一种自行车锁鞋锁踏的创新设计＊

魏雨枫，徐宗伟

（天津大学精密仪器与光电子工程学院精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072）

自行车作为一种便捷的交通工具，拥有近200 年的历史。自行车的起源可追溯到19 世纪初，1817 年，德莱斯发明了第一台具有现代意义的自行车，自此这种依靠双脚交替踩踏来获取前进动力的机械设备正式进入人们的生活[1]。

1 公路自行车运动的发展

公路自行车运动属于体育运动大项中的小众运动，被欧美国家的运动爱好者所喜爱，欧洲的自行车品牌例如Pinarello、Colnago、Look 等以及欧洲的公路自行车运动员与实力强大的世巡赛车队，代表着当今公路自行车制造业以及公路自行车运动的最高水平。近些年，由于中国国民生活水平和生活质量的提高，人们对自行车运动的兴趣与日俱增。近10 年专业自行车运动的普及度由2010 年的不足0.3%到如今的4%，专业的自行车运动正在被越来越多的中国爱好者接纳。科学技术的不断进步及其在体育运动领域的应用，使得公路自行车骑行锁鞋的科技含量大幅提升。各大厂商以帮助车手提高运动成绩为设计核心，不断改善其产品的多种竞速性能，使其产品拥有更好的性能和更佳的用户体验[2]。

2 锁踏系统的作用机制

如图1 所示，锁鞋是骑车时使鞋子和脚踏连接在一起的装置，用于提高速度和体能效率，发力可以更充分，脚也不会被颠离脚踏的特质专用鞋。自锁鞋普遍鞋底比较硬，更适合直接发力。公路自行车锁脚踏是由一块高强度纤维树脂或碳纤维的卡板和经过特别设计的鞋底连接在一起，这些卡板与脚踏上的特殊装置结合，通常扭转脚部从脚踏上解脱。在骑行周期中相比于普通鞋子，有效作用长度由从顶部顺时针到底部的踩踏环节，增加由底部顺时针到顶部的提拉环节。相当于在单脚的运动周期中都可以做功发力，如图2所示。用自锁脚踏一般来说可以省力25%以上，可以容易地登上以前很费力才能骑上的山坡，特别是长时间骑行会感觉轻松很多，这是因为一只脚踩下去的时候另一只脚还可以往上提，能省力很多。使用锁踏之后，即使遇到坑洞或不平稳的路况，或是爬坡、发力摇车、高踏频的时候，双脚依然稳定地固定在踏板之上，可以避免因为踩空而发生危险。市面上的锁踏系统可分为Shimano SPD-SL 系统、Look Keo 系统、Speedplay 棒棒糖系统和Time 系统4 种[3]。4 种锁踏系统的性能对比如表1 所示[4]。

表1 市面4 种锁踏系统的性能对比

图1 公路自行车锁鞋图

3 市面上现有产品的缺陷与改进措施

现有的锁鞋结构都是通过使用3 颗六角螺丝将锁片固定在锁鞋的底部，拆卸锁片时必须将3 颗六角螺丝用六角工具卸下才行，如图1 所示。

骑行者在到达目的地、骑行时等待红绿灯或中途解手等情况时需要将脚从锁踏解锁，才能站立行走。但是锁片表面光滑，且与地面只有很小的接触面积，导致其与地面的摩擦力小，骑行者容易摔倒受伤。而且，在上下楼梯、上下斜坡时会感到更加困难。笔者作为资深公路自行车玩家，通过仔细的研究与观察思考，对锁鞋与锁踏系统的结构进行了创新设计。

产品设计时考虑到技术矛盾的影响[5]，在一个子系统中引入一种有用功能后，会导致另一子系统产生一种有害功能，或加强了已存在的一种有害功能。而且一种有害功能会导致另一子系统有用功能的削弱。参考TRIZ 矛盾矩阵，得到了与本产品设计相关的2 对矛盾参数，如表2 所示。

