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雙腳踏車並行騎乘之互聯夾具設計 論文

2020-07-27 16:42經濟日報 戴辰

雙腳踏車並行騎乘之互聯夾具設計

Fixture Design for the Parallel Riding of Dual Bicycles

指導老師:陳永樹 教授

學生:周秉義 林晏鴻

實驗室:電子構裝實驗室

摘要

與伙伴相約騎自行車,最希望的是能夠並行而一起聊天。然而一般協力車座位仍為前後騎乘,溝通講話並不方便。本專題設計構想為使用外接式桿件連接兩台相同腳踏車而組成並行之協力腳踏車,運用快速拆裝的結構,自由組合兩台單人腳踏車成為一台協力車,期能適應各種騎車環境與交通狀況,而夾具之輕巧設計故攜帶也不會有任何空間上的負擔。研究利用SOLIDWORK與AUTOCAD繪圖軟體繪製模型,再將繪圖模型放入ANSYS進行有限元素分析,確認桿件的強度後選定材料,利用各種機械加工製造出實品。最後進行測試與改良,使車輛前後皆保持平行,整個運作性完全符合本研究預期的效果,完成實際可用之並行腳踏車夾具設計。

推薦

關鍵詞:並行騎乘腳踏車、協力車、雙腳踏車、外接式桿件。

Abstract

Generally, when biking with your partner, most of the cases is hope to be able to chat together in parallel while riding. However, the general co-operative pedaling bicycles can only offer the riders in a forward and backward positions, and it is inconvenient to communicate while riding. The design concept of this study is to design a set of fixtures to connect two identical bicycles together to form a parallel bicycle. With a quick assembly/disassembly fixture structure, two single bicycles can be freely combined together to become a cooperative pedaling bicycle, which can adapt to various cycling environments. And the lightweight design of the fixtures does not carry any space burden. The study firstly uses SOLIDWORK and AUTOCAD drawing software to draw the model, and then puts the drawing model into ANSYS for finite element stress analysis to obtain the suitable strength of the fixture rods when selecting the materials. Then uses various mechanical machining processes to manufacture the real fixture product. Finally, the test and improvement are carried out to confirm the feasibility in the actual operations. Thus the whole set of a practically usable parallel-riding bicycle fixture is completed.

Keyword: Parallel riding bicycle, Cooperative Pedaling bicycle, Dual bikes, External connecting fixture.

壹、前言

騎乘腳踏車是現今社會中與生活密切相關的一項休閒活動,尤其在各地觀光景點與都市生活圈裡,搭配政府設置的公共租借站,腳踏車已是隨處可見的交通工具。出遊時想與家人或朋友增進感情,腳踏車是最合適的選擇。相較於單人腳踏車,協力車可以讓兩人一起合作給與車子的動力,分散騎車所需的力氣,提高駕駛們的舒適度,聊天比較不容易被打斷,非常適合去約會的情侶與夫妻增加彼此的親密度。協力車缺點為前後座,協力車的體積都比較龐大,不好攜帶與停車,少了單人腳踏車的移動自由度。

想要擁有協力車與同行人的親密感,又想要擁有個人騎乘的自由感與方便性,在如此要求下,本研究構想出外接式桿件,可以使兩部相同的腳踏車進行連結,達到與協力車相同的效果。同時拆卸後也可以轉換成單人自行車,如此解決了攜帶不便的問題,還可以用在更多不同的場合,增高民眾的使用意願。將此推廣至更多景點,不僅改善空汙問題,還可促進觀光人潮,帶來更多的商機。

與本研究主題相關之文獻並不多見,僅有先前學長做過相關設計分析[1],然而仔細檢討仍有一些問題,因此,本研究針對其問題進行計算與創新設計,並製作實體成品加以測試。

貳、物體自由度

一般物體自由度分為六軸,如圖一所示,包含X軸、Y軸、Z軸、旋轉之Mx軸(Moment X)、My軸(Moment Y)、Mz軸(Moment Z)。運用右手座標系統,設座椅為原點,腳踏車前方為Y軸,側邊為X軸,上方為Z軸。

