一種新型自行車的設(shè)計(jì)

劉曉芬　陳秋江　鐘密　閆聰

1　前言

自行車的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)，具體來說可以從騎車運(yùn)動學(xué)、結(jié)構(gòu)、材料強(qiáng)度、加工方法、可靠性等方面進(jìn)行考慮，尤其應(yīng)當(dāng)考慮的是人與自行車的協(xié)調(diào)關(guān)系。與傳統(tǒng)的自行車相比，該自行車的車架及傳動結(jié)構(gòu)被重新設(shè)計(jì)，使得該自行車更加舒適，適用于追求個(gè)性的人群。曠紅梅等人[3]分析了現(xiàn)有騎姿下人體的受力情況和人機(jī)工程學(xué)問題，諸如，鞍座對會陰的壓迫、手臂長時(shí)間受靜壓、脊柱后凸導(dǎo)致頸部與腰部疼痛，對休閑自行車的騎姿進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。本文針對目前自行車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，探索一種輕型省力自行車的設(shè)計(jì)。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1　工作原理

本文一種新型座椅重力助力式齒傳動自行車，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，以為自行車的主動齒輪盤軸的轉(zhuǎn)動助力，以加速帶動主動齒輪盤旋轉(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)齒傳動自行車的省力騎行目的；該新型自行車整體結(jié)構(gòu)簡單緊湊，傳動穩(wěn)定高效，使用壽命更長，更適合戶外公共自行車改裝使用。

2.2　結(jié)構(gòu)組成

新型座椅重力助力式齒傳動自行車，具有由車把、車架、座椅、車輪、車輪輻條、手剎和盤剎組成。座椅底部安裝座椅支撐軸，座椅支撐軸下部密封套裝于車架車架立管內(nèi)并與車架立管管腔滑動適配。車架立管管腔內(nèi)隨座椅受人體重力沿車架立管管腔軸向下移的座椅支撐軸的活塞主軸裝有自動回升機(jī)構(gòu)，且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)矩后聯(lián)接自行車的主動齒輪盤軸，以為自行車主動齒輪盤軸安裝的主動齒輪盤提供助力動能。主動齒輪盤的盤體與座椅支撐軸下部的線性伸縮末端之間通過可構(gòu)成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的曲柄搖桿聯(lián)接，并通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性為座椅支撐軸的線性伸縮末端的復(fù)位回升助力。主動齒輪盤的主動齒輪盤軸上裝有帶腳蹬的自行車制動曲柄。由曲柄制動并提供轉(zhuǎn)動動力的主動齒輪盤的盤端面垂直傳動嚙合主動錐齒輪；并通過主動錐齒輪帶動齒傳動自行車的傳動主軸一端轉(zhuǎn)動。齒傳動自行車的傳動主軸另一端安裝自行車后輪的被動錐齒輪并帶動其轉(zhuǎn)動，被動錐齒輪垂直傳動并嚙合自行車后輪的被動齒輪盤并帶動其轉(zhuǎn)動，被動齒輪盤帶動被動齒輪盤軸轉(zhuǎn)動以為自行車后輪的轉(zhuǎn)動提供制動動力。新型自行車結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.3　該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)勢

（1）該新型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連接自行車車輪制動用的主動齒輪盤軸，并為主動齒輪盤軸的轉(zhuǎn)動加速助力，通過人身體的下壓重力加速帶動主動齒輪盤的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)齒傳動自行車省力騎行的目的；

圖1　新型自行車結(jié)構(gòu)簡圖

（2）新型自行車制動用主動齒輪盤曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)置，更有利于座椅支撐軸被下壓移動后的復(fù)位回升，并且自動回升機(jī)構(gòu)利用氣缸套筒、雙活塞、雙壓力彈簧實(shí)現(xiàn)座椅支撐軸、以及座椅支撐軸下部線性伸縮末端的復(fù)位回升，結(jié)構(gòu)簡單，重力做功更為高效；

（3）新型自行車有效解決了齒傳動自行車騎行費(fèi)力的技術(shù)問題，結(jié)構(gòu)簡單、傳動穩(wěn)定高效，易維護(hù)，可實(shí)現(xiàn)較大的傳動比，且結(jié)構(gòu)更為緊湊，使用壽命更長。

3　總結(jié)

新型自行車通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)省力騎行的目的，解決了齒傳動自行車騎行費(fèi)力的技術(shù)問題，且新型結(jié)構(gòu)簡單，體積緊湊，傳動穩(wěn)定高效，可實(shí)現(xiàn)較大的傳動比，且使用壽命較鏈傳動更長。

[1]劉東岳，邱 虹.自行車結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)[J].城市建設(shè)理論研究，2013（30）.

[2]張 敏，沈精虎，張文彬.躺式自行車自頂向下的參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械，2017（6）：62～66.

[3]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].機(jī)械，2007（3）.