模拟自行车在路面行驶受力的教学实验装置

摘要

本发明涉及一种模拟自行车在路面行驶受力的教学实验装置，由自行车、跑步机和连接装置构成，所述自行车由导向系统、驱动系统和制动控制系统组成；所述跑步机由底座、立柱架和控制面板组成；所述连接装置由支架部分、车把(座)连接部分以及辅助轮部分组成。支架部分由自底向上相连的夹板、立柱、横支架、立轴和锁紧压环组成。车把(座)连接部分由依次相连的车把(座)锁紧环、车把(座)连接伸缩轴、连接套筒座及直线轴承组成。辅助轮部分由延伸轴、锁紧螺母、车轮托架及车轮组成。本装置可仿真路面骑行，不受附加外力约束，车身受力部件多是复杂的组合变形结构，它可将多项静态和动态力学实验集中在自行车(实验台)上进行。

权利要求

1.一种模拟自行车在路面行驶受力的教学实验装置，其特征在于：由自行车、跑步机和连接装置构成，自行车和跑步机通过连接装置连接，该连接装置包括支架部分、车把连接部分和车座连接部分，支架部分由前、后两套结构相同的支撑架单元构成，每个支撑架单元均由两个夹板、两个立柱、两个横支架和一个立轴构成，两个立柱分别设置在跑步机的左右两侧，每个立柱的底部均安装一个夹板，该夹板与跑步机台面固定连接，两个立柱的上端安装两个横支架，该两个横支架上下并排设置，且两个横支架的左右两端分别安装在两个立柱上，两个横支架之间安装一个垂直于跑步机台面设置的立轴；

前支撑架单元的立轴上安装车把连接部分，后支撑架单元的立轴上安装车座连接部分，该车把连接部分和车座连接部分结构相同，其均由连接套筒座、直线轴承、连接伸缩轴及锁紧环构成，支撑架单元的立轴穿装在直线轴承的轴承孔内，直线轴承的端面安装连接套筒座，该连接套筒座内装配一个压缩弹簧，连接套筒座内同轴插装连接伸缩轴，该连接伸缩轴的后端顶压压缩弹簧，连接伸缩轴的前端铰装锁紧环，该锁紧环由两个半圆形环扣构成，其卡装在车把或者车座的立管上。

2.根据权利要求1所述的一种模拟自行车在路面行驶受力的教学实验装置，其特征在于：所述的夹板由底板、顶板和立板连接组成一个弯钩状，其弯钩部分钩在跑步机底部的承重管上，底板通过螺栓与跑步机台面固装，顶板通过螺栓与立柱固装。

3.根据权利要求1所述的一种模拟自行车在路面行驶受力的教学实验装置，其特征在于：所述的后支撑架单元中的夹板上预留用于跑步机脚轮穿过的缺口。

4.根据权利要求1所述的一种模拟自行车在路面行驶受力的教学实验装置，其特征在于：所述的立柱的顶端制出半圆安装槽，位于上方的横支架的左右两端均放置在该半圆安装槽内，横支架左右两端的上方放置锁紧压环，该锁紧压环通过螺栓固装在立柱上顶部。

5.根据权利要求1所述的一种模拟自行车在路面行驶受力的教学实验装置，其特征在于：还包括辅助轮部分，自行车后轴的左右两端外侧均安装一个辅助轮部分，每个辅助轮部分均由延伸轴、锁紧螺母、车轮托架以及车轮组成，延伸轴同轴啮合安装在自行车后轴的螺纹段，该延伸轴的螺纹部分同轴套装两个锁紧螺母，车轮托架的上端同轴套装在两个锁紧螺母之间的延伸轴上，车轮托架的下端安装车轮，该车轮与跑步机台面具有间隙。

