实务性可回旋式健身车机构设计.doc

實務性可迴旋式健身車機構設計

機械工程系
.陳振山
摘 要
本研究利用市售的健身器材，針對使用者的方便性加以探討，發現除了製造廠商的設計外，亦可添加一些功能，使其使用上更具方便與趣味，而不是一位的追求無聊單調的汗水遊戲，設計具有迴旋功能的健身車，使使用者更具趣味，達到健身的功能。
In this research, we try to find more convergent equipment that can make the user more fun from the market. We find the exercise bike in the market is boring since the function is too little for the user. The mechanism we added gyration in the exercise bike can make the athlete more fun in exercise.
Keyword: gyration, exercise bike, gear

一、 前 言
現今社會處於工作繁忙的環境中，都市人口密度過高，因此缺乏時間和活動地點來運動。所以許多人都在家中安置健身器材來代替，健身慢慢變成每個人空閒時的活動，為了不讓人在健身時感到無聊乏味，於是在健身器材上加以改變。本次創新的健身器材中，選擇比較適合一般家庭用的健身器材為主，加上現在大多是對於車子本身所佔的體積來加以改良，相繼研發的產品也走向摺疊式的方向，本次研究偏向於健身車的另一方面發展，及健身車的附屬功能方向，即是用旋轉和偏擺的方式，應用在健身車上，讓正在做健身車運動的人，視野能遼闊，假如在野外的話，更能欣賞各方面的風景。研究的過程必須精確計算出齒輪變速機構的旋轉速度，還有釋出搖擺機構的搖擺方式及角度，由於底座的行星惰輪組擺動的方式複雜，負責搖擺滑塊的溝槽和內齒輪及行星惰輪組的密合度，還有影響旋轉切換成搖擺的因素，都是創新改良設計的問題。
二、設計理論
2-1 傳動系統的選用
在健身車的動力傳輸上有：摩擦輪、齒輪、鏈輪、皮帶輪等方式。在各種傳動方式下
2-1.1 摩擦輪方面：
因考慮到須使健身車加上人員所產生的負荷，有大約120~60kg不等的負荷，而要使這個摩擦輪產生相當的力量，則軸和軸間所須的正應力N相當大，且效率損失很大。
2-1.2 傳動軸變換系統設計
在健身車的傳動來源，主要是由乘員踏動踏板而來，故主動輪軸為水平式傳動，但本次製作的主要目的為使健身車作旋轉和擺動，所以需要將輪軸的旋轉改變為直式的旋轉，才能使健身車作旋轉和搖擺的運動。
2-3 齒輪設計
因本機構的設計上，是使乘員能在健身時，兼具運動和休閒的功能為讓使用者在旋轉時，不會因旋轉速度太快而導致昏眩，故需要大量的減速比，且能傳遞整體負重，輸出較大的扭力，並能使乘員可不須太費力，就能使健身車旋轉，因此需要大量的減速比
2-4 骨架設計
為了把齒輪系組和蝸桿蝸輪組給立起來，因此須要骨架來支撐起來，我門考慮到整體外表的美觀與支撐力，所以利用數學的幾何圖形與三角函數來計算距離。
2-5 變速系統設計
車頭設有變速開關，控制其旋轉速度，主要是減低速比，如圖原本旋轉的速度是1:480，作用力從主動輪（A)經負責變速的齒輪（B），此時齒輪位於左邊，如圖(一)的位置，傳至（C）齒輪後帶動同軸（D）齒輪，傳至（E）齒輪，再由蝸桿堝齒輪組，此時速度和扭力開始大量改變，此後經（F）齒輪，再傳至（G）齒輪，帶動（H）的太陽齒輪，最後傳至行星惰輪組中的4行星個惰輪，使內齒輪做360度旋轉。
當要進行變速時，則將切換齒輪切換至右邊，如圖(二)的位置時，則作用力會經過兩個惰輪組，此兩惰輪主要使變速輪切換時，僅須水平移動即可完成，而惰輪的數目，則可使變速時能維持同一方向，直接傳至（D）齒輪，爾後的傳遞都如同原本的齒輪，此時的速度是1:240。
經過大量的減速後則不會使騎乘人員感到頭暈。要是在搖擺狀態時，且則將切換齒輪切換至右邊，此時行星惰輪組的4個惰輪並無和內齒輪嚙合，則當作用力傳遞至行星惰輪組中的中央齒輪時，並不會和4個惰輪嚙合，則此時的搖擺速度是1:160；當切換齒輪切換至右邊時，則搖擺的速度是1:80。
2-7 旋轉、搖擺設計
擺動系統切換器，切換後會把行星齒輪的主軸往上提升或下降，因此主軸會被帶動到中間部分的曲柄搖擺機構，使得曲柄搖擺機構作動，而帶動上面的齒輪部分，當作不同的切換功能時，則使整體健身車的偏擺後旋轉。
整體齒輪組的重量是由內齒輪上的差銷來分擔，輪組下接滾子，減少不必要的摩擦，也不會使零件重量都集中於某點上。改變曲柄與槓桿的關係位置，改變各個長度，則可對槓桿上各點施加各種運動，利用次特性可取代凸輪功能。行星輪底盤會上升，行星齒組脫離內齒輪隨之上升，行星齒輪組上的插銷會跟骨架上的溝槽密合，密合後傳動齒輪只帶動到行星輪組，因插銷和溝槽密合，使行星輪組的主軸偏移，便成一定的角度擺動，使整台車作偏擺運動。當桿件向上〈方向a〉，行星輪底盤會下降，四組行星齒組隨之下降，則此時傳動齒輪轉動，帶動行星輪組，使整台健身車作整體360度的運作。

