基于Pbdal system中兩個零力矩向位的優化方案

邢末

[摘要]自行車腳踏系統就是典型的Pbdalsystem，即往復循環系統。在這個Pbdalsystem一周的過程中有兩個死點，最有效的蹬踏范圍即90度附近，只占圓周的10%左右，所以即便是最優秀的專業自行車運動員也無法達到將人力完全轉化為自行車的動力，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。中國是世界上自行車產量和擁有量最多的國家，據不完全統計全國約有4億輛自行車，但是現在的自行車的蹬踏系統中存在不能把人力完全轉化為自行車動力的問題。本研究力圖改變自行車現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換為自行車的推進力。

[關鍵詞]自行車;Pbdalsystem;零力矩向位;優化方案

前言

自行車腳踏系統就是典型的Pbdalsystem，即往復循環系統。目前為止還沒有報道、立項和專利申請的記錄試圖只有李超設計了一種往復蹬踏式驅動裝置，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，并且在現實中并沒有被廣泛運用。因此在設計直線式的蹬踏裝置這一項目上還尚屬空白，有很多國外學者在設計新型的蹬踏系統，目前面世的只有匈牙利的設計師設計的無鏈自行車，但是從蹬踏原理上來看并沒有突破圓盤式的蹬踏系統的束縛。我們的設計是直線式蹬踏，從而達到人力的100%的利用，這將是全新的嘗試。

一、理論依據

自從1871年法國人西夫拉克制造出第一個木質自行車到現現在Pbdalsystem即蹬踏系統一直沒有改改變，以中軸位圓盤的圓周蹬踏系統有其自身不可調和的力學原理的劣勢，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%。可見普通自行車驅動蹬踏裝置對人力的利用只有三分之二左右，圓盤式的驅動蹬踏裝置必然會產生這樣的能量損失。李超設計了一種利用曲柄只在90度附近起效的裝置，叫做往復蹬踏式驅動裝置，大大提高了力的利用率，但是我們完全有可能設計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換成自行車的推動力。

二、公式表達

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，在其它位置時可將力F分解為一個與車輪腳踏板桿始終垂直的力F⊥和一個與車輪腳踏板桿始終平行的力F//，由于F//在整個腳踏板轉動過程中不做功，F⊥在車輪轉動一周的過程只有在如圖A點時F⊥=F，除此點之外F⊥

由于力F的大小方向均不變，且始終與輪半徑垂直，在蹬踏系統的周期中力F做的功W=F2πR。所以第二種設計方法更節省能量。

三、市場預見

此項目研發目的在于開發出新型的直線式蹬踏驅動系統，實現人力在自行車推動力上的100%的轉換。設計重點則是在上下方的兩個死點，如果成功將成為自行車和自行車運動的一項重大革命，對于中國自行車運動和中國巨大的自行車適用人群將產生深遠影響。在自行車運動領域，直線的蹬踏驅動系統會以一種更合理更高效的方式提供動力，并可能創造出更新更好的成績。中國是世界上自行車產量和擁有量最多的國家，據中國自行車協會的統計全國有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點改革所節省下來的能量都是有著巨大意義的。另外，新式蹬踏系統若研制成功必然商機無限。

參考文獻

[1]鄧衛斌，黃景明.自行車折疊設計探討研究[J].科技資訊，2010（31）.

[2]李俄收，王遠，吳文民.超高速飛輪儲能技術及應用研究[J].微特電機.2010（06）.

[3]江南.新世紀全力推出箱型折疊式自行車[J].中國自行車，2007（07）.

[4]曠紅梅，楊隨先.基于人機工程學的自行車騎姿改進設計[J].機械，2007（03）.

[5]陳向明.自行車造型設計中的人性化體現[D].吉林大學，2011.

[6]林霜.自行車設計中的人機因素分析與研究[D].昆明理工大學，2008.