本发明涉及一种双轮可折叠自行车，具体说是一种基本部件车架采用可变结构的多边形变胞折叠机构，可在三维空间的不同平面内折叠实现构型变换的基于变胞机构的折叠自行车。
背景技术：
自行车是现在人们最常用的代步工具之一，因其拥有轻便灵活、环保节能、价格低廉等优点，而备受大众青睐。虽然自行车在一定程度上方便了人们的生活，但是其闲置时仍会占用较大的空间，为此国内、外曾设计出多种可折叠的自行车。随着折叠自行车面世，因在基本部件和附属部件等方面大多与传统的一般骑乘车（特种用途车除外）比较接近，故标定件容易配置。其虽然具有携带存放方便等优点，但其折叠方式都有一定的局限性。
例如专利公开号为CN103085926A的“一种折叠式自行车”，公开的是车架主梁折叠式结构，其包括带前轮的前车架、带后轮的后车架、扶手架和主梁，主梁由分体设置的前梁和后梁组成，后梁与后车架连接，前梁与扶手架连接，前车架包括竖管和与竖管连接的横向管，竖管与扶手架通过第一快拆螺丝组件连接，前梁、后梁和横向管通过可拆卸的固定组件连接，固定组件包括固定在横向管上的转盘、罩在转盘外侧的罩体和可将转盘和罩体两者固定的锁定机构，罩体侧壁上设置有两个U形口，横向管依次穿过两个U形口。尽管其具有折叠简单，且折叠后可拖行、携带方便等优点，但是，因其固定组件结构复杂，折叠部件磨损严重时会导致展开的车架和梁闭合不严密，故容易影响骑行时的稳定性。另外调整固定组件进行折叠的操作方式极为繁琐，折叠耗时长，使用不方便。
授权公告号为CN203612154U的“多功能折叠自行车”，它公开了一种双梁车架折叠式结构，其包括上横梁、下横梁、前支承柱、后支承柱、鞍座、对称式支承架、脚踏板、二级传动装置、及前轮和后轮，前支承柱由车把、前叉及支承套管构成。其中、前支承柱和后支承柱与上横梁和下横梁之间采用转动式铰接。折叠后，前轮和后轮既可以纵向排列，向前推着行走，也可以横向排列，横向拉着行走。但是，由于该结构过分强调车体折叠后的体积小、方便拖行等特性，导致骑行时人体前倾角度过大，骑行舒适度差。该结构车轮只能采用小轮径，极大制约了骑行速度与越障能力。因其传动系统设置在支撑架内，链轮较小，导致其传动比也较小，故骑行费力，容易使人疲劳。
授权公告号为CN203283333U的专利中，公开了一种“折叠自行车”，其包括：前梁，后梁，前轮总成，后轮总成，折叠控制装置，车把，车座和传动机构。车架由前、后梁组成，通过合页连接器相连接便于折叠，车的前、后梁呈弧形设置，使两车轮轻松旋转进前后梁的弧形槽内，车把及连接管均可折叠。其虽然可使体积小巧、携带方便，但是，由于其采用了合页连接器和悬臂结构，仅通过单侧支撑，不但成本高昂，而且易导致结构极为不稳定。此外，传递扭矩的同时承受剪切力，易导致前、后轴破坏失效，安全性差。
另外，在一些期刊、文献上也曾记载过与上述内容相近的折叠自行车，如《轻工科技》（2012,7(7):68.）的“多功能折叠自行车设计研究与探讨”一文中提到了多种折叠自行车，也指出了现有各种折叠自行车结构存在的优、缺点。
国外专利文献JP2010143559A中公开了一种车体行李包一体化折叠自行车。提出了一种同时考虑折叠后车体便携性和车载行李的搬运性的折叠自行车。其主要针对现有折叠自行车相对于传统自行车在存储和拖动方面虽然具有优异的性能，可是仍需要解决其装载行李时的搬运性能和折叠移动效率非常低的问题。尽管该折叠自行车较好地解决了上述问题，车体和行李包能够作为一个整体，可以像一个行李箱一样进行拖动和携带，车体及其行李作为可搬运物体一起移动到其它自行车不能行驶到的场所，但是因其与现有折叠自行车的箱式折叠机构相类似，车架仍然采用前、中、后三个固定车架相互铰接的结构形式，故仅能在垂直车架的平面内折叠固定架，将前固定车架折叠至后固定车架带有行李包的一侧，而不能将车架中接头的链传动部件等折叠改变其形状，各构件之间不能产生相对移动，因此，在该平面内的尺寸不能减小，占据空间较大。
