一种新型自行车结构设计与分析

陈秋江 刘晓芬 钟密 闫聪

摘要：随着人们生活水平的提高，对产品的各种要求和质量的要求也日益提高。对于日常流行的代步工具自行车而言，不仅要外形美观轻便，结构简单，而且还要求其节能环保省力。本文提出一种重力助力自行车的结构设计，其能够有效的利用人体重力并将其变为一种动力。人们在使用自行车过程中节省力量。

关键词：新型;节能;环保

中图分类号：U484

文献标识码：A

文章编号：1672 - 9129（2018）12 - 0142 - 02

1 前沿

近几年，共享单车不仅成为一种潮流更是人们倡导绿色出行，环保节能的生活理念的体现。随着人们生活水平和认识的提高，共享单车也在于是俱进。目前市场流行的主要的几款单车有ofo小黄、bluegogo、Mo-bike。它们都有各自的特点：ofo小黄车具有二八自行车改良后的经典外形，把其横梁合二为一。bluegogo外形借鉴ofo小黄车，车把的弯曲程度更偏向于Mobike的“U字形”，横梁合二为一。Mobike具有碳素的车身以及车把弧度的处理使其具有很强的科技感。但它不能调节座位，为了降低返修率，取消了链条，靠轴传动的设计也使得最早的版本踩踏起来比较吃力;后来的lite版，在重量上大大的减轻了，使其使用率再次增加。由此可见，为了使自行车具有更完备的功能、舒适度以及适应市场需求，需要对其不断的进行改进设计。

2 自行车发展与设计规范

2.1 自行车发展阶段。随着人们生活水平的提高，对产品的形式、功能、质量、审美等的要求也越来越高。自行车设计不断创新，增加自行车的辅助功能，改变其实现形式。自行车的发展大致经历四个阶段[1]：

第一阶段发明阶段。第一辆自行车是这样被描述：由机架及木质的轮子组成，骑车人的脚是驱动力，靠蹬地摩擦驱动前后两个木质车轮转动。没有车把、传动链条、转向装置。第二阶段优化阶段。对其形状、各种关系进行优化，采用更合适的材料、尺寸，选择链传动机构，增加转向装置、脚踏板、座椅等，于是出现了结构系统、导向系统、驱动系统、制动系统。第三阶段为系统动态化[2]。比如在车架结构的连接方式上，很多采用刚性连接的零部件改为柔性连接，故出现折叠自行车。第四阶段为系统的自控制。自行车系统应该能够自动地适应交通环境，因此，未来自行车的设计上应增加安全行车指示系统。

2.2 自行车设计规范及结构。在自行车设计中，设计需要遵循严格的设计规范要求，以满足自行车的技术质量要求并确保自行车的骑行安全和使用性能。对此，国家制定了严格的基础标准与通用标准，规定了自行车部件的分类、链条尺寸和机械性能、主要技术参数和性能指标等等;强制性的安全要求，保证自行车每一个自行车的零部件乃至整车的强度和耐用性;以及产品质量标准。

自行车部件根据国标主要分为两大类，即基本部件和附属部件，自行车基本部件可分為十七大类：车架部件、前叉部件、车把部件、座椅部件、中轴部件、脚蹬部件、链条部件、飞轮部件、前轮部件、后轮部件、前拔链器部件、后拔链器部件、前闸部件、后闸部件、链罩部件、车铃部件、反射器部件[3]。

3 一种重力助力自行车结构设计

3.1 自行车结构组成。本文一种新型座椅重力助力式齿传动自行车，通过人坐在座椅上依靠重力直接下压座椅，使座椅支撑轴在车架立管的管腔内下移，并通过座椅支撑轴下部的线性伸缩末端通过曲轴将线性力矩转换为转矩输出，以为自行车的主动齿轮盘轴的转动助力，以加速带动主动齿轮盘旋转实现省力骑行的目的。结合座椅支撑轴下部的线性伸缩末端与主动齿轮盘的盘体之间设有的曲柄摇杆机构具有的急回特性为座椅支撑轴和座椅的复位回升提供助力。结合座椅支撑轴下部车架立管管腔内安装的自动回升机构实现并解决座椅支撑轴的复位回升问题;实现齿传动自行车的省力骑行目的。

3.2 主要结构影响因素分析。从人机工程学观点出发，自行车的舒适性，由定位把手、座椅以及脚踏板三者之间的位置决定[4]。车把过低会使骑行者的上肢承受很大的静压，时间稍长手臂和手掌易发生疲劳，但力容易传递到车。提高车把高度可使背部弯曲度变浅，但力不易传递到前轮[5]。座椅与脚踏之间的相对位置直接影响蹬踏方式，由座椅相对中轴轴心的位置和曲柄长度决定。座椅相对中轴轴心的位置是影响踏力和踏速能否获得最佳配合的关键，曲柄的长度还直接影响合理的踏速[6]。座椅，主要在使用过程中起到承受压力的作用。座椅的位置由座椅的高度和坐管倾角共同决定。中轴是传动机构，同时承受骑车者的部分体重。中轴高度应根据自行车的使用环境来决定，高中轴自行车适用于凹凸不平的路面，低中轴自行车在失控时具有更大的稳定性。在实际骑行过程中，蹬踏力的方向不断改变，蹬踏上死点和下死点的位置不一定在最高点和最低点处，它们主要由座椅与脚蹬之间的位置决定。

4 总结

该自行车的改进设计有利于”节能环保，绿色生活”倡导，因此后续对该自行车进行运动学分析、干涉分析具有重要意义。

参考文献：

[1]张芳兰;杨明朗，基于TRIZ理论的自行车进化过程分析与创新设计[C] 2010国际工业设计研讨会暨第十五届全国工业设计学术年会论文集.2010

[2]赵新军.技术创新理论及应用[M].北京：化学工业出版社，2004 1189 - 197

[3]张巍.工程数据库在自行车设计中的应用[J].《科技传播》2013 （11）（下）202

[4]旷红梅，杨随先.基于人机工程学的自行车骑姿改进设计[J].设计与研究，2007，3（34）

[5]关于自行车的研究报告[ED/OL].http：//www.lsgz.com/.

[6]宋贤敦.自行车设计[J].中国自行车，1989，45