浅谈自行车组成部件及机械分析

孙青芯 邹勇

摘要：中国是世界上自行车产量最大和拥有量最多的国家，在当前我国交通拥挤、汽车尾气污染的现状下，自行车出行是一种绿色环保的出行方式。自行车看似简单，里面却拥有着许多的机械知识，通过对自行车进行理性分析，便于进一步的了解它与合理使用。

关键词：自行车;机械;分析

自行车包括车架、轮胎、脚踏、链条、刹车、轮轴、曲柄、齿轮、前轴、后轴等多个部件。按照各部件的工作特点，它包括导向系统、驱动系统、制动系统。人脚踩踏板，通过曲柄，链轮、链条、飞轮、后轴等部件传动，操纵车把改变行进方向，从而使自行车不断前进。通过手握刹车，使自行车减速或停止。

1.导向系统的机械分析

导向系统包括车把、前叉、前轴等部件。

1.1车把

车把是利用杠杆原理转动车轮，是省力杠杆，人们用很小的力就能转动自行车前轮，来控制自行车的方向和自行车的平衡。车把的加工方法有很多，大多都是通过机械设备的冲压，弯曲，拉伸而得到我们的需要的长度，角度。

1.2前叉

前叉部件的受力情况属悬臂梁性质，其主要部分是减震伸缩柱，受到较大的应力。对于弹簧前叉来说，它是由两个相同的弹簧避震叉管组成，不存在油阻系统，前叉下压速度等于前叉回弹速度。而对于油簧前叉，是由左边的弹簧避震叉管和右边的阻尼叉管组成，前叉压缩时，弹簧回弹速度，可以通过调节右侧阻尼叉管的阻尼，调节油孔大小，控制油速，从而控制前叉的下缩和回弹速度。

1.3前轴

自行车的前轴是支撑零件，不传递转矩，是心轴。前轴采用滚动滚珠以减小摩擦。为进一步减小摩擦，常在这些部位加润滑剂。

2.驱动系统的机械分析

驱动系统包括脚蹬、中轴、牙盘、曲柄、链条、飞轮、后轴、后轮等部件。

2.1脚蹬

自行车脚蹬连接中轴的曲柄构件，通过脚踩踏板使曲柄作为原动件，经过链条飞轮，使后轮转动，从而使自行车前进。

2.2齿轮

自行车的齿轮包括主动轮和被动轮。主动轮与被动轮的齿数比称为齿轮比。如果主动轮和被动轮的齿数相等，那么两轮的转动圈数相同。假如主动齿轮的齿数大于被动齿轮的齿数，则每蹬一圈，被动齿轮转动的圈数就大于一圈，速度变大。因此，齿轮比与主动轮的齿数成正比，与被动齿轮的齿数成反比。如果主动齿轮的齿数用z1表示，被动齿轮的齿数用z2表示，用i表示齿轮比。它们之间的关系可表示为i=z1/z2。

齿轮作为机械中的一个重要部件，主要包括轮齿、齿槽、端面、法面、齿顶圆、齿根圆、基圆、分度圆等。飞轮以内螺纹拧紧固定在后轮，与链轮在一个平面上。飞轮从结构上可以分为单级飞轮和多级飞轮两大类。单级飞轮就是有一个齿轮，由外套、芯子、千斤簧、垫圈等部分组成。多级飞轮是自行车变速的重要装置，就是在单级飞轮的基础上增加几片飞轮片，与后轴上的链轮结合。自行车的变速就是体现在轮盘和飞轮不同齿数的组合搭配。如果轮盘有m个齿轮，飞轮有n个齿轮，那么组合到一起就是mn个组合。骑乘者可以根据需要选择不同的齿轮组合，以达到相应的目的，从而调节自行车的快慢。对于后变速器，有两个可自由转动的小嵌轮。小嵌轮和变速器杆的作用是保持链条处于张紧状态。嵌轮和杆臂与一个弹簧相连，以使嵌轮始终保持向后拉。当变换齿轮时，杆臂的角度发生变化，以张紧或放松链条。上部嵌轮与飞轮比较靠近。当用车把上的变速装置调节齿轮时，上部嵌轮会移动到飞轮上的不同位置并拉动链条一起移动。如果用脚蹬踏板时，链条会自然地从一个齿轮滑动到相邻的齿轮上，从而实现自行车的自动变速。

2.3轴

中轴为转轴，既受弯矩又受扭矩，是传动轴。中轴上的脚蹬和花盘齿轮，脚蹬半径大于花盘齿轮半径，组成省力轮轴。自行车的后轴为心轴，只受弯矩，起到支撑作用。后轴上的齿轮和后轮，齿轮半径小于后轮半径，组成费力轮轴。

3.制动系统的机械分析

制动系统包括车闸、轮胎等部件。

3.1车闸

车闸作为自行车的制动系统的重要部件，按照刹车时制动点的位置的不同可以分为轮缘闸、轮毂闸和脚闸。轮缘闸的制动点在自行车车缘上，包括普通闸、钳形闸和触闸。而车毂闸的制动点在车轴上的闸盒上，包括抱闸和涨闸。脚闸的制动点在飞轮上，使用零件卡住飞轮。按刹车动作方式可以分机械式或油压式，或说以作动刹车片夹持碟盘的介质来分，一是刹车线，一是油。 拿机械式碟刹来说，是依靠刹车线的拉力让卡钳内的刹车片磨擦并夹住碟盘，产生剎车效果。对于油压式来说，是以油液为介质，拉刹车里面的活塞压缩油液，压力从油管直通卡钳，推动卡钳内的活塞，带动刹车片夹持碟盘。两种刹车方式比较一下，机械式碟刹有其兼容上的便利性，一般的V型刹车把就可以通用，适应性较强。油压碟刹的刹车把、油管及卡钳是完整配合的一套产品，和传统缆线作动的刹车没有共通的交集。油压碟刹优势在于刹车输出力道是人手部施力的好几倍，以较小的力实现较好的制动效果。不过，油压碟刹的刹车把上有储油壶，体积比较大，自行车的空间有限，所以广泛使用还存在一些问题。

3.2轮胎

自行车的前轮是从动轮，后轮是主动轮，人踩脚蹬使后轮向前转动，自行车受到地面的摩擦力的方向向前，提供前进的动力。刹车时刹车与车圈的摩擦力阻碍后轮的运动，刹车力越大，产生的摩擦力也就越大，后轮转动逐渐变慢，直到自行车停下来。车胎上的花纹是为了增大车轮与地面的摩擦力，从而产生更好的制动。

4.结语

自行车虽然看似简单，其实蕴含着复杂的机械知识。从本质上了解它的构造和工作原理，对于人们合理选择适合自己的自行车，以及自行车的有效保养有着极大的作用。随着低碳生活的开展，自行车出行将会越来越流行。

参考文献：

[1]谢正宽.自行车骑行宝典[J].中国轻工业出版社，2012，52：98-100.

[2]许荣裕.推广自行车文化普及自行车运动[J].中国自行车，2013，10，28.

作者简介：孙青芯（1992- ）， 山东临清人，中国石油大学（华东）机械设计制造及其自动化专业。