综上所述，现有折叠自行车多采用车架横梁的对折结构，因有的结构受力状态不好，梁折叠后呈三角放射形不规整，故存在使前、后车轮不能平行叠放，占据空间大的问题；有的机构折叠仅采用在同一平面内折叠，而不能使前、后轮重合，存在外形不规则，而且不美观的缺陷；除占据空间较大的箱式折叠机构使前、后轮重合折叠外，尽管有个别的折叠机构的前、后轮还采用特殊悬臂结构，来使前、后轮重合折叠，但也存在受力不好，成本高等问题。
自从变胞机构成为机构学领域的研究热点之后，已引起了学术界的广泛兴趣。变胞机构是变一种多自由度可变结构的新型机构。变胞机构在工作过程中可以通过设定的力约束或结构的几何约束，锁定或释放其某些运动副的运动自由度改变其结构拓扑，构成新的工作构态，而且其构态的变换是可以在不同平面内实现的。因此，引入变胞机构作为折叠自行车的折叠机构，可以充分利用变胞机构具有的可在不同平面内转变工作构态的特点，使之与折叠自行车的折叠过程相结合，来克服现有折叠自行车结构上存在的诸多问题，从而成为本申请人率先借助于变胞原理，设计出适用于全新折叠自行车构型的变胞折叠机构。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于变胞机构的折叠自行车，从根本上解决了现有折叠自行车结构受力状态不好、折叠过程繁琐、折叠后占据空间大、外形不规整等问题。其机构设计合理，成本低，工作构态转换操作简单、方便、快捷，具有骑行舒适稳定，折叠后的构型规则，占用空间小，易拖行、易存放，增添外观美感等优点。
本发明所采用的技术方案是：该基于变胞机构的折叠自行车包括基本部件车架、鞍座、车把、前叉、前轮和前轴、后轮和后轴、中轴和链传动，其技术要点是：所述车架采用由前管、立叉、上梁和下梁组成的可变结构的多边形变胞折叠机构，通过结构的几何约束、力约束或者两者的组合约束，在xoy平面或者垂直xoy平面构成具有确定运动的工作构型，并在作业过程中保持这种构型；车架的前管固定有上、下接头，前叉上端穿过前管与车把配装，下端与前轮和前轴配装，立叉上端设置有配装鞍座的后接头，下端与后轮和后轴配装，上梁包括顺序铰接在前管上接头与立叉后接头之间的上铰接杆、上转向铰接头，下梁包括顺序连接在一起的平叉、中接头、后下转向铰接头、下铰接杆、前下转向铰接头和限位铰接杆，下梁端部平叉的一端利用轴套组装在与立叉下端配装的后轮和后轴上，平叉另一端与配装中轴和链传动的中接头固定连接，下梁另一端限位铰接杆的端部与前管下接头铰接。
所述可变结构的多边形变胞折叠机构中结构的几何约束包括：设置在上铰接杆与上转向铰接头铰接端限制转动副运动的提供安全锁定的辅助限位夹，设置在前管下接头与限位铰接杆铰接的转动副下方限制转动副运动的限位柱，设置在限位铰接杆与前下转向铰接头铰接的转动副上方限制转动副运动的后限位档，设置在中接头与后下转向铰接头铰接的转动副上方限制转动副运动的前限位档，设置在立叉内侧位于后轮和后轴上方限制平叉绕轴套轴线转动的内限位档。
所述可变结构的多边形变胞折叠机构转换为正常骑乘的稳定整体工作构型，车架的上梁顺序铰接的上铰接杆、上转向铰接头，在几何约束辅助限位夹和加载在鞍座的力约束的组合约束下，下梁顺序连接在一起的各构件在几何约束前限位档、后限位档和加载在配装中轴和链传动的中接头的力约束的组合约束下，形成相互不能在xoy平面运动的整体刚性构件，位于同一xoy平面的上铰接杆、下铰接杆两端的转动副轴线中心线不重合。
