楊萬(wàn)里，何玉輝，鄭孫梁，夏曉峰，趙 偉

（中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410006）

眾所周知，腳踏車(chē)的發(fā)展自它被發(fā)明以來(lái)就沒(méi)有停止過(guò)，雙人自行車(chē)無(wú)論是在國(guó)內(nèi)，還是在國(guó)外，都是一項(xiàng)十分不錯(cuò)的休閑娛樂(lè)項(xiàng)目。而近年來(lái)，隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。雙人自行車(chē)此類休閑健身產(chǎn)品在市場(chǎng)上的需求也越來(lái)越高，人們需要性能更加良好、結(jié)構(gòu)更符合需求的雙人自行車(chē)。正因此，國(guó)內(nèi)的雙人自行車(chē)行業(yè)也在快速發(fā)展。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)雙人自行車(chē)的研究改良有了進(jìn)一步發(fā)展，朝著人們生活便利的方向逐漸發(fā)展。但是，現(xiàn)在生產(chǎn)的雙人自行車(chē)大部分的改良方向都是外觀，只是為了使產(chǎn)品更加美觀，并沒(méi)有從根本上解決人們使用中的問(wèn)題。當(dāng)然，國(guó)內(nèi)也有人正在對(duì)雙人自行車(chē)本身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良，但是大部分研究還只停留在理論階段，至今并沒(méi)有應(yīng)用合成+變速組合的雙人自行車(chē)，對(duì)于此方面的研究不論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外都沒(méi)有深入進(jìn)行。

1 設(shè)計(jì)思路

本項(xiàng)目旨在利用行星輪增速器的原理配合變速器，在原有傳統(tǒng)的雙人自行車(chē)基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一種具有運(yùn)動(dòng)合成和變速功能的新型雙人自行車(chē)。

為使騎行者雙方在騎行過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)化率達(dá)到最高，即兩個(gè)騎者不論腳蹬的力大小，都能讓其轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)自行車(chē)的同時(shí)做功，本文將速度和力矩合成的裝置——行星輪速度合成器[1]應(yīng)用到雙人自行車(chē)的傳動(dòng)系統(tǒng)中，通過(guò)輸入大小不同的動(dòng)力，合成后的合動(dòng)力作為輸出動(dòng)力。這就解決了傳統(tǒng)雙人車(chē)因?yàn)閮擅T行者腳蹬速度大小不同產(chǎn)生踏空感的問(wèn)題，使其達(dá)到最優(yōu)的工作狀態(tài)。

不僅如此，本文所述設(shè)計(jì)將一套變速器安裝于鏈條上，通過(guò)騎行者的調(diào)節(jié)，獲得不同的動(dòng)力輸出，解決了傳統(tǒng)雙人自行車(chē)在上坡或者逆風(fēng)時(shí)，無(wú)法調(diào)節(jié)動(dòng)力輸出的問(wèn)題，使得騎行者可以節(jié)省體力、保持速度。

2 工作原理

2.1 速度合成部分

速度合成是通過(guò)配合行星輪增速機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)扭矩相加后并輸出在后輪上。它的結(jié)構(gòu)與原理并不復(fù)雜或難以理解，可以將其理解成為將兩人力的輸出加在同一個(gè)裝置上，再由裝置輸出動(dòng)力，輸出在雙人自行車(chē)的后輪。兩人踏動(dòng)踏板，踏板帶動(dòng)與之連接的曲軸，曲軸使牙盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，牙盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)使與其嚙合的鏈條動(dòng)作，鏈條帶動(dòng)增速機(jī)構(gòu)的兩輸入扭矩的牙盤(pán)，牙盤(pán)驅(qū)動(dòng)速度合成器內(nèi)齒輪嚙合傳動(dòng)，最終輸出在輸出牙盤(pán)上，輸出齒盤(pán)的鏈條驅(qū)動(dòng)后輪齒盤(pán)[1]，牙盤(pán)帶動(dòng)內(nèi)變速花鼓，經(jīng)過(guò)花鼓內(nèi)齒輪系的變化后輸出在后輪上，使雙人自行車(chē)前進(jìn)。

2.2 變速部分

在運(yùn)動(dòng)合成部分完成運(yùn)動(dòng)合成后，安裝一個(gè)具有多個(gè)同軸鏈輪的大牙盤(pán)。在牙盤(pán)旁邊安裝圖1 所示的類似于普通變速自行車(chē)的變速裝置，并將操縱變速的裝置置于前車(chē)把。通過(guò)變速裝置改變鏈條嚙合的鏈輪半徑大小，從而起到變速的作用，使得騎行者在上坡、下坡時(shí)都能有良好的騎行體驗(yàn)。

