摘要:近些年來(lái)，隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)改良，自行車的性能發(fā)生了翻天覆地的變化，無(wú)論是正規(guī)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膰?guó)際賽事，還是地方組織的騎行活動(dòng)，甚至是普通百姓的日常出行，變速自行車已占據(jù)了不可或缺的地位。雖然變速自行車逐漸代替了傳統(tǒng)自行車，并快速占據(jù)中國(guó)市場(chǎng)，但是，大多數(shù)人對(duì)自行車變速系統(tǒng)的認(rèn)知還屬于陌生狀態(tài)，更談不上維護(hù)與保養(yǎng)。本文將通過(guò)傳遞功率、能量守恒定律、扭矩等要素對(duì)自行車變速系統(tǒng)做一個(gè)較為全面的分析，可供教學(xué)或者個(gè)人參考。

　　關(guān)鍵詞:自行車變速系統(tǒng)①;鏈傳動(dòng);踏頻②;扭矩;受力分析;飛輪;牙盤(pán)

　　自行車方向論文范文：電動(dòng)自行車自燃分析(二)——報(bào)警器缺陷

　　摘要：部分裝有報(bào)警器的電動(dòng)自行車，控制器的電源正極脫落，電機(jī)存在轉(zhuǎn)動(dòng)的缺陷‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。通過(guò)電路分析，找到是由MOS管內(nèi)部的保護(hù)二級(jí)管造成的，提出改進(jìn)方案‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。

　　一、通過(guò)傳遞功率

　�、鄯治鲦溳喆笮∨c有效圓周力的關(guān)系以鏈傳動(dòng)系統(tǒng)中“傳遞功率”的計(jì)算公式P=vF1000為依據(jù)，可以看出，在輸出功率不變的前提下，有效圓周力F與鏈速v的關(guān)系為反比關(guān)系。

　　(一)牙盤(pán)齒數(shù)z1與有效圓周力F的關(guān)系作為動(dòng)力輸出的牙盤(pán)(主動(dòng)鏈輪)有效圓周力，騎行者通過(guò)曲柄傳遞給鏈條的拉力，該拉力F通過(guò)鏈條傳遞到飛輪，最終驅(qū)動(dòng)后輪。在保證傳遞功率不變的前提下，根據(jù)實(shí)際的騎行路況，改變有效圓周力的大小，可以合理分配體力。例如，在爬坡的情況下，騎行者通常會(huì)通過(guò)降低主動(dòng)鏈輪的齒數(shù)(俗稱降盤(pán))，采取增大傳動(dòng)比i的方式減小有效圓周力F的輸出。公式中F與v成反比關(guān)系，P保持不變，F(xiàn)↓就必須v↑，否則，反之。以三速(三個(gè)鏈輪)牙盤(pán)為例，騎行阻力過(guò)大時(shí)，為了減小鏈輪的有效圓周力F，前撥鏈器將鏈條向小鏈輪調(diào)整，減小主動(dòng)鏈輪的齒數(shù)z1，同時(shí)也提高了鏈速v。

　　(二)牙盤(pán)齒數(shù)z1與鏈速④v的關(guān)系根據(jù)鏈速的計(jì)算公式v=znp60×1000得知，鏈條節(jié)距p是一個(gè)定量，這里不做考慮，鏈輪齒數(shù)z和轉(zhuǎn)速n均為變量，當(dāng)鏈速v增大(減小)時(shí)，z和n可以同時(shí)增大(減小)或者按照反比關(guān)系調(diào)整大小。所以，綜上所述，每一次改變鏈速，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生以下三種情況:z和n同時(shí)增大，z↑n↓或者z↓n↑。這三種情況在騎行過(guò)程中的表現(xiàn)如下:當(dāng)z1和n1同時(shí)增大時(shí)，前撥鏈器將鏈條調(diào)節(jié)至牙盤(pán)中相對(duì)較大的鏈輪，主動(dòng)鏈輪的齒數(shù)z1增加，同時(shí)n1的增大也意味著踏頻的增大，根據(jù)公式vF=P1000，以不改變傳遞功率P為前提，增大鏈速v，減小有效圓周力(騎行者的動(dòng)力輸出)F。此情況表現(xiàn)在阻力最小的騎行過(guò)程中加速騎行，既省力又可以提高踏頻和鏈速，在目標(biāo)距離和單位時(shí)間內(nèi)得到更高的騎行速度。

