自行車機械系統(tǒng)分析及改進

倪濤

摘要：自行車被發(fā)明及使用到現(xiàn)在已有兩百年的歷史，這兩百年間人類在不斷的嘗試與研發(fā)過程中，將玩具式的木馬車轉(zhuǎn)換到今日各式新穎休閑運動自行車，自行車發(fā)展的目的也從最早的娛樂用途變?yōu)榻煌ù郊靶蓍e運動用途，休閑及競賽領(lǐng)域的發(fā)展使自行車研發(fā)工作不斷的精益求精，以滿足求更好成績表現(xiàn)選手們的需求，臺灣的自行車制造業(yè)是個中翹楚，今年國人自行設計研發(fā)的Giant TCR1更登上了世界冠軍車的行列。自行車被發(fā)明及使用到現(xiàn)在已有兩百年的歷史，這兩百年間人類在不斷的嘗試與研發(fā)過程中，將玩具式的木馬車轉(zhuǎn)換到今日各式新穎休閑運動自行車，自行車發(fā)展的目的也從最早的娛樂用途變?yōu)榻煌ù郊靶蓍e運動用途，休閑及競賽領(lǐng)域的發(fā)展使自行車研發(fā)工作不斷的精益求精，以滿足求更好成績表現(xiàn)選手們的需求，臺灣的自行車制造業(yè)是個中翹楚，今年國人自行設計研發(fā)的Giant TCR1更登上了世界冠軍車的行列。

人力腳踏驅(qū)動的兩輪車。又稱腳踏車、單車。無噪聲、無污染、自重輕、結(jié)構(gòu)簡單、造價低、使用維修方便，廣泛用于交通代步、運載貨物、體育鍛煉和競賽等。也是一種簡單機器。

關(guān)鍵詞：飛輪；鏈條；傳動裝置；齒輪比；傳動比；傳動行程；

自行車結(jié)構(gòu)簡單，所帶來的不僅僅是成本低廉，價格便宜，而且還給維修帶來了極大的便利，在零件的通用性上做的也是淋漓盡致，下面的是典型自行車的結(jié)構(gòu)：

1：前輪 2：輻條 3：花鼓 4：前* 5：前剎 6：鋼索 7：剎車及變速把手 8：

車把 9：豎桿 10：車架 11：前變速 12：車座桿 13：車座 14：后剎 15：貨架 16：飛輪 17：反光鏡 18：后輪 19：后變速 20：腳撐 21：氣門 22：后輪 23：鏈條 24：輪盤 25：腳踏 26：曲柄

幾個重要的概念：

傳動裝置：包括主動齒輪（輪盤）、被動齒輪（飛輪）、鏈條及變速器。

齒輪比：主動齒輪（輪盤）與被動齒輪（飛輪）的齒數(shù)之比；

傳動比：齒輪比乘以后輪的直徑；

傳動行程：傳動比再乘以圓周率即為傳動行程，也就是每蹬踏一周單車前進的距離。

自行車的主要組成

①車體部分，包括車架、前叉、車把、鞍座和前叉合件等，是自行車的主體。②傳動部分，包括腳蹬、曲柄、鏈輪、鏈條、中軸和飛輪等，由人力踩動腳蹬，通過以上傳動件帶動車輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)車前行。 ③行動部分，即前后車輪、包括前后軸部件、輻條、輪輞（車圈）、輪胎等。④安全裝置，包括制動器（車閘）、車燈、車鈴、反射裝置等。

根據(jù)需要，還可增加一些附件，如支架、衣架、保險叉、擋泥板、氣筒等。另外，裝有變速機構(gòu)的運動車、競賽車、山地車等還裝有變速控制器和前后撥鏈器等。

自行車作為一種最簡單的交通工具，除了最起碼的「骨架」之外，還有三組零件來達致三種基本功能：動、停和轉(zhuǎn)彎。這三組零件，分別稱為： 1.傳動部分──將人力化為機械動力的部分，包括腳踏、曲柄、鏈盤、鏈、飛輪、車軸、後輪。

