自行車腳踏模塊的輕量化及空間優(yōu)化設(shè)計

徐利勇 蘇小東 李超 黃海波（.寧波巨隆機(jī)械股份有限公司 寧波 350； .寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院 寧波 35）

1 前 言

隨著人們綠色環(huán)保和健康意識的增強(qiáng)，自行車成為短途通勤、休閑、運(yùn)動以及健身的有效工具，成為運(yùn)動健康消費(fèi)市場的重要品類。但同時，人們也對自行車的質(zhì)量（重量）、倉儲、運(yùn)輸和存放提出了更高的要求。

由于腳踏模塊由自行車驅(qū)動和傳動部件組成，承受的負(fù)載最大、時間最久，因此傳統(tǒng)設(shè)計通常將芯軸通過螺紋固接在曲柄上，從而保證其剛度和強(qiáng)度。通常，腳踏踏面與自行車本體垂直，腳踏會橫向突出自行車本體并占據(jù)部分空間，造成自行車在存放時的空間浪費(fèi)。在進(jìn)行遠(yuǎn)洋或遠(yuǎn)距離批量運(yùn)輸時，由于腳踏的橫向最大伸出距離決定了自行車的橫向包裝尺寸，可能會造成空間浪費(fèi)和運(yùn)輸成本的上升。因此，開發(fā)滿足強(qiáng)度要求、能夠減少空間占用的腳踏模塊，就成為自行車設(shè)計的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

日前，寧波巨隆機(jī)械股份有限公司推出了一種可折疊、以塑代鋼的兒童自行車腳踏模塊，其踏面可以進(jìn)行90°的旋轉(zhuǎn)折疊（見圖1、圖2），有效減少腳踏在運(yùn)輸和存放時的橫向空間占用。曲柄采用高強(qiáng)度塑料制成，可以有效減少模塊的質(zhì)量（重量）。折疊鎖定機(jī)構(gòu)采用限位式結(jié)構(gòu)，只有限位塊和彈簧兩個主要零件，結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。

圖1 腳踏工作狀態(tài)

圖2 腳踏存放狀態(tài)

2 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

該腳踏模塊主要由曲柄、芯軸、銷軸以及限位塊、彈簧等構(gòu)成。曲柄使用的材料為增強(qiáng)的玻璃纖維——工程塑料BK-2，并采用注塑一體化成型，其主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。這種材料有很好的力學(xué)特性，能夠滿足曲柄對剛性和韌性的要求。同時，注塑一體化成型能夠一次成型一些較為復(fù)雜的形體結(jié)構(gòu)，節(jié)約成本。

圖3 曲柄結(jié)構(gòu)

芯軸和銷軸都由金屬鍛造成型，保證腳踏系統(tǒng)的剛度和強(qiáng)度。芯軸末端為一個大致長方體結(jié)構(gòu)，上方有一個配合斜面（見圖4）。限位塊采用注塑一體成型，有扳拉板、彈簧溝槽、導(dǎo)向槽、彈簧掛柱等結(jié)構(gòu)。限位塊下方有限位斜面，可以與芯軸后部上側(cè)的斜面相貼合（見圖5）。

圖4 芯軸結(jié)構(gòu)

圖5 限位塊結(jié)構(gòu)

3 工作狀態(tài)

芯軸通過銷軸與曲柄連接，并能夠繞銷軸轉(zhuǎn)動。芯軸通過限位塊進(jìn)行限位，當(dāng)限位塊拉出時，芯軸可以通過銷軸自由轉(zhuǎn)動；當(dāng)限位塊放入時，芯軸被固定在與曲柄成90°或者0°的位置上。

當(dāng)腳踏系統(tǒng)工作時，限位塊底面斜面通過彈簧能夠貼合壓緊芯軸的限位斜面，通過彈簧的拉緊力保持對芯軸末端平面壓力實(shí)現(xiàn)固定，這樣能夠使芯軸始終與曲軸保持90°（見圖6）。當(dāng)腳踏系統(tǒng)處于運(yùn)輸和放置狀態(tài)時，限位塊拉開后可以使芯軸繞銷軸向下旋轉(zhuǎn)至0°，限位塊松開后可以使之頂住芯軸底端下沿，使芯軸與曲柄保持0°固定（見圖7）。

圖6 腳踏工作狀態(tài)剖切示意圖

圖7 腳踏存放狀態(tài)剖切示意圖

4 應(yīng)力分析

根據(jù)ISO 8098：2014《自行車——幼兒自行車安全要求》（《Cycles — Safety requirements for bicycles for young children》）的力學(xué)要求（見圖8），我們對形成的曲柄進(jìn)行了分析。我們發(fā)現(xiàn)，曲柄所受最大應(yīng)力為90.857 MPa（見圖9），大大低于工程塑料BK-2的拉伸和彎曲強(qiáng)度極限（210 MPa）。這說明腳踏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能夠保證腳踏模塊的正常工作。

圖8 ISO標(biāo)準(zhǔn)下的邊界條件

圖9 曲柄應(yīng)力分布

5 結(jié)束語

本文提出的折疊式自行車腳踏模塊，不僅能夠作為自行車的驅(qū)動裝置，還能夠使腳踏模塊在存放或運(yùn)輸時通過折疊機(jī)構(gòu)減少空間占用，同時使用塑料代替金屬制造曲柄，實(shí)現(xiàn)了腳踏模塊的輕量化和減少空間占用的設(shè)計目標(biāo)。出于對曲柄結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及塑料強(qiáng)度的擔(dān)憂，本文采用計算機(jī)模擬驗(yàn)證了設(shè)計的可行性。自行車行業(yè)在未來仍然是朝陽產(chǎn)業(yè)，通過各方面的技術(shù)提升和設(shè)計方法的進(jìn)步，相信在未來會有更多更好的創(chuàng)新設(shè)計呈現(xiàn)在消費(fèi)者面前。