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自行车结构分析 王众 张然 研究内容概述 自行车的车把的应力、应变情况 自行车主要承重结构的受力情况 自行车结构的力学模型简化 自行车的结构一般采用薄壁圆形杆件，其实际连接状态为焊接，虽然焊接处将存在一部分的残余应力，但自行车结构可以简化为以下力学模型 车把的加载方案 人扶把时应力的测量 利用砝码进行实验模拟 车把弯扭组合实验数据分析 人加载时车把受力比较 自行车主要承重结构分析 自行车在承受静载荷时各梁的负荷不同，其中主梁受弯最大，因此各种自行车都必须设计主梁或将主梁倾斜一定角度从而承受人施加给的弯距。 自行车的车座梁受弯最小，只受轴向拉压，因此某些赛车将此梁设计成为断梁的形式，并在此安装减震器，从而达到较好的效果。 自行车的车把 研究展望 车座设计在什么位置上生物能可以得到最高利用 人在骑车时要考虑空气阻力的问题，人们骑车向前进时，必须突破空气阻力，这就需要力量。下图的车座升的很高，就是为了减少空气阻力而设计的。 通过学习自行车的发展史，可知1815年，世界上第一辆自行车出现在法国 ，借助脚蹬地的反作用力，使车轮向前滚动 。1869年，法国人玛金在前轮上加了脚蹬，到1890年，英国一个医生把实心轮胎改为充气轮胎，减少了与地面的摩擦力，提高了车速。是否可以从结构入手，通过优化结构，提高车速？ 通过实验，初步设想通过改变自行车的主梁，斜梁，车锁梁的长短和角度，来改变人的重心位置，从而达到提高车速的目的。 * * 应变片的主要位置以及杆件尺寸 人加载时车身左右摇晃，不利于静态实验进行， 因此不能证明车体是否垂直于地面。 砝码实验模拟的实验数值 可见实验数值基本稳定。实际上，重量加载在后车座上， 后斜梁几乎不发生应变。 ? 右侧με 左侧με 右侧加20N 6 0 左侧加20N 0 6 同时加20N 6 8 ? 右把 加载 εο 上 ε-45 ? ε45 ? εο ?下 ε-45 ? ε45 ? 管 31 32 -15 -30 -36 7 右20N 28 27 -8 -27 -25 1 全20N 30 29 -8 -29 -27 2 全20N 26 24 -10 -30 -28 2 此数据是在测量人坐在车上后，给车把的应变数值进行理想化 模拟：给车把左右套上刚管以便在车把上加砝码，在数值接近 人加载数值后，进行实验，数据显示车把中间是由铰链连接加固。 结论：经过铰链加固的车把钢管不再传递力矩 4.8 38.6 Εds右 6.17 34.6 Εds左 测扭去弯με 测弯去扭με 采用全桥法： （MP） 左 右 ? 左 右 测σw 4.739 5.287 测τn 0.243 0.19 理论σw 4.613 4.613 理论τn 0.325 0.325 误差 2.7% 14.6% 误差 ?- ?- 说明：1/4桥接法误差较大，所以用了全桥，扭转应 力小于1，不进行误差计算。 结论：理论与实际中，扭转应变很小, /εds/10, τn〈1可以近似忽略 由此图可以看出，加强部分的应变很小，其他对称位置 的应变基本呈现对称形势。因此实验时车基本水平。 横梁 有些早期出产的24型女车，其主梁为U型结构，因此 其需要将主梁加固。电动自行车就将其主梁进行了加 固，从而达到其本身的功能布局。 斜梁 此梁也受弯距，但与主梁比较，显得很小。 虽然车把受到弯扭组合影响，可是扭矩的影 响很小。实际上，对于普通型自行车，人坐 在车上，由于车把受扭 很小，所以车把可以 设计的尽量舒服，美观。但是车把受扭的考 验是在自行车行使中突然捏闸时，扭矩会突 然增大。但是 本实验受于静态的限制，无 法对其状态进行模拟。 人能平稳地骑行前进，是依靠车把两端和车座 三个支撑点形成一个平面，来维持平衡的。在 这三个点中，车座是主要支撑点，它承受着大 部份身体的重量。除了掌握正确的骑行姿势 ， 我们是否可以从结构上考虑，进一步降低能量 的消耗。