所述可变结构的多边形折叠机构转换为在xoy平面折叠机构的初始状态折叠构型，车架的上转向铰接头与前管上接头铰接的转动副轴线、限位铰接杆与前管下接头铰接的转动副轴线、限位铰接杆与前下转向铰接头铰接的转动副轴线、中接头与后下转向铰接头铰接的转动副轴线、组装在平叉一端的轴套与立叉下端配装的后轮和后轴组成的转动副轴线，均垂直于同一xoy平面；解除加载在鞍座和中接头的力约束以及解除上梁的几何约束辅助限位夹，驱动下梁的下铰接杆上移，带动中接头与后下转向铰接头铰接的转动副转动，通过逆时针转矩的作用，使平叉绕轴套与立叉下端配装的后轮和后轴组成的转动副转动，同时通过顺时针转矩的作用，带动限位铰接杆绕限位铰接杆与前下转向铰接头铰接的转动副转动，直至位于同一xoy平面下梁的下铰接杆向上梁的上铰接杆方向移动，即完成在垂直xoy平面折叠机构的折叠准备。
所述可变结构的多边形折叠机构转换为在xoy平面折叠机构的终止状态折叠构型，在车架的平叉绕转动副转动至立叉的几何约束内限位档以及限位铰接杆绕转动副转动至前管下接头的几何约束限位柱的约束下，使同一xoy平面的转动副轴线中心距相等的上梁的上铰接杆与下梁的下铰接杆，移动至两杆的转动副轴线中心线相互重合时止，可变结构的多边形折叠机构转换为在xoy平面折叠机构的终止状态折叠构型，然后分别以上铰接杆和下铰接杆两端的转动副相重合的轴线为中心，向垂直xoy平面顺序折叠至前轮和前轴、后轮和后轴位于同一轴线上，即完成垂直xoy平面折叠机构的折叠构型。
所述下梁的中接头前部固定有套筒，中轴和链传动配装在套筒内，并通过固定在中轴两端的带有脚蹬的曲柄驱动链轮和链条，带动配装在后轴和后轮上的飞轮驱动后轴和后轮转动。
本发明具有的优点及积极的技术效果是：由于本发明主要对现有自行车的基本部件的车架，借助于变胞原理，引入变胞机构的折叠机构进行全新设计，其它基本部件和附属部件只是做了适应性的调整，所以很容易实现。普通自行车的车架主要包括前管，上梁，下梁，立管构成的固定架以及与固定架连接的平叉、立叉等件。而本发明的车架则取消了传统固定架的立管和与之固定连接的平叉，因其采用由前管、立叉、铰接式上梁和含有平叉的下梁组成的可变结构的多边形变胞折叠机构，来作为折叠自行车车架的折叠机构，仅在上梁的上铰接杆处设置折叠式辅助限位夹提供安全锁定，简化了整体车架结构，折叠过程更简单、耗时短，故其机构设计合理，成本低，工作构态转换操作简单、方便、快捷。特别是车架的上梁顺序铰接在前管上接头与立叉后接头之间的上铰接杆、上转向铰接头，下梁顺序连接在一起的平叉、中接头、后下转向铰接头、下铰接杆、前下转向铰接头和限位铰接杆，在xoy平面内做成一个5杆机构，但在几何约束前限位档、后限位档和加载在配装中轴和链传动的中接头的力约束的组合约束下，使得平叉和中接头相对于下铰接杆只能往上转动而不能往下转，同样使得限位铰接杆只能相对于前管下接头往上转动而不能往下转；而上铰接杆、下铰接杆在xoy平面上的转动副轴线在此构态时中心线不重合，因此限定了在垂直xoy平面的运动，因而整个折叠机构形成相互不能在xoy平面运动的整体刚性构件，即构成传统的三角梁式结构，受力合理。通过铰接形成的转动副，使折叠所需逆时针或顺时针转矩更小，更省力。通过解除加载在鞍座和中接头的力约束以及解除上梁的几何约束辅助限位夹，驱动下梁的下铰接杆上移，带动中接头与平叉、限位铰接杆绕各自的转动副转动，可以实现位于同一xoy平面下梁的下铰接杆向上梁的上铰接杆方向移动，将可变结构的多边形变胞折叠机构转换为在xoy平面折叠机构的初始状态折叠构型，即完成在垂直xoy平面折叠机构的第一次折叠的准备。当车架的平叉绕转动副转动至立叉的几何约束内限位档时，挡住平叉，使其不能够继续向上转动。限位铰接杆绕转动副转动至前管下接头的几何约束限位柱时，挡住限位铰接杆，使之不能继续向上转动。当转动副轴线中心距相等的下梁的下铰接杆向上梁的上铰接杆方向移动至两杆的转动副轴线中心线相互重合时，即完成可变结构的多边形变胞折叠机构第一次折叠。然后再分别利用上铰接杆和下铰接杆两端的转动副相重合的轴线为中心，向垂直xoy平面顺序折叠至前轮和前轴、后轮和后轴位于同一轴线上，即完成垂直xoy平面折叠机构的第二次折叠构型。
