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自行車的結(jié)構(gòu)和它的力學(xué)原理一、 課題研究目的自行車是人們普遍使用的“綠色”交通工具,通過(guò)研究自行車上的力學(xué)知識(shí),了解自行車的結(jié)構(gòu),以及每一個(gè)零件的作用,使人們更好的認(rèn)識(shí)、利用自行車,讓自行車更好的為人類服務(wù)。二、 課題操作過(guò)程:(簡(jiǎn)略提綱)步驟1:了解自行車的具體構(gòu)造,包括:車架、導(dǎo)向系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),及制動(dòng)系統(tǒng)。山地車的基本結(jié)構(gòu)的圖示:Headset:車頭碗組Shifters:變速把Brakes:剎車 Suspension:避震SeatPost:座桿Wheels:車輪Tires:車胎 BottomBrackets:中軸Cranksets:大齒盤Pedals:腳踏Rims:車圈步驟2:通過(guò)走訪自行車廠,自行車專賣店和自行車修理攤,逐步分析自行車上的力學(xué)知識(shí)涉及到的力學(xué)原理(如靜摩擦、滑動(dòng)摩擦、滾動(dòng)摩擦、杠桿等),并作好具體記錄。步驟3:對(duì)研究成果進(jìn)行總結(jié)。三、課題正文自行車的車架、輪胎、腳踏、剎車、鏈條等25個(gè)部件中,其基本部件缺一不可。其中,車架是自行車的骨架,它所承受的人和貨物的重量最大。按照各部件的工作特點(diǎn),大致可將其分為導(dǎo)向系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng):1、 導(dǎo)向系統(tǒng):由車把、前*、前軸、前輪等部件組成。乘騎者可以通過(guò)操縱車把來(lái)改變行駛方向并保持車身平衡。2、 驅(qū)動(dòng)(傳動(dòng)或行走)系統(tǒng):由腳蹬、中軸、鏈輪、曲柄、鏈條、飛輪、后軸、后輪等部件組成。人的腳的蹬力是*腳蹬通過(guò)曲柄,鏈輪、鏈條、飛輪、后軸等部件傳動(dòng)的,從而使自行車不斷前進(jìn)。3、 制動(dòng)系統(tǒng):它由車閘部件組成、乘騎者可以隨時(shí)操縱車閘,使行駛的自行車減速、停使、確保行車安全。此外,為了安全和美觀,以及從實(shí)用出發(fā),還裝配了車燈,支架等部件。下面來(lái)具體介紹一些與力學(xué)知識(shí)有關(guān)的自行車部件:1、 車架部件是構(gòu)成自行車的基本結(jié)構(gòu)體,也是自行車的骨架和主體,其他部件也都是直接或間接安裝在車架上的。車架部件的結(jié)構(gòu)形式有很多,但總體可以分為兩大類:即男式車架和女式車架。車架一般采用普通碳素銅管經(jīng)過(guò)焊接、組合而成。為了減輕管重量,提高強(qiáng)度,較高檔的自行車采用低合金鋼管制造。為了減少快速行駛的阻力,有的自行車還采用流線型的鋼管。由于自行車是依*人體自身的驅(qū)動(dòng)力和騎車技能而行駛的,車架便成為承受自行車在行駛中所產(chǎn)生的沖擊載荷以及能否舒適、安全地運(yùn)載人體的重要結(jié)構(gòu)體,車架部件制造精度的優(yōu)劣,將直接影響乘騎的安全、平穩(wěn)、和輕快。一般輻條是等徑的,為了減輕重力,也有制成兩端大、中間小的變徑輻條,還有為了減少空氣阻力將輻條制成扁流線型2、 外胎:分軟邊胎和硬邊胎兩種。軟邊胎斷面較寬,能全部裹住內(nèi)胎,著地面積比較大,能適宜多種道路行駛。硬邊胎自重輕,著地面積小適宜在平坦的道路上行駛,具有阻力小,行駛輕快等優(yōu)點(diǎn)。外胎上的花紋是為了增加與地面的摩擦力。山地自行車的外胎寬度特別寬,花紋較深也是適應(yīng)越野山地用。3、 腳蹬部件:腳蹬部件裝配在中軸部件的左右曲柄上,是一個(gè)將平動(dòng)力轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)力的裝置,自行車騎行時(shí),腳踏力首先傳遞給腳蹬部件,,然后由腳蹬軸轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄,中軸,鏈條飛輪,使后輪轉(zhuǎn)動(dòng),從而使自行車前進(jìn)。