具有跑步健身功能的单车设计

黄浩 徐利超 李孝禄 朱俊江 张远辉

摘 要：设计了具有跑步健身功能的单车。在自行车结构上创新性地设计跑步机构，利用健身者跑步的动能驱动自行车。本设计具有自行车和跑步机双重功能。

关键词：自行车；跑步机；跑步机构

中图分类号：G872.3 文献标识码：A

随着人们生活品质的提高，越来越多的人通过使用跑步机来锻炼身体。而自行车是代步、锻炼身体、越野旅游、运动比赛以及少量货物运送的节能环保交通工具[1，2]。本研究将二者结合起来，设计出一种具有跑步健身功能的自行车。

1 设计方案

1.1 设计要求和原理

在原先的自行车基础上去掉了脚踏板结构，改为由履带驱动，具有跑步健身功能。保留座位可满足使用者休息的需求。设计运动人数为2人，最大载重为150kg，最高速度10km/h，自行车长为1.83m，高为1.5m，宽为0.60m。结构如图1所示。

其工作原理如图2所示。人通过脚与跑步机带之间的摩擦带动跑步机带传动，带传动又带动轴1转动，轴1上安放直齿圆柱齿轮A，直齿圆柱齿轮A与轴2上的直齿圆柱齿轮B一起转动，带动轴2转动，轴2上的直齿圆柱齿轮C与自行车脚踏板的飞轮通过链条传动，使自行车前行。

1.2 关键部件设计

该健身自行车由车把、前叉、前轴、前轮等部件组成导向系统，乘骑者可以通过操纵车把来改变行驶方向并保持车身平衡。龙头结构通体采用金属焊接的方式，保证龙头的结实可靠，本设计中采用现有的自行车的前车部分。

在龙头与履带的结合处两边，设计了连接机构，该结构由一块焊接在履带外壳上的钢板，车架和一个辅助连接件组成，共有一个用于固定车架的孔，两个用于调节车架的孔，三个孔的内径均为8mm，用材料为Q235和性能等级为4.6的六角头螺栓螺母连接固定。若要选择选择骑行方式时，只需卸下自行车前半部分的跑步状态的两个螺栓，旋转车架和辅助连接至对准两个辅助连接孔，并用螺丝拧紧，从而使坐在座椅上的人能够控制龙头。

健身者跑步时是通过摩擦阻力带动履带传动，履带通过摩擦阻力带动履带内的轴，使履带始终处于循环运动的状态。选取长为200mm，宽为400mm，厚为2mm的复合材料履带。整个框架大小为长790mm，宽为470，高为60mm的不锈钢制框架。履带内的轴为直径20mm，长为428mm，履带后的轴直径为20mm，长为428mm。后轴通过轴承连接与后轴相连，并通过焊接与前面的连接轴连接。并安装调节轴调节履带的紧松。连接在履带内的轴上的直齿圆柱齿轮A、B和C的模数为5，齿数为18，通过过盈连接的方式连接在跑步机履带内的轴上。该轴通过轴承固定在跑步机金属外壳上。飞轮齿数为48，链条为08a单排链条。本设计保留原自行车制动机构。

为了使机构更加可靠并增强自行车的跑步稳定性，在自行车两侧增加了万向轮。选用8寸尼龙万向轮，在自行车履带外壳两侧焊接了钢板，通过80×80×2直角连接件和M4的螺栓螺母固定，保证可靠性。

设计的具有跑步健身功能的自行车如图3所示。

2 关键部件受力分析

关键受力部件为履带外壳和龙头的连接处。在履带外壳的左右两侧均有此连接结构。这种连接是利用螺栓抗剪切来承受载荷，共有6组螺栓螺母承受剪切應力。利用CATIA软件进行其受力分析。按照设计参数对材料为Q235、性能等级为4.6的M8六角头螺栓进行有限元分析，观察其在受力后的变形情况，结果下图4和图5所示。

由上图可知，该螺栓最大应力为σmax=16.8Mpa96Mpa，[JP]与理论计算结果基本保持一致，最大应力在螺栓头与螺杆的末端。最大变形为0.00451mm，螺栓切向应力远小于螺栓的最大许用切应力，满足设计要求。

3 结语

设计的具有跑步功能的单车将自行车和跑步机的功能结合在一起，利用跑步产生的动能驱动自行车，即能节省健身者时间，又具有环保和节能减排的意义，具有广阔的市场前景。

参考文献：

[1] 李孝禄，王东平，李娟，等.利用太阳能实现电动自行车供电的研究[J].太阳能学报， 2016， 37（4）：884890.

[2] 李孝禄，黄建锋，王东平，等.采用交错并联技术的电动三轮车光伏充电控制系统[J].中国电机工程学报，2016， 36（11）： 29092917.