淺談草地自行車的設(shè)計(jì)

淺談草地自行車的設(shè)計(jì)

0山地自行車創(chuàng)新性設(shè)計(jì)案例在中國(guó)北方和西部，冬季寒冷常給當(dāng)?shù)亟煌◣聿槐?，?yán)重影響了人們的交通。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研以及對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有自行車方案進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn),普通雪地自行車一般只適用于雪場(chǎng)行駛,普通人無條件配備專業(yè)的雪地自行車供日常出行;而常見的雪地專用自行車因其后輪為履帶傳動(dòng),較為笨重,行駛時(shí)需消耗大量的能源,不利于節(jié)能環(huán)保。針對(duì)目前雪地自行車的局限性和市場(chǎng)需求,筆者借助三維建模軟件AutodeskInventor對(duì)雪地自行車進(jìn)行了創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。該三維設(shè)計(jì)軟件不僅可與AutoCAD等機(jī)械設(shè)計(jì)軟件配合使用,同時(shí),該軟件中內(nèi)嵌的應(yīng)力分析、運(yùn)動(dòng)仿真等功能還可對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行多方面的驗(yàn)證分析。本文提出的雪地自行車的最大特色在于將普通自行車與雪地自行車巧妙結(jié)合,方便人們雪天環(huán)保出行。1系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1動(dòng)力源的設(shè)計(jì)根據(jù)引言中的背景,運(yùn)用機(jī)械系統(tǒng)學(xué)方法對(duì)新型雪地自行車的系統(tǒng)總體方案進(jìn)行如下分析:(1)動(dòng)力源選擇:自行車的原動(dòng)機(jī)應(yīng)避免采用內(nèi)燃機(jī)、蓄電池供電的電動(dòng)機(jī)等對(duì)環(huán)境會(huì)造成一定污染的動(dòng)力源。(2)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì):自行車的主要運(yùn)動(dòng)部分———前后車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的傳動(dòng)應(yīng)盡量采用簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)如:皮帶機(jī)構(gòu)、鏈輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)等。(3)執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì):自行車后輪處可采用創(chuàng)新型彈簧針驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)其雪地行駛功能;前輪處可對(duì)現(xiàn)有的雪橇結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。(4)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì):自行車上應(yīng)配有相應(yīng)的控制件以實(shí)現(xiàn)其雪地模式、普通模式的互換,控制件的安放位置應(yīng)符合人機(jī)工程學(xué)。1.2擋泥板與雪常用的切換機(jī)構(gòu)基于傳統(tǒng)的自行車設(shè)計(jì),本文一方面改進(jìn)了前擋泥板機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了擋泥板與雪橇的功能切換;另一方面創(chuàng)新設(shè)計(jì)了后輪彈簧針與開合機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了雪地、陸地模式的快速切換,增強(qiáng)了自行車雪地行駛的穩(wěn)定性。1.3混合動(dòng)力智能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在這款新型雪地自行車中,車胎為免充氣構(gòu)架式輪胎;后車輪由兩個(gè)內(nèi)藏彈簧針機(jī)構(gòu)的半輪組成,半輪間裝有并排輪組開合控制機(jī)構(gòu)控制輪組間距;前車輪處擋泥板可同時(shí)作為雪橇使用;車身桁架處裝有能量轉(zhuǎn)換裝置及發(fā)電機(jī)組,車把轉(zhuǎn)向裝置處裝有角度傳感器。該款新型雪地自行車采用混合動(dòng)力智能驅(qū)動(dòng),依靠三大系統(tǒng):執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)來配合作用。當(dāng)路面有積雪時(shí),自行車轉(zhuǎn)換為雪地模式:騎行者通過旋動(dòng)前車把上的彈射控制件讓后車輪處彈簧針凸出于輪胎表面起到增大摩擦系數(shù)的作用,順時(shí)針旋轉(zhuǎn)前輪擋泥板180°將其變?yōu)檠┣潦褂?同時(shí),旋動(dòng)后輪開合旋鈕使后輪微微張開以增強(qiáng)整車的穩(wěn)定性;當(dāng)路面無積雪時(shí),騎行者僅需通過上述操作的逆操作即可將該車轉(zhuǎn)換為普通模式繼續(xù)使用。2機(jī)械結(jié)構(gòu)及其工作原理2.1彈簧針驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和輪合機(jī)構(gòu)(1)彈簧針:彈簧針由針套、針頭、圓錐彈簧組成。該設(shè)計(jì)主要是為了增大后輪摩擦,同時(shí),彈簧針中圓錐彈簧的剛度隨外載荷增加而急劇增加,其減震、自適應(yīng)路面的功能還能保證騎行者在騎行中不會(huì)感覺到明顯的顛簸。