بهبود پروفیل هندسی چرخ زنجیر در سامانه انتقال قدرت دوچرخه با هدف تعديل در دامنه نوسان شتاب حاصل از رکابزدن

Transcript

1 Vol. 4, No. 2, Winter 2014, pp. 2- نشريه علمي پژوهشي اميرکبير )مهندسي مکانيک( Amirkabir Journal of Science & Research (Mechanical Engineering) (AJSR - ME) بهبود پروفیل هندسی چرخ زنجیر در سامانه انتقال قدرت دوچرخه با هدف تعديل در دامنه نوسان شتاب حاصل از رکابزدن 2 1 سید حبیب اهلل هاشمی کچپی علی معظمی گودرزي 1- استاديار دانشکده مکانيک دانشگاه صنعتي نوشيرواني بابل 2- کارشناسي ارشد دانشکده مکانيک دانشگاه صنعتي نوشيرواني بابل چکیده بر پايه نتايج بدست آمده از داده هاي آزمايشگاهی و تحلیل هاي مکانیکی وابسته به آن بزرگی نیرويی که يک دوچرخه سوار می تواند در حداکثر توان خود بر پنجه رکاب ها وارد آورد تابعی از موقعیت زاويه اي رکاب ها است. از اينرو بر ايند گشتاور هايی که اين نیرو ها در محور رکاب وارد می نمايند طبیعتی متناوب دارد. براي جلوگیري از انتقال نوسانات گشتاور به چرخ محرک دوچرخه که افت و خیز در شتاب دوچرخه را بهمراه دارد بايد از سیستم انتقال نیروي ويژه اي بهره جست. طراحی چنین مکانیزمی موضوع پژوهش حاضر می باشد. طرح مذکور در واقع يک نمونه بهینه سازي شده از سیستم هاي معمولی تولید انرژي مکانیکی به روش رکابزدن می باشد که در آن براي انتقال توان از محور رکاب به زنجیر از يک چرخ زنجیر بیضی گون استفاده شده است. با توجه به ويژگیهاي چرخ زنجیر جديد سازوکار انتقال قدرتی که از آن استفاده می کند می تواند نوسانات متناوب گشتاور وارده بر محور رکاب را تعديل نمايد. بنا براين روند شتابگیري در دوچرخه اي که از اين سیستم انتقال نیرو استفاده می کند تقريبا بدون نوسان خواهد بود. واژه هاي کلیدي گشتاور متناوب دامنه نوسان دوچرخه تحلیل مکانیکی چرخ زنجیر بیضی شکل. goudarzi@nit.ac.ir

2 1-2- مجموعه رکاب 1- مقدمه روش مرسوم براي تبديل انرژي ماهيچه اي دوچرخه سوار به کار مکانيکي الزم براي راندن دوچرخه استفاده از مکانيزم چرخ و لنگ است که در آن پنجه رکاب با قرار گرفتن در موقعيت خارج از مرکز نسبت به محور گشتاور مکانيکي نقش لنگ را در مکانيزم مذکور دارد. اگر در نظر بگيريم که عضالتي از دوچرخه سوار که مي بايستي انرژي الزم براي گردش چرخ را تامين کنند در هر موقعيت قرارگيري پنجه رکاب نسبت به محور گشتاور توانايي متفاوتي براي اعمال نيرو بر پنجه رکاب را داشته باشند مي توان نتيجه گرفت که چنانچه دوچرخه سوار با تمامي توان خود رکاب بزند گشتاور مکانيکي که بر محور دوچرخه وارد مي کند ثابت نخواهد بود و تابعي از موقعيت زاويه اي پنجه رکاب نسبت به محور گشتاور آن خواهد بود. اين واقعيت به روش تجربي قابل اثبات مي باشد[ 1-5 ]. هدف از اين پژوهش طراحي سيستم انتقال قدرتي است که در آن دامنه نوسانات در گشتاور ايجاد شده در محور چرخ محرک در پايين ترين سطح قرار گيرد. کاهش در دامنه نوسان چنين گشتاوري يکنواخت شدن بيشتر شتاب خطي دوچرخه را در پي خواهد داشت. براي رسيدن به اين هدف نخست با يک تحليل مکانيکي چگونگي انتقال قدرت در دوچرخه هاي متداول بررسي مي گردد. سپس با شبيه سازي آزمايشگاهي کارکرد مکانيکي سيستم انتقال قدرت دوچرخه و درستي نتايج بدست آمده از روش تحليلي ارزيابي مي شود. در آخر با استناد به نتايج بدست آمده يک سازوکار مناسب براي بهينه سازي سيستم انتقال نيرو در دوچرخه ارائه مي گردد. 2- تحلیل رفتار مکانیکی سیستم انتقال نیرو بطور کلي سازوکار مکانيکي که براي انتقال نيرو از رکاب به محور چرخ محرک دوچرخه مورد استفاده قرار مي گيرد مطابق شکل )1( از اجزاء زير تشکيل شده است []: 1. ز جن ير انتقال نيرو 2. چرخ زنجيرهاي چرخ آزاد. چرخ زنجيرهاي رکاب 4. بلبرينگ رکاب 5. پنجه رکاب. دسته رکاب 7. بدنه وسيله نقليه 8. زنجيرکش جلو 9. زنجيرکش عقب مجموعه رکاب شکل )1(: طرح کلی سازوکار انتقال