奔馳輪——一種新型競速運(yùn)動(dòng)器材的設(shè)計(jì)

競速運(yùn)動(dòng)歷來是運(yùn)動(dòng)場上最扣人心弦的項(xiàng)目，也是人類體能極限最難獲得突破的方面。而借助運(yùn)動(dòng)器材，則可以獲得意想不到的效果。歷史上曾出現(xiàn)過一些典型的借助器材而提高運(yùn)動(dòng)速度的例子。例如，自行車的出現(xiàn)，使得人類依靠自身體能實(shí)現(xiàn)了在陸地道路上快速前行；“鯊魚皮”泳衣的出現(xiàn)使得人類在水中行進(jìn)的速度大幅提高等等。因此，新型的競速運(yùn)動(dòng)器材不僅能對(duì)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目帶來巨大的沖擊，而且可能對(duì)社會(huì)生活帶來深刻影響。希望奔馳輪的設(shè)計(jì)能夠催生又一種新型的競速運(yùn)動(dòng)器材。

一、 設(shè)計(jì)背景

2002年一月，一架名叫“賽格威”的電動(dòng)自平衡兩輪車出現(xiàn)在美國街頭。得益于發(fā)達(dá)的現(xiàn)代媒體，“賽格威”幾乎在一瞬間就抓住了全世界的眼球，人們既為這種顛覆性的車輛行進(jìn)方式感到匪夷所思，也為這種精妙的功能設(shè)計(jì)由衷贊嘆。2008年8月，在北京奧運(yùn)會(huì)的開模式上，一群年輕人踩著一種由彈簧鋼板制成的高蹺騰躍挪移，既扣人心弦又妙趣橫生。上述兩種器材因其新穎性、獨(dú)特性、實(shí)用性，一經(jīng)出現(xiàn)，便迅速風(fēng)靡一時(shí)，影響。既然上述兩種器材的價(jià)值如此之大，那么將兩種器材結(jié)合起來將會(huì)出現(xiàn)怎樣的效果呢？

二、 設(shè)計(jì)思路

1、 以懸掛穩(wěn)定和使用者肌體平衡能力相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)奔馳輪的動(dòng)態(tài)平衡。圖1。

如圖1所示，傳動(dòng)系統(tǒng)懸掛于奔馳輪中心軸上，由重力所致，傳動(dòng)系統(tǒng)始終處于輪軸下方，可保持運(yùn)行中的穩(wěn)定性。使用者左右腳各綁定一個(gè)奔馳輪，身體重心處于兩輪著地點(diǎn)之間。因人體本身的平衡功能，輔以一定時(shí)長的練習(xí)，可以獲得動(dòng)態(tài)平衡。這種平衡能力的獲得過程，與使用自行車或輪滑鞋是相似的。

2、 左右腳各綁定一個(gè)奔馳輪，單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，交替前行，可成倍提高前行速度。圖2

如圖2所示，左右兩個(gè)奔馳輪交替落地，分別獲得向下的驅(qū)動(dòng)力d1和向上的復(fù)位運(yùn)動(dòng)d2；d1和d2持續(xù)往復(fù)，使得兩個(gè)奔馳輪各自獲得向前運(yùn)動(dòng)速度v1和v2。v1和v2疊加，同時(shí)作用于使用者，獲得較高的前行速度。

3、 齒輪齒條嚙合垂直傳動(dòng)，利用人體重量作為主要?jiǎng)恿υ?，可大大降低體能消耗。

如圖1圖2所示，左右腳以類似步行的姿態(tài)交替驅(qū)動(dòng)兩個(gè)奔馳輪。當(dāng)一側(cè)奔馳輪落地時(shí)人體重心移向該輪軸心，重力驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)；同時(shí)另一側(cè)抬起帶動(dòng)系統(tǒng)復(fù)位。當(dāng)落地一側(cè)的奔馳輪驅(qū)動(dòng)行程結(jié)束，隨即轉(zhuǎn)換為抬起狀態(tài)，而另一側(cè)奔馳輪開始著地驅(qū)動(dòng)，如此往復(fù)。由于驅(qū)動(dòng)力主要來自人體質(zhì)量，因此可以在很大程度上降低體能消耗。而當(dāng)以奔跑姿態(tài)行進(jìn)時(shí)，較大的沖量動(dòng)能可以使得奔馳輪獲得極大的行進(jìn)速度。

4、 采用輔助裝置，可方便轉(zhuǎn)換成并列自行車，方便初學(xué)者掌握使用技巧，也可作為休閑代步工具。圖3

如圖3所示，左右奔馳輪通過一個(gè)支架連接在一起，支架中部安裝一個(gè)支承轉(zhuǎn)向輪，就構(gòu)成了一架并列自行車。由于三點(diǎn)支撐，形成一個(gè)穩(wěn)定面，即便是沒有任何技能的初學(xué)者也能方便使用。而當(dāng)積累一定經(jīng)驗(yàn)后則可使中部的支承轉(zhuǎn)向輪離地，或直接拆除，僅依靠使用者自身調(diào)節(jié)重心，即可實(shí)現(xiàn)行駛目的。