说明书

模拟自行车在路面行驶受力的教学实验装置

技术领域

[0001] 本发明涉及材料力学实验用的教学装置技术领域，尤其是一种模拟自行车在路面行驶受力的教学实验装置。

背景技术

[0002] 材料力学实验是基础力学实验，是高等院校、大中专学校多数工程专业的技术基础课。现有的实验内容和教学手段与日常生活及工程实际的结合还远远不足，例如：目前，在国内自行车模拟在路面上行驶的试验装置多为检测设备，是用来检测自行车在特定运行条件下的损坏情况，人是不能上去模拟路面骑行的，价格也贵；大致有自行车动态路况试验机，自行车动态行走耐用性试验机和自行车刹车变速综合性能试验机。它们是将成车由机器附上一定荷重，固定于试验机上，待机器开动，使成车以一定速度行驶，在规定时间，视成车结合处有无破损或分离。自行车刹车变速试验机对成车提升到一定速度行驶，给予一个急刹动作，测验自行车滑动距离和轮胎耐磨性能。另外，还有用于健身的自行车模拟骑行装置，装置和自行车装配是相对固定的，也不能模拟路面骑行，自行车在此装置上骑行时其部分力学性能已经改变。因此，目前非常需要一种可以模拟真实骑行过程的教学装置。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种能够模拟真实骑行过程的模拟自行车在路面行驶受力的教学实验装置。

[0004] 本发明的目的是通过以下技术手段实现的：

[0005] 一种模拟自行车在路面行驶受力的教学实验装置，其特征在于：由自行车、跑步机和连接装置构成，自行车和跑步机通过连接装置连接，该连接装置包括支架部分、车把连接部分和车座连接部分，支架部分由前、后两套结构相同的支撑架单元构成，每个支撑架单元均由两个夹板、两个立柱、两个横支架和一个立轴构成，两个立柱分别设置在跑步机的左右两侧，每个立柱的底部均安装一个夹板，该夹板与跑步机台面固定连接，两个立柱的上端安装两个横支架，该两个横支架上下并排设置，且两个横支架的左右两端分别安装在两个立柱上，两个横支架之间安装一个垂直于跑步机台面设置的立轴；

[0006] 前支撑架单元的立轴上安装车把连接部分，后支撑架单元的立轴上安装车座连接部分，该车把连接部分和车座连接部分结构相同，其均由连接套筒座、直线轴承、连接伸缩轴及锁紧环构成，支撑架单元的立轴穿装在直线轴承的轴承孔内，直线轴承的端面安装连接套筒座，该连接套筒座内装配一个压缩弹簧，连接套筒座内同轴插装连接伸缩轴，该连接伸缩轴的后端顶压压缩弹簧，连接伸缩轴的前端铰装锁紧环，该锁紧环由两个半圆形环扣构成，其卡装在车把或者车座的立管上。

[0007] 而且，所述的夹板由底板、顶板和立板连接组成一个弯钩状，其弯钩部分钩在跑步机底部的承重管上，底板通过螺栓与跑步机台面固装，顶板通过螺栓与立柱固装。

[0008] 而且，所述的后支撑架单元中的夹板上预留用于跑步机脚轮穿过的缺口。

[0009] 而且，所述的立柱的顶端制出半圆安装槽，位于上方的横支架的左右两端均放置在该半圆安装槽内，横支架左右两端的上方放置锁紧压环，该锁紧压环通过螺栓固装在立柱上顶部。

[0010] 而且，还包括辅助轮部分，自行车后轴的左右两端外侧均安装一个辅助轮部分，每个辅助轮部分均由延伸轴、锁紧螺母、车轮托架以及车轮组成，延伸轴同轴啮合安装在自行车后轴的螺纹段，该延伸轴的螺纹部分同轴套装两个锁紧螺母，车轮托架的上端同轴套装在两个锁紧螺母之间的延伸轴上，车轮托架的下端安装车轮，该车轮与跑步机台面具有间隙。

[0011] 本发明的优点和积极效果是：

[0012] 1、本实验装置装配简单易行，结构设计合理，在跑步机上人骑自行车可仿真路面骑行，操作简单安全。

[0013] 2、本实验装置应用跑步机原有底座上的跑步台驱动系统、调节跑步台坡度和速度的控制面板，使人骑上自行车操纵车闸配合跑步机控制面板上的不同速度和坡度设定，可随机变换速度或坡度模拟在路面匀速、加速、减速、停驶多种行驶状态，其模拟效果非常逼真。

[0014] 3、人是施加给自行车外力的一定荷重，车身受力节点多是复杂的综合结构，它将多种力学实验集中在自行车(实验台)上进行，包括车身不同部件的静态和动态(力、位移、扭矩、应力、应变、动荷系数和模态等)多项实验内容，是综合性和研究性的教学实验装置。

