臺灣博碩士論文加值系統

本研究主要在探討登山自行車用滾珠式踏板，在市場趨勢下進行輕量化設計，腳踏板減輕重量之方式，依照材質、製造方式及結構型式，可概分為4種方式：1、改變軸心或踏板台身材質，2、改變踏板外型樣式，3、加工方式改變，4、結構改變，其中變更結構的尺寸和轉動結構，會影響到通過EN測試規範的結果最大，只有通過EN規範測試的腳踏板方可在歐盟區域銷售，以歐盟EN規範做為主要測試方式，是歐盟區域市場截至2013年佔台灣出口市場第一。本研究應用的研究方法為實驗法（experimental method），使用EN規範做為實驗方法，以現有通過EN規範測試結果的腳踏板，其零件尺寸及結構形式做為設計基準，依要因分析法分析修改部分零件，與結構形式的兩個樣品進行測試，驗證設計修改結構與零件部分，並將修改軸心以軟體進行靜力分析比較。結果發現：1、利用軸心端面抵消因荷重所造成的彎矩的方式，直徑以大於19mm為佳，並要以單一軸心直接接觸方式，才能使抵消荷重功效發揮最大。2、改變轉動支點型式，由兩端方式受力改為單邊支撐方式，會使零件受力產生偏差加劇磨損。3、使用雙軸心方式容易使內軸心在旋轉時，轉動件部份形成荷重受力最大，會加劇零件的磨損，以2個軸承方式較佳。4、踩踏過程中踏板受力分布，向內側分力幾乎為零狀態下，軸心與軸承配合段差在止推上，可以降低至軸承內環同直徑。

This study mainly discusses light weight design of ball bearing pedals used for mountain bicycles in order to meet the market trend. Based on materials, manufacturing methods and structures, there are four approaches to reduce the weight of bicycle pedals: 1. changing the materials of pedal axis or pedal frame; 2. re-designing the pedal pattern; 3. changing the processing method; and 4. altering the pedal structure. Among the above four approaches, altering the pedal structure in size and rotation assembly creates the greatest effect on passing the EN test standards. Bicycle pedals cannot be marketed in the EU zone unless they pass the EN test. The EN criteria have been used as the test method for exporting bicycle pedals. By 2013, the EU zone had been Taiwan’s No. 1 export market in this field. The experimental method is used for carrying out the research and the EN standards are applied to conduct the experiment. The pedals currently meeting the EN standards are used for light-weight design in this study. Based on the parts and structures of the standard pedals, the cause and effect analysis is applied to analyze and modify the parts and the structure. Two samples are made for the test so as to verify if the modified parts and structure can meet the EN standards. An analysis and comparison are also made by software on the modified axis. The results are described as follows. 1. Longer diameter achieves a better performance when the axis end surface is used to offset the bending moment caused by load. Moreover, direct contact with a single axis can obtain the best result for counteracting load. 2. A change of rotation pivot pattern is made from two ends to one end bearing load. However, such change increases imbalanced load bearing and causes greater wear of parts. 3. The use of double axes causes the greatest load bearing on rotating parts while the inner axis is turning. Thus, the parts wear to a greater degree. It’s better to use two bearings. 4. While stamping on the pedals, the inward component of force is nearly zero. Under such a circumstance, the step difference between the axis and bearing for generating thrust can be reduced to the inner ring of the bearing, which equals to the length of the diameter.

目錄

摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VI
圖目錄 VII
一、緒論 1
1-1研究背景與動機 1
1-2研究目的 1
1-3研究範圍與限制 2
1-4研究流程 2
二、文獻探討 4
2-1踏板種類介紹 4
2-2踏板構造分析 8
2-3踏板減輕重量方式 13
2-4產品壽命 18
2-5腳踏板的使用 20
2-6測試法規 27
2-7歐盟測試規範 29
2-8 EN測試法規與踏板力測試比較分析 37
三、研究方法 39
3-1研究方法 39
3-2研究流程 40
3-3研究步驟 41
3-3.1測試方法 41
3-3.2測試設備 41
3-3.3測試標的物 46
3-3.4損壞因素分析 47
3-3.5損壞原因分類 48
3-3.6影響測試程度分析 49
3-3.7提出產品改善方案 49
3-3.8產品改善設計 50
3-4實驗設計測試驗證 50
3-4.1修改組設計說明 52
3-4.2修改組實驗測試過程及結果 54
3-4.3對照組設計說明 57
3-4.4對照組實驗測試過程及結果 58
四、實驗結果分析 59
4-1測試過程問題與分析 59
4-2設計改善說明 64
五、結論與建議 75
5-1結論 75
5-2建議 75
參考文獻 76
附錄 80


