帶運動合成功能的雙人調(diào)速自行車

楊萬里，何玉輝，鄭孫梁，夏曉峰，趙 偉

（中南大學機電工程學院，湖南 長沙 410006）

眾所周知，腳踏車的發(fā)展自它被發(fā)明以來就沒有停止過，雙人自行車無論是在國內(nèi)，還是在國外，都是一項十分不錯的休閑娛樂項目。而近年來，隨著人們生活水平的提高，人們對生活質(zhì)量的要求也越來越高。雙人自行車此類休閑健身產(chǎn)品在市場上的需求也越來越高，人們需要性能更加良好、結(jié)構(gòu)更符合需求的雙人自行車。正因此，國內(nèi)的雙人自行車行業(yè)也在快速發(fā)展。

目前，國內(nèi)對雙人自行車的研究改良有了進一步發(fā)展，朝著人們生活便利的方向逐漸發(fā)展。但是，現(xiàn)在生產(chǎn)的雙人自行車大部分的改良方向都是外觀，只是為了使產(chǎn)品更加美觀，并沒有從根本上解決人們使用中的問題。當然，國內(nèi)也有人正在對雙人自行車本身的結(jié)構(gòu)進行改良，但是大部分研究還只停留在理論階段，至今并沒有應用合成+變速組合的雙人自行車，對于此方面的研究不論是國內(nèi)還是國外都沒有深入進行。

1 設計思路

本項目旨在利用行星輪增速器的原理配合變速器，在原有傳統(tǒng)的雙人自行車基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新設計，設計出一種具有運動合成和變速功能的新型雙人自行車。

為使騎行者雙方在騎行過程中能量的轉(zhuǎn)化率達到最高，即兩個騎者不論腳蹬的力大小，都能讓其轉(zhuǎn)化為驅(qū)動力，實現(xiàn)對自行車的同時做功，本文將速度和力矩合成的裝置——行星輪速度合成器[1]應用到雙人自行車的傳動系統(tǒng)中，通過輸入大小不同的動力，合成后的合動力作為輸出動力。這就解決了傳統(tǒng)雙人車因為兩名騎行者腳蹬速度大小不同產(chǎn)生踏空感的問題，使其達到最優(yōu)的工作狀態(tài)。

不僅如此，本文所述設計將一套變速器安裝于鏈條上，通過騎行者的調(diào)節(jié)，獲得不同的動力輸出，解決了傳統(tǒng)雙人自行車在上坡或者逆風時，無法調(diào)節(jié)動力輸出的問題，使得騎行者可以節(jié)省體力、保持速度。

2 工作原理

2.1 速度合成部分

速度合成是通過配合行星輪增速機構(gòu)，實現(xiàn)扭矩相加后并輸出在后輪上。它的結(jié)構(gòu)與原理并不復雜或難以理解，可以將其理解成為將兩人力的輸出加在同一個裝置上，再由裝置輸出動力，輸出在雙人自行車的后輪。兩人踏動踏板，踏板帶動與之連接的曲軸，曲軸使牙盤轉(zhuǎn)動，牙盤的轉(zhuǎn)動使與其嚙合的鏈條動作，鏈條帶動增速機構(gòu)的兩輸入扭矩的牙盤，牙盤驅(qū)動速度合成器內(nèi)齒輪嚙合傳動，最終輸出在輸出牙盤上，輸出齒盤的鏈條驅(qū)動后輪齒盤[1]，牙盤帶動內(nèi)變速花鼓，經(jīng)過花鼓內(nèi)齒輪系的變化后輸出在后輪上，使雙人自行車前進。

2.2 變速部分

在運動合成部分完成運動合成后，安裝一個具有多個同軸鏈輪的大牙盤。在牙盤旁邊安裝圖1 所示的類似于普通變速自行車的變速裝置，并將操縱變速的裝置置于前車把。通過變速裝置改變鏈條嚙合的鏈輪半徑大小，從而起到變速的作用，使得騎行者在上坡、下坡時都能有良好的騎行體驗。

圖1 速度調(diào)節(jié)器

3 結(jié)構(gòu)設計

3.1 速度合成裝置結(jié)構(gòu)設計

為了能使兩動力輸出相加后同時輸出在一個曲軸上，使兩軸心處于同軸狀態(tài)，兩側(cè)同時旋轉(zhuǎn)，一側(cè)齒輪傳動，另一側(cè)為其提供支撐并能旋轉(zhuǎn)，保證齒輪的旋轉(zhuǎn)通過齒輪的嚙合傳遞到雙齒輪軸的一側(cè)，通過軸傳遞到另一側(cè)齒輪，輸出到行星輪上，由行星輪作為輸出，傳遞到機構(gòu)外[2]。結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 速度合成器圖解及示意圖

3.2 車鏈傳動結(jié)構(gòu)設計

因為經(jīng)過驗證，當速度合成器放在兩踏板中間上方時，震動較少，且鏈條不會因為過長而容易滑落，故本設計將速度合成器放在了兩踏板中間的位置，兩踏板上鏈條連接機構(gòu)的輸入牙盤，經(jīng)由速度合成器、牙盤、鏈條、后輪軸傳遞到后輪上[3]。