[0015] 4、实验可涉及多种常用的和先进的仪器设备、测试元件及测试方法的学习和使用。

[0016] 5、人骑自行车行驶受力是身边的力学问题，通过试验可以激发学生学习的积极性和学习兴趣，有利于培养学生的动手能力和科研创新能力，有利于提高学生的综合素质。

[0017] 6、本发明中的连接装置适用于各种自行车与跑步机的连接，具有良好的通用性，制作加工费用低，有广泛的推广应用价值。本连接装置在不破坏家用跑步机、自行车原有结构的条件下，实现各种常见自行车与跑步机的连接，直接应用跑步机自带的训练规划系统即可实现室内自行车骑行的健身计划设定。此外，连接装置中的辅助轮部分为保护装置，其仅在自行车骑行状态接近翻覆时起作用，不影响正常骑行时的体验，可最大限度实现用户的室内自由骑行。

[0018] 7、本发明是一种设计合理、易于拆装、操作安全方便的模拟自行车在路面行驶受力的教学实验装置。本装置可仿真路面骑行，不受附加外力约束，车身受力部件多是复杂的组合变形结构，它可将多项静态和动态力学实验集中在自行车(实验台)上进行。通过研发模拟自行车在路面行驶受力的教学实验装置，可充实材料力学实验教学内容，搭建了一个可实施多样化实验的实践教学平台，可解决学生实践能力不足的问题，为构建教学和实践的无缝衔接及对大量工科专业创新人才的培养会有良好的支撑作用。通过综合的力学测试手段，使学生通过实验可将身边的力学问题和课堂教学有机的结合起来，能更好理解、掌握力学概念、现象和规律；能更好学习及掌握基本的实验方法和技能，能更好提高实际动手能力，分析问题、解决问题和强化科学研究的能力，为高等院校、大中专学校提供一种与日常生活有紧密联系的综合力学实验教学设备。

附图说明

[0019] 图1是本发明模拟自行车在路面行驶受力的教学实验装置总体结构示意图；

[0020] 图2a是前支撑架单元使用的夹板的示意图；

[0021] 图2b是后支撑架单元使用的夹板的示意图；

[0022] 图3是安装底部夹板的示意图；

[0023] 图4是车座连接伸缩轴与直线轴承的安装示意图；

[0024] 图5是辅助轮部分的示意图。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图详细叙述本发明的实施例；需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

[0026] 一种模拟自行车在路面行驶受力的教学实验装置，由自行车1、跑步机2和连接装置3构成，连接装置安装在跑步机上，用于连接跑步机和自行车。以下对各部分进行详细说明：

[0027] 1、自行车：

[0028] 自行车基本结构分为三个部分：

[0029] ⑴.导向系统，由车把、前叉、前轴、前轮、车架、鞍座组成。其中，车架是自行车的骨架，它所承受的重量最大；车架含有上管、下管、座管、后叉上管、后叉下管。

[0030] ⑵.驱动系统，由脚蹬、中轴、曲柄、牙盘、链条、飞轮、后轴和后轮组成。

[0031] ⑶.制动控制系统，由前后车闸部件组成。

[0032] 2、跑步机：

[0033] 跑步机基本结构分为三部分：

[0034] ⑴.底座2-1，由电机、驱动板、前轮滚筒、后轮滚筒、跑台和跑步带组成。

[0035] ⑵.左右立柱架2-2。

[0036] ⑶.控制面板2-3，在左右立柱架上面，由开关键、速度、坡度、时间和距离设置键等组成。

[0037] 3、连接装置：

[0038] 连接装置包括支架部分、车把连接部分、车座连接部分和辅助轮部分。

[0039] ⑴.支架部分：

[0040] 支架部分由前、后两套结构相同的支撑架单元构成，每个支撑架单元均由两个夹板3-1、两个立柱3-2、两个横支架和一个立轴3-8构成，两个立柱分别设置在跑步机的左右两侧，每个立柱的底部均安装一个夹板，夹板材质均为Q235。该夹板与跑步机台面固定连接，其具体连接结构为：夹板由底板、顶板和立板连接组成一个弯钩状，其弯钩部分钩在跑步机底部的承重管上，底板通过螺栓与跑步机台面固装，顶板通过螺栓与立柱固装。因为跑步机后端通常有脚轮，因此后支撑架单元中的夹板上预留用于跑步机脚轮穿过的缺口(如图2b所示)。

