自行车的受力分析ppt

分析自行车上的摩擦力作者：鲁明来源：《初中生世界·八年级物理版》2013年第03期摩擦力是一种常见的力，当两物体相互接触，相互挤压，并做相对运动或者有相对运动趋势时，在接触面会产生一种阻碍相对运动的力，这个力叫摩擦力.在日常生活和生产活动中，有些摩擦是有利的，有些摩擦是有害的.我们总是要增大有益摩擦，减小有害摩擦.下面就以自行车为例来加深对摩擦力的认识.一、自行车上的有益摩擦和有害摩擦自行车上的静摩擦都是有益的.各部件的固定和安装都要用到螺丝和螺帽，必须要把它们旋紧，主要目的就是增大部件之间的摩擦力.如前叉和龙头的固定、连接鞍座在车架上固定、前后轮在车架上固定、脚蹬在曲柄链轮上固定等；后轮胎和地面的摩擦也是静摩擦，因为它是驱使自行车前进的力，所以它也是有益的摩擦力；刹车时刹皮和车轮之间的摩擦能有效地控制车子的行进，所以它也是有益的.自行车上的动摩擦都是有害的.如中轴、前车轴、后车轴、前叉合件、脚踏轴等部件，同时包括刹车把手，它们在转动过程中极易使部件磨损，造成传动或转动障碍，所以它们之间的摩擦是有害的.二、自行车上增大有益摩擦和减小有害摩擦的部位和方法1.自行车的种类很多，不管是哪种自行车，增大和减小摩擦的方法都差不多.自行车上增大有益摩擦的方法有两种：一是增加接触面的粗糙程度来增大摩擦；二是用增大压力的方法来增大摩擦.（1）在自行车上有很多部位都是通过增大接触面的粗糙程度来增大摩擦的，具体见下表.（2）自行车也有一些地方是采用增大压力的方法来增大摩擦的，具体见下表.2.自行车上减少有害摩擦的方法有两种：一是利用滚动摩擦代替滑动摩擦来减少摩擦；二是给某些部件加润滑剂来减少摩擦.（1）以滚动摩擦代替滑动摩擦的部位和方法见下表.（2）自行车上也有通过给某些部件加润滑剂的方法来减少摩擦的，比如在链条和轴承处.三、车轮所受的摩擦力方向1.脚蹬自行车启动时车轮所受的摩擦力方向如果问自行车是怎样前进的？很多同学都会说这个问题太简单了，“因为人用力蹬，所以车向前进”.实际上如果找一辆可以三点支撑的自行车（如图1），支起它的后撑脚，用手摇动脚踏使后轮转动起来，发现自行车是丝毫不前进的.所以自行车后轮还必须与地面接触才能前进.那为什么后轮着地时蹬车车就能前进呢？当我们骑在自行车上时，由于人和自行车对地面有压力，轮胎和地面之间不光滑，因此自行车与路面之间有摩擦力.那么这个摩擦力的方向是什么呢？这里结合图示加以受力分析.首先，当脚对脚蹬施加向下的作用力F时，链条带动飞轮向前（本文中是以向右为前，向左为后）转动，从而带动后轮沿顺时针方向转动，如图2箭头所示.此时后轮相对于地面有向后的运动趋势，如图3的箭头所示.根据静摩擦力的方向与物体的相对运动趋势方向相反，所以地面对后轮产生了向前的静摩擦力f，从而推动自行车能够前进，这就是自行车前进的动力，如图4所示.所以我们把自行车的后轮称为主动轮，而把前轮称为从动轮，是“被迫”旋转的，起辅助行驶和辅助平衡的作用.那前轮此时是否受到摩擦力呢？答案是肯定的.因为此时地面对后轮产生了向前的静摩擦力，使自行车向前运动起来，此时前轮相对于地面向前滚动，如图5箭头所示.而且地面又是粗糙的，所以前轮受到了地面的滚动摩擦力.根据摩擦力的方向总是与物体的相对运动方向相反，所以地面对前轮产生的滚动摩擦力f的方向是向后的.如图6的箭头所示.那么前轮所受滚动摩擦力有什么用？是用来阻碍自行车的运动的，其方向与自行车前进方向相反.正是这两个力大小相等、方向相反，所以自行车能够做匀速直线运动.2.当停止踏动脚踏板时车轮所受的摩擦力方向当停止踏动脚踏板时，链条和外套都不旋转，但整辆自行车由于具有惯性仍然保持向前运动的状态，此时前轮和后轮都相对于地面向前运动，如图7箭头所示.因此地面对前轮和后轮都产生向后的滚动摩擦力f，如图8箭头所示.由于摩擦力的方向与物体的相对运动方向相反，根据力可以改变物体的运动状态，所以自行车处于减速状态.3.刹车时车轮所受的摩擦力方向刹车时，刹皮与车圈间的摩擦力属于滑动摩擦力，阻碍后轮沿顺时针转动方向转动.因为接触面所受压力越大，接触面越粗糙，滑动摩擦力就越大.如果此时手握刹车把手压力越大，刹皮对车圈的压力就越大，产生的摩擦力也就越大，后轮就转动得越慢.如果完全刹死，这时后轮与地面之间的摩擦就变为滑动摩擦（原来为滚动摩擦，方向向后），强大的滑动摩擦力f 的方向与自行车前进方向相反（如图9箭头所示），阻碍了自行车的运动，使自行车迅速减速（或迅速停止运动）.4.人通过走路推动自行车行驶时车轮所受的摩擦力方向当人们在地上推自行车前进时，前轮和后轮的摩擦力方向都向后.示意图如图8所示.那谁和这两个力平衡呢？脚对地面向前的摩擦力.通过对自行车上的摩擦现象的再认识，我们不但进一步巩固了物理知识，而且能够和实际生活相联系，运用已有知识分析、解决问题，体会到物理知识和社会生活有着密切的联系.。

