新型可升降坐墊自行車設(shè)計(jì)和研究*

趙洪亮，郭 利，戶永清，劉珉君，王全吉，余 剛

(四川文理學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，四川達(dá)州 635000)

0 引言

在環(huán)境污染嚴(yán)重的今天，自行車作為一項(xiàng)低碳環(huán)保的交通工具，在交通系統(tǒng)中有著不可替代的作用［1］。中國(guó)作為全球自行車生產(chǎn)和出口大國(guó)，從2006年起，我國(guó)自行車的生產(chǎn)量和出產(chǎn)量均占全世界60%以上。在我國(guó)每年都要消耗如此多自行車的背景下，自行車的性能也逐漸成為消費(fèi)者所關(guān)心的問題。因此，設(shè)計(jì)一款高性能，高舒適度的自行車，在現(xiàn)在自行車需求量如此大的社會(huì)中越來越被人們所重視。

1 設(shè)計(jì)來源

現(xiàn)在很多自行車生產(chǎn)廠家對(duì)自行車的外形不斷進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)，推陳出新，各種各樣的產(chǎn)品更是層出不窮。在自行車的外形上，現(xiàn)在的自行車可以說是登峰造極，所以現(xiàn)在對(duì)于廣大消費(fèi)者而言，外形已經(jīng)不再是選擇自行車最重要的因素了，消費(fèi)者更加注重的是騎車時(shí)的舒適感覺，以及自行車的方便程度。

早已有許多學(xué)者等對(duì)自行車行駛過程中的舒適度早有研究，并且也取得了一些成果。例如，荷蘭Delft理工大學(xué)的Henri等人通過實(shí)驗(yàn)，來研究自行車車架參數(shù)對(duì)騎車人舒適度的影響程度，最終開發(fā)出一套自行車的選購(gòu)系統(tǒng)。又比如北京體育大學(xué)的孫科，通過研究不同的坐墊高度對(duì)于運(yùn)動(dòng)員的影響，得出在人體腿長(zhǎng)的95%作為坐墊高度的情況下，此高度較為適合大多數(shù)運(yùn)動(dòng)員的結(jié)論［2］。

由此看來，為了達(dá)到提升消費(fèi)者騎車過程中舒適度的目的，很多位學(xué)者都做出了許多的研究與努力。同時(shí)在研究過程中也會(huì)發(fā)現(xiàn)，自行車坐墊的高低，也是影響騎車舒適度的一個(gè)重要因素。當(dāng)坐墊過高時(shí)，由于過度地直膝與伸踝等動(dòng)作，會(huì)影響騎車人的發(fā)力;同時(shí)坐墊也會(huì)對(duì)男性前列腺部位造成過度擠壓。當(dāng)坐墊過低時(shí)，下肢的交替屈伸發(fā)力會(huì)對(duì)踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)造成不斷地過度擠壓，短時(shí)間會(huì)引起關(guān)節(jié)的疼痛，但在長(zhǎng)時(shí)間騎行之后，有可能會(huì)出現(xiàn)無法正常行走等嚴(yán)重的癥狀。因此，坐墊高度的調(diào)節(jié)是優(yōu)化騎車運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵，也是糾正諸多不正確動(dòng)作的前提［3］。如何方便，快捷的調(diào)節(jié)自行車坐墊高低，也是一個(gè)值得研究的問題。

2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)、方案及原理

(1)設(shè)計(jì)方案 目前市場(chǎng)上大多數(shù)自行車都有坐墊高度調(diào)整困難或者調(diào)整不方便的問題，而自行車坐墊的高低直接影響著騎車的舒適度。為此，設(shè)計(jì)一款可升降坐墊自行車，此款自行車可以方便調(diào)節(jié)坐墊高低，以提升騎車過程中的舒適度。這樣，在去租自行車或者借用別人自行車的時(shí)候，能很好地避免因?yàn)樽鴫|高度問題而帶來的煩惱。

自行車坐墊部分是主要的研究對(duì)象，考慮其所處的位置，騎車行進(jìn)中負(fù)重等問題，想出可使自行車在騎車前或者騎行中調(diào)整坐墊的高度，以改善騎車條件，增加騎車舒適度的方案。

對(duì)于此機(jī)構(gòu)的外形以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖1、2所示。此機(jī)構(gòu)采用純粹的復(fù)雜機(jī)械力作用，運(yùn)用機(jī)械原理等，通過控制鞍座升降軸的高低，來實(shí)現(xiàn)控制坐墊高低的目的。

(2)設(shè)計(jì)原理 此機(jī)構(gòu)采用銷、鍵定位的方式。銷在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)作用中起定位或連接的作用［4］，而鍵通常用來實(shí)現(xiàn)軸與輪轂之間的周向固定以傳遞轉(zhuǎn)矩，或者實(shí)現(xiàn)軸上零件的軸向固定或軸向滑動(dòng)導(dǎo)向的作用［5］。此機(jī)構(gòu)采用銷鍵定位的方式，能很好的保證其穩(wěn)定性和可靠性。由圖1可知，由于鞍座升降軸和車架(圖1中的5)組成圓柱套筒副，已知其圓柱套筒副副級(jí)為Ⅳ，自由度為2［6］，所以鞍座升降軸在空間上的自由度為2，其鞍座升降軸只能沿著其軸的徑向和軸向方向運(yùn)動(dòng)。在鞍座升降軸徑向方向上，采用鍵的方式，來限制它的徑向自由度，使坐墊只能沿軸的方向運(yùn)動(dòng)。在鞍座升降軸軸向方向上，通過銷的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)鞍座升降軸高度的固定。

