手搖腳踏車的設(shè)計(jì)

張靜 吳小平

（西南交通大學(xué)峨眉校區(qū) 四川峨眉 614200）

手搖腳踏車的設(shè)計(jì)

張靜 吳小平

（西南交通大學(xué)峨眉校區(qū) 四川峨眉 614200）

在自行車早期的設(shè)計(jì)和發(fā)展中，很多人都嘗試過(guò)將自行車變成可以手搖腳踏自行車，以提高騎行速度，減輕腿部用力，然而最終都因效率低下、安全性差而宣告失敗。目前人們?nèi)匀辉谶M(jìn)行不斷探索，以期通過(guò)手搖腳踏方式能夠鍛煉全身肌肉。本文以一款已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的手搖腳踏自行車為藍(lán)本，研究并分析這種自行車的組成原理和相關(guān)尺寸關(guān)系。

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 作圖法 仿真

引言

1.分析并確定圖示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，提出可能的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)方案，了解其工作過(guò)程；

2.掌握手搖和腳踏兩個(gè)動(dòng)力輸入的組合方式及輸出效果；

3.解決該自行車在騎行過(guò)程的轉(zhuǎn)向問(wèn)題；

4.適用范圍體重在40-140kg，身高在1.3米-1.8米；

5.用軟件進(jìn)行可視化仿真。

1.運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)對(duì)象包括車架、前輪、后輪、手搖驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和腳踏驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，手驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接踏板，腳踏驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)連接后輪，腳踏驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)后輪上的齒輪運(yùn)動(dòng)，齒輪帶動(dòng)后輪運(yùn)動(dòng)，后輪將動(dòng)力傳給前輪，從而實(shí)現(xiàn)車向前運(yùn)動(dòng)。

若要該自行車正常行駛，要確定合理的手柄的擺角Ψ，則要根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)學(xué)來(lái)確定擺桿的長(zhǎng)度；

用UG軟件繪制曲柄搖桿運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如下：

自由度F，F(xiàn)=3n-2pl-ph，F(xiàn)=3*3-2*4=1

用ug軟件畫(huà)出整體的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如下：

3是曲柄，1是主動(dòng)件，這是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，其極位夾角為θ=180°（k-1/k+1），設(shè)K=1.25，則θ=20°＞0.滿足曲柄搖桿中有急回特性的條件，即桿1具有急回特性.

2.作圖法確定桿長(zhǎng)

設(shè)人身高1.6m為題目要求1.3m-1.8m的平均身高，手臂平均長(zhǎng)為0.5m，腳到胸前的長(zhǎng)度約為1.28m，腳到手臂的長(zhǎng)度為1.30m，上手柄長(zhǎng)為0.8m，下手柄長(zhǎng)為 0.48m，根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)學(xué)原理和余弦定理 =（1.28^2+1.3^2-0.5^2）/（2*1.3*1.28）=0.925，Ψ=45°.

A，C1，C2三點(diǎn)所在圓和θ角之關(guān)系；

AC1，AC2，AB，BC長(zhǎng)度關(guān)系：

AC1=BC-AB

AC2=BC+AB

AB=（AC2-AC1）/2

比例尺ul=（）==0.016

假設(shè)A在圖示位置，測(cè)得0.56m，=0.56m，=0.14m，

已知=0.48m，所以曲柄長(zhǎng)0.14m，腳踏板長(zhǎng)0.56m，機(jī)架長(zhǎng)0.56m.

3.檢驗(yàn)其結(jié)果

1.曲柄是否存在：因?yàn)?=+（）＜+（）所以曲柄存在

2.連桿是否順序到位

設(shè)A（0，0），D（1，0）

又因?yàn)閮蓚€(gè)位置的坐標(biāo)為 （-0.4，2.65），（0.62，0.62）（1.88，2.87），（0.79，0，37）.所以=0.137＞0，=9.38＞0

二者同號(hào)，連桿能順序到位.

3.又因?yàn)?/p>

曲柄搖桿的的計(jì)算公式為：

得出=47°，為了保證機(jī)構(gòu)具有良好的傳動(dòng)性能，設(shè)計(jì)時(shí)通常應(yīng)使40°.所以此位置的機(jī)構(gòu)和各尺寸長(zhǎng)度符合運(yùn)動(dòng)條件.

4.建模

1.桿件模型

2.整體模型

設(shè)車輪直徑為66cm，騎車速度為12km/h，約為3.3m/s；取小齒輪的齒數(shù)為z2=34，大齒輪為z1=57，則取傳動(dòng)比為i=z2/z1=0.6.

設(shè)車輪半徑為r，車轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為ω，前鏈輪角速度為ω1，后鏈輪角速度為ω2=ω，則ω=v/r=3.3（m/s）/0.33m=10rad/s，又n1/n2=z2/z1，所以ω1=2πn1=ω2*i=10*0.6rad/s=6rad/s，n1=57r/min，即為曲柄搖桿中曲柄的轉(zhuǎn)速，曲柄的速度為=*ω1=0.14m/s*6rad/s=0.84m/s.

［1］機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)，王昆等主編，北京：高等教育出版社，1996

［2］機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)，王昆等主編，北京：高等教育出版社，1996

［3］機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）/中冊(cè)，東北工學(xué)院《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫組編，冶金工業(yè)出版社，1982

［4］孫恒陳作模葛文杰.機(jī)械原理（第七版）.北京：高等教育出版社，2006

［5］安琦王建文.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì).上海：華東理工大學(xué)出版社，2012

［6］吳宗澤.機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)【2】.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.