一剛體。而 所建構之自行車電腦模型是以車架及前後輪避震系統為主體,並且加入模擬之輪胎與路 面的摩擦效應,並不考慮因避震系統作動,所造成與其他剛體元件間的摩擦效應。

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