升博体育官网机械扭转馈能自行车助力器的设计与分析自行车作为出行的工具。尤其近几年，随着城市共享自行车 的迅速发展，人们选用自行车出行的比例持续增加。根据全 球知名市场调研公司 Persistence Market Research（PMR）的 一份报告显示，全球自行车市场有望在 2016—2024 年增长 37.5%，营业额将由 450.8 亿美元增至 620 亿美元以上。然 而，由于传统自行车自身传动系统结构的局限性，骑行者在 单脚骑行一周过程中施力不平均，在第二次做功期间腿部肌 肉需对抗更大的阻力做功。因此在骑行过程中易出现顿挫 感，即加速度频繁变化，容易导致上坡费劲、起步费劲等问 题。因此，如何改善自行车传动系统，创新性提升自行车的 骑行体验已成为当务之急。 2 传统自行车施力状态分析

　　本实验选用薄膜压力传感器采集足底踩踏力数据，通过 电脑收集骑行的瞬时数据。在薄膜两侧加装垫片以防压力片 受力不均。实验过程中，采用同一辆自行车，并要求测试者 带上耳机按音频在一定频率下骑行。实验选取低频（每 3 s 踩 3 圈）、高频（每 3 s 踩 5 圈）两种骑行频率分别进行实验。 实验装置如图 4 所示。 5.2 实验结果分析

　　装置的工作原理及结构的研究分析，并通过仿线 扭转馈能机构的结构分析 设计扭转馈能机构时，充分考虑装置传动系统的简单实

　　用性，其由限位盘、螺栓及弹性构件组成。限位盘沿周向均 匀分布着 4 个圆孔和 4 个滑槽，圆孔通过螺栓 1 连接牙盘构 件，滑槽通过螺栓 2 连接曲柄构件同时保证曲柄与限位盘之 间可以发生相对转动。弹性构件采用更好固定的两对拉簧， 通过螺栓 1、螺栓 2，并通过螺母拧紧固定，使装置在保证 助力的同时防止发生共振。

　　对比两条曲线可得助力器助力在起步等突变情况时可 实现助力，在平缓骑行状态下，不提供助力升博体育官网，这与设想的助 力器工作效果相符合。

　　（1.武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430223）

　　X1、X2 的差值也就越来越小，弹簧的形变量也越来越小；当 ω增大到一定程度时，X1=X2。由此可以得出，助力器助力在 起步和上坡等突变情况时可实现助力，在平缓骑行状态下不

　　摘 要：为改善传统自行车自身传动系统结构的局限性，降低人在骑行过程中的疲劳感，分析了传统自行车

　　的施力状态，设计并制造了一种新型简易的纯机械式扭转馈能自行车助力器。基于理论分析建立了助力器动力学

　　这种力矩的不平均分布，直接导致人在第二次做功期间 腿部肌肉需对抗更大的阻力做功，从而造成了腿部肌肉

　　的酸痛感，尤其在上坡骑行阶段，由于阻力做功是连续的， 人输出的力是间断的，容易造成上坡费劲的现象，大大降低 了人的骑行体验。 3 助力器结构设计 3.1 整体结构设计

　　装置的结构如图 2 所示，主要包括普通自行车曲柄牙 盘、扭转馈能机构及弹性构件三部分。人通过对自行车脚踏 板的踩动带动曲柄转动，曲柄通过螺栓 2 拉动拉簧，拉簧通 过螺栓 1 进一步带动牙盘转动，最后通过链条带动自行车后 轮转动从而完成骑行传动。其中，助力器所使用的曲柄牙盘 为市面上普遍使用的可拆卸曲柄牙盘，两者之间通过螺栓连 接，可自由拆卸，从而保证本款助力器与自行车的适配性。

　　自行车的驱动方式为人力驱动，根据曲柄转动角度，将 骑行运动划分区域，如图 1 所示。分析人在骑行时的做功状 况可得，单脚骑行一周中的力矩集中分布在 10°～180°的踩 踏期，而在 170°～350°的提拉期与 350°～370°（即﹣10°～ 10°）的平推期，不做功或做负功。

　　图 3 仿线 中，实线为加弹簧模型，虚线为不加弹簧模型，由 图 3 可看出两曲线几乎重合，即在平稳骑行过程中加装弹簧 对系统没有产生影响，与理论分析相符。 5 测力实验 5.1 实验准备

　　通过扭转馈能机构一方面可消除由系统运动突变产生 的扭转振动，降低下肢承受的冲击载荷；另一方面在一个踩 踏周期中可吸收来自踩踏期的部分踩踏能量，在踏板运行到