圖1 速度調(diào)節(jié)器

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 速度合成裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了能使兩動(dòng)力輸出相加后同時(shí)輸出在一個(gè)曲軸上，使兩軸心處于同軸狀態(tài)，兩側(cè)同時(shí)旋轉(zhuǎn)，一側(cè)齒輪傳動(dòng)，另一側(cè)為其提供支撐并能旋轉(zhuǎn)，保證齒輪的旋轉(zhuǎn)通過(guò)齒輪的嚙合傳遞到雙齒輪軸的一側(cè)，通過(guò)軸傳遞到另一側(cè)齒輪，輸出到行星輪上，由行星輪作為輸出，傳遞到機(jī)構(gòu)外[2]。結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 速度合成器圖解及示意圖

3.2 車(chē)鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因?yàn)榻?jīng)過(guò)驗(yàn)證，當(dāng)速度合成器放在兩踏板中間上方時(shí)，震動(dòng)較少，且鏈條不會(huì)因?yàn)檫^(guò)長(zhǎng)而容易滑落，故本設(shè)計(jì)將速度合成器放在了兩踏板中間的位置，兩踏板上鏈條連接機(jī)構(gòu)的輸入牙盤(pán)，經(jīng)由速度合成器、牙盤(pán)、鏈條、后輪軸傳遞到后輪上[3]。

3.3 有限元分析

通過(guò)ANSYS 軟件對(duì)自行車(chē)架進(jìn)行了靜力學(xué)分析，如圖3 所示，建立了自行車(chē)架性能分析模型[4]，為車(chē)架的改良提供一定的思路。

圖3 雙人自行車(chē)車(chē)架有限元分析

分析過(guò)程以2 個(gè)質(zhì)量為60 kg 的人為例，騎行中可將車(chē)架受力簡(jiǎn)化成在立管的車(chē)座處施加600 N。

約束條件：前立柱與后輪軸設(shè)置為固定約束。

網(wǎng)格劃分：采用高雅可比算法以及三角形網(wǎng)格基于曲率的網(wǎng)格劃分，局部網(wǎng)格細(xì)化應(yīng)用在管材連接部分[5]。

從自行車(chē)架的整體總變形結(jié)果（圖3）中可以看出，自稱車(chē)架最大變形處位于后叉。在后叉部分，變形從車(chē)座位置到后輪軸位置呈現(xiàn)從大到小的趨勢(shì)。

4 草圖曲線和實(shí)體特征的建立

4.1 增速機(jī)構(gòu)齒輪的繪制

使用“草圖”命令，繪制出機(jī)構(gòu)的大概位置及其輸入牙盤(pán)。

使用“拉伸”，從過(guò)濾器中選擇區(qū)域邊界曲線，選擇拉伸區(qū)域，完成輸入牙盤(pán)的制作，如圖4 所示。

圖4 牙盤(pán)制作

使用“GC 工具箱”再“圓柱齒輪建模”選擇創(chuàng)建齒輪，完成齒輪的創(chuàng)建，并連續(xù)使用此命令做出多個(gè)齒輪，同時(shí)用此命令中的齒輪嚙合，使各部分齒輪進(jìn)行嚙合。

使用“草圖”繪制一個(gè)旋轉(zhuǎn)架并使用“拉伸”命令，如圖5 所示。

圖5 繪制旋轉(zhuǎn)架

再次使用GC 工具箱繪制內(nèi)嚙合齒輪和外嚙合齒輪，使用“草圖”繪制出輸出牙盤(pán)，完成增速機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的繪制，如圖6 所示。

圖6 增速機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4.2 增速機(jī)構(gòu)外殼的繪制