3.3 有限元分析

通過ANSYS 軟件對自行車架進行了靜力學分析，如圖3 所示，建立了自行車架性能分析模型[4]，為車架的改良提供一定的思路。

圖3 雙人自行車車架有限元分析

分析過程以2 個質(zhì)量為60 kg 的人為例，騎行中可將車架受力簡化成在立管的車座處施加600 N。

約束條件：前立柱與后輪軸設置為固定約束。

網(wǎng)格劃分：采用高雅可比算法以及三角形網(wǎng)格基于曲率的網(wǎng)格劃分，局部網(wǎng)格細化應用在管材連接部分[5]。

從自行車架的整體總變形結(jié)果（圖3）中可以看出，自稱車架最大變形處位于后叉。在后叉部分，變形從車座位置到后輪軸位置呈現(xiàn)從大到小的趨勢。

4 草圖曲線和實體特征的建立

4.1 增速機構(gòu)齒輪的繪制

使用“草圖”命令，繪制出機構(gòu)的大概位置及其輸入牙盤。

使用“拉伸”，從過濾器中選擇區(qū)域邊界曲線，選擇拉伸區(qū)域，完成輸入牙盤的制作，如圖4 所示。

圖4 牙盤制作

使用“GC 工具箱”再“圓柱齒輪建模”選擇創(chuàng)建齒輪，完成齒輪的創(chuàng)建，并連續(xù)使用此命令做出多個齒輪，同時用此命令中的齒輪嚙合，使各部分齒輪進行嚙合。

使用“草圖”繪制一個旋轉(zhuǎn)架并使用“拉伸”命令，如圖5 所示。

圖5 繪制旋轉(zhuǎn)架

再次使用GC 工具箱繪制內(nèi)嚙合齒輪和外嚙合齒輪，使用“草圖”繪制出輸出牙盤，完成增速機構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的繪制，如圖6 所示。

圖6 增速機構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4.2 增速機構(gòu)外殼的繪制

創(chuàng)建“草圖”繪制出外殼邊界曲線。

使用“拉伸”命令，對稱拉伸后使用“邊倒圓”命令后“抽殼”移除面，邊界距離為3 mm，如圖7所示。

圖7 對稱拉伸與抽殼

再次使用“草圖”及“拉伸”命令為增速機構(gòu)提供支撐以及限位，如圖8 所示。

圖8 提供支撐與限位

新建組件，插入“草圖”繪制支撐，并使用“拉伸”命令使之與外殼完全吻合，并使用拉伸命令，騰出孔位。

再次“新建”組件，使用“投影曲線”“拉伸”后，再在殼體外側(cè)使用“邊倒圓”，完成外殼蓋的繪制，如圖9 所示。

圖9 外殼蓋

5 部分部件選擇

5.1 車把選擇

車把類型的選擇直接影響著車手的體驗，不同的車把會影響車子的性能、控制、靈活性，是關(guān)乎騎手的舒適性與安全性的轉(zhuǎn)向及操縱關(guān)鍵部件。車把的類型有很多種，都根據(jù)個人習慣來添加副把，可以提升體驗、緩解疲勞。目前自行車車把主要有4 種類型：①直把。操控性靈活，更容易控制方向，但舒適性一般，多用于一般騎行和比賽。②雁把。操控性好，騎行姿勢很舒服，常用在山地越野車等用于激烈運動的車種上面。③彎把。有多種握持姿勢，使身體前傾提高速度，但視野變小，無法很好地觀察周圍環(huán)境，一般用在專業(yè)比賽中。④蝴蝶把。操控性略差，但舒適性非常好，它經(jīng)常用于長途旅行自行車。

綜合考慮以上幾種車把的特性，由于直把操控性好，綜合性能較好，能有效控制突發(fā)事件的發(fā)生概率，保證安全騎行，且適合大部分人的操作習慣，所以直把較為合適。

5.2 剎車選擇

剎車不僅僅是用來制停的，更重要的是用來控制車速，高速行駛中的自行車如果遇到特殊狀況不能及時減速，那后果將是致命的。

碟剎是在輪轂處加裝了一個與車輪同步的剎車盤，卡鉗夾緊從而達到制動的目的。天氣原因?qū)χ苿佑绊懶　⑸峥?，不會影響制動效果，長時間工作不會發(fā)生爆胎、不影響輪框。

盤式制動器的最初設計是為了確保制動性能，以免污染影響制動器的性能。碟剎片是金屬燒結(jié)體，且碟片較高不會輕易碰到泥沙，所以在雨天和泥漿中，工作情況依然良好，制動能力強。此外，由于盤式制動盤由鋼制成并且通常是穿孔的，因此作為下坡制動器，熱量的增加和衰減比其他制動器更好。雙人自行車質(zhì)量較大，則慣性也較大，如果不能有效地制動，將直接影響駕駛者的安全，所以應選擇相對安全、可靠的碟剎。

6 結(jié)束語

整車的三維建模如圖10 所示，本課題設計的帶運動合成功能的雙人調(diào)速自行車其結(jié)構(gòu)簡單明了，操作方式與普通雙人自行車無較大差異，外觀改變較大，相對于市面的雙人自行車更具有吸引力，且有更快的速度，會深受自行車愛好者的喜愛。主要進行了以下方面的設計：①速度合成器的設計；②速度合成器的三維建模；③雙人自行車結(jié)構(gòu)的設計；④車體的受力分析。

圖10 雙人自行車三維建模

本次設計工作目的在于針對市場上大部分產(chǎn)品作出調(diào)整與改進，使雙人自行車有更好的發(fā)展空間，本次調(diào)整設計以下幾個方面：①提高自行車最大行駛速度；②雙人自行車傳統(tǒng)減震前叉的升級；③提高舒適性及安全。這些方面是現(xiàn)今市場上雙人自行車主要存在的問題。只有不斷完善和改進，雙人自行車的產(chǎn)業(yè)才會有創(chuàng)新與發(fā)展。