一種新型自行車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

陳秋江 劉曉芬 鐘密 閆聰

摘要：隨著人們生活水平的提高，對(duì)產(chǎn)品的各種要求和質(zhì)量的要求也日益提高。對(duì)于日常流行的代步工具自行車而言，不僅要外形美觀輕便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且還要求其節(jié)能環(huán)保省力。本文提出一種重力助力自行車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其能夠有效的利用人體重力并將其變?yōu)橐环N動(dòng)力。人們?cè)谑褂米孕熊囘^程中節(jié)省力量。

關(guān)鍵詞：新型;節(jié)能;環(huán)保

中圖分類號(hào)：U484

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672 - 9129（2018）12 - 0142 - 02

1 前沿

近幾年，共享單車不僅成為一種潮流更是人們倡導(dǎo)綠色出行，環(huán)保節(jié)能的生活理念的體現(xiàn)。隨著人們生活水平和認(rèn)識(shí)的提高，共享單車也在于是俱進(jìn)。目前市場(chǎng)流行的主要的幾款單車有ofo小黃、bluegogo、Mo-bike。它們都有各自的特點(diǎn)：ofo小黃車具有二八自行車改良后的經(jīng)典外形，把其橫梁合二為一。bluegogo外形借鑒ofo小黃車，車把的彎曲程度更偏向于Mobike的“U字形”，橫梁合二為一。Mobike具有碳素的車身以及車把弧度的處理使其具有很強(qiáng)的科技感。但它不能調(diào)節(jié)座位，為了降低返修率，取消了鏈條，靠軸傳動(dòng)的設(shè)計(jì)也使得最早的版本踩踏起來比較吃力;后來的lite版，在重量上大大的減輕了，使其使用率再次增加。由此可見，為了使自行車具有更完備的功能、舒適度以及適應(yīng)市場(chǎng)需求，需要對(duì)其不斷的進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2 自行車發(fā)展與設(shè)計(jì)規(guī)范

2.1 自行車發(fā)展階段。隨著人們生活水平的提高，對(duì)產(chǎn)品的形式、功能、質(zhì)量、審美等的要求也越來越高。自行車設(shè)計(jì)不斷創(chuàng)新，增加自行車的輔助功能，改變其實(shí)現(xiàn)形式。自行車的發(fā)展大致經(jīng)歷四個(gè)階段[1]：

第一階段發(fā)明階段。第一輛自行車是這樣被描述：由機(jī)架及木質(zhì)的輪子組成，騎車人的腳是驅(qū)動(dòng)力，靠蹬地摩擦驅(qū)動(dòng)前后兩個(gè)木質(zhì)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。沒有車把、傳動(dòng)鏈條、轉(zhuǎn)向裝置。第二階段優(yōu)化階段。對(duì)其形狀、各種關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，采用更合適的材料、尺寸，選擇鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，增加轉(zhuǎn)向裝置、腳踏板、座椅等，于是出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)。第三階段為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)化[2]。比如在車架結(jié)構(gòu)的連接方式上，很多采用剛性連接的零部件改為柔性連接，故出現(xiàn)折疊自行車。第四階段為系統(tǒng)的自控制。自行車系統(tǒng)應(yīng)該能夠自動(dòng)地適應(yīng)交通環(huán)境，因此，未來自行車的設(shè)計(jì)上應(yīng)增加安全行車指示系統(tǒng)。

2.2 自行車設(shè)計(jì)規(guī)范及結(jié)構(gòu)。在自行車設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)需要遵循嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)范要求，以滿足自行車的技術(shù)質(zhì)量要求并確保自行車的騎行安全和使用性能。對(duì)此，國家制定了嚴(yán)格的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)與通用標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了自行車部件的分類、鏈條尺寸和機(jī)械性能、主要技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)等等;強(qiáng)制性的安全要求，保證自行車每一個(gè)自行車的零部件乃至整車的強(qiáng)度和耐用性;以及產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

