研究变速自行车的论文

自行车里的数学 “自行车”，青少年必不可少的交通工具，当然，我也不例外。在闲空的假期，我经常约上同伴骑车到某地游玩，可我总是落在他们后面，这是怎么回事？难道是我力气小，骑不快？不可能！有一个小我两岁的女孩儿力比我小，却总冲在首位。难道她深藏不露？ 几经我周密的观察，终于发现了其中的奥秘。原来她的车轱辘比我的更大，并且可以变速。既然是这样，那如果我的车蹬一圈走的长度和她的车蹬一圈走的长度相差多少呢？我的自行车直径：66厘米，前齿轮齿数：26个，后齿轮齿数：16个，用66**48/24=(cm)。而她的自行车牙盘齿数（大齿轮齿数）：大盘44、中盘32、小盘22 飞轮齿数（小齿轮齿数）：小飞轮11、八飞轮12、七飞轮14、六飞轮16、五飞轮18、四飞轮21、三飞轮24、二飞轮28、大飞轮32，（外胎周长：206厘米），大盘带小飞，踏板转一圈后轮转四圈，前行距离是824厘米（计算方法是：44/11*206=824）、、、、、、小盘带小飞，踏板转一圈后轮转两圈，前行距离是412cm（计算方法是：22/11*206=412），小盘带大飞，踏板转一圈后轮转圈，前行距离是 （计算方法是：22/32*206=）。另外，我还发现她的变速自行车还能利用“转动比”（即牙盘齿数与飞轮齿数的比），在相同的蹬踏频率下传动比越大骑行速度越快，但是也越费力，适合平地冲刺；同样的道理，传动比越小速度越慢，但是也越省力，适合爬坡。 在这次观察发现中，不起眼的自行车里原来也蕴含着数学：因为牙盘转的圈数与车轮转的圈数相同，而牙盘的齿数和飞轮的齿数是成比例的，牙盘的齿数是飞轮齿数的N倍，那么牙盘旋转一圈飞轮就旋转N圈； 所以牙盘转的圈数与牙盘齿数的积等于飞轮转动的圈数与飞轮的齿数的积。

一、问题的提出:自行车发明至今已有200多年的历史.今天,它作为交通代步、锻炼身体、越野旅游、运动比赛以及运送货物(小型)已遍及到世界的每一个角落.它廉价、轻便的特点受到许多人的青睐,进而人们对它的要求也就越来越高.首先,安全性排首位.据相关调查表明,每年因自行车而引起的车祸正以惊人速度增长,所以要如何提高它的安全性是个问题;其次,自行车要如何更加轻便、高效、快速、造价更低廉,这些便成了人们关心自行车的话题.我们课题组主要通过各种方式的调查和研究,了解市场上的自行车,使人们对它有个了解.通过研究自行车中的力学、查阅资料、进行实验,目的就在于探索自行车的构造,以及工作原理,从而对自行车能否改变得更合乎人们的要求这话题找到理论依据. 二、研究目标弄清自行车的构造;探索自行车的杠杆轮轴、摩擦力、气压知识;研究自行车在行驶中为何不会跌倒;分析如何减小有害摩擦力和如何增大有益摩擦. 三、研究的方法1、研究对象:市场上的自行车2、研究方向a、杠杆轮轴:包括车把上的闸把、脚蹬、花盘、手把、前叉轴、后轮上的齿轮;b、气压:包括内胎、气门芯;c、摩擦力:包括车轮与地面的、刹车块与车轮之间的、轮轴中的;d、自行车在行驶中为何不会跌倒.3、研究步骤:a、分析研究课题b、实地考查、收集资料c、进行实验d、组员讨论、得出结论、提出设想四、研究的结果与分析〈一〉具体的自行车部件：1、车架部件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。 车架部件的结构形式有很多，但总体可以分为两大类：即男式车架和女式车架。 车架一般采用普通碳素铜管经过焊接、组合而成。为了减轻管重量，提高强度，较高档的自行车采用低合金钢管制造。为了减少快速行驶的阻力，有的自行车还采用流线型的钢管。 由于自行车是依靠人体自身的驱动力和骑车技能而行驶的，车架便成为承受自行车在行驶中所产生的冲击载荷以及能否舒适、安全地运载人体的重要结构体，车架部件制造精度的优劣，将直接影响乘骑的安全、平稳、和轻快。