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2024年1月24日发(作者：小程序制作公司哪家好)
自行车组合变形分析
一、自行车结构分析
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。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。人们可以通过操纵车把来改变行驶方向并保持车身平衡。
2、驱动系统：由脚蹬、中轴、链轮、曲柄、链条、飞轮、后轴、后轮等部件组成。人的脚的作用力是靠脚蹬通过曲柄，链轮、链条、飞轮、后轴等部件传动。
3、制动系统：它由车闸组成，人们可以随时操纵车闸，使行驶的自行车减速、停止。
(自行车结构图)
其中一些与力学分析有关的结构有：
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。为了减少快速行驶的阻力，自行车还可以采用流线型的钢管，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。
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，中轴，链条飞轮，使后轮转动，从而使自行车前进。
脚踏：可分为整体式脚踏和组合式脚踏。脚踏必须有脚踏面，必须安全可靠，必
须转动灵活，具有一定的防滑性能。
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，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，所以，前叉部件必须具有足够的强度。
5、链条：链条又称车链、滚子链，安装在连轮和飞轮上。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：为了保证链轮达到需要的拉力，所以，必须用高强度的材料制造。
6、飞轮：从结构上可分为单级飞轮和多级飞轮两大类。 当向前踏动脚踏时，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，自行车就可以前进。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。
二、自行车局部组合变形分析
(一)、脚踏部分
自行车脚踏受到人给它的作用力F（F的作用方向与曲杆BC平行），分解为Fx与Fy，同时脚和脚蹬之间有一个相对滑动，从而脚蹬受到一个摩擦力f。脚蹬轴线为AB，长L1，F与f作用点在AB中点H，曲杆BC，长L2，CD长L3。可视脚蹬轴与曲杆的材料相同，弹性模量为E，为等截面圆柱杆，直径为d.
1、可以观察到脚蹬轴AB受到F与f时会产生弯曲作用。危险截面是B端截面。则在该截面上的弯矩分别为：
My=f·L1/2
Mx=F·L1/2
则危险截面上的最大正应力为：
（圆截面的中性轴为一条过圆心的直线,最大正应力必在圆截面的边缘）
σy=My·d/2Iy
σx=Mx·d/2Ix
σmax=My/Wy+Mx/Wx
Wx=Wy=лd^3/32
2、曲杆上BC受到拉伸(F产生)，弯曲作用（f与F平移产生），扭转作用（f平移产生）。危险截面在C端截面上。
拉伸作用：σ=F/A
弯曲作用：Mz==-f·L2 Mx==F·L1/2
最大应力点在圆截面边缘σ=(Mz+Mx)/W
扭转作用：Ty=f·L1/2
最大切应力在圆截面边缘τmax=T/Wp
Wp=лd^3/16
根据第四强度理论：
σr4=[((Mz+Mx)/W)^2+3(T/Wp)^2]^1/2=[(Mz+Mx)^2+0.75T^2]^(1/2)/W
σmax=σ+σr4=F/A+σr4
3、曲杆上CD受到弯曲作用（F，f产生，F，f平移产生，扭转作用（f平移产生）。危险截面在D端的截面上。
My=f·L3+f·L1/2
Mx=F·L3+F·L1/2
T=-f·L2 τmax=T/Wp
根据第四强度理论：
σr4=[((Mz+Mx)/W)^2+3(T/Wp)^2]^1/2=[(Mz+Mx)^2+0.75T^2]^(1/2)/W
σmax=σr4
(二)、车头部分
人在骑行时，双手对自行车扶手有一对压力，在转弯时又对扶手有一个扭转力。
对于BD杆，上面有弯曲作用（来自压力F与扭转力f）。
对于AB杆，上面有压缩作用（来自压力F），扭转作用（来自一对扭转力f）
（两边的F平衡，使弯曲作用抵消）
T=f·L τ=T/Wp Wp=лd^3/16
σ=F/A
因为有扭转作用，所以通过对CD的作用就可以方便地改变自行车的车头方向。
（三）、车座部分
对于AB杆而言，人对自行车的作用力会产生压缩作用以及弯曲作用。
为了平衡弯曲作用与压缩作用的影响，尽量会把AB杆设计的更加竖直，同时车座应当具有避震作用。当自行车行驶到凹凸不平的路面时，人随着车起伏上下震动，弹簧的弹力增加了人与坐垫的接触时间。当震动中冲量I不变，接触时间t增长，则人与坐垫的接触力F减小，起到了缓冲的作用。所以，如果没有这样设计，人坐在车上就会被震得更厉害，这也是坐在后架上的人臀部总比坐在车座上的人痛的原因。
三、总结：
时代在发展，科学无处不在。就连我们日常生活中“简简单单”的一辆自行车也包含着并不简单的科学理论。通过这次的研究性学习，我弄清了一些关于自行车的问题。我发现即使是最简单的杆件结构也是蕴含着科学的省力体系，对于自行车局部受力组合变形的研究，让我更加深入的理解了拉、压、弯、扭这几种作用变形及它们的运算方法。同时，这次的研究性学习丰富了我的知识，扩展了我的知识面，也培养了我的问题意识，增强了我对事物的探索欲望。
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