圖1 坐墊三維示意圖

利用剎車線一端連接杠桿機(jī)構(gòu)(見圖2)，另一端連接在安裝在龍頭上的剎車把手(另加一個(gè)剎車把手)，在零件配合度合理的情況下，通過剎車把手來控制銷的位置，繼而達(dá)到控制坐墊高低的目的。

圖2 坐墊升降劑視三維圖

在行駛過程中，需要調(diào)整坐墊高低時(shí)，需將人的體重作用在自行車腳踏板上，手捏合連接杠桿機(jī)構(gòu)的剎車把手，通過杠桿原理，將銷子(圖2中的8)從鞍座升降軸的孔中調(diào)出，因?yàn)橛新菟^(圖2中4)限位的作用，能保證兩個(gè)銷子都能順利調(diào)出，然后通過彈簧(圖2中2)的作用，使鞍座向上升，從而使坐墊升降軸上下自由調(diào)整。當(dāng)達(dá)到合適的位置時(shí)，松開剎車手把，由于彈簧(圖2中6)的作用，使銷子進(jìn)入鞍座升降軸的孔內(nèi)，從而使鞍座固定在這個(gè)高度上。

(3)設(shè)計(jì)特點(diǎn) 此機(jī)構(gòu)采用了機(jī)械原理和杠桿原理等，能方便、有效地調(diào)整坐墊的高度，即使在騎車過程中也能調(diào)整。因其隨時(shí)都能調(diào)整坐墊高度的特點(diǎn)，能有效地減少了調(diào)整時(shí)間。同時(shí)，其調(diào)整的方式與傳統(tǒng)調(diào)整相比，更加的方便、簡(jiǎn)單，即使是老人、小孩也能順利的調(diào)整坐墊高度。此機(jī)構(gòu)對(duì)自行車坐墊部分進(jìn)行了改裝設(shè)計(jì)，保證了自行車其他部分的優(yōu)良性能，能直接有效地提升騎行過程中的舒適度，消除因?yàn)樽鴫|高度問題而帶來的疲勞、費(fèi)力等問題。

3 可升降自行車坐墊部位應(yīng)力應(yīng)變分析

在騎車過程中，自行車的主要受力部位為坐墊部位，因此需要對(duì)可升降自行車坐墊部位進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。圖3為假設(shè)坐墊上承受200 kg體重時(shí)，坐墊升降部位的等效應(yīng)力圖。由圖3可看出，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在車架上365節(jié)點(diǎn)處，最大等效應(yīng)力為136．8 MPa。對(duì)于車架材料為45鋼時(shí)，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力，因此只發(fā)生了彈性變形，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

圖3 坐墊升降部位的等效應(yīng)力圖

圖4 為假設(shè)坐墊上承受200 kg體重時(shí)，在車架上最大等效應(yīng)力節(jié)點(diǎn)365的彈性應(yīng)變圖。由圖4可看出，在施壓的初始階段車架發(fā)生的最大彈性應(yīng)變?yōu)?．000 317 844，未發(fā)生塑性變形;隨著施壓進(jìn)入穩(wěn)定階段，車架的最大彈性應(yīng)變?yōu)楹愣ㄖ?．000 295 076，未發(fā)生塑性變形。由圖3、4可看出，當(dāng)可升降自行車坐墊部位承受200 kg體重時(shí)，此部位的最大等效應(yīng)力和最大彈性應(yīng)變都發(fā)生在車架上，并且45鋼材質(zhì)的車架能滿足騎行時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變需求。

圖4 最大等效應(yīng)力節(jié)點(diǎn)365的彈性應(yīng)變

4 創(chuàng)新點(diǎn)

可升降坐墊自行車可以自由調(diào)整坐墊的高度，坐墊高度在行車過程中也能調(diào)整，能為消費(fèi)者提供很大的方便，同時(shí)減輕消費(fèi)者騎車疲勞感。這款自行車還可以適應(yīng)不同的環(huán)境和不同人的體型，讓消費(fèi)者以一個(gè)舒適的姿態(tài)來騎行。調(diào)整高度的方法簡(jiǎn)單易懂，可以適應(yīng)不同年齡段的人群，老人小孩都可以使用，并且因?yàn)樽鴫|的可升降性能，使同一輛自行車可以適和不同的人使用，使資源能得到更充分的利用。

5 結(jié)論

此款新型自行車以響應(yīng)顧客需求，以方便、快捷為導(dǎo)向，打破傳統(tǒng)自行車的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)方便，迅速的升降自行車坐墊的高低。其在騎車過程中也能調(diào)整自行車坐墊高度的特點(diǎn)，使得該款自行車更加方便、人性化，更加的適應(yīng)現(xiàn)代發(fā)展。通過力學(xué)分析，確定其安全性，使消費(fèi)者騎行更加放心。

［1］ 韓微微．淺談自行車交通在城市交通系統(tǒng)中的地位和作用［J］．江西建材，2014－10:105．

［2］ 劉辛軍，王 京，于維旸，等．人體自行車機(jī)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì):量身定做自行車［J］．中國(guó)科學(xué):技術(shù)科學(xué)，2012，42(2):174－181．

［3］ 吳東華．人體工效學(xué)在單車運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用研究:單車坐墊與車把的人體功效學(xué)調(diào)節(jié)對(duì)優(yōu)化騎行動(dòng)作的影響［J］．南京體育學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，12(1):21－25．

［4］ 祖業(yè)發(fā)．現(xiàn)代機(jī)械制圖［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

［5］ 濮良貴，陳國(guó)定，吳立言．機(jī)械設(shè)計(jì)［M］．北京:高等教育出版社，2013．

［6］ 王知行，鄧宗全．機(jī)械原理［M］．北京:高等教育出版社，2013．