一款概念自行车的设计与研究

李文江，王小元，汪壮壮

一款概念自行车的设计与研究

李文江，王小元，汪壮壮

本文设计了一款结构简洁、款式新颖并且造型优美，同时满足消费者时尚需求的概念自行车。其特点：采用齿轮传动系统和自主设计的轴承式回转机构，实现无轮辐结构；采用双减震器和轴承式回转机构；优化坐垫模型，提高了人体舒适性；大胆的对自行车结构进行了简化，根据空气动力学原理设计出动感的车架。设计结果表明该款自行车结构切实可行，符合消费者的消费需求，同时为新款自行车的设计研发开辟了一条新途径。

概念自行车；无轮辐结构；双减震器；轴承式回转机构

随着生活节奏的加快，交通拥堵、环境恶化、人们健康水平下降等问题普遍存在［1］。越来越多的人们在改变着自己的出行方式，选择自行车作为交通和健身工具。骑自行车不仅方便快捷、节能减排，而且还有益于身心健康。以自行车作为代步健身工具，不失为当前最积极主动、最绿色环保的一种方法［2-3］。

图1为传统自行车结构示意图，传统自行车存在辐条安装麻烦，链条装配、调试、维修不方便等缺陷。针对这些缺陷，作者设计了一款外形简约、时尚无轮辐结构的概念自行车。

图1 传统自行车结构示意图

一、概念自行车的设计研发思路

概念自行车预示着未来自行车的发展前景。由于普通自行车结构繁杂，维修费时，本文采用新机构替代传统复杂的机构，进而达到概念自行车的设计目的。

概念自行车设计研发的基本思路是：在设计灵感基础上进行PS手绘，通过手绘图纸进行机构设计和产品造型，建立数学模型，并对其可行性进行理论分析，进而获得理想的设计结果。

二、概念自行车的主要部件结构设计

（一）PS手绘

为了快速建立三维模型，首先PS手绘表达出概念自行车的效果图，如图2所示，用于指导3D模型的建立。

图2 PS手绘效果图

（二）无轮辐结构

概念自行车的核心是无轮辐机构的实现。自行车的钢圈并非普通钢圈，它由一个普通钢圈、一个内齿轮和一个轴承构成，而钢圈两侧则是通过后轮支撑板压住钢圈里面的钢球，这样，形成了一个类似于轴承的车轮，如图3所示。

图3 无轮辐结构设计

自行车的前后轮都采用了无轮辐结构，内部钢圈是普通钢圈、内齿轮和轴承的结合体。钢圈被两边的后轮支撑板压住，后面部分相当于一个外面支撑板不动，里面钢圈在动的轴承。当自行车由齿轮驱动时，支撑板不动，钢球有效地将滑动摩擦变成滚动摩擦，钢圈和轮胎一起转动，从而实现了无轮辐车轮机构。

（三）齿轮传动

概念自行车采用圆形齿轮作传动系统，优化组合齿轮构成传动比较大的轮系，如图4所示，取代传统的链传动。其中齿轮1和2、7和8组成周转轮系，齿轮3和4、5和6组成定轴轮系，齿轮1是输入齿轮，齿轮8是输出齿轮。齿轮传动不但能克服链传动时有噪音和磨损后容易发生跳齿，不易用于载荷变化大、高速和急速反向的传动等缺陷，而且具有传动平稳可靠、传动比稳定、工作效率高、结构紧凑、使用寿命长等优点［4］。

图4 传动齿轮

齿轮的简化模型如图5所示，已知各齿轮的齿数Z1=72，Z2=24，Z3=52，Z4=26，Z5=48，Z6=16，Z7=25，Z8=200，有两对齿轮外啮合和两对齿轮内啮合，根据传动比计算公式［5］，计算其传动比i18为：

