自行车机械构造研究报告_自行车机械结构原理

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自行车机械构造研究报告

摘要：本课题研究了常用交通工具自行车的主要机械结构和运动原理，通过对自行车的各个部件的分解研究，我们对自行车各部分的机械结构及原理有了深入的了解，从中收获甚多。

前言：自行车是由人力脚踏驱动的、有两个车轮的陆地交通车辆，俗称自由车、脚踏车或单车（在日本称为“自耘车”；在中国大陆、台湾、新加坡，通常称其为“自行车”或“脚踏车”；在港澳则通常称其为“单车”）。自行车无噪音、无污染、重量轻、结构简单、造价低廉、使用和维修方便，既能作为代步和运载货物的工具，又能用于体育锻炼，因而为人们所广泛使用。

1.自行车的主要构造及原理

自行车的车架、轮胎、脚踏、刹车、链条等25个部件中，其基本部件缺一不可。其中，车架是自行车的骨架，它所承受的人和货物的重量最大。按照各部件的工作特点，大致可将其分为导向系统、驱动系统、制动系统：

①、导向系统：由车把、前叉、前轴、前轮等部件组成。乘骑者可以通过操纵车把来改变行驶方向并保持车身平衡。

②、驱动（传动或行走）系统：由脚蹬、中轴、牙盘、曲柄、链条、飞轮、后轴、后轮等部件组成。人的脚的蹬力是靠脚蹬通过曲柄，链轮、链条、飞轮、后轴等部件传动的，从而使自行车不断前进。

③、制动系统：它由车闸部件组成、乘骑者可以随时操纵车闸，使行驶的自行车减速、停驶、确保行车安全。自行车制动系统中的车闸把与连杆是一个省力杠杆，可增大对刹车皮的拉力。自行车为了省力或省距离，还使用了轮轴、脚踏板与链轮牙盘；后轮与飞轮及龙头与转轴等

此外，为了安全和美观，以及从实用出发，还装配了车灯，支架等部件。

1.1车架部件

车架部件是构成自行车的基本结构体，也是自行车的骨架和主体，其他部件也都是直接或间接安装在车架上的。车架部件的结构形式有很多，但总体可以分为两大类：即男式车架和女式车架。车架一般采用普通碳素铜管经过焊接、组合而成。为了减轻管重量，提高强度，较高档的自行车采用低合金钢管制造。为了减少快速行驶的阻力，有的自行车还采用流线型的钢管。由于自行车是依靠人体自身的驱动力和骑车技能而行驶的，车架便成为承受自行车在行驶中所产生的冲击载荷以及能否舒适、安全地运载人体的重要结构体，车架部件制造精度的优劣，将直接影响乘骑的安全、平稳、和轻快。一般辐条是等径的，为了减轻重力，也有制成两端大、中间小的变径辐条，还有为了减少空气阻力将辐条制成扁流线型。

1.2 外胎

外胎分软边胎和硬边胎两种。软边胎断面较宽，能全部裹住内胎，着地面积比较大，能适宜多种道路行驶。硬边胎自重轻，着地面积小适宜在平坦的道路上行驶，具有阻力小，行驶轻快等优点。外胎上的花纹是为了增加与地面的摩擦力。山地自行车的外胎宽度特别宽，花纹较深也是适应越野山地用。

1.3脚蹬部件

脚蹬部件装配在中轴部件的左右曲柄上，是一个将平动力转化为转动力的装置，自行车骑行时，脚踏力首先传递给脚蹬部件，然后由脚蹬轴转动曲柄，中轴，链条飞轮，使后轮转动，从而使自行车前进。因此脚蹬部件的结构和规格是否合适，将直接影响骑车人的放脚位置是否合适，自行车的驱动能否顺利进行。脚踏：可分为整体式脚踏和组合式脚踏。无论什么款式的脚踏都必须有脚踏面，必须安全可靠，具有一定的防滑性能，可以选用橡胶、塑料或金属材料制造。脚踏必须转动灵活。

1.4前叉部件

前叉部件在自行车结构中处于前方部位，它的上端与车把部件相连，车架部件与前管配合，下端与前轴部件配合，组成自行车的导向系统。转动车把和前叉，可以使前轮改变方向，起到了自行车的导向作用。此外，还可以起到控制自行车行驶的作用。前叉部件的受力情况属悬臂梁性质，故前叉部件必须具有足够的强度等性质。

