带运动合成功能的双人调速自行车

2023-07-25杨万里何玉辉郑孙梁夏晓峰

科技与创新 2023年11期

杨万里，何玉辉，郑孙梁，夏晓峰，赵伟

（中南大学机电工程学院，湖南长沙 410006）

众所周知，脚踏车的发展自它被发明以来就没有停止过，双人自行车无论是在国内，还是在国外，都是一项十分不错的休闲娱乐项目。而近年来，随着人们生活水平的提高，人们对生活质量的要求也越来越高。双人自行车此类休闲健身产品在市场上的需求也越来越高，人们需要性能更加良好、结构更符合需求的双人自行车。正因此，国内的双人自行车行业也在快速发展。

目前，国内对双人自行车的研究改良有了进一步发展，朝着人们生活便利的方向逐渐发展。但是，现在生产的双人自行车大部分的改良方向都是外观，只是为了使产品更加美观，并没有从根本上解决人们使用中的问题。当然，国内也有人正在对双人自行车本身的结构进行改良，但是大部分研究还只停留在理论阶段，至今并没有应用合成+变速组合的双人自行车，对于此方面的研究不论是国内还是国外都没有深入进行。

1 设计思路

本项目旨在利用行星轮增速器的原理配合变速器，在原有传统的双人自行车基础上进行创新设计，设计出一种具有运动合成和变速功能的新型双人自行车。

为使骑行者双方在骑行过程中能量的转化率达到最高，即两个骑者不论脚蹬的力大小，都能让其转化为驱动力，实现对自行车的同时做功，本文将速度和力矩合成的装置——行星轮速度合成器[1]应用到双人自行车的传动系统中，通过输入大小不同的动力，合成后的合动力作为输出动力。这就解决了传统双人车因为两名骑行者脚蹬速度大小不同产生踏空感的问题，使其达到最优的工作状态。

不仅如此，本文所述设计将一套变速器安装于链条上，通过骑行者的调节，获得不同的动力输出，解决了传统双人自行车在上坡或者逆风时，无法调节动力输出的问题，使得骑行者可以节省体力、保持速度。

2 工作原理

2.1 速度合成部分

速度合成是通过配合行星轮增速机构，实现扭矩相加后并输出在后轮上。它的结构与原理并不复杂或难以理解，可以将其理解成为将两人力的输出加在同一个装置上，再由装置输出动力，输出在双人自行车的后轮。两人踏动踏板，踏板带动与之连接的曲轴，曲轴使牙盘转动，牙盘的转动使与其啮合的链条动作，链条带动增速机构的两输入扭矩的牙盘，牙盘驱动速度合成器内齿轮啮合传动，最终输出在输出牙盘上，输出齿盘的链条驱动后轮齿盘[1]，牙盘带动内变速花鼓，经过花鼓内齿轮系的变化后输出在后轮上，使双人自行车前进。

2.2 变速部分

在运动合成部分完成运动合成后，安装一个具有多个同轴链轮的大牙盘。在牙盘旁边安装图1 所示的类似于普通变速自行车的变速装置，并将操纵变速的装置置于前车把。通过变速装置改变链条啮合的链轮半径大小，从而起到变速的作用，使得骑行者在上坡、下坡时都能有良好的骑行体验。

图1 速度调节器

3 结构设计

3.1 速度合成装置结构设计

为了能使两动力输出相加后同时输出在一个曲轴上，使两轴心处于同轴状态，两侧同时旋转，一侧齿轮传动，另一侧为其提供支撑并能旋转，保证齿轮的旋转通过齿轮的啮合传递到双齿轮轴的一侧，通过轴传递到另一侧齿轮，输出到行星轮上，由行星轮作为输出，传递到机构外[2]。结构如图2 所示。

图2 速度合成器图解及示意图

3.2 车链传动结构设计

因为经过验证，当速度合成器放在两踏板中间上方时，震动较少，且链条不会因为过长而容易滑落，故本设计将速度合成器放在了两踏板中间的位置，两踏板上链条连接机构的输入牙盘，经由速度合成器、牙盘、链条、后轮轴传递到后轮上[3]。