نیرو در دوچرخه تشکيل شده است از يک يا چند عدد چرخ زنجير دوعدد پنجه رکاب با و يا بدون پاگير )سازوکاري که رکاب را به پاي دوچرخه سوار گير مي دهد( دوعدد دسته رکاب )رابط بين پنجه رکاب و محور چرخ زنجير( و يک يا چند عدد بلبرينگ. بلبرينگها براي لوال کردن مجموعه دسته رکاب و چرخ زنجيرها به چارچوب بدنه دوچرخه مورد استفاده قرار مي گيرند. چرخ زنجيرها نسبت به هم موازي بوده و به گونه اي ثابت شده اند که مراکزشان بر روي محوري که عمود بر سطوح چرخ زنجير گيرد است. قرار محور مذکور را اصطالحا محور رکاب مي ناميم. دسته رکاب ها که هم اندازه هستند بگونه اي متقارن نسبت به محور رکاب با مجموعه چرخ زنجيرها يکپارچه شده اند و از يک سو پنجه رکابها به سر هاي آزاد دسته رکابها لوال شده اند. محورهاي دوران اين لوالها )محورهاي پنجه رکابها( با محور رکاب موازي مي باشند. يکي از کاربردهاي پنجه رکاب انتقال نيروي وارده از پاي رکابزن به دسته رکاب مربوطه است. اين نيرو توسط دسته رکاب بصورت ترکيبي از يک نيرو و يک گشتاور به محور رکاب وارد مي شود. از آن ميان مؤلفه نيرو توسط چارچوب بدنه دوچرخه تحمل مي گردد. با چشم پوشي کردن از اينرسي مجموعه متحرک رکاب و اصطکاکهاي بين اجزاء اين مجموعه مؤلفه گشتاور وارده بر محور رکاب عينا به چرخ زنجيرها منتقل مي شود. در دوچرخه تنها در صورتي که راستاي اين گشتاور از راست به چپ راننده باشد سبب رانش وسيله نقليه مي گردد. بزرگي اين گشتاور به نيروي وارده بر پنجه رکاب و فاصله بين محور پنجه رکاب و محور رکاب بستگي دارد. اين فاصله که براي هر دو دسته رکاب يکسان مي باشد همواره ثابت است. از اينرو مي توان نتيجه گرفت که براي يک دوچرخه مفروض گشتاور وارده بر محور رکاب تابعي است از نيروهاي وارده بر رکاب ها. گشتاور وارده بر محور رکاب توسط چرخ زنجيري که درگير مي

3 باشد بصورت يک نيروي کششي بر بخش تحت بار زنجير وارد مي گردد. مقدار اين نيرو به مقدار گشتاور وارده بر محور رکاب و فاصله بين راستاي بخش تحت کشش زنجير و محور چرخ زنجير بستگي دارد. از آنجاييکه چرخ زنجير ها گرد است فاصله مذکور براي هر چرخ زنجير ثابت مي باشد. بنابر اين مي توان نتيجه گرفت که براي چرخ زنجير گرد نيروي کشش وارده بر زنجير متناسب باگشتاور وارده بر محور رکاب تغيير مي کند و بنابراين تابعي است از نيروهاي وارده بر پنجه رکابها 2-2- زنجیر بواسطه زنجير همتاي آن که بر روي محور چرخ آزاد يک چرخ زنجير از مجموعه رکاب با )که با چرخ محرک وسيله نقليه هم محوراست( نصب شده است درگير مي گردد. نقش آن در مجموعه سيستم جابجايي اثر نيروي مماسي بين دو چرخ زنجير مرتبط مي باشد. براي ايفاي اين نقش بايستي در راستاي انتقال نيرو تحت کشش باشد. -2- زنجیرکش بسته به نوع سازوکار انتقال قدرت چند سرعته از يک يا دو زنجيرکش استفاده مي شود. اين زنجيرکش ها درگيري بين زنجير و چرخ زنجيرهاي مرتبط را تضمين مي کنند. در سازوکار هاي معمولي که بر روي دوچرخه ها نصب مي شود از دو زنجيرکش استفاده مي شود که به ترتيب زنجيرکش جلو و زنجيرکش عقب ناميده مي شوند. زنجيرکش جلو که در نزديکي مجموعه رکاب قرار گرفته است بخش تحت کشش زنجير را راهنمايي ميکند. زنجيرکش عقب که در نزديکي چرخ آزاد قرار گرفته است بخش آزاد زنجير را راهنمايي ميکند. براي تضمين درگيري بين زنجير و چرخهاي مرتبطي که در يک صفحه قرار ندارند زنجيرکش عقب بايستي زنجير آزاد را به حالت کشيده درآورد چرخ آزاد چرخ آزاد از يک يا چند عدد چرخ زنجير هم محور تشکيل شده است. در دوچرخه چرخ آزاد با چرخ محرک دوچرخه که معموال در عقب آن قرار دارد به صورت هم محور درگير مي باشد. چرخ آزاد نيروي کششي وارده از طرف زنجير را بصورت ترکيبي از نيرو و گشتاور به محور چرخ آزاد که همان محور چرخ محرک وسيله نقليه ميباشد منتقل مي کند. از آن ميان مؤلفه نيرو توسط چارچوب بدنه تحمل مي گردد و گشتاور براي رانش وسيله نقليه