1.5 链条

链条又称车链、滚子链，安装在连轮和飞轮上。其作用是将脚踏力由曲柄、链轮传递到飞轮和后轮上，带动自行车前进。链轮：用高强度钢材制成，保证其达到需要的拉力

1.6 飞轮

飞轮以内螺纹旋拧固定在后轴的右端，与链轮保持同一平面，并通过链条与链轮相连接，构成自行车的驱动系统。从结构上可分为单级飞轮和多级飞轮两大类。单级飞轮又称为单链轮片飞轮，主要由外套、平挡和芯子、千斤、千斤簧、垫圈、丝挡几钢球等零件组成。其单级飞轮工作原理：当向前踏动脚踏是，链条带动飞轮向前转动，这时飞轮内齿和千斤相含，飞轮的转动力通过千斤传到芯子，芯子带动后轴和后轮转动，自行车就前进了。当停止踏动脚踏板时，链条和外套都不旋转，但后轮在惯性作用下仍然带动芯子和千斤向前转动，这时飞轮内齿产生相对滑动，由此将芯子压缩到芯子的槽口内，千斤又压缩了千斤簧。当千斤齿顶滑到飞轮内齿顶端时，千斤簧被压缩得最多，再稍微向前滑一点，千斤被千斤簧弹到齿根上，发出“嗒嗒”的声响。芯子转动加快，千斤也很快在各个飞轮内齿上滑动，发出“嗒嗒”的声音。当反向踏动脚踏时，外套反向转动，会加速千斤的滑动，使“嗒嗒”声响得更急促。多级飞轮是自行车变速装置中的一个重要部件。多级飞轮是在单级飞轮的基础上，增加几片飞轮片，与中轴上的链轮结合，组成各种不同的传递比，从而改变了自行车的速度。

1.7 滚珠轴承

自行车使用滚珠轴承来减少摩擦。滚珠轴承一般位于以下位置：

 车轮的前轮毂和后轮毂

 底架，其中有一根轴将两个脚踏板曲柄连在一起

 前叉管，用于使车把能够转动

 脚踏板

 飞轮，这里的轴承有双重功能，除了减少摩擦外，还可以帮助实现单向功能。

前叉管中的轴承较为典型如图所示。滚珠轴承（黄色）安装在一个轴承碗（红色）中。锥套（深蓝色）拧到淡蓝色的叉管上，后者与前叉相连。锥套必须足够紧，以使前叉不能自由活动，但是又不能过紧，以免挤压滚珠轴承，使其无法转动。轮毂和脚踏板的工作方式与此完全相同，也是用锥套进行调节。在曲柄轴中，其中一个轴承碗取代了锥套来提供调节功能。轴承中加入少量润滑油可使其更顺滑。您应当定期卸下自行车上的轴承以清除其中的油泥，并重新涂上干净的润滑油。有些价格昂贵的自行车带有密封式轴承套筒，永远无需调节或进行润滑。2.部分次要零件构造及原理

2.1 自行车上的杠杆、轮轴 ①自行车上的杠杆

 控制前轮转向的杠杆：自行车的车把是省力杠杆，人们用很小的力就能转动自行车前轮来控制自行车运动的方向和自行车的平衡  控制刹车闸的杠杆：车把上的闸把是省力杠杆，很小的力就能使车闸以较大的压力压到车轮的刚圈上

 支持人重的杠杆、三角杠、货架、前叉、后三角杠，都是广义的杠杆，用以形成车身和承重 ②自行车上的轮轴

 中轴上的脚蹬和花盘齿轮：组成省力轮轴，脚蹬半径大于花盘齿轮半径

 自行车把与前叉轴：组成省力轮轴，手把外的半径大于前叉轴的半径

 后轴上的齿轮和后轮：组成费力轮轴、齿轮半径小于后轮半径 ·自行车行驶速度与车轮直径的关系：常见的自行车轮的直径有559mm(22英寸)、610mm(24英寸)、660mm(26英寸)、711mm(28英寸)的，有实际经验的同学知道，骑28车比24车费力一些，但速度快，因为28车轮的半径大，轮子每转一圈走的距离长一些，故速度快，半径大使轮轴的轴半径大，故费力轮轴更费力。

2.2 自行车的传动

自行车是传动式机械，他的传动装置包括：主动齿轮（通称轮盘）、被动齿轮（通称飞轮）、链条及变数器等。齿轮与传动比关系着自行车的使用效率。齿轮比：主动轮对被动轮的齿数之比为齿轮比。如果两个齿轮的齿数相同，那么脚蹬一周，两个齿轮和后轮都各转一周。假如主动轮的齿数大于被动轮的齿数，那么每蹬一周，被动齿轮转的圈数就大于一周多，速度加大。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。

