自行车机械系统分析及改进

倪涛

摘要：自行车被发明及使用到现在已有两百年的历史，这两百年间人类在不断的尝试与研发过程中，将玩具式的木马车转换到今日各式新颖休闲运动自行车，自行车发展的目的也从最早的娱乐用途变为交通代步及休闲运动用途，休闲及竞赛领域的发展使自行车研发工作不断的精益求精，以满足求更好成绩表现选手们的需求，台湾的自行车制造业是个中翘楚，今年国人自行设计研发的Giant TCR1更登上了世界冠军车的行列。自行车被发明及使用到现在已有两百年的历史，这两百年间人类在不断的尝试与研发过程中，将玩具式的木马车转换到今日各式新颖休闲运动自行车，自行车发展的目的也从最早的娱乐用途变为交通代步及休闲运动用途，休闲及竞赛领域的发展使自行车研发工作不断的精益求精，以满足求更好成绩表现选手们的需求，台湾的自行车制造业是个中翘楚，今年国人自行设计研发的Giant TCR1更登上了世界冠军车的行列。

人力脚踏驱动的两轮车。又称脚踏车、单车。无噪声、无污染、自重轻、结构简单、造价低、使用维修方便，广泛用于交通代步、运载货物、体育锻炼和竞赛等。也是一种简单机器。

关键词：飞轮；链条；传动装置；齿轮比；传动比；传动行程；

自行车结构简单，所带来的不仅仅是成本低廉，价格便宜，而且还给维修带来了极大的便利，在零件的通用性上做的也是淋漓尽致，下面的是典型自行车的结构：

1：前轮 2：辐条 3：花鼓 4：前* 5：前刹 6：钢索 7：刹车及变速把手 8：

车把 9：竖杆 10：车架 11：前变速 12：车座杆 13：车座 14：后刹 15：货架 16：飞轮 17：反光镜 18：后轮 19：后变速 20：脚撑 21：气门 22：后轮 23：链条 24：轮盘 25：脚踏 26：曲柄

几个重要的概念：

传动装置：包括主动齿轮（轮盘）、被动齿轮（飞轮）、链条及变速器。

齿轮比：主动齿轮（轮盘）与被动齿轮（飞轮）的齿数之比；

传动比：齿轮比乘以后轮的直径；

传动行程：传动比再乘以圆周率即为传动行程，也就是每蹬踏一周单车前进的距离。

自行车的主要组成

①车体部分，包括车架、前叉、车把、鞍座和前叉合件等，是自行车的主体。②传动部分，包括脚蹬、曲柄、链轮、链条、中轴和飞轮等，由人力踩动脚蹬，通过以上传动件带动车轮旋转，驱车前行。 ③行动部分，即前后车轮、包括前后轴部件、辐条、轮辋（车圈）、轮胎等。④安全装置，包括制动器（车闸）、车灯、车铃、反射装置等。

根据需要，还可增加一些附件，如支架、衣架、保险叉、挡泥板、气筒等。另外，装有变速机构的运动车、竞赛车、山地车等还装有变速控制器和前后拨链器等。

自行车作为一种最简单的交通工具，除了最起码的「骨架」之外，还有三组零件来达致三种基本功能：动、停和转弯。这三组零件，分别称为： 1.传动部分──将人力化为机械动力的部分，包括脚踏、曲柄、链盘、链、飞轮、车轴、後轮。

2.掣动部分──即煞车设备，使自行车能减速并有效地停下的零件组合，包括掣手、掣线、掣钳。

3.导向部分──使自行车能从心所欲地转弯的部分，包括车头、前叉和前轮。

所有自行车均具备以上三个部分，但为了方便骑车者能在不同情况下均能骑车自如，很多自行车还兼有第四个部份：

4.变速部分──利用不同的「变速档」以适应各种路面情况的部分，包括变速手柄、变速线、飞轮。

自行车的飞轮里面装有离合器，这种离合器称为“超越离合器”，它的功能是当链条带动飞轮的链齿外圈时外圈内部的棘轮将力通过棘爪（千斤）传递给后轮，后轮就转动前进。这种“超越离合器”还有一个重要的功能，就是当骑行者停止脚踏时，后轮的棘爪能够在棘轮上滑动，超越静止的外圈棘轮，就是听见千斤发出的“嗒嗒”声。因为棘轮只能单向的传递向前的力量，不能向后传递力量，才使得自行车具有这种正常功能，不能向后行驶。在一些非常的状态，飞轮的功能也有例外，也有“死飞轮”存在。 在杂技表演中，有前后都能行进的表演用自行车，这种自行车的后链轮里面没有棘轮和千斤，是直接传动的。

还有一种“死飞轮”，是禁止使用的，就是一种自制的“小飞轮”，因为齿数太少，传动比大，骑行特快，这是一些旧时的自行车“飙车族”自制的。但是骑行危险，在前进时，没有“超越离合器”的作用，双脚不能停下，制动时也容易发生事故。

自行车工作原理十分简单，这对便于普及和维修也起到至关重要的作用。通过人体的运动，使人体内的化学能转化为人体的机械能，再通过脚它，使其转化成自行车主链盘旋转的转距，通过链条传动，给后轮一个驱动力，使自行车能够向前行使，通过前轮控制方向。

但传统的自行车在结构形式上仍然存在改进的余地

因为变速器并不适合于添加到所有自行车上，这会带来成本的提高和使用的浪费，对于车体使用的人群，可以做些调整，比如针对生活中常用的自行车，可以把主链盘的直径缩小些，把后轮轴上的齿轮直径变大些，这样就可以省力，虽然行使的速度可能变小，但是适当的缩小不会过分影响其使用效果，而且自行车所面队的使用人群非常复杂，使用环境也不一样，这样的改动可以使人省力，而且对车体可以起到保护作用

另外以前曾经出现过一类车前轮上安装车灯的自行车，但起原理是通过直接接触的摩擦力带动的，摩擦就会产生热，这会带来不必要的损耗，所以可以改成电磁感应式的，这样不仅了人们的需要，而且也使得更加舒适。

另外在必要的位置可以添加避震器或弹性材料，以缓解在行使中车体受到的冲击，也使人更加舒适，安全性和稳定性也随之增加了。

另外如果有些自行車的用途比较特殊也可以改进成双链条或多链条式的传动机构，或者改成皮带传动，或齿轮传动。皮带传动对系统有很好的保护作用，而且噪音小。而齿轮传动，意味着稳定的工作状态，有很好的传动性能，可以传递大功率，而且传动平稳，噪声小。也可以根据需要在轮盘上添加飞轮，这样可以使得系统的旋转稳定而节省能量。

自行车的发展已经了二百多年的历史，从木马逐渐演变成铁马，使用的材质从木质转换成铁质、钢管及钼铬合金、钛合金及碳纤材料等的使用，愈来愈轻巧，而自行车的种类也可以使用功能性概分为公路车、登山车、旅行车、一般车甚至於电动自行车等产品，满足了现代人对自行车既舒适又多功能的要求，自行车的研发与人体合而为一的表现越显重要。尽管时代在发展，生活的变化日新月异，但是即使在发达国家，自行车也是一种不可替代的交通工具和生活方式，深深的容入了我们的生活，自行车可以帮助我们锻炼身体，存放空间小，使用和维修方便，价格低廉，而且绝对的零排放……诸多优点使其将长期存在于我们的生活中，在未来的日子里自行车一定会发展的越来越好。