一種自行車鎖鞋鎖踏的創新設計＊

魏雨楓，徐宗偉

（天津大學精密儀器與光電子工程學院精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津 300072）

自行車作為一種便捷的交通工具，擁有近200 年的歷史。自行車的起源可追溯到19 世紀初，1817 年，德萊斯發明了第一臺具有現代意義的自行車，自此這種依靠雙腳交替踩踏來獲取前進動力的機械設備正式進入人們的生活[1]。

1 公路自行車運動的發展

公路自行車運動屬于體育運動大項中的小眾運動，被歐美國家的運動愛好者所喜愛，歐洲的自行車品牌例如Pinarello、Colnago、Look 等以及歐洲的公路自行車運動員與實力強大的世巡賽車隊，代表著當今公路自行車制造業以及公路自行車運動的最高水平。近些年，由于中國國民生活水平和生活質量的提高，人們對自行車運動的興趣與日俱增。近10 年專業自行車運動的普及度由2010 年的不足0.3%到如今的4%，專業的自行車運動正在被越來越多的中國愛好者接納。科學技術的不斷進步及其在體育運動領域的應用，使得公路自行車騎行鎖鞋的科技含量大幅提升。各大廠商以幫助車手提高運動成績為設計核心，不斷改善其產品的多種競速性能，使其產品擁有更好的性能和更佳的用戶體驗[2]。

2 鎖踏系統的作用機制

如圖1 所示，鎖鞋是騎車時使鞋子和腳踏連接在一起的裝置，用于提高速度和體能效率，發力可以更充分，腳也不會被顛離腳踏的特質專用鞋。自鎖鞋普遍鞋底比較硬，更適合直接發力。公路自行車鎖腳踏是由一塊高強度纖維樹脂或碳纖維的卡板和經過特別設計的鞋底連接在一起，這些卡板與腳踏上的特殊裝置結合，通常扭轉腳部從腳踏上解脫。在騎行周期中相比于普通鞋子，有效作用長度由從頂部順時針到底部的踩踏環節，增加由底部順時針到頂部的提拉環節。相當于在單腳的運動周期中都可以做功發力，如圖2所示。用自鎖腳踏一般來說可以省力25%以上，可以容易地登上以前很費力才能騎上的山坡，特別是長時間騎行會感覺輕松很多，這是因為一只腳踩下去的時候另一只腳還可以往上提，能省力很多。使用鎖踏之后，即使遇到坑洞或不平穩的路況，或是爬坡、發力搖車、高踏頻的時候，雙腳依然穩定地固定在踏板之上，可以避免因為踩空而發生危險。市面上的鎖踏系統可分為Shimano SPD-SL 系統、Look Keo 系統、Speedplay 棒棒糖系統和Time 系統4 種[3]。4 種鎖踏系統的性能對比如表1 所示[4]。

表1 市面4 種鎖踏系統的性能對比

圖1 公路自行車鎖鞋圖

3 市面上現有產品的缺陷與改進措施

現有的鎖鞋結構都是通過使用3 顆六角螺絲將鎖片固定在鎖鞋的底部，拆卸鎖片時必須將3 顆六角螺絲用六角工具卸下才行，如圖1 所示。

騎行者在到達目的地、騎行時等待紅綠燈或中途解手等情況時需要將腳從鎖踏解鎖，才能站立行走。但是鎖片表面光滑，且與地面只有很小的接觸面積，導致其與地面的摩擦力小，騎行者容易摔倒受傷。而且，在上下樓梯、上下斜坡時會感到更加困難。筆者作為資深公路自行車玩家，通過仔細的研究與觀察思考，對鎖鞋與鎖踏系統的結構進行了創新設計。

產品設計時考慮到技術矛盾的影響[5]，在一個子系統中引入一種有用功能后，會導致另一子系統產生一種有害功能，或加強了已存在的一種有害功能。而且一種有害功能會導致另一子系統有用功能的削弱。參考TRIZ 矛盾矩陣，得到了與本產品設計相關的2 對矛盾參數，如表2 所示。

