淺談草地自行車(chē)的設(shè)計(jì)

淺談草地自行車(chē)的設(shè)計(jì)

0山地自行車(chē)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◣?lái)不便，嚴(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(chē)方案進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn),普通雪地自行車(chē)一般只適用于雪場(chǎng)行駛,普通人無(wú)條件配備專業(yè)的雪地自行車(chē)供日常出行;而常見(jiàn)的雪地專用自行車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)的最大特色在于將普通自行車(chē)與雪地自行車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)的主要運(yùn)動(dòng)部分———前后車(chē)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(chē)后輪處可采用創(chuàng)新型彈簧針驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)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(chē)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(chē)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(kāi)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(chē)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(chē)中,車(chē)胎為免充氣構(gòu)架式輪胎;后車(chē)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(kāi)合控制機(jī)構(gòu)控制輪組間距;前車(chē)輪處擋泥板可同時(shí)作為雪橇使用;車(chē)身桁架處裝有能量轉(zhuǎn)換裝置及發(fā)電機(jī)組,車(chē)把轉(zhuǎn)向裝置處裝有角度傳感器。該款新型雪地自行車(chē)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(lái)配合作用。當(dāng)路面有積雪時(shí),自行車(chē)轉(zhuǎn)換為雪地模式:騎行者通過(guò)旋動(dòng)前車(chē)把上的彈射控制件讓后車(chē)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(kāi)合旋鈕使后輪微微張開(kāi)以增強(qiáng)整車(chē)的穩(wěn)定性;當(dāng)路面無(wú)積雪時(shí),騎行者僅需通過(guò)上述操作的逆操作即可將該車(chē)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(jué)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(pán)、軸套組成,以轉(zhuǎn)盤(pán)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(chē)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(chē)叉、雪橇擋泥板、支撐架、前車(chē)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(kāi)合控制機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示,后輪開(kāi)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(kāi)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(pán)組成;內(nèi)嵌轉(zhuǎn)動(dòng)控制器的內(nèi)軸套通過(guò)輻條與外車(chē)輪盤(pán)固連,外軸套與轉(zhuǎn)盤(pán)間為過(guò)盈配合。騎行者旋動(dòng)車(chē)把上的彈簧針彈射控制件時(shí),通過(guò)鋼絲繩的作用使剎閘收緊,抱剎轉(zhuǎn)盤(pán),同時(shí),利用周向力逆向扭動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán),實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤(pán)與外車(chē)輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng);同時(shí),通過(guò)內(nèi)嵌轉(zhuǎn)動(dòng)控制器中的彈簧球、彈簧及花盤(pán)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(chē)整體的尺寸,車(chē)體高為1370mm,長(zhǎng)2200mm,車(chē)座離地高度為1120mm,車(chē)輪直徑700mm,車(chē)轂直徑600mm,車(chē)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(chē)的一些通用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均采用了傳統(tǒng)自行車(chē)的典型結(jié)構(gòu)及材料,因此只對(duì)該自行車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)坐墊處車(chē)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(jiàn),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(chē)在概念上巧妙的將雪地自行車(chē)與普通自行車(chē)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(chē)輪的摩擦,增強(qiáng)了車(chē)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(chē)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(wèn)題,同時(shí)減少了普通家