杨海森，陈 虎，李生泉

（1.兰州现代职业学院，兰州 730300；2.江西工业工程职业技术学院，江西 萍乡 337055）

0 引言

随着经济的快速发展，生活节奏的加快，许多父母不在孩子的身边，但是考虑到自己孩子的发展、娱乐、身心健康等方面的需要，开发出一款速度适宜、掌控方便简单，且集娱乐、安全于一体的代步工具就非常有意义[1]。传统的自行车能解决短距离的往返问题[2]，但有中途脱链、破胎、车座太高无以落脚等难以避免的问题。自行车车架过高，导致其重心相应变高[3]，重心高带来的不稳定性常使儿童和青少年发生骑行事故，这些不足之处对于儿童及青少年来说是个大问题。滑板的重心低，自行车的掌控性好，将自行车与滑板进行组合，创造出一款新型滑板自行车。国内和国外对于自行车和滑板的研究已经有一定的成果。例如将链式传动变为齿轮传动，由于机械加工工艺的成熟，齿轮传动自行车的齿轮轴制造成本大幅度降低[5]。采用新材料也大大减轻了自行车的重量[6]。不管是国外亦或是国内，将自行车与滑板车结合进行创新的几乎很少见。虽然滑板车引用了一部分自行车元素和滑板的元素，但就其传动方式而言，采用电力传动的速度过快，不易控制，对于儿童和青少年驾驶和娱乐还存在一定的隐患。

基于此，本文综合滑板和自行车的优点，运用3D建模的方式优化设计出一款重心较低、稳定性良好、乘坐舒适、安全可靠，且适合青少年和儿童骑行的新型滑板自行车。

1 滑板自行车总体方案

1.1 设计要求

（1）前后轮采用滑板连接，势必会造成滑板的滑行功能减弱，娱乐性下降，因此要设计出一种踏板折叠机构（在执行滑板功能时克服踏板的阻碍）。

（2）后轮采用齿轮人力传动，前轮采用电力驱动，实行三级行驶模式：一是自行车功能的脚踏踏板驱动；二是滑板驱动方式；三是电力辅助驱动（从而在疲劳时放松身心）。

（3）利用人机工程学原理，综合考虑人、机，环境的相互协同的作用，驾乘舒适，设计出适合儿童及青少年年龄特征及心理的滑板自行车。

（4）利用折叠机构将前后部分进行折叠，进而减少存放空间，方便旅行途中的携带。

总体设计如图1所示。

图1 总体设计

1.2 设计要素

新型滑板车自行车是结合了滑板和自行车的结构及功能进行设计的新产品。其结构要素包括：（1）新型滑板自行车的支撑结构，具体包括前轮、车把、支架、后轮、座椅；（2）传动结构，具体包括锥齿轮、轴、踏板。新型滑板自行车的功能要素有：踏板能进行折叠，座椅能进行调整，停放时有支撑装置，驾驶时有警示路人装置。

1.3 设计方案

传统自行车的方向掌控性能好，滑板的方向掌控性差。取其优势，将自行车的前叉元素保留下来。滑板的轮子小，重心底，平稳性好。新型滑板车的前轮和后轮大小保持一致，前轮通过自行车前叉联结。前叉再经过“L”型车架与后轮连接。传动装置设置为齿轮传动，装置置于密封件中，寿命高，且啮合性能好，传动效率较高（ε=94%～96%）。牙盘改装成主动锥齿轮，通过人踩踏板的作用，带动主动锥齿轮旋转，主动锥齿轮带动传动轴上的锥齿轮转动，从而带动轴的转动，进而使得与后轮啮合的锥齿轮旋转，最终驱使后轮转动起来。曲柄和传动轴及后轮为保证刚度，使用轴承进行约束。

1.4 尺寸参数

滑板自行车尺寸参数如表1所示。

表1 滑板自行车尺寸参数mm

2 人机工程学分析

2.1 影响滑板自行车性能的人体因素

2.1.1 人的体能人的体能要素以身高为基础要素，人体的工作能力与个子成正比，与胳膊成正比的特点。如胳膊和大长腿的长短与个子成正比，进而以骨关节为管理中心所造成的扭矩、步幅等，都在于个子的尺寸。全身肌肉、主动脉、人体骨骼的截面等都可以当作与胳膊成正比。从理论上讲，速率工作能力与做功工作能力和个子、胳膊、腿、全身肌肉成正比。事实上因每一个人体质不一样，经常出现20%之上的误差。

2.1.2 人的腿部肌张力

单车骑车的源动力，主要是骑车人的腿部肌张力。人骑自行车时，人体骨骼全身肌肉内的机械能变换为肌肉收缩的机械动能。单车脚蹬的旋转便是根据腿肌收拢负荷率而进行的，一般说腿肌长的人比腿肌短的人有益。肌肉收缩时造成的力，一般与肌肉的截面成占比，约为40～50 N/cm3，经过一定训炼的人可提升到65 N/cm3。

2.1.3 人的功率

人输出的功率伴随着骑车人的体能、精力、骑自行车姿态、延续时间和传动比等的转变而转变。一般成年人男生的较大功率约为0.7马力（0.51 kW），能持续10 s左右。假如延续时间长，其值要小得多，持续1 h，大概只有0.1～0.2马力（0.07～0.15 kW）。

2.1.4 人的脚踩速率

自行车运动是很有节奏感的，其节奏感经常与人的大脑规律维持一定关联。正常人的心跳为70次/min，一般脚踩以60 r/min节奏感旋转比较适合。

2.1.5 人的疲惫

骑单车时的疲惫关键为肌肉劳损。肌肉劳损常由往复式的很多工作中，人体姿态有误或设计方案不科学造成。骑单车时的疲惫关键原因是骑单车时人长期的反复运动和骑单车时错误的人体姿态。

