自行车驱动机构的创新设计与分析(2)

第２期卜云峰等：自行车驱动机构的创新设计与分析

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靠、工作寿命长，所以一直沿用至今。但是，在这种传动机构中，仍然还存在着一些不足，主要有：摇杆作功范围有限，运动存在死点；力矩瞬时变化，当自行车运动阻力足够大时，自行车做间歇运动；能量转换受作用力方向的影响，效率不高。

针对摇杆传动存在死点和作功范围有限的弊端，作者首先提出用杠杆输入的结构方案，即以踩踏杠杆作为运动的输入方式，如图ｌ所示。

将杠杆与铰链四杆机构相连接，使杠杆输出端的运动，转化为连杆机构中连杆ＢＣ的运动，从而带动杆ＡＢ做摆动运动，如图２所示。当输入构件做往复摆动时，杆ＡＢ作对应的摆动，并同时实现了力的放

大。

图１杠杆机构

图２四连杆机构与杠杆

机构综合示意图

２．１．２驱动机构与内啮合齿轮综合

在杆ＡＢ上，固连一段内齿轮，内齿轮的几何中心和转动中心均为Ａ，当ＡＢ做摆动运动时，内齿轮做有界的定轴转动。当内齿轮摆转时，与内齿轮啮合的齿轮，带动自行车驱动轮转动，如图３所示。

图３驱动机构与内啮合齿轮综合示意图

２．１．３机构参数与运动轨迹分析

在确定驱动机构原理模型的基础上，进行机构的参数设计和优化。

首先，根据人机工程学原理，确定了输入踏板的方位角度和工作摆角，保证使用者运动的舒适性；

其次，对四杆机构中各个杆件的长度进行计算，经过多次试验、运动分析仿真及尺寸优化，确定了四杆长度为：

ＡＢ：４０ｌｌｌｍ

ＡＤ＝６０ｍｍＢＣ＝９０ｍｍＤＣ＝９７

ｒａｎｌ

机构的极位夹角０＝７９０

再次，综合考虑摆动内齿轮与飞轮及车架的干

万方数据

涉，通过仿真分析得出机构最终的运动范围，压杆（连杆ＢＣ）的运动角度约为２ｌ。，而摆动齿轮（摇杆ＡＢ）的运动范围约为６７。；

最后，采用两侧对称布置的形式，实现了自行车骑行过程中的双侧异步驱动。

利用四连杆机构的运动特性，有效保证了杠杆在运动中的力臂长度，提高了人的体能转换成机械能的效率，提高了人力示极限位置２。

自行车的技术性能和图４机构运动轨迹示意图

使用效率，降低了人的劳动强度。

２．２

结构组成

四连杠杆式自行车传动机构如图５所示，主要由

以下几个部份组成：

卜支杆卜Ｄ轴１卜右压杆１Ｉ一右槽轮组１２一右连杆１３－一连动体ｌ—Ｂ轴２一支架体３－－－－Ａ轴４－－内齿轮卜飞轮卜摇杆７－－－Ｃ轴

１４一右齿轴１５一左齿轴１６＂－左压杆１７一左连杆ｌ卜左槽轮组

图５

四连杠杆式自行车传动机构结构原理图

（１）Ａ轴３将摇杆６的头端孔与支架体２的上端孑Ｌ相连，Ｂ轴１将支杆８与支架体２的下端孔相连，ｃ轴７和Ｄ轴９分别将压杆ｌＯ上的头端孔、中端孔

与摇杆６的中孔和支杆８的另一端孔连接，组成单组四连杆运动机构。

（２）左连杆１７上的左齿轴１５与右连杆１２上的右齿轴１４啮合，经轴承安装在车架体的连接板上，左连杆１７上的左槽轮组１８和右连杆１２上的右槽轮组１１分别安装在左压杆１６和右压杆１０上，形成左右压杆相反运动的连动器。

（３）连动器将左右两组传动机构组合成连动体，左右两个摇杆６上的内齿轮４分别与左右两个飞轮５啮合，分别与车架体紧固，组成四连杠杆式自行车传动机构。

２．３

工作原理

当右压杆１０向下运动时，支杆８在力的作用下