徐利勇 苏小东 李超 黄海波（.宁波巨隆机械股份有限公司 宁波 350；
.宁波大学机械工程与力学学院 宁波 35）
随着人们绿色环保和健康意识的增强，自行车成为短途通勤、休闲、运动以及健身的有效工具，成为运动健康消费市场的重要品类。但同时，人们也对自行车的质量（重量）、仓储、运输和存放提出了更高的要求。
由于脚踏模块由自行车驱动和传动部件组成，承受的负载最大、时间最久，因此传统设计通常将芯轴通过螺纹固接在曲柄上，从而保证其刚度和强度。通常，脚踏踏面与自行车本体垂直，脚踏会横向突出自行车本体并占据部分空间，造成自行车在存放时的空间浪费。在进行远洋或远距离批量运输时，由于脚踏的横向最大伸出距离决定了自行车的横向包装尺寸，可能会造成空间浪费和运输成本的上升。因此，开发满足强度要求、能够减少空间占用的脚踏模块，就成为自行车设计的关键点之一。
日前，宁波巨隆机械股份有限公司推出了一种可折叠、以塑代钢的儿童自行车脚踏模块，其踏面可以进行90°的旋转折叠（见图1、图2），有效减少脚踏在运输和存放时的横向空间占用。曲柄采用高强度塑料制成，可以有效减少模块的质量（重量）。折叠锁定机构采用限位式结构，只有限位块和弹簧两个主要零件，结构简单、操作方便。
图1 脚踏工作状态
图2 脚踏存放状态
该脚踏模块主要由曲柄、芯轴、销轴以及限位块、弹簧等构成。曲柄使用的材料为增强的玻璃纤维——工程塑料BK-2，并采用注塑一体化成型，其主要结构如图3所示。这种材料有很好的力学特性，能够满足曲柄对刚性和韧性的要求。同时，注塑一体化成型能够一次成型一些较为复杂的形体结构，节约成本。
图3 曲柄结构
芯轴和销轴都由金属锻造成型，保证脚踏系统的刚度和强度。芯轴末端为一个大致长方体结构，上方有一个配合斜面（见图4）。限位块采用注塑一体成型，有扳拉板、弹簧沟槽、导向槽、弹簧挂柱等结构。限位块下方有限位斜面，可以与芯轴后部上侧的斜面相贴合（见图5）。
图4 芯轴结构
图5 限位块结构
芯轴通过销轴与曲柄连接，并能够绕销轴转动。芯轴通过限位块进行限位，当限位块拉出时，芯轴可以通过销轴自由转动；
当限位块放入时，芯轴被固定在与曲柄成90°或者0°的位置上。
当脚踏系统工作时，限位块底面斜面通过弹簧能够贴合压紧芯轴的限位斜面，通过弹簧的拉紧力保持对芯轴末端平面压力实现固定，这样能够使芯轴始终与曲轴保持90°（见图6）。当脚踏系统处于运输和放置状态时，限位块拉开后可以使芯轴绕销轴向下旋转至0°，限位块松开后可以使之顶住芯轴底端下沿，使芯轴与曲柄保持0°固定（见图7）。
图6 脚踏工作状态剖切示意图
图7 脚踏存放状态剖切示意图
根据ISO 8098：2014《自行车——幼儿自行车安全要求》（《Cycles — Safety requirements for bicycles for young children》）的力学要求（见图8），我们对形成的曲柄进行了分析。我们发现，曲柄所受最大应力为90.857 MPa（见图9），大大低于工程塑料BK-2的拉伸和弯曲强度极限（210 MPa）。这说明脚踏系统的结构设计合理，能够保证脚踏模块的正常工作。
图8 ISO标准下的边界条件
图9 曲柄应力分布
本文提出的折叠式自行车脚踏模块，不仅能够作为自行车的驱动装置，还能够使脚踏模块在存放或运输时通过折叠机构减少空间占用，同时使用塑料代替金属制造曲柄，实现了脚踏模块的轻量化和减少空间占用的设计目标。出于对曲柄结构复杂性及塑料强度的担忧，本文采用计算机模拟验证了设计的可行性。自行车行业在未来仍然是朝阳产业，通过各方面的技术提升和设计方法的进步，相信在未来会有更多更好的创新设计呈现在消费者面前。
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