自行车中的力学0 引言目前中国已经成为了全世界第二大经济体，世界瞩目。

但是，随着经济水平的提高，我国的环境却出现了明显的恶化，特别是严重的雾霾天气，已经对广大人民的健康生活带来了危害。

随着环境问题的日益突出，绿色低碳生活成为了人们谈论最多的话题，其中自行车作为一种完全绿色健康的生活方式，在各大城市中均掀起了一股“骑行热潮”。

自行车的出现距今已有百余年，最早是由法国人西夫拉克发明的。

而第一辆现代意义的自行车则出现在19世纪末的英国，后由传教士带入中国。

自行车分为公路自行车、场地自行车、三项赛/计时赛自行车、山地自行车、速降自行车、斜躺自行车、旅行自行车、广告自行车、越野公路车、双人/多人自行车、折叠车、电动自行车、小轮车等多种用途和种类，但不论哪种其基本结构和力学原理都是一样的。

1 自行车的基本结构自行车的基本结构包括：1）前轮；2）辐条；3）花鼓；4）前叉；5）前刹；6）钢索；7）刹车及变速把手；8）车把；9）竖杆；10）车架；11）前变速；12）车座杆；13）车座；14）后刹；15）货架；16）飞轮；17）反光镜；18）后轮；19）后变速；20）脚撑；21）气门；22）后轮；23）链条；24）轮盘；25）脚踏；26）曲柄等等。

2 自行车受力分析根据自行车的构造可以看出，后轮为主动轮，是整个车体的驱动部分，而前轮为从动轮，在自行车运动时两个轮子均成顺时针转动，那么两个轮子的受力状况存在什么区别呢？下面我们分别对两个轮子的受力状态进行分析。

首先是后轮，其受力分析如下图1所示，后轮通过脚踏板和链条等传动装置，获得一个来自人力的力矩M1，因此呈顺时针方向转动，由于车轮相对于地面呈向后运动的趋势，所以会受到地面对其向前的摩擦力Fs，其力矩为M2，这就是驱动自行车向前运动的作用力。

图1 自行车后轮受力作用图我们再来看前轮，其受力分析如下图2所示，由于前轮为从动轮，因此它会被迫成顺时针方向转动，因此其相对地面的运动趋势为向前，所以会受到一个向后的摩擦作用力Fs’。

