淺談自行車(chē)組成部件及機(jī)械分析

孫青芯 鄒勇

摘要：中國(guó)是世界上自行車(chē)產(chǎn)量最大和擁有量最多的國(guó)家，在當(dāng)前我國(guó)交通擁擠、汽車(chē)尾氣污染的現(xiàn)狀下，自行車(chē)出行是一種綠色環(huán)保的出行方式。自行車(chē)看似簡(jiǎn)單，里面卻擁有著許多的機(jī)械知識(shí)，通過(guò)對(duì)自行車(chē)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(chē);機(jī)械;分析

自行車(chē)包括車(chē)架、輪胎、腳踏、鏈條、剎車(chē)、輪軸、曲柄、齒輪、前軸、后軸等多個(gè)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(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)。人腳踩踏板，通過(guò)曲柄，鏈輪、鏈條、飛輪、后軸等部件傳動(dòng)，操縱車(chē)把改變行進(jìn)方向，從而使自行車(chē)不斷前進(jìn)。通過(guò)手握剎車(chē)，使自行車(chē)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(chē)把、前叉、前軸等部件。

1.1車(chē)把

車(chē)把是利用杠桿原理轉(zhuǎn)動(dòng)車(chē)輪，是省力杠桿，人們用很小的力就能轉(zhuǎn)動(dòng)自行車(chē)前輪，來(lái)控制自行車(chē)的方向和自行車(chē)的平衡。車(chē)把的加工方法有很多，大多都是通過(guò)機(jī)械設(shè)備的沖壓，彎曲，拉伸而得到我們的需要的長(zhǎng)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(duì)于彈簧前叉來(lái)說(shuō)，它是由兩個(gè)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(duì)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(shí)，彈簧回彈速度，可以通過(guò)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(chē)的前軸是支撐零件，不傳遞轉(zhuǎn)矩，是心軸。前軸采用滾動(dòng)滾珠以減小摩擦。為進(jìn)一步減小摩擦，常在這些部位加潤(rùn)滑劑。

2.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械分析

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

2.1腳蹬

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

2.2齒輪

自行車(chē)的齒輪包括主動(dòng)輪和被動(dòng)輪。主動(dòng)輪與被動(dòng)輪的齒數(shù)比稱(chēng)為齒輪比。如果主動(dòng)輪和被動(dòng)輪的齒數(shù)相等，那么兩輪的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)相同。假如主動(dòng)齒輪的齒數(shù)大于被動(dòng)齒輪的齒數(shù)，則每蹬一圈，被動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)就大于一圈，速度變大。因此，齒輪比與主動(dòng)輪的齒數(shù)成正比，與被動(dòng)齒輪的齒數(shù)成反比。如果主動(dòng)齒輪的齒數(shù)用z1表示，被動(dòng)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(gè)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?xún)?nèi)螺紋擰緊固定在后輪，與鏈輪在一個(gè)平面上。飛輪從結(jié)構(gòu)上可以分為單級(jí)飛輪和多級(jí)飛輪兩大類(lèi)。單級(jí)飛輪就是有一個(gè)齒輪，由外套、芯子、千斤簧、墊圈等部分組成。多級(jí)飛輪是自行車(chē)變速的重要裝置，就是在單級(jí)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(chē)的變速就是體現(xiàn)在輪盤(pán)和飛輪不同齒數(shù)的組合搭配。如果輪盤(pán)有m個(gè)齒輪，飛輪有n個(gè)齒輪，那么組合到一起就是mn個(gè)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(chē)的快慢。對(duì)于后變速器，有兩個(gè)可自由轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)彈簧相連，以使嵌輪始終保持向后拉。當(dāng)變換齒輪時(shí)，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(chē)把上的變速裝置調(diào)節(jié)齒輪時(shí)，上部嵌輪會(huì)移動(dòng)到飛輪上的不同位置并拉動(dòng)鏈條一起移動(dòng)。如果用腳蹬踏板時(shí)，鏈條會(huì)自然地從一個(gè)齒輪滑動(dòng)到相鄰的齒輪上，從而實(shí)現(xiàn)自行車(chē)的自動(dòng)變速。

2.3軸

中軸為轉(zhuǎn)軸，既受彎矩又受扭矩，是傳動(dòng)軸。中軸上的腳蹬和花盤(pán)齒輪，腳蹬半徑大于花盤(pán)齒輪半徑，組成省力輪軸。自行車(chē)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(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械分析

制動(dòng)系統(tǒng)包括車(chē)閘、輪胎等部件。

3.1車(chē)閘

車(chē)閘作為自行車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)的重要部件，按照剎車(chē)時(shí)制動(dòng)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(dòng)點(diǎn)在自行車(chē)車(chē)緣上，包括普通閘、鉗形閘和觸閘。而車(chē)轂閘的制動(dòng)點(diǎn)在車(chē)軸上的閘盒上，包括抱閘和漲閘。腳閘的制動(dòng)點(diǎn)在飛輪上，使用零件卡住飛輪。按剎車(chē)動(dòng)作方式可以分機(jī)械式或油壓式，或說(shuō)以作動(dòng)剎車(chē)片夾持碟盤(pán)的介質(zhì)來(lái)分，一是剎車(chē)線，一是油。?拿機(jī)械式碟剎來(lái)說(shuō)，是依靠剎車(chē)線的拉力讓卡鉗內(nèi)的剎車(chē)片磨擦并夾住碟盤(pán)，產(chǎn)生剎車(chē)效果。對(duì)于油壓式來(lái)說(shuō)，是以油液為介質(zhì)，拉剎車(chē)?yán)锩娴幕钊麎嚎s油液，壓力從油管直通卡鉗，推動(dòng)卡鉗內(nèi)的活塞，帶動(dòng)剎車(chē)片夾持碟盤(pán)。兩種剎車(chē)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(chē)把就可以通用，適應(yīng)性較強(qiáng)。油壓碟剎的剎車(chē)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(dòng)的剎車(chē)沒(méi)有共通的交集。油壓碟剎優(yōu)勢(shì)在于剎車(chē)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(dòng)效果。不過(guò)，油壓碟剎的剎車(chē)把上有儲(chǔ)油壺，體積比較大，自行車(chē)的空間有限，所以廣泛使用還存在一些問(wèn)題。

3.2輪胎

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

4.結(jié)語(yǔ)

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

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作者簡(jiǎn)介：孫青芯（1992-?），?山東臨清人，中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)。