新型智能滑板自行車優化設計*

楊海森，陳 虎，李生泉

（1.蘭州現代職業學院，蘭州 730300；2.江西工業工程職業技術學院，江西 萍鄉 337055）

0 引言

隨著經濟的快速發展，生活節奏的加快，許多父母不在孩子的身邊，但是考慮到自己孩子的發展、娛樂、身心健康等方面的需要，開發出一款速度適宜、掌控方便簡單，且集娛樂、安全于一體的代步工具就非常有意義[1]。傳統的自行車能解決短距離的往返問題[2]，但有中途脫鏈、破胎、車座太高無以落腳等難以避免的問題。自行車車架過高，導致其重心相應變高[3]，重心高帶來的不穩定性常使兒童和青少年發生騎行事故，這些不足之處對于兒童及青少年來說是個大問題。滑板的重心低，自行車的掌控性好，將自行車與滑板進行組合，創造出一款新型滑板自行車。國內和國外對于自行車和滑板的研究已經有一定的成果。例如將鏈式傳動變為齒輪傳動，由于機械加工工藝的成熟，齒輪傳動自行車的齒輪軸制造成本大幅度降低[5]。采用新材料也大大減輕了自行車的重量[6]。不管是國外亦或是國內，將自行車與滑板車結合進行創新的幾乎很少見。雖然滑板車引用了一部分自行車元素和滑板的元素，但就其傳動方式而言，采用電力傳動的速度過快，不易控制，對于兒童和青少年駕駛和娛樂還存在一定的隱患。

基于此，本文綜合滑板和自行車的優點，運用3D建模的方式優化設計出一款重心較低、穩定性良好、乘坐舒適、安全可靠，且適合青少年和兒童騎行的新型滑板自行車。

1 滑板自行車總體方案

1.1 設計要求

（1）前后輪采用滑板連接，勢必會造成滑板的滑行功能減弱，娛樂性下降，因此要設計出一種踏板折疊機構（在執行滑板功能時克服踏板的阻礙）。

（2）后輪采用齒輪人力傳動，前輪采用電力驅動，實行三級行駛模式：一是自行車功能的腳踏踏板驅動；二是滑板驅動方式；三是電力輔助驅動（從而在疲勞時放松身心）。

（3）利用人機工程學原理，綜合考慮人、機，環境的相互協同的作用，駕乘舒適，設計出適合兒童及青少年年齡特征及心理的滑板自行車。

（4）利用折疊機構將前后部分進行折疊，進而減少存放空間，方便旅行途中的攜帶。

總體設計如圖1所示。

圖1 總體設計

1.2 設計要素

新型滑板車自行車是結合了滑板和自行車的結構及功能進行設計的新產品。其結構要素包括：（1）新型滑板自行車的支撐結構，具體包括前輪、車把、支架、后輪、座椅；（2）傳動結構，具體包括錐齒輪、軸、踏板。新型滑板自行車的功能要素有：踏板能進行折疊，座椅能進行調整，停放時有支撐裝置，駕駛時有警示路人裝置。

1.3 設計方案

傳統自行車的方向掌控性能好，滑板的方向掌控性差。取其優勢，將自行車的前叉元素保留下來。滑板的輪子小，重心底，平穩性好。新型滑板車的前輪和后輪大小保持一致，前輪通過自行車前叉聯結。前叉再經過“L”型車架與后輪連接。傳動裝置設置為齒輪傳動，裝置置于密封件中，壽命高，且嚙合性能好，傳動效率較高（ε=94%～96%）。牙盤改裝成主動錐齒輪，通過人踩踏板的作用，帶動主動錐齒輪旋轉，主動錐齒輪帶動傳動軸上的錐齒輪轉動，從而帶動軸的轉動，進而使得與后輪嚙合的錐齒輪旋轉，最終驅使后輪轉動起來。曲柄和傳動軸及后輪為保證剛度，使用軸承進行約束。

