自行车驱动机构的创新设计与分析_卜云峰

在压杆运动时，由于支杆上的 D 轴 9 绕 B 轴 1 的 旋转半径小于摇杆 6 上的 C 轴 7 绕 A 轴 3 的旋转半 径，因此在它们的运动弧长相同的情况下，支杆 8 通 过压杆拉动摇杆 6 时其所转的角度小于摇杆 6 所转的 角度，则摇杆 6 的运动转角大于压杆 10 的运动转角。 又因左右压杆是以交替式往复摆动形式运动，因此摇 杆 6 运动转角越大，飞轮 5 获得的线速度就越大，则 自行车的行驶速度就越快。
Keywords： Lever； Four-bar linkage； Bicycle； Innovation design； Transmission system
随着全球资源的匮乏，尤其是汽油的紧缺，使得 车辆的能源问题引起人们的高度关注，并不得不去寻 求新的能源。而自行车是以人力作为动力，没有能源 的约束，自问世以来久盛不衰，它既是人们理想的环 保交通工具，也是健身和运载工具。随着工业技术的 发展，又出现了电动自行车、磁动力自行车等，但是 这些产品仍然是以一次能源作为基础。人力驱动的自 行车，又重新 受 到 高 度 重 视， 因 此， 伴 随 而 来 的 问 题，是怎样提高其作功的转换效率。针对这个问题， 以传统自行车为基体，利用杠杆原理，将平面四连杆 机构应用于自行车，替代链轮传动机构，对自行车的 传动机构进行改造，研制四连杠杆式自行车传动机 构。经验证，四连杠杆式自行车驱动机构具有结构新 颖、原理独特、能量转换率高等特点，为人力自行车 的驱动技术改进和发展开辟了新的途径，创造了自行 车传动机构设计的新理念。 1 国内外研究概况
2011 年 1 月 第 39 卷 第 2 期
机床与液压
MACHINE TOOL ＆ HYDRAULICS
Jan． 2011 Vol. 39 No. 2
DOI： 10． 3969 / j. issn. 1001 － 3881. 2011. 02. 006
自行车驱动机构的创新设计与分析
卜云峰，王文志，侯志伟，左晓明
人力自行车的应用十分广泛，目前所釆用的传动 机构主要是链轮和齿轮传动机构等。这些传动机构的 结构和性能限制了自行车的使用性能和力的转换效率 的进一步提高，自行车的传动机构已成为人力自行车 性能提高的主要技术瓶颈。为此，作者对传统自行车 的传动机构进行了改进，用四连杠杆式传动机构替代 自行车的链轮传动机构。 2. 1. 1 杠杆机构与四连杆机构的综合
2. 3 工作原理 当右压杆 10 向下运动时，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ杆 8 在力的作用下
·30·
机床与液压
第 39 卷
绕 B 轴 1 向下转动，而右压杆 10 上的 D 轴 9 也随着 支杆 8 绕 B 轴 1 运动，并通过 C 轴 7 拉动摇杆 6 绕 A 轴 3 顺时针摆动，使摆杆上的内齿轮 4 带动与其啮合 的飞轮 5 作同方向旋转，从而实现右四连杠杆式自行 车传动机构经飞轮带动车轮一同旋转的目的。压杆在 上下摆动时，由于四连杆运动的作用，摇杆上的内齿 带动飞轮旋转的圈数有限。因此，在自行车后轮的两 侧分别安装了一组四连杠杆式自行车传动机构。由此 可得，当左压杆 16 向下运动时，通过左四连杠杆 式自行车传动机构经飞轮带动车轮达到连续旋转的 目。
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 1 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。
传统的人力自行车的驱动装置，是通过踏板带动 摇杆产生圆周运动，与摇杆固连的主动链轮使链条运 动并驱动从动链轮转动从而带动车轮同步转动。
自行车链轮驱动装置的特点是结构简单、传动可
收稿日期： 基金项目： 作者简介：
2009 － 12 － 11 江苏省科技厅科技创新与成果转化课题 （ BC2009432） 卜 云 峰 （ 1958—） ， 男， 硕 士， 教 授， 研 究 方 向 为 数 字 化 设 计。 电 话： 163. com。
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。
涉，通过仿 真 分 析 得 出 机 构 最 终 的 运 动 范 围， 压 杆
自 1790 年第一辆自行车诞生以来，国内外对自 行车的研究集中于减少自行车的运动阻力、提高自行
车的行驶速度和提高能量转换效率。链传动机构自行 车的历史非常久远，已普遍被人们所接受。针对自行 车传动机构的创新问题，作者查阅了大量的资料。检 索结果表明，在自行车传动机构的研究中，多年未见 重大的突破。 2 设计目标与实现方案描述 2. 1 设计背景与创新构思
13852386667， E － mail：
hgbyf58 @
第2 期
卜云峰 等： 自行车驱动机构的创新设计与分析
·29·
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。
BU Yunfeng，WANG Wenzhi，HOU Zhiwei，ZUO Xiaoming （ Faculty of Mechanical Engineering，Huaiyin Institute of Technology，Huai'an Jiangsu 223003，China）
Abstract： The traditional sprocket wheel mechanism was substituted by the planar four-bar linkages in the transmission system to reconstruct bicycle，based on the principle of lever． The actual application results indicate that the design has characters such as novelty structure，unique principle，higher energy transferring efficiency and etc． ． It provides a new approach for improving and development of the driving technique of manual bicycle． Due to small motion range of lever，the new mechanism can also be adopted by the vehicle special for the handicapped to operate manually in convenience and in industry of the sightseeing and environmental protection machinery．
根据齿轮外啮合运动时，两齿轮旋转方向相反的 原理，当右压杆 10 向下运动时，经右槽轮组 11 带动 右连杆 12，驱动连动器 13，使左连杆 17 经左槽轮组 18 带动左压杆 16 向上运动，从而实现左右压杆上下 连动，同时增强了杠杆运动的稳定性。
根据四连杆的运动轨迹，当左右支杆随着左右压 杆移动到水平位置时，压杆上的 D 轴 9 与 B 轴 1 水平 距离最远。因此，压杆的力臂增长，这样有利于高效 地将人的体能转换成机械能。
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 = 40 mm AD = 60 mm BC = 90 mm DC = 97 mm
机构的极位夹角 θ = 79° 再次，综合 考 虑 摆 动 内 齿 轮 与 飞 轮 及 车 架 的 干
（ 连杆 BC） 的运动角度约为 21°，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
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 孔相连，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 10 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。
综上所述，四连杠杆式自行车传动机构能有效保 证自行车的行驶速度，改善传动的平稳性和连续性， 使自行车的技术性能和使用效率得到提高，用途更为 广泛，为环保型人力自行车的技术改进和发展开辟了 新的途径，创造了新的设计理念。 2. 4 实用价值