自行車傳動(dòng)系統(tǒng)一.自行車傳動(dòng)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(gè)又一個(gè)技術(shù)難關(guān)，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(yùn)動(dòng)、競(jìng)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(dāng)時(shí)它只有兩個(gè)輪子而沒有傳動(dòng)裝置，人騎在上面，需用兩腳蹬地才能驅(qū)動(dòng)自行車向前滾動(dòng)。1801年，俄國人阿爾塔馬諾夫設(shè)計(jì)出世界上第一輛用踏板踩動(dòng)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(jìn)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(zhuǎn)動(dòng)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(huì)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(zhuǎn)動(dòng)來推動(dòng)車子前進(jìn)，但仍然不夠協(xié)調(diào)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(nèi)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(jìn)動(dòng)力是靠騎行者兩腳下垂交互踩踏前進(jìn)，車子像溜冰一樣前行。后來改進(jìn)為裝有曲柄和能轉(zhuǎn)動(dòng)踏板的自行車，但前行的動(dòng)力完全來自于

騎行者兩腳使力。傳動(dòng)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(dòng)腳蹬，帶動(dòng)曲柄作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由鏈輪經(jīng)鏈條傳到后軸的飛輪而帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)。二.傳動(dòng)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(dòng)腳蹬時(shí)的力度。前齒盤越大，后齒盤越小時(shí)，腳蹬時(shí)越感到費(fèi)力。前齒盤越小，后齒盤越大時(shí)，腳蹬時(shí)越感到輕松。根據(jù)不同車手的能力，即可通過調(diào)整前、后齒盤的大小調(diào)整自行車的車速，或是應(yīng)對(duì)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(gè)數(shù)x后飛輪齒片個(gè)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(dòng)系統(tǒng)的作用是“將車手踩踏的能量（馬力）轉(zhuǎn)換成輪胎的扭力”?！八俣取庇勺畲簖X比（前大盤最大齒片對(duì)應(yīng)后飛輪最小齒片）決定，在同樣踩踏回轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，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(huì)轉(zhuǎn)4圈，速度最快但輪圈扭力最小，相對(duì)的車手踩踏的力道要最大，才能維持使車子前進(jìn)所需的扭力?！芭榔隆睍r(shí)用最小齒比（前大盤最小齒片對(duì)應(yīng)后飛輪最大齒片），爬坡的時(shí)候，車手不但要維持車子前進(jìn)，同時(shí)還要上升高度，這個(gè)時(shí)候需要增加扭力，在維持同樣踩踏回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)0.65圈，所以車手的體力都轉(zhuǎn)成扭力來舉升車子供爬坡了。要注意路面濕滑時(shí)，高扭力會(huì)導(dǎo)致輪胎打滑，就是扭力大于地面的摩擦力時(shí)，無法前進(jìn)，另外高扭力爬坡時(shí)還可能會(huì)翹孤輪。齒數(shù)落差除了齒比外，另一個(gè)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(shí),車手出力與輪胎扭力間變化的差距大小，差距太大時(shí)，可能突然變太重或變太輕，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)數(shù)不定。對(duì)車手來說，突然太重要突然用力，突然太輕會(huì)有踩空的感覺，這兩種情形會(huì)有傷害膝蓋、影響操控的可能。零件等級(jí)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(zhì)或品質(zhì)上提升，訴求“傳動(dòng)更有效”、“運(yùn)轉(zhuǎn)更順暢”、“更耐用”及“更美觀”來使消費(fèi)者更心甘情愿的付出代價(jià)。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(fù)雜了，從入門的五、六速到進(jìn)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(yīng)付的路況自然就更多。