新型省力踏步自行车的创新设计与制作
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2 设计工作原理
新型省力踏步自行车的工作原理，如图 1 所示。（1）人脚踏 动左（右）踏板，通过左（右）棘轮带动链轮转动；（2）与此同时左 （右）踏板带动钢丝绳，钢丝绳带动右（左）踏板向上运动（即自动 复位），由于棘轮的单向转动特点，此时不会带动右（左）棘轮转 动；（3）踏板的摆动角度范围为 120°，两踏板这样上下摆动，链轮
时，人对新型省力踏步自行车比对普通自行车多做的功，因此新 型省力踏步自行车做功的效率更高。
30° F 有效力
F 踏板力
120°
1
2
3 4 5 6 7
图 2 驱动系统图 1.滑轮组 2.钢丝绳 3.挡圈 4.缓冲弹簧 5.棘轮 6.小滑轮 7.踏板
1 滑轮 I
30°
力矩 M （N·m）
M
图 5 踏板受力分析图 M（1 普通自行车） M（2 新型省力踏步自行车）
度（15~20）km/h 相比，新型省力踏步自行车在同等情况下的车速 25km/h，此外，新型省力踏步自行车的做功效率比普通自行车提 高大约 30％。
6 作品效果图及其特点与创新点
φ，踏板长度为 L，则有：（1）法向力：F 有效力=F 踏板力×sinφ；（2）转矩：
新型省力踏步自行车的作品三维模型和实物，如图 7 所示。
112
谢世坤等：新型省力踏步自行车的创新设计与制作
第6期
（2）钢丝绳：采用直径为 2mm 的钢丝绳。 （3）缓冲弹簧：弹簧圈直径为 15mm，采用弹簧钢 65Mn。
3.3 棘轮机构设计
设计的棘轮机构[1-4]，如图 4 所示。各零件设计尺寸如下： （1）小滑轮直径为 16mm； （2）踏板有效长度为 180mm； （3）棘轮内径 D1=33.5mm，外径 D2=53.8mm； （4）钢套内径 D3=53.7mm，外径 D4=59.3mm。
第6期
机械设计与制造
2012 年 6 月
Machinery Design ＆ Manufacture
111
文章编号：1001-3997（2012）06-0111-02
新型省力踏步自行车的创新设计与制作 *
谢世坤 郑慧玲 邹世文 李强征 彭 飞 贾小乐 余新海 （井冈山大学 机电工程学院，吉安 343009）
（1）根据以上分析，以单个踏板转过角度为横坐标，转轴上 的左右两个曲柄成 180°固定分布，而新型省力踏步自行车左右两
的转矩 M 为纵坐标，画出转矩随踏板转过角度的变化曲线，如图 个摇杆在（0~120）°范围内呈任意角度分布；（2）爬坡能力得到更大
6（a）所示。（2）将图 6（a）中两条曲线围成的面积进行比较得如图 的提高，路面适应性更强；（3）通过缓冲弹簧、钢丝绳和滑轮组的作
（0~120）°
板相连的曲柄大都还是做 360°范围内的圆周回转运动。在回转过
程中，有一大半的行程是不做功，或者做功效率非常低的。本着提高 自行车人力做工效率、骑行更省力、爬坡能力更强、对路面适应性更 好的目的，创新性地设计并制作了一种自复位省力踏步自行车。它 不仅具有传统自行车的所有功能，而且将曲柄改为摇杆，并将摇杆 限制在人力做功效率最高的范围内摆动，通过缓冲弹簧、钢丝绳和 滑轮组的作用，摇杆可以自行复位，使得骑行更省力，爬坡更强。
图 1 驱动系统原理图 1.滑轮 2.钢丝绳 3.棘轮
3 运动机构及零部件设计
3.1 驱动系统结构
驱动系统，如图 2 所示。它主要由两大机构组成[1-4]：滑轮机 构，如图 3 所示。棘轮机构，如图 4 所示。
3.2 滑轮机构设计
滑轮机构由滑轮组、钢丝绳及缓冲弹簧组成[1-4]，如图 3 所 示。
（1）滑轮组 ①滑轮组由三个滑轮及底座组成。 ②根据设计计算，得到滑轮尺寸：滑轮 I 的直径为 25mm；滑
中图分类号：TH16，U484 文献标识码：A
1 引言
自行车是一种集绿色、环保、便捷和健身于一体的代步工具， 在中国的城市、乡镇和农村得到了非常广泛的使用。随着人们的环
1 2
3
保意识、对能源危机和健康生活的认识的提高以及对健身的越发热
衷，自行车的使用和发展必将长期地、普遍地存在和发展。目前的自 行车尽管在性能上不断提高，在结构上五花八门，但是他们与脚踏
M=F 有效力×L=F 踏板力×L×sinφ；（3）功率：P＝扭矩×角速度= M×W = 作品特点与创新点如下：（1）将踏板限制在人力做功效率最高的范
F×W×L×sinφ。
围内摆动，骑行更省力，具体是把传统自行车驱动系统中左右两个
4.2 踏板做功分析
360°回转的曲柄改为（0~120）°范围内摆动的摇杆，而且传统自行车
就不断转动，通过链传动，带动后轮转动。
轮 II 的直径为 35mm。
＊来稿日期：2011-08-17 ＊基金项目：江西省科技支撑计划项目（20112BBE50002），江西省青年科学家培养计划项目（赣科发计字［2010］209 号）， 江西省教学研究教改立项课题（JXJG-09-15-3），江西省教育科学“十一五”规划课题（10YB255），
2 滑轮 II
M/2
3 底座
图 3 滑轮组 1
0
力矩 M （N·m）
M
90° 120° 180°240° 270° 360° 踏板力角 θ（°） （a）做功曲线
M（1 普通自行车） M（2 新型省力踏步自行车）
M/2 2
3
4 图 4 棘轮机构图 1.小滑轮 2.摇杆 3.棘轮 4.棘轮钢套