بکار مي رود. گشتاور مذکور به مقدار نيروي کشش زنجير و فاصله بين راستاي زنجير تحت کشش تا محور چرخ آزاد بستگي دارد. از گرد بودن چرخ زنجير درگير مي توان نتيجه گرفت که براي يک چرخ زنجير مفروض گشتاور وارده به چرخ آزاد و از آن طريق به چرخ محرک وسيله نقليه تابعي است از کشش زنجير. در روش تحليلي هدف فرموالسيون نيروهاي محرکي است که منجر به حرکت چرخ مي شوند. از آنجاييکه توان الزم براي حرکت دوچرخه حاصل کار ماهيچه اي رکابزن مي باشد و بزرگي آن به توانايي و اراده ي عامل آن بستگي دارد نمي توان الگوي معيني براي تغييرات توان وارد شده بر حسب زمان ارائه نمود. از اينرو در بررسي مکانيکي سازوکار انتقال قدرت در دوچرخه تنها به يک تحليل کيفي بسنده مي گردد. براي ساده تر کردن تحليل مکانيکي سازوکار انتقال قدرت دوچرخه فرض مي کنيم که در هر دور گردش رکاب آثار نيروهاي خارجي وارد بر وسيله نقليه ثابت باشد. در اين شرايط چنانچه بخواهيم با شتابي ثابت حرکت کنيم بايستي گشتاور ثابتي را بر محور چرخ محرک وارد نماييم. باتوجه به ويژگيهاي تعريف شده براي سازوکارهاي انتقال نيروي موجود انجام چنين امري مستلزم آنست که بر پنجه رکاب نيروي ثابتي وارد شود. ما نيروي وارد بر پنجه رکاب برايند نيرو هاي ماهيچه اي اعمال شده بر مفاصل پاي دوچرخه سوار )مفاصل ران زانوها و مچ هاي پاها( و آن بخش از نيروهاي وزن وي است که بر زين دوچرخه وارد نمي شود. با توجه به اينکه مقدار و جهت اعمال اين نيروها به حالتي که دوچرخه سوار به خود مي گيرد بستگي دارد برآيند آنها در هر موقعيت پنجه رکاب متفاوت است. از آنجاييکه موقعيت پنجه رکابها پس از هر دور گردش مجموعه رکاب تکرار مي گردد حداکثر نيرويي که دوچرخه سوار مي تواند بر پنجه رکاب وارد کند بصورت تناوبي در هر دور گردش مجموعه رکاب تکرار مي گردد. متقارن بودن اندام انسان و متقارن بودن هر دو دسته رکاب نسبت به محور رکاب مي رساند که دوره تکرار نيرو در واقع برابر نيم دور گردش مجموعه رکاب مي باشد. به عبارت ديگر حد اکثر نيرويي که دوچرخه سوار مي تواند بر پنجه رکاب وارد کند بصورت پريوديک در هر نيم دور گردش مجموعه رکاب تکرار مي گردد. براي انجام تحليلي بهتر از چگونگي تغييرات نيروي وارده بر پنجه رکاب هنگامي که دوچرخه سوار با کل توان رکاب مي زند اثر نيروهاي

4 وزن و نيرو هاي ماهيچه اي را به طور جداگانه مورد بررسي قرار مي دهيم. - اثر نیروهاي وزنی وزن رکابزن نيرو هايي عمودي بر محور هر کدام از پنجه رکابها وارد مي کند. اثر اين نيروها بر مجموعه رکاب گشتاور مختلف الجهت و يک نيروي برايند دو وزن مي باشد. بزرگي هر کدام از اين گشتاورها به نيروي پديدآورنده آن و فاصله افقي نقطه اثر آن نيرو تا محور مجموعه رکاب بستگي دارد. از آنجاييکه پنجه رکاب ها نسبت به محور مجموعه رکاب بگونه اي متقارن قرار گرفته اند فواصل افقي شان نسبت به محور رکاب همواره يکسان است. از اينرو اثر نيروهاي وزن رکاب زن بر گشتاوري که بر محور رکاب وارد مي کند را مي توان بصورت رابطه )1( دسته رکابها بيان نمود ( شکل 2(: )1( بر اساس موقعيت زاويه اي يکي از C p ( M M ) glcos( ) p f :C p M p برآيند گشتاورهاي وارده توسط نيروهاي وزن : بار وارده بر پنجه رکابي که گشتاورش وسيله نقليه را پيش مي راند : M f بار وارده بر پنجه رکابي که گشتاورش در برابر حرکت وسيله نقليه مقاومت مي کند g : L : شتاب جازبه فاصله بين محور پنجه رکاب و محور رکاب :موقعيت زاويه اي دسته رکاب مرجع نسبت به صفحه ي افقي که بر محور رکاب مي گذرد شکل) 2 (: اثر نیروهاي وزن بر گشتاور اعمال شده بر محور رکاب طبق فرمول فوق نتايج زير به دست مي آيند: هنگامي که دسته رکابها درراستاي عمود بر سطح افق قرار مي گيرند مؤلفه گشتاور صفر مي گردد. در دو وضعيت دسته رکاب مرجع چنين اتفاقي مي افتد.) =0 =270( هنگامي که دسته رکابها در سطح افق قرار مي گيرند مؤلفه گشتاور بيشينه مي