自行車傳動系統(tǒng)

自行車傳動系統(tǒng)一.自行車傳動系統(tǒng)的演變自從1817年德國男爵卡爾杜萊斯發(fā)明第一輛自行車以來，自行車被發(fā)明及使用到現(xiàn)在已有200年的歷史。在這200年間，人們不斷地嘗試與創(chuàng)新，突破了一個又一個技術難關，最終將玩具式的木馬車演變成現(xiàn)今世界上隨處可見被人們廣泛接受的各式各樣造型新穎別致、色彩亮麗、功能多樣，集休閑、運動、競賽于一體的自行車。1791年，法國人西弗拉克發(fā)明了最原始的自行車，當時它只有兩個輪子而沒有傳動裝置，人騎在上面，需用兩腳蹬地才能驅動自行車向前滾動。1801年，俄國人阿爾塔馬諾夫設計出世界上第一輛用踏板踩動的自行車。1818年，德國的德賴斯發(fā)明木制、帶車把的兩輪自行車，靠雙腳蹬地行駛。1839年，美國人麥克依倫發(fā)明了現(xiàn)代自行車相似的雙輪車，只不過前輪大、后輪小，閃輪的軸心裝有腳蹬，騎車人不必再用腳蹬地，只需踏蹬腳蹬就可以前進了。1861年，法國的米肖父子發(fā)明前輪大、后輪小、在前輪上裝有曲柄和能轉動的踏板的自行車，騎者可以雙腳離開地面，該車于1867年在巴黎博覽會上展出，曾一度掀起自行車熱。而真正具有現(xiàn)代化形式的自行車是在1874年誕生。英國人羅松在自行車上別出心裁地裝上鏈條和鏈輪，用后輪的轉動來推動車子前進，但仍然不夠協(xié)調與穩(wěn)定。1886年，英國人詹姆斯把自行車前后輪改為大小相同，并增加了鏈條，使其車型與現(xiàn)代白行車基本相同。1888年，英國人鄧洛普用橡膠制造出內胎，用皮革制造出外胎，以此作為自行車的充氣輪胎。從此，基本奠定了現(xiàn)代自行車的雛形。自行車最原始的前進動力是靠騎行者兩腳下垂交互踩踏前進，車子像溜冰一樣前行。后來改進為裝有曲柄和能轉動踏板的自行車，但前行的動力完全來自于

騎行者兩腳使力。傳動部分由腳蹬、曲柄、鏈輪、中軸、鏈條和飛輪組成。騎車人的雙腳踩動腳蹬，帶動曲柄作回轉運動，由鏈輪經(jīng)鏈條傳到后軸的飛輪而帶動車輪旋轉。二.傳動原理自行車變速系統(tǒng)的作用就是通過改變鏈條和不同的前、后大小的齒輪盤的配合來改變車速快慢。前齒盤的大小和后齒盤的大小決定了自行車旋動腳蹬時的力度。前齒盤越大，后齒盤越小時，腳蹬時越感到費力。前齒盤越小，后齒盤越大時，腳蹬時越感到輕松。根據(jù)不同車手的能力，即可通過調整前、后齒盤的大小調整自行車的車速，或是應對不同的路段、路況段數(shù)變速自行車段數(shù)有18,21,24,2730,段數(shù)多的通常比較貴，也更能適合圖：自行車變速系統(tǒng)多種路況。一般自行車變速所謂的幾段變速是指'前大盤齒片個數(shù)x后飛輪齒片個數(shù)'，登山車通常是前3大盤，后飛輪六、七、八、九速，乘起來就是18、21、24、27段變速。齒比“齒比二前大盤齒數(shù)/后飛輪齒數(shù)”，基本上自行車齒輪加鏈條的傳動系統(tǒng)的作用是“將車手踩踏的能量（馬力）轉換成輪胎的扭力”?！八俣取庇勺畲簖X比（前大盤最大齒片對應后飛輪最小齒片）決定，在同樣踩踏回轉數(shù)時，齒比越大，速度越快。例如一般27速登山車最大齒比為“前44T,后11T,齒比=4”，車手踩一圈輪子會轉4圈，速度最快但輪圈扭力最小，相對的車手踩踏的力道要最大，才能維持使車子前進所需的扭力?！芭榔隆睍r用最小齒比（前大盤最小齒片對應后飛輪最大齒片），爬坡的時候，車手不但要維持車子前進，同時還要上升高度，這個時候需要增加扭力，在維持同樣踩踏回轉數(shù)的前提下，降低齒比有提高輪胎扭力，例如一般27速登山車最小齒比為“前22T，后34T，齒比=0.65”，車手踩一圈輪子才轉0.65圈，所以車手的體力都轉成扭力來舉升車子供爬坡了。要注意路面濕滑時，高扭力會導致輪胎打滑，就是扭力大于地面的摩擦力時，無法前進，另外高扭力爬坡時還可能會翹孤輪。齒數(shù)落差除了齒比外，另一個值得探討的是齒數(shù)的落差。常聽到的“齒比綿密”就是指齒數(shù)落差小。齒數(shù)落差意味著換檔時,車手出力與輪胎扭力間變化的差距大小，差距太大時，可能突然變太重或變太輕，導致回轉數(shù)不定。對車手來說，突然太重要突然用力，突然太輕會有踩空的感覺，這兩種情形會有傷害膝蓋、影響操控的可能。零件等級有趣的是由于段數(shù)多的零件配備通常比較貴，所以制造廠通常也順便在零組件材質或品質上提升，訴求“傳動更有效”、“運轉更順暢”、“更耐用”及“更美觀”來使消費者更心甘情愿的付出代價。