因此，本发明的可变结构的多边形变胞折叠机构，通过结构的几何约束、力约束或者两者的组合约束，保证了初始位置时，在人的重力加载到在行车上之后，车架不会发生折叠，确保转换为具有确定运动的正常骑乘的稳定整体工作构型，从而提高了骑乘的安全性和整车的载荷能力。另外，本发明与传统自行车折叠机构不同的是它的平叉可以与绕后轮和后轴转动，并带动配装中轴和链传动的中接头一起转动，这是现有折叠自行车折叠机构无法比拟的。也正因为这种整体构成刚性结构的工作构型的独特折叠结构，才使其具有其它折叠自行车所不具备的骑行舒适稳定的优点。折叠后的前轮和后轮的平面相互平行，使折叠后的车架可在地面滚动，并且折叠后的构型更规则，占用空间更小，更易拖行和存放，自然就增添了外观美感。综上所述，本发明从根本上解决了现有折叠自行车结构受力状态不好、折叠过程繁琐、折叠后占据空间大、外形不规整等问题。综上所述，本发明由可变结构的多边形变胞折叠机构组成的车架，可在三维空间的不同平面内折叠实现变换工作构态。
附图说明
以下结合附图对本发明作进一步描述。
图1为本发明的一种结构示意图；
图2为本发明的一种立体分解结构示意图；
图3为本发明第一次折叠状态的结构示意图；
图4为本发明第二次折叠状态的结构示意图；
图5为图4的侧视图；
图6为图1中的一种中接头和立叉的结构示意图；
图7为本发明变胞折叠机构的一种稳定整体工作构型简图；
图8为本发明变胞折叠机构的一种在xoy平面折叠构型初始状态简图；
图9为本发明变胞折叠机构的一种在xoy平面折叠构型终止状态简图。
图中序号说明：1车架、2鞍座、3车把、4前叉、5前轮和前轴、6中轴和链传动、7后轮和后轴、8立叉、9立叉后接头、10上铰接杆、11辅助限位夹、12上转向铰接头、13前管上接头、14前管、15限位铰接杆、16前下转向铰接头、17下铰接杆、18后下转向铰接头、19曲柄、20脚蹬、21中接头、22平叉、23套筒、24链轮、25前管下接头。Ⅰ内限位档（立叉上的几何约束）、Ⅱ限位柱（前管下接头上的几何约束）、Ⅲ前限位档（平叉上的几何约束）、Ⅳ后限位档（限位铰接杆上的几何约束）、A、B、C、D、E为xoy平面内的转动副，H、I、J、K为与xoy平面垂直平面内的转动副。
具体实施方式
根据图1~9详细说明本发明的具体结构。该基于变胞机构的折叠自行车由基本部件车架、鞍座、车把、前叉、前轮和前轴、后轮和后轴、中轴和链传动以及附属部件构成，附属部件和部分通用基本部件可根据需要选择一般骑乘车的标定件进行配置。其中基本部件的车架1采用由前管14、立叉8、上梁和下梁组成的可变结构的多边形变胞折叠机构。这种可变结构的多边形变胞折叠机构可以通过结构的几何约束、力约束或者两者的组合约束，在xoy平面或者垂直xoy平面构成具有确定运动的工作构型，并在作业过程中保持这种构型。可变结构的多边形变胞折叠机构中，结构的几何约束包括：设置在上铰接杆10与上转向铰接头12铰接端，限制转动副运动的提供安全锁定的辅助限位夹11，设置在前管下接头25与限位铰接杆15铰接的转动副下方，限制转动副运动的限位柱Ⅱ，设置在限位铰接杆15与前下转向铰接头16铰接的转动副上方，限制转动副运动的后限位档Ⅳ，设置在中接头21与后下转向铰接头18铰接的转动副上方，限制转动副运动的前限位档Ⅲ，设置在立叉8内侧位于后轮和后轴7上方，限制平叉22绕轴套轴线转动的内限位档Ⅰ。
