自行車的結(jié)構(gòu)和它的力學(xué)原理

2024年2月12日發(fā)(作者：高度懷疑)

自行車的結(jié)構(gòu)和它的力學(xué)原理

一、課題研究目的

自行車是人們普遍使用的“綠色”交通工具，通過研究自行車上的力學(xué)知識(shí)，了解自行車的結(jié)構(gòu)，以及每一個(gè)零件的作用，使人們更好的認(rèn)識(shí)、利用自行車，讓自行車更好的為人類服務(wù)。

二、課題操作過程 ：（簡(jiǎn)略提綱）

步驟1：了解自行車的具體構(gòu)造，包括：車架、導(dǎo)向系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，及制動(dòng)系統(tǒng)。

山地車的基本結(jié)構(gòu)的圖示:

Headt:車頭碗組 Shifters:變速把

Brakes:剎車 Suspension:避震

Seat Post:座桿 Wheels:車輪

Tires:車胎 Bottom Brackets:中軸

Crankts:大齒盤 Pedals:腳踏

Rims:車圈

步驟2：通過走訪自行車廠，自行車專賣店和自行車修理攤，逐步分析自行車上的力學(xué)知識(shí)涉及到的力學(xué)原理（如靜摩擦、滑動(dòng)摩擦、滾動(dòng)摩擦、杠桿等），并作好具體記錄。

步驟3：對(duì)研究成果進(jìn)行總結(jié)。

三、課題正文

自行車的車架、輪胎、腳踏、剎車、鏈條等25個(gè)部件中，其基本部件缺一不可。其中，車架是自行車的骨架，它所承受的人和貨物的重量最大。按照各部件的工作特點(diǎn)，大致可將其分為導(dǎo)向系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)：

1、導(dǎo)向系統(tǒng)：由車把、前*、前軸、前輪等部件組成。乘騎者可以通過操縱車把來改變行駛方向并保持車身平衡。

2、驅(qū)動(dòng)（傳動(dòng)或行走）系統(tǒng)：由腳蹬、中軸、鏈輪、曲柄、鏈條、飛輪、后軸、后輪等部件組成。人的腳的蹬力是*腳蹬通過曲柄，鏈輪、鏈條、飛輪、后軸等部件傳動(dòng)的，從而使自行車不斷前進(jìn)。

3、制動(dòng)系統(tǒng)：它由車閘部件組成、乘騎者可以隨時(shí)操縱車閘，使行駛的自行車減速、停使、確保行車安全。

此外，為了安全和美觀，以及從實(shí)用出發(fā)，還裝配了車燈，支架等部件。

下面來具體介紹一些與力學(xué)知識(shí)有關(guān)的自行車部件：

1、車架部件是構(gòu)成自行車的基本結(jié)構(gòu)體，也是自行車的骨架和主體，其他部件也都是直接或間接安裝在車架上的。

車架部件的結(jié)構(gòu)形式有很多，但總體可以分為兩大類：即男式車架和女式車架。

車架一般采用普通碳素銅管經(jīng)過焊接、組合而成。為了減輕管重量，提高強(qiáng)度，較高檔的自行車采用低合金鋼管制造。為了減少快速行駛的阻力，有的自行車還采用流線型的鋼管。

由于自行車是依*人體自身的驅(qū)動(dòng)力和騎車技能而行駛的，車架便成為承受自行車在行駛中所產(chǎn)生的沖擊載荷以及能否舒適、安全地運(yùn)載人體的重要結(jié)構(gòu)體，車架部件制造精度的優(yōu)劣，將直接影響乘騎的安全、平穩(wěn)、和輕快。一般輻條是等徑的，為了減輕重力，也有制成兩端大、中間小的變徑輻條，還有為了減少空氣阻力將輻條制成扁流線型

2、外胎：分軟邊胎和硬邊胎兩種。軟邊胎斷面較寬，能全部裹住內(nèi)胎，著地面積比較大，能適宜多種道路行駛。硬邊胎自重輕，著地面積小適宜在平坦的道路上行駛，具有阻力小，行駛輕快等優(yōu)點(diǎn)。

外胎上的花紋是為了增加與地面的摩擦力。山地自行車的外胎寬度特別寬，花紋較深也是適應(yīng)越野山地用。

3、腳蹬部件：腳蹬部件裝配在中軸部件的左右曲柄上，是一個(gè)將平動(dòng)力轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)力的裝置，自行車騎行時(shí)，腳踏力首先傳遞給腳蹬部件，，然后由腳蹬軸轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄，中軸，鏈條飛輪，使后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使自行車前進(jìn)。因此腳蹬部件的結(jié)構(gòu)和規(guī)格是否合適，將直接影響騎車人的放腳位置是否合適，自行車的驅(qū)動(dòng)能否順利進(jìn)行。

