张静 吴小平

（西南交通大学峨眉校区 四川峨眉 614200）

手摇脚踏车的设计

张静 吴小平

（西南交通大学峨眉校区 四川峨眉 614200）

在自行车早期的设计和发展中，很多人都尝试过将自行车变成可以手摇脚踏自行车，以提高骑行速度，减轻腿部用力，然而最终都因效率低下、安全性差而宣告失败。目前人们仍然在进行不断探索，以期通过手摇脚踏方式能够锻炼全身肌肉。本文以一款已经实现的手摇脚踏自行车为蓝本，研究并分析这种自行车的组成原理和相关尺寸关系。

运动机构 作图法 仿真

引言

1.分析并确定图示机构的运动原理，提出可能的运动机构方案，了解其工作过程；

2.掌握手摇和脚踏两个动力输入的组合方式及输出效果；

3.解决该自行车在骑行过程的转向问题；

4.适用范围体重在40-140kg，身高在1.3米-1.8米；

5.用软件进行可视化仿真。

1.运动机构的设计

设计对象包括车架、前轮、后轮、手摇驱动机构和脚踏驱动机构，手驱动机构连接踏板，脚踏驱动机构驱动连接后轮，脚踏驱动带动后轮上的齿轮运动，齿轮带动后轮运动，后轮将动力传给前轮，从而实现车向前运动。

若要该自行车正常行驶，要确定合理的手柄的摆角Ψ，则要根据人体运动学来确定摆杆的长度；

用UG软件绘制曲柄摇杆运动简图如下：

自由度F，F=3n-2pl-ph，F=3*3-2*4=1

用ug软件画出整体的运动简图如下：

3是曲柄，1是主动件，这是曲柄摇杆机构，其极位夹角为θ=180°（k-1/k+1），设K=1.25，则θ=20°＞0.满足曲柄摇杆中有急回特性的条件，即杆1具有急回特性.

2.作图法确定杆长

设人身高1.6m为题目要求1.3m-1.8m的平均身高，手臂平均长为0.5m，脚到胸前的长度约为1.28m，脚到手臂的长度为1.30m，上手柄长为0.8m，下手柄长为 0.48m，根据人体运动学原理和余弦定理 =（1.28^2+1.3^2-0.5^2）/（2*1.3*1.28）=0.925，Ψ=45°.

A，C1，C2三点所在圆和θ角之关系；

AC1，AC2，AB，BC长度关系：

AC1=BC-AB

AC2=BC+AB

AB=（AC2-AC1）/2

比例尺ul=（）==0.016

假设A在图示位置，测得0.56m，=0.56m，=0.14m，

已知=0.48m，所以曲柄长0.14m，脚踏板长0.56m，机架长0.56m.

3.检验其结果

1.曲柄是否存在：因为+=+（）＜+（）所以曲柄存在

2.连杆是否顺序到位

设A（0，0），D（1，0）

又因为两个位置的坐标为 （-0.4，2.65），（0.62，0.62）（1.88，2.87），（0.79，0，37）.所以=0.137＞0，=9.38＞0

二者同号，连杆能顺序到位.

3.又因为

曲柄摇杆的的计算公式为：

得出=47°，为了保证机构具有良好的传动性能，设计时通常应使40°.所以此位置的机构和各尺寸长度符合运动条件.

4.建模

1.杆件模型

2.整体模型

设车轮直径为66cm，骑车速度为12km/h，约为3.3m/s；取小齿轮的齿数为z2=34，大齿轮为z1=57，则取传动比为i=z2/z1=0.6.

设车轮半径为r，车转动的角速度为ω，前链轮角速度为ω1，后链轮角速度为ω2=ω，则ω=v/r=3.3（m/s）/0.33m=10rad/s，又n1/n2=z2/z1，所以ω1=2πn1=ω2*i=10*0.6rad/s=6rad/s，n1=57r/min，即为曲柄摇杆中曲柄的转速，曲柄的速度为=*ω1=0.14m/s*6rad/s=0.84m/s.

［1］机械设计、机械设计基础课程设计，王昆等主编，北京：高等教育出版社，1996

［2］机械设计、机械设计基础课程设计，王昆等主编，北京：高等教育出版社，1996

［3］机械零件设计手册（第二版）/中册，东北工学院《机械零件设计手册》编写组编，冶金工业出版社，1982

［4］孙恒陈作模葛文杰.机械原理（第七版）.北京：高等教育出版社，2006

［5］安琦王建文.机械设计课程设计.上海：华东理工大学出版社，2012

［6］吴宗泽.机械零件设计手册【2】.北京：机械工业出版社，2004.