 
表目錄
表 1 踏板各部名稱及材料表 9
表 2 重要零件硬度要求表 10
表 3 各種金屬比強度specific strength(抗拉強度/密度) 15
表 4 踏板力測試使用之轉速與踏板負載 26
表 5 9國踏板動態耐久測試比較表 28
表 6 2013年1-12月台灣自行車主要出口區域統計 30
表 7 相關EN測試標準 31
表 8 測試數量統計表 51
表 9 不同長度標稱尺寸軸心與曲柄接觸位置的尺寸 52
表 10 分析用軸心相關尺寸 68
表 11 配合尺寸公差 以SKF標稱ID∮9mm OD∮17mm滾珠軸承為例 70
表 12 不同材質及尺寸軸心重量比較表 71
表 13 滾珠式踏板通用設計規範 74


 
圖目錄
圖 1 無珠式踏板 4
圖 2 無珠式踏板台身 5
圖 3 散珠式踏板 5
圖 4 散珠式踏板剖視圖 6
圖 5 滾珠軸承型踏板 6
圖 6 滾珠軸承型踏板剖視圖 7
圖 7 一體成型的踏板台身 7
圖 8 組合式台身 8
圖 9 不同樣式鋁擠型素材CNC加工成型 8
圖 10 踏板各部名稱 9
圖 11 滾珠式踏板常見結構方式 10
圖 12 輕量化自行車 12
圖 13 全鈦合金為材質之腳踏板 12
圖 14（a)不同材質、外型之腳踏板；(b)台身Nylon材質踏板 14
圖 15 外型改變之腳踏板 15
圖 16 加工方式改變之腳踏板 16
圖 17 結構改變之腳踏板 16
圖 18 軸心在靜態荷重負載應力分佈情形 17
圖 19 軸向應變繪製的負載曲線圖 18
圖 20 在使用時發生破損情形的踏板 19
圖 21 坐墊與踏板間高度姿勢調整 21
圖 22 踩踏過程中腳踏板受力方向 22
圖 23 踩踏時腿的動態模型 22
圖 24 曲柄角度與踏板受力角度關係圖 23
圖 25 曲柄角度徑向和切向踏板力分佈 24
圖 26 時間函數中徑向和切向踩踏力形成的曲線 24
圖 27 踏板力測試設備 25
圖 28 踏板力測試設備 25
圖 29 ＥN14766-2005測試掛載示意圖 32
圖 30 ＪI S D9416-2009 測試荷重吊掛方式示意圖 33
圖 31 滾珠式踏板的剖視圖 33
圖 32 軸心測試負載荷重變形示意圖 34
圖 33 軸心、軸承受力圖 34
圖 34 軸承受力示意圖 34
圖 35 比較測試-踏板直接衝擊測試 36
圖 36 比較測試-踏板間接測試 36
圖 37 產品設計流程 38
圖 38 研究流程 40
圖 39 測試設備圖 41
圖 40 測試設備控制面盤 42
圖 41 測試架設示意圖 43
圖 42 測試夾具上方架設圖 44
圖 43 測試夾具側面架設圖 44
圖 44 測試治具正面架設示意圖 45
圖 45 測試物受荷重後產生偏斜示意圖 45
圖 46 鎖固力不足治具歪斜 46
圖 47 損壞因素 48
圖 48 損壞原因 48
圖 49 測試影響度 49
圖 50 產品改善方案 50
圖 51 修改組產品爆炸圖 53
圖 52 修改組成品側面剖視圖 53
圖 53 修改組轉動系統側面剖視放大圖 54
圖 54 修改組測試第1次 54
圖 55 修改組測試第2次 55
圖 56 修改組測試第3次 55
圖 57 對照組(a)成品圖(b)產品零件爆炸圖 57
圖 58 對照組產品成品側面剖視圖 57
圖 59 踏板測試受力分力示意圖 59
圖 60 測試物測試過程中快速抖動 59
圖 61 測試物軸心斷裂固定端 60
圖 62 測試物軸心斷裂踏板端 60
圖 63 有閃避槽與無閃避槽之牙紋比較 61
圖 64 無閃避槽牙型呈圓弧狀 61
圖 65 牙紋車削預留R角位置 62
圖 66 鋼珠在珠碗分布示意 62
圖 67 軸心(黑色圓)放置於珠碗與鋼珠內示意圖 62
圖 68 測試時受荷重下壓鋼珠分布狀況示意圖 63
圖 69 修改組產品組裝側面剖視圖 63
圖 70 修改組轉動系統組裝側面剖視圖 64
圖 71 使用一個雙列角接觸球軸承的自行車踏板設計草圖 65
圖 72 深溝滾珠軸承剖視圖 65
圖 73 對照組軸承位置示意圖 66
圖 74 對照組受力分布示意圖 66
圖 75 軸心受力變形圖 67
圖 76 軸心頭部不同直徑受力變形圖 67
圖 77 踏板台身受測試負載變形 68
圖 78 建議設計方式 69
圖 79 加工公差使用建議位置 69
圖 80 軸心尺寸位置圖 71
圖 81 AISI 4130不同接觸直徑受力比較 72
圖 82 Ti-6Al-4V受力比較 72
圖 83 AISI 4130材質接觸位置不同厚度分析 73

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