2.2 人机协同设计

对影响新型滑板自行车性能的因素除了上述人的因素外，还有许多结构上的因素。为了得到自行车较佳的性能，必须把人的因素和结构因素有机地结合起来，以使人机协调。因此，需要着重分析和人体有关的结构要素。人体的坐姿尺寸包括前臂加手前伸长L1、前臂加手功能前伸长L2、上肢前伸长L3、上肢功能前伸长L4、坐姿中指指尖点上举高H3。

儿童和青少年对健身娱乐类产品的要求较高，因而选取百分位数P=90%，这时儿童和青少年对产品的满意度可达到90%。由于青少年的年龄接近年龄分组，因而选取年龄分组18～25岁。可知年龄分组18～25岁人体坐姿尺寸（男、女）中，当百分位数P=90%时，工作空间人体尺寸人体坐姿如表2所示。

表2 工作空间人体尺寸人体坐姿mm

3 机械部分计算

3.1 功率

自行车运动是很有节奏感的，其节奏感经常与人的大脑规律维持一定关联。正常人的心跳为70次/min，一般脚踩以60 r/min节奏感旋转比较适合。P1=fv=33.912 W，锥齿轮效率η1=0.98，轴承效率η2=0.97，故传动系统的总效率：

所以新型滑板自行车的输出功率：

3.2 锥齿轮传动设计

选择40-Cr作为齿轮材料。[7]

主动轮转速n1=60×70%=42 r/min（由于产品面向对象为儿童和青少年，因此按效率70%计算）：后轮速度设计为v=20 km/h：后轮直径d=500 mm：由线速度和转速的关系V=π·d·n得：

考虑到经济效率，齿轮轴上的锥齿轮z2=z3且选用最小齿数。不产生根切的最小齿数：

代入数字得：Zmin=13。

查机械设计手册表15-3-2，得直线锥齿轮的齿形角α=20°，齿顶高系数h*a=1，c*=0.2

则节锥角δ：

3.3 锥齿轮传动的强度计算

接触强度：

弯曲强度

锥齿轮类型几何系数e=1200，Zb=1，Z∅=1.683，使用系数KA=1.35（原动机是人，工作机是滑板自行车，两者均属于轻微冲击）。

接触强度校核计算如下。

接触强度计算公式(正交传动)：

许用接触应力：

强度条件：σH≤σHp，节点区域系数ZH=2.5，得重合度系数：

得当量圆柱齿轮端面重合度：

分度圆直径：

端面齿形角:

基圆直径:

啮合线长度:

纵向重合度：

当大、小轮齿宽不等时，用较小齿宽计算。当齿顶和齿根修形适当时，取ZK=0.85。

弯曲强度校核计算如下。

计算齿根应力：

许用齿根应力：

强度条件：σF≤σFP。

当量圆柱齿轮的齿数：

知齿形系数YFa=2.95，应力修正系数YSa=1.60。

曲强度计算的重合度系数：

弯曲强度计算的螺旋角系数:

式中：βm为齿宽中点螺旋角，若εVβ＞1，取εVβ=1：若βm＞30°，取βm=30°

3.4 锥齿轮轴上力的计算

小齿轮的径向力：

大齿轮的径向力：

轴向力Fx2公式可改写成：

3.5 轴承的校核

根据工作条件选用d=40 mm的调心滚子轴承，轴承受径向载荷Fr=45 kN，转速n=10 r/min，运转条件正常，要求寿命Lh=1500 h，则有：

查 表 可 知[7]2208（cc）型 轴 承Cr=79 kN,COr=88.5 kN，能满足要求，故选2208（cc）型轴承。

4 模型三维设计

4.1 车把组件

车把组件是关系到操纵和制动性能的主要部件。车把的宽度以中青年的肩宽480 mm，手掌宽度100 mm，设计时考虑手掌中央与车把把套的中央为接触点，这样可使整车受力平衡，具备安全可靠的操作车把和刹车制利条件[5]。

图2 车把

图3 脚踏

4.2 脚踏

脚踏分为水平脚踏、自锁脚踏和脚带脚踏。水平脚踏即平日所见的脚踏，脚和脚踏是分开的。自锁脚踏需要使用专用配套自锁鞋，如果是长时间骑行会感觉轻松很多，因为一只脚踩下去的同时另一只脚还可以往上提，一般来说可以省力25%。

4.3 前轮组件

前轮组件由前轮、轴承和轴构成。轴承内圈与前轴的配合采用基轴制，轴承外圈与前轮的配合采用基孔制，后轮组件由后轮、滚动轴承、后轴构成。

4.4 支撑板

支撑板与车把、前叉和前后轮连接，承载着骑车人的全部重量。支撑板的前后部分都应具有一定的刚性和弹性。从而确保能在不同的道路上安全稳定地驾驶。

图4 车轮

图5 支撑板

5 结束语

新型智能滑板车自行车结合了滑板和自行车的结构及功能优点进行设计的新产品。具有技术先进、结构紧凑、易折叠、掌控性好、低速度、高稳定性、乘坐舒适、骑行方便的特点和功能。总结如下。

（1）通过采用了人机工程的研究方法，人机协调，舒适人性设计，不仅适合儿童和青少年骑行，还有效地保障了青少年、儿童的身心健康、快乐成长，并且符合新时代的节能减排的要求。

（2）通过三维建模技术结合现代化的优化设计方式、有限元分析，有效地保障产品的安全性和可靠性，提升产品优化设计，具有方便携带的功能，深受儿童和青少年的欢迎。