奔馳輪——一種新型競速運動器材的設計

競速運動歷來是運動場上最扣人心弦的項目，也是人類體能極限最難獲得突破的方面。而借助運動器材，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動速度的例子。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的速度大幅提高等等。因此，新型的競速運動器材不僅能對運動項目帶來巨大的沖擊，而且可能對社會生活帶來深刻影響。希望奔馳輪的設計能夠催生又一種新型的競速運動器材。

一、 設計背景

2002年一月，一架名叫“賽格威”的電動自平衡兩輪車出現(xiàn)在美國街頭。得益于發(fā)達的現(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方式感到匪夷所思，也為這種精妙的功能設計由衷贊嘆。2008年8月，在北京奧運會的開模式上，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、獨特性、實用性，一經出現(xiàn)，便迅速風靡一時，影響。既然上述兩種器材的價值如此之大，那么將兩種器材結合起來將會出現(xiàn)怎樣的效果呢？

二、 設計思路

1、 以懸掛穩(wěn)定和使用者肌體平衡能力相結合，實現(xiàn)奔馳輪的動態(tài)平衡。圖1。

如圖1所示，傳動系統(tǒng)懸掛于奔馳輪中心軸上，由重力所致，傳動系統(tǒng)始終處于輪軸下方，可保持運行中的穩(wěn)定性。使用者左右腳各綁定一個奔馳輪，身體重心處于兩輪著地點之間。因人體本身的平衡功能，輔以一定時長的練習，可以獲得動態(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、 左右腳各綁定一個奔馳輪，單獨驅動，交替前行，可成倍提高前行速度。圖2

如圖2所示，左右兩個奔馳輪交替落地，分別獲得向下的驅動力d1和向上的復位運動d2；d1和d2持續(xù)往復，使得兩個奔馳輪各自獲得向前運動速度v1和v2。v1和v2疊加，同時作用于使用者，獲得較高的前行速度。

3、 齒輪齒條嚙合垂直傳動，利用人體重量作為主要動力源，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)交替驅動兩個奔馳輪。當一側奔馳輪落地時人體重心移向該輪軸心，重力驅動傳動系統(tǒng)；同時另一側抬起帶動系統(tǒng)復位。當落地一側的奔馳輪驅動行程結束，隨即轉換為抬起狀態(tài)，而另一側奔馳輪開始著地驅動，如此往復。由于驅動力主要來自人體質量，因此可以在很大程度上降低體能消耗。而當以奔跑姿態(tài)行進時，較大的沖量動能可以使得奔馳輪獲得極大的行進速度。

4、 采用輔助裝置，可方便轉換成并列自行車，方便初學者掌握使用技巧，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支架連接在一起，支架中部安裝一個支承轉向輪，就構成了一架并列自行車。由于三點支撐，形成一個穩(wěn)定面，即便是沒有任何技能的初學者也能方便使用。而當積累一定經驗后則可使中部的支承轉向輪離地，或直接拆除，僅依靠使用者自身調節(jié)重心，即可實現(xiàn)行駛目的。

三、 結構設計

1、 總體布局

1、輪轂輪輪胎   2、支承心軸   3、傳動飛輪   4、齒條   5、導軌   6、腳蹬心軸   

7、支承結構組件   8、提袢腳蹬   9、運動支承板   10、小腿綁帶

圖4

11、銷釘   12、支架

圖5

圖4、圖5分別表示競技運動和休閑代步兩種使用狀態(tài)。如圖4所示，兩個奔馳輪獨立設置，左右對稱。除了左側奔馳輪的支承心軸，因轉動方向因素，其固定螺紋應為左旋外，其余所有零部件均左右相同，便于制造和組裝。如圖5所示，兩個奔馳輪通過銷釘11和支架12可以方便地連接為一個整體。支架上12居中位置設置有轉向龍頭和支承輪，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。由于奔馳輪在運動過程中需要承受一定沖擊力，因此軸承可采用成熟的運動型小輪自行車的規(guī)格。傳動系統(tǒng)通過支承結構組件7固定于支承心軸2上，并保證傳動飛輪3與齒條4間徑向位置相對固定。運動支承板9通過一對螺母緊固于腳蹬心軸6上，同時運動支承板9上還設有小腿綁帶10，以確保在運動過程中奔馳輪整體與運動員小腿穩(wěn)固連接，并始終保持運動力垂直作用于腳蹬或提袢之上。,

3、 傳動系

傳動系由以下環(huán)節(jié)構成：提袢腳蹬8→腳蹬心軸6→齒條4→單向傳動飛輪3→輪轂（軸皮）。在這個傳動系中，腳蹬、腳蹬心軸和齒條為剛性連接，在運動者重力和腿力在作用之下做直線往復運動；單向傳動飛輪的設計有別于普通自行車單向傳動飛輪——改外徑位置的鏈輪為齒輪，齒輪將齒條的直線往復運動轉變?yōu)閳A周運動，位于齒輪內徑位置的棘輪又通過棘爪將往復運動轉變?yōu)閱蜗驁A周運動，最終將驅動力傳遞到輪轂（軸皮）上，實現(xiàn)整個奔馳輪的向前行駛。

4、 約束系

如圖6所示，約束系的設計需要解決的問題是使得運動系動力傳遞順暢，其關鍵環(huán)節(jié)是確保單向傳動飛輪3和齒條4的準確嚙合。為此，必須確保齒條4上下往復運動始終與單向傳動飛輪的軸線垂直并保持嚙合間隙適當。解決問題的關鍵結構是導軌5，其導軌面有2組。一是導軌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在垂直面內的自由度；二是導軌5內部的前后面，如圖6（a）所示，腳蹬心軸6與之配合，約束齒條4在水平面內的自由度。此外，導軌5內部導軌上下端為封閉結構，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動器械，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動器械非常少。由于滑板車、輪滑鞋的驅動力來自腿部向側后方的蹬地力，而且必然有相當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，對速度的幫助成效不大。奔馳輪的設計完全以速度為聚焦點，左右腿交替驅動，速度疊加；在運動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動速度。

電動兩輪平衡車的出現(xiàn)使得人們感受到一種完全不同行車體驗，但其平衡功能來源于電子陀螺儀，缺乏技巧性和競技性。奔馳輪既具備電動兩輪平衡車的新穎性，同時其平衡依靠使用者自身的技巧保持，更加適合娛樂和競技。

參考文獻：

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本文來源：http://00559.cn/w/qt/1139.html  《湖北農機化》