简洁高效的双齿杆双飞轮自行车的设计

刘国林,刘 淼

(1湖北理工学院 高等职业技术学院，湖北 黄石 435003；2国网湖南省电力公司 信息通信公司，湖南 长沙 410007)

简洁高效的双齿杆双飞轮自行车的设计

刘国林1,刘 淼2

(1湖北理工学院 高等职业技术学院，湖北 黄石 435003；2国网湖南省电力公司 信息通信公司，湖南 长沙 410007)

采用双齿杆双飞轮动力传动结构,设计了一款双齿杆双飞轮自行车，设计的自行车节省了制作材料和成本、减少了摩擦环节且更省力，制造、安装、维修和使用更简便，是一款很实用的新型高效自行车。

双齿杆；自行车；传动比

0 引言

传统自行车的蹬踏驱动和链条传动装置故障率很高，摩擦损耗大，使用时还很容易弄脏和搅坏衣服。能否对其结构进行改造，用新的部件替换掉不理想的部件？为解决此问题，笔者查找资料，发现了一项已公布了的杠杆自行车专利,有可取之处。经过分析、计算研究发现，杠杆自行车其实无法提高速度，所以不可能真正投入实用。受到一种“小鸡出壳”的旋转玩具的启示，笔者设计了一款新型的双齿杆双飞轮自行车。

1 革新传统自行车的必要性

我国人口众多，是自行车使用大国。革新传统自行车的必要性主要体现在以下2个方面：①虽然现在我国的个人小轿车拥有量猛增，但停车位十分紧缺,交通拥堵十分严重。因此，越来越多的人选择骑自行车出行；②现在就业形势日益严峻，“三奴”现象普遍，尤其是青壮年精神压力过大，加之各种环境的污染，亚健康人群迅速增多，癌症病人数量也在迅速上升，并且癌症年轻化加剧，使人们不得不考虑健康这个重大问题。因此，骑自行车健身受到越来越多人的重视，这个问题同样引起了政府的关注，有不少城市的政府免费向市民提供自行车使用[1-2]。为解决老式自行车容易出故障的问题，笔者设计了一款新型的双齿杆双飞轮自行车，专利号为：ZL201220137436.1，它是自行车爱好者的福音。

2 已有类似专利技术的不足

2.1杠杆自行车

有一项已公布的发明专利，专利号为：01135544.1，产品名称：杠杆自行车。

专利摘要：一种杠杆自行车，采用杠杆机构配合棘轮机构组成杠杆-棘轮连动机构驱动自行车，摈弃了链条、链轮，进而减掉了中轴、链盒等与之相关的构件；因其杠杆长度是原蹬腿长度的3～5倍，省力效果十分显著，行车速度大幅度提高。实现了蹬踏距离可以调整、双脚可以同时蹬踏和手推可以自由进退等功能，并且该款杠杆自行车整体结构简单，造型新颖独特；故障率降低，使用寿命长；生产工艺简化，综合成本降低。其杠杆-棘轮连动机构驱动方式同样适用于人力三轮车、前轮驱动的残疾人三轮车[3-4]。杠杆自行车结构图如图1所示。

图1 杠杆自行车结构图

2.2杠杆自行车的缺点

杠杆自行车有一个致命缺点：虽然这种自行车踏杆长，动力臂较长、省力，但是每蹬一次踏杆，飞轮转过的角度很小，因此自行车前进的距离很短，即速度很低，无法投入使用，并非像其专利摘要说的“行车速度大幅度提高”。

3 双齿杆双飞轮自行车的结构与原理

3.1双齿杆双飞轮自行车的结构

设计的双齿杆双飞轮自行车主要由大叉梁、左齿杆、右齿杆、左飞轮齿轮、右飞轮齿轮、齿杆限位杆、齿杆轴承和2个齿杆复位弹簧构成。双齿杆双飞轮自行车结构图如图2所示。

图2 双齿杆双飞轮自行车结构图

3.2双齿杆双飞轮自行车的原理

双齿杆双飞轮自行车采用简洁的双齿杆双飞轮齿轮驱动，没有中轴、曲轴、踏板、链轮及传动链条等部件。它通过齿杆提高了传动比，传动比为齿杆轴心到飞轮外缘的距离R齿杆与飞轮半径R飞轮的比。因为蹬踏齿杆一周，齿杆与飞轮相接触的齿数相等，即齿杆和飞轮转过的弧长相等[5]。因此有：

R齿杆θ齿杆=R飞轮θ飞轮

即:θ飞轮/θ齿杆=R齿杆/R飞轮

可见,飞轮与齿杆转过的角度比等于齿杆与飞轮的半径比，即转角与半径成反比。其中，齿杆轴到飞轮外缘的距离为驱动飞轮的有效旋转半径R齿杆，它是飞轮半径R飞轮的好几倍。蹬踏齿杆一次，齿杆转过的角度虽然不大，但是飞轮转过的角度却很大，从而使自行车前进的距离较大，这样就增大了自行车的传动比。因为人骑自行车时两腿的蹬踏频率是有限的，如果不能增大传动比，自行车就无法快速前进。