گردد. در دو وضعيت دسته رکاب مرجع چنين اتفاقي مي افتد.) =0 =180( چنانچه رکابزن وزنش را به گونه اي روي پنجه رکابها توزيع کند که نيروهاي M f M g و همواره ( يا حد اقل براي يک دور رکاب( ثابت باشند گشتاور ايجاد شده در محور رکاب تنها تابعي از زاويه خواهد شد. در اين حالت گشتاور ايجاد شده در محور رکاب نسبت به زاويه چرخش آن محور بصورت متناوب با پريود π بين 0 و ( M M gl تغيير مي کند )شکل (. نمودار چنين p f ) تغييراتي در يک دستگاه مختصات قطبي نسبت به قطب متقارن مي Y X باشد. شکل )(: نمودار اثر نیروهاي وزن بر گشتاور اعمال شده بر محور 4- اثر نیروهاي ماهیچه اي رکاب نيروهاي ماهيچه اي بواسطه مفاصل و استخوان پا بر پنجه رکابها اعمال مي گردند. بعلت متقارن قرارگرفتن اندام رکابزن نسبت به صفحه اي عمود بر محور رکاب و همچنين تقارن پنجه رکابها نسبت به محور رکاب هر پا پس از نيم دور گردش رکاب در وضعيتي مشابه پاي ديگر قرار مي گيرد. از اينرو مي توان نتايج بدست آمده از مطالعه نقش ماهيچه هاي يک پا در اعمال گشتاور در محور رکاب را به پاي ديگر نيز تعميم داد. همچنين مي توان نتيجه گرفت که تغييرات گشتاور ايجاد شده توسط ماهيچه ها پس از هر نيم دور گردش رکاب عينا تکرار مي گردد. گوناگون ماهيچه ها به هنگام کشيده اما با توجه به عملکردهاي شدن يا بسته شدن پاي مربوطه مي توان دو فاز گوناگون در فرايند ايجاد گشتاور در محور رکاب را از همديگر تشخيص داد. L

5 کشيده شدن پا: اين فاز از عملکرد پا از هنگامي که پنجه رکاب مربوطه در نزديکترين فاصله اش از زين قرار دارد شروع )فاصله را از محور لوالي پنجه رکاب تا مرکز ثقل زين اندازه مي گيريم( مي شود و تا هنگامي که پنجه رکاب به دورترين فاصله اش از زين قرار مي رسد ادامه دارد. در اين فاصله زماني که رکاب نيم دور مي چرخد پا بر پنجه رکاب فشرده مي شود. متقارن بودن مجموعه رکاب نسبت به محورش مي رساند که قرار گرفتن يک پنجه رکاب در نزديکترين فاصله اش از زين ديگري را در دورترين فاصله از زين قرار مي دهد. جمع شدن پا: اين فاز از عملکرد پا از هنگامي که پنجه رکاب مربوطه در دورترين فاصله اش از زين قرار دارد شروع شده و تا هنگامي که پنجه رکاب به نزديکترين فاصله اش از زين مي رسد ادامه دارد. در اين فاصله زماني که رکاب نيم دور مي چرخد اعمال نيروي پا گشتاور جلوبرنده وسيله نقليه را افزايش نمي دهد از اينرو معموال از اعمال نيرو خودداري مي گردد. براي توصيف نيروهاي ماهيچه اي صفحه اي را که بر محور رکاب و مرکز ثقل زين مي گذرد را صفحه بازگشت مي ناميم )شکل 4(. تغيير فاز عملکرد يک پا زماني رخ مي دهد که پنجه رکاب مربوطه از صفحه بازگشت بگذرد. در اين حالت بعلت متقارن قرار گرفتن پنجه رکابها نسبت به محور رکاب هر دو پا تغيير فاز مي دهند. شکل) 4 (: نمايش صفحه بازگشت بررسي دقيقتر رفتار مکانيکي ماهيچه هاي يک پا در يک دور رکاب نتايج زير را به همراه خواهد داشت )شکل 5 (: شکل) 5 (: وضعیت قرارگیري مفاصل پا به هنگام جابجايی پنجه رکاب مربوطه هنگامي که يک پنجه رکاب در نزديکترين فاصله اش از زين قرار مي گيرد موقيت مفاصل پاي مربوطه نسبت به يکديگر ايجاب مي کند که مفصل زانو بيشترين سهم را در اعمال نيرو بر پنجه رکاب داشته باشد. در چنين وضعيتي توانايي رکابزن براي ايجاد گشتاور رانشي بسيار محدود است. هرچه پنجه رکاب از اين وضعيت دورتر شود ديگر مفاصل مي توانند سهم بيشتري را در اعمال نيرو بر پنجه رکاب داشته باشند. از اينرو توانايي رکابزن براي ايجاد گشتاور رانشي افزايش مي يابد. هنگامي که يک پنجه رکاب به دورترين فاصله اش از زين نزديک مي گردد پايي که پنجه رکاب را مي فشرد آنقدر کشيده مي شود که بعضي از مفاصلش )زانو و مچ پا( عمال نمي توانند گشتاور قابل مالحظه اي در محور رکاب ايجاد نمايند. مي دانيم که با رسيدن يک پنجه رکاب به دورترين فاصله اش از زين ديگري در نزديکترين فاصله اش از زين قرار مي