淺談自行車組成部件及機(jī)械分析

孫青芯 鄒勇

摘要：中國是世界上自行車產(chǎn)量最大和擁有量最多的國家，在當(dāng)前我國交通擁擠、汽車尾氣污染的現(xiàn)狀下，自行車出行是一種綠色環(huán)保的出行方式。自行車看似簡單，里面卻擁有著許多的機(jī)械知識，通過對自行車進(jìn)行理性分析，便于進(jìn)一步的了解它與合理使用。

關(guān)鍵詞：自行車;機(jī)械;分析

自行車包括車架、輪胎、腳踏、鏈條、剎車、輪軸、曲柄、齒輪、前軸、后軸等多個部件。按照各部件的工作特點(diǎn)，它包括導(dǎo)向系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)。人腳踩踏板，通過曲柄，鏈輪、鏈條、飛輪、后軸等部件傳動，操縱車把改變行進(jìn)方向，從而使自行車不斷前進(jìn)。通過手握剎車，使自行車減速或停止。

1.導(dǎo)向系統(tǒng)的機(jī)械分析

導(dǎo)向系統(tǒng)包括車把、前叉、前軸等部件。

1.1車把

車把是利用杠桿原理轉(zhuǎn)動車輪，是省力杠桿，人們用很小的力就能轉(zhuǎn)動自行車前輪，來控制自行車的方向和自行車的平衡。車把的加工方法有很多，大多都是通過機(jī)械設(shè)備的沖壓，彎曲，拉伸而得到我們的需要的長度，角度。

1.2前叉

前叉部件的受力情況屬懸臂梁性質(zhì)，其主要部分是減震伸縮柱，受到較大的應(yīng)力。對于彈簧前叉來說，它是由兩個相同的彈簧避震叉管組成，不存在油阻系統(tǒng)，前叉下壓速度等于前叉回彈速度。而對于油簧前叉，是由左邊的彈簧避震叉管和右邊的阻尼叉管組成，前叉壓縮時，彈簧回彈速度，可以通過調(diào)節(jié)右側(cè)阻尼叉管的阻尼，調(diào)節(jié)油孔大小，控制油速，從而控制前叉的下縮和回彈速度。

1.3前軸

自行車的前軸是支撐零件，不傳遞轉(zhuǎn)矩，是心軸。前軸采用滾動滾珠以減小摩擦。為進(jìn)一步減小摩擦，常在這些部位加潤滑劑。

2.驅(qū)動系統(tǒng)的機(jī)械分析

驅(qū)動系統(tǒng)包括腳蹬、中軸、牙盤、曲柄、鏈條、飛輪、后軸、后輪等部件。

2.1腳蹬

自行車腳蹬連接中軸的曲柄構(gòu)件，通過腳踩踏板使曲柄作為原動件，經(jīng)過鏈條飛輪，使后輪轉(zhuǎn)動，從而使自行車前進(jìn)。

2.2齒輪

自行車的齒輪包括主動輪和被動輪。主動輪與被動輪的齒數(shù)比稱為齒輪比。如果主動輪和被動輪的齒數(shù)相等，那么兩輪的轉(zhuǎn)動圈數(shù)相同。假如主動齒輪的齒數(shù)大于被動齒輪的齒數(shù)，則每蹬一圈，被動齒輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù)就大于一圈，速度變大。因此，齒輪比與主動輪的齒數(shù)成正比，與被動齒輪的齒數(shù)成反比。如果主動齒輪的齒數(shù)用z1表示，被動齒輪的齒數(shù)用z2表示，用i表示齒輪比。它們之間的關(guān)系可表示為i=z1/z2。

