魏雨楓，徐宗偉

（天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，天津 300072）

自行車作為一種便捷的交通工具，擁有近200 年的歷史。自行車的起源可追溯到19 世紀(jì)初，1817 年，德萊斯發(fā)明了第一臺具有現(xiàn)代意義的自行車，自此這種依靠雙腳交替踩踏來獲取前進動力的機械設(shè)備正式進入人們的生活[1]。

1 公路自行車運動的發(fā)展

公路自行車運動屬于體育運動大項中的小眾運動，被歐美國家的運動愛好者所喜愛，歐洲的自行車品牌例如Pinarello、Colnago、Look 等以及歐洲的公路自行車運動員與實力強大的世巡賽車隊，代表著當(dāng)今公路自行車制造業(yè)以及公路自行車運動的最高水平。近些年，由于中國國民生活水平和生活質(zhì)量的提高，人們對自行車運動的興趣與日俱增。近10 年專業(yè)自行車運動的普及度由2010 年的不足0.3%到如今的4%，專業(yè)的自行車運動正在被越來越多的中國愛好者接納?？茖W(xué)技術(shù)的不斷進步及其在體育運動領(lǐng)域的應(yīng)用，使得公路自行車騎行鎖鞋的科技含量大幅提升。各大廠商以幫助車手提高運動成績?yōu)樵O(shè)計核心，不斷改善其產(chǎn)品的多種競速性能，使其產(chǎn)品擁有更好的性能和更佳的用戶體驗[2]。

2 鎖踏系統(tǒng)的作用機制

如圖1 所示，鎖鞋是騎車時使鞋子和腳踏連接在一起的裝置，用于提高速度和體能效率，發(fā)力可以更充分，腳也不會被顛離腳踏的特質(zhì)專用鞋。自鎖鞋普遍鞋底比較硬，更適合直接發(fā)力。公路自行車鎖腳踏是由一塊高強度纖維樹脂或碳纖維的卡板和經(jīng)過特別設(shè)計的鞋底連接在一起，這些卡板與腳踏上的特殊裝置結(jié)合，通常扭轉(zhuǎn)腳部從腳踏上解脫。在騎行周期中相比于普通鞋子，有效作用長度由從頂部順時針到底部的踩踏環(huán)節(jié)，增加由底部順時針到頂部的提拉環(huán)節(jié)。相當(dāng)于在單腳的運動周期中都可以做功發(fā)力，如圖2所示。用自鎖腳踏一般來說可以省力25%以上，可以容易地登上以前很費力才能騎上的山坡，特別是長時間騎行會感覺輕松很多，這是因為一只腳踩下去的時候另一只腳還可以往上提，能省力很多。使用鎖踏之后，即使遇到坑洞或不平穩(wěn)的路況，或是爬坡、發(fā)力搖車、高踏頻的時候，雙腳依然穩(wěn)定地固定在踏板之上，可以避免因為踩空而發(fā)生危險。市面上的鎖踏系統(tǒng)可分為Shimano SPD-SL 系統(tǒng)、Look Keo 系統(tǒng)、Speedplay 棒棒糖系統(tǒng)和Time 系統(tǒng)4 種[3]。4 種鎖踏系統(tǒng)的性能對比如表1 所示[4]。

表1 市面4 種鎖踏系統(tǒng)的性能對比

圖1 公路自行車鎖鞋圖

3 市面上現(xiàn)有產(chǎn)品的缺陷與改進措施

現(xiàn)有的鎖鞋結(jié)構(gòu)都是通過使用3 顆六角螺絲將鎖片固定在鎖鞋的底部，拆卸鎖片時必須將3 顆六角螺絲用六角工具卸下才行，如圖1 所示。

騎行者在到達(dá)目的地、騎行時等待紅綠燈或中途解手等情況時需要將腳從鎖踏解鎖，才能站立行走。但是鎖片表面光滑，且與地面只有很小的接觸面積，導(dǎo)致其與地面的摩擦力小，騎行者容易摔倒受傷。而且，在上下樓梯、上下斜坡時會感到更加困難。筆者作為資深公路自行車玩家，通過仔細(xì)的研究與觀察思考，對鎖鞋與鎖踏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行了創(chuàng)新設(shè)計。

產(chǎn)品設(shè)計時考慮到技術(shù)矛盾的影響[5]，在一個子系統(tǒng)中引入一種有用功能后，會導(dǎo)致另一子系統(tǒng)產(chǎn)生一種有害功能，或加強了已存在的一種有害功能。而且一種有害功能會導(dǎo)致另一子系統(tǒng)有用功能的削弱。參考TRIZ 矛盾矩陣，得到了與本產(chǎn)品設(shè)計相關(guān)的2 對矛盾參數(shù)，如表2 所示。

表2 產(chǎn)品設(shè)計引入的矛盾參數(shù)與解決原理

由TRIZ 矛盾矩陣列表查找得到每對矛盾參數(shù)對應(yīng)的創(chuàng)新原理，根據(jù)創(chuàng)新原理重新設(shè)計產(chǎn)品的材料、外形、工藝、熱處理等性能參數(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化?；趧討B(tài)原理、局部質(zhì)量原理等，筆者們開始了相關(guān)3代產(chǎn)品的設(shè)計。本文使用NX12.0、Solidworks 以及Sketchup 草圖大師等軟件，搭建出公路自行車整體模型。