2.3 滚动钢珠

自行车是人们代步的工具，应当骑起来越轻松、越灵活才越好、越省力，所以在自行车上转动的地方，中轴、后轴、车把转动处，脚蹬转动处、飞轮等地方，都安有钢珠.转动地方安装钢珠是为了减小摩擦力，保护零件，节省动力，因为滚动摩擦比滑动摩擦小得多，用滚动来代替滑动可以大大减小摩擦，并经常加润滑油，使接触面彼此离开，摩擦变得更小、更省力。

2.4 车闸

制动装置在一切运输机械中有着十分重要的作用。刹车不灵而导致的交通事故屡见不鲜。自行车的车闸是利用摩擦力使自行车减速和停止前进，当我们使用车闸时刹皮与车轮间的摩擦力使车轮停止运动或速度减小，车轮与地面间的摩擦力由滚动摩擦变成滑动摩擦，强大的滑动摩擦力使自行车迅速减速。根据刹车时制动点的位置不同，车闸分为轮缘闸和轮毂闸、脚闸。

 轮缘闸：其制动点在车缘上，包括：

普通闸：制动点在车圈的内侧面，使用最广泛。钳形闸：制动点在车圈直边上，和直边车圈配合使用。触闸：制动点在外胎胎冠上，刹皮摩擦外胎  车毂闸：其制动点在车轴的闸盒上，包括：

抱闸：制动点在抱闸盒外侧，即刹皮摩擦闸盒 涨闸：制动点在闸盒内侧，即刹皮摩擦闸盒

 脚闸：制动点在飞轮上，即利用零件卡住飞轮

2.4 自行车的齿轮

齿轮是传递动力的装置，把两个齿轮放在一起，让它们转，你会发现它们向相反方向转动，可见齿轮可改变力的方向，而自行车齿轮不是这样，它们是由链条带动的，总是向相同的方向转动。自行车的型号越小，每组齿轮数就越少，但是它们的传动比差不多，大约都是大齿轮转一圈，小齿轮约转两圈半。变速车的齿轮在上坡时，链条接在后面的大齿轮上，这样虽然慢了些，但很省力；在下坡时，链条接在后面的小齿轮上，这样速度会更快。平时骑车可以自由选择齿轮。低速档齿轮适合在爬坡时用，中速档齿轮适合在平路和缓坡用，高速档齿轮，踏板转很少困，齿轮转很多圈，所以最适合下坡时用。

3.自行车转配要求

前叉应回转灵活且无松动。转配车把时把立管插入前叉立管的深度应在最小插入深度标记位置以上，但车把回转时，闸把不得与车架上管相碰擦。把心丝杆、把接头螺钉的紧固扭矩不小于18N.m。把横管应与前轮的中心面保持垂直，不得有明显的偏斜。把套、把盖应装配到位。鞍座插入车架立管的深度应在最小插入深度标记位置以上。鞍座位置应装正，不得有明显偏斜。鞍座夹紧螺栓、车架后接头螺钉的紧固扭矩不小于18N.m。安装中轴时，中轴锁母的紧固扭矩不小于30N.m。A、C型中轴的轴碗应平整地压入车架接头中，B型中轴右中轴碗应旋紧到底，中轴锁母旋紧后，中轴应回转灵活且无松动。两曲柄销的安装方向应相反，中轴棍两端面应与曲柄外侧面装平。脚蹬轴应和曲柄紧固，不得松动。外变速装置经安装调整后，在变速范围内，应变档正确。内变速后轴装置经安装调整后，其变速位置应清晰，中间不得有空档。门链条应松紧适宜，运转灵活。链条弹黄片应装在外侧，开口端应与链条运动方向相反。链罩应定位良好，不得有松动，不得与链条、链轮、曲柄相碰擦。气门嘴孔应于两辐条的大档之间。辐条应均匀张紧，辐条螺纹头部不得突出于条母外。装轮缘闸的轮惘，其径向、端面圆跳动量不大于2 mm,不装轮缘闸的轮辆，其径向、端面圆跳动量不大于4m m，轮惘中心面应位于前、后轴两安装平面的正中央，两相对位置偏差不大于2 mm,轮胎按标准气压充气，内外胎不得有明显扭曲、折皱现象。