4 双齿杆双飞轮自行车的优势

4.1传动比大——提高速度

设计时，只需增大双齿杆双飞轮自行车的齿杆与飞轮的半径比，就可增大传动比，取代了通过链轮花盘增大传动比。实际设计时，传动比可以达到4左右，就是说双齿杆双飞轮自行车速度可以比杠杆自行车高4倍左右。

4.2动力臂长——省力

双齿杆双飞轮自行车蹬踏齿杆时的动力臂长是脚的蹬踏部位到齿杆轴的距离，而普通自行车的动力臂是踏板轴到中轴轴心的距离。一般双齿杆双飞轮自行车的动力臂是普通自行车的3倍左右，因此，在相同的行驶条件下，双齿杆双飞轮自行车比普通自行车省1/3左右的力。

4.3动力矩大——高效

普通旋转蹬踏链轮传动自行车蹬踏效率很低，在单脚蹬踏一周的过程中，有效动力范围只有整个圆弧的1/4，并且在这1/4有效动力行程中，只在刚开始蹬踏时动力矩最大，然后在向下90°范围内迅速减小为零。而双齿杆双飞轮自行车在单脚上下行程中，有效动力行程达到1/2，并且动力矩不变。通常双齿杆双飞轮自行车动力臂是普通自行车的3倍左右，因此，在蹬力不变的情况下，双齿杆双飞轮自行车的动力矩是普通自行车最大动力矩的3倍左右。由此可见，双齿杆双飞轮自行车既高效又省力。

4.4齿杆上下运动，不用旋转——方便、灵活

因蹬踏齿杆驱动双齿杆双飞轮自行车时，只需腿做上下运动即可，不像普通自行车必须左右脚前后配合才能使链轮正常旋转，双齿杆双飞轮自行车只需蹬踏左右任意一边的齿杆就可方便地驱动自行车前进，因此，很适合独腿残疾人使用。

通常情况下，正常人使用双齿杆双飞轮自行车既可以左右两腿一上一下依次蹬踏左右齿杆，保持匀速前进；也可以同时蹬踏左右2个齿杆，驱动自行车加速前行。

5 部件组装

左右飞轮齿轮分别安装在车轮后轴的两端，齿杆的后端有圆形齿条，左右齿杆通过固定在大叉梁上的齿杆轴承定位，左右齿杆的圆形齿条通过齿轮分别与左右飞轮齿轮啮合传动，齿杆限位杆固定在车架大梁的下方，用以限定左右齿杆向下行程的最低位，左、右复位弹簧使左右齿杆自动复位。还可以设计一个拉力装置，用一个手柄同时控制左右齿杆，使左右齿杆同时处于齿杆限位杆的位置，使左右齿杆的轮齿脱离2个飞轮轮齿，可使自行车自由地倒退。

6 结论

本文论述了双齿杆双飞轮自行车新颖的结构、原理和突出的优点：双齿杆双飞轮自行车精简、革新了传动机构，去除了中轴及滚珠、链条、踏板轴及滚珠和踏板等多个易损部件，节省了制造材料、减少了摩擦环节，既省力、又提高了效率，而且降低了制造成本，制造、安装、维修和使用更简便，也适合独腿残疾人使用。所以，双齿杆双飞轮自行车是一种很实用的新型高效自行车。

[1] 《单车圣经》编委会.单车圣经[M].北京：机械工业出版社,2013：1-327.

[2] 绢代.自行车设定[M].北京：中国轻工业出版社， 2012:1-175.

[3] 自行力组装工教材编写组.自行车组装基本技能[M].北京：中国劳动社会保障出版社， 2012:1-61.

[4] 沃雷克，科多夫斯基.一生的自行车计划[M].哈尔滨：北方文艺出版社， 2012:1-495.

[5] 绢代.自行车减肥[M].北京：中国轻工业出版社， 2012:1-183.

(责任编辑桂堤)

Concise and Efficient Design of Bicycle with Double Gear Lever and Double Flywheel

LiuGuolin1,LiuMiao2

(1Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2Information and Communication Company of Hunan Power Company of State Grid,Changsha Hunan 410007)

Dynamic structure of the double gear lever and double flywheel are adopted to design a bicycle with double gear lever and double flywheel.This bicycle is of practical use,highly efficiency,which can save materials and cost,reduce friction,and provide convenience for production,installation,maintenance and use.

double gear lever;bicycle;transmission ratio

2013-12-03

湖北理工学院校级科研指导性项目(项目编号12xjz42Z)。

刘国林(1955— ),男，副教授，本科，研究方向：机械设计。

10.3969/j.issn.2095-4565.2014.04.002

U484

A

2095-4565(2014)04-0005-03