三、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、 總體布局

1、輪轂輪輪胎   2、支承心軸   3、傳動(dòng)飛輪   4、齒條   5、導(dǎo)軌   6、腳蹬心軸   

7、支承結(jié)構(gòu)組件   8、提袢腳蹬   9、運(yùn)動(dòng)支承板   10、小腿綁帶

圖4

11、銷釘   12、支架

圖5

圖4、圖5分別表示競技運(yùn)動(dòng)和休閑代步兩種使用狀態(tài)。如圖4所示，兩個(gè)奔馳輪獨(dú)立設(shè)置，左右對(duì)稱。除了左側(cè)奔馳輪的支承心軸，因轉(zhuǎn)動(dòng)方向因素，其固定螺紋應(yīng)為左旋外，其余所有零部件均左右相同，便于制造和組裝。如圖5所示，兩個(gè)奔馳輪通過銷釘11和支架12可以方便地連接為一個(gè)整體。支架上12居中位置設(shè)置有轉(zhuǎn)向龍頭和支承輪，形成一架左右輪并列配置的新概念自行車。

2、 支承系

如圖1所示，輪轂輪胎1通過軸承安裝于支承心軸2上。由于奔馳輪在運(yùn)動(dòng)過程中需要承受一定沖擊力，因此軸承可采用成熟的運(yùn)動(dòng)型小輪自行車的規(guī)格。傳動(dòng)系統(tǒng)通過支承結(jié)構(gòu)組件7固定于支承心軸2上，并保證傳動(dòng)飛輪3與齒條4間徑向位置相對(duì)固定。運(yùn)動(dòng)支承板9通過一對(duì)螺母緊固于腳蹬心軸6上，同時(shí)運(yùn)動(dòng)支承板9上還設(shè)有小腿綁帶10，以確保在運(yùn)動(dòng)過程中奔馳輪整體與運(yùn)動(dòng)員小腿穩(wěn)固連接，并始終保持運(yùn)動(dòng)力垂直作用于腳蹬或提袢之上。,

3、 傳動(dòng)系

傳動(dòng)系由以下環(huán)節(jié)構(gòu)成：提袢腳蹬8→腳蹬心軸6→齒條4→單向傳動(dòng)飛輪3→輪轂（軸皮）。在這個(gè)傳動(dòng)系中，腳蹬、腳蹬心軸和齒條為剛性連接，在運(yùn)動(dòng)者重力和腿力在作用之下做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)；單向傳動(dòng)飛輪的設(shè)計(jì)有別于普通自行車單向傳動(dòng)飛輪——改外徑位置的鏈輪為齒輪，齒輪將齒條的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閳A周運(yùn)動(dòng)，位于齒輪內(nèi)徑位置的棘輪又通過棘爪將往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗驁A周運(yùn)動(dòng)，最終將驅(qū)動(dòng)力傳遞到輪轂（軸皮）上，實(shí)現(xiàn)整個(gè)奔馳輪的向前行駛。

4、 約束系

如圖6所示，約束系的設(shè)計(jì)需要解決的問題是使得運(yùn)動(dòng)系動(dòng)力傳遞順暢，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是確保單向傳動(dòng)飛輪3和齒條4的準(zhǔn)確嚙合。為此，必須確保齒條4上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)始終與單向傳動(dòng)飛輪的軸線垂直并保持嚙合間隙適當(dāng)。解決問題的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是導(dǎo)軌5，其導(dǎo)軌面有2組。一是導(dǎo)軌5的左右面，如圖6（a）所示，腳蹬心軸6的軸肩和緊固螺母與之配合，約束齒條4在垂直面內(nèi)的自由度；二是導(dǎo)軌5內(nèi)部的前后面，如圖6（a）所示，腳蹬心軸6與之配合，約束齒條4在水平面內(nèi)的自由度。此外，導(dǎo)軌5內(nèi)部導(dǎo)軌上下端為封閉結(jié)構(gòu)，可約束齒條4的上下行程，如圖6（b）所示。

四、 積極意義

最近幾年出現(xiàn)了非常多的新概念競技運(yùn)動(dòng)器械，比如各種各樣的新式滑板車、輪滑鞋、彈簧高蹺等等，但是基于自行車的新概念競技運(yùn)動(dòng)器械非常少。由于滑板車、輪滑鞋的驅(qū)動(dòng)力來自腿部向側(cè)后方的蹬地力，而且必然有相當(dāng)大部分的能量用于克服人體重量；而彈簧高橋雖然可以利用人體重力，但其反作用力的作用主要為高度方向，對(duì)速度的幫助成效不大。奔馳輪的設(shè)計(jì)完全以速度為聚焦點(diǎn)，左右腿交替驅(qū)動(dòng)，速度疊加；在運(yùn)動(dòng)過程中能充分利用人體重力，能夠在消耗同等體力的情況下成倍提高運(yùn)動(dòng)速度。

電動(dòng)兩輪平衡車的出現(xiàn)使得人們感受到一種完全不同行車體驗(yàn)，但其平衡功能來源于電子陀螺儀，缺乏技巧性和競技性。奔馳輪既具備電動(dòng)兩輪平衡車的新穎性，同時(shí)其平衡依靠使用者自身的技巧保持，更加適合娛樂和競技。

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本文來源：http://m.00559.cn/w/qt/1139.html  《湖北農(nóng)機(jī)化》