機(jī)械扭轉(zhuǎn)饋能自行車助力器的設(shè)計(jì)與分析

王晨霖，儲(chǔ)正炎，歐陽(yáng)銘俊，徐 琳

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

1 引言

隨著綠色環(huán)保時(shí)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(chǎng)調(diào)研公司PersistenceMarketResearch（PMR）的一份報(bào)告顯示，全球自行車市場(chǎng)有望在2016—2024年增長(zhǎng)37.5%，營(yíng)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(dòng)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(duì)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(fèi)勁、起步費(fèi)勁等問題。因此，如何改善自行車傳動(dòng)系統(tǒng)，創(chuàng)新性提升自行車的騎行體驗(yàn)已成為當(dāng)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(dòng)方式為人力驅(qū)動(dòng)，根據(jù)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度，將騎行運(yùn)動(dòng)劃分區(qū)域，如圖1所示。分析人在騎行時(shí)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(fù)功。

圖1 根據(jù)曲柄轉(zhuǎn)角，將騎行運(yùn)動(dòng)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(duì)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(fèi)勁的現(xiàn)象，大大降低了人的騎行體驗(yàn)。

3 助力器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jī)構(gòu)及彈性構(gòu)件三部分。人通過對(duì)自行車腳踏板的踩動(dòng)帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄通過螺栓2拉動(dòng)拉簧，拉簧通過螺栓1進(jìn)一步帶動(dòng)牙盤轉(zhuǎn)動(dòng)，最后通過鏈條帶動(dòng)自行車后輪轉(zhuǎn)動(dòng)從而完成騎行傳動(dòng)。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(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)饋能機(jī)構(gòu)時(shí)，充分考慮裝置傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單實(shí)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(gè)圓孔和4個(gè)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(shí)保證曲柄與限位盤之間可以發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。彈性構(gòu)件采用更好固定的兩對(duì)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(shí)防止發(fā)生共振。

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

4 動(dòng)力學(xué)及仿真分析

本裝置在原自行車傳動(dòng)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(lì)），使自行車的運(yùn)動(dòng)（即響應(yīng)）變得更為平緩。可取助力器為一個(gè)獨(dú)立的二自由度有阻尼激振系統(tǒng)，由此建立系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程：mθ+Cθ+Kθ=Fsinωt。

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

將X1，X2分子項(xiàng)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小；當(dāng)ω增大到一定程度時(shí)，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(shí)可實(shí)現(xiàn)助力，在平緩騎行狀態(tài)下不提供助力。

為了驗(yàn)證理論分析的真實(shí)性，現(xiàn)利用ANSYS軟件建立數(shù)值仿真模型進(jìn)行分析。通過輸入一個(gè)穩(wěn)定頻率，對(duì)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(shí)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(duì)系統(tǒng)沒有產(chǎn)生影響，與理論分析相符。

5 測(cè)力實(shí)驗(yàn)

5.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)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(shí)數(shù)據(jù)。在薄膜兩側(cè)加裝墊片以防壓力片受力不均。實(shí)驗(yàn)過程中，采用同一輛自行車，并要求測(cè)試者帶上耳機(jī)按音頻在一定頻率下騎行。實(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)測(cè)量及處理后得到4組變化曲線，將每個(gè)踏頻的2條對(duì)照曲線進(jìn)行擬合，得到擬合曲線，如圖5所示。

對(duì)比兩條曲線可得助力器助力在起步等突變情況時(shí)可實(shí)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(shí)驗(yàn)裝置

圖5 擬合曲線

6 結(jié)語

本文針對(duì)現(xiàn)有自行車自身傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的局限性，設(shè)計(jì)了一款新型簡(jiǎn)易的純機(jī)械式扭轉(zhuǎn)饋能自行車助力器。完成對(duì)裝置的工作原理及結(jié)構(gòu)的研究分析，并通過仿真及實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該助力器的助力階段。