帶運動合成功能的雙人調速自行車

楊萬里，何玉輝，鄭孫梁，夏曉峰，趙 偉

（中南大學機電工程學院，湖南 長沙 410006）

眾所周知，腳踏車的發展自它被發明以來就沒有停止過，雙人自行車無論是在國內，還是在國外，都是一項十分不錯的休閑娛樂項目。而近年來，隨著人們生活水平的提高，人們對生活質量的要求也越來越高。雙人自行車此類休閑健身產品在市場上的需求也越來越高，人們需要性能更加良好、結構更符合需求的雙人自行車。正因此，國內的雙人自行車行業也在快速發展。

目前，國內對雙人自行車的研究改良有了進一步發展，朝著人們生活便利的方向逐漸發展。但是，現在生產的雙人自行車大部分的改良方向都是外觀，只是為了使產品更加美觀，并沒有從根本上解決人們使用中的問題。當然，國內也有人正在對雙人自行車本身的結構進行改良，但是大部分研究還只停留在理論階段，至今并沒有應用合成+變速組合的雙人自行車，對于此方面的研究不論是國內還是國外都沒有深入進行。

1 設計思路

本項目旨在利用行星輪增速器的原理配合變速器，在原有傳統的雙人自行車基礎上進行創新設計，設計出一種具有運動合成和變速功能的新型雙人自行車。

為使騎行者雙方在騎行過程中能量的轉化率達到最高，即兩個騎者不論腳蹬的力大小，都能讓其轉化為驅動力，實現對自行車的同時做功，本文將速度和力矩合成的裝置——行星輪速度合成器[1]應用到雙人自行車的傳動系統中，通過輸入大小不同的動力，合成后的合動力作為輸出動力。這就解決了傳統雙人車因為兩名騎行者腳蹬速度大小不同產生踏空感的問題，使其達到最優的工作狀態。

不僅如此，本文所述設計將一套變速器安裝于鏈條上，通過騎行者的調節，獲得不同的動力輸出，解決了傳統雙人自行車在上坡或者逆風時，無法調節動力輸出的問題，使得騎行者可以節省體力、保持速度。

2 工作原理

2.1 速度合成部分

速度合成是通過配合行星輪增速機構，實現扭矩相加后并輸出在后輪上。它的結構與原理并不復雜或難以理解，可以將其理解成為將兩人力的輸出加在同一個裝置上，再由裝置輸出動力，輸出在雙人自行車的后輪。兩人踏動踏板，踏板帶動與之連接的曲軸，曲軸使牙盤轉動，牙盤的轉動使與其嚙合的鏈條動作，鏈條帶動增速機構的兩輸入扭矩的牙盤，牙盤驅動速度合成器內齒輪嚙合傳動，最終輸出在輸出牙盤上，輸出齒盤的鏈條驅動后輪齒盤[1]，牙盤帶動內變速花鼓，經過花鼓內齒輪系的變化后輸出在后輪上，使雙人自行車前進。

2.2 變速部分

在運動合成部分完成運動合成后，安裝一個具有多個同軸鏈輪的大牙盤。在牙盤旁邊安裝圖1 所示的類似于普通變速自行車的變速裝置，并將操縱變速的裝置置于前車把。通過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、下坡時都能有良好的騎行體驗。

圖1 速度調節器

3 結構設計

3.1 速度合成裝置結構設計

為了能使兩動力輸出相加后同時輸出在一個曲軸上，使兩軸心處于同軸狀態，兩側同時旋轉，一側齒輪傳動，另一側為其提供支撐并能旋轉，保證齒輪的旋轉通過齒輪的嚙合傳遞到雙齒輪軸的一側，通過軸傳遞到另一側齒輪，輸出到行星輪上，由行星輪作為輸出，傳遞到機構外[2]。結構如圖2 所示。

圖2 速度合成器圖解及示意圖

3.2 車鏈傳動結構設計

因為經過驗證，當速度合成器放在兩踏板中間上方時，震動較少，且鏈條不會因為過長而容易滑落，故本設計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構的輸入牙盤，經由速度合成器、牙盤、鏈條、后輪軸傳遞到后輪上[3]。