2.掣動部分──即煞車設備，使自行車能減速并有效地停下的零件組合，包括掣手、掣線、掣鉗。

3.導向部分──使自行車能從心所欲地轉(zhuǎn)彎的部分，包括車頭、前叉和前輪。

所有自行車均具備以上三個部分，但為了方便騎車者能在不同情況下均能騎車自如，很多自行車還兼有第四個部份：

4.變速部分──利用不同的「變速檔」以適應各種路面情況的部分，包括變速手柄、變速線、飛輪。

自行車的飛輪里面裝有離合器，這種離合器稱為“超越離合器”，它的功能是當鏈條帶動飛輪的鏈齒外圈時外圈內(nèi)部的棘輪將力通過棘爪（千斤）傳遞給后輪，后輪就轉(zhuǎn)動前進。這種“超越離合器”還有一個重要的功能，就是當騎行者停止腳踏時，后輪的棘爪能夠在棘輪上滑動，超越靜止的外圈棘輪，就是聽見千斤發(fā)出的“嗒嗒”聲。因為棘輪只能單向的傳遞向前的力量，不能向后傳遞力量，才使得自行車具有這種正常功能，不能向后行駛。在一些非常的狀態(tài)，飛輪的功能也有例外，也有“死飛輪”存在。 在雜技表演中，有前后都能行進的表演用自行車，這種自行車的后鏈輪里面沒有棘輪和千斤，是直接傳動的。

還有一種“死飛輪”，是禁止使用的，就是一種自制的“小飛輪”，因為齒數(shù)太少，傳動比大，騎行特快，這是一些舊時的自行車“飆車族”自制的。但是騎行危險，在前進時，沒有“超越離合器”的作用，雙腳不能停下，制動時也容易發(fā)生事故。

自行車工作原理十分簡單，這對便于普及和維修也起到至關(guān)重要的作用。通過人體的運動，使人體內(nèi)的化學能轉(zhuǎn)化為人體的機械能，再通過腳它，使其轉(zhuǎn)化成自行車主鏈盤旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)距，通過鏈條傳動，給后輪一個驅(qū)動力，使自行車能夠向前行使，通過前輪控制方向。

但傳統(tǒng)的自行車在結(jié)構(gòu)形式上仍然存在改進的余地

因為變速器并不適合于添加到所有自行車上，這會帶來成本的提高和使用的浪費，對于車體使用的人群，可以做些調(diào)整，比如針對生活中常用的自行車，可以把主鏈盤的直徑縮小些，把后輪軸上的齒輪直徑變大些，這樣就可以省力，雖然行使的速度可能變小，但是適當?shù)目s小不會過分影響其使用效果，而且自行車所面隊的使用人群非常復雜，使用環(huán)境也不一樣，這樣的改動可以使人省力，而且對車體可以起到保護作用

另外以前曾經(jīng)出現(xiàn)過一類車前輪上安裝車燈的自行車，但起原理是通過直接接觸的摩擦力帶動的，摩擦就會產(chǎn)生熱，這會帶來不必要的損耗，所以可以改成電磁感應式的，這樣不僅了人們的需要，而且也使得更加舒適。

另外在必要的位置可以添加避震器或彈性材料，以緩解在行使中車體受到的沖擊，也使人更加舒適，安全性和穩(wěn)定性也隨之增加了。

另外如果有些自行車的用途比較特殊也可以改進成雙鏈條或多鏈條式的傳動機構(gòu)，或者改成皮帶傳動，或齒輪傳動。皮帶傳動對系統(tǒng)有很好的保護作用，而且噪音小。而齒輪傳動，意味著穩(wěn)定的工作狀態(tài)，有很好的傳動性能，可以傳遞大功率，而且傳動平穩(wěn)，噪聲小。也可以根據(jù)需要在輪盤上添加飛輪，這樣可以使得系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定而節(jié)省能量。

自行車的發(fā)展已經(jīng)了二百多年的歷史，從木馬逐漸演變成鐵馬，使用的材質(zhì)從木質(zhì)轉(zhuǎn)換成鐵質(zhì)、鋼管及鉬鉻合金、鈦合金及碳纖材料等的使用，愈來愈輕巧，而自行車的種類也可以使用功能性概分為公路車、登山車、旅行車、一般車甚至於電動自行車等產(chǎn)品，滿足了現(xiàn)代人對自行車既舒適又多功能的要求，自行車的研發(fā)與人體合而為一的表現(xiàn)越顯重要。盡管時代在發(fā)展，生活的變化日新月異，但是即使在發(fā)達國家，自行車也是一種不可替代的交通工具和生活方式，深深的容入了我們的生活，自行車可以幫助我們鍛煉身體，存放空間小，使用和維修方便，價格低廉，而且絕對的零排放……諸多優(yōu)點使其將長期存在于我們的生活中，在未來的日子里自行車一定會發(fā)展的越來越好。