自行車多功能充氣裝置的設(shè)計(jì)

王桂香　符家幸　郝晶　張?jiān)萍t　張文杰　胡博

（河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北保定　071002）

自行車多功能充氣裝置的設(shè)計(jì)

王桂香符家幸郝晶張?jiān)萍t張文杰胡博

（河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北保定071002）

本設(shè)計(jì)結(jié)合自行車的結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)，克服傳統(tǒng)自行車充氣裝置不易攜帶、功能單一等問題，設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、省時(shí)省力，對(duì)自行車行駛無影響，與自行車裝配于一體的充氣裝置。該裝置采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)，將鏈輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為充氣活塞的直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)為輪胎快速充氣。在前軸上裝有花鼓電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，可實(shí)現(xiàn)夜間照明、為手機(jī)等電器充電的功能。

自行車自動(dòng)充氣騎行發(fā)電

1　設(shè)計(jì)背景與意義

在環(huán)境污染日趨嚴(yán)重、城市交通擁擠的情況下，自行車代步成為人們?nèi)粘３鲂械囊环N趨勢(shì)，越來越多的人將騎自行車作為健身工具。我國(guó)是一個(gè)自行車王國(guó)，無論是大學(xué)校園還是城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村，自行車仍是所有交通工具中使用最多的一種。

傳統(tǒng)自行車充氣難、充氣裝置不易攜帶、功能單一，為人們出行帶來不便。針對(duì)騎車出行時(shí)難免會(huì)遇到車胎漏氣、虧氣等現(xiàn)象，不同國(guó)家和地區(qū)的用戶有不同的解決辦法，在歐洲，有在自行車上固定位置攜帶打氣筒的做法；而我國(guó)大多在維修處充氣，但維修處大多分布在人員密集的地方，對(duì)于郊區(qū)等邊遠(yuǎn)地區(qū)，自行車維修處很少，一旦出現(xiàn)自行車的車胎漏氣、虧氣等現(xiàn)象，勢(shì)必給騎車造成很大的影響。為克服這一問題，特設(shè)計(jì)一款能夠與自行車裝配于一體，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充氣、騎行發(fā)電、夜間照明、手機(jī)充電等多功能的裝置，必定為人們所青睞，市場(chǎng)前景廣闊。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

2.1充氣裝置的設(shè)計(jì)

充氣裝置的工作原理如下（如圖1所示）。

（1）自行車與裝置一體化的聯(lián)接。本裝置外形尺寸較小，通過固定架與自行車結(jié)為一體，自由調(diào)節(jié)位置。自行車輪胎氣壓不足時(shí)，由腳蹬倒轉(zhuǎn)鏈條提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)此設(shè)備實(shí)現(xiàn)自行車輪胎充氣。（2）高效的充氣功能。利用多功能充氣裝置體積小這一特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)活塞沖程短，使其在小鏈輪鏈條帶動(dòng)下使鏈條高速運(yùn)轉(zhuǎn)，具備壓強(qiáng)差，快速充氣。（3）氣密性的保證。曲柄滑塊裝置將鏈輪的周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成連桿上活塞的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于使用曲柄滑塊裝置，連桿的運(yùn)動(dòng)并非直線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致活塞傾斜，密封性較差，為了克服這一缺點(diǎn)，用塑料主體和橡膠圈制作活塞，將各桿件的連接采用轉(zhuǎn)軸聯(lián)接，克服橫向力對(duì)活塞的影響，從而保證氣密性。（4）先進(jìn)的胎壓檢測(cè)。通過在自行車氣閥上安裝壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控車胎內(nèi)氣體情況，避免自行車車胎內(nèi)壓力過大造成爆胎，或是胎內(nèi)壓力過小，不利于騎行，造成裂紋，會(huì)縮短車胎壽命等問題。

圖1　自行車充氣裝置與發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2　自行車花鼓電機(jī)

2.2騎行發(fā)電原理

依據(jù)發(fā)電機(jī)原理，改裝前輪花鼓，使之變成發(fā)電機(jī)，花鼓發(fā)電機(jī)采用外轉(zhuǎn)方式，磁石安裝在鋁制花鼓內(nèi)成為轉(zhuǎn)子，定子部分則安裝于自行車心軸上，如圖2所示。

花鼓的結(jié)構(gòu)是外邊一層外殼，里面一根軸桿，之間是軸承或者滾珠，軸承固定在外殼內(nèi)，軸桿與軸承內(nèi)圈之間有一定活動(dòng)量，方便拆卸保養(yǎng)；利用花鼓的旋轉(zhuǎn)切割磁感線發(fā)電，加裝穩(wěn)壓裝置，進(jìn)而通過輸電線路給車頭的LED燈提供照明或是給手機(jī)等用電器充電。花鼓式發(fā)電機(jī)在15Km/h時(shí)速即可達(dá)到規(guī)格范圍內(nèi)的100%。

多功能充氣裝置上安裝防盜報(bào)警器，并與發(fā)電相結(jié)合，通過報(bào)警器，遇盜竊時(shí)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)防盜充氣一體化。

3　進(jìn)氣量計(jì)算

根據(jù)充氣裝置行程的兩個(gè)極限位置的距離為270mm，外套筒為內(nèi)徑40mm，厚度1mm的薄壁圓筒，由此計(jì)算出每個(gè)打氣行程的進(jìn)氣量為：

根據(jù)常用自行車內(nèi)胎尺寸參數(shù)而言，取內(nèi)胎尺寸的均值直徑約為600mm，寬度30mm，則一個(gè)自行車內(nèi)胎充滿氣的儲(chǔ)氣量為：

需要充氣的次數(shù)為：

由以上計(jì)算可右，利用設(shè)計(jì)的多功能充氣裝置為一個(gè)未經(jīng)充氣的自行車內(nèi)胎打氣，需要用16次就可將氣充滿，這是理論值，考慮到摩擦和密封等的損失，本充氣裝置的打氣效率約為0.85，則實(shí)際需要次數(shù)為16÷0.9=19，現(xiàn)有的打氣筒產(chǎn)品需約30次才能夠充滿氣，兩者進(jìn)行對(duì)比，可以看出本充氣裝置的打氣功能得到優(yōu)化。

4　結(jié)語

本裝置的特點(diǎn)是：（1）采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，通過鏈輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為皮塞的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行充氣，進(jìn)而節(jié)省體力，提高充氣速度。（2）作為自行車的附件直接安裝在車架上，不受時(shí)間和地域影響，輕便、易攜帶。（3）輸氣管與車架纏繞，并通過空心花鼓與前后輪氣閥擰緊固定，省去用氣嘴卡子夾緊氣閥充氣的時(shí)間。

此裝置集充氣、發(fā)電、照明、胎壓檢測(cè)與充電功能等為一體，成本低，使用攜帶方便，節(jié)省了空間，它使自行車使用更加方便，更加人性化，同時(shí)也符合綠色出行的理念，有利于環(huán)境保護(hù)，具有市場(chǎng)推廣意義。

［1］濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社，2006：143-164.

［2］郭衛(wèi)東，等.機(jī)械原理［M］.北京：科學(xué)出版社，2010：30-60.

注：基金項(xiàng)目：河北大學(xué)2015年省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)201510075068）。

王桂香（1965—），女，漢族，河北保定人，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。