[0041] 两个立柱的上端安装两个横支架，该两个横支架上下并排设置，且两个横支架的左右两端分别安装在两个立柱上。位于下方的横支架3-4的左右两端穿装在立柱所制的圆孔内。立柱的顶端制出半圆安装槽，位于上方的横支架3-10的左右两端均放置在该半圆安装槽内，横支架左右两端的上方放置锁紧压环3-11，该锁紧压环通过螺栓固装在立柱上顶部。

[0042] 两个横支架之间安装一个垂直于跑步机台面设置的立轴，立轴的上下中心制有螺纹孔，上下横支架的中间段制有通孔，将通孔与立轴的上下螺纹孔对正，分别使用两颗M8×40螺栓即可与上下横支架固定好。

[0043] ⑵.车把连接部分、车座连接部分：

[0044] 前支撑架单元的立轴上安装车把连接部分，后支撑架单元的立轴上安装车座连接部分。该车把连接部分和车座连接部分结构相同，其均由连接套筒座3-5、直线轴承3-6、连接伸缩轴3-7及锁紧环3-9构成，支撑架单元的立轴穿装在直线轴承的轴承孔内，直线轴承可以沿立轴上下滑动或者绕立轴转动，直线轴承的端面安装连接套筒座，该连接套筒座内装配一个压缩弹簧3-5-1，在正常骑行过程中，车把、车座连接套筒座中的压缩弹簧均处于不变形的状态，仅当自行车行驶速度相对于跑步带速度过快或过慢时起缓冲的作用。连接套筒座内同轴插装连接伸缩轴，该连接伸缩轴的后端顶压压缩弹簧，连接伸缩轴的前端铰装锁紧环，该锁紧环由两个半圆形环扣构成，其卡装在车把或者车座的立管上。

[0045] ⑶.辅助轮部分：

[0046] 自行车后轴的左右两端外侧均安装一个辅助轮部分3-3，每个辅助轮部分均由延伸轴3-3-1、锁紧螺母3-3-2、车轮托架3-3-3以及车轮3-3-4组成，延伸轴同轴啮合安装在自行车后轴的螺纹段，该延伸轴的螺纹部分同轴套装两个锁紧螺母，车轮托架的上端同轴套装在两个锁紧螺母之间的延伸轴上，车轮托架的下端安装车轮。该车轮与跑步机台面不接触，具有5mm左右的空隙。

[0047] 本发明的安装方法为：

[0048] 1、支架部分：利用大多数家用跑步机跑步台面底部两侧都有的承重方管为依托，见图1和图3，将图2所示的前、后夹板[3-1]从内侧套过承重方管，每个夹板用两颗M8×20螺栓固定，夹板直接与跑步机台面固定，跑步台坡度变化时无需对装置进行调整。固定好夹板后，分别将前、后立柱[3-2]安装在对应的夹板上，每个立柱同样使用两颗M8×20螺栓与夹板固定。前、后上下横支架[3-10][3-4]为外径32mm的不锈钢管，先将前后下侧的两根横支架[3-4]穿过前、后立柱[3-2]下面的安装孔内，使用尼龙套衬装在接触处。完成后，调转前后横支架，使其中间段的通孔处于垂直跑步台面的方向，以便安装立轴[3-8]。

[0049] 待车把、车座连接组件安装完毕后，安装立轴[3-8]，将前后上侧的两根横支架[3-10]安放在前、后立柱[3-2]顶部的半圆安装槽内。在前、后立轴[3-8]上下中心有螺纹孔，使前、后上下横支架[3-10][3-4]中间段的通孔与前、后立轴[3-8]的上下螺纹孔对正，分别使用两颗M8×40螺栓与前、后上下横支架[3-10][3-4]固定好，前、后立轴上串有直线轴承[3-
6]，不会限制自行车垂直方向的运动。最后将前、后横支架锁紧压环[3-11]安装在前、后方上面的横支架[3-10]上，再将锁紧压环[3-11]的锁紧孔与前、后立柱[3-2]的上顶部螺纹孔对正，每个锁紧压环[3-11]使用两颗M8×16螺栓固定，以避免上下横支架[3-10][3-4]发生轴向窜动。因为大小、高矮不同的各种自行车，其车座和车把的高度是按照骑乘人员的身高设计的，所以本装置的支架部分使用前、后两根立轴[3-8]，连接前、后两个可上下滑动的直线轴承[3-6]，从而可以装配各种不同车把、车座高度的自行车。

