自行车变速飞轮与凸轮联动充气系统研究

胡博程



自行车变速飞轮与凸轮联动充气系统研究

胡博程

（太原市第五中学校，山西 太原 030012）

从实际生活需要出发，利用凸轮轴原理和链传动原理设计了山地自行车自带充气系统，并采用比较法和分析法分析设计了技术路径，绘制出了自行车链条与凸轮轴联动充气系统的示意图。设计的创新之处在于在山地自行车后轴变速飞轮结构中设计了凸轮轴，并使凸轮轴与自行车链条协调运动；最大可能利用自行车原有部件，减少了材料投入，在增加功能的同时，外观没有变化，自重没有增加，继续保持了山地自行车轻巧轻便的特征；由于充分利用了自行车中轴脚踏曲柄和链轮盘及后轴飞轮，充分发挥了杠杆原理和链传动传动比原理，使得充气过程极为省力、省时。

自行车；凸轮轴原理；变速飞轮；充气系统

随着科技的进步和时代的发展，人们出行的方式已经多元化，但是，诞生于100多年前的现代形式的自行车仍然受到很多人的喜爱，特别是倡导绿色出行的今天，人们更愿意选择自行车作为出行的基本方式。

世界上第一辆自行车发明于18世纪70年代的法国，之后，先后进行了多次改进，实现了从笨重到轻巧、从无驱动到有驱动、从木质轮胎到充气轮胎、从木结构到钢结构、从单速到变速等数次革命性的改进，极大方便了人们的出行，也给人们带来了无穷的生活乐趣。但是，也许在任何一个科技领域，创新的步伐从来都不会停止，我们对美好生活的向往一刻都没有停顿，我们总是期望站在前人的肩膀上看到更远的风景。现代形式的自行车存在的充气缺陷也是如此。目前，人们给自行车充气的途径主要有在家里备用气管充气、在路边自行车修理站或自行车售后点充气。自备气管并不是每个家庭都能做到，到修理站或售后服务站充气既耽误时间又需要费力搬运自行车，十分不便。实际生活中，我们还常常遇到急于充气而又找不到气管的情况。研究并配置一种自行车自带充气系统，可以解决自行车爱好者的这一苦恼。

1 设计思路

以山地变速自行车为例，目前的现代形式的自行车主要有驱动系统、制动系统、导向系统、变速系统等，为达到本设计的目的，新增加1个自带充气系统。这个充气系统主要由脚踏、中轴齿轮、链条、后轴变速飞轮（充气飞轮）、凸轮轴、气缸、活塞、充气软管和充气嘴等组成。

具体设计思路为：①在原自行车后轮轴上紧贴变速飞轮位置增加1个轴承，并增加1个凸轮与轴承结合（如图1所示）。为了利用自行车后轴，该凸轮轴设计为空心凸轮轴，空心凸轮轴可以套在原自行车后轴上。②将变速飞轮与凸轮轴（凸轮单独配置轴承）固定为一体，当飞轮顺时针或逆时针转动时，凸轮同时跟着同向同转速转动。③利用原自行车变速飞轮一侧后下叉金属管作为气缸。④气缸前端附近设出气孔，并链接一细管作为输气管，同时配一个气嘴。⑤利用原自行车中轴脚踏（用脚蹬或用手转）提供动力，带动中轴牙盘转动，并通过链条传输动力使自行车后轴变速飞轮（取名充气飞轮）转动。⑥充气飞轮与凸轮联动，带动设在自行车后下叉里的气缸滑杆及活塞运动，产生气压。⑦中轴牙盘（前齿轮）有两三个，且齿轮大小不同，后轴变速飞轮有6片左右，自行车行进速度有10～20个或更多挡位可调，可以借此变速系统调整充气系统的凸轮转动速度，进而调整充气时间和工作效率。⑧为了使充气时的自行车呈稳定状态，充气时应使脚踏转动方向与自行车行进时的脚踏转动方向相反，这样自行车的轮胎就不需要离开地面（如果脚踏转动方向与自行车行进时的方向相同，自行车就会擦地前行）。⑨自带充气系统启动手柄设计。将气缸滑杆顶端设计成可调节的结构（如图2所示），当不需要充气时，将滑杆调至虚线位置，这样在自行车行进过程中可以避免凸轮顶端与气筒滑杆接触，防止持续充气。当需要充气的时候，将滑杆调至实线位置，充气结束后再将滑杆调至虚线位置。此装置由于具备充气的启动和停止功能，所以取名为启动手柄。⑩出气孔连接充气软管和充气嘴，平时充气软管固定在车架，充气时，取下并将充气嘴与轮胎气嘴对接。

2 方案比较

2.1 安装位置比较

在尽可能利用自行车原有构件且不增加自行车质量的前提下，可供安装的位置有5个：①在自行车后轴后下叉右钢管里（这也是本设计论文最终选择的位置）；②在自行车中轴上方的自行车座下方的立管里；③在自行车后轴后下叉左钢管里；④在自行车后轴后上叉左钢管里；⑤在自行车后轴后上叉右钢管里。

