趙洪亮，郭 利，戶永清，劉珉君，王全吉，余 剛

(四川文理學院物理與機電工程學院，四川達州 635000)

0 引言

在環(huán)境污染嚴重的今天，自行車作為一項低碳環(huán)保的交通工具，在交通系統(tǒng)中有著不可替代的作用［1］。中國作為全球自行車生產和出口大國，從2006年起，我國自行車的生產量和出產量均占全世界60%以上。在我國每年都要消耗如此多自行車的背景下，自行車的性能也逐漸成為消費者所關心的問題。因此，設計一款高性能，高舒適度的自行車，在現在自行車需求量如此大的社會中越來越被人們所重視。

1 設計來源

現在很多自行車生產廠家對自行車的外形不斷進行優(yōu)化、改進，推陳出新，各種各樣的產品更是層出不窮。在自行車的外形上，現在的自行車可以說是登峰造極，所以現在對于廣大消費者而言，外形已經不再是選擇自行車最重要的因素了，消費者更加注重的是騎車時的舒適感覺，以及自行車的方便程度。

早已有許多學者等對自行車行駛過程中的舒適度早有研究，并且也取得了一些成果。例如，荷蘭Delft理工大學的Henri等人通過實驗，來研究自行車車架參數對騎車人舒適度的影響程度，最終開發(fā)出一套自行車的選購系統(tǒng)。又比如北京體育大學的孫科，通過研究不同的坐墊高度對于運動員的影響，得出在人體腿長的95%作為坐墊高度的情況下，此高度較為適合大多數運動員的結論［2］。

由此看來，為了達到提升消費者騎車過程中舒適度的目的，很多位學者都做出了許多的研究與努力。同時在研究過程中也會發(fā)現，自行車坐墊的高低，也是影響騎車舒適度的一個重要因素。當坐墊過高時，由于過度地直膝與伸踝等動作，會影響騎車人的發(fā)力;同時坐墊也會對男性前列腺部位造成過度擠壓。當坐墊過低時，下肢的交替屈伸發(fā)力會對踝關節(jié)、膝關節(jié)造成不斷地過度擠壓，短時間會引起關節(jié)的疼痛，但在長時間騎行之后，有可能會出現無法正常行走等嚴重的癥狀。因此，坐墊高度的調節(jié)是優(yōu)化騎車運動的關鍵，也是糾正諸多不正確動作的前提［3］。如何方便，快捷的調節(jié)自行車坐墊高低，也是一個值得研究的問題。

2 設計特點、方案及原理

(1)設計方案 目前市場上大多數自行車都有坐墊高度調整困難或者調整不方便的問題，而自行車坐墊的高低直接影響著騎車的舒適度。為此，設計一款可升降坐墊自行車，此款自行車可以方便調節(jié)坐墊高低，以提升騎車過程中的舒適度。這樣，在去租自行車或者借用別人自行車的時候，能很好地避免因為坐墊高度問題而帶來的煩惱。

自行車坐墊部分是主要的研究對象，考慮其所處的位置，騎車行進中負重等問題，想出可使自行車在騎車前或者騎行中調整坐墊的高度，以改善騎車條件，增加騎車舒適度的方案。

對于此機構的外形以及內部結構，如圖1、2所示。此機構采用純粹的復雜機械力作用，運用機械原理等，通過控制鞍座升降軸的高低，來實現控制坐墊高低的目的。

(2)設計原理 此機構采用銷、鍵定位的方式。銷在機器運轉作用中起定位或連接的作用［4］，而鍵通常用來實現軸與輪轂之間的周向固定以傳遞轉矩，或者實現軸上零件的軸向固定或軸向滑動導向的作用［5］。此機構采用銷鍵定位的方式，能很好的保證其穩(wěn)定性和可靠性。由圖1可知，由于鞍座升降軸和車架(圖1中的5)組成圓柱套筒副，已知其圓柱套筒副副級為Ⅳ，自由度為2［6］，所以鞍座升降軸在空間上的自由度為2，其鞍座升降軸只能沿著其軸的徑向和軸向方向運動。在鞍座升降軸徑向方向上，采用鍵的方式，來限制它的徑向自由度，使坐墊只能沿軸的方向運動。在鞍座升降軸軸向方向上，通過銷的運動來實現鞍座升降軸高度的固定。

圖1 坐墊三維示意圖

利用剎車線一端連接杠桿機構(見圖2)，另一端連接在安裝在龍頭上的剎車把手(另加一個剎車把手)，在零件配合度合理的情況下，通過剎車把手來控制銷的位置，繼而達到控制坐墊高低的目的。

