浅谈草地自行车的设计

浅谈草地自行车的设计

0山地自行车创新性设计案例在中国北方和西部，冬季寒冷常给当地交通带来不便，严重影响了人们的交通。根据市场调研以及对国内外现有自行车方案进行研究后发现,普通雪地自行车一般只适用于雪场行驶,普通人无条件配备专业的雪地自行车供日常出行;而常见的雪地专用自行车因其后轮为履带传动,较为笨重,行驶时需消耗大量的能源,不利于节能环保。针对目前雪地自行车的局限性和市场需求,笔者借助三维建模软件AutodeskInventor对雪地自行车进行了创新性设计。该三维设计软件不仅可与AutoCAD等机械设计软件配合使用,同时,该软件中内嵌的应力分析、运动仿真等功能还可对产品进行多方面的验证分析。本文提出的雪地自行车的最大特色在于将普通自行车与雪地自行车巧妙结合,方便人们雪天环保出行。1系统设计1.1动力源的设计根据引言中的背景,运用机械系统学方法对新型雪地自行车的系统总体方案进行如下分析:(1)动力源选择:自行车的原动机应避免采用内燃机、蓄电池供电的电动机等对环境会造成一定污染的动力源。(2)传动系统设计:自行车的主要运动部分———前后车轮转动的传动应尽量采用简单的机械结构如:皮带机构、链轮机构、齿轮机构等。(3)执行系统设计:自行车后轮处可采用创新型弹簧针驱动机构来实现其雪地行驶功能;前轮处可对现有的雪橇结构进行相应改进。(4)控制系统设计:自行车上应配有相应的控制件以实现其雪地模式、普通模式的互换,控制件的安放位置应符合人机工程学。1.2挡泥板与雪常用的切换机构基于传统的自行车设计,本文一方面改进了前挡泥板机构,实现了挡泥板与雪橇的功能切换;另一方面创新设计了后轮弹簧针与开合机构,实现了雪地、陆地模式的快速切换,增强了自行车雪地行驶的稳定性。1.3混合动力智能驱动系统在这款新型雪地自行车中,车胎为免充气构架式轮胎;后车轮由两个内藏弹簧针机构的半轮组成,半轮间装有并排轮组开合控制机构控制轮组间距;前车轮处挡泥板可同时作为雪橇使用;车身桁架处装有能量转换装置及发电机组,车把转向装置处装有角度传感器。该款新型雪地自行车采用混合动力智能驱动,依靠三大系统:执行系统、控制系统、传动系统来配合作用。当路面有积雪时,自行车转换为雪地模式:骑行者通过旋动前车把上的弹射控制件让后车轮处弹簧针凸出于轮胎表面起到增大摩擦系数的作用,顺时针旋转前轮挡泥板180°将其变为雪橇使用,同时,旋动后轮开合旋钮使后轮微微张开以增强整车的稳定性;当路面无积雪时,骑行者仅需通过上述操作的逆操作即可将该车转换为普通模式继续使用。2机械结构及其工作原理2.1弹簧针驱动机构和轮合机构(1)弹簧针:弹簧针由针套、针头、圆锥弹簧组成。该设计主要是为了增大后轮摩擦,同时,弹簧针中圆锥弹簧的刚度随外载荷增加而急剧增加,其减震、自适应路面的功能还能保证骑行者在骑行中不会感觉到明显的颠簸。(2)弹簧针驱动机构:弹簧针驱动机构由弹簧针、连杆、转盘、轴套组成,以转盘为原动件,带动由连杆、弹簧针、轴套组成的曲柄滑块机构运动。该机构的各个零件均有较好的刚度,经应力分析后得知其符合安全要求。而且,在后轮处,密布的弹簧针驱动机构可代替普通后轮辐条起到支撑作用,使后车轮整体亦具有较好的刚度。(3)前轮轮橇转换机构:轮橇转换机构由前车叉、雪橇挡泥板、支撑架、前车轮、定位槽、限位销组成。当需要进行模式转换时,将挡泥板顺时针(或逆时针)转动180°,使限位销卡入下一个定位槽中起固定挡泥板位置的作用。该机构最大化地利用了有限的空间,可以实现雪地、普通模式的快速切换。2.2弹簧针弹簧控制机构(1)后轮开合控制机构。机构示意图如图2所示,后轮开合控制机构由旋钮、连杆、弹簧、滑块、定位槽组成。该机构利用了圆珠笔弹射的原理,在“人”字型连杆机构及复位弹簧的共同作用下实现后轮的开合功能。(2)弹簧针弹射控制机构。弹簧针弹射控制机构如图3所示,该创新机构由刹闸、内嵌转动控制器、转盘组成;内嵌转动控制器的内轴套通过辐条与外车轮盘固连,外轴套与转盘间为过盈配合。骑行者旋动车把上的弹簧针弹射控制件时,通过钢丝绳的作用使刹闸收紧,抱刹转盘,同时,利用周向力逆向扭动转盘,实现转盘与外车轮的相对运动;同时,通过内嵌转动控制器中的弹簧球、弹簧及花盘的配合作用,实现弹簧针的出针、收针控制。3设计、计算和强度校正3.1工作区及动作尺寸根据人机工程学理论,以一个身高为170cm的人为例,参考人手的工作区及动作尺寸,确定自行车整体的尺寸,车体高为1370mm,长2200mm,车座离地高度为1120mm,车轮直径700mm,车毂直径600mm,车座到脚踏板距离为670mm。3.2t65碳复合材料结构校核鉴于该雪地自行车的一些通用结构设计均采用了传统自行车的典型结构及材料,因此只对该自行车创新设计部分进行应力分析。(1)关键零件强度校核。利用Inventor2013的相关功能对该自行车的关键零件进行应力分析,如图4所示。其中,取人体平均体重为70kg,自行车自重为35kg。由参考文献可知,T700碳纤维复合材料的屈服强度为613MPa。由于自行车各个部件正常情况下一般都在疲劳状态下工作,因此根据计算得:上述两个零件的最大等效应力分别为90.13Mpa、32.39Mpa,均小于极限值。经上述分析结论是,关键零件均满足强度要求。(2)主体结构强度校核:自行车坐垫处车架结构尺寸如图5所示,采用截面积为的矩形普通碳素钢Q235,屈服强度:取安全系数1.2。支架所受剪力、弯矩方程:弯矩:可见,支架满足拉应力强度条件。对于切应力,支架不利位置在水平横梁上,最大剪力Fs=800N:故支架满足切应力强度条件。4创新特色4.1雪路2号这款新型雪地自行车在概念上巧妙的将雪地自行车与普通自行车结合在一起,设计新颖多元,实现功能较多。4.2返回数千英镑的倾斜轴该后轮处的创新型机构在实现雪地与普通行驶模式的互换同时,增大了后车轮的摩擦,增强了车身整体稳定性。4.3发动机连接该前轮机构将雪橇与挡泥板巧妙结合,最大程度的利用了有限的空间,节约成本。5批量化生产,降低生产成本此新型雪地自行车应用范围广,一方面可以有效解决大部分降雪地区雪天出行难的问题,同时减少了普通家