新型可升降坐垫自行车设计和研究*

赵洪亮，郭 利，户永清，刘珉君，王全吉，余 刚

(四川文理学院物理与机电工程学院，四川达州 635000)

0 引言

在环境污染严重的今天，自行车作为一项低碳环保的交通工具，在交通系统中有着不可替代的作用［1］。中国作为全球自行车生产和出口大国，从2006年起，我国自行车的生产量和出产量均占全世界60%以上。在我国每年都要消耗如此多自行车的背景下，自行车的性能也逐渐成为消费者所关心的问题。因此，设计一款高性能，高舒适度的自行车，在现在自行车需求量如此大的社会中越来越被人们所重视。

1 设计来源

现在很多自行车生产厂家对自行车的外形不断进行优化、改进，推陈出新，各种各样的产品更是层出不穷。在自行车的外形上，现在的自行车可以说是登峰造极，所以现在对于广大消费者而言，外形已经不再是选择自行车最重要的因素了，消费者更加注重的是骑车时的舒适感觉，以及自行车的方便程度。

早已有许多学者等对自行车行驶过程中的舒适度早有研究，并且也取得了一些成果。例如，荷兰Delft理工大学的Henri等人通过实验，来研究自行车车架参数对骑车人舒适度的影响程度，最终开发出一套自行车的选购系统。又比如北京体育大学的孙科，通过研究不同的坐垫高度对于运动员的影响，得出在人体腿长的95%作为坐垫高度的情况下，此高度较为适合大多数运动员的结论［2］。

由此看来，为了达到提升消费者骑车过程中舒适度的目的，很多位学者都做出了许多的研究与努力。同时在研究过程中也会发现，自行车坐垫的高低，也是影响骑车舒适度的一个重要因素。当坐垫过高时，由于过度地直膝与伸踝等动作，会影响骑车人的发力;同时坐垫也会对男性前列腺部位造成过度挤压。当坐垫过低时，下肢的交替屈伸发力会对踝关节、膝关节造成不断地过度挤压，短时间会引起关节的疼痛，但在长时间骑行之后，有可能会出现无法正常行走等严重的症状。因此，坐垫高度的调节是优化骑车运动的关键，也是纠正诸多不正确动作的前提［3］。如何方便，快捷的调节自行车坐垫高低，也是一个值得研究的问题。

2 设计特点、方案及原理

(1)设计方案 目前市场上大多数自行车都有坐垫高度调整困难或者调整不方便的问题，而自行车坐垫的高低直接影响着骑车的舒适度。为此，设计一款可升降坐垫自行车，此款自行车可以方便调节坐垫高低，以提升骑车过程中的舒适度。这样，在去租自行车或者借用别人自行车的时候，能很好地避免因为坐垫高度问题而带来的烦恼。

自行车坐垫部分是主要的研究对象，考虑其所处的位置，骑车行进中负重等问题，想出可使自行车在骑车前或者骑行中调整坐垫的高度，以改善骑车条件，增加骑车舒适度的方案。

对于此机构的外形以及内部结构，如图1、2所示。此机构采用纯粹的复杂机械力作用，运用机械原理等，通过控制鞍座升降轴的高低，来实现控制坐垫高低的目的。

(2)设计原理 此机构采用销、键定位的方式。销在机器运转作用中起定位或连接的作用［4］，而键通常用来实现轴与轮毂之间的周向固定以传递转矩，或者实现轴上零件的轴向固定或轴向滑动导向的作用［5］。此机构采用销键定位的方式，能很好的保证其稳定性和可靠性。由图1可知，由于鞍座升降轴和车架(图1中的5)组成圆柱套筒副，已知其圆柱套筒副副级为Ⅳ，自由度为2［6］，所以鞍座升降轴在空间上的自由度为2，其鞍座升降轴只能沿着其轴的径向和轴向方向运动。在鞍座升降轴径向方向上，采用键的方式，来限制它的径向自由度，使坐垫只能沿轴的方向运动。在鞍座升降轴轴向方向上，通过销的运动来实现鞍座升降轴高度的固定。