圖一 六軸座標系統與腳踏車3D圖 周秉義/提供
圖一 六軸座標系統與腳踏車3D圖 周秉義/提供

X軸的活動如下圖二,規範彼此X軸上的距離,確保兩個腳踏車前進的方向是平行。

圖二 雙台腳踏車上視圖X軸間距固定 周秉義/提供
圖二 雙台腳踏車上視圖X軸間距固定 周秉義/提供

Y軸的活動如下圖三所示,並行腳踏車需限制兩台腳踏車在Y軸上的位置,使兩台腳踏車都在同一Y值上,以確保都在同一行進位置。

圖三 雙台腳踏車上視圖Y軸需為定值 周秉義/提供
圖三 雙台腳踏車上視圖Y軸需為定值 周秉義/提供

Z軸的活動如下圖四(a),為了降低兩台腳踏車彼此之間的阻力(作用力與反作用力),兩台腳踏車在上下可以獨立活動,這樣比較能適應其他路面狀況,促進騎乘舒適度。

(a) Z軸可上下活動   (b) Mx軸可旋轉圖四 雙台腳踏車每車在側視圖...
(a) Z軸可上下活動 (b) Mx軸可旋轉圖四 雙台腳踏車每車在側視圖之自由度 周秉義/提供

Mx軸的活動如上圖四(b),如果有其中一邊的腳踏車前輪先遇到斜坡或突起物時,車體會做傾斜向上或傾斜向下的運動。因此兩台腳踏車各自在X軸上可以旋轉,且腳踏車在Z軸需能更順利地上下活動。

圖五為My軸的活動,本研究運用四個頂點支撐兩個Y平面,限制住兩台腳踏車在My的轉動。

圖五 雙台腳踏車前視圖My軸需固定 周秉義/提供
圖五 雙台腳踏車前視圖My軸需固定 周秉義/提供

Mz軸的活動如圖六,限制Mz軸可以使轉彎過程保持車體間的平行,不會車頭寬車尾窄。轉彎才可以同個角度進行移動。

圖六 雙台腳踏車上視圖Mz軸之固定 圖五 雙台腳踏車前視圖My軸需固定
圖六 雙台腳踏車上視圖Mz軸之固定 圖五 雙台腳踏車前視圖My軸需固定

參、模型構想

首先討論設計對象,除了兩輛一樣的腳踏車外,還希望此款腳踏車能有很高的市佔率,且適合各個年齡層,如此才能擴大此產品的客戶群。在此條件下,選擇了Ubike 微笑單車作為設計對象。

此製作為最終改良版本,詳細改造過程請參閱本研究 肆、樣品製作之五、製作問題與解決、六測試與改進等說明 。

一、轉向軸

首先設計了U字型的連接頭如圖七,用兩個連接點來固定龍頭車把的兩端,因為一個連接點容易導致龍頭的晃動。設定兩台腳踏車的平行間距為75cm,使騎乘者可保持舒適的騎乘姿勢與活動空間。

為了達到轉向同步,使用了萬向軸承的設計,如圖七所示,萬向軸承在Mx軸、My軸、Mz軸皆可旋轉。在有同步轉向的前提下,使車體在Z軸、 Mx軸、 My軸保有自由度,使單體自行車可以自由上下活動。

圖七 轉向軸結構圖 周秉義/提供
圖七 轉向軸結構圖 周秉義/提供

轉向同步的原理為當單邊的龍頭轉動時,會推動轉向中間連接桿在X軸方向平移,使另一台龍頭跟著轉動。詳如圖八

圖八 同步轉向原理示意圖 周秉義/提供
圖八 同步轉向原理示意圖 周秉義/提供

但萬向軸承無法限制Y軸方向的移動自由度,所以要依靠後方的車架軸來進行限制。

二、車架軸(前置、中置與後置)

前置車架軸目的只為了固定兩輛自行車前方X軸上的間距。安裝位置為龍頭轉向軸的外圍車體。圖九: 連接桿件與桿件的接點採用與轉向軸相同的設計,運用萬向接頭使其可讓車體自由的上下活動,此萬向軸承為直線式而非直角式。

圖九 前置車架軸軸承設計 周秉義/提供
圖九 前置車架軸軸承設計 周秉義/提供

中置與後置車架軸的安裝位置為座椅下方的座管和後輪旁特殊的發電機保護架。不同於前方的轉向軸與前置車架軸,要利用後方的車架軸來限制兩台車身在Y軸的相對位置,確保兩輛腳踏車可以保持前後平行。本研究設計出一種接頭如圖十所示,使用兩個可360度旋轉的銷,保有車體在Z軸、 Mx軸與 My軸的方向的自由度,使腳踏車可以上下自由活動。