腳踏：可分為整體式腳踏和組合式腳踏。無論什么款式的腳踏都必須有腳踏面，必須安全可*，具有一定的防滑性能，可以選用橡膠、塑料或金屬材料制造。腳踏必須轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。

4、前*部件：前*部件在自行車結(jié)構(gòu)中處于前方部位，它的上端與車把部件相連，車架部件與前管配合，下端與前軸部件配合，組成自行車的導(dǎo)向系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)動(dòng)車把和前*，可以使前輪改變方向，起到了自行車的導(dǎo)向作用。此外，還可以起到控制自行車行駛的作用。

前*部件的受力情況屬懸臂梁性質(zhì)，故前*部件必須具有足夠的強(qiáng)度等性質(zhì)。

5、鏈條：鏈條又稱車鏈、滾子鏈，安裝在連輪和飛輪上。其作用是將腳踏力由曲柄、鏈輪傳遞到飛輪和后輪上，帶動(dòng)自行車前進(jìn)。

鏈輪：用高強(qiáng)度鋼材制成，保證其達(dá)到需要的拉力。

6、飛輪：飛輪以內(nèi)螺紋旋擰固定在后軸的右端，與鏈輪保持同一平面，并通過鏈條與鏈輪相連接，構(gòu)成自行車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。從結(jié)構(gòu)上可分為單級(jí)飛輪和多級(jí)飛輪兩大類。

單級(jí)飛輪又稱為單鏈輪片飛輪，主要由外套、平擋和芯子、千斤、千斤簧、墊圈、絲擋幾鋼球等零件組成。

其單級(jí)飛輪工作原理：當(dāng)向前踏動(dòng)腳踏是，鏈條帶動(dòng)飛輪向前轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)飛輪內(nèi)齒和千斤相含，飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)力通過千斤傳到芯子，芯子帶動(dòng)后軸和后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，自行車就前進(jìn)了。

當(dāng)停止踏動(dòng)腳踏板時(shí)，鏈條和外套都不旋轉(zhuǎn)，但后輪在慣性作用下仍然帶動(dòng)芯子和千斤向前轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)飛輪內(nèi)齒產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，由此將芯子壓縮到芯子的槽口內(nèi)，千斤又壓縮了千斤簧。當(dāng)千斤齒頂滑到飛輪內(nèi)齒頂端時(shí)，千斤簧被壓縮得最多，再稍微向前滑一點(diǎn)，千斤被千斤簧彈到齒根上，發(fā)出“嗒嗒”的聲響。芯子轉(zhuǎn)動(dòng)加快，千斤也很快在各個(gè)飛輪內(nèi)齒上滑動(dòng)，發(fā)出“嗒嗒”的聲音。當(dāng)反向踏動(dòng)腳踏時(shí)，外套反向轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)加速千斤的滑動(dòng)，使“嗒嗒”聲響得更急促。多級(jí)飛輪是自行車變速裝置中的一個(gè)重要部件。

多級(jí)飛輪是在單級(jí)飛輪的基礎(chǔ)上，增加幾片飛輪片，與中軸上的鏈輪結(jié)合，組成各種不同的傳遞比，從而改變了自行車的速度。

7、車閘：是保證騎乘者安全的結(jié)構(gòu)，按制動(dòng)點(diǎn)的位置來分，可以分為輪緣閘和軸閘兩大類，我們重點(diǎn)介紹最常見的輪緣閘。

輪緣閘是一種通過機(jī)械杠桿、推桿、拉桿或鋼絲繩等直接將高摩擦因素的閘皮壓向車圈邊緣后輪胎，將轉(zhuǎn)動(dòng)中的車輪剎停的裝置。

輪緣閘結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修保養(yǎng)方便，因此被廣泛使用。但是，如果接觸車圈輪緣不正，或雨水淋濕的影響，會(huì)降低摩擦，從而影響制動(dòng)的效果。常見的有：

普通閘： 優(yōu)點(diǎn)為接觸面合理，制動(dòng)力矩大，制動(dòng)靈敏，剎車性能可*，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和安裝修理方便。

鉗形閘：當(dāng)剎車時(shí)，其左右閘*和閘皮就像鉗子一樣，緊緊地鉗住車圈的兩個(gè)端邊，達(dá)到使車減速或停的目的。優(yōu)點(diǎn)是剎車時(shí)力臂大，制動(dòng)效果好，傳動(dòng)零件少，調(diào)節(jié)和維修方便，重力輕，外形美觀。

懸臂閘： 優(yōu)點(diǎn)為懸臂閘剎車時(shí)的力矩比鉗形閘更大，制動(dòng)性能好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重力輕，調(diào)節(jié)和維修方便。

