自行车(卷名：轻工)
bicycle
由骑乘人脚踏驱动的两轮车。它结构简单、自重轻、造价较低、维修容易、毋需能源、无污染、无噪声、对道路适应性强，广泛用于交通代步、运载货物、体育锻炼和竞赛等。
简史 中国《清代述异》第十一卷记载，17世纪中叶，黄履庄氏“制双轮小车一辆，可坐一人，不须推挽，能自行”。1790年，法国的西夫拉克伯爵发明用双足蹬踩地面前进的两个木轮的车，时称木马轮（图1 ）。1818年，德国的B.K.von德赖斯发明前面有车把的木制两轮车，它能操纵前轮转向。1839年，苏格兰铁匠K.麦克米伦制成了第一辆由曲柄连杆机构驱动后轮的铁制两轮自行车，用脚蹬踏脚板行驶（图2）。1861年，法国的P.and E.米肖父子制成前轮大、后轮小、前轮上装有曲柄和能转动的脚蹬板的自行车，并于1867年在巴黎博览会展出（图3）。1869年，英国的W.F.雷诺首先采用辐条拉紧轮辋（车圈），并在轮辋上装上实心橡胶轮胎，同时采用轻细钢棒制成车架，使自行车的重量大为减轻(图4)。以上5种自行车均与现代自行车相差较大。1874年，英国的H.J.劳森在自行车上采用了链条传动结构，将脚蹬装在前后轮之间，但仍为前轮大、后轮小（图5）。1886年，英国的J.K.斯塔利在自行车上装置车闸，在传动轴上采用滚子轴承，前后轮大小相同，并用钢管制成菱形车架（图6）。1888年，英国的J.B.邓洛普将充气橡胶轮胎成功地应用在自行车上，显著地提高了自行车的骑行性能，使自行车的结构和性能臻于完善。
20世纪初期，自行车生产逐渐发展，结构也有改进。当时英国是主要生产国，也是主要输出国。第二次世界大战以后，汽车工业迅速发展，自行车生产受到一定影响。70年代出现能源危机，从而出现自行车热，促进了自行车生产的发展。
1929年，中国始在一些沿海大城市生产自行车零部件。1932年引进部分零件组装整车。1936年，日本昌和制作所先后在沈阳、天津、上海开设了 3个规模不大、产量很少的自行车厂。1945年这3个厂转归中国，但产量仍然很低。直至1949年，中国自行车年产量仅1.4万辆。1949年以后，自行车工业发展较快。至1988年，全国共有整车厂84家，零件厂300余家，形成了一个完整的专业配套生产体系。1979年，中国自行车年产量超过1000万辆，开始跃居世界首位。以后几年自行车产量仍然不断增长，一直领先于世界各国。1987年年产量超过4000万辆。
结构组成 自行车主要由车体、传动、行动、制动、照明和反射装置5个部分组成，根据需要还可增加一些附件。对于运动车、旅游车以及竞赛车等装有变速机构的多速自行车，尚需要增加变速控制器和前后拨链器等(图7)。
车体部分 由车架、前叉、车把、鞍座和前叉合件等主要部件组成，是自行车的主体。车架有多种形状，大致可归纳为4种基本形状（图8），各种形状的男女自行车都是在这个基础上发展的。菱形车架的强度高，适于载重车、非载重车和竞赛车等各种车型，是自行车车架的典型结构，使用最广。四边形车架多用于女式自行车。为便于携带和存放，也有将车架做成可折叠和可拆卸的结构。车架一般用普通碳素结构钢钢管钎焊组合而成。为减轻重量，较高级的自行车采用普通低合金钢，如19锰钢、15钛钢等。在竞赛车上则采用不等壁高强度合金无缝钢管，有的还将钢管做成流线形的断面，以减少高速行驶时的空气阻力。
