科技风2019年11月科技创新
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喷淋洗眼器D01：10.19392/jki.1671-7341.201931001浅谈自行车变速系统的变速原理和受力分析 曾兆奎
海南省技师学院海南澄迈571900
摘要：近些年来，随着生产技术的不断创新和产品的设计改良，自行车的性能发生了翻天覆地的变化，无论是正规严谨的国际赛事，还是地方组织的骑行活动，甚至是普通百姓的日常出行，变速自行车已占据了不可或缺的地位。虽然变速自行车逐渐代替了传统自行车，并快速占据中国市场，但是，大多数人对自行车变速系统的认知还属于陌生状态，更谈不上维护与保养。本文将通过传递功率、能量守恒定律、扭矩等要素对自行车变速系统做一个较为全面的分析，可供教学或者个人参考。 关键词：自行车变速系统！；链传动；踏频"；扭矩；受力分析；飞轮；牙盘
以链传动系统中“传递功率”的计算公式p=17%为依据，
可以看出，在输出功率不变的前提下，有效圆周力F与链速v 的关系为反比关系。
（一）牙盘齿数Z］与有效圆周力F的关系
作为动力输岀的牙盘（主动链轮）有效圆周力，骑行者通过曲柄传递给链条的拉力，该拉力F通过链条传递到飞轮，最终驱动后轮。在保证传递功率不变的前提下，根据实际的骑行路况，改变有效圆周力的大小，可以合理分配体力％例如，在爬坡的情况下，骑行者通常会通过降低主动链轮的齿数（俗称降盘），采取增大传动比1的方式减小有效圆周力！的输岀。公式中！与v成反比关系，P保持不变，就必须v"，否则，反之。以三速（三个链轮）牙盘为例，骑行阻力过大时，为了减小 链轮的有效圆周力F，前拨链器将链条向小链轮调整，减小主动链轮的齿数Z1，同时也提高了链速7
（二）牙盘齿数Z1与链速#V的关系
根据链速的计算公式v=60："）00得知，链条节距P是一个定量，这里不做考虑，链轮齿数z和转速#均为变量，当链速v
增大（减小）时/和#可以同时增大（减小）或者按照反比关系调整大小。所以，综上所述，每一次改变链速，会同时产生以下三种情况:z和#同时增大/"#!或者z!#"%这三种情况在骑行过程中的表现如下：刹车蹄块
当"和#1同时增大时，前拨链器将链条调节至牙盘中相对较大的链轮，主动链轮的齿数"增加，同时#1的增大也意味着踏频的增大，根据公式vF=P1000，以不改变传递功率％为前提，增大链速v，减小有
效圆周力（骑行者的动力输岀）F%此情况表现在阻力最小的骑行过程中加速骑行，既省力又可以提高踏频和链速，在目标距离和单位时间内得到更高的骑行速度％当""#1!时，前拨链器将链条调节至牙盘中相对较大的链轮，主动链轮的齿数"减少，同时#1!，踏频降低％在下坡或阻力较小的情况下，为了提高骑行速度，可采取这种方法进行变速，得到理想的骑行速度，此办法多用于低强度的骑行％相对第一种情况而言，此变速方法减小了有效圆周力、降低了踏频，而踏频的降低也减少了骑行者下肢乳酸的生成量，提升骑行者的运动耐力％
当"！#1"时，降低牙盘的链轮齿数，但需要更大踏频作为补偿，才能保证输岀功率的不变％该方法通常使用在阻力较大的骑行中，比如爬坡，为了更省力地到达坡顶，就必须降低主动链轮的齿数，但是，为了得到一定的链速，就必须提高踏频％具体表现为爬坡时降盘，虽然很省力，但同时踩踏的次数也多了许多％
铝合金手电筒通讯继电器（三）飞轮的大小"对有效圆周力！的影响
根据链速的计算公式P=1^和传递功率v=60：p00得知，当保持传递功率％和飞轮转速#2不变，飞轮齿数"2增加时，链速v会相应地提升％在骑行中的具体表现在保持骑行速度不变的情况下，后拨链器将链条调节至齿数较多的链轮，同时提高链速，获得较小的有效圆周力，所以骑行过程轻松省力；
后拨链器将链条调节至齿数较少的链轮，同时降低链速，获得较大的有效圆周力，所以骑行过程吃力
费劲％此时的踏频#1大小将取决于"1值，即之前所提到的"1、#1和F的关系％
二、变速系统的扭矩"与受力分析
以骑行者为动力源，扭矩的传递路线为：曲柄#牙盘#链条飞轮后轮％
（一）飞轮的扭矩与受力分析
本文将可以驱动自行车移动的最小扭矩称为“驱动扭矩”,
当飞轮的输出扭矩大于或等于“驱动扭矩”时，自行车便能前进％通过公式P=MX!和M=F：得知，功率的输出与扭矩、角速度和分度圆半径有关，而飞轮的角速度等于车轮的角速度，
所以，角速度做为一个定量，不做比较和分析，那么，输岀扭矩的大小就取决于飞轮的有效圆周力F和飞轮的分度圆半径'％
以M=F x r为例，假设&为某个大于“驱动扭矩”的固定输岀扭矩，该扭矩足以驱动自行车前进，在骑行过程中，为了减小有效圆周力，又要保证足够的扭矩输岀，只能增加'的值，即&=F!:"，反之就是M=F":%具体表现为以下两种情况：当骑行阻力较大时，比如上坡骑行，为了减小骑行者的踩踏力度，即降低F的值，变速系统中的后拨链器不断地将链条从飞轮中的小链轮调节至大链轮，从而获得较大的'
值，即&=f!:"%确切的说，使用变速系统不断地增大链轮的半径以实现降低踩踏力度的目的，链轮的半径越大，骑
行就越省力，如果骑行过程中需要加速，还可以增大扭矩％
当骑行阻力较小且需要加速时，比如平路或者下坡，为了得到
更高的骑行速度，需要增加角速度！的值％根据公式P=MX!，在单位时间内保持P值不变，就必须减小扭矩&的值％然而，在情况允许的情况下保持或者减小踩踏的力度，是骑行的一个原则％所以，根据公式&=F：，在维持F不变或者减小时，减小扭矩的输出就必须减小'的值，最终通过后变速器将链条向飞轮的小链轮调节，已达到减小链轮分度圆半径的目的％（二）牙盘的扭矩与受力分析无菌车间
牙盘的受力分析可以分为两部分：曲柄受力分析和链轮受
力分析，曲柄可以产生驱动扭矩，后者产生阻力扭矩％需要说
明的是，曲柄的长度是固定不变的％分析牙盘的受力之前，假
设飞轮只有一个链轮，那么，驱动后轮的扭矩、链条的有效圆周
力（拉力）都是定量％
如图所示，普通变速自行车的牙盘有3个链轮，当链轮的有效圆周力（链条拉力）不变时，每个链轮所产生的阻力扭矩也不同，而且扭矩&的大小与链轮分度圆半径r的大小成正比关系％而曲柄的作用就是骑行者通过对脚踏板施加一定的力，形成曲柄的驱动扭矩，当这个扭矩大于牙盘上任一链轮产生的阻力扭矩时，自行车便可以前进％
根据牙盘的结构得知，曲柄的扭矩等于牙盘任一链轮上的
扭矩，将得到以下等式：（下转第9页）
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