(2)彈簧針驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu):彈簧針驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由彈簧針、連桿、轉(zhuǎn)盤、軸套組成,以轉(zhuǎn)盤為原動(dòng)件,帶動(dòng)由連桿、彈簧針、軸套組成的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)的各個(gè)零件均有較好的剛度,經(jīng)應(yīng)力分析后得知其符合安全要求。而且,在后輪處,密布的彈簧針驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可代替普通后輪輻條起到支撐作用,使后車輪整體亦具有較好的剛度。(3)前輪輪橇轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu):輪橇轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)由前車叉、雪橇擋泥板、支撐架、前車輪、定位槽、限位銷組成。當(dāng)需要進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換時(shí),將擋泥板順時(shí)針(或逆時(shí)針)轉(zhuǎn)動(dòng)180°,使限位銷卡入下一個(gè)定位槽中起固定擋泥板位置的作用。該機(jī)構(gòu)最大化地利用了有限的空間,可以實(shí)現(xiàn)雪地、普通模式的快速切換。2.2彈簧針彈簧控制機(jī)構(gòu)(1)后輪開合控制機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示,后輪開合控制機(jī)構(gòu)由旋鈕、連桿、彈簧、滑塊、定位槽組成。該機(jī)構(gòu)利用了圓珠筆彈射的原理,在“人”字型連桿機(jī)構(gòu)及復(fù)位彈簧的共同作用下實(shí)現(xiàn)后輪的開合功能。(2)彈簧針彈射控制機(jī)構(gòu)。彈簧針彈射控制機(jī)構(gòu)如圖3所示,該創(chuàng)新機(jī)構(gòu)由剎閘、內(nèi)嵌轉(zhuǎn)動(dòng)控制器、轉(zhuǎn)盤組成;內(nèi)嵌轉(zhuǎn)動(dòng)控制器的內(nèi)軸套通過輻條與外車輪盤固連,外軸套與轉(zhuǎn)盤間為過盈配合。騎行者旋動(dòng)車把上的彈簧針彈射控制件時(shí),通過鋼絲繩的作用使剎閘收緊,抱剎轉(zhuǎn)盤,同時(shí),利用周向力逆向扭動(dòng)轉(zhuǎn)盤,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤與外車輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng);同時(shí),通過內(nèi)嵌轉(zhuǎn)動(dòng)控制器中的彈簧球、彈簧及花盤的配合作用,實(shí)現(xiàn)彈簧針的出針、收針控制。3設(shè)計(jì)、計(jì)算和強(qiáng)度校正3.1工作區(qū)及動(dòng)作尺寸根據(jù)人機(jī)工程學(xué)理論,以一個(gè)身高為170cm的人為例,參考人手的工作區(qū)及動(dòng)作尺寸,確定自行車整體的尺寸,車體高為1370mm,長(zhǎng)2200mm,車座離地高度為1120mm,車輪直徑700mm,車轂直徑600mm,車座到腳踏板距離為670mm。3.2t65碳復(fù)合材料結(jié)構(gòu)校核鑒于該雪地自行車的一些通用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均采用了傳統(tǒng)自行車的典型結(jié)構(gòu)及材料,因此只對(duì)該自行車創(chuàng)新設(shè)計(jì)部分進(jìn)行應(yīng)力分析。(1)關(guān)鍵零件強(qiáng)度校核。利用Inventor2013的相關(guān)功能對(duì)該自行車的關(guān)鍵零件進(jìn)行應(yīng)力分析,如圖4所示。其中,取人體平均體重為70kg,自行車自重為35kg。由參考文獻(xiàn)可知,T700碳纖維復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度為613MPa。由于自行車各個(gè)部件正常情況下一般都在疲勞狀態(tài)下工作,因此根據(jù)計(jì)算得:上述兩個(gè)零件的最大等效應(yīng)力分別為90.13Mpa、32.39Mpa,均小于極限值。經(jīng)上述分析結(jié)論是,關(guān)鍵零件均滿足強(qiáng)度要求。(2)主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核:自行車坐墊處車架結(jié)構(gòu)尺寸如圖5所示,采用截面積為的矩形普通碳素鋼Q235,屈服強(qiáng)度:取安全系數(shù)1.2。支架所受剪力、彎矩方程:彎矩:可見,支架滿足拉應(yīng)力強(qiáng)度條件。對(duì)于切應(yīng)力,支架不利位置在水平橫梁上,最大剪力Fs=800N:故支架滿足切應(yīng)力強(qiáng)度條件。4創(chuàng)新特色4.1雪路2號(hào)這款新型雪地自行車在概念上巧妙的將雪地自行車與普通自行車結(jié)合在一起,設(shè)計(jì)新穎多元,實(shí)現(xiàn)功能較多。4.2返回?cái)?shù)千英鎊的傾斜軸該后輪處的創(chuàng)新型機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)雪地與普通行駛模式的互換同時(shí),增大了后車輪的摩擦,增強(qiáng)了車身整體穩(wěn)定性。4.3發(fā)動(dòng)機(jī)連接該前輪機(jī)構(gòu)將雪橇與擋泥板巧妙結(jié)合,最大程度的利用了有限的空間,節(jié)約成本。5批量化生產(chǎn),降低生產(chǎn)成本此新型雪地自行車應(yīng)用范圍廣,一方面可以有效解決大部分降雪地區(qū)雪天出行難的問題,同時(shí)減少了普通家