因此腳蹬部件的結(jié)構(gòu)和規(guī)格是否合適,將直接影響騎車人的放腳位置是否合適,自行車的驅(qū)動(dòng)能否順利進(jìn)行。腳踏:可分為整體式腳踏和組合式腳踏。無(wú)論什么款式的腳踏都必須有腳踏面,必須安全可*,具有一定的防滑性能,可以選用橡膠、塑料或金屬材料制造。腳踏必須轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。4、 前*部件:前*部件在自行車結(jié)構(gòu)中處于前方部位,它的上端與車把部件相連,車架部件與前管配合,下端與前軸部件配合,組成自行車的導(dǎo)向系統(tǒng)。轉(zhuǎn)動(dòng)車把和前*,可以使前輪改變方向,起到了自行車的導(dǎo)向作用。此外,還可以起到控制自行車行駛的作用。前*部件的受力情況屬懸臂梁性質(zhì),故前*部件必須具有足夠的強(qiáng)度等性質(zhì)。5、 鏈條:鏈條又稱車鏈、滾子鏈,安裝在連輪和飛輪上。其作用是將腳踏力由曲柄、鏈輪傳遞到飛輪和后輪上,帶動(dòng)自行車前進(jìn)。鏈輪:用高強(qiáng)度鋼材制成,保證其達(dá)到需要的拉力。6、飛輪:飛輪以內(nèi)螺紋旋擰固定在后軸的右端,與鏈輪保持同一平面,并通過(guò)鏈條與鏈輪相連接,構(gòu)成自行車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。從結(jié)構(gòu)上可分為單級(jí)飛輪和多級(jí)飛輪兩大類。單級(jí)飛輪又稱為單鏈輪片飛輪,主要由外套、平擋和芯子、千斤、千斤簧、墊圈、絲擋幾鋼球等零件組成。其單級(jí)飛輪工作原理:當(dāng)向前踏動(dòng)腳踏是,鏈條帶動(dòng)飛輪向前轉(zhuǎn)動(dòng),這時(shí)飛輪內(nèi)齒和千斤相含,飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)力通過(guò)千斤傳到芯子,芯子帶動(dòng)后軸和后輪轉(zhuǎn)動(dòng),自行車就前進(jìn)了。當(dāng)停止踏動(dòng)腳踏板時(shí),鏈條和外套都不旋轉(zhuǎn),但后輪在慣性作用下仍然帶動(dòng)芯子和千斤向前轉(zhuǎn)動(dòng),這時(shí)飛輪內(nèi)齒產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng),由此將芯子壓縮到芯子的槽口內(nèi),千斤又壓縮了千斤簧。當(dāng)千斤齒頂滑到飛輪內(nèi)齒頂端時(shí),千斤簧被壓縮得最多,再稍微向前滑一點(diǎn),千斤被千斤簧彈到齒根上,發(fā)出“嗒嗒”的聲響。芯子轉(zhuǎn)動(dòng)加快,千斤也很快在各個(gè)飛輪內(nèi)齒上滑動(dòng),發(fā)出“嗒嗒”的聲音。當(dāng)反向踏動(dòng)腳踏時(shí),外套反向轉(zhuǎn)動(dòng),會(huì)加速千斤的滑動(dòng),使“嗒嗒”聲響得更急促。多級(jí)飛輪是自行車變速裝置中的一個(gè)重要部件。多級(jí)飛輪是在單級(jí)飛輪的基礎(chǔ)上,增加幾片飛輪片,與中軸上的鏈輪結(jié)合,組成各種不同的傳遞比,從而改變了自行車的速度。7、車閘:是保證騎乘者安全的結(jié)構(gòu),按制動(dòng)點(diǎn)的位置來(lái)分,可以分為輪緣閘和軸閘兩大類,我們重點(diǎn)介紹最常見(jiàn)的輪緣閘。輪緣閘是一種通過(guò)機(jī)械杠桿、推桿、拉桿或鋼絲繩等直接將高摩擦因素的閘皮壓向車圈邊緣后輪胎,將轉(zhuǎn)動(dòng)中的車輪剎停的裝置。輪緣閘結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維修保養(yǎng)方便,因此被廣泛使用。但是,如果接觸車圈輪緣不正,或雨水淋濕的影響,會(huì)降低摩擦,從而影響制動(dòng)的效果。常見(jiàn)的有:普通閘: 優(yōu)點(diǎn)為接觸面合理,制動(dòng)力矩大,制動(dòng)靈敏,剎車性能可*,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和安裝修理方便。鉗形閘:當(dāng)剎車時(shí),其左右閘*和閘皮就像鉗子一樣,緊緊地鉗住車圈的兩個(gè)端邊,達(dá)到使車減速或停的目的。