[0050] 2、车把、车座部分：车把连接部分、车座连接部分结构及安装方式相同，结构如图4所示。由于安装方式相同，下面以车座连接部分为例。安装时，首先完成本装置支架部分的基础安装，在安装前、后立轴[3-8]之前，首先将车把(座)锁紧环[3-9]的前后两个半环套在车把或车座的立管上，用两颗M6×20螺栓紧固。安装连接伸缩轴[3-7]时，用一颗M6×35螺栓穿过伸缩轴[3-7]和锁紧环[3-9]的安装孔，用盖形螺母紧固使之形成铰接。连接套筒座[3-5]的套管中先装入压缩弹簧[3-5-1]，再将伸缩轴[3-7]的另一端插入套管。套筒座[3-5]另一端面用四颗螺栓与直线轴承[3-6]端面固定。由套筒座[3-5]和伸缩轴[3-7]组成滑动副，使自行车相对于跑步台面前后的运动不受限制，但由于其内部有弹簧，所以当自行车过于靠前或靠后时可以起纠正作用。最后，将立轴[3-8]穿过直线轴承[3-6]的轴承孔中，并将上下两端螺纹安装孔与对应的上、下横支架[3-10][3-4]上预留的安装孔对准，使用螺栓紧固。车把、车座部分全部安装好后即可继续支架部分的安装步骤，全部安装完毕后，自行车已经可以靠本装置立于跑步机台面上。由于前、后两个直线轴承[3-6]既可上下滑动，又可绕立轴[3-8]转动，因而自行车车把可以自由转向。同时，由于直线轴承[3-6]不能横向转动，能够避免自行车发生侧翻的可能。

[0051] 3、辅助轮部分：辅助轮部分的主要作用是进一步避免自行车在跑步机台面发生侧翻的危险。该部分由延伸轴[3-3-1]、锁紧螺母[3-3-2]、车轮托架[3-3-3]以及车轮[3-3-4]组成。其原理与童车的辅助轮一致，在其基础上增加了横向安装位置的可调性。安装时，首先将自行车后轴两端的保护盖取下，露出螺纹段，将延伸轴[3-3-1]的安装螺纹孔对准后轴端、拧紧。在延伸轴的螺纹部分上旋入第一个锁紧螺母[3-3-2]，然后将车轮[3-3-4]和合适长度的车轮托架[3-3-3]安装好，将车轮托架[3-3-3]上端的圆孔套在延伸轴[3-3-1]的螺纹段上，最后旋入第二颗锁紧螺母[3-3-2]。利用两颗螺母对锁，固定车轮托架在延伸轴上的位置。安装时，应适当调整车轮托架的角度，使车轮[3-3-4]与跑步机台面不接触，保留5mm左右的空隙。

[0052] 本发明的实施方式为：

[0053] 人是施加给自行车外力的一定荷重，实验前人在称重电子秤称好重量后，骑上自行车应用跑步机底座上的跑步台驱动系统，操纵车闸配合跑步机控制面板上不同坡度和速度的设定，通过电机带动跑步带使自行车可随机变换速度或坡度骑行，模拟在路面匀速、加速、减速、停驶的各种行驶状态。人在静坐或骑行过程中车身受力部件多是复杂的组合变形结构，它可将多种力学实验集中在自行车(实验台)上进行，包括车身不同部件的静态和动态多项实验内容(力、位移、扭矩、应力、应变、动荷系数和模态等)，实验可涉及多种常用的和先进的仪器设备、测试元件及测试方法的学习和使用。学生可自拟实验项目，选择不同受力部件，自行确定实验方案，测定相关力学参数。