3.3 有限元分析

通过ANSYS 软件对自行车架进行了静力学分析，如图3 所示，建立了自行车架性能分析模型[4]，为车架的改良提供一定的思路。

图3 双人自行车车架有限元分析

分析过程以2 个质量为60 kg 的人为例，骑行中可将车架受力简化成在立管的车座处施加600 N。

约束条件：前立柱与后轮轴设置为固定约束。

网格划分：采用高雅可比算法以及三角形网格基于曲率的网格划分，局部网格细化应用在管材连接部分[5]。

从自行车架的整体总变形结果（图3）中可以看出，自称车架最大变形处位于后叉。在后叉部分，变形从车座位置到后轮轴位置呈现从大到小的趋势。

4 草图曲线和实体特征的建立

4.1 增速机构齿轮的绘制

使用“草图”命令，绘制出机构的大概位置及其输入牙盘。

使用“拉伸”，从过滤器中选择区域边界曲线，选择拉伸区域，完成输入牙盘的制作，如图4 所示。

图4 牙盘制作

使用“GC 工具箱”再“圆柱齿轮建模”选择创建齿轮，完成齿轮的创建，并连续使用此命令做出多个齿轮，同时用此命令中的齿轮啮合，使各部分齿轮进行啮合。

使用“草图”绘制一个旋转架并使用“拉伸”命令，如图5 所示。

图5 绘制旋转架

再次使用GC 工具箱绘制内啮合齿轮和外啮合齿轮，使用“草图”绘制出输出牙盘，完成增速机构内部结构的绘制，如图6 所示。

图6 增速机构内部结构

4.2 增速机构外壳的绘制

创建“草图”绘制出外壳边界曲线。

使用“拉伸”命令，对称拉伸后使用“边倒圆”命令后“抽壳”移除面，边界距离为3 mm，如图7所示。

图7 对称拉伸与抽壳

再次使用“草图”及“拉伸”命令为增速机构提供支撑以及限位，如图8 所示。

图8 提供支撑与限位

新建组件，插入“草图”绘制支撑，并使用“拉伸”命令使之与外壳完全吻合，并使用拉伸命令，腾出孔位。

再次“新建”组件，使用“投影曲线”“拉伸”后，再在壳体外侧使用“边倒圆”，完成外壳盖的绘制，如图9 所示。

图9 外壳盖

5 部分部件选择

5.1 车把选择

车把类型的选择直接影响着车手的体验，不同的车把会影响车子的性能、控制、灵活性，是关乎骑手的舒适性与安全性的转向及操纵关键部件。车把的类型有很多种，都根据个人习惯来添加副把，可以提升体验、缓解疲劳。目前自行车车把主要有4 种类型：①直把。操控性灵活，更容易控制方向，但舒适性一般，多用于一般骑行和比赛。②雁把。操控性好，骑行姿势很舒服，常用在山地越野车等用于激烈运动的车种上面。③弯把。有多种握持姿势，使身体前倾提高速度，但视野变小，无法很好地观察周围环境，一般用在专业比赛中。④蝴蝶把。操控性略差，但舒适性非常好，它经常用于长途旅行自行车。

综合考虑以上几种车把的特性，由于直把操控性好，综合性能较好，能有效控制突发事件的发生概率，保证安全骑行，且适合大部分人的操作习惯，所以直把较为合适。

5.2 刹车选择

刹车不仅仅是用来制停的，更重要的是用来控制车速，高速行驶中的自行车如果遇到特殊状况不能及时减速，那后果将是致命的。

碟刹是在轮毂处加装了一个与车轮同步的刹车盘，卡钳夹紧从而达到制动的目的。天气原因对制动影响小、散热快，不会影响制动效果，长时间工作不会发生爆胎、不影响轮框。

盘式制动器的最初设计是为了确保制动性能，以免污染影响制动器的性能。碟刹片是金属烧结体，且碟片较高不会轻易碰到泥沙，所以在雨天和泥浆中，工作情况依然良好，制动能力强。此外，由于盘式制动盘由钢制成并且通常是穿孔的，因此作为下坡制动器，热量的增加和衰减比其他制动器更好。双人自行车质量较大，则惯性也较大，如果不能有效地制动，将直接影响驾驶者的安全，所以应选择相对安全、可靠的碟刹。

6 结束语

整车的三维建模如图10 所示，本课题设计的带运动合成功能的双人调速自行车其结构简单明了，操作方式与普通双人自行车无较大差异，外观改变较大，相对于市面的双人自行车更具有吸引力，且有更快的速度，会深受自行车爱好者的喜爱。主要进行了以下方面的设计：①速度合成器的设计；②速度合成器的三维建模；③双人自行车结构的设计；④车体的受力分析。