李 謙，周 彥，周雙武

(吉首大學(xué) 物理與機電工程學(xué)院，湖南 吉首 416000)

0 引言

由于我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，幾乎每個家庭都配有一輛轎車，但也帶來了相應(yīng)的問題，城市道路擁擠，停車位不夠，環(huán)境污染嚴(yán)重，而共享單車的出現(xiàn)也說明這個問題需要迫切解決。但是傳統(tǒng)的單車為兩輪結(jié)構(gòu)，下雨天或者在路況較為不好的路面時，較容易發(fā)生意外。而且如果是很少接觸單車的人，難免會因為畏難心理而不敢使用。所以需要一個新型的自行車來解決這些問題。

1 設(shè)計理念

此多功能減震踏步自行車主要由轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)、驅(qū)動結(jié)構(gòu)、車架結(jié)構(gòu)組成。整體為常規(guī)自行車大小，為了保證輕便與強度從而采用中空鋁合金來組裝車身，采用曲柄的連接與驅(qū)動。使用者在驅(qū)動鏈條運動的時候進行腿部的上下踏步動作即可，動作幅度最大不會超過60°。如圖1所示。

本設(shè)計將自行車的鏈條傳動改為曲柄連接[1]，避免直接傳動時產(chǎn)生較大摩擦，從而達(dá)到省力的目的；同時，曲柄的連接使得踩踏起來更加輕松[2]，依靠重力進行踩踏，踩下一邊，另一邊會同時自動上升，從而兩邊進行往返運動；為了加強安全性，使得騎行過程中不發(fā)生摔倒、側(cè)翻等意外事件，對車輛降低了車體的重心并采用雙前導(dǎo)向輪模式。

為了使騎行適用人群更加廣泛，在前輪的支撐部分添加了平面連桿機構(gòu)[3]，行駛于崎嶇的路面時，輪胎部分會彈跳上升而自行車的整體不會發(fā)生太大的高度變化，能夠用于更多環(huán)境。此外，新增的車把回正功能，使自行車在行駛過程中能夠最大程度的減少左右搖擺帶來的顛簸以及操作難度，進一步提升了騎行的穩(wěn)定性[4]。最后，增加了拆卸的功能，將自行車的前輪以及把手可進行拆卸，可做購物車使用，這樣既充分利用了資源，又符合低碳環(huán)保的生活理念。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 雙輪轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)

我國本就是一個自行車大國，因為大多數(shù)的自行車采用兩輪結(jié)構(gòu)設(shè)計，所以在單獨駕駛自行車時，需要我們提前進行學(xué)習(xí)和練習(xí)，而且在這個過程中，也伴有一定的風(fēng)險[5]，一些因為天生平衡感很差或者是具有畏難情緒的人有可能就會望而卻步。

1.上連輪；2.連桿；3.摳桿；4.車架；5.車把；6.籃筐；7.籃筐架；8.車輪；9.踏板；10.轉(zhuǎn)向連桿；11.減震器；12.車輪導(dǎo)桿；13.導(dǎo)向桿；14.轉(zhuǎn)向連桿；15.鏈條圖1 多功能踏步自行車裝配圖

圖2 雙輪轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)示意圖

所以設(shè)計出雙輪轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，因為前輪數(shù)量從1個變成了2個(如圖2)，兩輪會幫助平衡車輛，使得用戶在駕駛時有更好的駕駛環(huán)境，雙輪可以更好地讓使用者對于前輪以及把手進行掌控。雙輪的轉(zhuǎn)向可以在行駛時提供更大的摩檫力，可以避免出現(xiàn)輪胎打滑的情況。此外，雙輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)可以輔助阻尼減震系統(tǒng)進行工作，雙輪都加上阻尼可以更好地實現(xiàn)穩(wěn)定性。

2.2 阻尼減震機構(gòu)

日常使用的自行車是直接將車頭與輪胎進行簡單連接，在路況較差的路面上行駛時，對于駕駛?cè)说谋哿σ蟾?，而且會讓雙臂產(chǎn)生酸痛感，對于接下來的騎行安全無法保證。由于車輛在行駛時，容易不經(jīng)意間壓過較大物體，從而會使全車產(chǎn)生晃動，對于駕駛者是很危險的。因此，特采用平面連桿機構(gòu)再加上阻尼器來連接車頭與前輪，如圖3所示，這樣的設(shè)計可以使車輛在落差較大的路面也可以較平穩(wěn)行駛。再加上雙輪結(jié)構(gòu)，使得車輛具有了減震緩沖功能，即使是在崎嶇的路面也能保持有一個良好的穩(wěn)定性[4]。

圖3 阻尼減震機構(gòu)

2.3 驅(qū)動結(jié)構(gòu)

驅(qū)動結(jié)構(gòu)為踏步裝置，采用平面連桿機構(gòu)，以達(dá)到良好的傳動效果[1]，如圖4所示，驅(qū)動時可以借助身體重力，從而達(dá)到省力的目的。

傳統(tǒng)的自行車驅(qū)動結(jié)構(gòu)為兩個踏板作圓周運動。驅(qū)動由人腿部提供主要的力量來源，但是長時間的機械運動，會增加疲勞感。但是如果采用將曲柄連桿與鏈條進行連接作為驅(qū)動機構(gòu)[3]。使腳的運動范圍變小，再加上身體重力的參與，可很好地緩解疲勞。

圖4 驅(qū)動部分結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 車架結(jié)構(gòu)

目前，自行車車架的材料主要有以下幾種：鋼、鋁合金、鈦合金、鎂合金、鈧合金、碳纖維等，一般市場上出現(xiàn)的車架主要有鋼、鋁合金、鈦合金、碳纖維。鈧合金和鎂合金是最近的新興材料[5]。經(jīng)過強度校核以及美觀與輕便的考慮，本車架全身采用鋁合金，車頭部分為中空結(jié)構(gòu)。設(shè)計時充分考慮到人體結(jié)構(gòu)，更加適合騎行[5]。從而，在選定材料的基礎(chǔ)上，考慮到踏板的安裝以及與車把的連接，利用三角形穩(wěn)定性的特點，將車架設(shè)計成三角形(如圖5)，可以保證強度與剛度的需求。

圖5 車架結(jié)構(gòu)設(shè)計

3 結(jié)論

在傳統(tǒng)自行車的基礎(chǔ)上對于部分結(jié)構(gòu)進行改進，在踏板上引入曲柄搖桿機構(gòu)可減輕使用者的動力輸出，前輪的阻尼結(jié)構(gòu)也可以保證車輛運動時減小搖晃感從而提高使用的舒適度，?？偨Y(jié)來說，此多功能踏步自行車有如下的一些優(yōu)點：

(1)駕駛更省力、力的轉(zhuǎn)化更高效。與傳統(tǒng)的自行車相比，本產(chǎn)品通過踏板與曲柄機構(gòu)的連接，將騎行時的自身重力轉(zhuǎn)化成動力，并且踏板能夠自動回升，達(dá)到了省力的效果[2]。

(2)更安全，更平穩(wěn)舒適。相比傳統(tǒng)自行車，前輪的雙輪設(shè)計可以有效提升車輛的穩(wěn)定性，使得產(chǎn)品安全性得到提高，可以降低發(fā)生交通事故的概率，從而可以擴大適用人群范圍。

擁有由平面四邊形結(jié)構(gòu)與彈簧組成的減震系統(tǒng)[4]，以及車體重心低等優(yōu)勢。