3.3 有限元分析

通過ANSYS 軟件對自行車架進行了靜力學分析，如圖3 所示，建立了自行車架性能分析模型[4]，為車架的改良提供一定的思路。

圖3 雙人自行車車架有限元分析

分析過程以2 個質量為60 kg 的人為例，騎行中可將車架受力簡化成在立管的車座處施加600 N。

約束條件：前立柱與后輪軸設置為固定約束。

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

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

4 草圖曲線和實體特征的建立

4.1 增速機構齒輪的繪制

使用“草圖”命令，繪制出機構的大概位置及其輸入牙盤。

使用“拉伸”，從過濾器中選擇區域邊界曲線，選擇拉伸區域，完成輸入牙盤的制作，如圖4 所示。

圖4 牙盤制作

使用“GC 工具箱”再“圓柱齒輪建?！边x擇創建齒輪，完成齒輪的創建，并連續使用此命令做出多個齒輪，同時用此命令中的齒輪嚙合，使各部分齒輪進行嚙合。

使用“草圖”繪制一個旋轉架并使用“拉伸”命令，如圖5 所示。

圖5 繪制旋轉架

再次使用GC 工具箱繪制內嚙合齒輪和外嚙合齒輪，使用“草圖”繪制出輸出牙盤，完成增速機構內部結構的繪制，如圖6 所示。

圖6 增速機構內部結構

4.2 增速機構外殼的繪制

創建“草圖”繪制出外殼邊界曲線。

使用“拉伸”命令，對稱拉伸后使用“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 對稱拉伸與抽殼

再次使用“草圖”及“拉伸”命令為增速機構提供支撐以及限位，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 車把選擇

車把類型的選擇直接影響著車手的體驗，不同的車把會影響車子的性能、控制、靈活性，是關乎騎手的舒適性與安全性的轉向及操縱關鍵部件。車把的類型有很多種，都根據個人習慣來添加副把，可以提升體驗、緩解疲勞。目前自行車車把主要有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，騎行姿勢很舒服，常用在山地越野車等用于激烈運動的車種上面。③彎把。有多種握持姿勢，使身體前傾提高速度，但視野變小，無法很好地觀察周圍環境，一般用在專業比賽中。④蝴蝶把。操控性略差，但舒適性非常好，它經常用于長途旅行自行車。

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

5.2 剎車選擇

剎車不僅僅是用來制停的，更重要的是用來控制車速，高速行駛中的自行車如果遇到特殊狀況不能及時減速，那后果將是致命的。

碟剎是在輪轂處加裝了一個與車輪同步的剎車盤，卡鉗夾緊從而達到制動的目的。天氣原因對制動影響小、散熱快，不會影響制動效果，長時間工作不會發生爆胎、不影響輪框。

盤式制動器的最初設計是為了確保制動性能，以免污染影響制動器的性能。碟剎片是金屬燒結體，且碟片較高不會輕易碰到泥沙，所以在雨天和泥漿中，工作情況依然良好，制動能力強。此外，由于盤式制動盤由鋼制成并且通常是穿孔的，因此作為下坡制動器，熱量的增加和衰減比其他制動器更好。雙人自行車質量較大，則慣性也較大，如果不能有效地制動，將直接影響駕駛者的安全，所以應選擇相對安全、可靠的碟剎。

6 結束語

整車的三維建模如圖10 所示，本課題設計的帶運動合成功能的雙人調速自行車其結構簡單明了，操作方式與普通雙人自行車無較大差異，外觀改變較大，相對于市面的雙人自行車更具有吸引力，且有更快的速度，會深受自行車愛好者的喜愛。主要進行了以下方面的設計：①速度合成器的設計；②速度合成器的三維建模；③雙人自行車結構的設計；④車體的受力分析。

圖10 雙人自行車三維建模

本次設計工作目的在于針對市場上大部分產品作出調整與改進，使雙人自行車有更好的發展空間，本次調整設計以下幾個方面：①提高自行車最大行駛速度；②雙人自行車傳統減震前叉的升級；③提高舒適性及安全。這些方面是現今市場上雙人自行車主要存在的問題。只有不斷完善和改進，雙人自行車的產業才會有創新與發展。