一種多功能減震踏步自行車的設計

李 謙，周 彥，周雙武

(吉首大學 物理與機電工程學院，湖南 吉首 416000)

0 引言

由于我國經濟的快速發展，幾乎每個家庭都配有一輛轎車，但也帶來了相應的問題，城市道路擁擠，停車位不夠，環境污染嚴重，而共享單車的出現也說明這個問題需要迫切解決。但是傳統的單車為兩輪結構，下雨天或者在路況較為不好的路面時，較容易發生意外。而且如果是很少接觸單車的人，難免會因為畏難心理而不敢使用。所以需要一個新型的自行車來解決這些問題。

1 設計理念

此多功能減震踏步自行車主要由轉向結構、驅動結構、車架結構組成。整體為常規自行車大小，為了保證輕便與強度從而采用中空鋁合金來組裝車身，采用曲柄的連接與驅動。使用者在驅動鏈條運動的時候進行腿部的上下踏步動作即可，動作幅度最大不會超過60°。如圖1所示。

本設計將自行車的鏈條傳動改為曲柄連接[1]，避免直接傳動時產生較大摩擦，從而達到省力的目的；同時，曲柄的連接使得踩踏起來更加輕松[2]，依靠重力進行踩踏，踩下一邊，另一邊會同時自動上升，從而兩邊進行往返運動；為了加強安全性，使得騎行過程中不發生摔倒、側翻等意外事件，對車輛降低了車體的重心并采用雙前導向輪模式。

為了使騎行適用人群更加廣泛，在前輪的支撐部分添加了平面連桿機構[3]，行駛于崎嶇的路面時，輪胎部分會彈跳上升而自行車的整體不會發生太大的高度變化，能夠用于更多環境。此外，新增的車把回正功能，使自行車在行駛過程中能夠最大程度的減少左右搖擺帶來的顛簸以及操作難度，進一步提升了騎行的穩定性[4]。最后，增加了拆卸的功能，將自行車的前輪以及把手可進行拆卸，可做購物車使用，這樣既充分利用了資源，又符合低碳環保的生活理念。

2 結構設計

2.1 雙輪轉向結構

我國本就是一個自行車大國，因為大多數的自行車采用兩輪結構設計，所以在單獨駕駛自行車時，需要我們提前進行學習和練習，而且在這個過程中，也伴有一定的風險[5]，一些因為天生平衡感很差或者是具有畏難情緒的人有可能就會望而卻步。

1.上連輪；2.連桿；3.摳桿；4.車架；5.車把；6.籃筐；7.籃筐架；8.車輪；9.踏板；10.轉向連桿；11.減震器；12.車輪導桿；13.導向桿；14.轉向連桿；15.鏈條圖1 多功能踏步自行車裝配圖

圖2 雙輪轉向結構示意圖

所以設計出雙輪轉向結構，因為前輪數量從1個變成了2個(如圖2)，兩輪會幫助平衡車輛，使得用戶在駕駛時有更好的駕駛環境，雙輪可以更好地讓使用者對于前輪以及把手進行掌控。雙輪的轉向可以在行駛時提供更大的摩檫力，可以避免出現輪胎打滑的情況。此外，雙輪轉向機構可以輔助阻尼減震系統進行工作，雙輪都加上阻尼可以更好地實現穩定性。

2.2 阻尼減震機構

日常使用的自行車是直接將車頭與輪胎進行簡單連接，在路況較差的路面上行駛時，對于駕駛人的臂力要求高，而且會讓雙臂產生酸痛感，對于接下來的騎行安全無法保證。由于車輛在行駛時，容易不經意間壓過較大物體，從而會使全車產生晃動，對于駕駛者是很危險的。因此，特采用平面連桿機構再加上阻尼器來連接車頭與前輪，如圖3所示，這樣的設計可以使車輛在落差較大的路面也可以較平穩行駛。再加上雙輪結構，使得車輛具有了減震緩沖功能，即使是在崎嶇的路面也能保持有一個良好的穩定性[4]。

圖3 阻尼減震機構

2.3 驅動結構

驅動結構為踏步裝置，采用平面連桿機構，以達到良好的傳動效果[1]，如圖4所示，驅動時可以借助身體重力，從而達到省力的目的。

傳統的自行車驅動結構為兩個踏板作圓周運動。驅動由人腿部提供主要的力量來源，但是長時間的機械運動，會增加疲勞感。但是如果采用將曲柄連桿與鏈條進行連接作為驅動機構[3]。使腳的運動范圍變小，再加上身體重力的參與，可很好地緩解疲勞。

圖4 驅動部分結構示意圖

2.4 車架結構

目前，自行車車架的材料主要有以下幾種：鋼、鋁合金、鈦合金、鎂合金、鈧合金、碳纖維等，一般市場上出現的車架主要有鋼、鋁合金、鈦合金、碳纖維。鈧合金和鎂合金是最近的新興材料[5]。經過強度校核以及美觀與輕便的考慮，本車架全身采用鋁合金，車頭部分為中空結構。設計時充分考慮到人體結構，更加適合騎行[5]。從而，在選定材料的基礎上，考慮到踏板的安裝以及與車把的連接，利用三角形穩定性的特點，將車架設計成三角形(如圖5)，可以保證強度與剛度的需求。

圖5 車架結構設計

3 結論

在傳統自行車的基礎上對于部分結構進行改進，在踏板上引入曲柄搖桿機構可減輕使用者的動力輸出，前輪的阻尼結構也可以保證車輛運動時減小搖晃感從而提高使用的舒適度，。總結來說，此多功能踏步自行車有如下的一些優點：

(1)駕駛更省力、力的轉化更高效。與傳統的自行車相比，本產品通過踏板與曲柄機構的連接，將騎行時的自身重力轉化成動力，并且踏板能夠自動回升，達到了省力的效果[2]。

(2)更安全，更平穩舒適。相比傳統自行車，前輪的雙輪設計可以有效提升車輛的穩定性，使得產品安全性得到提高，可以降低發生交通事故的概率，從而可以擴大適用人群范圍。

擁有由平面四邊形結構與彈簧組成的減震系統[4]，以及車體重心低等優勢。