机械系统设计——变速自行车1、自行车现状及发展趋势自行车是传统产业，具有100多年的历史。

在1902年，英国史都梅----阿切尔公司在自行车后轮装上了变速器，变速自行车出现了。

变速自行车在自行车后轮毂内装置有一套不同规格的齿轮，自行车行进行变速时，通过变速排档可以把链条置于不同的齿轮上，从而改变车速，以适应不同的路况和骑车人的体力。

综观当今自行车的世界潮流，变速自行车已成为世界自行车的主流。

根据数据显示，世界自行车行业的重心正从传统的代步型交通工具转向山地运动型的变速自行车。

在美、欧、日等发达国家，变速自行车是一种较普遍的运动、健身、休闲和娱乐性产品。

最近几年全世界对变速自行车需求量巨大。

今天，工业发达的欧美国家以及日本等国和地区所打造的各类自行车产品，从外观造型、材料选用，一直到表面装饰、整车装备等各个方面，发展非常迅速。

此种现状完全可以用“新品大量涌现、山地自行车仍是世界自行车市场主流、山地自行车变化明显、变速系统日趋朝高端技术方向发展、整车表面装饰趋于时装化及人性化、整车使用功能追求多样化、中高档自行车零部件配置水平不断提升。

随着人民生活水平的不断提高，为了满足更多需求，自行车从单一功能向多功能发展就成为一个必然趋势。

以"自行车变速调节"为核心技术的"变速自行车集“代步”、“健身”、“娱乐”于一体。

可以实现自动变速，体力消耗较少。

随着科技的不断进步变速自行车生产体系日趋完备，行业专业化程度越来越高，产体系日趋完备。

国内各种钢材、铝合金、钛合金等轻合金材料供应充足，原材料加工成形、整车生产涂装、各类各档次零部件的专业加工制造及配套齐备，已形成完整的生产体系。

而镁是继钢铁、铝之后的第三大金属工程材料，被誉为“21 世纪绿色工程材料”，未来自行车将会越来越轻巧。

未来变速自行车将采用材料，并装有一些数码。

带脉搏、频率计数电脑的训练变速自行不同目标的训练、集体骑行训练及时兴的体育运动。

随着自行车的个性化和专业化，人们对自行车零配件的要求也越来越高，如城市车和旅行车的轮毂装盘式刹片，轮胎为三种橡胶混合而成，前叉上装导航仪，自动换档，以保证骑行轻松。

总的来说，未来变速自行车的发展趋势必定是最大限度的减少变速自行车的缺陷，例如安全性等，而会增强其优越性，如灵巧行等等。

未来自行车的发张专业化会越来远强变速车是朝着美、轻、牢、新、廉方向发展。

美是造型美观、色彩鲜艳、华丽而不俗；轻是自重轻、骑行轻；牢是强度高；新是款式新、品种多；廉是成本低、竞争力强。

总之，另外，随着人们意识的不断增强，随着自行车的不断完善，越来越多的人会青睐于变速自行车。

2、系统的功能分析1）导向系统：由车把、前叉、前轴、前轮等部件组成。

乘骑者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（传动或行走）系统：由脚蹬、中轴、链轮、曲柄、链条、飞轮、后轴、后轮等部件组成。

人的脚的蹬力是靠脚蹬通过曲柄，链轮、链条、飞轮、后轴等部件传动的，从而使自行车不断前进。

3）制动系统：它由车闸部件组成、乘骑者可以随时操纵车闸，使行驶的自行车减速、停使、确保行车安全。

3、对该产品的支承系统、控制系统、操纵系统和安全系统进行分析；1）承系统分析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。

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，能适应多种道路行驶。

硬边胎自重轻，着地面积小适宜在平坦的道路上形式，具有阻力较小，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。

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。

链条链条又称车链，安装在连论和飞轮上，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。

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。

单级飞轮工作原理：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。

2）制系统和操纵系统分析1、导向系统：由车把、前叉、前轴、前轮等部件组成。

乘骑者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（传动或行走）系统：由脚蹬、中轴、链轮、曲柄、链条、飞轮、后轴、后轮等部件组成。

