自行车传动系统

自行车传动系统一.自行车传动系统的演变自从1817年德国男爵卡尔杜莱斯发明第一辆自行车以来，自行车被发明及使用到现在已有200年的历史。在这200年间，人们不断地尝试与创新，突破了一个又一个技术难关，最终将玩具式的木马车演变成现今世界上随处可见被人们广泛接受的各式各样造型新颖别致、色彩亮丽、功能多样，集休闲、运动、竞赛于一体的自行车。1791年，法国人西弗拉克发明了最原始的自行车，当时它只有两个轮子而没有传动装置，人骑在上面，需用两脚蹬地才能驱动自行车向前滚动。1801年，俄国人阿尔塔马诺夫设计出世界上第一辆用踏板踩动的自行车。1818年，德国的德赖斯发明木制、带车把的两轮自行车，靠双脚蹬地行驶。1839年，美国人麦克依伦发明了现代自行车相似的双轮车，只不过前轮大、后轮小，闪轮的轴心装有脚蹬，骑车人不必再用脚蹬地，只需踏蹬脚蹬就可以前进了。1861年，法国的米肖父子发明前轮大、后轮小、在前轮上装有曲柄和能转动的踏板的自行车，骑者可以双脚离开地面，该车于1867年在巴黎博览会上展出，曾一度掀起自行车热。而真正具有现代化形式的自行车是在1874年诞生。英国人罗松在自行车上别出心裁地装上链条和链轮，用后轮的转动来推动车子前进，但仍然不够协调与稳定。1886年，英国人詹姆斯把自行车前后轮改为大小相同，并增加了链条，使其车型与现代白行车基本相同。1888年，英国人邓洛普用橡胶制造出内胎，用皮革制造出外胎，以此作为自行车的充气轮胎。从此，基本奠定了现代自行车的雏形。自行车最原始的前进动力是靠骑行者两脚下垂交互踩踏前进，车子像溜冰一样前行。后来改进为装有曲柄和能转动踏板的自行车，但前行的动力完全来自于

骑行者两脚使力。传动部分由脚蹬、曲柄、链轮、中轴、链条和飞轮组成。骑车人的双脚踩动脚蹬，带动曲柄作回转运动，由链轮经链条传到后轴的飞轮而带动车轮旋转。二.传动原理自行车变速系统的作用就是通过改变链条和不同的前、后大小的齿轮盘的配合来改变车速快慢。前齿盘的大小和后齿盘的大小决定了自行车旋动脚蹬时的力度。前齿盘越大，后齿盘越小时，脚蹬时越感到费力。前齿盘越小，后齿盘越大时，脚蹬时越感到轻松。根据不同车手的能力，即可通过调整前、后齿盘的大小调整自行车的车速，或是应对不同的路段、路况段数变速自行车段数有18,21,24,2730,段数多的通常比较贵，也更能适合图：自行车变速系统多种路况。一般自行车变速所谓的几段变速是指'前大盘齿片个数x后飞轮齿片个数'，登山车通常是前3大盘，后飞轮六、七、八、九速，乘起来就是18、21、24、27段变速。齿比“齿比二前大盘齿数/后飞轮齿数”，基本上自行车齿轮加链条的传动系统的作用是“将车手踩踏的能量（马力）转换成轮胎的扭力”。“速度”由最大齿比（前大盘最大齿片对应后飞轮最小齿片）决定，在同样踩踏回转数时，齿比越大，速度越快。例如一般27速登山车最大齿比为“前44T,后11T,齿比=4”，车手踩一圈轮子会转4圈，速度最快但轮圈扭力最小，相对的车手踩踏的力道要最大，才能维持使车子前进所需的扭力。“爬坡”时用最小齿比（前大盘最小齿片对应后飞轮最大齿片），爬坡的时候，车手不但要维持车子前进，同时还要上升高度，这个时候需要增加扭力，在维持同样踩踏回转数的前提下，降低齿比有提高轮胎扭力，例如一般27速登山车最小齿比为“前22T，后34T，齿比=0.65”，车手踩一圈轮子才转0.65圈，所以车手的体力都转成扭力来举升车子供爬坡了。要注意路面湿滑时，高扭力会导致轮胎打滑，就是扭力大于地面的摩擦力时，无法前进，另外高扭力爬坡时还可能会翘孤轮。齿数落差除了齿比外，另一个值得探讨的是齿数的落差。常听到的“齿比绵密”就是指齿数落差小。齿数落差意味着换档时,车手出力与轮胎扭力间变化的差距大小，差距太大时，可能突然变太重或变太轻，导致回转数不定。对车手来说，突然太重要突然用力，突然太轻会有踩空的感觉，这两种情形会有伤害膝盖、影响操控的可能。零件等级有趣的是由于段数多的零件配备通常比较贵，所以制造厂通常也顺便在零组件材质或品质上提升，诉求“传动更有效”、“运转更顺畅”、“更耐用”及“更美观”来使消费者更心甘情愿的付出代价。