一種省力自行車的傳動機構的設計

展靖華　王珺　連文香

摘 要：普通鏈輪自行車的是鏈輪傳動，它的行走完全靠人力通過腳踏板和曲柄驅動，傳動機構僅由一對鏈輪和鏈條組成，文章在普通鏈輪自行車傳動機構的基礎上對傳動機構進行改善，增加了一排行星齒輪機構，使自行車更加省力，且鏈輪鏈條改為錐齒輪傳動方式，避免了騎行過程中拖鏈、斷鏈、夾住褲子以及潤滑油弄臟衣褲等問題。

關鍵詞：自行車；省力機構；行星齒輪

我國是人口大國，使用自行車數量巨大，且目前對人們對環境和自我休閑娛樂及身心健康發展要求越來越高，使用自行車的數量逐漸提高，因此不同傳動機構的自行車也發展迅速，目前自行車的研究主要集中于橢圓齒輪自行車和變速自行車及電動自行車的研究上，普通鏈輪自行車的改善和研究相對較少，但是普通人力自行車有很多優點和發展空間，本文設計出一種省力自行車傳動機構，改鏈輪鏈條傳動為錐齒輪傳動方式，并增加一排行星齒輪機構，改變了騎行過程中拖鏈、斷鏈、夾住褲子以及潤滑油弄臟衣褲等問題，這種自行車騎行輕松，速度更高，道路通過能力更強且傳動效率高。

1 設計理論

2K-H行星齒輪傳動機構典型且結構簡單，若固定其中一個元件，另外兩個元件一個作為輸入，另一個輸出，這種行星齒輪機構能達到增大或者降低扭矩的效果，首先我們需從2K-H行星齒輪傳動機構的運動方程說明問題。

此行星齒輪機構運動特性方程為：

2 設計方案

圖1是本文所設計的自行車傳動機構的主視圖，在自行車后輪驅動上增加行星齒輪機構。輸入動力從腳踏板2輸入，經過主動錐齒輪1、主動中間錐齒輪3和從動中間錐齒輪7、傳動軸4，動力到達從動錐齒輪11。太陽輪動10由從動錐齒輪帶動，行星架6固定，自行車后輪有齒圈5驅動。

3 傳動機構分析對比

3.1 自行車后輪驅動拉力對比

自行車是利用杠桿原理制成的，鏈輪自行車的構造是：在自行車后輪輪轂上安裝有飛輪，鏈條帶動飛輪轉動，飛輪帶動輪轂轉動使車輛前進。只要作用與飛輪上的鏈條拉力力矩大于地面阻力矩，自行車就可以前進，即鏈輪自行車后輪驅動力的力臂是飛輪半徑，因此在自行車后輪直徑不變及道路阻力相同的條件下，只要適當的增大驅動力力臂，就可以改變驅動力，使自行車省力一些。本文所設計的省力自行車后輪由齒圈驅動，同理，只要作用于齒圈外徑上拉力矩大于地面阻力矩就可驅動這種自行車前進。

表1是現有一款鏈輪自行車傳動機構數據表，表2為所設計的省力自行車傳動機構參數表。

下面我們通過數據計算說明，根據圖2的自行車后輪受力圖，鏈輪自行車所需的驅動拉力FL為：

式2為鏈輪自行車驅動拉力計算公式，其中FZ-地面阻力、RC-自行車后輪半徑，p-鏈輪節距、z-飛輪齒數。

式3為省力自行車驅動拉力計算公式，其中Dq-齒圈直徑，FZ和RC意義同式2。

3.2 轉速對比

將表1和表2的參數帶入式4和式6，分別計算鏈輪自行車的轉速比和省力自行車的轉速比。

式4為鏈輪自行車轉速比計算公式，ny、nf分別為牙盤和飛輪轉速，Zy、Zf分別為牙盤和飛輪齒數。

省力自行車的轉速比分為兩部分計算，其中錐齒輪部分的傳動比為i1，行星齒輪機構部分的傳動比為i2，行星齒輪機構將行星架固定，太陽輪由從動錐齒輪驅動，為主動件，齒圈被動，通過式5和式6可計算出轉速比，其中自行車運動方向通過圖3可以判斷，前進方向和自行車曲柄轉動方向一致。

式中：Zm1-主動中間錐齒輪；Zc-從動錐齒輪；ZZ-主動錐齒輪；Zm2-從動中間錐齒輪；n1、Z1-太陽輪轉速和齒數；n3、Z3-齒圈轉速和齒數；i2-省力自行車總的轉速比；iz-錐齒輪部分的傳動比；ix-行星齒輪部分的傳動比。

假設地面阻力為3kg，人力驅動腳踏板旋轉一周，將表1和表2的數據帶入上面各公式得到鏈輪自行車的驅動拉力和轉速比，以及省力自行車的驅動拉力和轉速比如下表所示。

從表3的數據可以看出，在道路阻力不變的條件下，驅動省力自行車要比驅動鏈輪自行車更加容易一些；人力腳踏板同樣踩一圈的情況下，鏈輪自行車后輪轉2周，而省力自行車轉3.36周，由上述兩點結論看出本文所設計的省力自行車傳動機構更加優越。

本文所設計的省力無鏈自行車有以下特點：（1）在鏈輪自行車基礎上，傳動機構設計改進后，自行車更加省力，且車速有所提高。（2）改裝也比較容易一些。（3）傳動機構變復雜了，制造和成本稍有提高，齒輪也需要定期潤滑。

綜上所述，該設計方案具有一定的參考和社會推廣價值。

參考文獻

[1]趙建有，高謀榮.中國自行車交通與城市交通可持續發展[J].長安大學學報，2007，27（4）：70-74.

[2]李文江，王小元，汪壯壯.一種概念自行車的設計與研究[J].滁州學院學報，2014.16（3）.