機械扭轉(zhuǎn)饋能自行車助力器的設(shè)計與分析

王晨霖，儲正炎，歐陽銘俊，徐 琳

（1.武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢430070；2.武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢430223）

1 引言

隨著綠色環(huán)保時代的到來，越來越多的人將低碳環(huán)保的自行車作為出行的工具。尤其近幾年，隨著城市共享自行車的迅速發(fā)展，人們選用自行車出行的比例持續(xù)增加。根據(jù)全球知名市場調(diào)研公司PersistenceMarketResearch（PMR）的一份報告顯示，全球自行車市場有望在2016—2024年增長37.5%，營業(yè)額將由450.8億美元增至620億美元以上。然而，由于傳統(tǒng)自行車自身傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的局限性，騎行者在單腳騎行一周過程中施力不平均，在第二次做功期間腿部肌肉需對抗更大的阻力做功。因此在騎行過程中易出現(xiàn)頓挫感，即加速度頻繁變化，容易導(dǎo)致上坡費勁、起步費勁等問題。因此，如何改善自行車傳動系統(tǒng)，創(chuàng)新性提升自行車的騎行體驗已成為當務(wù)之急。

2 傳統(tǒng)自行車人體施力狀態(tài)分析

自行車的驅(qū)動方式為人力驅(qū)動，根據(jù)曲柄轉(zhuǎn)動角度，將騎行運動劃分區(qū)域，如圖1所示。分析人在騎行時的做功狀況可得，單腳騎行一周中的力矩集中分布在10°～180°的踩踏期，而在170°～350°的提拉期與350°～370°（即-10°～10°）的平推期，人體不做功或做負功。

圖1 根據(jù)曲柄轉(zhuǎn)角，將騎行運動劃分區(qū)域

這種力矩的不平均分布，直接導(dǎo)致人在第二次做功期間腿部肌肉需對抗更大的阻力做功，從而造成了人體腿部肌肉的酸痛感，尤其在上坡騎行階段，由于阻力做功是連續(xù)的，人輸出的力是間斷的，容易造成上坡費勁的現(xiàn)象，大大降低了人的騎行體驗。

3 助力器結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括普通自行車曲柄牙盤、扭轉(zhuǎn)饋能機構(gòu)及彈性構(gòu)件三部分。人通過對自行車腳踏板的踩動帶動曲柄轉(zhuǎn)動，曲柄通過螺栓2拉動拉簧，拉簧通過螺栓1進一步帶動牙盤轉(zhuǎn)動，最后通過鏈條帶動自行車后輪轉(zhuǎn)動從而完成騎行傳動。其中，助力器所使用的曲柄牙盤為市面上普遍使用的可拆卸曲柄牙盤，兩者之間通過螺栓連接，可自由拆卸，從而保證本款助力器與自行車的適配性。

圖2 總體結(jié)構(gòu)

3.2 扭轉(zhuǎn)饋能機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

設(shè)計扭轉(zhuǎn)饋能機構(gòu)時，充分考慮裝置傳動系統(tǒng)的簡單實用性，其由限位盤、螺栓及彈性構(gòu)件組成。限位盤沿周向均勻分布著4個圓孔和4個滑槽，圓孔通過螺栓1連接牙盤構(gòu)件，滑槽通過螺栓2連接曲柄構(gòu)件同時保證曲柄與限位盤之間可以發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。彈性構(gòu)件采用更好固定的兩對拉簧，通過螺栓1、螺栓2，并通過螺母擰緊固定，使裝置在保證助力的同時防止發(fā)生共振。

通過扭轉(zhuǎn)饋能機構(gòu)一方面可消除由系統(tǒng)運動突變產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動，降低下肢承受的沖擊載荷；另一方面在一個踩踏周期中可吸收來自踩踏期的部分踩踏能量，在踏板運行到死點附近的平推期進行反饋，起到助力作用。

4 動力學及仿真分析

本裝置在原自行車傳動系統(tǒng)上加裝彈性元件，通過改善人體輸出力矩的分布（即激勵），使自行車的運動（即響應(yīng)）變得更為平緩?？扇≈ζ鳛橐粋€獨立的二自由度有阻尼激振系統(tǒng)，由此建立系統(tǒng)運動微分方程：mθ+Cθ+Kθ=Fsinωt。

則穩(wěn)態(tài)解只有常數(shù)項，而指數(shù)項隨著時間減少趨近于0。

將X1，X2分子項取平方后相減得：

式（1）值取決于ω4，即ω增大，式（1）值越來越小，X1、X2的差值也就越來越小，彈簧的形變量也越來越??；當ω增大到一定程度時，X1=X2。由此可以得出，助力器助力在起步和上坡等突變情況時可實現(xiàn)助力，在平緩騎行狀態(tài)下不提供助力。

為了驗證理論分析的真實性，現(xiàn)利用ANSYS軟件建立數(shù)值仿真模型進行分析。通過輸入一個穩(wěn)定頻率，對增加彈性構(gòu)件前后的模型分別仿真，得到兩組αt-Mp（t）曲線，如圖3所示。

圖3 仿真結(jié)果

圖3中，實線為加彈簧模型，虛線為不加彈簧模型，由圖3可看出兩曲線幾乎重合，即在平穩(wěn)騎行過程中加裝彈簧對系統(tǒng)沒有產(chǎn)生影響，與理論分析相符。

5 測力實驗

5.1 實驗準備

本實驗選用薄膜壓力傳感器采集足底踩踏力數(shù)據(jù)，通過電腦收集騎行的瞬時數(shù)據(jù)。在薄膜兩側(cè)加裝墊片以防壓力片受力不均。實驗過程中，采用同一輛自行車，并要求測試者帶上耳機按音頻在一定頻率下騎行。實驗選取低頻（每3s踩3圈）、高頻（每3s踩5圈）兩種騎行頻率分別進行實驗。實驗裝置如圖4所示。

5.2 實驗結(jié)果分析

經(jīng)測量及處理后得到4組變化曲線，將每個踏頻的2條對照曲線進行擬合，得到擬合曲線，如圖5所示。

對比兩條曲線可得助力器助力在起步等突變情況時可實現(xiàn)助力，在平緩騎行狀態(tài)下，不提供助力，這與設(shè)想的助力器工作效果相符合。

圖4 實驗裝置

圖5 擬合曲線

6 結(jié)語

本文針對現(xiàn)有自行車自身傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的局限性，設(shè)計了一款新型簡易的純機械式扭轉(zhuǎn)饋能自行車助力器。完成對裝置的工作原理及結(jié)構(gòu)的研究分析，并通過仿真及實驗進一步驗證了該助力器的助力階段。