張靜 吳小平
(西南交通大學(xué)峨眉校區(qū) 四川峨眉 614200)
手搖腳踏車的設(shè)計(jì)
張靜 吳小平
(西南交通大學(xué)峨眉校區(qū) 四川峨眉 614200)
在自行車早期的設(shè)計(jì)和發(fā)展中,很多人都嘗試過(guò)將自行車變成可以手搖腳踏自行車,以提高騎行速度,減輕腿部用力,然而最終都因效率低下、安全性差而宣告失敗。目前人們?nèi)匀辉谶M(jìn)行不斷探索,以期通過(guò)手搖腳踏方式能夠鍛煉全身肌肉。本文以一款已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的手搖腳踏自行車為藍(lán)本,研究并分析這種自行車的組成原理和相關(guān)尺寸關(guān)系。
運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 作圖法 仿真
1.分析并確定圖示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理,提出可能的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)方案,了解其工作過(guò)程;
2.掌握手搖和腳踏兩個(gè)動(dòng)力輸入的組合方式及輸出效果;
3.解決該自行車在騎行過(guò)程的轉(zhuǎn)向問(wèn)題;
4.適用范圍體重在40-140kg,身高在1.3米-1.8米;
5.用軟件進(jìn)行可視化仿真。
設(shè)計(jì)對(duì)象包括車架、前輪、后輪、手搖驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和腳踏驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),手驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接踏板,腳踏驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)連接后輪,腳踏驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)后輪上的齒輪運(yùn)動(dòng),齒輪帶動(dòng)后輪運(yùn)動(dòng),后輪將動(dòng)力傳給前輪,從而實(shí)現(xiàn)車向前運(yùn)動(dòng)。
若要該自行車正常行駛,要確定合理的手柄的擺角Ψ,則要根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)學(xué)來(lái)確定擺桿的長(zhǎng)度;
用UG軟件繪制曲柄搖桿運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如下:
自由度F,F(xiàn)=3n-2pl-ph,F(xiàn)=3*3-2*4=1
用ug軟件畫(huà)出整體的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如下:
3是曲柄,1是主動(dòng)件,這是曲柄搖桿機(jī)構(gòu),其極位夾角為θ=180°(k-1/k+1),設(shè)K=1.25,則θ=20°>0.滿足曲柄搖桿中有急回特性的條件,即桿1具有急回特性.
設(shè)人身高1.6m為題目要求1.3m-1.8m的平均身高,手臂平均長(zhǎng)為0.5m,腳到胸前的長(zhǎng)度約為1.28m,腳到手臂的長(zhǎng)度為1.30m,上手柄長(zhǎng)為0.8m,下手柄長(zhǎng)為 0.48m,根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)學(xué)原理和余弦定理 =(1.28^2+1.3^2-0.5^2)/(2*1.3*1.28)=0.925,Ψ=45°.
A,C1,C2三點(diǎn)所在圓和θ角之關(guān)系;
AC1,AC2,AB,BC長(zhǎng)度關(guān)系:
AC1=BC-AB
AC2=BC+AB
AB=(AC2-AC1)/2
比例尺ul=()==0.016
假設(shè)A在圖示位置,測(cè)得0.56m,=0.56m,=0.14m,
已知=0.48m,所以曲柄長(zhǎng)0.14m,腳踏板長(zhǎng)0.56m,機(jī)架長(zhǎng)0.56m.
1.曲柄是否存在:因?yàn)?=+()<+()所以曲柄存在
2.連桿是否順序到位
設(shè)A(0,0),D(1,0)
又因?yàn)閮蓚€(gè)位置的坐標(biāo)為 (-0.4,2.65),(0.62,0.62)(1.88,2.87),(0.79,0,37).所以=0.137>0,=9.38>0
二者同號(hào),連桿能順序到位.
3.又因?yàn)?/p>
曲柄搖桿的的計(jì)算公式為:
得出=47°,為了保證機(jī)構(gòu)具有良好的傳動(dòng)性能,設(shè)計(jì)時(shí)通常應(yīng)使40°.所以此位置的機(jī)構(gòu)和各尺寸長(zhǎng)度符合運(yùn)動(dòng)條件.
1.桿件模型
2.整體模型
設(shè)車輪直徑為66cm,騎車速度為12km/h,約為3.3m/s;取小齒輪的齒數(shù)為z2=34,大齒輪為z1=57,則取傳動(dòng)比為i=z2/z1=0.6.
設(shè)車輪半徑為r,車轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為ω,前鏈輪角速度為ω1,后鏈輪角速度為ω2=ω,則ω=v/r=3.3(m/s)/0.33m=10rad/s,又n1/n2=z2/z1,所以ω1=2πn1=ω2*i=10*0.6rad/s=6rad/s,n1=57r/min,即為曲柄搖桿中曲柄的轉(zhuǎn)速,曲柄的速度為=*ω1=0.14m/s*6rad/s=0.84m/s.
[1]機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì),王昆等主編,北京:高等教育出版社,1996
[2]機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì),王昆等主編,北京:高等教育出版社,1996
[3]機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版)/中冊(cè),東北工學(xué)院《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫組編,冶金工業(yè)出版社,1982
[4]孫恒陳作模葛文杰.機(jī)械原理(第七版).北京:高等教育出版社,2006
[5]安琦王建文.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì).上海:華東理工大學(xué)出版社,2012
[6]吳宗澤.機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)【2】.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.