自行车结构的受力分析

Question

自行车的结构与所受的力的关系，也就是为什么自行车的结构是这样

Answer 1

说一下车架的结构吧，车架的结构之所以是由两个三角组成，其原因不仅有人体的工程学原因，使用习惯的原因，制造加工工艺性的原因，最后就是受力状态的原因。车架上的一个大三角和一个小三角的设计首先是出于结构稳定性的考虑(三角结构是平面几何结构里比较稳定的一类);然后说说受力特点，车架上应力最集中的部位是五通，其次是尾钩，所以五通和尾钩一般来说都是车架上材料最厚、最粗的部位;倾斜的立管有助于分解人体自重带来的正向压力，从而改善五通的应力状态;一些运动自行车架粗壮的头管有助于承受摇车加速和路面颠簸带来的压力和振动。

Answer 2

说一下车架的结构吧，车架的结构之所以是由两个三角组成，其原因不仅有人体的工程学原因，使用习惯的原因，制造加工工艺性的原因，最后就是受力状态的原因。车架上的一个大三角和一个小三角的设计首先是出于结构稳定性的考虑(三角结构是平面几何结构里比较稳定的一类);然后说说受力特点，车架上应力最集中的部位是五通，其次是尾钩，所以五通和尾钩一般来说都是车架上材料最厚、最粗的部位;倾斜的立管有助于分解人体自重带来的正向压力，从而改善五通的应力状态;一些运动自行车架粗壮的头管有助于承受摇车加速和路面颠簸带来的压力和振动。

Answer 3

自行车结构中的受力分析主要涉及以下几个主要部分：
1. 人与车的重力与地面对车的支持力平衡。
2. 在静止状态下，前后轮都相对于地面作纯滚动，但它们受到的力的情况不同。后轮作为主动轮，是整个车体的驱动部分，受到的力包括来自于人的力偶、地面对车轮的力偶以及滚动摩擦力。前轮作为从动轮，受到的摩擦力向后。
3. 在起动或加速状态下，后轮的速度大于车速，后轮成为自行车前进的动力来源，因此后轮是主动轮，受到的摩擦力向前，前轮受到的摩擦力向后。
总的来说，自行车结构的受力情况与人的蹬力、地面摩擦力以及车轮自身的性能有关。这些受力情况的分析为我们了解自行车的运动原理以及优化自行车的设计提供了重要的理论基础。

