一種多功能減震踏步自行車的設(shè)計(jì)

李 謙，周 彥，周雙武

(吉首大學(xué) 物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 吉首 416000)

0 引言

由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，幾乎每個(gè)家庭都配有一輛轎車，但也帶來(lái)了相應(yīng)的問(wèn)題，城市道路擁擠，停車位不夠，環(huán)境污染嚴(yán)重，而共享單車的出現(xiàn)也說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題需要迫切解決。但是傳統(tǒng)的單車為兩輪結(jié)構(gòu)，下雨天或者在路況較為不好的路面時(shí)，較容易發(fā)生意外。而且如果是很少接觸單車的人，難免會(huì)因?yàn)槲冯y心理而不敢使用。所以需要一個(gè)新型的自行車來(lái)解決這些問(wèn)題。

1 設(shè)計(jì)理念

此多功能減震踏步自行車主要由轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、車架結(jié)構(gòu)組成。整體為常規(guī)自行車大小，為了保證輕便與強(qiáng)度從而采用中空鋁合金來(lái)組裝車身，采用曲柄的連接與驅(qū)動(dòng)。使用者在驅(qū)動(dòng)鏈條運(yùn)動(dòng)的時(shí)候進(jìn)行腿部的上下踏步動(dòng)作即可，動(dòng)作幅度最大不會(huì)超過(guò)60°。如圖1所示。

本設(shè)計(jì)將自行車的鏈條傳動(dòng)改為曲柄連接[1]，避免直接傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生較大摩擦，從而達(dá)到省力的目的；同時(shí)，曲柄的連接使得踩踏起來(lái)更加輕松[2]，依靠重力進(jìn)行踩踏，踩下一邊，另一邊會(huì)同時(shí)自動(dòng)上升，從而兩邊進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)；為了加強(qiáng)安全性，使得騎行過(guò)程中不發(fā)生摔倒、側(cè)翻等意外事件，對(duì)車輛降低了車體的重心并采用雙前導(dǎo)向輪模式。

為了使騎行適用人群更加廣泛，在前輪的支撐部分添加了平面連桿機(jī)構(gòu)[3]，行駛于崎嶇的路面時(shí)，輪胎部分會(huì)彈跳上升而自行車的整體不會(huì)發(fā)生太大的高度變化，能夠用于更多環(huán)境。此外，新增的車把回正功能，使自行車在行駛過(guò)程中能夠最大程度的減少左右搖擺帶來(lái)的顛簸以及操作難度，進(jìn)一步提升了騎行的穩(wěn)定性[4]。最后，增加了拆卸的功能，將自行車的前輪以及把手可進(jìn)行拆卸，可做購(gòu)物車使用，這樣既充分利用了資源，又符合低碳環(huán)保的生活理念。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 雙輪轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)

我國(guó)本就是一個(gè)自行車大國(guó)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的自行車采用兩輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所以在單獨(dú)駕駛自行車時(shí)，需要我們提前進(jìn)行學(xué)習(xí)和練習(xí)，而且在這個(gè)過(guò)程中，也伴有一定的風(fēng)險(xiǎn)[5]，一些因?yàn)樘焐胶飧泻懿罨蛘呤蔷哂形冯y情緒的人有可能就會(huì)望而卻步。

1.上連輪；2.連桿；3.摳桿；4.車架；5.車把；6.籃筐；7.籃筐架；8.車輪；9.踏板；10.轉(zhuǎn)向連桿；11.減震器；12.車輪導(dǎo)桿；13.導(dǎo)向桿；14.轉(zhuǎn)向連桿；15.鏈條圖1 多功能踏步自行車裝配圖

圖2 雙輪轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)示意圖

所以設(shè)計(jì)出雙輪轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，因?yàn)榍拜啍?shù)量從1個(gè)變成了2個(gè)(如圖2)，兩輪會(huì)幫助平衡車輛，使得用戶在駕駛時(shí)有更好的駕駛環(huán)境，雙輪可以更好地讓使用者對(duì)于前輪以及把手進(jìn)行掌控。雙輪的轉(zhuǎn)向可以在行駛時(shí)提供更大的摩檫力，可以避免出現(xiàn)輪胎打滑的情況。此外，雙輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可以輔助阻尼減震系統(tǒng)進(jìn)行工作，雙輪都加上阻尼可以更好地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性。