三、實體製作
本設計參加由財團法人自行車研發中心舉辦之『全國創新機構設計比賽』，因此模型尺寸採用40cm立方體，縮小為實體的1/8大小作為比賽模型，
3.1底座製作
底座的中央部分使用線切割機，切除ψ135的內孔。再將兩塊長方形鐵板焊接在旋轉座兩側為支撐面，底面部分平均焊接三條鐵條，以支撐其重量。
3.2 內齒輪
此內齒輪為厚30mm，外徑135mm，材料為低碳鋼，在其齒輪端面ø110mm節圓位置上，以銑床配合分度頭鑽8個ø8mm各成45度的圓孔
3.3 底盤、骨架
在上半部骨架底盤上鑽對應內齒輪端面上8個ø8mm的圓孔，並用ø5的端銑刀銑出四個各成90度的凹槽。骨架底盤可搭配行星惰輪上插銷，形成搖擺作用。骨架採一般較輕的鋁合金；外殼則採用PPC等環保材質；齒輪則採強度硬度較大的材料；其餘材料皆同一般健身車。
3.4 底座組裝
偏擺鋁塊放置在中央支撐鐵條上，支撐行星惰輪重量。將止推滾珠軸承放進底座孔中，再放上內齒輪於止推滾珠軸承上。將行星惰輪組和太陽齒輪組合於內齒輪中，並將底座插銷置入內齒輪圓周孔上，完成底座旋轉機構。
3-5齒輪加工
因惰輪不須固定於心軸上，故將部份齒輪凸圓用車床車除，以節省其整體厚度。為使齒輪和心軸作同步轉動，傳遞動力；所以在齒輪凸圓上鑽ø4.2mm的孔，並攻的螺絲，再用螺絲鎖於心軸上，作為定位與固定。
3-6 齒輪組裝
先將一邊的骨架依設計圖的位置用中心衝衝孔，以每兩個孔為一單位來衝孔，才不會因為在鑽孔時萬一造成偏差後導致後面的齒輪沒有互相嚙合，再將齒輪和軸依序放入，並注意齒輪和齒輪之間是否有嚙合，依序前面步驟鑽其他的孔，將各軸依序試看看是否能順利插入孔內，並試看看齒輪是否能滑順的轉動，當各齒輪組裝完成後，再將另一邊的骨架插入，並將卡環固定於軸桿上，使齒輪不會因為轉動而滑動，再將各齒輪的螺絲鎖緊於軸心上，如此便完成齒輪組裝的部分。
3-7 整體組合及測試
將上半部齒輪組裝完後，試轉踏板軸，看看齒輪相對傳動是否順暢。有無干涉現象，上半部車體是否能作旋轉運動。測試變速機構，試轉動踏板軸，能否在齒輪傳動時改變速度。行星惰輪組能否順利作搖擺運動。蝸桿蝸輪是否能達到減速的要求。切換搖擺切換桿，將其切換至搖擺狀態，使上半部車體作搖擺運動，同時測試搖擺是否能達到改變速度。

四、結果與結論
本次的設計上，主要的部分為變速、旋轉、搖擺的設計；在變速上：因變速時需要考慮到其齒輪的嚙合的位置，因此將60齒的齒輪和30齒的齒輪作同速轉動，變速輪無論嚙合哪一組齒輪，另外一組依然會作轉動，所以在變速上，就沒有無法嚙合的問題。
另外在旋轉和搖擺的切換上，如果在行星惰輪輪盤下沒設置彈簧，則在變速時並無法作水平上升，會使齒輪傾斜而無法變速，解決方法則為加設彈簧，利用彈簧使行星惰輪盤能均勻的受力上升，並可減輕使用者變速時所需的施力。
在齒輪方面，因具有干涉和摩擦的影響，故在動力的傳輸上具有相當的損失，雖然能確實的傳遞偏擺的角度，但使用者須較大的力量來使其轉移。
本機械的設計為使健身車作旋轉和搖擺的功能，因本機構為一創新的設計，故初步尚未建造一專用之設施，因此有許多的地方值得作更進一步的探討和研究。

五、參考文獻：
1.賴耿陽，中華民87年4月，機械運動機構
2.鐘永鎮，自行車內變速器之設計，國立中山大學機械工程研究所，中華民國88年6月
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圖一 變速系統1

圖二 蝸桿放大圖

圖三 變速系統2

圖四 變速系統3

圖五 行星齒輪機構圖

圖六 行星惰輪組

圖七 搖擺控制

圖八 行星惰輪組下視圖

圖九立體圖
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