山地车几何尺寸受力分析大部分的骑车人或自行车族，都将车架的几何当成一种魔法妖术，里面充满了难以理解、永远都搞不懂的事实。

几乎所有的现代越野登山车只在几种角度内变来变去，两度的差异就可立判车架的高下。

二十年来的试验造就了一个放诸四海皆准的登山车车架几何:71°的头管角度、73°的座管角度、23英寸的上管长度、16.9英寸的后下叉长度及12英寸的BB高度。

车架尺寸配方上小小的更动，就能大大地改变车子的操控性。

MBA 每年都要试骑40台以上的登山车，而且没有例外的，我们发现，每一台车子都有自己的个性。

常识告诉我们，车架几何一小丁点的更动，对登山车的操控性似乎不会有什么大不了的改变。

但事情却不是想像的这样，车架各部份的长度、角度的不同，真的会让你现在看到外观大同小异的车子，骑起来是如此的不同。

像传奇性的感觉或完美的均衡这样的形容字眼，并不常出现于MBA杂志评比、试骑的车子上。

车架设计师完完全全地了解，我们所谓的车架几何，一只手就数得出来的角度关键点。

任何有经验的登山车骑士，大概踏曲柄转个三圈之内，也就能分辨出一台车子到底是什么牛鬼蛇神。

座管角度是指座管向后倾斜的角度，用以补偿骑士腿长。

当座垫在合适的高度时，也就是脚可以完美伸展的状态下，在大齿盘曲柄指向三点钟方向时，你的脚踝必须在你的膝盖之下。

一百年的车架制造史经验积累，设计师们发现，73°的座管角度，可以满足大部分的骑士。

这个角度可以弥补腿短的骑士，高个子的人拉高座垫时，座垫位置可以往后移一些，而小个子的人调低座垫，座热位置是稍微往前跑的。

当然有例外的身材，但是当73°座管角和座垫的前后调整配合时，几乎可以将所有骑士安置于和曲柄搭配好的正确、适当的位置。

当然，这是普遍情况。

有充分的理由驱使设计师们试着再将座管角度后倾或前挺一些。

座管角度同时也决定了骑士体重在前后两个轮子之间的均衡分配，也就是重心。

骑士愈高，那么他坐上车子后，大部分的体重会落在前轮。

自行车上的摩擦力研究报告认识了摩擦力，探究了影响滑动摩擦力大小有两个因素，并知道增加有益摩擦和减小有害摩擦的方法。

摩擦力通常分为滑动摩擦、滚动摩擦和静摩擦几种。

滑动摩擦力是一个物体在另一个物体表面滑动时，所受到的阻碍物体相对运动的力。

影响滑动摩擦力大小有两个因素： 1. 摩擦力的大小与接触面间的压力大小有关，接触面粗糙程度一定时，压力越大摩擦力越大。

2. 摩擦力的大小与接触面的粗糙程度有关，压力一定时，接触面越粗糙，摩擦力越大。

在日常生活中和生产活动中，有些摩擦是有利的，有些摩擦是有害的。

我们总是要增大有益的摩擦，减小有害摩擦。

增大有益摩擦的方法有两种：1增加接触面的粗糙程度来增大摩擦；2、用增大压力的方法来增大摩擦。

减小有害摩擦的方法有多种：1、减小接触面的粗糙程度来减小摩擦；2、用减小压力的方法来减小摩擦；3、利用滚动摩擦来减少摩擦；4、给某些部件加润滑剂；5使两个接触面彼此分开，如：气垫船、磁悬浮列车都是利用这种方法减小摩擦的。

生活中到处都有摩擦力，为了进一步了解摩擦力，锻炼自己理论联系实际能力，了解物理与实际生活的联系，我们对结构比较简单，应用比较广泛的自行车进行了研究。

研究方式：1、查阅教材进一部熟悉有关摩擦力的知识。

2、拆卸、观察自行车的结构。

找出与摩擦力有关的部分。

3、询问老师、家长和修车师傅有关自行车的一些问题。

4、亲自去骑不同类型的自行车，具体体会它的不同之处。

5、利用网络资源收集有关自行车的资料。

6、分组分析讨论，大家合作，形成实验报告。

研究内容：一、自行车上增大有益摩擦，减小有害摩擦的方法自行车的种类很多，不管是哪种自行车，增大和减小摩擦的方法都差不多。

自行车上增大有益摩擦的方法大抵有两种：1增加接触面的粗糙程度来增大摩擦；2、用增大压力的方法来增大摩擦。

自行车很多地方都采用了第一种方法来增大摩擦-----增加接触面的粗糙程度来增大摩擦的.例如：图1：自行车的把手做成有花纹的图2：自行车的踏脚有花纹图3：轮胎做有花纹自行车也有一些地方是采用第二种方法---增大压力的方法来增大摩擦，如：自行车上用来固定零件的螺丝和螺帽必须要悬紧，以增大压力，增大摩擦力，防止螺帽脱落（如图4）。

有限元分析强度分析(自行车车架力学实验关键承力结构)机械1202 马也 3120301052引言：自行车的车身主要有前车架和后车车架组成，为了对已经制造出来的自行车进行承受能力实验，设计师专门针对这个分析设计了一套夹具(工装)，以便于自行车车架受力试验的进行。

试验中关键的部位是两个轴（图1中A和C两个位置），这两根曲轴是车架的受压试验直接着力点，设计要求前后支架载荷比例满足：1:1.43，并且要求前后轴受力在1000N以上。

设计师在设计时根据设计经验设计了一套架子（图1），但是不能确保两根轴的强度是否满足要求，因此采用有限元ANSYS对车架进行了力学分析和强度计算，对这个设计方案的可靠性验证具有重要参考意义。

图1 自行车受力架三维图分析思路：整个支架主要有前支架和后支架构成，分析对象为支架上的两根不同跨距的支杆，而支杆的强度只与杆上的载荷和接触有关，从图上也可以看出杆才是整个结构强度最弱的部位。

两根支杆和整个支架均采用普通不锈钢材料。

影响计算精度的最大影响因素为材料、网格、接触和约束。

在网格达到一定数量后，由于有限元的网格无关系，这时可以不用考虑网格的影响了，同种材料下的强度计算时，杆的接触设置是关键，这里采用No separation进行接触设置。

载荷以坐标分量的形式在Y轴（重力方向）分别施加不同的载荷，直至达到材料的屈服强度位置（材料一旦进入屈服，就会发生永久性的变形，此处为杆的弯曲）。

为了计算出结构的最大安全载荷，也就结果从弹性变形过渡到塑性变形的临界载荷，下面对两杆和支架分别进行了载荷计算，因为试算的次数比较多，因此工作量非常大。

在分别求出各杆的最大临界载荷后在整个支架模型上分别添加最大临界载荷，最后考察总体受力情况。

具体实现步骤如下“1双击ANSYS workbench启动按钮，启动ANSYS workbench如下图所示：2.ANSYS WORKBENCH启动后弹出工具栏如下图，双击Static Structural3. 双击Engineering Data设定材料属性,从通用材料库中选择不锈钢(Stainless Steel)，材料参数结果如下图所示。