表2 产品设计引入的矛盾参数与解决原理

由TRIZ 矛盾矩阵列表查找得到每对矛盾参数对应的创新原理，根据创新原理重新设计产品的材料、外形、工艺、热处理等性能参数，实现产品的优化。基于动态原理、局部质量原理等，笔者们开始了相关3代产品的设计。本文使用NX12.0、Solidworks 以及Sketchup 草图大师等软件，搭建出公路自行车整体模型。

4 历代产品的建模仿真与有限元分析

4.1 第一代产品设计

本文第一款锁鞋锁踏系统设计，其鞋底外观设计参考了Shimano、Specialized SW7 RC902 与Santic 等公司的锁鞋产品，如图3 所示。图4 展示了第一款系统的上紧机制结构与可拆卸机构。从下往上依次为锁鞋鞋底、可拆卸连接销钉、锁片、固定垫片、六角螺丝、锁踏；侧方的从右向左依次为快拆杆把手、把手固定螺丝、快拆杆、垫片以及快拆杆上紧螺帽。其中锁片通过六角螺丝与3 个连接销和垫片相连，3 个可拆卸连接钉分别插入锁鞋底部的3 个孔洞中，快拆杆依次穿过锁鞋的通孔、可拆卸连接销上的通孔、锁鞋的通孔，通过上紧螺帽实现锁片的固定。

图3 第一款锁鞋锁踏系统及行走时锁鞋结构

图4 第一款锁鞋锁踏系统构造图

图3 展示了骑行者行走时的锁鞋结构。当骑行者需要下车行走时，只需要旋动图4 中的10 即可，锁片和快拆销可以一起被拆卸下来。锁鞋底部的红色网状区域具有摩擦系数很大的材料，而且锁鞋与地面拥有和正常鞋子几乎一样的接触面积，可以产生足够大的摩擦力，防止骑行者滑倒受伤。

第一代产品达到了初步实现锁片可拆卸的要求，但是却有一个很大的缺点，就是拆卸后会产生过多的小零件，包括可拆卸连接销钉、锁片、固定垫片、六角螺丝、快拆杆、垫片以及快拆干上紧螺帽。不方便骑行者实际携带。而且，连接销的壁厚很薄，在承受颠簸路面带来的锁鞋瞬时冲击力时，极易发生断裂。本文通过workbench 静力学分析，假设当连接销钉选用标准结构钢时，对其施加200 N 的拉应力，在薄壁处存在的危险截面可以产生峰值压强P=9.4017×107Pa，如图5 所示，对于薄壁件连接销钉易发生强度失效，降低产品的可靠性。

图5 第一款锁鞋锁踏系统的连接销钉的拉应力分布图

4.2 第二代产品设计

为了进一步简化、完善零件装配结构的设计，提高可拆卸模块的强度，进行了进一步优化，设计出了第二款锁鞋锁踏系统。第二款锁鞋锁踏系统使用可搭载易于拆卸的锁片搭载模块的设计，锁片同样使用3颗六角螺丝、垫片与锁片搭载可拆卸模块相连。而且使用了蛹轴快拆杆，相比于第一款锁鞋锁踏系统的普通的快拆杆，它不需要上紧螺帽，可以和锁鞋螺纹孔侧的螺纹咬合，直接上紧和固定。第二款锁鞋的骑行状态结构与行走状态结构如图6 所示。当骑行者从骑行状态转变为行走状态时，只需要旋出2 支蛹轴快拆杆，取下锁片搭载模块即可。

图6 第二款锁鞋的骑行状态结构与行走状态结构

而且相较于第一款锁鞋锁踏系统的连接销，第二款锁鞋锁踏系统锁片搭载模块拥有更厚更长的薄壁，在使用相同结构的钢材料时，同样在快拆杆接触面施加200 N 的拉应力，在薄壁危险截面处产生峰值压强P=1.193 8×106Pa，如图7 所示。第二款锁鞋锁踏系统产生同样比例形变，可以承受比第一款锁鞋锁踏系统的连接钉高70 倍的拉应力。