گيرد و در اين وضعيت بر هر دو پنجه رکاب نيروي زيادي نمي توانيم وارد کنيم. از اين استدالل مي توان نتيجه گرفت که هرچه پنجه رکاب به صفحه بازگشت نزديکتر مي گردد توانايي رکابزن براي ايجاد گشتاور رانشي کاهش مي يابد. همچنين مي توان نتيجه گرفت که هرچه پنجه رکابها از صفحه بازگشت دورتر مي شوند رکابزن مي تواند گشتاور بيشتري بر محور رکاب وارد نمايد. براي ساده تر کردن مدل مکانيکي فرض مي کنيم که رکابزن به گونه اي بر پنجه رکاب نيرو وارد کند که روند افزايش يا کاهش گشتاور با نرخ يکساني صورت پذيرد. بنابراين هنگامي که دسته رکابها عمود بر صفحه بازگشت قرار گيرند گشتاوري که ماهيچه ها ايجاد مي کنند بيشترين مقدار ممکن خواهد شد. با اين توصيف نمودار تغييرات گشتاور نسبت به زاويه چرخش رکاب در يک

6 دستگاه مختصات قطبي شکلي بيضي گون خواهد داشت که قطر کوچکش در راستايي موازي صفحه بازگشت و قطر بزرگش عمود بر آن باشد )شکل (. هنگاميکه دسته رکابها عمود بر صفحه افق قرار مي گيرند گشتاور اعمال شده توسط وزن کمترين مي گردد. با توجه به مطالب فوق نتايج زير بدست مي آيد: برآيند گشتاورهاي اعمال شده توسط ماهيچه ها و نيروهاي وزني پريوديک مي باشند و در هر نيم دور چرخش رکاب تکرار مي گردند. بين صفحه عمود و صفحه بازگشت صفحه اي وجود دارد که اگر دسته رکابها درآن قرار گيرند برآيند گشتاورهاي اعمال شده توسط ماهيچه ها و نيروهاي وزني مينيمم مي گردد. صفحه مذکور Y را صفحه سستي مي نامند و موقعيت زاويه اي آن نسبت به صفحه عمود را مي توان به روش تجربي تخمين زد. شکل) (: اثر نیروهاي ماهیچه اي بر گشتاور ايجاد شده در محور رکاب بين صفحه افقي و عمود بر صفحه بازگشت صفحه اي وجود دارد که اگر دسته رکابها درآن قرار گيرند برآيند گشتاورهاي اعمال شده توسط ماهيچه ها و نيروهاي وزني ماکزيمم مي گردد. با يک تقريب قابل قبول چنين صفحه اي عمود بر صفحه سستي مي باشد. با توجه به موارد فوق نمودار برآيند اثر ماهيچه ها و نيروهاي وزني بر گشتاور اعمال شده بر محور رکاب و نسبت به زاويه گردش رکاب در يک دستگاه مختصات قطبي يک منحني شبه بيضي خواهد شد )شکل 7(. X 5- برايند اثر نیروهاي ماهیچه اي و نیروهاي وزنی Y O β X از مجموعه آنچه پيش از اين آمد برداشت نمود: توان نکات مي زير را در هر موقعيت پنجه رکاب گشتاور ايجاد شده در محور رکاب از مجموع گشتاورهاي اعمال شده توسط ماهيچه ها و نيروهاي وزني حاصل مي گردد. گشتاورهاي اعمال شده توسط ماهيچه ها و نيروهاي وزني پريوديک مي باشند و در هر نيم دور چرخش رکاب تکرار مي گردند. هنگاميکه دسته رکابها در صفحه بازگشت قرار مي گيرد توانايي ماهيچه ها براي اعمال گشتاور کمترين مقدار است. هنگاميکه دسته رکابها عمود بر صفحه بازگشت قرار مي گيرد توانايي ماهيچه ها براي اعمال گشتاور بيشترين مقدار است. هنگاميکه دسته رکابها در صفحه افق قرار مي گيرند گشتاور اعمال شده توسط وزن بيشترين مي گردد. شکل) 7 (: نمودار گشتاور وارده بر محور رکاب - بررسی تجربی رفتار مکانیکی سیستم انتقال نیرو براي بررسي درستي مدل مکانيکي توصيف شده در باال و استخراج داده هاي فني مناسب که به بهينه سازي سيستمهاي انتقال قدرت در دوچرخه بيانجامد يک مدل آزمايشگاهي طراحي

7 شده است. مدل مذکور گوياي کارکرد مکانيکي سيستمهاي متداول انتقال قدرت در دوچرخه مي باشد[ 7-1]. در اين مدل از يک دوچرخه واقعي استفاده شده است. زين دوچرخه مذکور در باالي محور رکاب قرار گرفته است )شکل 8 ( و از اينرو زاويه که در مدل تحليلي بدان اشاره شد برابر صفر قرار مي گيرد. همچنين شعاع چرخ زنجير دوچرخه برابر 10 سانتي متر اندازه گيري شده است. درگير در اين شکل) 8 (: وضعیت قرارگیري مفاصل پا هنگام جابجايی پنجه رکاب مربوطه در مدل آزمايشگاهی براي اندازه گيري حداکثر گشتاوري که دوچرخه سوار مي تواند در هر موقعيت رکاب بر محور رکاب دوچرخه اعمال نمايد نيروي کشش زنجير آن با يک