優(yōu)點(diǎn)是剎車時(shí)力臂大,制動(dòng)效果好,傳動(dòng)零件少,調(diào)節(jié)和維修方便,重力輕,外形美觀。懸臂閘:優(yōu)點(diǎn)為懸臂閘剎車時(shí)的力矩比鉗形閘更大,制動(dòng)性能好,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,重力輕,調(diào)節(jié)和維修方便。前觸閘:前觸閘是*杠桿原理制動(dòng)的。當(dāng)手握緊閘把時(shí),閘把的另一頭將接頭、拉桿、拉管向下壓,使閘皮向下壓至與輪胎接觸,產(chǎn)生摩擦制動(dòng)力。其缺點(diǎn)是剎車效果與輪胎充氣程度有關(guān)。充氣不足時(shí),會(huì)使摩擦力減小,影響剎車效果。腳閘:優(yōu)點(diǎn)為由于剎車是用腳力的,所以在腳閘上產(chǎn)生的正壓力越大,剎車效果越好。閘的優(yōu)點(diǎn):剎車的制動(dòng)點(diǎn)不在輪緣上,不會(huì)損壞車圈的電鍍層。8、其他:鞍座的長(zhǎng)度、寬度的鞍梁的結(jié)構(gòu)是以車型和乘騎者的性別、習(xí)慣來(lái)確定。鞍座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮乘騎者舒適。它依*鞍管與車架作鋼性連接,用來(lái)承受人體的重量。具體來(lái)說(shuō):鞍座面:是人體體重的支撐面,具有良好的強(qiáng)度和彈性,它由鞍座面皮和墊皮組成。鞍座架:又稱鞍梁,是鞍座的主體,其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,一般由前后撐板,左右鞍撐,上下梁組成,并連接和支撐鞍面。鞍座簧:實(shí)質(zhì)上是鞍座架的一部分。它支撐著鞍座架和鞍座面,起著緩沖和減震的作用。鞍座簧的形式有立簧、臥簧和拉簧等幾種。鞍座夾:又稱鞍座卡,是由夾緊螺釘,座夾和夾板等組成,用來(lái)將鞍座固定在鞍簧上。自行車的變速原理:從機(jī)械原理角度來(lái)看,主動(dòng)輪和從動(dòng)輪相互間的大小決定其傳動(dòng)比的大小。對(duì)一輛自行車來(lái)說(shuō),其騎行速度的快慢主要取決于裝置中鏈輪直徑大小(齒數(shù))和飛輪直徑大?。X數(shù))之比這個(gè)比率稱為“速比”。用字母表示為I=Z1/Z2(Z1:鏈輪齒數(shù)。Z2:飛輪齒數(shù)°I:速比)影響自行車速度快慢的因素:騎車者騎行時(shí)的輸出功率:V=P/f (V:騎行速度。P:人輸出功率。f:騎行阻力)受阻力的影響:A:空氣阻力 f空=k空*F*V2(f空:空氣阻力。k空:空氣阻力系數(shù)。F:受風(fēng)。V:騎行速度)B:滾動(dòng)阻力 ”袞=(G1+G2)k滾(f滾:滾動(dòng)阻力。G1:自行車重力。G2:自行車和人共重。k滾:滾動(dòng)阻力系數(shù)。)要減小滾動(dòng)阻力就要減少自行車的重力和減少滾動(dòng)阻力,摩擦因素。C:爬坡阻力:坡度越大,爬坡阻力就越大。D:加速阻力:只是在加速時(shí)產(chǎn)生的。fa=G+G當(dāng)/g*a (fa:加速阻力 仔:自行車重 G當(dāng):轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)重力)近幾年來(lái),人們又研究出了一些提高自行車穩(wěn)定性的部件,例如:避震前*:車胎充足氣后,車輪與道路的接觸面積小,摩擦阻力相應(yīng)減小,使得行駛較輕松。但是,一旦遇上高低不平的道路,就會(huì)顛簸不穩(wěn),特別是前*震動(dòng)更加厲害。采用避震前*可以起到以下一些作用:將車架和前輪彈性的連接在一起,可吸收并緩解因路面不平而傳遞給車架的沖擊和震動(dòng),保持乘騎舒適和平穩(wěn)。由于減震裝置具有緩沖作用,可以避免某些零件因過(guò)分震動(dòng)而損壞。減震裝置能傳遞垂直力,驅(qū)動(dòng)力,側(cè)向力以及相應(yīng)產(chǎn)生的力矩,確保騎行舒暢。隨著人民的物質(zhì)生活水平的提高,自行車也一定不斷改進(jìn),性能一定會(huì)越來(lái)越好,品種也一
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