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自行车省力结构的研究

范文

刘泊辰

摘要：使自行车行驶更省力是个大的课题，前人对此做出了不懈的努力，几乎所有人都认为：自行车再做省力的研究是徒劳的。可常常会有身边的科学比高深的科学还难搞明白的现象，他不符合人们对自然界认识的规律。任何发明均来源于人们对生活中一些现象的感知，本文在对自行车上力的寻找、转换和应用上，开辟了另一个天地。我们领略过板车“滑行” 的省力，当我们将骑行者和载重的载荷力G，通过倾斜的车插，改变作用力的方向于轮轴上，作为合力的载荷力G将派生出趋同于行驶方向的分力F，一个辅加的自加力。还当我们将骑行者和载重行驶中产生的冲击力P，改变作用方向於轮轴上，作为合力的冲击力P将派生出趋同于行驶方向的分力F″，又-个助行的自加力。两个叠加的自加力可使骑行更省力。与现有的技术相比，该实施简而易行，并不复杂，但其具有实质性的显著进步，在于他创造性地将作为阻力的载重转换成驱行动力的一部分。

关键词：自加力；载荷力；派生出；叠加

中图分类号：U484 文献标志码：A

0 前言

任何发明，均来自人们对生活中一些现象的感知，如轮车，是千年来人们从掌握了轮到车的过程，以至在百年以前有了飞跃进展。具有代表性的轮车——自行车，它给人们带来可使行驶变的快而省力，“自行车” 指仅依靠骑行者力量行驶的车辆。人们骑着自行车会经常自问：现在的自行车结构就是最省力的了吗？答案当然是否定的。只由此。才能产生真正意义上的创新和发展。

使轮车行驶更省力是个大的课题，前人对此更是做出了不懈的努力，如符合将脚踏力转换施于轮轴上的链条链轮付，如减少车轮摩擦阻力所安装的滚珠轴承，及至轮胎外表面的压纹形式，如车架、座、蹬符合人体施力的结构，几近完美地克服着骑行者和载物重量所产生的阻力，几近所有的人或有认为：自行车再做省力的研究是徒劳的。

对车重和载重多加留心就会了解，作为弊，是我们做车辆行驶时全力克服的。

但如果我们另辟蹊径，将载重转变为推动力的一部分，就会变为益。做好由弊变益这篇文章，会使这种具有自加力的自行车更省力。

1 自加力的来源：载重置不同位置时运动的情况：

（1）图1为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 = ü G |

若物重G=60 kg，動摩擦因数 |ü =0.5，则拉力F1 = ü G = 30 kg。

（2）图2为重物置在倾斜面上的受力状况：

置重物于倾斜角为 ɑ 时刻，即产生一个力三角，一个沿着斜面向下的力 F2 = Gsinɑ，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G cosɑ 。

很明显：F10 >F20 = G cosɑ

则有： F1阻>F2阻，若设倾斜角ɑ=30?

F2= Gsinɑ=60kg ×0.5=30kg

而F2阻= |üG cosɑ=0.5×60kg × 0.87 = 26.1kg

由于斜面重物的运动更省力。此位置的状态是：无外力而自滑动。

设计轮车的载重不再作为阻力的全部，而是经改变作用方向使之作为一种辅助的驱动力，我们将助行的力称为可使自行车省力的自加力，将使自行车经历又一次结构上改变的创新。

2 自行车上的自加力

（1）图3，对自行车作了受力分析，显示出自行车的载重是驱动力需要克服的阻力源。

骑着自行车感到脚踏的力在克服阻力，因为传统的自行车车插是垂直于轮轴，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100 mm的链轮；采用标准的600mm自行车车轮；若设载重75 kg，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 ×60 kg = 2.4 kg

F2阻 = uk × N2 = 0.04 × 30 kg = 1.2 kg

（2）图4是具有创新结构的自行车，其特点具有倾斜角度?的车插，突出点是自行车上的载重也能转变为驱动力的-部分：

图4是具有创新结构的自行车，其特点具有倾斜角度?的车插，

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-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-个较原来驱动力变小的驱动力F=（F1阻 ·R + F2阻-Gsin?）/r 。

由图1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 - G sin?）/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。

倾斜角度?为15°时，为30°时，为45°时的省力分别是：7.92 kg、9.65 kg、12.34 kg。

（3）颠波的振动力也是自行车上的自加力：

道路的不平会使载重自行车上产生颠波振动，状态处于图3时的车辆，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。

状态处于图4时的车辆，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。

状态处于图4时的车辆，具有了使载重派生出的自加力F?，同时具有了冲击力的自加力F″，两个可助行的自加力加入，使骑行的驱行力 F 显著变小。

结语

使自行车驱行省力的研究，必须另辟蹊径，变阻力为动力，唯将载重转变为推动力的一部分，在对自行车上力的寻找，转换和应用上，我们将骑行者和载重的载荷力G，通过倾斜的车插改变作用力的方向於轮轴上，作为合力的载荷力G将派生出趋同于行驶方向的分力F?，一个辅加的自加力。还当我们将骑行者和载重行驶中产生的冲击力MV/t，改变作用力的方向于轮轴上，派生出趋同于行驶方向的分力F″，又一个变量助行的自加力。叠加的自加力可使骑行明显的更省力。具有自加力的自行车，制作简便易行，将会更好地扩大绿色交通出行。

参考文献

[1]杨维弘.力学与理论力学[M].北京：科学出版社，2011.

[2]高键.工程力学[M].北京：高等教育出版社，2011.

[3]一种自加力的轮式车辆[P].中国专利：ZL 2016 1 015443.8，2017-8-01.

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