0
180°
≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤
≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤
刘小刚 王新伦 （中国工程物理研究院 总体工程研究所，绵阳 621900）
Research and Design of Geotechnical Centrifuge of CKY-200
LIU Xiao-gang，WANG Xin-lun （Institute of Systems Engineering，CAEP, Mianyang 621900，China） ≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤ 【摘 要】容量为 200g.t 的 CKY-200 型土工离心机采用三层布局形式，各系统相对隔离；臂架与转 臂支承间采用直线导轨系统联接，并增设不平衡力监测系统；吊篮的吊耳与转臂、吊耳与工作平台间采 用铰链（销轴）联接，以削弱安装于吊篮的振动台工作时产生的垂臂向和切向振动冲击。电气系统具备 静态数采、摄影、摄像、动平衡检测与自动调整等功能。分析了拖动系统加速度控制精度。试验表明：加 速度稳定度≤（±0.5）％F.S/4h；静态数采系统的相对传输误差≤0.015％。 关键词：土工离心机；不平衡力；吊篮 【Abstract】The 200g.t geotechnical centrifuge had three layers so that the different systems can be isolated.The linear motion ball guide was designed between the pull beam and the swing arm supporting， and a monitor system was also designed for the unbalance force.The linkage mechanism can be formed by applying the hinges （pins）between hangers and the swing arm，and the same as between hangers and plat－ form.Thus the pitman arm and the tangential exciting force of the shaking table can be weakened.In addition the electric system of the centrifuge has several function modules，such as the static data acquisition sys－ tem，photo，photography，the dynamic balance system and automatic regulate system.Furthermore，the accel－ eration control accuracy of the driving system was analyzed.The practical application demonstrates that the stability of the acceleration is less than（±0.5）%F.S/4h and the transmission error of the static data acquisi－ tion system is less than 0.015%. Key words：Geotechnical Centrifuge；Unbalance Force；Suspended Basket
【摘 要】新型省力踏步自行车是把传统自行车驱动系统中左右两个 360°回转的曲柄改为 （0~ 120）°范围内摆动的摇杆，而且传统自行车的左右两个曲柄成 180°固定分布，而本自行车左右两个摇杆 在（0~120）°范围内呈任意角度分布。作品特点是：（1）将摇杆限制在人力做功效率最高的范围内摆动，骑 行更省力；（2）爬坡能力得到更大的提高，路面适应性更强；（3）通过缓冲弹簧、钢丝绳和滑轮组的作用， 摇杆可以自行复位；（4）具有绿色、环保、健身等功效。
360° 踏板力角 θ（°）
（b）做功比较 图 6 力矩曲线图
5 主要技术指标
新型省力踏步自行车的爬坡角度可达 35°，而普通自行车一
4 实验结果及数据分析
般爬 30°的坡就非常费劲。与普通代步自行车在普通路面平均速
4.1 踏板受力分析
踏板的受力分析（踏板运动范围为（0~120）°），如图 5 所示。 取任意一个踏板为研究对象，假设人脚踏车力 F 的大小恒 定为 F 踏板力，方且向始终竖直向下，踏板与竖直方向的夹角为
Innovated Design and Manufacture on New Type Effortless Pedal Bicycle
XIE Shi-kun，ZHENG hui-ling，ZOU Shi-wen，LI Qiang-zheng，PENG Fei，JIA Xiao-le，YU Xin-hai （School of Mechanical and Electrical Engineering，Jinggangshan University，Ji’an 343009，China）
