自行車腳踏模塊的輕量化及空間優化設計

徐利勇 蘇小東 李超 黃海波（.寧波巨隆機械股份有限公司 寧波 350； .寧波大學機械工程與力學學院 寧波 35）

1 前 言

隨著人們綠色環保和健康意識的增強，自行車成為短途通勤、休閑、運動以及健身的有效工具，成為運動健康消費市場的重要品類。但同時，人們也對自行車的質量（重量）、倉儲、運輸和存放提出了更高的要求。

由于腳踏模塊由自行車驅動和傳動部件組成，承受的負載最大、時間最久，因此傳統設計通常將芯軸通過螺紋固接在曲柄上，從而保證其剛度和強度。通常，腳踏踏面與自行車本體垂直，腳踏會橫向突出自行車本體并占據部分空間，造成自行車在存放時的空間浪費。在進行遠洋或遠距離批量運輸時，由于腳踏的橫向最大伸出距離決定了自行車的橫向包裝尺寸，可能會造成空間浪費和運輸成本的上升。因此，開發滿足強度要求、能夠減少空間占用的腳踏模塊，就成為自行車設計的關鍵點之一。

日前，寧波巨隆機械股份有限公司推出了一種可折疊、以塑代鋼的兒童自行車腳踏模塊，其踏面可以進行90°的旋轉折疊（見圖1、圖2），有效減少腳踏在運輸和存放時的橫向空間占用。曲柄采用高強度塑料制成，可以有效減少模塊的質量（重量）。折疊鎖定機構采用限位式結構，只有限位塊和彈簧兩個主要零件，結構簡單、操作方便。

圖1 腳踏工作狀態

圖2 腳踏存放狀態

2 結構創新設計

該腳踏模塊主要由曲柄、芯軸、銷軸以及限位塊、彈簧等構成。曲柄使用的材料為增強的玻璃纖維——工程塑料BK-2，并采用注塑一體化成型，其主要結構如圖3所示。這種材料有很好的力學特性，能夠滿足曲柄對剛性和韌性的要求。同時，注塑一體化成型能夠一次成型一些較為復雜的形體結構，節約成本。

圖3 曲柄結構

芯軸和銷軸都由金屬鍛造成型，保證腳踏系統的剛度和強度。芯軸末端為一個大致長方體結構，上方有一個配合斜面（見圖4）。限位塊采用注塑一體成型，有扳拉板、彈簧溝槽、導向槽、彈簧掛柱等結構。限位塊下方有限位斜面，可以與芯軸后部上側的斜面相貼合（見圖5）。

圖4 芯軸結構

圖5 限位塊結構

3 工作狀態

芯軸通過銷軸與曲柄連接，并能夠繞銷軸轉動。芯軸通過限位塊進行限位，當限位塊拉出時，芯軸可以通過銷軸自由轉動；當限位塊放入時，芯軸被固定在與曲柄成90°或者0°的位置上。

當腳踏系統工作時，限位塊底面斜面通過彈簧能夠貼合壓緊芯軸的限位斜面，通過彈簧的拉緊力保持對芯軸末端平面壓力實現固定，這樣能夠使芯軸始終與曲軸保持90°（見圖6）。當腳踏系統處于運輸和放置狀態時，限位塊拉開后可以使芯軸繞銷軸向下旋轉至0°，限位塊松開后可以使之頂住芯軸底端下沿，使芯軸與曲柄保持0°固定（見圖7）。

圖6 腳踏工作狀態剖切示意圖

圖7 腳踏存放狀態剖切示意圖

4 應力分析

根據ISO 8098：2014《自行車——幼兒自行車安全要求》（《Cycles — Safety requirements for bicycles for young children》）的力學要求（見圖8），我們對形成的曲柄進行了分析。我們發現，曲柄所受最大應力為90.857 MPa（見圖9），大大低于工程塑料BK-2的拉伸和彎曲強度極限（210 MPa）。這說明腳踏系統的結構設計合理，能夠保證腳踏模塊的正常工作。

圖8 ISO標準下的邊界條件

圖9 曲柄應力分布

5 結束語

本文提出的折疊式自行車腳踏模塊，不僅能夠作為自行車的驅動裝置，還能夠使腳踏模塊在存放或運輸時通過折疊機構減少空間占用，同時使用塑料代替金屬制造曲柄，實現了腳踏模塊的輕量化和減少空間占用的設計目標。出于對曲柄結構復雜性及塑料強度的擔憂，本文采用計算機模擬驗證了設計的可行性。自行車行業在未來仍然是朝陽產業，通過各方面的技術提升和設計方法的進步，相信在未來會有更多更好的創新設計呈現在消費者面前。