سيستم گرانشي ساده سنجيده مي شود. بدين منظور شده است زنجير استفاده مکانيزم ساده چرخ يک از که در آن يک سر زنجير که در هنگام رکاب زدن تحت کشش قرار مي گيرد با وزنه آويزاني بسته شده است. طرح کلي مکانيزم مذکور در شکل )9( آورده شده است. شکل) 9 (: مکانیزم مشابه بکارگرفته شده آزمايشگاهی با توجه به اينکه حد اکثر نيرو قابل اعمال بر رکاب در زواياي است. متفاوت آن مختلف براي اندازه گيري اين نيروي رکاب دوچرخه را در زواياي مختلفي قرار داده و وزنه آويزان شده به چرخ زنجير را بگونه اي تغيير مي دهند که مجموعه رکاب و وزنه از نظر استاتيکي در تعادل قرار گيرند. گشتاور حاصل از وزنه با صرفنظر کردن از وزن زنجير آويزان شده بيانگر حد اکثر گشتاور قابل اعمال در آن موقعيت رکاب مي باشد. همچنانکه پيش از اين آمد دوچرخه سوار تنها نيروي فشاري بر پنجه رکاب وارد مي کند. از اينرو هر پنجه رکاب تنها در نيم دور از گردش خود )از باالترين نقطه تا پايين ترين نقطه( مي تواند در رانش دوچرخه موثر باشد و در نيم دور ديگر براي پرهيز از اثر باز دارنده آن بوسيله دوچرخه سوار تحت نيرو قرار نميگيرد. اين نظر به يکسان نبودن توانايي رکاب زدن در افراد مختلف در با توانايي هاي نفر از آزمايش گرفته شده آزمون گوناگون است. ميانگين نيروي کشش زنجير براي افراد مذکور محاسبه شده و نتايج حاصل از آن در جدول )1( آورده شده است. با بررسي داده هاي ثبت شده مشاهده مي گردد که نتايج بدست آمده نسبت به صفحات افقي و قائم گذرنده بر محور رکاب متقارن هستند. به بيان ديگر توانايي دوچرخه سوار در اعمال نيرو بر پنجه رکاب در اين موقعيتها يکسان مي باشد. با در نظر گرفتن زاويه برابر صفر درجه نتايج بدست آمده با آنچه که پيش از اين استدالل شد همخواني دارد. از جمله داليل پذيرفتني براي توجيه اين رابطه مي توان به داليل زير اشاره نمود: - متقارن قرار گرفتن اندام دوچرخه سوار نسبت به صفحه اي عمود بر محور رکاب - متقارن بودن دسته رکابها نسبت به صفحه مذکور - همسان بودن طول رکابها جدول) 1 (: نیروي کشش زنجیر بدست آمده در زواياي مختلف دسته رکاب نسبت به راستاي قائم F 11/1 11/8 12/1 12/8 1/4 1/8 14/4 15/0 15/7 11/ F 15/7 15/0 14/4 1/8 1/4 12/8 12/1 11/8 1/ 1/ F 11/1 11/8 12/1 12/8 1/4 1/8 14/4 15/0 15/7 11/ F 1/ 15/7 15/0 14/4 1/8 1/4 12/8 12/1 11/8 1/ m r=1

8 همچنين مشاهده مي شود که در شرايطي که دسته رکابها در وضعيت قائم قرار مي گيرند نيروي کشش زنجير کمترين مقدار و در شرايطي که دسته رکابها در وضعيت افقي قرار مي گيرند نيروي کشش زنجير بيشترين مقدار را دارد که با نتايج تئوريک هم خواني دارد. با لحاظ نمودن شعاع چرخ زنجير حد اکثر گشتاوري که در هر زاويه رکاب نيروي پاي دوچرخه سوار بر محور رکاب اعمال نموده است قابل محاسبه خواهد بود. اين محاسبه در جدول )2( آورده شده است. نتايج حاصل از با ترسيم مقادير اندازه گيري شده در يک نمودار قطبي که در آن گشتاور M بر شعاع و متمم زاويه بر زاويه نسبت به محور قطب )که افقي در نظر گرفته شده است( استوار باشد شکل )11( بدست مي آيد. جدول )2(: گشتاور محرک بدست آمده در زواياي مختلف دسته رکاب نسبت به راستاي قائم با مقايسه نتايج بدست آمده با آنچه که در شکل )7( بصورت تحليلي استدالل شد مي توان نتيجه گرفت که با شرط زاويه برابر صفر درجه نتايج تئوري و تجربي همخواني دارند. بدينوسيله درستي مدل مکانيکي پيشنهاد شده محقق شد. M 1/11 1/18 1/21 1/28 1/4 1/8 1/44 1/50 1/57 1/ M 1/ 1/57 1/50 1/44 1/8 1/4 1/28 1/21 1/ M 1/11 1/18 1/21 1/28 1/4 1/8 1/44 1/50 1/57 1/ M 1/ 1/57 1/50 1/44 1/8 1/4 1/28 1/21 1/ Y β -7 شکل) 10 (: تقريب نمودار گشتاور وارده بر محور رکاب شکل) 11 (: پروفیل بدست آمده براي توزيع گشتاور نسبت به موقعیت زاويه اي دسته رکاب نسبت به راستاي افقی سازوکار پیشنهادي براي تعديل نوسانات گشتاور به هنگام رکابزدن