張靜 吳小平

（西南交通大學峨眉校區(qū) 四川峨眉 614200）

手搖腳踏車的設計

張靜 吳小平

（西南交通大學峨眉校區(qū) 四川峨眉 614200）

在自行車早期的設計和發(fā)展中，很多人都嘗試過將自行車變成可以手搖腳踏自行車，以提高騎行速度，減輕腿部用力，然而最終都因效率低下、安全性差而宣告失敗。目前人們仍然在進行不斷探索，以期通過手搖腳踏方式能夠鍛煉全身肌肉。本文以一款已經實現的手搖腳踏自行車為藍本，研究并分析這種自行車的組成原理和相關尺寸關系。

運動機構 作圖法 仿真

引言

1.分析并確定圖示機構的運動原理，提出可能的運動機構方案，了解其工作過程；

2.掌握手搖和腳踏兩個動力輸入的組合方式及輸出效果；

3.解決該自行車在騎行過程的轉向問題；

4.適用范圍體重在40-140kg，身高在1.3米-1.8米；

5.用軟件進行可視化仿真。

1.運動機構的設計

設計對象包括車架、前輪、后輪、手搖驅動機構和腳踏驅動機構，手驅動機構連接踏板，腳踏驅動機構驅動連接后輪，腳踏驅動帶動后輪上的齒輪運動，齒輪帶動后輪運動，后輪將動力傳給前輪，從而實現車向前運動。

若要該自行車正常行駛，要確定合理的手柄的擺角Ψ，則要根據人體運動學來確定擺桿的長度；

用UG軟件繪制曲柄搖桿運動簡圖如下：

自由度F，F=3n-2pl-ph，F=3*3-2*4=1

用ug軟件畫出整體的運動簡圖如下：

3是曲柄，1是主動件，這是曲柄搖桿機構，其極位夾角為θ=180°（k-1/k+1），設K=1.25，則θ=20°＞0.滿足曲柄搖桿中有急回特性的條件，即桿1具有急回特性.

2.作圖法確定桿長

設人身高1.6m為題目要求1.3m-1.8m的平均身高，手臂平均長為0.5m，腳到胸前的長度約為1.28m，腳到手臂的長度為1.30m，上手柄長為0.8m，下手柄長為 0.48m，根據人體運動學原理和余弦定理 =（1.28^2+1.3^2-0.5^2）/（2*1.3*1.28）=0.925，Ψ=45°.

A，C1，C2三點所在圓和θ角之關系；

AC1，AC2，AB，BC長度關系：

AC1=BC-AB

AC2=BC+AB

AB=（AC2-AC1）/2

比例尺ul=（）==0.016

假設A在圖示位置，測得0.56m，=0.56m，=0.14m，

已知=0.48m，所以曲柄長0.14m，腳踏板長0.56m，機架長0.56m.

3.檢驗其結果

1.曲柄是否存在：因為+=+（）＜+（）所以曲柄存在

2.連桿是否順序到位

設A（0，0），D（1，0）

又因為兩個位置的坐標為 （-0.4，2.65），（0.62，0.62）（1.88，2.87），（0.79，0，37）.所以=0.137＞0，=9.38＞0

二者同號，連桿能順序到位.

3.又因為

曲柄搖桿的的計算公式為：

得出=47°，為了保證機構具有良好的傳動性能，設計時通常應使40°.所以此位置的機構和各尺寸長度符合運動條件.

4.建模

1.桿件模型

2.整體模型

設車輪直徑為66cm，騎車速度為12km/h，約為3.3m/s；取小齒輪的齒數為z2=34，大齒輪為z1=57，則取傳動比為i=z2/z1=0.6.

設車輪半徑為r，車轉動的角速度為ω，前鏈輪角速度為ω1，后鏈輪角速度為ω2=ω，則ω=v/r=3.3（m/s）/0.33m=10rad/s，又n1/n2=z2/z1，所以ω1=2πn1=ω2*i=10*0.6rad/s=6rad/s，n1=57r/min，即為曲柄搖桿中曲柄的轉速，曲柄的速度為=*ω1=0.14m/s*6rad/s=0.84m/s.

［1］機械設計、機械設計基礎課程設計，王昆等主編，北京：高等教育出版社，1996

［2］機械設計、機械設計基礎課程設計，王昆等主編，北京：高等教育出版社，1996

［3］機械零件設計手冊（第二版）/中冊，東北工學院《機械零件設計手冊》編寫組編，冶金工業(yè)出版社，1982

［4］孫恒陳作模葛文杰.機械原理（第七版）.北京：高等教育出版社，2006

［5］安琦王建文.機械設計課程設計.上海：華東理工大學出版社，2012

［6］吳宗澤.機械零件設計手冊【2】.北京：機械工業(yè)出版社，2004.