自行车传动机构发展调研

自行车传动机构发展调研

一、引言

自行车被发明及使用到现在已有两百年的历史，自行车发展的目的也从最早的娱乐用途变为交通代步及休闲运动用途，休闲及竞赛领域的发展使自行车研发工作不断的精益求精。这两百年间人类在不断的尝试与研发过程中，自行车的传动系统也在不断改进完善。

二、自行车传动机构概述

现代自行车主流传动系统仍然是由脚蹬、牙盘、曲柄、链条、飞轮、后轮组成的传动系统。除此之外另一种踏板式自行车传动系统也有相关的研究文献。

三、自行车传动机构的研究现状和发展趋势

1）早期自行车传动机构

德国男爵卡尔杜莱斯是一般公认的自行车发明人，他在1817年制造出有把手的脚踢木马自行车，最早的木马车没有把手不能控制方向、不能转弯、只能直线前行，木轮的转动及停止完全靠双脚踢地来控制；杜莱斯把木制的车架跟把手装在车上之后，转弯或移动方向就更方便了，不必停止两脚踢在地上的动作，更不必提起车子移动方向；这部车子就被拿来作为玩具马。此时的自行车的传动系统是力由人体传向车身使轮子转动车子前进。

这种情况直到1801才得以改变。1801年，俄国人阿尔塔马诺夫设计出世界上第一辆用踏板踩动的自行车。1817年德国人德雷斯在自行车上装了方向舵，使其能改变行使方向。1839年，苏格兰人麦克米伦制造出木制车轮，装实心橡胶轮胎、前轮小、后轮大、坐垫较低、装有脚踏板和曲柄连杆装置，骑者可以双脚离开地面的自行车。骑乘时不需再以脚踩地面去转动轮子前进，这也是自行车发明的一大进步。之后1861年法国的娃娃制造商Michanx也发明了类似的踏板曲柄直接驱动前车轮的自行车并实现量产。

2）曲柄链条飞轮传动机构

1869年德国斯图加特出现了由后轮导向和驱动的自行车，同时车上采用了滚动轴承、飞轮、脚刹、弹簧等部件。1886年英国人詹姆斯把自行车前后轮改为大小相同，并增加了链条，使其车型与现代自行车基本相同。

当人骑车时，通过脚踏板和曲轴给轮盘一个转动力偶，这个力也是基本已定的。当这个动能通过链条传递到后链轮后，车后轮就和后链轮一起被驱动，当假

设地面是光滑的时候，后轮应该是在原地绕着轴转动。正是由于地面不光滑，后轮受到了一个来自地面的摩擦力，所以它才在人力驱动下相对地面做以一个绕无穷远点为中心的转动，也就是沿着轮和地面接触点切线方向向前进。

3）踏板式自行车传动系统

结构组成

四连杠杆式自行车传动机构如图5所示，主要由以下几个部份组成：

l—B轴、2一支架体、3----A轴、4--内齿轮、5--飞轮、6--摇杆7---C轴、8--支杆、9--D轴、10--右压杆1I一右槽轮组、12一右连杆、13-一连动体14一右齿轴、15一左齿轴、16"-左压杆、17一左连杆、18--左槽轮组图5 四连杠杆式自行车传动机构结构原理图

(1)A轴3将摇杆6的头端孔与支架体2的上端孑L相连，B轴1将支杆8与支架体2的下端孔相连，c轴7和D轴9分别将压杆lO上的头端孔、中端孔与摇杆6的中孔和支杆8的另一端孔连接，组成单组四连杆运动机构。

(2)左连杆17上的左齿轴15与右连杆12上的右齿轴14啮合，经轴承安装在车架体的连接板上，左连杆17上的左槽轮组18和右连杆12上的右槽轮组11分别安装在左压杆16和右压杆10上，形成左右压杆相反运动的连动器。

(3)连动器将左右两组传动机构组合成连动体，左右两个摇杆6上的内齿轮4分别与左右两个飞轮5啮合，分别与车架体紧固，组成四连杠杆式自行车传动机构。

工作原理

当右压杆10向下运动时，支杆8在力的作用下绕B轴1向下转动，而右压杆10上的D轴9也随着支杆8绕B轴l运动，并通过c轴7拉动摇杆6绕A

轴3顺时针摆动，使摆杆上的内齿轮4带动与其啮合的飞轮5作同方向旋转，从而实现右四连杠杆式自行车传动机构经飞轮带动车轮一同旋转的目的。压杆在上下摆动时，由于四连杆运动的作用，摇杆上的内齿带动飞轮旋转的圈数有限。因此，在自行车后轮的两侧分别安装了一组四连杠杆式自行车传动机构。由此可得，当左压杆16向下运动时，通过左四连杠杆式自行车传动机构经飞轮带动车轮达到连续旋转的目标。

根据齿轮外啮合运动时，两齿轮旋转方向相反的原理，当右压杆lO向下运动时，经右槽轮组ll带动右连杆12，驱动连动器13，使左连杆17经左槽轮组18带动左杆16向上运动，从而实现左右压杆上下连动，同时增强了杠杆运动的稳定性。

根据四连杆的运动轨迹，当左右支杆随着左右压杆移动到水平位置时，压杆上的D轴9与B轴1水平距离最远。因此，压杆的力臂增长，这样有利于高效地将人的体能转换成机械能。在压杆运动时，由于支杆上的D轴9绕B轴1的旋转半径小于摇杆6上的C轴7绕A轴3的旋转半径，因此在它们的运动弧长相同的情况下，支杆8通过压杆拉动摇杆6时其所转的角度小于摇杆6所转的角度，则摇杆6的运动转角大于压杆10的运动转角。又因左右压杆是以交替式往复摆动形式运动，因此摇杆6运动转角越大，飞轮5获得的线速度就越大，则自行车的行驶速度就越快。

综上所述，四连杠杆式自行车传动机构能有效保证自行车的行驶速度，改善传动的平稳性和连续性，使自行车的技术性能和使用效率得到提高，用途更为广泛，为环保型人力自行车的技术改进和发展开辟了新的途径，创造了新的设计理念。

4）发展趋势

曲柄链条传动系统传动效率高，可靠性好，便于维护，故沿用多年未有大的改变。但近十年随着制造加工技术的进步，不断有新型传动方式出现，但短期内难以改变链条传动一统天下的现状。

四、结论

自行车传动系统的原理是将人体输出的生物能转化为自行车前进的动能，这就要求其转化率达到一个较高的水平，避免浪费过多的体力，同时由于自行车主要用于生产生活，要求传动系统须简介可靠便于维护。

参考文献：

【1】卜云峰，王文志，侯志伟，左晓明．自行车驱动机构的创新设计与分析．

【2】马中兴，杨军良．踏板式自行车传动系统的研究