2.2 阻尼減震機(jī)構(gòu)

日常使用的自行車是直接將車頭與輪胎進(jìn)行簡(jiǎn)單連接，在路況較差的路面上行駛時(shí)，對(duì)于駕駛?cè)说谋哿σ蟾撸視?huì)讓雙臂產(chǎn)生酸痛感，對(duì)于接下來(lái)的騎行安全無(wú)法保證。由于車輛在行駛時(shí)，容易不經(jīng)意間壓過(guò)較大物體，從而會(huì)使全車產(chǎn)生晃動(dòng)，對(duì)于駕駛者是很危險(xiǎn)的。因此，特采用平面連桿機(jī)構(gòu)再加上阻尼器來(lái)連接車頭與前輪，如圖3所示，這樣的設(shè)計(jì)可以使車輛在落差較大的路面也可以較平穩(wěn)行駛。再加上雙輪結(jié)構(gòu)，使得車輛具有了減震緩沖功能，即使是在崎嶇的路面也能保持有一個(gè)良好的穩(wěn)定性[4]。

圖3 阻尼減震機(jī)構(gòu)

2.3 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)為踏步裝置，采用平面連桿機(jī)構(gòu)，以達(dá)到良好的傳動(dòng)效果[1]，如圖4所示，驅(qū)動(dòng)時(shí)可以借助身體重力，從而達(dá)到省力的目的。

傳統(tǒng)的自行車驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)為兩個(gè)踏板作圓周運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)由人腿部提供主要的力量來(lái)源，但是長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，會(huì)增加疲勞感。但是如果采用將曲柄連桿與鏈條進(jìn)行連接作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)[3]。使腳的運(yùn)動(dòng)范圍變小，再加上身體重力的參與，可很好地緩解疲勞。

圖4 驅(qū)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 車架結(jié)構(gòu)

目前，自行車車架的材料主要有以下幾種：鋼、鋁合金、鈦合金、鎂合金、鈧合金、碳纖維等，一般市場(chǎng)上出現(xiàn)的車架主要有鋼、鋁合金、鈦合金、碳纖維。鈧合金和鎂合金是最近的新興材料[5]。經(jīng)過(guò)強(qiáng)度校核以及美觀與輕便的考慮，本車架全身采用鋁合金，車頭部分為中空結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到人體結(jié)構(gòu)，更加適合騎行[5]。從而，在選定材料的基礎(chǔ)上，考慮到踏板的安裝以及與車把的連接，利用三角形穩(wěn)定性的特點(diǎn)，將車架設(shè)計(jì)成三角形(如圖5)，可以保證強(qiáng)度與剛度的需求。

圖5 車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 結(jié)論

在傳統(tǒng)自行車的基礎(chǔ)上對(duì)于部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在踏板上引入曲柄搖桿機(jī)構(gòu)可減輕使用者的動(dòng)力輸出，前輪的阻尼結(jié)構(gòu)也可以保證車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)減小搖晃感從而提高使用的舒適度，?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)，此多功能踏步自行車有如下的一些優(yōu)點(diǎn)：

(1)駕駛更省力、力的轉(zhuǎn)化更高效。與傳統(tǒng)的自行車相比，本產(chǎn)品通過(guò)踏板與曲柄機(jī)構(gòu)的連接，將騎行時(shí)的自身重力轉(zhuǎn)化成動(dòng)力，并且踏板能夠自動(dòng)回升，達(dá)到了省力的效果[2]。

(2)更安全，更平穩(wěn)舒適。相比傳統(tǒng)自行車，前輪的雙輪設(shè)計(jì)可以有效提升車輛的穩(wěn)定性，使得產(chǎn)品安全性得到提高，可以降低發(fā)生交通事故的概率，從而可以擴(kuò)大適用人群范圍。

擁有由平面四邊形結(jié)構(gòu)與彈簧組成的減震系統(tǒng)[4]，以及車體重心低等優(yōu)勢(shì)。