具有跑步健身功能的單車設計

黃浩 徐利超 李孝祿 朱俊江 張遠輝

摘 要：設計了具有跑步健身功能的單車。在自行車結構上創新性地設計跑步機構，利用健身者跑步的動能驅動自行車。本設計具有自行車和跑步機雙重功能。

關鍵詞：自行車；跑步機；跑步機構

中圖分類號：G872.3 文獻標識碼：A

隨著人們生活品質的提高，越來越多的人通過使用跑步機來鍛煉身體。而自行車是代步、鍛煉身體、越野旅游、運動比賽以及少量貨物運送的節能環保交通工具[1，2]。本研究將二者結合起來，設計出一種具有跑步健身功能的自行車。

1 設計方案

1.1 設計要求和原理

在原先的自行車基礎上去掉了腳踏板結構，改為由履帶驅動，具有跑步健身功能。保留座位可滿足使用者休息的需求。設計運動人數為2人，最大載重為150kg，最高速度10km/h，自行車長為1.83m，高為1.5m，寬為0.60m。結構如圖1所示。

其工作原理如圖2所示。人通過腳與跑步機帶之間的摩擦帶動跑步機帶傳動，帶傳動又帶動軸1轉動，軸1上安放直齒圓柱齒輪A，直齒圓柱齒輪A與軸2上的直齒圓柱齒輪B一起轉動，帶動軸2轉動，軸2上的直齒圓柱齒輪C與自行車腳踏板的飛輪通過鏈條傳動，使自行車前行。

1.2 關鍵部件設計

該健身自行車由車把、前叉、前軸、前輪等部件組成導向系統，乘騎者可以通過操縱車把來改變行駛方向并保持車身平衡。龍頭結構通體采用金屬焊接的方式，保證龍頭的結實可靠，本設計中采用現有的自行車的前車部分。

在龍頭與履帶的結合處兩邊，設計了連接機構，該結構由一塊焊接在履帶外殼上的鋼板，車架和一個輔助連接件組成，共有一個用于固定車架的孔，兩個用于調節車架的孔，三個孔的內徑均為8mm，用材料為Q235和性能等級為4.6的六角頭螺栓螺母連接固定。若要選擇選擇騎行方式時，只需卸下自行車前半部分的跑步狀態的兩個螺栓，旋轉車架和輔助連接至對準兩個輔助連接孔，并用螺絲擰緊，從而使坐在座椅上的人能夠控制龍頭。

健身者跑步時是通過摩擦阻力帶動履帶傳動，履帶通過摩擦阻力帶動履帶內的軸，使履帶始終處于循環運動的狀態。選取長為200mm，寬為400mm，厚為2mm的復合材料履帶。整個框架大小為長790mm，寬為470，高為60mm的不銹鋼制框架。履帶內的軸為直徑20mm，長為428mm，履帶后的軸直徑為20mm，長為428mm。后軸通過軸承連接與后軸相連，并通過焊接與前面的連接軸連接。并安裝調節軸調節履帶的緊松。連接在履帶內的軸上的直齒圓柱齒輪A、B和C的模數為5，齒數為18，通過過盈連接的方式連接在跑步機履帶內的軸上。該軸通過軸承固定在跑步機金屬外殼上。飛輪齒數為48，鏈條為08a單排鏈條。本設計保留原自行車制動機構。

為了使機構更加可靠并增強自行車的跑步穩定性，在自行車兩側增加了萬向輪。選用8寸尼龍萬向輪，在自行車履帶外殼兩側焊接了鋼板，通過80×80×2直角連接件和M4的螺栓螺母固定，保證可靠性。

設計的具有跑步健身功能的自行車如圖3所示。

2 關鍵部件受力分析

關鍵受力部件為履帶外殼和龍頭的連接處。在履帶外殼的左右兩側均有此連接結構。這種連接是利用螺栓抗剪切來承受載荷，共有6組螺栓螺母承受剪切應力。利用CATIA軟件進行其受力分析。按照設計參數對材料為Q235、性能等級為4.6的M8六角頭螺栓進行有限元分析，觀察其在受力后的變形情況，結果下圖4和圖5所示。

由上圖可知，該螺栓最大應力為σmax=16.8Mpa96Mpa，[JP]與理論計算結果基本保持一致，最大應力在螺栓頭與螺桿的末端。最大變形為0.00451mm，螺栓切向應力遠小于螺栓的最大許用切應力，滿足設計要求。

3 結語

設計的具有跑步功能的單車將自行車和跑步機的功能結合在一起，利用跑步產生的動能驅動自行車，即能節省健身者時間，又具有環保和節能減排的意義，具有廣闊的市場前景。

參考文獻：

[1] 李孝祿，王東平，李娟，等.利用太陽能實現電動自行車供電的研究[J].太陽能學報， 2016， 37（4）：884890.

[2] 李孝祿，黃建鋒，王東平，等.采用交錯并聯技術的電動三輪車光伏充電控制系統[J].中國電機工程學報，2016， 36（11）： 29092917.