自行车行车阻力分析

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资源描述

一、滚动阻力:相当于车轮在路面上滚动时所引起的能量损失。它由滚动时轮胎断面产生变形、胎面与路面之间相对滑动、路面变形、由于路面不平而引起的振荡损失等因素组成。影响自行车滚动阻力的因素有:1.人和车的总重量:如果负荷过大,充气轮胎的沉陷率过大,一方面滚动阻力显著增加,另一方面轮胎本身内部揉动很大,从而促使帘布层和橡胶层的老化。骑自行车时,要减轻人的重量是不现实的,就要设法减轻车的重量。2.轮胎结构和材质:胎冠的厚度和胎肩的厚度越大,滚动阻力系数越大。胎冠的花纹呈线型、细条型、帘线的支数细,其滚动阻力系数往往较小,多用于运动车。普通车对路面的抓着力、雨天的刹车力、防止侧滑能力、耐久性等有较高需求,往往采用块形花纹和帘线支数粗的轮胎,而其滚动阻力相应也增大。因此,设计人员应根据具体的车型选用相应的轮胎。3.车轮的规格;包括车轮尺寸和轮胎宽度。当车轮直径较小时,由于曲率半径小,所以轮胎接地部分变形量增大,滚动阻力增大。另外,不平或碍障物比较敏感的路面会使滚动阻力显著增大。宽轮胎往往用于不平的道路和软性路面上。4.胎压:轮胎的其他条件不变,胎压越低,变形量越大,滚动阻力越大。随着胎压的增大,变形量减小,滚动阻力也相应地减小。5.车架精度:在车架加工过程中,或多或少地存在加工精度问题,从滚动阻力分析的角度来看,车架精度差会引起:从俯视方向观察车轮,前后轮不在同一平面内,从后视方向观察车轮,两轮也不在同一平面上,使骑行产生“沉重”的感觉。6.路面情况:直接影响骑行滚动阻力,因此还要考虑所设计自行车的使用路面情况。二、空气阻力:自行车在空气中运动,空气本身也在流动,两者综合形成的相对运动,造成对自行车骑行阻力。空气阻力由磨擦阻力和压力阻力构成,磨擦阻力是空气对车和人体表面的磨擦作用造成的阻力。压力阻力有二种:一种是车和人的前部气流被紧挤,产生对抗车和人前进的正压力;另一种在后部和拐角处空气变得稀薄而引起涡流,产生将车和人吸住的负压。构成磨擦阻力的因素与车和人的表面平整、光滑度和外形大小有关,此外还与挥动脚蹬时的空气阻力和车轮转动的空气阻力有关。目前出现的高速自行车、避风式自行车、流线型自行车以及采用“滴水管”和异径辐条等,其目的均为了减轻空气的阻力。三、坡度阻力:在具有纵向坡度的路面上,当自行车上坡时,其重力在平行于路面方向的分力与骑行的方向相反,称坡度阻力或上坡阻力,下坡时,其重力在平行于路面方向的分力与骑行方向相同,形成的坡度阻力或下坡阻力,为负值。设计自行车时,为了提高上坡性能,主要依靠变速来解决,减小速比,降低了速度,使后轮有效转矩增加,能够爬上更陟的坡,提高上坡能力。由于坡度的不一,要求能有多种速比相适应。四、加速阻力;当自行车加速时,其惯性力的作用方向与骑行方向相反,称加速阻力,减速时为负值。对于自行车来说,运动速度产生变化的质量可分为两种性质:一种是车和人整体形成直线运动的质量;另一种是自行车旋转部分的质量,如车轮,链轮等,在加速时,这两种质量都要消耗能量才能实现加速运动,并随着运动的加速而增加其动能。关於加速阻力,一般局限于赛车方面,即尽量降低车重,特别是车圈和轮胎的重量。实验证明:同一重量的车圈和轮胎,对加速阻力的影响效果为非转动部分的5~6倍。因此,提高加速性能也是设计人员应当考虑的一个方面。五、内部阻力:骑车人驱动中轴转动所做的功,在转换成为有效的后轮推力过程,把动力传递中所浪费的部分称内部阻力。其中包括:1.各转动部分的转动摩擦力矩:如果环绕中轴力矩,则其摩擦力矩(公斤力-厘米)为;若前后轴;2.4,则中轴1.0,链轮和链条:1.2,飞轮和链条:1.2。如果环绕后轴,则其值进一步减小到它的三分之一左右,与滚动阻力、空气阻力相比,仅为百分之一左右。2.链传动的效率:轴皮转动、链轮、飞轮和链条的啮合,产生的摩擦阻力并不大。3.由于车架的弯曲或扭曲等瞬时弯曲变形时变形产生的能量消耗;由于大链轮和飞轮的旋转与车架中心平面不重合,如果踏力较大在强大的链条抗力作用下,使中接头和后平立叉部分受弯曲而靠拢,曲柄每转一周,这种现象在左右脚蹬各发生一次,使车架弯曲变形,并出现“抖动”现象。不单是能量的损失,随着车架的抖动促成车轮安装精度的破坏而增大滑角,从而引起滚动阻力的增加。设计赛车等自行车时应特别重视这一点。抖动的能量损失很大,一般占内部阻力的1O%左右。4.轴皮变速内部阻力:轴皮变速内部的行星齿轮机构是由很多零件组成的:中心齿轮、行星齿轮、内齿轮、撑牙等,但其摩擦阻力不大。外变速或变速器的链条中心线是偏斜的,但传动效率的降低也很小。5.骑车人身体的上下振动的能量损失:从带有减震的车架和鞍座到骑车人身体的上下振动,其能量的损失有时很大。为了骑行舒适,车架、前叉、鞍座的弹性要好,但设计时也要考虑保持其合理的刚性,以充分发挥骑车人输出功率的实际效能。由于自行车内部阻力的产生原因和性质,与其它骑行阻力不同,设计时.可以传动效率的形式来处理。

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