奔驰轮——一种新型竞速运动器材的设计

竞速运动历来是运动场上最扣人心弦的项目，也是人类体能极限最难获得突破的方面。而借助运动器材，则可以获得意想不到的效果。历史上曾出现过一些典型的借助器材而提高运动速度的例子。例如，自行车的出现，使得人类依靠自身体能实现了在陆地道路上快速前行；“鲨鱼皮”泳衣的出现使得人类在水中行进的速度大幅提高等等。因此，新型的竞速运动器材不仅能对运动项目带来巨大的冲击，而且可能对社会生活带来深刻影响。希望奔驰轮的设计能够催生又一种新型的竞速运动器材。

一、 设计背景

2002年一月，一架名叫“赛格威”的电动自平衡两轮车出现在美国街头。得益于发达的现代媒体，“赛格威”几乎在一瞬间就抓住了全世界的眼球，人们既为这种颠覆性的车辆行进方式感到匪夷所思，也为这种精妙的功能设计由衷赞叹。2008年8月，在北京奥运会的开模式上，一群年轻人踩着一种由弹簧钢板制成的高跷腾跃挪移，既扣人心弦又妙趣横生。上述两种器材因其新颖性、独特性、实用性，一经出现，便迅速风靡一时，影响。既然上述两种器材的价值如此之大，那么将两种器材结合起来将会出现怎样的效果呢？

二、 设计思路

1、 以悬挂稳定和使用者肌体平衡能力相结合，实现奔驰轮的动态平衡。图1。

如图1所示，传动系统悬挂于奔驰轮中心轴上，由重力所致，传动系统始终处于轮轴下方，可保持运行中的稳定性。使用者左右脚各绑定一个奔驰轮，身体重心处于两轮着地点之间。因人体本身的平衡功能，辅以一定时长的练习，可以获得动态平衡。这种平衡能力的获得过程，与使用自行车或轮滑鞋是相似的。

2、 左右脚各绑定一个奔驰轮，单独驱动，交替前行，可成倍提高前行速度。图2

如图2所示，左右两个奔驰轮交替落地，分别获得向下的驱动力d1和向上的复位运动d2；d1和d2持续往复，使得两个奔驰轮各自获得向前运动速度v1和v2。v1和v2叠加，同时作用于使用者，获得较高的前行速度。

3、 齿轮齿条啮合垂直传动，利用人体重量作为主要动力源，可大大降低体能消耗。

如图1图2所示，左右脚以类似步行的姿态交替驱动两个奔驰轮。当一侧奔驰轮落地时人体重心移向该轮轴心，重力驱动传动系统；同时另一侧抬起带动系统复位。当落地一侧的奔驰轮驱动行程结束，随即转换为抬起状态，而另一侧奔驰轮开始着地驱动，如此往复。由于驱动力主要来自人体质量，因此可以在很大程度上降低体能消耗。而当以奔跑姿态行进时，较大的冲量动能可以使得奔驰轮获得极大的行进速度。

4、 采用辅助装置，可方便转换成并列自行车，方便初学者掌握使用技巧，也可作为休闲代步工具。图3

如图3所示，左右奔驰轮通过一个支架连接在一起，支架中部安装一个支承转向轮，就构成了一架并列自行车。由于三点支撑，形成一个稳定面，即便是没有任何技能的初学者也能方便使用。而当积累一定经验后则可使中部的支承转向轮离地，或直接拆除，仅依靠使用者自身调节重心，即可实现行驶目的。

三、 结构设计

1、 总体布局

1、轮毂轮轮胎   2、支承心轴   3、传动飞轮   4、齿条   5、导轨   6、脚蹬心轴   

7、支承结构组件   8、提袢脚蹬   9、运动支承板   10、小腿绑带

图4

11、销钉   12、支架

图5

图4、图5分别表示竞技运动和休闲代步两种使用状态。如图4所示，两个奔驰轮独立设置，左右对称。除了左侧奔驰轮的支承心轴，因转动方向因素，其固定螺纹应为左旋外，其余所有零部件均左右相同，便于制造和组装。如图5所示，两个奔驰轮通过销钉11和支架12可以方便地连接为一个整体。支架上12居中位置设置有转向龙头和支承轮，形成一架左右轮并列配置的新概念自行车。

2、 支承系

如图1所示，轮毂轮胎1通过轴承安装于支承心轴2上。由于奔驰轮在运动过程中需要承受一定冲击力，因此轴承可采用成熟的运动型小轮自行车的规格。传动系统通过支承结构组件7固定于支承心轴2上，并保证传动飞轮3与齿条4间径向位置相对固定。运动支承板9通过一对螺母紧固于脚蹬心轴6上，同时运动支承板9上还设有小腿绑带10，以确保在运动过程中奔驰轮整体与运动员小腿稳固连接，并始终保持运动力垂直作用于脚蹬或提袢之上。,

3、 传动系

传动系由以下环节构成：提袢脚蹬8→脚蹬心轴6→齿条4→单向传动飞轮3→轮毂（轴皮）。在这个传动系中，脚蹬、脚蹬心轴和齿条为刚性连接，在运动者重力和腿力在作用之下做直线往复运动；单向传动飞轮的设计有别于普通自行车单向传动飞轮——改外径位置的链轮为齿轮，齿轮将齿条的直线往复运动转变为圆周运动，位于齿轮内径位置的棘轮又通过棘爪将往复运动转变为单向圆周运动，最终将驱动力传递到轮毂（轴皮）上，实现整个奔驰轮的向前行驶。

4、 约束系

如图6所示，约束系的设计需要解决的问题是使得运动系动力传递顺畅，其关键环节是确保单向传动飞轮3和齿条4的准确啮合。为此，必须确保齿条4上下往复运动始终与单向传动飞轮的轴线垂直并保持啮合间隙适当。解决问题的关键结构是导轨5，其导轨面有2组。一是导轨5的左右面，如图6（a）所示，脚蹬心轴6的轴肩和紧固螺母与之配合，约束齿条4在垂直面内的自由度；二是导轨5内部的前后面，如图6（a）所示，脚蹬心轴6与之配合，约束齿条4在水平面内的自由度。此外，导轨5内部导轨上下端为封闭结构，可约束齿条4的上下行程，如图6（b）所示。

四、 积极意义

最近几年出现了非常多的新概念竞技运动器械，比如各种各样的新式滑板车、轮滑鞋、弹簧高跷等等，但是基于自行车的新概念竞技运动器械非常少。由于滑板车、轮滑鞋的驱动力来自腿部向侧后方的蹬地力，而且必然有相当大部分的能量用于克服人体重量；而弹簧高桥虽然可以利用人体重力，但其反作用力的作用主要为高度方向，对速度的帮助成效不大。奔驰轮的设计完全以速度为聚焦点，左右腿交替驱动，速度叠加；在运动过程中能充分利用人体重力，能够在消耗同等体力的情况下成倍提高运动速度。

电动两轮平衡车的出现使得人们感受到一种完全不同行车体验，但其平衡功能来源于电子陀螺仪，缺乏技巧性和竞技性。奔驰轮既具备电动两轮平衡车的新颖性，同时其平衡依靠使用者自身的技巧保持，更加适合娱乐和竞技。

参考文献：

[1] 程宪春.折叠自行车设计研究 [J]. 包装工程，2007，28（8）：160.

[2] 濮良贵,纪名刚.机械设计[M].第 8 版.北京:高等教育出版社,2006.

[3]陈黎.从自行车的形制演变看需求与技术之互动发展 [J]. 江南大学学报，2002，（4）：110.

本文来源：http://www.zzqklm.com/w/qt/1139.html  《湖北农机化》