自行车驱动机构的创新设计与分析
２０１１年１月第３９卷第２期
机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ｊａｎ．２０１１Ｖ０１．３９Ｎｏ．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
（淮阴工学院机械工程系，江苏淮安２２３００３）
摘要：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，对自行车进行改造。实际使用结果证明：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的改进和发展开辟了新的途径。四连杆杠杆式自行车驱动机构不仅可用于传统自行车的改造，由于杠杆运动范围小，便于残疾人手动操作，更适用于残疾人专用车；也可应用于旅游、环保机械等行业。
关键词：杠杆；四连杆机构；自行车；创新设计；传动机构中图分类号：ＴＨｌ２
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１—３８８１（２０１１）２—０２８—３
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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
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
人力自行车的应用十分广泛，目前所采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白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
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
国内外研究概况
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
收稿日期：２００９—１２—１１
基金项目：江苏省科技厅科技创新与成果转化课题（ＢＣ２００９４３２）
作者简介：卜云峰（１９５８一），男，硕士，教授，研究方向为数字化设计。电话：１３８５２３８６６６７，Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｇｂｙ６８＠
１６３．ｃｏｒｎｏ
万方数据
第２期卜云峰等：自行车驱动机构的创新设计与分析
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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。
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ｌ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。
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。
图３驱动机构与内啮合齿轮综合示意图
２．１．３机构参数与运动轨迹分析
在确定驱动机构原理模型的基础上，进行机构的参数设计和优化。
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：４０ｌｌｌｍ
ＡＤ＝６０ｍｍＢＣ＝９０ｍｍＤＣ＝９７
ｒａｎｌ
机构的极位夹角０＝７９０
再次，综合考虑摆动内齿轮与飞轮及车架的干
万方数据
涉，通过仿真分析得出机构最终的运动范围，压杆（连杆ＢＣ）的运动角度约为２ｌ。，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率，提高了人力示极限位置２。
自行车的技术性能和图４机构运动轨迹示意图
使用效率，降低了人的劳动强度。
２．２
结构组成
四连杠杆式自行车传动机构如图５所示，主要由
以下几个部份组成：
卜支杆卜Ｄ轴１卜右压杆１Ｉ一右槽轮组１２一右连杆１３－一连动体ｌ—Ｂ轴２一支架体３－－－－Ａ轴４－－内齿轮卜飞轮卜摇杆７－－－Ｃ轴
１４一右齿轴１５一左齿轴１６＂－左压杆１７一左连杆ｌ卜左槽轮组
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的上端孑Ｌ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ｌＯ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。
２．３
工作原理
当右压杆１０向下运动时，支杆８在力的作用下
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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ｌ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。
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ｌＯ向下运动时，经右槽轮组ｌｌ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。
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。
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。
实用价值
四连杠杆式自行车传动机构不仅能替换自行车的
链轮传动机构，而且也可以应用到其他方面，例如残疾人车。杠杆机构的压杆运动范围小的特点，更便于残疾人手动操作，同时起到省力环保的作用。
四连杠杆式自行车传动机构还可运用到娱乐旅游行业和环保机械等方面，例如观光旅游车、观光旅游船以及环卫交通工具等，具有适用范围广、转换效率高等优势。
四连杠杆式自行车传动机构，摆脱了链传动机构
万方数据
的不足，应用杠杆原理和齿轮传动原理，结合四连杆运动轨迹有效加长运动过程中杠杆的力臂长度、增大对顶角，提高了能量转换效率，既节省能源，又降低劳动强度，且达到环保的目的。
四连柯杆式自行车实物如图６示。
图６四连杠杆式自行车实物图
３总结
四连杠杆式自行车传动机构具有结构新颖、原理独特、能鼍转换率高等特点，为人力自行车的技术改进和发展开辟了新的途径，创造了自行车驱动机构设计的新理念。
（１）用四连杆运动的方式可增大力的输出，适当增长杠杆力臂，有利于提高机械能的转化效率；
（２）新的驱动机构使摆杆上的内齿轮产生较大的摆动角度，使与其啮合的飞轮获得较大的线速度；
（３）根据齿轮外啮合运动时，两齿轮旋转方向相反的原理，通过联动器实现了左右杠杆运动的连动，增强了运动的稳定性和连续性；
（４）由于四连杠杆式自行车传动机构在运动过程中无死点、不间断，因此，它传动平稳，更适合应用于交通和运载工具中。参考文献：
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２．４
自行车驱动机构的创新设计与分析
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
卜云峰， 王文志， 侯志伟， 左晓明， BU Yunfeng， WANG Wenzhi， HOU Zhiwei， ZUO Xiaoming
淮阴工学院机械工程系,江苏淮安,223003机床与液压
MACHINE TOOL & HYDRAULICS2011,39(2)
参考文献(5条)
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