车架1的前管14固定有前管上接头13、前管下接头25。前叉4上端穿过前管14与车把3配装在一起，前叉4下端与前轮和前轴5配装，立叉8上端设置有配装鞍座2的立叉后接头9，立叉8下端与后轮和后轴7配装。上梁包括顺序铰接在前管上接头13与立叉后接头9之间的上铰接杆10、上转向铰接头12。下梁包括顺序连接在一起的平叉22、中接头21、后下转向铰接头18、下铰接杆17、前下转向铰接头16和限位铰接杆15。下梁端部平叉22的一端利用轴套组装在与立叉8下端配装的后轮和后轴7上，平叉22另一端与配装中轴和链传动6的中接头21固定连接。下梁另一端限位铰接杆15的端部与前管下接头25铰接。立叉8两侧被螺栓和螺母固定，因此不能相对于后轮和后轴7转动，而平叉22套装在轴套上，它和轴套之间为滑动摩擦，平叉22可以绕后轮和后轴7转动。上转向铰接头12和前、后下转向铰接头16、18两端分别有一个跟销轴配合的孔，孔的轴线是互相垂直的，因此可以进行两个平面内的运动。下梁的中接头21前部固定有套筒23，中轴和链传动6配装在套筒23内，并通过固定在中轴两端的带有脚蹬20的曲柄19驱动链轮24和链条（图中未示出），带动配装在后轴和后轮7上的飞轮（图中未示出）驱动后轴和后轮7转动。
可变结构的多边形变胞折叠机构转换为正常骑乘的稳定整体工作构型（如图7所示），车架1的上梁顺序铰接的上铰接杆10、上转向铰接头12在几何约束辅助限位夹11和加载在鞍座2的力约束（骑车人的重量）的组合约束下，下梁顺序连接在一起的各构件平叉22、中接头21、后下转向铰接头18、下铰接杆17、前下转向铰接头16和限位铰接杆15，在几何约束前限位档Ⅲ、后限位档Ⅳ和加载在配装中轴和链传动6的中接头21的力约束（踏在脚蹬上的双脚）的组合约束下，形成相互不能在xoy平面运动的整体刚性构件。位于同一xoy平面的上铰接杆10、下铰接杆17两端的转动副H、I、J、K的轴线中心线不重合，限定了垂直xoy平面的折叠。该正常骑乘的稳定整体工作构型，整体构成刚性结构。车架1在特定铰接点A、B、C上能够形成稳定的三角形结构，从而提高了整车的稳定性，提高了整车的载荷能力。车架1整体以三角形结构作为支撑，而非悬臂梁，传递扭矩时无剪切力，从而避免了悬臂梁单侧支撑不稳定、前后轴易损坏的缺陷，骑行过程更安全更稳定。上、下梁长度可根据需要制作，从而避免了交叉式折叠车的车轮直径受限的问题，进而避免了其整车结构过小导致的骑乘舒适度降低、骑乘易疲劳的问题。
可变结构的多边形折叠机构转换为在xoy平面折叠机构的初始状态折叠构型（如图8所示），车架1的上转向铰接头12与前管上接头13铰接的转动副B的轴线、限位铰接杆15与前管下接头25铰接的转动副C的轴线、限位铰接杆15与前下转向铰接头16铰接的转动副D的轴线、中接头21与后下转向铰接头18铰接的转动副E的轴线、组装在平叉22一端的轴套与立叉8下端配装的后轮和后轴7组成的转动副A的轴线，均垂直于同一xoy平面。解除加载在鞍座2和中接头21的力约束，以及解除上梁的几何约束辅助限位夹11，驱动下梁的下铰接杆17上移，带动中接头21与后下转向铰接头18铰接的转动副E转动，通过逆时针转矩的作用，使平叉22绕轴套与立叉8下端配装的后轮和后轴7组成的转动副A转动，同时通过顺时针转矩的作用，带动限位铰接杆15绕限位铰接杆15与前下转向铰接头16铰接的转动副D转动，直至位于同一xoy平面下梁的下铰接杆17向上梁的上铰接杆10的方向移动，即完成在垂直xoy平面折叠机构的第一次折叠的准备。
可变结构的多边形折叠机构转换为在xoy平面折叠机构的终止状态折叠构型（如图9所示），在车架1的平叉22绕转动副A转动至立叉8的几何约束内限位档Ⅰ以及限位铰接杆15绕转动副C转动至前管下接头25的几何约束限位柱Ⅱ的约束下，使同一xoy平面的转动副H、I、J、K的轴线中心距相等的上梁的上铰接杆10与下梁的下铰接杆17，移动至两杆的转动副H、I、J、K的轴线中心线相互重合时止，可变结构的多边形折叠机构转换为在xoy平面折叠机构的终止状态折叠构型，即完成在垂直xoy平面折叠机构的第一次折叠。然后分别以上铰接杆10和下铰接杆17两端的转动副H、I、J、K相重合的轴线为中心，向垂直xoy平面顺序折叠至前轮和前轴5、后轮和后轴7位于同一轴线上，即完成垂直xoy平面折叠机构的折叠构型。折叠后，前轮和后轮相互平行，可通过车把3将折叠后的自行车整体自由移动。