自行车省力结构的研究

曾红军

所有的发明创造，都来自于人们在日常生活中的体会和观察，例如轮车是上千年以来人们通过研究轮直到研究车，并在近百年以来获得了十分巨大的进步和提升。其中非常具有代表性的车就是自行车，它为人们的出行带来了更多的便捷，并且也使得车行驶起来更加省力。自行车具体是指以骑行人员作为动力源的车辆。很多人在骑行自行车时会不禁想到，自行车已经做到了最为省力的结构了吗，当然没有做到，基于此，需要对于自行车结构进行创新。

如何能够使得自行车的骑行变得更加省力是一个较大的问题，虽然很多人都对此做出了巨大的努力，例如将骑行人员的脚踏力量转化为链条轮轴、通过安装滚珠轴承来降低摩擦力、改变轮胎表面压纹等等。在比如对于自行车车架、车座等结构的设计，使之能够更加符合人们的施力方式，从而对于骑行人员和车辆本身所产生的阻力。通过对于自行车重量进行了解就能够发现，在进行自行车骑行时，对于这种作用力是不可以做到完全克服的。但是我们可以换一个角度，来把这种作用力转化为自行车驱动力的一部分，使得自行车的骑行变得更加省力。

1.自加力的来源研究

当自行车载重的位置不同时，运动的情况也各有不同。例如：

（1）当重物垂直于地面时的受力状况：G：物体的重力；F1：拉动物体的力；F10：阻力；|ü：动摩擦因数（取0.5）。移动物体的条件是：F1>F10=üG|。若物重G=60kg，阻力|ü=0.5，则拉力F1=üG=30kg。

（2）当重物置在倾斜面上的受力状况：置重物于倾斜角为45度时刻，即产生一个力三角，一个沿着斜面向下的力F2=Gsin？一个沿重力方向向下的合力G，一个产生阻力F2阻的正压力Gcos？。很明显：F10>F20=Gcos？则有：F1阻>F2阻，若设倾斜角a=30。F2=Gsin？=60kg×0.5=30kg

因为处于斜面当中的物体进行运动时能够变得更加省力，所以当物体处于自行车的这个位置时，可以进行无外力的滑动状态。在对自行车的载重部分进行设计，不再将其看作为自行车阻力，而是通过对作用力的改变而将其变为自行车驱动力的一部分。我们把这种驱动力叫做自行车省力时所得到的一种自加力，通过自加力的加入使得自行车在结构上得到了一定程度的创新和升级。

2.自行车自加力研究

（1）通过对自行车的受力情况进行分析发现，自行车的载重属于在进行自动车骑行过程中需要去克服的主要阻力。在骑行自行车的过程中，需要通过脚踏力来对于所遇到的阻力进行克服，由于传统自行车的车插与轮轴之间是相互垂直的，而传递的力是与地面垂直的，是产生摩擦阻力F1阻+F2阻中的正压力。采用标准的自行车100mm的链轮；采用标准的600mm自行车车轮；若设载重75kg，主被动轮承重比为2/3，1/3。uk取0.04。则有链条驱动力：F=F1阻?R/r。将设值代入：F=[2.4+1.2]×300/50=21.6kg。上式中：F1阻=uk×N1=0.04×60kg=2.4kg。F2阻=uk×N2=0.04×30kg=1.2kg。

（2）对于自行车结构进行创新以后，其主要特点在于车插具有了一定的倾斜角度，从而使得自行车的载重能够变为驱动力的重要组成部分。首先是倾斜角度为?的车插，将使轮车上的载重G於车轴上派生出一个与行驶方向趋同的自加力Gsin?，其次是置换出一个垂直于地面的小于原正压力G的正压力Gsin?。由力的平衡式很容易地得到了一个较原来驱动力变小的驱动力F=（F1阻?R+F2阻-Gsin?）/r。计算出车插垂直于轮轴时的链条驱动力：F=21.6kg，把此值作比较的标。与倾斜角度?为15°时，为30°时，为45°时的链条驱动力作比较。则有倾斜角度?为15°时需要的链条驱动力F=（F1阻?R+F2阻-Gsin?）/r=13.68kg倾斜角度?为30°时需要的链条驱动力F=11.95kg；倾斜角度?为45°时需要的链条驱动力F=9.26kg由此可知，车插具有倾斜角度?的自行车与原车插垂直于轮轴时的自行车驱动力比较，省力是明显的。

（3）在自行车骑行时的颠簸作用力变为自行车的自加力。道路的不平会使载重自行车上产生颠波振动，由于车插垂直于轮轴，颠波振动造成的冲击力F″=MV×sina/t>0，使作用于橡胶轮上的正压力变大，从而使阻力变大。由于创制了倾斜方向的车插，当有冲击力MV/t作用于轮轴时，会派生出趋同于移动方向的辅加力F″=MV×sina/t，从而使驱行省力。

结束语：

对于自行车的省力结构进行分析和探索，需要从另一角度来进行观察，将自行车骑行是所遇到的阻力变为自行车的骑行动力，也就是将自行车的载重作为自行车的自加力。在自行车当中找到并转换力，例如将自行车骑行人员的重量和自行车的自重看作为载荷力，利用对车插倾斜度的改变来使得其作用力能够作用在自行车的轮轴当中。从而使得荷载力能够分出与自行车行驶方向相同的作用力，使之变为自行车骑行时的自加力。通过对于自加力的研究，能够使得自行车的骑行变得更加省力，从而为人们出行提供便捷条件。

参考文献：

[1]郑安宾,金健,朱成竹等.基于人体运动仿真的自行车结构优化[J].机械制造,2012,50(6):14-16.

[2]郭光林.自行车结构的静力计算及弹性接触问题的罚有限元探讨[D].南京工学院,1988.

[3]刘书华,焦林.运动自行车结构尺寸的计算机参数化设计[J].陕西理工学院学报（自然科学版）,2013,29(3):5-9.

[4]李文江,王小元,汪壮壮等.一款概念自行车的设计与研究[J].滁州学院学报,2014,16(3):80-82.

[5]欧阳霜平.基于北斗定位系统的公共自行车设计研究[D].中国美术学院,2015.

[6]杨坤.公路运动自行车结构分析与优化[D].北京工业大学,2010.