一种多功能减震踏步自行车的设计

时间：2024-05-23

李谦，周彦，周双武

(吉首大学物理与机电工程学院，湖南吉首 416000)

0 引言

由于我国经济的快速发展，几乎每个家庭都配有一辆轿车，但也带来了相应的问题，城市道路拥挤，停车位不够，环境污染严重，而共享单车的出现也说明这个问题需要迫切解决。但是传统的单车为两轮结构，下雨天或者在路况较为不好的路面时，较容易发生意外。而且如果是很少接触单车的人，难免会因为畏难心理而不敢使用。所以需要一个新型的自行车来解决这些问题。

1 设计理念

此多功能减震踏步自行车主要由转向结构、驱动结构、车架结构组成。整体为常规自行车大小，为了保证轻便与强度从而采用中空铝合金来组装车身，采用曲柄的连接与驱动。使用者在驱动链条运动的时候进行腿部的上下踏步动作即可，动作幅度最大不会超过60°。如图1所示。

本设计将自行车的链条传动改为曲柄连接[1]，避免直接传动时产生较大摩擦，从而达到省力的目的；同时，曲柄的连接使得踩踏起来更加轻松[2]，依靠重力进行踩踏，踩下一边，另一边会同时自动上升，从而两边进行往返运动；为了加强安全性，使得骑行过程中不发生摔倒、侧翻等意外事件，对车辆降低了车体的重心并采用双前导向轮模式。

为了使骑行适用人群更加广泛，在前轮的支撑部分添加了平面连杆机构[3]，行驶于崎岖的路面时，轮胎部分会弹跳上升而自行车的整体不会发生太大的高度变化，能够用于更多环境。此外，新增的车把回正功能，使自行车在行驶过程中能够最大程度的减少左右摇摆带来的颠簸以及操作难度，进一步提升了骑行的稳定性[4]。最后，增加了拆卸的功能，将自行车的前轮以及把手可进行拆卸，可做购物车使用，这样既充分利用了资源，又符合低碳环保的生活理念。

2 结构设计

2.1 双轮转向结构

我国本就是一个自行车大国，因为大多数的自行车采用两轮结构设计，所以在单独驾驶自行车时，需要我们提前进行学习和练习，而且在这个过程中，也伴有一定的风险[5]，一些因为天生平衡感很差或者是具有畏难情绪的人有可能就会望而却步。

1.上连轮；2.连杆；3.抠杆；4.车架；5.车把；6.篮筐；7.篮筐架；8.车轮；9.踏板；10.转向连杆；11.减震器；12.车轮导杆；13.导向杆；14.转向连杆；15.链条图1 多功能踏步自行车装配图

图2 双轮转向结构示意图

所以设计出双轮转向结构，因为前轮数量从1个变成了2个(如图2)，两轮会帮助平衡车辆，使得用户在驾驶时有更好的驾驶环境，双轮可以更好地让使用者对于前轮以及把手进行掌控。双轮的转向可以在行驶时提供更大的摩檫力，可以避免出现轮胎打滑的情况。此外，双轮转向机构可以辅助阻尼减震系统进行工作，双轮都加上阻尼可以更好地实现稳定性。

2.2 阻尼减震机构

日常使用的自行车是直接将车头与轮胎进行简单连接，在路况较差的路面上行驶时，对于驾驶人的臂力要求高，而且会让双臂产生酸痛感，对于接下来的骑行安全无法保证。由于车辆在行驶时，容易不经意间压过较大物体，从而会使全车产生晃动，对于驾驶者是很危险的。因此，特采用平面连杆机构再加上阻尼器来连接车头与前轮，如图3所示，这样的设计可以使车辆在落差较大的路面也可以较平稳行驶。再加上双轮结构，使得车辆具有了减震缓冲功能，即使是在崎岖的路面也能保持有一个良好的稳定性[4]。

图3 阻尼减震机构

2.3 驱动结构

驱动结构为踏步装置，采用平面连杆机构，以达到良好的传动效果[1]，如图4所示，驱动时可以借助身体重力，从而达到省力的目的。

传统的自行车驱动结构为两个踏板作圆周运动。驱动由人腿部提供主要的力量来源，但是长时间的机械运动，会增加疲劳感。但是如果采用将曲柄连杆与链条进行连接作为驱动机构[3]。使脚的运动范围变小，再加上身体重力的参与，可很好地缓解疲劳。

图4 驱动部分结构示意图

2.4 车架结构

目前，自行车车架的材料主要有以下几种：钢、铝合金、钛合金、镁合金、钪合金、碳纤维等，一般市场上出现的车架主要有钢、铝合金、钛合金、碳纤维。钪合金和镁合金是最近的新兴材料[5]。经过强度校核以及美观与轻便的考虑，本车架全身采用铝合金，车头部分为中空结构。设计时充分考虑到人体结构，更加适合骑行[5]。从而，在选定材料的基础上，考虑到踏板的安装以及与车把的连接，利用三角形稳定性的特点，将车架设计成三角形(如图5)，可以保证强度与刚度的需求。

图5 车架结构设计