圖2 坐墊升降劑視三維圖

在行駛過程中，需要調整坐墊高低時，需將人的體重作用在自行車腳踏板上，手捏合連接杠桿機構的剎車把手，通過杠桿原理，將銷子(圖2中的8)從鞍座升降軸的孔中調出，因為有螺栓頭(圖2中4)限位的作用，能保證兩個銷子都能順利調出，然后通過彈簧(圖2中2)的作用，使鞍座向上升，從而使坐墊升降軸上下自由調整。當達到合適的位置時，松開剎車手把，由于彈簧(圖2中6)的作用，使銷子進入鞍座升降軸的孔內，從而使鞍座固定在這個高度上。

(3)設計特點 此機構采用了機械原理和杠桿原理等，能方便、有效地調整坐墊的高度，即使在騎車過程中也能調整。因其隨時都能調整坐墊高度的特點，能有效地減少了調整時間。同時，其調整的方式與傳統(tǒng)調整相比，更加的方便、簡單，即使是老人、小孩也能順利的調整坐墊高度。此機構對自行車坐墊部分進行了改裝設計，保證了自行車其他部分的優(yōu)良性能，能直接有效地提升騎行過程中的舒適度，消除因為坐墊高度問題而帶來的疲勞、費力等問題。

3 可升降自行車坐墊部位應力應變分析

在騎車過程中，自行車的主要受力部位為坐墊部位，因此需要對可升降自行車坐墊部位進行應力應變分析。圖3為假設坐墊上承受200 kg體重時，坐墊升降部位的等效應力圖。由圖3可看出，最大等效應力出現在車架上365節(jié)點處，最大等效應力為136．8 MPa。對于車架材料為45鋼時，最大應力遠小于材料的屈服應力，因此只發(fā)生了彈性變形，結構處于安全狀態(tài)。

圖3 坐墊升降部位的等效應力圖

圖4 為假設坐墊上承受200 kg體重時，在車架上最大等效應力節(jié)點365的彈性應變圖。由圖4可看出，在施壓的初始階段車架發(fā)生的最大彈性應變?yōu)?．000 317 844，未發(fā)生塑性變形;隨著施壓進入穩(wěn)定階段，車架的最大彈性應變?yōu)楹愣ㄖ?．000 295 076，未發(fā)生塑性變形。由圖3、4可看出，當可升降自行車坐墊部位承受200 kg體重時，此部位的最大等效應力和最大彈性應變都發(fā)生在車架上，并且45鋼材質的車架能滿足騎行時的應力應變需求。

圖4 最大等效應力節(jié)點365的彈性應變

4 創(chuàng)新點

可升降坐墊自行車可以自由調整坐墊的高度，坐墊高度在行車過程中也能調整，能為消費者提供很大的方便，同時減輕消費者騎車疲勞感。這款自行車還可以適應不同的環(huán)境和不同人的體型，讓消費者以一個舒適的姿態(tài)來騎行。調整高度的方法簡單易懂，可以適應不同年齡段的人群，老人小孩都可以使用，并且因為坐墊的可升降性能，使同一輛自行車可以適和不同的人使用，使資源能得到更充分的利用。

5 結論

此款新型自行車以響應顧客需求，以方便、快捷為導向，打破傳統(tǒng)自行車的傳統(tǒng)設計思路，實現方便，迅速的升降自行車坐墊的高低。其在騎車過程中也能調整自行車坐墊高度的特點，使得該款自行車更加方便、人性化，更加的適應現代發(fā)展。通過力學分析，確定其安全性，使消費者騎行更加放心。

［1］ 韓微微．淺談自行車交通在城市交通系統(tǒng)中的地位和作用［J］．江西建材，2014－10:105．

［2］ 劉辛軍，王 京，于維旸，等．人體自行車機構分析及優(yōu)化設計:量身定做自行車［J］．中國科學:技術科學，2012，42(2):174－181．

［3］ 吳東華．人體工效學在單車運動中的應用研究:單車坐墊與車把的人體功效學調節(jié)對優(yōu)化騎行動作的影響［J］．南京體育學院學報:自然科學版，2013，12(1):21－25．

［4］ 祖業(yè)發(fā)．現代機械制圖［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2012．

［5］ 濮良貴，陳國定，吳立言．機械設計［M］．北京:高等教育出版社，2013．

［6］ 王知行，鄧宗全．機械原理［M］．北京:高等教育出版社，2013．