圖十 中後置車架軸接頭分解圖 周秉義/提供
圖十 中後置車架軸接頭分解圖 周秉義/提供

此外發現,當其中一邊的自行車遭遇坑洞或凸起物時,前輪或後輪的上升或下降,詳見圖十一,這會使兩邊車輛的距離稍微的縮減。

圖十一 上下距離差示意圖 周秉義/提供
圖十一 上下距離差示意圖 周秉義/提供

今假設一邊的前輪先上升造成彼此車頭距離的所短,但後輪還沒上升使車尾彼此保持原來的間距,如圖十二所示,車頭與車尾間距差會導致中間連接桿的彎曲。因此在中置與後置車架軸的中段放置一段彈簧,可吸收此應力,增加騎乘時的安全與行進時的舒適性。詳細彈簧介紹如後。

圖十二 上坡間距縮短上視圖 周秉義/提供
圖十二 上坡間距縮短上視圖 周秉義/提供

本研究假設騎乘者身高為180公分,體重100公斤。Ubike腳踏車的重量為17公斤,設重力常數(g)為9.81,利用此數值來計算彈簧所需的彈力係數。假設今天有人騎腳踏車在平坦的乾柏油路上,且如圖十三所示,他們側傾與法線的夾角(θ)30度。畫出自由體圖(Free Body Diagram)如圖十三,設點A為原點,人受到重力向下影響使其重量(W人)為981牛頓作用在人體重心上(D點),腳踏車受到重力向下影響使其重量(W車)為166.77牛頓作用在車體重心上(B點)。側邊受連接桿給予的拉力F,還有地面與輪胎間的靜摩擦力fs與正向力。

Z軸方向的合力為零 (令向上為正)

W人 + W車 + 正向力 = 0

→正向力 = 1147.77 (N)

圖十三 騎乘傾倒自由體圖 周秉義/提供
圖十三 騎乘傾倒自由體圖 周秉義/提供

Y軸方向的合力矩為零(令順時針轉動為正)

A、B、C、D這四點的連線為力臂。分解W人、W車、桿件拉力F使一分力垂直力臂,計算力矩時可以忽略平行力臂的分力。同時在輪胎與地面接觸的A點沒有反作用力矩,因為輪胎與地面沒有被限制住,輪胎是可以轉動的。

周秉義/提供
周秉義/提供

X軸方向的合力為零 (令向左為正)

驗算桿件拉力(F)不能超過最大靜摩擦力,否則會有打滑的危險,利用Z軸靜力平衡中所求出的正向力帶入摩擦力公式,且乾柏油路面的磨擦係數為0.7[3]。

F桿件拉力= fs摩擦力<最大靜摩擦力fs,max

fs,max=0.7x1147.77=803.439(N)

接續探討桿件拉力F裡彈簧所受的拉力,為了騎乘者的安全與舒適感,本研究限制彈簧受力後的伸長量為1公分。依照虎克定律計算彈簧的彈力係數(k)。

彈簧拉力F=彈力係數k x 彈簧伸長量→k = 77661.7(N/m)

轉換彈力係數單位(N/m)成(N/cm)與牛頓為公斤重。k = 776.617(N/cm) = 79.17(kgw/cm)

最後得適用的彈簧為每80公斤重可壓縮或伸長1公分的彈簧作為連接桿中間的支撐。

三、固定夾具

固定夾具的設計要容易安裝且方便拆卸,圖十四(a)用於攝影棚架設的固定扣環便符合需求。此外Ubike後方的發電機保護架管徑過小,無法使用固定扣環,因此採用圖十四(b)

的蟹鉗夾作為固定用途。

(左) 固定扣環         (右)蟹鉗夾圖十四 固定夾具 周秉義/...
(左) 固定扣環 (右)蟹鉗夾圖十四 固定夾具 周秉義/提供

四、應力分析

預設所有桿件外徑為30mm,管厚為3mm,材料選定結構鋼。連接自行車龍頭的U型桿主要受力是萬向軸承的位置,來源為另一端的自行車發生傾倒或外拉時萬向軸承受到的拉扯。固定點與施力點如圖十五,施力大小為1400牛頓沿X軸方向,發現最大受力點為萬向軸承和U型桿的接點,大小25 kg/cm2。

圖十五 U型桿應力分析 周秉義/提供
圖十五 U型桿應力分析 周秉義/提供

車架軸桿件與桿件連接的接頭部分主要受力是來自X軸和Y軸方向的桿件推拉力。固定點與施力點如圖十六,施力大小皆為800牛頓,分別沿X軸方向和Y軸方向。最大受力點是接頭右方的銷和主體的連接位置,大小90 kg/cm2。