自行車部件根據(jù)國標(biāo)主要分為兩大類，即基本部件和附屬部件，自行車基本部件可分為十七大類：車架部件、前叉部件、車把部件、座椅部件、中軸部件、腳蹬部件、鏈條部件、飛輪部件、前輪部件、后輪部件、前拔鏈器部件、后拔鏈器部件、前閘部件、后閘部件、鏈罩部件、車鈴部件、反射器部件[3]。

3 一種重力助力自行車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 自行車結(jié)構(gòu)組成。本文一種新型座椅重力助力式齒傳動(dòng)自行車，通過人坐在座椅上依靠重力直接下壓座椅，使座椅支撐軸在車架立管的管腔內(nèi)下移，并通過座椅支撐軸下部的線性伸縮末端通過曲軸將線性力矩轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩輸出，以為自行車的主動(dòng)齒輪盤軸的轉(zhuǎn)動(dòng)助力，以加速帶動(dòng)主動(dòng)齒輪盤旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)省力騎行的目的。結(jié)合座椅支撐軸下部的線性伸縮末端與主動(dòng)齒輪盤的盤體之間設(shè)有的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)具有的急回特性為座椅支撐軸和座椅的復(fù)位回升提供助力。結(jié)合座椅支撐軸下部車架立管管腔內(nèi)安裝的自動(dòng)回升機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)并解決座椅支撐軸的復(fù)位回升問題;實(shí)現(xiàn)齒傳動(dòng)自行車的省力騎行目的。

3.2 主要結(jié)構(gòu)影響因素分析。從人機(jī)工程學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，自行車的舒適性，由定位把手、座椅以及腳踏板三者之間的位置決定[4]。車把過低會(huì)使騎行者的上肢承受很大的靜壓，時(shí)間稍長(zhǎng)手臂和手掌易發(fā)生疲勞，但力容易傳遞到車。提高車把高度可使背部彎曲度變淺，但力不易傳遞到前輪[5]。座椅與腳踏之間的相對(duì)位置直接影響蹬踏方式，由座椅相對(duì)中軸軸心的位置和曲柄長(zhǎng)度決定。座椅相對(duì)中軸軸心的位置是影響踏力和踏速能否獲得最佳配合的關(guān)鍵，曲柄的長(zhǎng)度還直接影響合理的踏速[6]。座椅，主要在使用過程中起到承受壓力的作用。座椅的位置由座椅的高度和坐管傾角共同決定。中軸是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)承受騎車者的部分體重。中軸高度應(yīng)根據(jù)自行車的使用環(huán)境來決定，高中軸自行車適用于凹凸不平的路面，低中軸自行車在失控時(shí)具有更大的穩(wěn)定性。在實(shí)際騎行過程中，蹬踏力的方向不斷改變，蹬踏上死點(diǎn)和下死點(diǎn)的位置不一定在最高點(diǎn)和最低點(diǎn)處，它們主要由座椅與腳蹬之間的位置決定。

4 總結(jié)

該自行車的改進(jìn)設(shè)計(jì)有利于”節(jié)能環(huán)保，綠色生活”倡導(dǎo)，因此后續(xù)對(duì)該自行車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、干涉分析具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]張芳蘭;楊明朗，基于TRIZ理論的自行車進(jìn)化過程分析與創(chuàng)新設(shè)計(jì)[C] 2010國際工業(yè)設(shè)計(jì)研討會(huì)暨第十五屆全國工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2010

[2]趙新軍.技術(shù)創(chuàng)新理論及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004 1189 - 197

[3]張巍.工程數(shù)據(jù)庫在自行車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].《科技傳播》2013 （11）（下）202

[4]曠紅梅，楊隨先.基于人機(jī)工程學(xué)的自行車騎姿改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].設(shè)計(jì)與研究，2007，3（34）

[5]關(guān)于自行車的研究報(bào)告[ED/OL].http：//www.lsgz.com/.

[6]宋賢敦.自行車設(shè)計(jì)[J].中國自行車，1989，45