前觸閘：前觸閘是*杠桿原理制動(dòng)的。當(dāng)手握緊閘把時(shí)，閘把的另一頭將接頭、拉桿、拉管向下壓，使閘皮向下壓至與輪胎接觸，產(chǎn)生摩擦制動(dòng)力。其缺點(diǎn)是剎車效果與輪胎充氣程度有關(guān)。充氣不足時(shí)，會(huì)使摩擦力減小，影響剎車效果。

腳閘： 優(yōu)點(diǎn)為由于剎車是用腳力的，所以在腳閘上產(chǎn)生的正壓力越大，剎車效果越好。

閘的優(yōu)點(diǎn)：剎車的制動(dòng)點(diǎn)不在輪緣上，不會(huì)損壞車圈的電鍍層。

8、其他：

鞍座的長(zhǎng)度、寬度的鞍梁的結(jié)構(gòu)是以車型和乘騎者的性別、習(xí)慣來確定。鞍座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮乘騎者舒適。它依*鞍管與車架作鋼性連接，用來承受人體的重量。具體來說：

鞍座面：是人體體重的支撐面，具有良好的強(qiáng)度和彈性，它由鞍座面皮和墊皮組成。

鞍座架：又稱鞍梁，是鞍座的主體，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般由前后撐板，左右鞍撐，上下梁組成，并連接和支撐鞍面。

鞍座簧：實(shí)質(zhì)上是鞍座架的一部分。它支撐著鞍座架和鞍座面，起著緩沖和減震的作用。鞍座簧的形式有立簧、臥簧和拉簧等幾種。

鞍座夾：又稱鞍座卡，是由夾緊螺釘，座夾和夾板等組成，用來將鞍座固定在鞍簧上。

自行車的變速原理：

從機(jī)械原理角度來看，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪相互間的大小決定其傳動(dòng)比的大小。對(duì)一輛自行車來說，其騎行速度的快慢主要取決于裝置中鏈輪直徑大小（齒數(shù)）和飛輪直徑大小（齒數(shù)）之比這個(gè)比率稱為“速比”。用字母表示為I=Z1/Z2(Z1: 鏈輪齒數(shù)。Z2：飛輪齒數(shù)。I：速比)

影響自行車速度快慢的因素：

騎車者騎行時(shí)的輸出功率：

V = P / f （V：騎行速度。P：人輸出功率。f：騎行阻力）

受阻力的影響：

A：空氣阻力 f空=k空*F*V2

（f空：空氣阻力。k空：空氣阻力系數(shù)。F：受風(fēng)。V：騎行速度）

B：滾動(dòng)阻力 f滾=（G1+G2）k滾

（f滾：滾動(dòng)阻力。G1：自行車重力。G2：自行車和人共重。k滾：滾

動(dòng)阻力系數(shù)。）要減小滾動(dòng)阻力就要減少自行車的重力和減少滾動(dòng)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：只是在加速時(shí)產(chǎn)生的。

fa=G+G當(dāng)/g*a （fa:加速阻力 G:自行車重 G當(dāng)：轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)重力）

近幾年來，人們又研究出了一些提高自行車穩(wěn)定性的部件，例如：避震前*：車胎充足氣后，車輪與道路的接觸面積小，摩擦阻力相應(yīng)減小，使得行駛較輕松。但是，一旦遇上高低不平的道路，就會(huì)顛簸不穩(wěn)，特別是前*震動(dòng)更加厲害。采用避震前*可以起到以下一些作用：

將車架和前輪彈性的連接在一起，可吸收并緩解因路面不平而傳遞給車架的沖擊和震動(dòng)，保持乘騎舒適和平穩(wěn)。

由于減震裝置具有緩沖作用，可以避免某些零件因過分震動(dòng)而損壞。

減震裝置能傳遞垂直力，驅(qū)動(dòng)力，側(cè)向力以及相應(yīng)產(chǎn)生的力矩，確保騎行舒暢。

隨著人民的物質(zhì)生活水平的提高，自行車也一定不斷改進(jìn)，性能一定會(huì)越來越好，品種也一定會(huì)越來越多。

我們現(xiàn)在所學(xué)的知識(shí)畢竟是有限的，自行車上的力學(xué)知識(shí)還有很多，根據(jù)我們現(xiàn)在所學(xué)的知識(shí)和所查的一些資料，作出以上介紹，若有不足之處，請(qǐng)指出并改正。

四、課題研究體會(huì)

通過本次課題研究，使我們熟悉了自行車的結(jié)構(gòu)構(gòu)造及工作原理，鍛煉了查找資料的能力和社會(huì)實(shí)踐能力，自行車中很多物理知識(shí)，使我們更加感覺到學(xué)習(xí)和實(shí)踐的重要性，我們以后會(huì)更加努力的學(xué)習(xí)，更加積極地參加社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)。