双向踩踏连续驱动骑行装置的设计研究

尚建宇　屈小贞　田旭东　孙飞宇　李妮

摘 要：文章介绍了一种可双向踩踏连续驱动的骑行装置，该装置是通过正向链条传动和反向轴传动实现的正反双向踩踏连续驱动车轮始终向前行驶。该骑行装置即可缓解骑行人的疲劳程度，又能极大地提高骑行人的骑行乐趣。关键词：双向; 骑行; 链条传动; 轴传动中图分类号：U484  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）08-85-03

Abstract： A bi-directional trending cycling device for continuously driving is introduced in this paper.The driving wheels of cycling device realizes continuously running forward by the bi-directional trending forward chain drive and reverse shaft drive. The cycling device can not only alleviate the fatigue degree of the riders， but also greatly improve the cycling pleasure of the riders.Keywords： Bi-directional; Cycling; Chain Drive; Shaft DriveCLC NO.： U484  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）08-85-03

前言

随着社会的发展和人民生活水平的提高，自行车行业发展正逐渐由传统的代步型交通工具向运动型和休闲型、甚至娱乐型工具转变。近年来骑行装置呈多样化趋势发展，市场对骑行类产品的研发和技术专业性要求越来越高。无链条自行车和轴传动自行车等新型产品融入的科技和文化元素系统[1-2]、以及休闲娱乐方式也为更多家庭所喜爱。尤其随着提倡绿色出行和环保意识的增强，以及共享单车的普及，越来越多的人将自行车作为休闲、娱乐的出行工具。

1 双向踩踏骑行装置传动结构设计

一种基于双向踩踏连续驱动的骑行装置如图1所示，其由图2中所示的传动总成驱动车轮向前行驶，该传动总成前端固定连接在中轴上，后端固定连接在后轴上。该传动总成是基于链条传动和轴传动组合而成的双向踩踏驱动装置，可通过正、反双向踩踏脚蹬以驱动车轮始终向前行驶。

链条传动驱动装置布置在车身右侧，其由牙盘、链条、链轮等组成，如图3所示。牙盘通过右侧单向轴承固定在中轴上，链轮通过右侧棘轮固定在后轴上，其中右侧单向轴承和右侧棘轮安装在前后车轴上的装配方向与图5和图6中所示的装配方向一致。

轴传动驱动装置布置在车身左侧，其由四个锥齿轮和传动轴等组成如图4所示。轴传动装置中的锥齿轮组空间结构采用图2中所示的布置形式，以保障其传动过程中前锥齿轮与后锥齿轮的转动方向始终相反。中轴上的前锥齿轮通过左侧单向轴承固定在中轴上，而后轴上的后锥齿轮通过左侧棘轮固定在后轴上，其中左侧单向轴承的装配方向与右侧单向轴承的装配方向相反，而左侧棘轮在后轴上的装配方向与右侧棘轮方向相同。

传动总成结构中采用的单向轴承结构如图5所示，装配时所有单向轴承的轴承内圈与车轴之间、轴承外圈与链轮或锥齿轮之间均采用过盈式配合。该装置通过踩踏踏板驱动按图3中所示旋转方向顺时针转动时，右侧单向轴承的轴承内圈随中轴同步正向转动，右侧单向轴承的钢珠瞬间锁死在轴承内圈与外圈之间，进而使右侧单向轴承和牙盘做同步正向转动;而通过踩踏踏板驱动按图4中所示旋转方向转动时，左侧单向轴承的轴承内圈随中轴同步反向转动，左侧单向轴承的钢珠瞬间锁死在轴承内圈与外圈之间，进而使左侧单向轴承和锥齿轮做同步反向转动。

传动总成结构中采用的棘轮结构如图6所示，装配时所有棘轮的棘轮外盘与链轮或锥齿轮之间、棘轮内盘与车轴之间亦采用过盈式配合。如果棘轮外盘做为主动件顺时针方向旋转时，可驱动做为从动件的棘轮内盘同步转动，此时棘轮内外盘做为一个整体结构同步转动。同样棘轮内盘做为主动件逆时针方向旋转时，则能驱动做为从动件的棘轮外盘同步转动，此时棘轮内外盘做为一个整体结构同步转动。反之，棘轮外盘做为主动件逆时针方向旋转或棘轮内盘做为主动件顺时针方向旋转时，则不能驱动整体结构同步转动。

2 双向踩踏骑行装置的运动分析

该骑行装置由人力正向（参照图3中的转动方向）踩踏踏板带动中轴转动时，右侧单向轴承的内圈和外圈整体随中轴同步正向转动，而左侧单向轴承的外圈不随中轴转动。中轴通过右侧单向轴承带动牙盘做同步正向转动，锥齿轮随左侧单向轴承的外圈处于静止状态。牙盘再带动链条正向转动，进而带动链轮转动，链轮带动右侧棘轮的棘轮外盘转动，进而驱动右侧棘轮的棘轮内盘带动后轴正向转动，最终驱动安装在后轴上的车轮向前行驶。虽然后轴上右侧棘轮的棘轮内盘随其同步正向转动，但因棘爪转动方向与棘轮外盘内缘上的齿形顺序一致，使左侧棘轮的棘轮外盘不随棘爪转动，即锥齿轮随左侧棘轮的棘轮外盘处于静止状态。此时该骑行装置是以图3所示的链传动方式来驱动车轮向前行驶，且在实际骑行中正是以链条传动作为主要驱动方式来驱动车轮向前行驶。

反之，当反向（参照图4中的转动方向）踩踏踏板带动中轴反向转动时，左侧单向轴承的内圈和外圈整体随中轴同步反向转动，而右侧单向轴承的外圈不随中轴转动。中轴通过左侧单向轴承带动前锥齿轮做同步反向转动，牙盘随右侧单向轴承的外圈处于静止状态。前锥齿轮通过传动轴带动后轴上的后锥齿轮正向转动，再由后锥齿轮带动左侧棘轮的棘轮外盘正向转动，然后由左侧棘轮的棘轮内盘带动后轴正向转动，最终驱动安装在后轴上的车轮向前行驶。同理，虽然后轴上左侧棘轮的棘轮内盘随其同步转动，但右侧棘轮的棘轮外盘不随后轴一起转动，即链轮随右側棘轮的棘轮外盘处于静止状态。此时该骑行装置正是以图4所示的轴传动方式来驱动车轮向前行驶，且在实际骑行中以反向踩踏的轴传动作为次要驱动方式来驱动车轮向前行驶。

因此，无论正向或反向踩踏踏板时，该骑行装置始终是保持车轮连续向前驱动行驶，且正反双向踩踏切换方向时，不影响骑行装置车轮驱动向前的动力连续性。

3 结论

本文设计的双向踩踏连续驱动装置具有结构简单、可靠

性能好，骑行方便等特点。该连续驱动装置是以正向踩踏踏板作为主要驱动方式驱动车轮向前行驶时，还可以以放松、休闲、娱乐方式反向踩踏脚蹬作为次要驱动方式驱动车轮向前行驶。且通过切换踩踏方向来驱动车轮始终向前行驶，既可有效地缓解骑行人的疲劳程度，又能极大地提高骑行人的骑行乐趣，有着极其重要的实际意义和应用前景。

参考文献

[1] 徐以亮.无链条的可折叠自行车设计简述[J].中国科技信息，2014， 8：217-220.

[2] 高文达，牟善祥，肖继顺.轴传动式自行车助力器[J].内燃机，1995， 3：7-10.