图5 齿轮系简化图

当自行车行驶时，主动齿轮（即输入齿轮）由脚踏板驱动，通过齿轮传动将动力由输入齿轮传递到输出齿轮，从而驱动自行车钢圈转动，实现自行车的前进。

（四）双减震器

为了提高骑车人的舒适度和车身的强度，车架与车身采用双减震器连接，如图6所示。这样不但可以加速车架与后轮支撑板振动的衰减，改善自行车行驶过程中的平顺性，而且可以保证两者的连接强度。

图6 双减震器透视图

（五）轴承式回转中心

车架与后轮支撑板处使用自主设计的轴承式回转机构进行连接，如图7所示。在保证整车强度的同时使得车身相对于后轮支撑板运动自由，其与减震器配合使用，共同加速震动的衰减，使得整车舒适性更强。

图7 轴承式回转机构

（六）动感外形车架

车架部分根据空气动力学原理进行设计，造型简洁独特，轮廓线流畅优美，现代感强，符合人们审美要求，便于骑乘。由图8可见，车身骨架采用高级复合型塑质材料注塑而成，使得整车轻便，实现了车身轻量化，可有效减少阻力，提高车速。

图8 动感外形车间模型

（七）坐垫优化

坐垫部分使用UG强大的曲面造型功能进行建模，如图9所示。

图9 概念自行车坐垫

为了提高骑车人的舒服度，使用Ansys模拟分析了其在常规路面正常行驶过程中的变形和受力情况。坐垫的变形量越大、应力越小，骑车人的舒服度越高。根据人体独特结构，通过反复优化坐垫外形尺寸，在材质允许范围内增大坐垫变形量，减小坐垫的应力，从而达到提高骑车人舒适度的目的，优化后的结果如图10和图11所示。

图10 坐垫变形图

图11 坐垫受力图

（八）整车装配图

在建模的基础上，采用3ds max强劲的渲染模块进行渲染，获得外形时尚、动感的概念自行车，装配图如图12所示。

图12 概念自行车装配图

三、结论

这款新型概念自行车以市场需求为导向，打破传统自行车设计思路的束缚，大胆采用新机构替代传统机构，根据实际需求设计新部件，主要优点是：

（1）车轮采用无轮辐结构，不仅可以使整车外形简约、时尚，而且避开辐条的繁杂安装。

（2）为保证无轮辐结构的实现，在车架与后轮支撑板处使用自主设计的轴承式回转中心，在保证整车强度的同时，车身相对于后轮支撑板运动自由。轴承式回转中心与双减震器的配合使用，整车舒适性更强。

（3）采用齿轮传动实现无链传动，在自行车生产过程中除去了链条装配的繁琐，有效地提高了生产效率。

（4）坐垫根据人体工程学进行设计，通过反复优化坐垫模型，使坐垫的变形和受力理想化，提高了人体舒适性。

（5）整车造型动感时尚，采用以红色为主的纯度高的暖色，搭配邻近色黄色，非常醒目。色彩识别度高。也可有其他纯度较高色彩的不同搭配选择。该款概念自行车的设计，能够满足人们追求时尚、新潮的心理，符合自行车的发展趋势。

［1］马洪全，严海霞.体育运动与现代社会生活方式［J］.常州信息职业技术学院学报，2007，6（4）：47-48.

［2］赵建有，高谋荣.中国自行车交通与城市交通可持续发展［J］.长安大学学报，2007，27（4）：70-74.

［3］祝 浩.概念自行车设计［J］.科技创新导报，2010（12）：27.

［4］郑文维，吴克坚.机械原理［M］.北京：高等教育出版社，1997.

［5］薛莉英.齿轮传动比的计算机辅助设计［J］.组合机床与自动化加工技术，1998，7：36-37.

TB47

A

1673-1794（2014）03-0080-03

李文江，安徽工程大学艺术学院讲师，硕士，研究方向：工业设计理论及产品造型设计；王小元，汪壮壮，安徽工程大学（安徽芜湖241000）。

安徽省哲学社科规划项目（AHSK09-10D43）

2013-10-21

王诗根