一般辐条是等径的，为了减轻重力，也有制成两端大、中间小的变径辐条，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。 外胎上的花纹是为了增加与地面的摩擦力。山地自行车的外胎宽度特别宽，花纹较深也是适应越野山地用。3、脚蹬、脚踏脚蹬部件：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。因此脚蹬部件的结构和规格是否合适，将直接影响骑车人的放脚位置是否合适，自行D：加速阻力：只是在加速时产生的。 脚踏：可分为整体式脚踏和组合式脚踏。无论什么款式的脚踏都必须有脚踏面，必须安全可靠，具有一定的防滑性能，可以选用橡胶、塑料或金属材料制造。脚踏必须转动灵活。 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，起到了自行车的导向作用。此外，还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，故前叉部件必须具有足够的强度等性质.5、链条、链轮：链条：链条又称车链、滚子链，安装在连轮和飞轮上。其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：用高强度钢材制成，保证其达到需要的拉力。6、飞轮飞轮以内螺纹旋拧固定在后轴的右端，与链轮保持同一平面，并通过链条与链轮相连接，构成自行车的驱动系统。从结构上可分为单级飞轮和多级飞轮两大类。 单级飞轮又称为单链轮片飞轮，主要由外套、平挡和芯子、千斤、千斤簧、垫圈、丝挡几钢球等零件组成。 工作原理：当向前踏动脚踏是，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，自行车就前进了。当停止踏动脚踏板时，链条和外套都不旋转，但后轮在惯性作用下仍然带动芯子和千斤向前转动，这时飞轮内齿产生相对滑动，由此将芯子压缩到芯子的槽口内，千斤又压缩了千斤簧。当千斤齿顶滑到飞轮内齿顶端时，千斤簧被压缩得最多，再稍微向前滑一点，千斤被千斤簧弹到齿根上，发出“嗒嗒”的声响。芯子转动加快，千斤也很快在各个飞轮内齿上滑动，发出“嗒嗒”的声音。当反向踏动脚踏时，外套反向转动，会加速千斤的滑动，使“嗒嗒”声响得更急促。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。 7、车闸车闸：是保证骑乘者安全的结构，按制动点的位置来分，可以分为轮缘闸和轴闸两大类，最常见的是轮缘闸。 轮缘闸是一种通过机械杠杆、推杆、拉杆或钢丝绳等直接将高摩擦因素的闸皮压向车圈边缘后轮胎，将转动中的车轮刹停的装置。 轮缘闸结构简单，维修保养方便，因此被广泛使用。但是，如果接触车圈轮缘不正，或雨水淋湿的影响，会降低摩擦，从而影响制动的效果。常见的有： 普通闸： 优点为接触面合理，制动力矩大，制动灵敏，刹车性能可靠，结构简单和安装修理方便。 钳形闸：当刹车时，其左右闸叉和闸皮就像钳子一样，紧紧地钳住车圈的两个端边，达到使车减速或停的目的。优点是刹车时力臂大，制动效果好，传动零件少，调节和维修方便，重力轻，外形美观。悬臂闸： 优点为悬臂闸刹车时的力矩比钳形闸更大，制动性能好，结构简单，重力轻，调节和维修方便。 前触闸：前触闸是靠杠杆原理制动的。当手握紧闸把时，闸把的另一头将接头、拉杆、拉管向下压，使闸皮向下压至与轮胎接触，产生摩擦制动力。其缺点是刹车效果与轮胎充气程度有关。充气不足时，会使摩擦力减小，影响刹车效果。 脚闸： 优点为由于刹车是用脚力的，所以在脚闸上产生的正压力越大，刹车效果越好。闸的优点：刹车的制动点不在轮缘上，不会损坏车圈的电镀层。8、鞍座鞍座的长度、宽度的鞍梁的结构是以车型和乘骑者的性别、习惯来确定。鞍座的结构设计应充分考虑乘骑者舒适。它依靠鞍管与车架作钢性连接，用来承受人体的重量。具体来说： 鞍座面：是人体体重的支撑面，具有良好的强度和弹性，它由鞍座面皮和垫皮组成。 