市售的自行車變速系統(tǒng)，大盤就是一、二、三盤三種，飛輪就復雜了，從入門的五、六速到進階的七、八速及專業(yè)的九、十速，段數(shù)多通常意味著可以有更高的最高齒比、更低的最低齒比以及更小的齒數(shù)落差，所以可應付的路況自然就更多。在零件機構上，八速飛輪升級至九速十速可通用原來的花鼓，七速以下的飛輪要升級就得多換掉花鼓。而在自行車上，花鼓是跟輪組一起的，換花鼓相當于要換輪組的意思了。變速器的作用自行車的變速器，前3齒盤、后9齒盤的組合可變速為27。在此以山地車圖：自行車變速系統(tǒng)為例說明。旋動腳蹬時，前齒盤旋轉，通過鏈條把力量轉遞到后齒盤，車輪就前進。前齒盤的大?。X數(shù)）和后齒盤的大小（齒數(shù)）決定旋動腳蹬時的力度。前齒盤越大，后齒盤越小，腳蹬時感到費力（自行車前進的距離變長）。前齒盤越小，后齒盤越大，腳蹬時感到輕松（自行車前進的距離變短）。自行車的騎行是起跑、停止、上坡、下坡、迎風、順風等情況下前進。不管是任何條件下都能保持一定的速度（自行車快速前進，或者是慢速前進，都能保持一定的踩蹬步速和力矩，就要變速器。你假若不要加大自已的力度，只加大齒輪比來快速騎行，那是不可能的事。實際騎行過程中很快發(fā)現(xiàn)這一點的。加大齒輪比（高力矩、低旋動）來騎行時，達不到最適當?shù)尿T行（放出最適當?shù)哪芰康牧睾托D的組合）。這將會增加膝蓋的負擔和成為引起各種障礙的原因。（注意：騎行中最好勻速前進，忽快忽慢是對膝蓋的折磨。時間短的不怎么在意，時間長了就會出現(xiàn)各種問題了）我們看看下面的傳統(tǒng)自行車傳動模型:R①①二一i―1R2同時，由于后輪和后鏈輪是同一個軸上的同步轉動的，所以又有如下關系：R①①二①二T12R2那么就可以得到，當人以每分鐘n轉的速度騎行的時候，應該有自行車的前進速度即為后輪的前進速度：2口nRR「口□ □口r口 □口3 33 60R2因為人體每分鐘能提供的n可以看做常數(shù)，且是有限的，即如果將上面表達式中常數(shù)部分以一個量a來表示時，上式即變成：RRTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"v=a? _3車 R2不難看出，要提高車的速度，唯一可行的辦法是提高RR/R的值。因此，可以1 3 1把前鏈輪做的大一些，后鏈輪較之后輪和輪盤小很多，那么就可以提高騎行速度。但是，當RR/R的值過大，我們會發(fā)現(xiàn)問題，自行車不但沒有像理想中那樣提1 3 2速，反而連騎動都很費力，當然這樣的自行車在市場中是不存在的（不會有商家弱智到這種地步，但是分析是有意義的，因為設計時必須要考慮的問題就是分析的重點）。其原因是什么呢，經(jīng)過分析不難看出，當人騎車時，通過腳踏板和曲軸給輪盤一個轉動力偶，這個力也是基本已定的。當這個動能通過鏈條傳遞到后鏈輪后，車后輪就和后鏈輪一起被驅動，當假設地面是光滑的時候，后輪應該是在原地繞著軸轉動。正是由于地面不光滑，后輪受到了一個來自地面的摩擦力，所以它才在人力驅動下相對地面做以一個繞無窮遠點為中心的轉動，也就是沿著輪和地面接觸點切線方向向前進。來自大地的摩擦力既有滑動摩擦力、滾動摩擦力也有少部分靜摩擦力，而其中靜摩擦力的上限稍稍大于滑動摩擦力。在未開始騎行時，將可以把這三種摩擦力的合力視為滑動摩擦來處理，這時將整個車受到的靜摩擦和滾滑動摩擦一起設為f，人和車總重為G，橡膠輪與地面的摩擦因素設為卩，那么有：f>RG。這個f就是我們需要通過踏板給予車輪的。先不考慮腳踏板和輪盤間傳動效果，設人能給予輪盤的力即后鏈輪受到的帶動拉力為F，那么F和‘對后輪輪盤中心的力矩為零。所以就有關系：f-R=F-R即F>^GR33 2 R2同時注意到，由于橡膠和地面間摩擦系數(shù)接近于1（為了安全，剎車時能更快停下來所以在輪胎上設計了很多條紋突起等增大摩擦），那么，一旦R/R設計過大，3 2假設為10,那么上式就近似為：F>10G，要想滿足上式，鏈條將要承受多大的力啊。由于鏈條能承受的拉力是有限的，所以過大的拉力將會導致鏈條被拉斷。另外，鏈條在長期的載荷下，必將產(chǎn)生不可恢復的塑性形變，久之就使得鏈條不能張緊、傳動無力等“疲乏”現(xiàn)象?？紤]腳踏板和輪盤間的力傳動，設腳踏板到輪盤轉軸距離為d，人對腳踏板的力為F肚，可以知道有如下關系：踏Fd二Me二Rf踏 3考慮到上面幾個關系式，可以得到：F>R