6（b）所示。图 6（b）中阴影部分为在同等条件下，踏板转过 360° 用，踏板可以自行复位；（4）具有绿色、环保、健身等功效。
第6期
机械设计与制造
2012 年 6 月
Machinery Design ＆ Manufacture
ห้องสมุดไป่ตู้
113
文章编号：1001-3997（2012）06-0113-03
CKY-200 型土工离心机研制
关键词：踏步自行车；120°摆动；省力；舒适 【Abstract】The new type effortless pedal bicycle has been improved based on the traditional bicycle by changing the driving system of the bicycle from turning around 360° of the left and right cranks to swinging（0~120）° of the left and right rockers.At the same time, the two cranks are distributed being fixed at 180° in the traditional bicycle，but the two rockers are distributed at any angle from （0~120）°in the new type bicycle.The characteristics of this product is：（1）It is more relaxed to ride because the rockers work within the scope of the most efficient；（2）Its climbing ability is much improved and its pavement adaptabili－ ty is enhanced；（3）The rocker can reset with the help of the buffer spring，wire rope and pulleys systems； （4）It has the efficacy of green，environmental protection and fitness. Key words：Pedal Bicycle；120° Swing；Effortless；Comfortable
新型省力踏步自行车的工作原理，如图 1 所示。（1）人脚踏 动左（右）踏板，通过左（右）棘轮带动链轮转动；（2）与此同时左 （右）踏板带动钢丝绳，钢丝绳带动右（左）踏板向上运动（即自动 复位），由于棘轮的单向转动特点，此时不会带动右（左）棘轮转 动；（3）踏板的摆动角度范围为 120°，两踏板这样上下摆动，链轮
时，人对新型省力踏步自行车比对普通自行车多做的功，因此新 型省力踏步自行车做功的效率更高。
30° F 有效力
F 踏板力
120°
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3 4 5 6 7
图 2 驱动系统图 1.滑轮组 2.钢丝绳 3.挡圈 4.缓冲弹簧 5.棘轮 6.小滑轮 7.踏板
1 滑轮 I
30°
力矩 M （N·m）
M
图 5 踏板受力分析图 M（1 普通自行车） M（2 新型省力踏步自行车）
度（15~20）km/h 相比，新型省力踏步自行车在同等情况下的车速 25km/h，此外，新型省力踏步自行车的做功效率比普通自行车提 高大约 30％。
6 作品效果图及其特点与创新点
φ，踏板长度为 L，则有：（1）法向力：F 有效力=F 踏板力×sinφ；（2）转矩：
新型省力踏步自行车的作品三维模型和实物，如图 7 所示。
112
谢世坤等：新型省力踏步自行车的创新设计与制作
第6期
（2）钢丝绳：采用直径为 2mm 的钢丝绳。 （3）缓冲弹簧：弹簧圈直径为 15mm，采用弹簧钢 65Mn。
3.3 棘轮机构设计
设计的棘轮机构[1-4]，如图 4 所示。各零件设计尺寸如下： （1）小滑轮直径为 16mm； （2）踏板有效长度为 180mm； （3）棘轮内径 D1=33.5mm，外径 D2=53.8mm； （4）钢套内径 D3=53.7mm，外径 D4=59.3mm。
第6期
机械设计与制造
2012 年 6 月
Machinery Design ＆ Manufacture
111
文章编号：1001-3997（2012）06-0111-02
新型省力踏步自行车的创新设计与制作 *
谢世坤 郑慧玲 邹世文 李强征 彭 飞 贾小乐 余新海 （井冈山大学 机电工程学院，吉安 343009）
（1）根据以上分析，以单个踏板转过角度为横坐标，转轴上 的左右两个曲柄成 180°固定分布，而新型省力踏步自行车左右两
的转矩 M 为纵坐标，画出转矩随踏板转过角度的变化曲线，如图 个摇杆在（0~120）°范围内呈任意角度分布；（2）爬坡能力得到更大
6（a）所示。（2）将图 6（a）中两条曲线围成的面积进行比较得如图 的提高，路面适应性更强；（3）通过缓冲弹簧、钢丝绳和滑轮组的作