人的脚的蹬力是靠脚蹬通过曲柄，链轮、链条、飞轮、后轴等部件传动的，从而使自行车不断前进。

3、动系统：刹车以及刹车装置。

制动系统：它由车闸部件组成、乘骑者可以随时操纵车闸，使行驶的自行车减速、停使、确保行车安全。

4、行车的变速系统（包括链条和变速器等）：通过改变链条和不同的前、后大小的齿轮盘的配合来改变车速快慢。

前齿盘的大小和后齿盘的大小决定了自行车旋动脚蹬时的力度。

前齿盘越大，后齿盘越小时，脚蹬时越感到费力。

前齿盘越小，后齿盘越大时，脚蹬时越感到轻松。

根据不同车手的能力，即可通过调整前、后齿盘的大小调整自行车的车速，或是应对不同的路段、路况。

变速装置主要有：链条，飞轮，导向轮，张力轮，前拔后拔，变速调节螺丝等。

一般的变速自行车工作方式：是靠一个变速器的装置来变速的,原理和汽车上的换档装置很像.在自行车的结构中,我们把连接两个踏板(脚蹬)的轴叫主动轴.非变速自行车就是靠我们人工改变主动轴的转速来走各种路段的.我们把连接自行车后轮和车架的轴叫从动轴.这里顺便提一句自行车运行的基本原理:主动轴转动通过链条使从动轴一起转动,即为通过踩踏板带动后轮前进.变速器的设计就是为了改变主动轴和从动轴之间的传动比,从而达到省力,省车的目的。

一般的变速自行车,是在主动轴上安装3-5大齿轮,从小到大排列好.在从动轴上安装6-9个齿轮,从大到小排列好.在你的车把或车身上有两个变速杆,分别对应着主动轴和从动轴.变速时,转动对应的变速杆,就可以使链条到不同的齿轮上. 后拨的导向轮固定链条的位置，而张力轮保证链条有一定的张力，能够紧紧地裹在齿轮上。

张力轮固定在摆臂上，由弹簧拉进。

变速原理:在主动轴附近的链条上有个装置叫前拨,我们转动变速杆,就会使前拨的位置发生变化,从而使链条到不同的前齿轮上,这时,我们在转动调节从动轴的变速杆,就可以了.也就是说主从动轴都采用了可变换的设计,从而形成不同的传动比,达到变速的目的.简单的改变链条的传动比是不一定好使的,我们需要明白,不同的路段需要不同的传动比.当主动轴选用最大的齿轮,从动轴选用最小的齿轮时,可以获得最大速度,但却最费力,所以建议在下坡选用.当主动轴选用最小的齿轮,从动轴选用最大的齿轮时,可以获得最小速度,但却十分省力,在上坡使用尤为有效.另外,当前齿轮固定时,从动轴上的齿轮越小,越能加速3）全系统分析刹车自行车刹车分为前刹和后刹。

其操作原理是通过增大压力而增大摩擦的。

一般来说，左刹车控制前轮，右刹车控制后轮。

在遇到紧急情况下，必须先刹后轮，因为后轮是主动轮，而且根据惯性有关知识，若只刹住前轮，人就会飞出而导致交通事故。

坐垫弹簧在自行车构造中，坐垫弹簧相当于一个减震器，当行驶在凹凸不平的路面上时若没有坐垫弹簧，人就会不停抖动，无法控制车身，容易摔倒，并且像这样的震动，对人体的骨骼也有伤害。

此外，除坐垫弹簧外，山地车其它地方也有多处弹簧花纹“花纹”在自行车上扮演着重要的角色，脚踏板、轮胎或是刹车把手上都能看到它的身影，它们的共同原理都是通过增大物体表明粗糙程度来增大摩擦。

如脚踏板凹凸不平、轮胎上制作了花纹、车的把手上有凹槽等。

尾灯自行车尾灯的外表面是平的，内表面全部是顶角90度角的突起，根据反射定理，平行光照射到塑料块内部表面上会发生“全反射”(不发生折射),平行光线再经过两次反射后,重新以平行光反射到最初光线入射的方向,所以看起来会特别亮。

4、产品进行总体评价，提出自己的改进方案总体评价变速自行车随着科技的不断发展改进能够使其更加贴近人们的生活需要。

现在的人们主要运用其做距离较进的代步工具，和平时锻炼身体的运动产品譬如山地变速自行车，而变速自行车在体育赛事的应用也得到广大人们的喜爱，譬如世界著名的赛事环法赛是世界影响最广、规模最大，比赛水平最高的自行车比赛。

环意大利赛和环西班牙赛次之。

其奖励也是相当的丰厚。

变速自行车可以说在很大程度上使我们生活更加富有乐趣。

改进采用高强度塑料材质代替金属制变速齿轮和链条。

采用高强度塑性材料制作链条。

从而来减轻造价以及全车重量。

同时塑料具有易塑性，成型方便造价便宜等优点。

同时作为塑料，其具有金属材料所没有的耐腐蚀性和抗氧化性。

这个特性相比面对的恶劣天气的金属链条有着十分的优越性。

在美观上也可以方便的采用与车身相同的颜色，做到整体上的统一，从而来增强美感。

可采用折叠来提高自行车的携带性，或给自行车安装一些电子设备来扩充自行车的功能。