自行车行车阻力分析

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。