（0~120）°
板相连的曲柄大都还是做 360°范围内的圆周回转运动。在回转过
程中，有一大半的行程是不做功，或者做功效率非常低的。本着提高 自行车人力做工效率、骑行更省力、爬坡能力更强、对路面适应性更 好的目的，创新性地设计并制作了一种自复位省力踏步自行车。它 不仅具有传统自行车的所有功能，而且将曲柄改为摇杆，并将摇杆 限制在人力做功效率最高的范围内摆动，通过缓冲弹簧、钢丝绳和 滑轮组的作用，摇杆可以自行复位，使得骑行更省力，爬坡更强。
图 1 驱动系统原理图 1.滑轮 2.钢丝绳 3.棘轮
3 运动机构及零部件设计
3.1 驱动系统结构
驱动系统，如图 2 所示。它主要由两大机构组成[1-4]：滑轮机 构，如图 3 所示。棘轮机构，如图 4 所示。
3.2 滑轮机构设计
滑轮机构由滑轮组、钢丝绳及缓冲弹簧组成[1-4]，如图 3 所 示。
（1）滑轮组 ①滑轮组由三个滑轮及底座组成。 ②根据设计计算，得到滑轮尺寸：滑轮 I 的直径为 25mm；滑
中图分类号：TH16，U484 文献标识码：A
1 引言
自行车是一种集绿色、环保、便捷和健身于一体的代步工具， 在中国的城市、乡镇和农村得到了非常广泛的使用。随着人们的环
1 2
3
保意识、对能源危机和健康生活的认识的提高以及对健身的越发热
衷，自行车的使用和发展必将长期地、普遍地存在和发展。目前的自 行车尽管在性能上不断提高，在结构上五花八门，但是他们与脚踏
M=F 有效力×L=F 踏板力×L×sinφ；（3）功率：P＝扭矩×角速度= M×W = 作品特点与创新点如下：（1）将踏板限制在人力做功效率最高的范
F×W×L×sinφ。
围内摆动，骑行更省力，具体是把传统自行车驱动系统中左右两个
4.2 踏板做功分析
360°回转的曲柄改为（0~120）°范围内摆动的摇杆，而且传统自行车
就不断转动，通过链传动，带动后轮转动。
轮 II 的直径为 35mm。
＊来稿日期：2011-08-17 ＊基金项目：江西省科技支撑计划项目（20112BBE50002），江西省青年科学家培养计划项目（赣科发计字［2010］209 号）， 江西省教学研究教改立项课题（JXJG-09-15-3），江西省教育科学“十一五”规划课题（10YB255），
2 滑轮 II
M/2
3 底座
图 3 滑轮组 1
0
力矩 M （N·m）
M
90° 120° 180°240° 270° 360° 踏板力角 θ（°） （a）做功曲线
M（1 普通自行车） M（2 新型省力踏步自行车）
M/2 2
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4 图 4 棘轮机构图 1.小滑轮 2.摇杆 3.棘轮 4.棘轮钢套
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180°
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刘小刚 王新伦 （中国工程物理研究院 总体工程研究所，绵阳 621900）
Research and Design of Geotechnical Centrifuge of CKY-200
LIU Xiao-gang，WANG Xin-lun （Institute of Systems Engineering，CAEP, Mianyang 621900，China） ≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤ 【摘 要】容量为 200g.t 的 CKY-200 型土工离心机采用三层布局形式，各系统相对隔离；臂架与转 臂支承间采用直线导轨系统联接，并增设不平衡力监测系统；吊篮的吊耳与转臂、吊耳与工作平台间采 用铰链（销轴）联接，以削弱安装于吊篮的振动台工作时产生的垂臂向和切向振动冲击。电气系统具备 静态数采、摄影、摄像、动平衡检测与自动调整等功能。分析了拖动系统加速度控制精度。试验表明：加 速度稳定度≤（±0.5）％F.S/4h；静态数采系统的相对传输误差≤0.015％。 关键词：土工离心机；不平衡力；吊篮 【Abstract】The 200g.t geotechnical centrifuge had three layers so that the different systems can be isolated.The linear motion ball guide was designed between the pull beam and the swing arm supporting， and a monitor system was also designed for the unbalance force.The linkage mechanism can be formed by applying the hinges （pins）between hangers and the swing arm，and the same as between hangers and plat－ form.Thus the pitman arm and the tangential exciting force of the shaking table can be weakened.In addition the electric