图7 第二款锁鞋锁踏系统的可拆卸模块的拉应力分析

4.3 第三代产品及其有限元分析

在行走时，第二款锁鞋锁踏系统的鞋底部分中空体积过大，存在鞋底强度变弱、边缘易磨损破坏及对使用者的脚底保护不够等不足。为了解决这些设计上的不足，提出了第三款锁鞋锁踏系统的设计，如图8所示。第三款锁鞋锁踏系统，一方面采用了工字形状的锁片搭载模块设计，较大程度上减小锁鞋底部镂空体积，另一方面又增添了行走搭载模块，提高了行走时鞋底的强度和舒适性。当骑行者正常骑行时，使用锁片搭载模块，当需要走路时，旋出快拆杆，换上行走模块并用快拆杆固定，行走模块体积较小，便于骑行者随身携带。第三款锁鞋锁踏系统已经基本满足所有设计需求，现需要对其做静载荷强度校验、脉动载荷疲劳校验以及冲击载荷强度校验。综合考虑到刚性和价格，本文设计的锁鞋材料选用国产T1000 碳纤维材料。产品使用的T1000 材料性能结构参数，如表3所示[6]。

图8 第三款锁鞋锁踏系统的设计

表3 锁鞋T1000 碳纤维产品的材料性能参数

根据Specialized 锁鞋的设计使用标准，锁鞋底部应满足125 kg 使用者的基本静载荷以及达到240%基本静载荷冲击力值的最大冲击力，也就是说单脚的锁鞋应至少可以承受1 250 N 的静载荷以及最大3 000 N的瞬间冲击力。使用workbench 对静载荷做有限元分析，如图9 所示。

图9 第三代产品的静载荷有限元分析

由分析可得，1 250 N 静载荷作用下危险截面处的剪切压强P=2.899 2×107Pa。国产T1000 碳纤维的间层许用剪切强度[δ]=7.5×107Pa，远超过危险截面出的剪切压强。可知在静载荷作用下产品的强度设计满足要求。

再对其进行噪声载荷疲劳测试。本文选用一段类脉动噪声载荷，如图10 所示，在使用ANSYS 自带的goodman 噪声曲线修正功能进行应力值修正后，对鞋面进行加载。经校验得出，在最大瞬时冲击力为3 000 N的噪声载荷作用下，产品危险截面处的使用寿命可到达124 770 次，当使用1 200 N 的脉动载荷总用时，寿命可达1 000 000 次以上，如图11 所示，符合市面（Look、Specialized、Santic 等公司的旗舰产品）的设计要求[7]。

图10 对第三款产品施加的载荷噪声曲线，并使用goodman 修正

运用雨点矩阵Rainflow Matrix 分析得，产品应该主要承受低冲击的噪声载荷。采用损伤矩阵Damage Matrix 进行分析可得，高冲击载荷造成的寿命损伤较低载荷成类指数函数增长，如图12 所示。结合碳纤维产品强度高但是脆性大的特点，产品正常使用时应注意避免受到过大的高载荷冲击。

图12 对第三款产品采用的Rainflow Matrix 矩阵分析以及Damage Matrix 矩阵分析

经过Vray 渲染器以及NX12.0 自带的渲染编辑器的渲染得到产品的真实渲染模型，如图13 所示。

图13 经过真实渲染器渲染的第三款产品

5 结语

本文创新设计了锁鞋的鞋底结构，使其具有可快速拆卸锁片的功能。围绕拆卸便利性、鞋底刚度和强度分析等，开展了可拆卸锁片的3 款锁鞋锁踏系统的优化设计研究。经过静载荷校验，类脉动循环载荷校验，第三代产品已经达到设计的使用要求。本锁鞋产品的锁踏锁扣结构参考了Look Cycle Keo 产品，其可以自由搭配Shimano SPD-SL、Look Keo、Speedplay和Time 等4 款锁踏系统的专用锁片，以适应四大系统的专用锁踏。