自行车的结构和它的力学原理

2024年2月12日发(作者：高度怀疑)

自行车的结构和它的力学原理

一、课题研究目的

自行车是人们普遍使用的“绿色”交通工具，通过研究自行车上的力学知识，了解自行车的结构，以及每一个零件的作用，使人们更好的认识、利用自行车，让自行车更好的为人类服务。

二、课题操作过程 ：（简略提纲）

步骤1：了解自行车的具体构造，包括：车架、导向系统、驱动系统，及制动系统。

山地车的基本结构的图示:

Headt:车头碗组 Shifters:变速把

Brakes:刹车 Suspension:避震

Seat Post:座杆 Wheels:车轮

Tires:车胎 Bottom Brackets:中轴

Crankts:大齿盘 Pedals:脚踏

Rims:车圈

步骤2：通过走访自行车厂，自行车专卖店和自行车修理摊，逐步分析自行车上的力学知识涉及到的力学原理（如静摩擦、滑动摩擦、滚动摩擦、杠杆等），并作好具体记录。

步骤3：对研究成果进行总结。

三、课题正文

自行车的车架、轮胎、脚踏、刹车、链条等25个部件中，其基本部件缺一不可。其中，车架是自行车的骨架，它所承受的人和货物的重量最大。按照各部件的工作特点，大致可将其分为导向系统、驱动系统、制动系统：

1、导向系统：由车把、前*、前轴、前轮等部件组成。乘骑者可以通过操纵车把来改变行驶方向并保持车身平衡。

2、驱动（传动或行走）系统：由脚蹬、中轴、链轮、曲柄、链条、飞轮、后轴、后轮等部件组成。人的脚的蹬力是*脚蹬通过曲柄，链轮、链条、飞轮、后轴等部件传动的，从而使自行车不断前进。

3、制动系统：它由车闸部件组成、乘骑者可以随时操纵车闸，使行驶的自行车减速、停使、确保行车安全。

此外，为了安全和美观，以及从实用出发，还装配了车灯，支架等部件。

下面来具体介绍一些与力学知识有关的自行车部件：

1、车架部件是构成自行车的基本结构体，也是自行车的骨架和主体，其他部件也都是直接或间接安装在车架上的。

车架部件的结构形式有很多，但总体可以分为两大类：即男式车架和女式车架。

车架一般采用普通碳素铜管经过焊接、组合而成。为了减轻管重量，提高强度，较高档的自行车采用低合金钢管制造。为了减少快速行驶的阻力，有的自行车还采用流线型的钢管。

由于自行车是依*人体自身的驱动力和骑车技能而行驶的，车架便成为承受自行车在行驶中所产生的冲击载荷以及能否舒适、安全地运载人体的重要结构体，车架部件制造精度的优劣，将直接影响乘骑的安全、平稳、和轻快。一般辐条是等径的，为了减轻重力，也有制成两端大、中间小的变径辐条，还有为了减少空气阻力将辐条制成扁流线型

2、外胎：分软边胎和硬边胎两种。软边胎断面较宽，能全部裹住内胎，着地面积比较大，能适宜多种道路行驶。硬边胎自重轻，着地面积小适宜在平坦的道路上行驶，具有阻力小，行驶轻快等优点。

外胎上的花纹是为了增加与地面的摩擦力。山地自行车的外胎宽度特别宽，花纹较深也是适应越野山地用。

3、脚蹬部件：脚蹬部件装配在中轴部件的左右曲柄上，是一个将平动力转化为转动力的装置，自行车骑行时，脚踏力首先传递给脚蹬部件，，然后由脚蹬轴转动曲柄，中轴，链条飞轮，使后轮转动，从而使自行车前进。因此脚蹬部件的结构和规格是否合适，将直接影响骑车人的放脚位置是否合适，自行车的驱动能否顺利进行。

脚踏：可分为整体式脚踏和组合式脚踏。无论什么款式的脚踏都必须有脚踏面，必须安全可*，具有一定的防滑性能，可以选用橡胶、塑料或金属材料制造。脚踏必须转动灵活。

4、前*部件：前*部件在自行车结构中处于前方部位，它的上端与车把部件相连，车架部件与前管配合，下端与前轴部件配合，组成自行车的导向系统。

转动车把和前*，可以使前轮改变方向，起到了自行车的导向作用。此外，还可以起到控制自行车行驶的作用。

前*部件的受力情况属悬臂梁性质，故前*部件必须具有足够的强度等性质。

5、链条：链条又称车链、滚子链，安装在连轮和飞轮上。其作用是将脚踏力由曲柄、链轮传递到飞轮和后轮上，带动自行车前进。

链轮：用高强度钢材制成，保证其达到需要的拉力。

6、飞轮：飞轮以内螺纹旋拧固定在后轴的右端，与链轮保持同一平面，并通过链条与链轮相连接，构成自行车的驱动系统。从结构上可分为单级飞轮和多级飞轮两大类。

单级飞轮又称为单链轮片飞轮，主要由外套、平挡和芯子、千斤、千斤簧、垫圈、丝挡几钢球等零件组成。

其单级飞轮工作原理：当向前踏动脚踏是，链条带动飞轮向前转动，这时飞轮内齿和千斤相含，飞轮的转动力通过千斤传到芯子，芯子带动后轴和后轮转动，自行车就前进了。

当停止踏动脚踏板时，链条和外套都不旋转，但后轮在惯性作用下仍然带动芯子和千斤向前转动，这时飞轮内齿产生相对滑动，由此将芯子压缩到芯子的槽口内，千斤又压缩了千斤簧。当千斤齿顶滑到飞轮内齿顶端时，千斤簧被压缩得最多，再稍微向前滑一点，千斤被千斤簧弹到齿根上，发出“嗒嗒”的声响。芯子转动加快，千斤也很快在各个飞轮内齿上滑动，发出“嗒嗒”的声音。当反向踏动脚踏时，外套反向转动，会加速千斤的滑动，使“嗒嗒”声响得更急促。多级飞轮是自行车变速装置中的一个重要部件。