图1 坐垫三维示意图

利用刹车线一端连接杠杆机构(见图2)，另一端连接在安装在龙头上的刹车把手(另加一个刹车把手)，在零件配合度合理的情况下，通过刹车把手来控制销的位置，继而达到控制坐垫高低的目的。

图2 坐垫升降剂视三维图

在行驶过程中，需要调整坐垫高低时，需将人的体重作用在自行车脚踏板上，手捏合连接杠杆机构的刹车把手，通过杠杆原理，将销子(图2中的8)从鞍座升降轴的孔中调出，因为有螺栓头(图2中4)限位的作用，能保证两个销子都能顺利调出，然后通过弹簧(图2中2)的作用，使鞍座向上升，从而使坐垫升降轴上下自由调整。当达到合适的位置时，松开刹车手把，由于弹簧(图2中6)的作用，使销子进入鞍座升降轴的孔内，从而使鞍座固定在这个高度上。

(3)设计特点 此机构采用了机械原理和杠杆原理等，能方便、有效地调整坐垫的高度，即使在骑车过程中也能调整。因其随时都能调整坐垫高度的特点，能有效地减少了调整时间。同时，其调整的方式与传统调整相比，更加的方便、简单，即使是老人、小孩也能顺利的调整坐垫高度。此机构对自行车坐垫部分进行了改装设计，保证了自行车其他部分的优良性能，能直接有效地提升骑行过程中的舒适度，消除因为坐垫高度问题而带来的疲劳、费力等问题。

3 可升降自行车坐垫部位应力应变分析

在骑车过程中，自行车的主要受力部位为坐垫部位，因此需要对可升降自行车坐垫部位进行应力应变分析。图3为假设坐垫上承受200 kg体重时，坐垫升降部位的等效应力图。由图3可看出，最大等效应力出现在车架上365节点处，最大等效应力为136．8 MPa。对于车架材料为45钢时，最大应力远小于材料的屈服应力，因此只发生了弹性变形，结构处于安全状态。

图3 坐垫升降部位的等效应力图

图4 为假设坐垫上承受200 kg体重时，在车架上最大等效应力节点365的弹性应变图。由图4可看出，在施压的初始阶段车架发生的最大弹性应变为0．000 317 844，未发生塑性变形;随着施压进入稳定阶段，车架的最大弹性应变为恒定值0．000 295 076，未发生塑性变形。由图3、4可看出，当可升降自行车坐垫部位承受200 kg体重时，此部位的最大等效应力和最大弹性应变都发生在车架上，并且45钢材质的车架能满足骑行时的应力应变需求。

图4 最大等效应力节点365的弹性应变

4 创新点

可升降坐垫自行车可以自由调整坐垫的高度，坐垫高度在行车过程中也能调整，能为消费者提供很大的方便，同时减轻消费者骑车疲劳感。这款自行车还可以适应不同的环境和不同人的体型，让消费者以一个舒适的姿态来骑行。调整高度的方法简单易懂，可以适应不同年龄段的人群，老人小孩都可以使用，并且因为坐垫的可升降性能，使同一辆自行车可以适和不同的人使用，使资源能得到更充分的利用。

5 结论

此款新型自行车以响应顾客需求，以方便、快捷为导向，打破传统自行车的传统设计思路，实现方便，迅速的升降自行车坐垫的高低。其在骑车过程中也能调整自行车坐垫高度的特点，使得该款自行车更加方便、人性化，更加的适应现代发展。通过力学分析，确定其安全性，使消费者骑行更加放心。

［1］ 韩微微．浅谈自行车交通在城市交通系统中的地位和作用［J］．江西建材，2014－10:105．

［2］ 刘辛军，王 京，于维旸，等．人体自行车机构分析及优化设计:量身定做自行车［J］．中国科学:技术科学，2012，42(2):174－181．

［3］ 吴东华．人体工效学在单车运动中的应用研究:单车坐垫与车把的人体功效学调节对优化骑行动作的影响［J］．南京体育学院学报:自然科学版，2013，12(1):21－25．

［4］ 祖业发．现代机械制图［M］．北京:机械工业出版社，2012．

［5］ 濮良贵，陈国定，吴立言．机械设计［M］．北京:高等教育出版社，2013．

［6］ 王知行，邓宗全．机械原理［M］．北京:高等教育出版社，2013．