system of the centrifuge has several function modules，such as the static data acquisition sys－ tem，photo，photography，the dynamic balance system and automatic regulate system.Furthermore，the accel－ eration control accuracy of the driving system was analyzed.The practical application demonstrates that the stability of the acceleration is less than（±0.5）%F.S/4h and the transmission error of the static data acquisi－ tion system is less than 0.015%. Key words：Geotechnical Centrifuge；Unbalance Force；Suspended Basket
【摘 要】新型省力踏步自行车是把传统自行车驱动系统中左右两个 360°回转的曲柄改为 （0~ 120）°范围内摆动的摇杆，而且传统自行车的左右两个曲柄成 180°固定分布，而本自行车左右两个摇杆 在（0~120）°范围内呈任意角度分布。作品特点是：（1）将摇杆限制在人力做功效率最高的范围内摆动，骑 行更省力；（2）爬坡能力得到更大的提高，路面适应性更强；（3）通过缓冲弹簧、钢丝绳和滑轮组的作用， 摇杆可以自行复位；（4）具有绿色、环保、健身等功效。
360° 踏板力角 θ（°）
（b）做功比较 图 6 力矩曲线图
5 主要技术指标
新型省力踏步自行车的爬坡角度可达 35°，而普通自行车一
4 实验结果及数据分析
般爬 30°的坡就非常费劲。与普通代步自行车在普通路面平均速
4.1 踏板受力分析
踏板的受力分析（踏板运动范围为（0~120）°），如图 5 所示。 取任意一个踏板为研究对象，假设人脚踏车力 F 的大小恒 定为 F 踏板力，方且向始终竖直向下，踏板与竖直方向的夹角为
Innovated Design and Manufacture on New Type Effortless Pedal Bicycle
XIE Shi-kun，ZHENG hui-ling，ZOU Shi-wen，LI Qiang-zheng，PENG Fei，JIA Xiao-le，YU Xin-hai （School of Mechanical and Electrical Engineering，Jinggangshan University，Ji’an 343009，China）
6（b）所示。图 6（b）中阴影部分为在同等条件下，踏板转过 360° 用，踏板可以自行复位；（4）具有绿色、环保、健身等功效。
第6期
机械设计与制造
2012 年 6 月
Machinery Design ＆ Manufacture
ห้องสมุดไป่ตู้
113
文章编号：1001-3997（2012）06-0113-03
CKY-200 型土工离心机研制
关键词：踏步自行车；120°摆动；省力；舒适 【Abstract】The new type effortless pedal bicycle has been improved based on the traditional bicycle by changing the driving system of the bicycle from turning around 360° of the left and right cranks to swinging（0~120）° of the left and right rockers.At the same time, the two cranks are distributed being fixed at 180° in the traditional bicycle，but the two rockers are distributed at any angle from （0~120）°in the new type bicycle.The characteristics of this product is：（1）It is more relaxed to ride because the rockers work within the scope of the most efficient；（2）Its climbing ability is much improved and its pavement adaptabili－ ty is enhanced；（3）The rocker can reset with the help of the buffer spring，wire rope and pulleys systems； （4）It has the efficacy of green，environmental protection and fitness. Key words：Pedal Bicycle；120° Swing；Effortless；Comfortable