基于Pbdal system中两个零力矩向位的优化方案

邢末

[摘要]自行车脚踏系统就是典型的Pbdalsystem，即往复循环系统。在这个Pbdalsystem一周的过程中有两个死点，最有效的蹬踏范围即90度附近，只占圆周的10%左右，所以即便是最优秀的专业自行车运动员也无法达到将人力完全转化为自行车的动力，普通人在自行车的骑行过程中则损失了更大的能量，造成的人力资源的浪费。中国是世界上自行车产量和拥有量最多的国家，据不完全统计全国约有4亿辆自行车，但是现在的自行车的蹬踏系统中存在不能把人力完全转化为自行车动力的问题。本研究力图改变自行车现有的轮盘圆周式的蹬踏方式，让双腿尽可能采取一种直线式的蹬踏方式，最大限度的把人力转换为自行车的推进力。

[关键词]自行车;Pbdalsystem;零力矩向位;优化方案

前言

自行车脚踏系统就是典型的Pbdalsystem，即往复循环系统。目前为止还没有报道、立项和专利申请的记录试图只有李超设计了一种往复蹬踏式驱动装置，这种装置极大的提高了人力的利用率，但在理论上并没有突破圆周式的蹬踏模式，并且在现实中并没有被广泛运用。因此在设计直线式的蹬踏装置这一项目上还尚属空白，有很多国外学者在设计新型的蹬踏系统，目前面世的只有匈牙利的设计师设计的无链自行车，但是从蹬踏原理上来看并没有突破圆盘式的蹬踏系统的束缚。我们的设计是直线式蹬踏，从而达到人力的100%的利用，这将是全新的尝试。

一、理论依据

自从1871年法国人西夫拉克制造出第一个木质自行车到现现在Pbdalsystem即蹬踏系统一直没有改改变，以中轴位圆盘的圆周蹬踏系统有其自身不可调和的力学原理的劣势，若假定人脚施加在脚蹬上的力F的方向是竖直向下的并保持不变的，那么有效分力F1则为Fsinα，α为曲柄OA与竖直方向的夹角。有研究表明有效的这部分平均分力只占人脚提供蹬踏力量的63.7%。可见普通自行车驱动蹬踏装置对人力的利用只有三分之二左右，圆盘式的驱动蹬踏装置必然会产生这样的能量损失。李超设计了一种利用曲柄只在90度附近起效的装置，叫做往复蹬踏式驱动装置，大大提高了力的利用率，但是我们完全有可能设计一种直线式的蹬踏装置，这样将人腿提供的蹬踏力量完全转换成自行车的推动力。

二、公式表达

由于力F的大小方向都不变，故又有如图所示位置力F与车轮脚踏板杆垂直，在其它位置时可将力F分解为一个与车轮脚踏板杆始终垂直的力F⊥和一个与车轮脚踏板杆始终平行的力F//，由于F//在整个脚踏板转动过程中不做功，F⊥在车轮转动一周的过程只有在如图A点时F⊥=F，除此点之外F⊥

由于力F的大小方向均不变，且始终与轮半径垂直，在蹬踏系统的周期中力F做的功W=F2πR。所以第二种设计方法更节省能量。

三、市场预见

此項目研发目的在于开发出新型的直线式蹬踏驱动系统，实现人力在自行车推动力上的100%的转换。设计重点则是在上下方的两个死点，如果成功将成为自行车和自行车运动的一项重大革命，对于中国自行车运动和中国巨大的自行车适用人群将产生深远影响。在自行车运动领域，直线的蹬踏驱动系统会以一种更合理更高效的方式提供动力，并可能创造出更新更好的成绩。中国是世界上自行车产量和拥有量最多的国家，据中国自行车协会的统计全国有4亿辆自行车，如此巨大的使用量对于自行车自身部件的一点点改革所节省下来的能量都是有着巨大意义的。另外，新式蹬踏系统若研制成功必然商机无限。

参考文献

[1]邓卫斌，黄景明.自行车折叠设计探讨研究[J].科技资讯，2010（31）.

[2]李俄收，王远，吴文民.超高速飞轮储能技术及应用研究[J].微特电机.2010（06）.

[3]江南.新世纪全力推出箱型折叠式自行车[J].中国自行车，2007（07）.

[4]旷红梅，杨随先.基于人机工程学的自行车骑姿改进设计[J].机械，2007（03）.

[5]陈向明.自行车造型设计中的人性化体现[D].吉林大学，2011.

[6]林霜.自行车设计中的人机因素分析与研究[D].昆明理工大学，2008.