4 歷代產(chǎn)品的建模仿真與有限元分析

4.1 第一代產(chǎn)品設(shè)計

本文第一款鎖鞋鎖踏系統(tǒng)設(shè)計，其鞋底外觀設(shè)計參考了Shimano、Specialized SW7 RC902 與Santic 等公司的鎖鞋產(chǎn)品，如圖3 所示。圖4 展示了第一款系統(tǒng)的上緊機制結(jié)構(gòu)與可拆卸機構(gòu)。從下往上依次為鎖鞋鞋底、可拆卸連接銷釘、鎖片、固定墊片、六角螺絲、鎖踏；側(cè)方的從右向左依次為快拆桿把手、把手固定螺絲、快拆桿、墊片以及快拆桿上緊螺帽。其中鎖片通過六角螺絲與3 個連接銷和墊片相連，3 個可拆卸連接釘分別插入鎖鞋底部的3 個孔洞中，快拆桿依次穿過鎖鞋的通孔、可拆卸連接銷上的通孔、鎖鞋的通孔，通過上緊螺帽實現(xiàn)鎖片的固定。

圖3 第一款鎖鞋鎖踏系統(tǒng)及行走時鎖鞋結(jié)構(gòu)

圖4 第一款鎖鞋鎖踏系統(tǒng)構(gòu)造圖

圖3 展示了騎行者行走時的鎖鞋結(jié)構(gòu)。當(dāng)騎行者需要下車行走時，只需要旋動圖4 中的10 即可，鎖片和快拆銷可以一起被拆卸下來。鎖鞋底部的紅色網(wǎng)狀區(qū)域具有摩擦系數(shù)很大的材料，而且鎖鞋與地面擁有和正常鞋子幾乎一樣的接觸面積，可以產(chǎn)生足夠大的摩擦力，防止騎行者滑倒受傷。

第一代產(chǎn)品達(dá)到了初步實現(xiàn)鎖片可拆卸的要求，但是卻有一個很大的缺點，就是拆卸后會產(chǎn)生過多的小零件，包括可拆卸連接銷釘、鎖片、固定墊片、六角螺絲、快拆桿、墊片以及快拆干上緊螺帽。不方便騎行者實際攜帶。而且，連接銷的壁厚很薄，在承受顛簸路面帶來的鎖鞋瞬時沖擊力時，極易發(fā)生斷裂。本文通過workbench 靜力學(xué)分析，假設(shè)當(dāng)連接銷釘選用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)鋼時，對其施加200 N 的拉應(yīng)力，在薄壁處存在的危險截面可以產(chǎn)生峰值壓強P=9.4017×107Pa，如圖5 所示，對于薄壁件連接銷釘易發(fā)生強度失效，降低產(chǎn)品的可靠性。

圖5 第一款鎖鞋鎖踏系統(tǒng)的連接銷釘?shù)睦瓚?yīng)力分布圖

4.2 第二代產(chǎn)品設(shè)計

為了進一步簡化、完善零件裝配結(jié)構(gòu)的設(shè)計，提高可拆卸模塊的強度，進行了進一步優(yōu)化，設(shè)計出了第二款鎖鞋鎖踏系統(tǒng)。第二款鎖鞋鎖踏系統(tǒng)使用可搭載易于拆卸的鎖片搭載模塊的設(shè)計，鎖片同樣使用3顆六角螺絲、墊片與鎖片搭載可拆卸模塊相連。而且使用了蛹軸快拆桿，相比于第一款鎖鞋鎖踏系統(tǒng)的普通的快拆桿，它不需要上緊螺帽，可以和鎖鞋螺紋孔側(cè)的螺紋咬合，直接上緊和固定。第二款鎖鞋的騎行狀態(tài)結(jié)構(gòu)與行走狀態(tài)結(jié)構(gòu)如圖6 所示。當(dāng)騎行者從騎行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樾凶郀顟B(tài)時，只需要旋出2 支蛹軸快拆桿，取下鎖片搭載模塊即可。

圖6 第二款鎖鞋的騎行狀態(tài)結(jié)構(gòu)與行走狀態(tài)結(jié)構(gòu)

而且相較于第一款鎖鞋鎖踏系統(tǒng)的連接銷，第二款鎖鞋鎖踏系統(tǒng)鎖片搭載模塊擁有更厚更長的薄壁，在使用相同結(jié)構(gòu)的鋼材料時，同樣在快拆桿接觸面施加200 N 的拉應(yīng)力，在薄壁危險截面處產(chǎn)生峰值壓強P=1.193 8×106Pa，如圖7 所示。第二款鎖鞋鎖踏系統(tǒng)產(chǎn)生同樣比例形變，可以承受比第一款鎖鞋鎖踏系統(tǒng)的連接釘高70 倍的拉應(yīng)力。