1.4 尺寸參數

滑板自行車尺寸參數如表1所示。

表1 滑板自行車尺寸參數mm

2 人機工程學分析

2.1 影響滑板自行車性能的人體因素

2.1.1 人的體能人的體能要素以身高為基礎要素，人體的工作能力與個子成正比，與胳膊成正比的特點。如胳膊和大長腿的長短與個子成正比，進而以骨關節為管理中心所造成的扭矩、步幅等，都在于個子的尺寸。全身肌肉、主動脈、人體骨骼的截面等都可以當作與胳膊成正比。從理論上講，速率工作能力與做功工作能力和個子、胳膊、腿、全身肌肉成正比。事實上因每一個人體質不一樣，經常出現20%之上的誤差。

2.1.2 人的腿部肌張力

單車騎車的源動力，主要是騎車人的腿部肌張力。人騎自行車時，人體骨骼全身肌肉內的機械能變換為肌肉收縮的機械動能。單車腳蹬的旋轉便是根據腿肌收攏負荷率而進行的，一般說腿肌長的人比腿肌短的人有益。肌肉收縮時造成的力，一般與肌肉的截面成占比，約為40～50 N/cm3，經過一定訓煉的人可提升到65 N/cm3。

2.1.3 人的功率

人輸出的功率伴隨著騎車人的體能、精力、騎自行車姿態、延續時間和傳動比等的轉變而轉變。一般成年人男生的較大功率約為0.7馬力（0.51 kW），能持續10 s左右。假如延續時間長，其值要小得多，持續1 h，大概只有0.1～0.2馬力（0.07～0.15 kW）。

2.1.4 人的腳踩速率

自行車運動是很有節奏感的，其節奏感經常與人的大腦規律維持一定關聯。正常人的心跳為70次/min，一般腳踩以60 r/min節奏感旋轉比較適合。

2.1.5 人的疲憊

騎單車時的疲憊關鍵為肌肉勞損。肌肉勞損常由往復式的很多工作中，人體姿態有誤或設計方案不科學造成。騎單車時的疲憊關鍵原因是騎單車時人長期的反復運動和騎單車時錯誤的人體姿態。

2.2 人機協同設計

對影響新型滑板自行車性能的因素除了上述人的因素外，還有許多結構上的因素。為了得到自行車較佳的性能，必須把人的因素和結構因素有機地結合起來，以使人機協調。因此，需要著重分析和人體有關的結構要素。人體的坐姿尺寸包括前臂加手前伸長L1、前臂加手功能前伸長L2、上肢前伸長L3、上肢功能前伸長L4、坐姿中指指尖點上舉高H3。

兒童和青少年對健身娛樂類產品的要求較高，因而選取百分位數P=90%，這時兒童和青少年對產品的滿意度可達到90%。由于青少年的年齡接近年齡分組，因而選取年齡分組18～25歲。可知年齡分組18～25歲人體坐姿尺寸（男、女）中，當百分位數P=90%時，工作空間人體尺寸人體坐姿如表2所示。

表2 工作空間人體尺寸人體坐姿mm

3 機械部分計算

3.1 功率

自行車運動是很有節奏感的，其節奏感經常與人的大腦規律維持一定關聯。正常人的心跳為70次/min，一般腳踩以60 r/min節奏感旋轉比較適合。P1=fv=33.912 W，錐齒輪效率η1=0.98，軸承效率η2=0.97，故傳動系統的總效率：

所以新型滑板自行車的輸出功率：

3.2 錐齒輪傳動設計

選擇40-Cr作為齒輪材料。[7]

主動輪轉速n1=60×70%=42 r/min（由于產品面向對象為兒童和青少年，因此按效率70%計算）：后輪速度設計為v=20 km/h：后輪直徑d=500 mm：由線速度和轉速的關系V=π·d·n得：