表2 產品設計引入的矛盾參數與解決原理

由TRIZ 矛盾矩陣列表查找得到每對矛盾參數對應的創新原理，根據創新原理重新設計產品的材料、外形、工藝、熱處理等性能參數，實現產品的優化。基于動態原理、局部質量原理等，筆者們開始了相關3代產品的設計。本文使用NX12.0、Solidworks 以及Sketchup 草圖大師等軟件，搭建出公路自行車整體模型。

4 歷代產品的建模仿真與有限元分析

4.1 第一代產品設計

本文第一款鎖鞋鎖踏系統設計，其鞋底外觀設計參考了Shimano、Specialized SW7 RC902 與Santic 等公司的鎖鞋產品，如圖3 所示。圖4 展示了第一款系統的上緊機制結構與可拆卸機構。從下往上依次為鎖鞋鞋底、可拆卸連接銷釘、鎖片、固定墊片、六角螺絲、鎖踏；側方的從右向左依次為快拆桿把手、把手固定螺絲、快拆桿、墊片以及快拆桿上緊螺帽。其中鎖片通過六角螺絲與3 個連接銷和墊片相連，3 個可拆卸連接釘分別插入鎖鞋底部的3 個孔洞中，快拆桿依次穿過鎖鞋的通孔、可拆卸連接銷上的通孔、鎖鞋的通孔，通過上緊螺帽實現鎖片的固定。

圖3 第一款鎖鞋鎖踏系統及行走時鎖鞋結構

圖4 第一款鎖鞋鎖踏系統構造圖

圖3 展示了騎行者行走時的鎖鞋結構。當騎行者需要下車行走時，只需要旋動圖4 中的10 即可，鎖片和快拆銷可以一起被拆卸下來。鎖鞋底部的紅色網狀區域具有摩擦系數很大的材料，而且鎖鞋與地面擁有和正常鞋子幾乎一樣的接觸面積，可以產生足夠大的摩擦力，防止騎行者滑倒受傷。

第一代產品達到了初步實現鎖片可拆卸的要求，但是卻有一個很大的缺點，就是拆卸后會產生過多的小零件，包括可拆卸連接銷釘、鎖片、固定墊片、六角螺絲、快拆桿、墊片以及快拆干上緊螺帽。不方便騎行者實際攜帶。而且，連接銷的壁厚很薄，在承受顛簸路面帶來的鎖鞋瞬時沖擊力時，極易發生斷裂。本文通過workbench 靜力學分析，假設當連接銷釘選用標準結構鋼時，對其施加200 N 的拉應力，在薄壁處存在的危險截面可以產生峰值壓強P=9.4017×107Pa，如圖5 所示，對于薄壁件連接銷釘易發生強度失效，降低產品的可靠性。

圖5 第一款鎖鞋鎖踏系統的連接銷釘的拉應力分布圖

4.2 第二代產品設計

為了進一步簡化、完善零件裝配結構的設計，提高可拆卸模塊的強度，進行了進一步優化，設計出了第二款鎖鞋鎖踏系統。第二款鎖鞋鎖踏系統使用可搭載易于拆卸的鎖片搭載模塊的設計，鎖片同樣使用3顆六角螺絲、墊片與鎖片搭載可拆卸模塊相連。而且使用了蛹軸快拆桿，相比于第一款鎖鞋鎖踏系統的普通的快拆桿，它不需要上緊螺帽，可以和鎖鞋螺紋孔側的螺紋咬合，直接上緊和固定。第二款鎖鞋的騎行狀態結構與行走狀態結構如圖6 所示。當騎行者從騎行狀態轉變為行走狀態時，只需要旋出2 支蛹軸快拆桿，取下鎖片搭載模塊即可。

圖6 第二款鎖鞋的騎行狀態結構與行走狀態結構

而且相較于第一款鎖鞋鎖踏系統的連接銷，第二款鎖鞋鎖踏系統鎖片搭載模塊擁有更厚更長的薄壁，在使用相同結構的鋼材料時，同樣在快拆桿接觸面施加200 N 的拉應力，在薄壁危險截面處產生峰值壓強P=1.193 8×106Pa，如圖7 所示。第二款鎖鞋鎖踏系統產生同樣比例形變，可以承受比第一款鎖鞋鎖踏系統的連接釘高70 倍的拉應力。