多级飞轮是在单级飞轮的基础上，增加几片飞轮片，与中轴上的链轮结合，组成各种不同的传递比，从而改变了自行车的速度。

7、车闸：是保证骑乘者安全的结构，按制动点的位置来分，可以分为轮缘闸和轴闸两大类，我们重点介绍最常见的轮缘闸。

轮缘闸是一种通过机械杠杆、推杆、拉杆或钢丝绳等直接将高摩擦因素的闸皮压向车圈边缘后轮胎，将转动中的车轮刹停的装置。

轮缘闸结构简单，维修保养方便，因此被广泛使用。但是，如果接触车圈轮缘不正，或雨水淋湿的影响，会降低摩擦，从而影响制动的效果。常见的有：

普通闸： 优点为接触面合理，制动力矩大，制动灵敏，刹车性能可*，结构简单和安装修理方便。

钳形闸：当刹车时，其左右闸*和闸皮就像钳子一样，紧紧地钳住车圈的两个端边，达到使车减速或停的目的。优点是刹车时力臂大，制动效果好，传动零件少，调节和维修方便，重力轻，外形美观。

悬臂闸： 优点为悬臂闸刹车时的力矩比钳形闸更大，制动性能好，结构简单，重力轻，调节和维修方便。

前触闸：前触闸是*杠杆原理制动的。当手握紧闸把时，闸把的另一头将接头、拉杆、拉管向下压，使闸皮向下压至与轮胎接触，产生摩擦制动力。其缺点是刹车效果与轮胎充气程度有关。充气不足时，会使摩擦力减小，影响刹车效果。

脚闸： 优点为由于刹车是用脚力的，所以在脚闸上产生的正压力越大，刹车效果越好。

闸的优点：刹车的制动点不在轮缘上，不会损坏车圈的电镀层。

8、其他：

鞍座的长度、宽度的鞍梁的结构是以车型和乘骑者的性别、习惯来确定。鞍座的结构设计应充分考虑乘骑者舒适。它依*鞍管与车架作钢性连接，用来承受人体的重量。具体来说：

鞍座面：是人体体重的支撑面，具有良好的强度和弹性，它由鞍座面皮和垫皮组成。

鞍座架：又称鞍梁，是鞍座的主体，其结构比较复杂，一般由前后撑板，左右鞍撑，上下梁组成，并连接和支撑鞍面。

鞍座簧：实质上是鞍座架的一部分。它支撑着鞍座架和鞍座面，起着缓冲和减震的作用。鞍座簧的形式有立簧、卧簧和拉簧等几种。

鞍座夹：又称鞍座卡，是由夹紧螺钉，座夹和夹板等组成，用来将鞍座固定在鞍簧上。

自行车的变速原理：

从机械原理角度来看，主动轮和从动轮相互间的大小决定其传动比的大小。对一辆自行车来说，其骑行速度的快慢主要取决于装置中链轮直径大小（齿数）和飞轮直径大小（齿数）之比这个比率称为“速比”。用字母表示为I=Z1/Z2(Z1: 链轮齿数。Z2：飞轮齿数。I：速比)

影响自行车速度快慢的因素：

骑车者骑行时的输出功率：

V = P / f （V：骑行速度。P：人输出功率。f：骑行阻力）

受阻力的影响：

A：空气阻力 f空=k空*F*V2

（f空：空气阻力。k空：空气阻力系数。F：受风。V：骑行速度）

B：滚动阻力 f滚=（G1+G2）k滚

（f滚：滚动阻力。G1：自行车重力。G2：自行车和人共重。k滚：滚

动阻力系数。）要减小滚动阻力就要减少自行车的重力和减少滚动阻

力，摩擦因素。

C：爬坡阻力：坡度越大，爬坡阻力就越大。

D：加速阻力：只是在加速时产生的。

fa=G+G当/g*a （fa:加速阻力 G:自行车重 G当：转动相当重力）

近几年来，人们又研究出了一些提高自行车稳定性的部件，例如：避震前*：车胎充足气后，车轮与道路的接触面积小，摩擦阻力相应减小，使得行驶较轻松。但是，一旦遇上高低不平的道路，就会颠簸不稳，特别是前*震动更加厉害。采用避震前*可以起到以下一些作用：

将车架和前轮弹性的连接在一起，可吸收并缓解因路面不平而传递给车架的冲击和震动，保持乘骑舒适和平稳。

由于减震装置具有缓冲作用，可以避免某些零件因过分震动而损坏。

减震装置能传递垂直力，驱动力，侧向力以及相应产生的力矩，确保骑行舒畅。

随着人民的物质生活水平的提高，自行车也一定不断改进，性能一定会越来越好，品种也一定会越来越多。

我们现在所学的知识毕竟是有限的，自行车上的力学知识还有很多，根据我们现在所学的知识和所查的一些资料，作出以上介绍，若有不足之处，请指出并改正。

四、课题研究体会

通过本次课题研究，使我们熟悉了自行车的结构构造及工作原理，锻炼了查找资料的能力和社会实践能力，自行车中很多物理知识，使我们更加感觉到学习和实践的重要性，我们以后会更加努力的学习，更加积极地参加社会实践活动。