圖7 第二款鎖鞋鎖踏系統(tǒng)的可拆卸模塊的拉應(yīng)力分析

4.3 第三代產(chǎn)品及其有限元分析

在行走時，第二款鎖鞋鎖踏系統(tǒng)的鞋底部分中空體積過大，存在鞋底強度變?nèi)?、邊緣易磨損破壞及對使用者的腳底保護不夠等不足。為了解決這些設(shè)計上的不足，提出了第三款鎖鞋鎖踏系統(tǒng)的設(shè)計，如圖8所示。第三款鎖鞋鎖踏系統(tǒng)，一方面采用了工字形狀的鎖片搭載模塊設(shè)計，較大程度上減小鎖鞋底部鏤空體積，另一方面又增添了行走搭載模塊，提高了行走時鞋底的強度和舒適性。當(dāng)騎行者正常騎行時，使用鎖片搭載模塊，當(dāng)需要走路時，旋出快拆桿，換上行走模塊并用快拆桿固定，行走模塊體積較小，便于騎行者隨身攜帶。第三款鎖鞋鎖踏系統(tǒng)已經(jīng)基本滿足所有設(shè)計需求，現(xiàn)需要對其做靜載荷強度校驗、脈動載荷疲勞校驗以及沖擊載荷強度校驗。綜合考慮到剛性和價格，本文設(shè)計的鎖鞋材料選用國產(chǎn)T1000 碳纖維材料。產(chǎn)品使用的T1000 材料性能結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表3所示[6]。

圖8 第三款鎖鞋鎖踏系統(tǒng)的設(shè)計

表3 鎖鞋T1000 碳纖維產(chǎn)品的材料性能參數(shù)

根據(jù)Specialized 鎖鞋的設(shè)計使用標(biāo)準(zhǔn)，鎖鞋底部應(yīng)滿足125 kg 使用者的基本靜載荷以及達(dá)到240%基本靜載荷沖擊力值的最大沖擊力，也就是說單腳的鎖鞋應(yīng)至少可以承受1 250 N 的靜載荷以及最大3 000 N的瞬間沖擊力。使用workbench 對靜載荷做有限元分析，如圖9 所示。

圖9 第三代產(chǎn)品的靜載荷有限元分析

由分析可得，1 250 N 靜載荷作用下危險截面處的剪切壓強P=2.899 2×107Pa。國產(chǎn)T1000 碳纖維的間層許用剪切強度[δ]=7.5×107Pa，遠(yuǎn)超過危險截面出的剪切壓強。可知在靜載荷作用下產(chǎn)品的強度設(shè)計滿足要求。

再對其進行噪聲載荷疲勞測試。本文選用一段類脈動噪聲載荷，如圖10 所示，在使用ANSYS 自帶的goodman 噪聲曲線修正功能進行應(yīng)力值修正后，對鞋面進行加載。經(jīng)校驗得出，在最大瞬時沖擊力為3 000 N的噪聲載荷作用下，產(chǎn)品危險截面處的使用壽命可到達(dá)124 770 次，當(dāng)使用1 200 N 的脈動載荷總用時，壽命可達(dá)1 000 000 次以上，如圖11 所示，符合市面（Look、Specialized、Santic 等公司的旗艦產(chǎn)品）的設(shè)計要求[7]。

圖10 對第三款產(chǎn)品施加的載荷噪聲曲線，并使用goodman 修正

運用雨點矩陣Rainflow Matrix 分析得，產(chǎn)品應(yīng)該主要承受低沖擊的噪聲載荷。采用損傷矩陣Damage Matrix 進行分析可得，高沖擊載荷造成的壽命損傷較低載荷成類指數(shù)函數(shù)增長，如圖12 所示。結(jié)合碳纖維產(chǎn)品強度高但是脆性大的特點，產(chǎn)品正常使用時應(yīng)注意避免受到過大的高載荷沖擊。

圖12 對第三款產(chǎn)品采用的Rainflow Matrix 矩陣分析以及Damage Matrix 矩陣分析

經(jīng)過Vray 渲染器以及NX12.0 自帶的渲染編輯器的渲染得到產(chǎn)品的真實渲染模型，如圖13 所示。

圖13 經(jīng)過真實渲染器渲染的第三款產(chǎn)品

5 結(jié)語

本文創(chuàng)新設(shè)計了鎖鞋的鞋底結(jié)構(gòu)，使其具有可快速拆卸鎖片的功能。圍繞拆卸便利性、鞋底剛度和強度分析等，開展了可拆卸鎖片的3 款鎖鞋鎖踏系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計研究。經(jīng)過靜載荷校驗，類脈動循環(huán)載荷校驗，第三代產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到設(shè)計的使用要求。本鎖鞋產(chǎn)品的鎖踏鎖扣結(jié)構(gòu)參考了Look Cycle Keo 產(chǎn)品，其可以自由搭配Shimano SPD-SL、Look Keo、Speedplay和Time 等4 款鎖踏系統(tǒng)的專用鎖片，以適應(yīng)四大系統(tǒng)的專用鎖踏。