Answer 4

自行车，又称脚踏车或单车，通常是二轮的小型陆上车辆。人骑上车后，以脚踩踏板为动力，是绿色环保的交通工具。英文bicycle或bike的bi意指二，而cycle意指轮。在中国大陆、台湾、新加坡，通常称其为“自行车”或“脚踏车”，在香港、澳门则通常称其为“单车”。
　　很多国家和地区认为自行车是车辆，常常要求适当配备甚至是要向政府相关部门登记领取车牌后始得上路。有些地方要求夜间行车时自行车要使用车灯。中华人民共和国的交通法规将自行车列为一种非机动车。在香港，自行车属于“非机动车辆”，无须领有牌照，但在路上行驶时，须遵守和机动车辆一样的交通规则。
自行车 - 部分组成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。
【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。
【分类】
　　根据用途可分为载重车、普通车、轻便车、运动车、竞赛车、公路车、山地车、特种车（如健身车、杂技车）等。
　　根据使用对象可以分为男车、女车和童车等。
　　根据车轮直径大小可以分为71厘米车、66厘米车、61厘米车等。
　　根据车架等主体部件的用材可以分为碳钢车、合金钢车、铝合金车、碳纤维车、钛合金车等。
　　根据车架的结构可以分为杆叠车、可拆卸车和整体车等。
【原理】
　　自行车的车架、轮胎、脚踏、刹车、链条等25个部件中，其基本部件缺一不可。其中，车架是自行车的骨架，它所承受的人和货物的重量最大。按照各部件的工作特点，大致可将其分为导向系统、驱动系统、制动系统：
　　1、导向系统：由车把、前叉、前轴、前轮等部件组成。乘骑者可以通过操纵车把来改变行驶方向并保持车身平衡。
　　2、驱动（传动或行走）系统：由脚蹬、中轴、牙盘、曲柄、链条、飞轮、后轴、后轮等部件组成。人的脚的蹬力是靠脚蹬通过曲柄，链轮、链条、飞轮、后轴等部件传动的，从而使自行车不断前进。
　　3、制动系统：它由车闸部件组成、乘骑者可以随时操纵车闸，使行驶的自行车减速、停使、确保行车安全。
　　此外，为了安全和美观，以及从实用出发，还装配了车灯，支架等部件。
【部件】
　　1、车架部件是构成自行车的基本结构体，也是自行车的骨架和主体，其他部件也都是直接或间接安装在车架上的。
　　车架部件的结构形式有很多，但总体可以分为两大类：即男式车架和女式车架。
　　车架一般采用普通碳素铜管经过焊接、组合而成。为了减轻管重量，提高强度，较高档的自行车采用低合金钢管制造。为了减少快速行驶的阻力，有的自行车还采用流线型的钢管。
　　由于自行车是依靠人体自身的驱动力和骑车技能而行驶的，车架便成为承受自行车在行驶中所产生的冲击载荷以及能否舒适、安全地运载人体的重要结构体，车架部件制造精度的优劣，将直接影响乘骑的安全、平稳、和轻快。一般辐条是等径的，为了减轻重力，也有制成两端大、中间小的变径辐条，还有为了减少空气阻力将辐条制成扁流线型
　　2、外胎：分软边胎和硬边胎两种。软边胎断面较宽，能全部裹住内胎，着地面积比较大，能适宜多种道路行驶。硬边胎自重轻，着地面积小适宜在平坦的道路上行驶，具有阻力小，行驶轻快等优点。
　　外胎上的花纹是为了增加与地面的摩擦力。山地自行车的外胎宽度特别宽，花纹较深也是适应越野山地用。
　　3、脚蹬部件：脚蹬部件装配在中轴部件的左右曲柄上，是一个将平动力转化为转动力的装置，自行车骑行时，脚踏力首先传递给脚蹬部件，然后由脚蹬轴转动曲柄，牙盘，中轴，链条飞轮，使后轮转动，从而使自行车前进。因此脚蹬部件的结构和规格是否合适，将直接影响骑车人的放脚位置是否合适，自行车的驱动能否顺利进行。
　　脚踏：可分为整体式脚踏和组合式脚踏。无论什么款式的脚踏都必须有脚踏面，必须安全可靠，具有一定的防滑性能，可以选用橡胶、塑料或金属材料制造。脚踏必须转动灵活。
　　4、前叉部件：前叉部件在自行车结构中处于前方部位，它的上端与车把部件相连，车架部件与前管配合，下端与前轴部件配合，组成自行车的导向系统。
　　转动车把和前叉，可以使前轮改变方向，起到了自行车的导向作用。此外，还可以起到控制自行车行驶的作用。
　　前叉部件的受力情况属悬臂梁性质，故前叉部件必须具有足够的强度等性质。
　　5、链条：链条又称车链、滚子链，安装在连轮和飞轮上。其作用是将脚踏力由曲柄、链轮传递到飞轮和后轮上，带动自行车前进。
　　链轮：用高强度钢材制成，保证其达到需要的拉力。
　　6、飞轮：飞轮以内螺纹旋拧固定在后轴的右端，与链轮保持同一平面，并通过链条与链轮相连接，构成自行车的驱动系统。从结构上可分为单级飞轮和多级飞轮两大类。
　　单级飞轮又称为单链轮片飞轮，主要由外套、平挡和芯子、千斤、千斤簧、垫圈、丝挡几钢球等零件组成。
　　其单级飞轮工作原理：当向前踏动脚踏是，链条带动飞轮向前转动，这时飞轮内齿和千斤相含，飞轮的转动力通过千斤传到芯子，芯子带动后轴和后轮转动，自行车就前进了。
　　当停止踏动脚踏板时，链条和外套都不旋转，但后轮在惯性作用下仍然带动芯子和千斤向前转动，这时飞轮内齿产生相对滑动，由此将芯子压缩到芯子的槽口内，千斤又压缩了千斤簧。当千斤齿顶滑到飞轮内齿顶端时，千斤簧被压缩得最多，再稍微向前滑一点，千斤被千斤簧弹到齿根上，发出“嗒嗒”的声响。芯子转动加快，千斤也很快在各个飞轮内齿上滑动，发出“嗒嗒”的声音。当反向踏动脚踏时，外套反向转动，会加速千斤的滑动，使“嗒嗒”声响得更急促。多级飞轮是自行车变速装置中的一个重要部件。
　　多级飞轮是在单级飞轮的基础上，增加几片飞轮片，与中轴上的链轮结合，组成各种不同的传递比，从而改变了自行车的速度。