چنانکه ديده شد سيستمهاي انتقال نيروي موجود تغييرات پريوديک گشتاور را با ضرايب ثابتي به چرخ محرک وسيله نقليه منتقل نموده و از آن طريق شتابي پريوديک ايجاد مي نمايند. براي تعديل اين شتاب بايد در ساختار سيستم انتقال نيرو بازنگري نموده و سازوکاري پي ريزي نمود که در آن ضرايب تبديل متناسب با تغييرات گشتاوراعمال شده بر محور رکاب بگونه اي تغيير کند که نوسانات شتاب وسيله نقليه تعديل گردد. با استناد به نتايج بدست آمده براي بهينه سازي سيستم انتقال قدرت دوچرخه نمودار قطبي توزيع گشتاور نسبت به موقعيت زاويه اي يک دسته رکاب را تحت شرايط زير با يک بيضي تقريب ميزنيم )شکل 12(: مرکز تقارن بيضي بر قطب قرار دارد. اندازه قطر کوچک بيضي دو برابر کمترين گشتاور اعمال شده بر محور رکاب مي باشد. اين قطر در صفحه سستي قرار دارد. اندازه قطر بزرگ بيضي دو برابر بيشترين گشتاور اعمال شده بر محور رکاب مي باشد. اين قطر عمود بر صفحه سستي قرار دارد. O X

9 پ(. براي تعديل اين توزيع گشتاور الزم است تا در موقعيتي از رکاب که گشتاور بشترين مقدار را دارد نيروي وارد بر چرخ زنجير بگونه اي تعديل گردد که مقدار آن با شرايطي که گشتاور در محور رکاب کمترين مقدار خود را دارا مي باشد برابري کند. الزمه اين کار تغيير مناسب در شعاع چرخ زنجير مي باشد. بدين منظور پيشنهاد مي شود که از چرخ زنجيرهاي بيضي حالت گون در طراحي مجموعه رکاب استفاده شود. در اين جديد از چرخ زنجيرها دندانه ها بطور منظم گرداگرد يک بيضي چيده شده اند )شکل 12 در طراحي يک سيستم انتقال نيروي بهينه مراتب زير بايد رعايت شود )شکل 10 (: نسبت قطر بزرگ به قطر کوچک بيضي برابر است با نسبت بين بيشترين و کمترين گشتاوري که رکابزن بطور معمول بر محور رکاب اعمال مي کند. بنابر نتايج تجربي نسبت مذکور برابر با 1/4 است. چرخ زنجير به نحوي هم محور رکاب نصب مي گردد. هنگامي که دسته رکابها در صفحه سستي قرار گيرند قطر کوچک چرخ زنجير در صفحه عمود قرار خواهد گرفت. شکل )12(: چرخ زنجیر بیضی شکل 8- بررسی درستی عملکرد مکانیزم پیشنهادي در مرحله نهايي براي بررسي درستي عملکرد چرخ موردنظر يک نمونه چرخ زنجير مطابق شکل )1( ساخته شده و بر روي دوچرخه نصب شد. گشتاور توسط يک مکانيزم اهرم و نيروسنج اندازه گيري شده و نتايج بدست آمده در جدول گردآوري شده است. بدين صورت که يک سر اهرم با محور چرخ زنجير هم محور است و خود اهرم نسبت به چرخ زنجير ثابت شده است و نيروسنجي در فاصله معيني از محور دوران اهرم- چرخ زنجير قرار گرفته است نيروي مقاوم الزم براي گرداندن چرخ زنجير را اندازه گيري مي نمايد. با لحاظ نمودن نيرو و فاصله شعاعي آن از محور دوران چرخ زنجير گشتاور مقاوم اندازه گيري شده است. گشتاور اندازه گيري شده توسط اين مکانيزم بيشترين گشتاور مقاومي است که فرد دوچرخه سوار مي تواند در هر زاويه پدال بر محور چرخ زنجير اعمال نمايد. از آنجاييکه مکانيزم اعمال نيرو براي هر دوچرخه سوار سالمي صرفنظر از قد و وزن آن تقريبا يکسان است و در اين آزمايش مقدار آن برابر 1. کيلوگرم مي باشد از اينرو پروفيل تغييرات گشتاور بر حسب زاويه نيز چنين مي باشد و بعد از ترسيم اين داده ها در يک نمودار قطبي مشاهده مي شود که هندسه گشتاور اعمالي در زواياي مختلف چرخ زنچير مطابق شکل )14( به شکل دايروي در مي آيد و اين نشان دهنده پاسخ درست مکانيزم به خواسته مورد نظر يعني اعمال گشتاور يکسان در تمام زوايا مي باشد. هدف از اين آزمايش بررسي چگونگي تغييرات گشتاور قابل اعمال دوچرخه سوار بر حسب موقعيت زاويه اي پدال بوده است تا بر آن اساس با برآورد پروفيل تقريبي تغييرات اين گشتاور پروفيل هندسي مناسبي براي چرخ زنجير ارائه گردد. شکل )1(: شیوه نصب کردن چرخ زنجیر بیضی گون بر محور رکاب از آنجاييکه هنگام کار طول زنجير تحت باري که با چرخ زنجير بيضي گون درگير است بطور متناوب کم و زياد مي شود براي سفت کردن زنجير بايستي از زنجيرکش استفاده نمود. براي پيشگيري از لنگ زدن چرخ زنجير بيضي گون در حال گردش بايستي با خالي نمودن قسمتهايي از چرخ زنجير نيروهاي گريز از مرکز ناشي از دوران چرخ را تعديل نمود. جدول )(: گشتاور محرک بدست آمده در زواياي مختلف دسته رکاب در نمونه ساخته شده M / 1/4 1/4 1/ 1/2 1/ /15 1/ 1/5 1/ M 1/ 1/5 1/ 1/5 1/ 1/2 1/ 1/4 1/4 1/ M 1/ 1/4 1/4 1/ 1/2 1/ /15 1/ 1/5 1/ M 1/ 1/5 1/ 1/5 1/ 1/2 1/ 1/4 1/4 1/