圖7 第二款鎖鞋鎖踏系統的可拆卸模塊的拉應力分析

4.3 第三代產品及其有限元分析

在行走時，第二款鎖鞋鎖踏系統的鞋底部分中空體積過大，存在鞋底強度變弱、邊緣易磨損破壞及對使用者的腳底保護不夠等不足。為了解決這些設計上的不足，提出了第三款鎖鞋鎖踏系統的設計，如圖8所示。第三款鎖鞋鎖踏系統，一方面采用了工字形狀的鎖片搭載模塊設計，較大程度上減小鎖鞋底部鏤空體積，另一方面又增添了行走搭載模塊，提高了行走時鞋底的強度和舒適性。當騎行者正常騎行時，使用鎖片搭載模塊，當需要走路時，旋出快拆桿，換上行走模塊并用快拆桿固定，行走模塊體積較小，便于騎行者隨身攜帶。第三款鎖鞋鎖踏系統已經基本滿足所有設計需求，現需要對其做靜載荷強度校驗、脈動載荷疲勞校驗以及沖擊載荷強度校驗。綜合考慮到剛性和價格，本文設計的鎖鞋材料選用國產T1000 碳纖維材料。產品使用的T1000 材料性能結構參數，如表3所示[6]。

圖8 第三款鎖鞋鎖踏系統的設計

表3 鎖鞋T1000 碳纖維產品的材料性能參數

根據Specialized 鎖鞋的設計使用標準，鎖鞋底部應滿足125 kg 使用者的基本靜載荷以及達到240%基本靜載荷沖擊力值的最大沖擊力，也就是說單腳的鎖鞋應至少可以承受1 250 N 的靜載荷以及最大3 000 N的瞬間沖擊力。使用workbench 對靜載荷做有限元分析，如圖9 所示。

圖9 第三代產品的靜載荷有限元分析

由分析可得，1 250 N 靜載荷作用下危險截面處的剪切壓強P=2.899 2×107Pa。國產T1000 碳纖維的間層許用剪切強度[δ]=7.5×107Pa，遠超過危險截面出的剪切壓強。可知在靜載荷作用下產品的強度設計滿足要求。

再對其進行噪聲載荷疲勞測試。本文選用一段類脈動噪聲載荷，如圖10 所示，在使用ANSYS 自帶的goodman 噪聲曲線修正功能進行應力值修正后，對鞋面進行加載。經校驗得出，在最大瞬時沖擊力為3 000 N的噪聲載荷作用下，產品危險截面處的使用壽命可到達124 770 次，當使用1 200 N 的脈動載荷總用時，壽命可達1 000 000 次以上，如圖11 所示，符合市面（Look、Specialized、Santic 等公司的旗艦產品）的設計要求[7]。

圖10 對第三款產品施加的載荷噪聲曲線，并使用goodman 修正

運用雨點矩陣Rainflow Matrix 分析得，產品應該主要承受低沖擊的噪聲載荷。采用損傷矩陣Damage Matrix 進行分析可得，高沖擊載荷造成的壽命損傷較低載荷成類指數函數增長，如圖12 所示。結合碳纖維產品強度高但是脆性大的特點，產品正常使用時應注意避免受到過大的高載荷沖擊。

圖12 對第三款產品采用的Rainflow Matrix 矩陣分析以及Damage Matrix 矩陣分析

經過Vray 渲染器以及NX12.0 自帶的渲染編輯器的渲染得到產品的真實渲染模型，如圖13 所示。

圖13 經過真實渲染器渲染的第三款產品

5 結語

本文創新設計了鎖鞋的鞋底結構，使其具有可快速拆卸鎖片的功能。圍繞拆卸便利性、鞋底剛度和強度分析等，開展了可拆卸鎖片的3 款鎖鞋鎖踏系統的優化設計研究。經過靜載荷校驗，類脈動循環載荷校驗，第三代產品已經達到設計的使用要求。本鎖鞋產品的鎖踏鎖扣結構參考了Look Cycle Keo 產品，其可以自由搭配Shimano SPD-SL、Look Keo、Speedplay和Time 等4 款鎖踏系統的專用鎖片，以適應四大系統的專用鎖踏。