自行車的結構和它的力學原理

2024年2月12日發(作者：網絡安全解決方案)

自行車的結構和它的力學原理

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知識，了解自行車的 結構，以及每一個零件的作用，使人們更好的認識、利用自行車，讓自行車更好的為人類服 務。

二、課題操作過程:（簡略提綱） 步驟1:

了解自行車的具體構造，包括：車架.導向系統、驅動系統，及制動系統。

山地車的基本結構的圖示：

Headt:車頭碗組Shifters:變速把

Brakes:Seat Posts

HQddSQtS

Shifters

剎車

Suspension:避謖

Seat Post:座桿

Wheels：車輪

Tires:車胎

Bottom Brackets:中軸

Crankts:大齒盤

Pedals:腳踏

Rims:車圈

T ires Crank

SottOBi Brackets

Pedals.

oensiom

z

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知識 涉及到的力學原理（如靜摩擦、滑動摩擦、滾動摩擦、杠桿等），并作好具體記錄。

步驟3：對研究成果進行總結。

三、課題正文

自行車的車架、輪胎、腳踏、剎車、鏈條等25個部件中，其基本部件缺一不可。其中，車 架是自行車的件架，它所承受的人和貨物的重量最大。按照各部件的工作特點，大致可將其 分為導向系統、驅動系統、制動系統：

1、 導向系統：由車耙、前*、前軸、前輪等部件組成。乘騎者可以通過操縱車耙來改變行駛 方向并保持車身平衡。

2、 驅動（傳動或行走）系統：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、后軸等部件傳動的，從而使 自行車不斷前進。

3、 制動系統：它由車閘部件組成、乘騎者可以隨時操縱車閘，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，以及從實用出發，還裝配了車燈，支架等部件。

下而來具體介紹一些與力學知識有關的自行車部件：

1、 車架部件是構成自行車的基本結構體，也是自行車的骨架和主體，英他部件也都是直接 或間

接安裝在車架上的。

車架部件的結構形式有很多，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過焊接、組合而成。為了減輕管重量，提高強度，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*人體自身的驅動力和騎車技能而行駛的，車架便成為承受自行車在行駛中 所產生的沖擊載荷以及能否舒適、安全地運載人體的重要結構體，車架部件制造精度的優劣, 將宜接影響乘騎的安全、平穩、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。軟邊胎斷而較寬，能全部裹住內胎，著地而積比較大， 能適宜多種道路行駛。硬邊胎自重輕，著地而積小適宜在平坦的道路上行駛，具有阻力小， 行駛輕快等優點。

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

3、 腳蹬部件：腳瞪部件裝配在中軸部件的左右曲柄上，是一個將平動力轉化為轉動力的裝 巻，自行車騎行時，腳踏力首先傳遞給腳蹬部件，，然后由腳蹬軸轉動曲柄，中軸，鏈條飛 輪，使后輪轉動，從而使自行車前進。因此腳蹬部件的結構和規格是否合適，將直接影響騎 車人的放腳位置是否合適，自行車的驅動能否順利進行。

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*,具有一上的防滑性能，可以選用橡膠、塑料或金屬材料制造。腳踏必須轉動靈活。

4、 前*部件：前*部件在自行車結構中處于前方部位，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，組成自行車的導向系統。

轉動車把和前*，可以使前輪改變方向，起到了自行車的導向作用。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，故前*部件必須具有足夠的強度等性質。

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，帶動自行車前進。

鏈輪：用髙強度鋼材制成，保證其達到需要的拉力。

6、飛輪：飛輪以內螺紋旋擰固立在后軸的右端，與鏈輪保持同一平而，并通過鏈條與鏈

輪相連接，構成自行車的驅動系統。從結構上可分為單級飛輪和多級飛輪兩大類。 單級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。

英單級飛輪工作原理：當向前踏動腳踏是，鏈條帶動飛輪向前轉動，這時飛輪內齒和千斤相 含，

飛輪的轉動力通過千斤傳到芯子，芯子帶動后軸和后輪轉動，自行車就前進了。

當停止踏動腳踏板時，鏈條和外套都不旋轉，但后輪在慣性作用下仍然帶動芯子和千斤向前 轉動，這時飛輪內齒產生相對滑動，由此將芯子壓縮到芯子的槽口內，千斤又壓縮了千斤簧。 當千斤齒頂滑到飛輪內齒頂端時，千斤簧被壓縮得最多，再稍微向前滑一點，千斤被千斤簧 彈到齒根上，發出“嗒嗒”的聲響。芯子轉動加快，千斤也很快在各個飛輪內齒上滑動，發 岀“嗒嗒”的聲音。當反向踏動腳踏時，外套反向轉動，會加速千斤的滑動，使“嗒嗒”聲 響得更急促。多級飛輪是自行車變速裝苣中的一個重要部件。