　　當(dāng)z1↑n1↓時(shí)，前撥鏈器將鏈條調(diào)節(jié)至牙盤(pán)中相對(duì)較大的鏈輪，主動(dòng)鏈輪的齒數(shù)z1減少，同時(shí)n1↓，踏頻降低。在下坡或阻力較小的情況下，為了提高騎行速度，可采取這種方法進(jìn)行變速，得到理想的騎行速度，此辦法多用于低強(qiáng)度的騎行。相對(duì)第一種情況而言，此變速方法減小了有效圓周力、降低了踏頻，而踏頻的降低也減少了騎行者下肢乳酸的生成量，提升騎行者的運(yùn)動(dòng)耐力。當(dāng)z1↓n1↑時(shí)，降低牙盤(pán)的鏈輪齒數(shù)，但需要更大踏頻作為補(bǔ)償，才能保證輸出功率的不變。該方法通常使用在阻力較大的騎行中，比如爬坡，為了更省力地到達(dá)坡頂，就必須降低主動(dòng)鏈輪的齒數(shù)，但是，為了得到一定的鏈速，就必須提高踏頻。具體表現(xiàn)為爬坡時(shí)降盤(pán)，雖然很省力，但同時(shí)踩踏的次數(shù)也多了許多。

　　(三)飛輪的大小z2對(duì)有效圓周力F的影響

　　根據(jù)鏈速的計(jì)算公式P=vF1000和傳遞功率v=znp60×1000得知，當(dāng)保持傳遞功率P和飛輪轉(zhuǎn)速n2不變，飛輪齒數(shù)z2增加時(shí)，鏈速v會(huì)相應(yīng)地提升。在騎行中的具體表現(xiàn)在保持騎行速度不變的情況下，后撥鏈器將鏈條調(diào)節(jié)至齒數(shù)較多的鏈輪，同時(shí)提高鏈速，獲得較小的有效圓周力，所以騎行過(guò)程輕松省力;后撥鏈器將鏈條調(diào)節(jié)至齒數(shù)較少的鏈輪，同時(shí)降低鏈速，獲得較大的有效圓周力，所以騎行過(guò)程吃力費(fèi)勁。此時(shí)的踏頻n1大小將取決于z1值，即之前所提到的z1、n1和F的關(guān)系。

　　二、變速系統(tǒng)的扭矩

　�、菖c受力分析以騎行者為動(dòng)力源，扭矩的傳遞路線為:曲柄→牙盤(pán)→鏈條→飛輪→后輪。

　　(一)飛輪的扭矩與受力分析本文將可以驅(qū)動(dòng)自行車移動(dòng)的最小扭矩稱為“驅(qū)動(dòng)扭矩”，當(dāng)飛輪的輸出扭矩大于或等于“驅(qū)動(dòng)扭矩”時(shí)，自行車便能前進(jìn)。通過(guò)公式P=M×ω和M=F×r得知，功率的輸出與扭矩、角速度和分度圓半徑有關(guān)，而飛輪的角速度等于車輪的角速度，所以，角速度做為一個(gè)定量，不做比較和分析，那么，輸出扭矩的大小就取決于飛輪的有效圓周力F和飛輪的分度圓半徑r。以M=F×r為例，假設(shè)M為某個(gè)大于“驅(qū)動(dòng)扭矩”的固定輸出扭矩，該扭矩足以驅(qū)動(dòng)自行車前進(jìn)，在騎行過(guò)程中，為了減小有效圓周力，又要保證足夠的扭矩輸出，只能增加r的值，即M=F↓×r↑，反之就是M=F↑×r↓。具體表現(xiàn)為以下兩種情況:當(dāng)騎行阻力較大時(shí)，比如上坡騎行，為了減小騎行者的踩踏力度，即降低F的值，變速系統(tǒng)中的后撥鏈器不斷地將鏈條從飛輪中的小鏈輪調(diào)節(jié)至大鏈輪，從而獲得較大的r值，即M=F↓×r↑。