圖十六 車架軸接頭應力分析 周秉義/提供
圖十六 車架軸接頭應力分析 周秉義/提供

由上述應力分析可見,最大的受力都發生在接頭和桿件的接點處,因此在製作時須特別加強,預防破斷的發生而導致意外。

肆、樣品製作

此製作為最終改良版本,詳細改造過程請參見五、製作問題與解決與六、測試與改進。

圖十七所示為Autocad眾多零件工程圖之一,方便製作時的構造與尺寸確認。

圖十七 U型桿零件工程圖 周秉義/提供
圖十七 U型桿零件工程圖 周秉義/提供

本研究選定的圓管材料為鋼材。鋼材不僅容易取得、強度高,且其加工也十分容易,非常適合本研究的製作。

一、轉向軸

轉向軸主要分為U型桿與連接桿, U型的鋼管結合扣環與萬向軸承,再與兩端焊上螺帽的連接桿進行組裝,完成品如圖十八。

圖十八 轉向軸完成品 周秉義/提供
圖十八 轉向軸完成品 周秉義/提供

二、前置車架軸

此段桿件只需將一段長鋼管的兩端鎖上萬向軸承和扣環即完成,完成品如圖十九。

圖十九 前置車架軸完成品 周秉義/提供
圖十九 前置車架軸完成品 周秉義/提供

三、中置車架軸

首先介紹特殊銷(功能詳見參、車架軸),零件細項如圖二十。

圖二十 特殊銷零件一覽 周秉義/提供
圖二十 特殊銷零件一覽 周秉義/提供

而為了在桿件中段加入彈簧,因此先分別製作兩邊的桿件,再將彈簧焊在中央,完成品如圖二十一所示。

圖二十一 中置車架軸完成品 周秉義/提供
圖二十一 中置車架軸完成品 周秉義/提供

四、後置車架軸

後置車架軸構造基本上與中置相同,除長度較短外,其不同處為固定扣環改成蟹鉗夾。安裝方式是在連接車體桿件的側邊鑽出孔洞,穿過螺絲並鎖上蟹鉗夾,完成品詳如圖二十二。

圖二十二 後置車架軸完成品 周秉義/提供
圖二十二 後置車架軸完成品 周秉義/提供

五、製作問題與解決

本研究採買的萬向軸承為鋅合金材質,在焊接過程中,鍍鋅鋼管熔點高,而鋅合金熔點相對低,導致萬向軸承熔化受損。因此改為轉向軸製作之安裝方式。

彈簧的部分因為一開始本研究沒有經過力學計算,導致中置與後置車架軸沒辦法固定兩台腳踏車的平行距離,因此得知需經過力學分析,得以選用出適合的彈簧。

六、測試與改良

表一為所有測試之結果。第一次測試為轉向軸、中置與後置車架軸,前置車架軸為第一次測試後的改良品。

周秉義/提供
周秉義/提供

測試結果如上表,測試的性能皆如預期般運作,除了平行前進外,龍頭會漸漸地向中央靠攏或向兩側分開。問題所在為轉向軸之萬向軸承的設計無法完全固定兩邊龍頭間距,因此在自行車的前段再加裝一段車架軸。

第二次測試結果如上表。在加裝前置車架軸之後,有效地牽制住兩台腳踏車前段的間距,使車輛前後皆保持平行,也使整個運作性完全符合本研究預期的效果。

伍、結果與討論

完成品安裝於Ubike腳踏車後,如圖二十三。測試時在腳踏車兩旁用牽行的方式而非騎乘來評估連接桿件的效果。

圖二十三 桿件Ubike安裝 周秉義/提供
圖二十三 桿件Ubike安裝 周秉義/提供

結果發現龍頭的轉向良好,且兩台腳踏車在前進與後退時都保持平行,如圖二十四(a)所示。且當遇到上坡或下坡時,兩邊的腳踏車都可以自由的上下移動,如圖二十四(b)所示。

(左) 兩台腳踏車平行測試    (右) 單邊腳踏車上坡測試圖二十四 測試過...
(左) 兩台腳踏車平行測試 (右) 單邊腳踏車上坡測試圖二十四 測試過程 周秉義/提供

本研究未來可以改進的地方,如可以選用鋁合金管件來降低重量,同時在轉向軸的萬向軸承或是車架軸的直角活動處,可選用鋼材來增加強度,如此將可達商業推廣使用之標準。

陸、參考文獻

[1] 陳彥廷、蔡松宇、張書燁(2014)。元智大學機械系學士論文 : 用於結合兩部自行車並行之可攜式夾具設計。

[2] Website missing

[3] 道路摩擦力。檢自http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/html.php?html=everydayPhysics/bicycle (Sep.15,2019)

[4] 徐業良(2015)。《機械設計》。台中:滄海圖書

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