多級飛輪是在單級飛輪的基礎上，增加幾片飛輪片，與中軸上的鏈輪結合，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構，按制動點的位置來分，可以分為輪緣閘和軸閘兩大類, 我們重點介紹最常見的輪緣閘°

輪緣閘是一種通過機械杠桿、推桿、拉桿或鋼幺幺?繩等直接將髙摩擦因素的閘皮壓向車圈邊緣

后輪胎，將轉動中的車輪剎停的裝置。

輪緣閘結構簡單，維修保養方便，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，會降低摩擦，從而影響制動的效果。常見的有：

普通閘：

修理方便。

鉗形閘：當剎車時，其左右閘*和閘皮就像鉗子一樣，緊緊地鉗住車圈的兩個端邊，達到使 車減速或停的目的。優點是剎車時力臂大，制動效果好，傳動零件少，調節和維修方便，重 力輕，外形美觀。

懸臂閘：優點為懸臂閘剎車時的力矩比鉗形閘更大，制動性能好，結構簡單，重力輕，調 步和維修方便。

前觸閘：前觸閘是*杠桿原理制動的。當手握緊閘把時，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，產生摩擦制動力。英缺點是剎車效果與輪胎充氣程度 有關。充氣不足時，會使摩擦力減小，影響剎車效果。

腳閘：優點為由于剎車是用腳力的，所以在腳閘上產生的正壓力越大，剎車效果越好。

閘的優點：剎車的制動點不在輪緣上，不會損壞車圈的電鍍層。

8、其他: 鞍座的長度、寬度的鞍梁的結構是以車型和乘騎者的性別、習慣來確左。鞍座的結構優點為接觸面合理，制動力矩大，制動靈敏，剎車性能可*，結構簡單和安裝

設汁應 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：

鞍座而：是人體體重的支撐而，具有良好的強度和彈性，它由鞍座而皮和墊皮組成。

鞍座架：又稱鞍梁，是鞍座的主體，其結構比較復雜，一般由前后撐板，左右鞍撐，上下梁 組成，并連接和支撐鞍而。

鞍座簧：實質上是鞍座架的一部分。它支撐著鞍座架和鞍座而，起著緩沖和減喪的作用。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，用來將鞍座固宦在鞍簧上。 自行車的變速原理：

從機械原理角度來看，主動輪和從動輪相互間的大小決左其傳動比的大小。對一輛自行 車來說，英騎行速度的快慢主要取決于裝置中鏈輪直徑大小（齒數）和飛輪直徑大小（齒數） 之比這個比率稱為“速比”。用字母表示為I二Z1/Z2（Z1:鏈輪齒數。Z2：飛輪齒數。I：速 比）

影響自行車速度快慢的因素：

騎車者騎行時的輸出功率：

V二P / f （V：騎行速度。P：人輸岀功率。f：騎行阻力）

受阻力的影響：

A：空氣阻力

f空二k空*F*V2

（f空：空氣阻力。k空：空氣阻力系數。F：受風。V：騎行速度）

B：滾動阻力

f滾二（G1匕2） k滾

（f滾：滾動阻力。G1：自行車重力。G2：自行車和人共重。k滾：滾

動阻力系數。）要減小滾動阻力就要減少自行車的重力和減少滾動阻

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：只是在加速時產生的。

fa二G+G當/g*a （fa：加速阻力

G:自行車重

G當：轉動相當重力）

近幾年來，人們又研究出了一些提高自行車穩左性的部件，例如：避喪前*：車胎充足氣后, 車輪與適路的接觸面積小，摩擦阻力相應減小，使得行駛較輕松。但是，一旦遇上高低不平 的道路，就會顛簸不穩，特別是前*震動更加厲害。采用避菸前*可以起到以下一些作用： 將車架和前輪彈性的連接在一起，可吸收并緩解因路而不平而傳遞給車架的沖擊和箴動，保 持乘騎舒適和平穩。

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而損壞。

減震裝宜能傳遞垂直力，驅動力，側向力以及相應產生的力矩，確保騎行舒暢。

隨著人民的物質生活水平的提高，自行車也一立不斷改進，性能一定會越來越好，品種也一 定會越來越多。

我們現在所學的知識畢竟是有限的，自行車上的力學知識還有很多，根據我們現在所學 的知識和所查的一些資料，作出以上介紹，若有不足之處，請指出并改正。

四、課題研究體會

通過本次課題研究，使我們熟悉了自行車的結構構造及工作原理，鍛煉了査找資料的能力和 社會實踐能力，自行車中很多物理知識，使我們更加感覺到學習和實踐的重要性，我們以后 會更加努力的學習，更加積極地參加社會實踐活動。