考慮到經濟效率，齒輪軸上的錐齒輪z2=z3且選用最小齒數。不產生根切的最小齒數：

代入數字得：Zmin=13。

查機械設計手冊表15-3-2，得直線錐齒輪的齒形角α=20°，齒頂高系數h*a=1，c*=0.2

則節錐角δ：

3.3 錐齒輪傳動的強度計算

接觸強度：

彎曲強度

錐齒輪類型幾何系數e=1200，Zb=1，Z?=1.683，使用系數KA=1.35（原動機是人，工作機是滑板自行車，兩者均屬于輕微沖擊）。

接觸強度校核計算如下。

接觸強度計算公式(正交傳動)：

許用接觸應力：

強度條件：σH≤σHp，節點區域系數ZH=2.5，得重合度系數：

得當量圓柱齒輪端面重合度：

分度圓直徑：

端面齒形角:

基圓直徑:

嚙合線長度:

縱向重合度：

當大、小輪齒寬不等時，用較小齒寬計算。當齒頂和齒根修形適當時，取ZK=0.85。

彎曲強度校核計算如下。

計算齒根應力：

許用齒根應力：

強度條件：σF≤σFP。

當量圓柱齒輪的齒數：

知齒形系數YFa=2.95，應力修正系數YSa=1.60。

曲強度計算的重合度系數：

彎曲強度計算的螺旋角系數:

式中：βm為齒寬中點螺旋角，若εVβ＞1，取εVβ=1：若βm＞30°，取βm=30°

3.4 錐齒輪軸上力的計算

小齒輪的徑向力：

大齒輪的徑向力：

軸向力Fx2公式可改寫成：

3.5 軸承的校核

根據工作條件選用d=40 mm的調心滾子軸承，軸承受徑向載荷Fr=45 kN，轉速n=10 r/min，運轉條件正常，要求壽命Lh=1500 h，則有：

查 表 可 知[7]2208（cc）型 軸 承Cr=79 kN,COr=88.5 kN，能滿足要求，故選2208（cc）型軸承。

4 模型三維設計

4.1 車把組件

車把組件是關系到操縱和制動性能的主要部件。車把的寬度以中青年的肩寬480 mm，手掌寬度100 mm，設計時考慮手掌中央與車把把套的中央為接觸點，這樣可使整車受力平衡，具備安全可靠的操作車把和剎車制利條件[5]。

圖2 車把

圖3 腳踏

4.2 腳踏

腳踏分為水平腳踏、自鎖腳踏和腳帶腳踏。水平腳踏即平日所見的腳踏，腳和腳踏是分開的。自鎖腳踏需要使用專用配套自鎖鞋，如果是長時間騎行會感覺輕松很多，因為一只腳踩下去的同時另一只腳還可以往上提，一般來說可以省力25%。

4.3 前輪組件

前輪組件由前輪、軸承和軸構成。軸承內圈與前軸的配合采用基軸制，軸承外圈與前輪的配合采用基孔制，后輪組件由后輪、滾動軸承、后軸構成。

4.4 支撐板

支撐板與車把、前叉和前后輪連接，承載著騎車人的全部重量。支撐板的前后部分都應具有一定的剛性和彈性。從而確保能在不同的道路上安全穩定地駕駛。

圖4 車輪

圖5 支撐板

5 結束語

新型智能滑板車自行車結合了滑板和自行車的結構及功能優點進行設計的新產品。具有技術先進、結構緊湊、易折疊、掌控性好、低速度、高穩定性、乘坐舒適、騎行方便的特點和功能。總結如下。

（1）通過采用了人機工程的研究方法，人機協調，舒適人性設計，不僅適合兒童和青少年騎行，還有效地保障了青少年、兒童的身心健康、快樂成長，并且符合新時代的節能減排的要求。

（2）通過三維建模技術結合現代化的優化設計方式、有限元分析，有效地保障產品的安全性和可靠性，提升產品優化設計，具有方便攜帶的功能，深受兒童和青少年的歡迎。