市售的自行车变速系统，大盘就是一、二、三盘三种，飞轮就复杂了，从入门的五、六速到进阶的七、八速及专业的九、十速，段数多通常意味着可以有更高的最高齿比、更低的最低齿比以及更小的齿数落差，所以可应付的路况自然就更多。在零件机构上，八速飞轮升级至九速十速可通用原来的花鼓，七速以下的飞轮要升级就得多换掉花鼓。而在自行车上，花鼓是跟轮组一起的，换花鼓相当于要换轮组的意思了。变速器的作用自行车的变速器，前3齿盘、后9齿盘的组合可变速为27。在此以山地车图：自行车变速系统为例说明。旋动脚蹬时，前齿盘旋转，通过链条把力量转递到后齿盘，车轮就前进。前齿盘的大小（齿数）和后齿盘的大小（齿数）决定旋动脚蹬时的力度。前齿盘越大，后齿盘越小，脚蹬时感到费力（自行车前进的距离变长）。前齿盘越小，后齿盘越大，脚蹬时感到轻松（自行车前进的距离变短）。自行车的骑行是起跑、停止、上坡、下坡、迎风、顺风等情况下前进。不管是任何条件下都能保持一定的速度（自行车快速前进，或者是慢速前进，都能保持一定的踩蹬步速和力矩，就要变速器。你假若不要加大自已的力度，只加大齿轮比来快速骑行，那是不可能的事。实际骑行过程中很快发现这一点的。加大齿轮比（高力矩、低旋动）来骑行时，达不到最适当的骑行（放出最适当的能量的力矩和旋转的组合）。这将会增加膝盖的负担和成为引起各种障碍的原因。（注意：骑行中最好匀速前进，忽快忽慢是对膝盖的折磨。时间短的不怎么在意，时间长了就会出现各种问题了）我们看看下面的传统自行车传动模型:R①①二一i―1R2同时，由于后轮和后链轮是同一个轴上的同步转动的，所以又有如下关系：R①①二①二T12R2那么就可以得到，当人以每分钟n转的速度骑行的时候，应该有自行车的前进速度即为后轮的前进速度：2口nRR「口□ □口r口 □口3 33 60R2因为人体每分钟能提供的n可以看做常数，且是有限的，即如果将上面表达式中常数部分以一个量a来表示时，上式即变成：RRTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"v=a• _3车 R2不难看出，要提高车的速度，唯一可行的办法是提高RR/R的值。因此，可以1 3 1把前链轮做的大一些，后链轮较之后轮和轮盘小很多，那么就可以提高骑行速度。但是，当RR/R的值过大，我们会发现问题，自行车不但没有像理想中那样提1 3 2速，反而连骑动都很费力，当然这样的自行车在市场中是不存在的（不会有商家弱智到这种地步，但是分析是有意义的，因为设计时必须要考虑的问题就是分析的重点）。其原因是什么呢，经过分析不难看出，当人骑车时，通过脚踏板和曲轴给轮盘一个转动力偶，这个力也是基本已定的。当这个动能通过链条传递到后链轮后，车后轮就和后链轮一起被驱动，当假设地面是光滑的时候，后轮应该是在原地绕着轴转动。正是由于地面不光滑，后轮受到了一个来自地面的摩擦力，所以它才在人力驱动下相对地面做以一个绕无穷远点为中心的转动，也就是沿着轮和地面接触点切线方向向前进。来自大地的摩擦力既有滑动摩擦力、滚动摩擦力也有少部分静摩擦力，而其中静摩擦力的上限稍稍大于滑动摩擦力。在未开始骑行时，将可以把这三种摩擦力的合力视为滑动摩擦来处理，这时将整个车受到的静摩擦和滚滑动摩擦一起设为f，人和车总重为G，橡胶轮与地面的摩擦因素设为卩，那么有：f>RG。这个f就是我们需要通过踏板给予车轮的。先不考虑脚踏板和轮盘间传动效果，设人能给予轮盘的力即后链轮受到的带动拉力为F，那么F和‘对后轮轮盘中心的力矩为零。所以就有关系：f-R=F-R即F>^GR33 2 R2同时注意到，由于橡胶和地面间摩擦系数接近于1（为了安全，刹车时能更快停下来所以在轮胎上设计了很多条纹突起等增大摩擦），那么，一旦R/R设计过大，3 2假设为10,那么上式就近似为：F>10G，要想满足上式，链条将要承受多大的力啊。由于链条能承受的拉力是有限的，所以过大的拉力将会导致链条被拉断。另外，链条在长期的载荷下，必将产生不可恢复的塑性形变，久之就使得链条不能张紧、传动无力等“疲乏”现象。考虑脚踏板和轮盘间的力传动，设脚踏板到轮盘转轴距离为d，人对脚踏板的力为F肚，可以知道有如下关系：踏Fd二Me二Rf踏 3考虑到上面几个关系式，可以得到：F>R