邢末

呼倫貝爾學(xué)院

基于Pbdal system中兩個(gè)零力矩向位的優(yōu)化方案

邢末

呼倫貝爾學(xué)院

自行車腳踏系統(tǒng)就是典型的Pbdalsystem，即往復(fù)循環(huán)系統(tǒng)。在這個(gè)Pbdalsystem一周的過程中有兩個(gè)死點(diǎn)，最有效的蹬踏范圍即90度附近，只占圓周的10%左右，所以即便是最優(yōu)秀的專業(yè)自行車運(yùn)動(dòng)員也無法達(dá)到將人力完全轉(zhuǎn)化為自行車的動(dòng)力，普通人在自行車的騎行過程中則損失了更大的能量，造成的人力資源的浪費(fèi)。中國是世界上自行車產(chǎn)量和擁有量最多的國家，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)全國約有4億輛自行車，但是現(xiàn)在的自行車的蹬踏系統(tǒng)中存在不能把人力完全轉(zhuǎn)化為自行車動(dòng)力的問題。本研究力圖改變自行車現(xiàn)有的輪盤圓周式的蹬踏方式，讓雙腿盡可能采取一種直線式的蹬踏方式，最大限度的把人力轉(zhuǎn)換為自行車的推進(jìn)力。

自行車；Pbdalsystem；零力矩向位；優(yōu)化方案

前言

自行車腳踏系統(tǒng)就是典型的Pbdalsystem，即往復(fù)循環(huán)系統(tǒng)。目前為止還沒有報(bào)道、立項(xiàng)和專利申請的記錄試圖只有李超設(shè)計(jì)了一種往復(fù)蹬踏式驅(qū)動(dòng)裝置，這種裝置極大的提高了人力的利用率，但在理論上并沒有突破圓周式的蹬踏模式，并且在現(xiàn)實(shí)中并沒有被廣泛運(yùn)用。因此在設(shè)計(jì)直線式的蹬踏裝置這一項(xiàng)目上還尚屬空白，有很多國外學(xué)者在設(shè)計(jì)新型的蹬踏系統(tǒng)，目前面世的只有匈牙利的設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的無鏈自行車，但是從蹬踏原理上來看并沒有突破圓盤式的蹬踏系統(tǒng)的束縛。我們的設(shè)計(jì)是直線式蹬踏，從而達(dá)到人力的100%的利用，這將是全新的嘗試。

一、理論依據(jù)

自從1871年法國人西夫拉克制造出第一個(gè)木質(zhì)自行車到現(xiàn)現(xiàn)在Pbdalsystem即蹬踏系統(tǒng)一直沒有改改變，以中軸位圓盤的圓周蹬踏系統(tǒng)有其自身不可調(diào)和的力學(xué)原理的劣勢，若假定人腳施加在腳蹬上的力F的方向是豎直向下的并保持不變的，那么有效分力F1則為Fsinα，α為曲柄OA與豎直方向的夾角。有研究表明有效的這部分平均分力只占人腳提供蹬踏力量的63.7%。可見普通自行車驅(qū)動(dòng)蹬踏裝置對人力的利用只有三分之二左右，圓盤式的驅(qū)動(dòng)蹬踏裝置必然會產(chǎn)生這樣的能量損失。李超設(shè)計(jì)了一種利用曲柄只在90度附近起效的裝置，叫做往復(fù)蹬踏式驅(qū)動(dòng)裝置，大大提高了力的利用率，但是我們完全有可能設(shè)計(jì)一種直線式的蹬踏裝置，這樣將人腿提供的蹬踏力量完全轉(zhuǎn)換成自行車的推動(dòng)力。

二、公式表達(dá)

由于力F的大小方向都不變，故又有如圖所示位置力F與車輪腳踏板桿垂直，在其它位置時(shí)可將力F分解為一個(gè)與車輪腳踏板桿始終垂直的力F⊥和一個(gè)與車輪腳踏板桿始終平行的力F//，由于F//在整個(gè)腳踏板轉(zhuǎn)動(dòng)過程中不做功，F(xiàn)⊥在車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過程只有在如圖A點(diǎn)時(shí)F⊥=F，除此點(diǎn)之外F⊥〈F，所以在車輪蹬踏系統(tǒng)中轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過程中F⊥所作的功小于F2πR。

由于力F的大小方向均不變，且始終與輪半徑垂直，在蹬踏系統(tǒng)的周期中力F做的功W=F2πR。所以第二種設(shè)計(jì)方法更節(jié)省能量。

三、市場預(yù)見

此項(xiàng)目研發(fā)目的在于開發(fā)出新型的直線式蹬踏驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人力在自行車推動(dòng)力上的100%的轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)重點(diǎn)則是在上下方的兩個(gè)死點(diǎn)，如果成功將成為自行車和自行車運(yùn)動(dòng)的一項(xiàng)重大革命，對于中國自行車運(yùn)動(dòng)和中國巨大的自行車適用人群將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。在自行車運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，直線的蹬踏驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)會以一種更合理更高效的方式提供動(dòng)力，并可能創(chuàng)造出更新更好的成績。中國是世界上自行車產(chǎn)量和擁有量最多的國家，據(jù)中國自行車協(xié)會的統(tǒng)計(jì)全國有4億輛自行車，如此巨大的使用量對于自行車自身部件的一點(diǎn)點(diǎn)改革所節(jié)省下來的能量都是有著巨大意義的。另外，新式蹬踏系統(tǒng)若研制成功必然商機(jī)無限。

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