一款概念自行车的设计与研究

2014-09-18 07:53李文江王小元汪壮壮
滁州学院学报 2014年3期
关键词:轮辐钢圈减震器

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

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