黃浩 徐利超 李孝祿 朱俊江 張遠(yuǎn)輝

摘 要：設(shè)計(jì)了具有跑步健身功能的單車。在自行車結(jié)構(gòu)上創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)跑步機(jī)構(gòu)，利用健身者跑步的動(dòng)能驅(qū)動(dòng)自行車。本設(shè)計(jì)具有自行車和跑步機(jī)雙重功能。

關(guān)鍵詞：自行車；跑步機(jī)；跑步機(jī)構(gòu)

中圖分類號(hào)：G872.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著人們生活品質(zhì)的提高，越來越多的人通過使用跑步機(jī)來鍛煉身體。而自行車是代步、鍛煉身體、越野旅游、運(yùn)動(dòng)比賽以及少量貨物運(yùn)送的節(jié)能環(huán)保交通工具[1，2]。本研究將二者結(jié)合起來，設(shè)計(jì)出一種具有跑步健身功能的自行車。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)要求和原理

在原先的自行車基礎(chǔ)上去掉了腳踏板結(jié)構(gòu)，改為由履帶驅(qū)動(dòng)，具有跑步健身功能。保留座位可滿足使用者休息的需求。設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)人數(shù)為2人，最大載重為150kg，最高速度10km/h，自行車長(zhǎng)為1.83m，高為1.5m，寬為0.60m。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其工作原理如圖2所示。人通過腳與跑步機(jī)帶之間的摩擦帶動(dòng)跑步機(jī)帶傳動(dòng)，帶傳動(dòng)又帶動(dòng)軸1轉(zhuǎn)動(dòng)，軸1上安放直齒圓柱齒輪A，直齒圓柱齒輪A與軸2上的直齒圓柱齒輪B一起轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)軸2轉(zhuǎn)動(dòng)，軸2上的直齒圓柱齒輪C與自行車腳踏板的飛輪通過鏈條傳動(dòng)，使自行車前行。

1.2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

該健身自行車由車把、前叉、前軸、前輪等部件組成導(dǎo)向系統(tǒng)，乘騎者可以通過操縱車把來改變行駛方向并保持車身平衡。龍頭結(jié)構(gòu)通體采用金屬焊接的方式，保證龍頭的結(jié)實(shí)可靠，本設(shè)計(jì)中采用現(xiàn)有的自行車的前車部分。

在龍頭與履帶的結(jié)合處兩邊，設(shè)計(jì)了連接機(jī)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由一塊焊接在履帶外殼上的鋼板，車架和一個(gè)輔助連接件組成，共有一個(gè)用于固定車架的孔，兩個(gè)用于調(diào)節(jié)車架的孔，三個(gè)孔的內(nèi)徑均為8mm，用材料為Q235和性能等級(jí)為4.6的六角頭螺栓螺母連接固定。若要選擇選擇騎行方式時(shí)，只需卸下自行車前半部分的跑步狀態(tài)的兩個(gè)螺栓，旋轉(zhuǎn)車架和輔助連接至對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)輔助連接孔，并用螺絲擰緊，從而使坐在座椅上的人能夠控制龍頭。

健身者跑步時(shí)是通過摩擦阻力帶動(dòng)履帶傳動(dòng)，履帶通過摩擦阻力帶動(dòng)履帶內(nèi)的軸，使履帶始終處于循環(huán)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。選取長(zhǎng)為200mm，寬為400mm，厚為2mm的復(fù)合材料履帶。整個(gè)框架大小為長(zhǎng)790mm，寬為470，高為60mm的不銹鋼制框架。履帶內(nèi)的軸為直徑20mm，長(zhǎng)為428mm，履帶后的軸直徑為20mm，長(zhǎng)為428mm。后軸通過軸承連接與后軸相連，并通過焊接與前面的連接軸連接。并安裝調(diào)節(jié)軸調(diào)節(jié)履帶的緊松。連接在履帶內(nèi)的軸上的直齒圓柱齒輪A、B和C的模數(shù)為5，齒數(shù)為18，通過過盈連接的方式連接在跑步機(jī)履帶內(nèi)的軸上。該軸通過軸承固定在跑步機(jī)金屬外殼上。飛輪齒數(shù)為48，鏈條為08a單排鏈條。本設(shè)計(jì)保留原自行車制動(dòng)機(jī)構(gòu)。

為了使機(jī)構(gòu)更加可靠并增強(qiáng)自行車的跑步穩(wěn)定性，在自行車兩側(cè)增加了萬向輪。選用8寸尼龍萬向輪，在自行車履帶外殼兩側(cè)焊接了鋼板，通過80×80×2直角連接件和M4的螺栓螺母固定，保證可靠性。

設(shè)計(jì)的具有跑步健身功能的自行車如圖3所示。

2 關(guān)鍵部件受力分析

關(guān)鍵受力部件為履帶外殼和龍頭的連接處。在履帶外殼的左右兩側(cè)均有此連接結(jié)構(gòu)。這種連接是利用螺栓抗剪切來承受載荷，共有6組螺栓螺母承受剪切應(yīng)力。利用CATIA軟件進(jìn)行其受力分析。按照設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)材料為Q235、性能等級(jí)為4.6的M8六角頭螺栓進(jìn)行有限元分析，觀察其在受力后的變形情況，結(jié)果下圖4和圖5所示。

由上圖可知，該螺栓最大應(yīng)力為σmax=16.8Mpa96Mpa，[JP]與理論計(jì)算結(jié)果基本保持一致，最大應(yīng)力在螺栓頭與螺桿的末端。最大變形為0.00451mm，螺栓切向應(yīng)力遠(yuǎn)小于螺栓的最大許用切應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語

設(shè)計(jì)的具有跑步功能的單車將自行車和跑步機(jī)的功能結(jié)合在一起，利用跑步產(chǎn)生的動(dòng)能驅(qū)動(dòng)自行車，即能節(jié)省健身者時(shí)間，又具有環(huán)保和節(jié)能減排的意義，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李孝祿，王東平，李娟，等.利用太陽能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車供電的研究[J].太陽能學(xué)報(bào)， 2016， 37（4）：884890.

[2] 李孝祿，黃建鋒，王東平，等.采用交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)的電動(dòng)三輪車光伏充電控制系統(tǒng)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016， 36（11）： 29092917.