位置②需要单独增加1个充气筒，而通过手动提供动力，与传统充气区别不大。无法利用链条传递动力，也无法利用齿轮原理轻便充气。位置③因为已经设置自行车制动系统，片刹等构件已经占用了一定空间，如果在此增加充气系统构件，不利于操作。位置④和位置⑤因为是斜向方向，且承载人的质量较大，所以，如果将充气系统安装在这里，返修概率较大，且会缩短充气筒的寿命。而位置①克服了前面4个位置的一切缺点，所以位置①是最为理想的，这也是本论文设计思路最后确定的方案。

图1 自行车结构图

图2 充气结构剖面示意图

2.2 变速飞轮利用与否的方案比较

假设方案1为利用变速飞轮传递动力，方案2为不利用变速飞轮传递动力，而是另外配置轴承和充气飞轮以传递动力。如果采纳方案1，需要考虑如下几个方面：①凸轮轴设计为空心轴承，轴承内圈与原自行车后轴结合，外圈与空心凸轮轴的内壁结合，该凸轮轴一侧设计1个飞轮（取名充气飞轮），该飞轮由自行车链条带动。②正常使用自行车时，链条通过变速系统咬合在变速飞轮上，只有在需要充气的时候，才通过变速系统将链条调整并咬合在空心凸轮轴的充气飞轮上。③为了保持自行车后轮的行进中线不被偏离，在后轮轴右侧（现变速飞轮一侧）增加凸轮轴构件时，需要同时在后轮轴左侧增加一根空心平衡套管，套管长度与右侧凸轮轴宽度相等。

方案2因为另外增加了左侧套管和右侧充气飞轮，所以容易增加更多的自行车后轴长度，并且增加了自行车的自重。而方案1，因为利用了自行车原有的变速飞轮，无需新增加轴承和充气飞轮，后轮行进中线就不会发生偏移，所以也不需要在左侧增加平衡套管，比方案2简便很多，所以方案1是最理想的方案，也是本论文设计思路最后确定的方案。

3 工作原理

本设计主要应用了链传动原理、棘轮原理、凸轮轴原理。

3.1 链传动原理

链传动是啮合传动，是通过链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具有特殊齿形的从动链轮的一种传动方式。本设计沿用了原有自行车链传动系统，只是在从动链轮（后轴变速飞轮）的位置做了改动，在原来变速飞轮（从动链轮）的外侧增加了1个空心凸轮轴。

3.2 棘轮原理

现在使用的山地自行车，为了防止坡道后退造成安全事故，充分采用了棘轮原理。自行车棘轮机构由主动摆杆、棘爪、棘轮、止回棘爪和机架组成。原自行车棘轮原理的应用，主要是保证自行车行进过程中不发生倒回。如图3所示，轮毂2仅在飞轮1逆时针旋转时旋转。当链条反向即非行进方向（顺时针）带动飞轮时，棘爪沿飞轮内侧棘轮的齿背滑过。本设计充分利用了棘轮原理中的反向运动（与自行车行驶方向相反）规律。在自行车需要充气的时候，自行车不在行进状态，此时，将脚踏反向（与自行车行进时相反）转动，并通过链条带动后轴变速飞轮（也是充气飞轮）反向转动，使棘轮逆时针转动，同时带动凸轮轴转动。

图3 自行车棘轮机构

3.3 凸轮轴原理

现有山地自行车构件中没有凸轮机构，本设计重点应用了凸轮机构原理。凸轮机构是由凸轮的回转运动或往复运动推动从动件作规定往复移动或摆动的机构。一般情况下凸轮

是主动的，但也有从动或固定的凸轮。多数凸轮是单自由度，但也有双自由度的劈锥凸轮。凸轮机构结构紧凑，适用于要求从动件作间歇运动的场合。本设计中的凸轮相对于后轴变速飞轮来说是从动的，相对于它带动的自行车充气系统的气缸活塞滑杆来说是主动的。

4 项目创新与可行性

项目创新与可行性在于：①在山地自行车原有驱动系统、制动系统、车架系统、变速系统等系统之外，增加了自带的充气系统。极大方便了使用者，节省了开支和到维修点充气的时间。②在山地自行车结构设计中采用了凸轮轴原理，使凸轮轴与自行车链条得到完美结合。③因材施策，最大可能利用自行车原有结构中的部件，减少了材料投入，在山地自行车功能增加的同时，外观没有变化，自重没有增加，继续保持了山地自行车轻巧轻便的特征。④由于充分利用了自行车中轴脚踏曲柄、链轮盘、后轴飞轮，充分发挥了杠杆原理和链传动传动比原理，使充气过程省力省时。

5 研究方法

本设计研究主要采用了分析法和比较法：①分析法。把研究对象分解为一定部分、单元、环节、要素并加以认识。本设计对自行车内部进行了深入研究，从不同侧面研究各个细节，整体上认识自行车使用过程的可行性。②比较法。通过观察、分析，找出研究对象的相同点和不同点，认识山地自行车的运动规律。本设计采用比较法分析了自行车自带充气系统的安放位置，比较研究了不同方案的优缺点，并在此基础上选择出最优方案。总之，在原山地自行车基础上设计和安装自带的充气系统符合大众需求，利用凸轮轴原理和链传动原理设计的山地自行车充气系统在技术上是可行的。

2095－6835（2018）20－0085－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.20.085

〔编辑：严丽琴〕