　　確切的說(shuō)，使用變速系統(tǒng)不斷地增大鏈輪的半徑以實(shí)現(xiàn)降低踩踏力度的目的，鏈輪的半徑越大，騎行就越省力，如果騎行過(guò)程中需要加速，還可以增大扭矩。當(dāng)騎行阻力較小且需要加速時(shí)，比如平路或者下坡，為了得到更高的騎行速度，需要增加角速度ω的值。根據(jù)公式P=M×ω，在單位時(shí)間內(nèi)保持P值不變，就必須減小扭矩M的值。然而，在情況允許的情況下保持或者減小踩踏的力度，是騎行的一個(gè)原則。所以，根據(jù)公式M=F×r，在維持F不變或者減小時(shí)，減小扭矩的輸出就必須減小r的值，最終通過(guò)后變速器將鏈條向飛輪的小鏈輪調(diào)節(jié)，已達(dá)到減小鏈輪分度圓半徑的目的。

　　(二)牙盤(pán)的扭矩與受力分析牙盤(pán)的受力分析可以分為兩部分:曲柄受力分析和鏈輪受力分析，曲柄可以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)扭矩，后者產(chǎn)生阻力扭矩。需要說(shuō)明的是，曲柄的長(zhǎng)度是固定不變的。分析牙盤(pán)的受力之前，假設(shè)飛輪只有一個(gè)鏈輪，那么，驅(qū)動(dòng)后輪的扭矩、鏈條的有效圓周力(拉力)都是定量。如圖所示，普通變速自行車的牙盤(pán)有3個(gè)鏈輪，當(dāng)鏈輪的有效圓周力(鏈條拉力)不變時(shí)，每個(gè)鏈輪所產(chǎn)生的阻力扭矩也不同，而且扭矩M的大小與鏈輪分度圓半徑r的大小成正比關(guān)系。而曲柄的作用就是騎行者通過(guò)對(duì)腳踏板施加一定的力，形成曲柄的驅(qū)動(dòng)扭矩，當(dāng)這個(gè)扭矩大于牙盤(pán)上任一鏈輪產(chǎn)生的阻力扭矩時(shí)，自行車便可以前進(jìn)。根據(jù)牙盤(pán)的結(jié)構(gòu)得知，曲柄的扭矩等于牙盤(pán)任一鏈輪上的扭矩，將得到以下等式:M曲柄=M牙盤(pán)M曲柄=f×L，f是腳踏的受力，其中L是曲柄長(zhǎng)度;M牙盤(pán)=F×r，其中F是鏈輪的有效圓周力，也即鏈條拉力，r是鏈輪的分度圓半徑。

　　f×L=F×r綜上所述，該等式的定量是L和F，即曲柄的長(zhǎng)度和鏈條的受力不變，r和f成正比關(guān)系，通過(guò)改變r(jià)的值來(lái)改變f的值。在保證鏈條拉力不變的情況下，當(dāng)前撥鏈器將鏈條從牙盤(pán)的小鏈輪向大鏈輪調(diào)節(jié)(升盤(pán))時(shí)，腳踏的受力同時(shí)增加，反之，減小。這就是為什么在奇行中升盤(pán)的時(shí)候騎行者會(huì)感覺(jué)非常的吃力，反之，會(huì)很輕松。另外，根據(jù)公式P=M×ω和能量守恒定律，扭矩M和角速度ω的改變需要兩個(gè)變量本身相互做出補(bǔ)償。當(dāng)牙盤(pán)降盤(pán)時(shí)，牙盤(pán)的輸出扭矩會(huì)降低，就要相應(yīng)地增大角速度，提高踏頻，反之，踏頻降低。

　　以上分析均以各種公式中的定量和變量之間的關(guān)系為前提，結(jié)合實(shí)際騎行過(guò)程中的各種情況，分別對(duì)自行車變速系統(tǒng)中各個(gè)機(jī)構(gòu)的受力情況和傳動(dòng)方式進(jìn)行針對(duì)性分析。本文的目的在于，希望通過(guò)基本理論和實(shí)際情況相結(jié)合，能夠給予變速自行車從業(yè)人員、自行車教育工作者或者自行車愛(ài)好者等相關(guān)人員一定的幫助，在分析過(guò)程中，如有遺漏或者不足之處，歡迎廣大讀者批評(píng)指正。