創(chuàng)建“草圖”繪制出外殼邊界曲線。

使用“拉伸”命令，對(duì)稱拉伸后使用“邊倒圓”命令后“抽殼”移除面，邊界距離為3 mm，如圖7所示。

圖7 對(duì)稱拉伸與抽殼

再次使用“草圖”及“拉伸”命令為增速機(jī)構(gòu)提供支撐以及限位，如圖8 所示。

圖8 提供支撐與限位

新建組件，插入“草圖”繪制支撐，并使用“拉伸”命令使之與外殼完全吻合，并使用拉伸命令，騰出孔位。

再次“新建”組件，使用“投影曲線”“拉伸”后，再在殼體外側(cè)使用“邊倒圓”，完成外殼蓋的繪制，如圖9 所示。

圖9 外殼蓋

5 部分部件選擇

5.1 車(chē)把選擇

車(chē)把類型的選擇直接影響著車(chē)手的體驗(yàn)，不同的車(chē)把會(huì)影響車(chē)子的性能、控制、靈活性，是關(guān)乎騎手的舒適性與安全性的轉(zhuǎn)向及操縱關(guān)鍵部件。車(chē)把的類型有很多種，都根據(jù)個(gè)人習(xí)慣來(lái)添加副把，可以提升體驗(yàn)、緩解疲勞。目前自行車(chē)車(chē)把主要有4 種類型：①直把。操控性靈活，更容易控制方向，但舒適性一般，多用于一般騎行和比賽。②雁把。操控性好，騎行姿勢(shì)很舒服，常用在山地越野車(chē)等用于激烈運(yùn)動(dòng)的車(chē)種上面。③彎把。有多種握持姿勢(shì)，使身體前傾提高速度，但視野變小，無(wú)法很好地觀察周?chē)h(huán)境，一般用在專業(yè)比賽中。④蝴蝶把。操控性略差，但舒適性非常好，它經(jīng)常用于長(zhǎng)途旅行自行車(chē)。

綜合考慮以上幾種車(chē)把的特性，由于直把操控性好，綜合性能較好，能有效控制突發(fā)事件的發(fā)生概率，保證安全騎行，且適合大部分人的操作習(xí)慣，所以直把較為合適。

5.2 剎車(chē)選擇

剎車(chē)不僅僅是用來(lái)制停的，更重要的是用來(lái)控制車(chē)速，高速行駛中的自行車(chē)如果遇到特殊狀況不能及時(shí)減速，那后果將是致命的。

碟剎是在輪轂處加裝了一個(gè)與車(chē)輪同步的剎車(chē)盤(pán)，卡鉗夾緊從而達(dá)到制動(dòng)的目的。天氣原因?qū)χ苿?dòng)影響小、散熱快，不會(huì)影響制動(dòng)效果，長(zhǎng)時(shí)間工作不會(huì)發(fā)生爆胎、不影響輪框。

盤(pán)式制動(dòng)器的最初設(shè)計(jì)是為了確保制動(dòng)性能，以免污染影響制動(dòng)器的性能。碟剎片是金屬燒結(jié)體，且碟片較高不會(huì)輕易碰到泥沙，所以在雨天和泥漿中，工作情況依然良好，制動(dòng)能力強(qiáng)。此外，由于盤(pán)式制動(dòng)盤(pán)由鋼制成并且通常是穿孔的，因此作為下坡制動(dòng)器，熱量的增加和衰減比其他制動(dòng)器更好。雙人自行車(chē)質(zhì)量較大，則慣性也較大，如果不能有效地制動(dòng)，將直接影響駕駛者的安全，所以應(yīng)選擇相對(duì)安全、可靠的碟剎。

6 結(jié)束語(yǔ)

整車(chē)的三維建模如圖10 所示，本課題設(shè)計(jì)的帶運(yùn)動(dòng)合成功能的雙人調(diào)速自行車(chē)其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，操作方式與普通雙人自行車(chē)無(wú)較大差異，外觀改變較大，相對(duì)于市面的雙人自行車(chē)更具有吸引力，且有更快的速度，會(huì)深受自行車(chē)愛(ài)好者的喜愛(ài)。主要進(jìn)行了以下方面的設(shè)計(jì)：①速度合成器的設(shè)計(jì)；②速度合成器的三維建模；③雙人自行車(chē)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；④車(chē)體的受力分析。

圖10 雙人自行車(chē)三維建模

本次設(shè)計(jì)工作目的在于針對(duì)市場(chǎng)上大部分產(chǎn)品作出調(diào)整與改進(jìn)，使雙人自行車(chē)有更好的發(fā)展空間，本次調(diào)整設(shè)計(jì)以下幾個(gè)方面：①提高自行車(chē)最大行駛速度；②雙人自行車(chē)傳統(tǒng)減震前叉的升級(jí)；③提高舒適性及安全。這些方面是現(xiàn)今市場(chǎng)上雙人自行車(chē)主要存在的問(wèn)題。只有不斷完善和改進(jìn)，雙人自行車(chē)的產(chǎn)業(yè)才會(huì)有創(chuàng)新與發(fā)展。