10 شکل )14(: درستی مکا نیزم چرخ زنجیر بهینه شده در تمام زوايا براي بررسي درستي عملکرد واقعي روش پيشنهادي در باال نمونه اي از چرخ زنجيرهاي بيضي گون ساخته شده و بر روي يک دوچرخه اي با سيستم انتقال نيروي 12 سرعته آزمايش شده است. چرخ زنجير مذکور 48 دندانه با قطر بزرگ 215 ميلي متر و قطر کوچک 150 ميلي متر دارد. شکلهاي الف - 15 تا د - 15 شيوه عملکرد چرخ زنجير مذکور را در موقعيت هاي گوناگون زاويه اي نشان مي دهد. )الف( )ج( )ب( )د( شکل )15(: چگونگی عملکرد واقعی سازوکار انتقال نیروي پیشنهاد شده 9- نتیجه گیري در اين نوشتار مکانيزم توليد انرژي مکانيکي در دوچرخه به دو روش مورد بررسي قرار گرفت و پس از پرداختن به نقاط ضعف سازوکارهاي موجود يک سيستم بهينه براي انتقال انرژي ماهيچه اي به گشتاور مکانيکي الزم براي حرکت دوچرخه پيشنهاد شد. کارايي سيستم پيشنهادي به دانستن بهترين نسبت بين قطر بزرگ به قطر کوچک چرخ زنجيرهاي بيضي گون و همچنين بهترين موقعيت زاويه اي براي نصب کردنشان بر روي محور چرخ زنجير بستگي دارد. از اينرو براي انجام يک طرح مهندسي بهينه الزم بود که اندازه پارامترهاي مذکور بگونه اي آماري براي گروههاي گوناگون از دوچرخه سواران برآورد گردد. با توجه به نمودارهاي پيش بيني شده براي اثر ماهيچه ها و نيروهاي وزني بر گشتاور اعمال شده بر محور رکاب نمودار برآيند اين گشتاورها نسبت به زاويه گردش رکاب در يک دستگاه مختصات قطبي يک منحني شبه بيضي خواهد شد. نتايج آزمايشگاهي بدست آمده نشان مي دهد که مکانيزم مورد نظر خواسته ما را براورده خواهد کرد و مکانيزم مطلوب براي گشتاور يکسان بدست مي آيد. DOD, Human Engineering Design Criteria for Military Systems, Equipment, and Facilities, March 14, DOD, Human Factors Engineering for Intercontinental Ballistic Missile Systems, SAMSO-STD-77-1, November 0, DOD, Human Engineering Requirements for Military Systems, Equipment, and Facilities, MIL-STD- 4855, DOE Order 40.1, Life Cycle Asset Management, Draft, August 24, DOE Order , Nuclear Safety Analysis Reports, DOE Order 40.1A, General Design Criteria, Life Cycle Asset Management, DOE Order 40.1, Life Cycle Asset Management, DOE Order 420.1, Facility Safety, DOE, Human Factors Design Guidelines for Maintainability of Department of Energy Nuclear Facilities, UCRL- 157, June 18, DOE, Good Practice Guide, No. 5, Test and Evaluation, August 18, DOE, Good Practice Guide, No. 7, Risk Analysis and Management, October 2, DOE, Good Practice Guide, No. 10, Project Execution and Engineering Management Planning, September 12, Grady, J.O., System Requirements Analysis, McGraw- Hill, New York, مراجع [1] [2] [] [4] [5] [] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [1]

11 L. Carr, D. de Roure, H. Davis, and W. Hall. Implementing an open link service or the World Wide Web, World Wide Web Journal, 1(2):1 71, [17] Martin, M, Denver Aerospace, Systems Engineering Manual, SY- 1, Martin Marietta, Human Factors Analysis for Engineering, Energy Systems, X- OE- 49, January 1, [14] [15] Meister, D. Behavioral Analysis and Measures, John Wiley and Sons, New York, [1]