在零件機(jī)構(gòu)上，八速飛輪升級(jí)至九速十速可通用原來的花鼓，七速以下的飛輪要升級(jí)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(dāng)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(dòng)腳蹬時(shí)，前齒盤旋轉(zhuǎn)，通過鏈條把力量轉(zhuǎn)遞到后齒盤，車輪就前進(jìn)。前齒盤的大?。X數(shù)）和后齒盤的大?。X數(shù)）決定旋動(dòng)腳蹬時(shí)的力度。前齒盤越大，后齒盤越小，腳蹬時(shí)感到費(fèi)力（自行車前進(jìn)的距離變長(zhǎng)）。前齒盤越小，后齒盤越大，腳蹬時(shí)感到輕松（自行車前進(jìn)的距離變短）。自行車的騎行是起跑、停止、上坡、下坡、迎風(fēng)、順風(fēng)等情況下前進(jìn)。不管是任何條件下都能保持一定的速度（自行車快速前進(jìn)，或者是慢速前進(jìn)，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(shí)際騎行過程中很快發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)的。加大齒輪比（高力矩、低旋動(dòng)）來騎行時(shí)，達(dá)不到最適當(dāng)?shù)尿T行（放出最適當(dāng)?shù)哪芰康牧睾托D(zhuǎn)的組合）。這將會(huì)增加膝蓋的負(fù)擔(dān)和成為引起各種障礙的原因。（注意：騎行中最好勻速前進(jìn)，忽快忽慢是對(duì)膝蓋的折磨。時(shí)間短的不怎么在意，時(shí)間長(zhǎng)了就會(huì)出現(xiàn)各種問題了）我們看看下面的傳統(tǒng)自行車傳動(dòng)模型:R①①二一i―1R2同時(shí)，由于后輪和后鏈輪是同一個(gè)軸上的同步轉(zhuǎn)動(dòng)的，所以又有如下關(guān)系：R①①二①二T12R2那么就可以得到，當(dāng)人以每分鐘n轉(zhuǎn)的速度騎行的時(shí)候，應(yīng)該有自行車的前進(jìn)速度即為后輪的前進(jìn)速度：2口nRR「口□ □口r口 □口3 33 60R2因?yàn)槿梭w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(dá)式中常數(shù)部分以一個(gè)量a來表示時(shí)，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(dāng)RR/R的值過大，我們會(huì)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(dòng)都很費(fèi)力，當(dāng)然這樣的自行車在市場(chǎng)中是不存在的（不會(huì)有商家弱智到這種地步，但是分析是有意義的，因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮的問題就是分析的重點(diǎn)）。其原因是什么呢，經(jīng)過分析不難看出，當(dāng)人騎車時(shí)，通過腳踏板和曲軸給輪盤一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)力偶，這個(gè)力也是基本已定的。當(dāng)這個(gè)動(dòng)能通過鏈條傳遞到后鏈輪后，車后輪就和后鏈輪一起被驅(qū)動(dòng)，當(dāng)假設(shè)地面是光滑的時(shí)候，后輪應(yīng)該是在原地繞著軸轉(zhuǎn)動(dòng)。正是由于地面不光滑，后輪受到了一個(gè)來自地面的摩擦力，所以它才在人力驅(qū)動(dòng)下相對(duì)地面做以一個(gè)繞無窮遠(yuǎn)點(diǎn)為中心的轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是沿著輪和地面接觸點(diǎn)切線方向向前進(jìn)。來自大地的摩擦力既有滑動(dòng)摩擦力、滾動(dòng)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(dòng)摩擦力。在未開始騎行時(shí)，將可以把這三種摩擦力的合力視為滑動(dòng)摩擦來處理，這時(shí)將整個(gè)車受到的靜摩擦和滾滑動(dòng)摩擦一起設(shè)為f，人和車總重為G，橡膠輪與地面的摩擦因素設(shè)為卩，那么有：f>RG。這個(gè)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(dòng)效果，設(shè)人能給予輪盤的力即后鏈輪受到的帶動(dòng)拉力為F，那么F和‘對(duì)后輪輪盤中心的力矩為零。所以就有關(guān)系：f-R=F-R即F>^GR33 2 R2同時(shí)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(shí)能更快停下來所以在輪胎上設(shè)計(jì)了很多條紋突起等增大摩擦），那么，一旦R/R設(shè)計(jì)過大，3 2假設(shè)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(huì)導(dǎo)致鏈條被拉斷。另外，鏈條在長(zhǎng)期的載荷下，必將產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性形變，久之就使得鏈條不能張緊、傳動(dòng)無力等“疲乏”現(xiàn)象。考慮腳踏板和輪盤間的力傳動(dòng)，設(shè)腳踏板到輪盤轉(zhuǎn)軸距離為d，人對(duì)腳踏板的力為F肚，可以知道有如下關(guān)系：踏Fd二Me二Rf踏 3考慮到上面幾個(gè)關(guān)系式，可以得到：F>R