鞍座架：又称鞍梁，是鞍座的主体，其结构比较复杂，一般由前后撑板，左右鞍撑，上下梁组成，并连接和支撑鞍面。 鞍座簧：实质上是鞍座架的一部分。它支撑着鞍座架和鞍座面，起着缓冲和减震的作用。鞍座簧的形式有立簧、卧簧和拉簧等几种。 鞍座夹：又称鞍座卡，是由夹紧螺钉，座夹和夹板等组成，用来将鞍座固定在鞍簧上。 <二>杠杆、轮轴知识1、自行车上的杠杆:a、控制前轮转向的杠杆:自行车的车把,是省力杠杆,人们用自行车的前轮来控制自行车的运动方向和自行车的平衡.b、控制刹车闸的杠杆:车把上的闸把,是省力杠杆,人们用很小的压力压到车轮的钢圈上.2、自行车的轮轴: a、中轴上的脚蹬和花盘齿轮:组成省力轮轴(脚蹬半径大于花盘).b、自行车手把与前叉轴:组成省力轮轴(手把转动的半径大于前轮).c、后轴上的齿轮与后轮:组成费力轮轴(齿轮半径小于后轮半径). <三> 自行车上的气压知识a、自行车内胎充气:早期的各种轮子都是木轮、铁轮,颠簸不已.气内胎主要是使胎内的压强增大,可以起到缓冲的作用,同时可以减力.b、气门芯的作用:充气内胎上的气门芯起着单向阀门的作用,方便进气,保证充气内胎的密封.C、应用：(1)自行车车胎上刻有载重量。如车载过重，则车胎受到压强太大而被压破。(2)座垫呈马鞍型，它能够增大座垫与人体的接触面积以减小臀部所受压强，使人骑车不易感到疲劳。 <四〉摩檫力的知识 摩擦力就是接触阻碍或帮助物体运动的力,它的大小和接触面的粗糙程度、压力的大小有关.在压力相同的情况下,摩擦阻力越小,小车滑得更远,但并不是摩擦力越小越好,当摩擦力小到没有的时候,可以想自行车在光滑没有摩擦力的情况下,轮子会原地打转而不会向前.故自行车外胎的表面是凹凸不平的花纹就是为了增大摩擦力的.如果轮胎表面越粗糙,摩擦力越大,行驶过程中越安全.摩擦力不仅对自行车的启动很重要,而且对自行车的制动也很关键.当它在链条驱动下,后轮逆时针转动时,轮胎与地面接触处于对地面有向后运动的趋势,所以地面对后轮胎施加向前的力,成为自行车向前运动的力.在此力的作用下,自行车整体具有向前运动的趋势,而地面对前轮产生向后的摩擦力便沿着后轮胎相同的方向转动起来,使得自行车向前运动.当自行车刹车时,人捏刹车柄,使刹车线带动刹车块与轮胎靠紧,产生摩擦力使自行车减速,最终停下来.自行车上增大摩擦的方法:1、增加接触面积与粗糙程度来增大摩擦;2、用加压的方法来增大摩擦.自行车上减小摩擦的方法:1、利用滚动摩擦代替滑动摩擦;2、给某些部件加润滑剂,如:在轴中经常上油。自行车在行驶时为何不会跌倒,说明了一个科学道理:任何物体绕自身高速转动起来,由于转动的惯性,会保持转动轴线的方向不变,而且旋转得越快,保持旋转方向不变的能力也越强.自行车的前轮和后轮在行驶时,就是两个迅速转动的物体,也有保持转动轴方向不变的人力,这个能力就使自行车不会倒下.另外,当车要倒下时,人会本能地调正车轮方向保持平衡。自行车的这些力学原理在生活中应用很广泛,我们不仅要巧用它们,还要善用它们.近几年来，人们又研究出了一些提高自行车稳定性的部件，例如：避震前叉：车胎充足气后，车轮与道路的接触面积小，摩擦阻力相应减小，使得行驶较轻松。但是，一旦遇上高低不平的道路，就会颠簸不稳，特别是前叉震动更加厉害。采用避震前叉可以起到以下一些作用：将车架和前轮弹性的连接在一起，可吸收并缓解因路面不平而传递给车架的冲击和震动，保持乘骑舒适和平稳。由于减震装置具有缓冲作用，可以避免某些零件因过分震动而损坏。减震装置能传递垂直力，驱动力，侧向力以及相应产生的力矩，确保骑行舒畅。

不用电，环保的，老少皆宜。

自行车的前轴、中轴、后轴a、中轴上的脚蹬和花盘齿轮：组成省力轮轴（脚蹬半径大于花盘齿轮半径）。b、自行车手把与前叉轴：组成省力轮轴（手把转动的半径大于前叉轴的半径）。c、后轴上的齿轮和后轮：组成费力轮轴（齿轮半径小于后轮半径）。