齒輪作為機(jī)械中的一個重要部件，主要包括輪齒、齒槽、端面、法面、齒頂圓、齒根圓、基圓、分度圓等。飛輪以內(nèi)螺紋擰緊固定在后輪，與鏈輪在一個平面上。飛輪從結(jié)構(gòu)上可以分為單級飛輪和多級飛輪兩大類。單級飛輪就是有一個齒輪，由外套、芯子、千斤簧、墊圈等部分組成。多級飛輪是自行車變速的重要裝置，就是在單級飛輪的基礎(chǔ)上增加幾片飛輪片，與后軸上的鏈輪結(jié)合。自行車的變速就是體現(xiàn)在輪盤和飛輪不同齒數(shù)的組合搭配。如果輪盤有m個齒輪，飛輪有n個齒輪，那么組合到一起就是mn個組合。騎乘者可以根據(jù)需要選擇不同的齒輪組合，以達(dá)到相應(yīng)的目的，從而調(diào)節(jié)自行車的快慢。對于后變速器，有兩個可自由轉(zhuǎn)動的小嵌輪。小嵌輪和變速器桿的作用是保持鏈條處于張緊狀態(tài)。嵌輪和桿臂與一個彈簧相連，以使嵌輪始終保持向后拉。當(dāng)變換齒輪時，桿臂的角度發(fā)生變化，以張緊或放松鏈條。上部嵌輪與飛輪比較靠近。當(dāng)用車把上的變速裝置調(diào)節(jié)齒輪時，上部嵌輪會移動到飛輪上的不同位置并拉動鏈條一起移動。如果用腳蹬踏板時，鏈條會自然地從一個齒輪滑動到相鄰的齒輪上，從而實(shí)現(xiàn)自行車的自動變速。

2.3軸

中軸為轉(zhuǎn)軸，既受彎矩又受扭矩，是傳動軸。中軸上的腳蹬和花盤齒輪，腳蹬半徑大于花盤齒輪半徑，組成省力輪軸。自行車的后軸為心軸，只受彎矩，起到支撐作用。后軸上的齒輪和后輪，齒輪半徑小于后輪半徑，組成費(fèi)力輪軸。

3.制動系統(tǒng)的機(jī)械分析

制動系統(tǒng)包括車閘、輪胎等部件。

3.1車閘

車閘作為自行車的制動系統(tǒng)的重要部件，按照剎車時制動點(diǎn)的位置的不同可以分為輪緣閘、輪轂閘和腳閘。輪緣閘的制動點(diǎn)在自行車車緣上，包括普通閘、鉗形閘和觸閘。而車轂閘的制動點(diǎn)在車軸上的閘盒上，包括抱閘和漲閘。腳閘的制動點(diǎn)在飛輪上，使用零件卡住飛輪。按剎車動作方式可以分機(jī)械式或油壓式，或說以作動剎車片夾持碟盤的介質(zhì)來分，一是剎車線，一是油。?拿機(jī)械式碟剎來說，是依靠剎車線的拉力讓卡鉗內(nèi)的剎車片磨擦并夾住碟盤，產(chǎn)生剎車效果。對于油壓式來說，是以油液為介質(zhì)，拉剎車?yán)锩娴幕钊麎嚎s油液，壓力從油管直通卡鉗，推動卡鉗內(nèi)的活塞，帶動剎車片夾持碟盤。兩種剎車方式比較一下，機(jī)械式碟剎有其兼容上的便利性，一般的V型剎車把就可以通用，適應(yīng)性較強(qiáng)。油壓碟剎的剎車把、油管及卡鉗是完整配合的一套產(chǎn)品，和傳統(tǒng)纜線作動的剎車沒有共通的交集。油壓碟剎優(yōu)勢在于剎車輸出力道是人手部施力的好幾倍，以較小的力實(shí)現(xiàn)較好的制動效果。不過，油壓碟剎的剎車把上有儲油壺，體積比較大，自行車的空間有限，所以廣泛使用還存在一些問題。

3.2輪胎

自行車的前輪是從動輪，后輪是主動輪，人踩腳蹬使后輪向前轉(zhuǎn)動，自行車受到地面的摩擦力的方向向前，提供前進(jìn)的動力。剎車時剎車與車圈的摩擦力阻礙后輪的運(yùn)動，剎車力越大，產(chǎn)生的摩擦力也就越大，后輪轉(zhuǎn)動逐漸變慢，直到自行車停下來。車胎上的花紋是為了增大車輪與地面的摩擦力，從而產(chǎn)生更好的制動。

4.結(jié)語

自行車雖然看似簡單，其實(shí)蘊(yùn)含著復(fù)雜的機(jī)械知識。從本質(zhì)上了解它的構(gòu)造和工作原理，對于人們合理選擇適合自己的自行車，以及自行車的有效保養(yǎng)有著極大的作用。隨著低碳生活的開展，自行車出行將會越來越流行。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝正寬.自行車騎行寶典[J].中國輕工業(yè)出版社，2012，52：98-100.

[2]許榮裕.推廣自行車文化普及自行車運(yùn)動[J].中國自行車，2013，10，28.

作者簡介：孫青芯（1992-?），?山東臨清人，中國石油大學(xué)（華東）機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)。