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自行车传动系统初探自行车传动系统初探机械电子工程学院* * *自行车看似很简单，实质是结合人体工程学、动力学、机械、美学等多方面的综合设计，所以，要成功设计一辆高效受欢迎的自行车是需要花很大功夫的。自行车主要由三大部件构成，它们分别是：驱动传动系统、导向系统和制动系统。总的来说，驱动系统是整个自行车结构的灵魂。一辆自行车的好坏，往往也就是取决月驱动传动系统的好坏。下面我们来看看这个最神奇的驱动传动系统的神秘所在。我们都知道，自行车的前进是在人的脚蹬踏作用下从轮盘到链条再到飞轮而后后轮得到动力的。这个过程中，传递力的效率高低，往往决定了一辆自行车的使用性能。我们看看下面的传统自行车传动模型：后 轮Rr21R1R2R3后链轮L前链轮从图中可以看到，当前轮以1的速度转动时，后链轮的转动速度应该是: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：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：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：不难看出，要提高车的速度，唯一可行的办法是提高R1R3/R1的值。因此，可以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R1R3/R2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，人和车总重为G，橡胶轮与地面的摩擦因素设为，那么有：。这个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: 即 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R3/R2设计过大，假设为10，那么上式就近似为：，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，可以知道有如下关系：考虑到上面几个关系式，可以得到：可见，当R1R3/R2值设计越大（即希望转速越快）时，需要人提供的蹬力就越大。而人体构造决定了自行车d的上限，所以，要想省力，就要控制R1R3/R2的比值，这也决定了传统自行车的骑行车速。同时我们从上面的式子也可以看出，只要改变R1R3/R2的值，自行车前进速度就会随人蹬脚踏板的速度相应地改变，这也就是变速自行车的变速原理。如下图:（导链轮）换挡变速器换挡推手当转动变速器时，推手将作用于换挡变速器，换挡变速器的工作原理就是将链条向里或向外推，由于齿轮的齿尖向链条方向翻出了一定角度，当链条被推到该齿尖接触范围时，由于换挡变速器和后轮连接轴的张紧作用，将使得自行车链条转接到后轮后链轮不同的档位，实现不同的变速要求。前面的前链轮的换挡原理和后轮基本一致，只是略有一些不同而已。由此可以看出，两轮（脚踏轮和后链轮）的不同半径轮越多，可变速档位也就越多。据报道，现在市场上还出现了椭圆轮盘，通过改善链条传动受力情况，以达到减少骑行过程中链条受到的冲击、延长链条寿命的目的。现在还有一种更加省力、高效、实用的自行车传动系统，叫做自行车双向蹬力传动机构。它打破了传统自行车单向传动直径圆周运动方式, 创立了自行车多向传动半径运动驱动方式, 使百年来自行车的运动方式有了新的突破。本实用新型系统与一般蹬力传动机构一样也包含有脚蹬装置及链条传动装置,其特点是具有两只对称且交错设置的脚蹬装置和两组链条传动装置, 每一脚蹬装置各与一组链条传动装置相连; 每一组链条传动装置包含有一链轮及一前转轴, 一单向转动的后链轮, 一链条、一轮毂、后轴、一前转轴;每一脚蹬装置主要包含有一脚蹬杆和一脚踏板, 脚踏板铰接在脚蹬杆的一端, 脚蹬杆的另一端连接在前链轮中心位置和前转轴一侧, 链条则环齿过前链轮和后链轮相接; 两前转轴内侧上设有三只相互啮合直角伞型齿轮, 并安置在一齿轮箱内; 两后链轮连接在同一轮毂和一后轴上。在骑行时，首先以前转轴为中心, 作前转轴前半径内的上下往返的运动：脚踏脚蹬用力由上向下时, 该脚蹬随前链轮和前转轴一起向下转动, 其结果是在与前链轮相连的链条作相应的向前动, 一方面拖动后链轮和轮毂( 该轮毂上装有车轮)转动, 同时前链轮使装在前转轴内侧上的齿轮转动, 则与之啮合的另二只齿轮向后产生反转,该反转的齿轮则使与其连接的前转轴和前链轮及脚蹬转动, 结果与该前链轮相连的链条也产生反转, 形成两脚蹬一下一上之势, 此时当用力脚踏在上方一脚蹬时, 则产生与上述相反的运动状态; 双脚轮换向下施力的结果, 使得车辆即向前行驶。善于观察的人一定会问一个问题，那就是，为什么自行车后链轮转动会带动后轮转动而链条却不会随后轮转动而带动后链轮链条和脚踏板呢转动？这里面实际上有如下巧妙的设计：链轮里面有一个弹簧顶住的卡子（里面有一个或者一串）钢珠，它们被控制在一个斜槽中，当后链轮向前或者向后转动时，钢珠将会在斜槽中向较窄或者较宽的一方滚动，这样就可以保证当链条前进的时候后链轮会卡住轮子带动后轮转动，当链条静止或后转时后链轮和链条不随之运动，不影响轮子自由转动。自行车的转向和制动系统主要则是运用了杠杆原理，从而达到省力而灵活的特点。另外自行车应当骑起来越轻松、越灵活才越好、越省力，所以在自行车转动的地方，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，