前叉通过由上下两组钢珠轴承组成的前叉合件与车架相联接，在车架上可以灵活转动。车把通过车把中心螺钉和斜楔式的螺母固定在前叉立管内，使之与前叉联接成一个刚性的转向机构，以提供良好的操纵性能，并可在立管内自由地调节一定幅度的高低。车把还起着能支撑骑行者的作用。车把的式样很多，既要满足骑行者舒适的需要，又要美观，它可分为可调式和固定式两种，可调式又分上翘式和下垂式（俗称羊角把手）。
鞍座的品种很多，它的长度、宽度及鞍面和鞍梁的结构，依车型和骑行者的性别、习惯来决定。鞍座依靠一根鞍管与车架作刚性联接，用来承受人体的全部重量。鞍管可在规定范围内上下调节，以适应骑车人的身高。但鞍管插入车架立管内的插入量，不得少于鞍管直径的2.5倍。
传动部分 由脚蹬、曲柄链轮、中轴、链条和飞轮组成。骑车人脚踩脚蹬带动曲柄链轮作回转运动，并经链条传到后轴飞轮上，带动后轮旋转，驱车前行。脚蹬踩动一周而使车轮前进的距离，称为行程。根据使用要求，不同的车型选用不同的链轮与飞轮的传动速比，以达到不同的行程。飞轮是一个外面带有链齿的单向棘轮（图9），在行车滑行时能使脚蹬保持不动，在起步时则可用以自由地选择脚蹬起步的位置。一般自行车的传动速比是固定的，即行程是一个定值。但在实际使用中，由静止起步、逆风行驶或上坡骑行时，需要车轮有较大的转矩，这时要求减小传动速比；而在常速行驶、顺风、下坡时，可减小车轮的转矩，这时要增大传动速比，以减小体力消耗。因此，较高级或特殊需要的自行车，都装置不同形式的变速传动机构，如后轴变速机构和传动链变速机构，以及中轴变速机构。
后轴变速机构俗称内变速机构。它巧妙地将一组行星齿轮安置在后轴壳内。这种变速机构变速范围窄，挡次少，一般是3级，也有4级和5级的。由于它是封闭型，外表较美观，也易保养，广泛用在普通型或轻便型自行车上。图10为3级变速机构，它的右端有操纵链与车把上的变速扳手相连接，当扳手改变位置时，可使变速机构中的十字块处在左、中、右3个不同的位置，从而改变链轮通过行星机构传递到轴壳的不同速比。十字块向左时，得到增速，速比为1:1.333;十字块在中间位置时，得到常速，速比为1:1；十字块向右时，得到减速，速比为1:0.75。为了使骑行者知道速比所处的位置，在变速扳手表牌上刻有3、2、1数字加以表示。
传动链变速机构俗称外变速机构。在国际上被广泛采用。它的优点是变速范围大、传动效率高。它是由多级链轮和多级飞轮组成，依靠链条的移位，得到不同的传动速比(图11)。当链轮为3级、飞轮为6级时，可得到18种速比。行程可从1.5m变化到10m左右，甚至更大，能满足各种竞赛车和运动车的要求。传动链变速的动作是由一个拨链器完成的。装在中轴链轮处的叫前拨链器，装在后轴飞轮处的叫后拨链器。拨链器通常是一个四连杆机构，它通过拨链器的控制扳手，来改变四连杆接点对角线中心距，使四连杆机构变位（图12），利用四连杆活动臂上装的拨链导板来改变链条位置。后拨链器的链条导板上，还装有两个活动的链条张紧轮，用以调节链条的长度，使传动链不论在何种搭配的情况下，始终保持规定的链条紧度而不致脱链。拨链器一般为钢制，竞赛车或较高级运动车为了减轻重量，多数采用高强度铝合金制成。
中轴变速机构是在中轴部位制成的一个变速箱。由于占用部位大，传动效率低，未能得到发展。
自行车使用的链条是套筒式滚子链。这种链条传动效率高，不滑移，能正确传动速比，不受传动距离限制。
行动部分 为前后轴、辐条、轮辋（车圈）、轮胎等组合成的车轮。车轮的重量和轮胎的花纹、规格、质量等，对骑行轻快和舒适与否有很大影响。一般尽量使轮辋和轮胎的重量减轻，以求骑行轻快，故有些轻质的轮辋采用铝合金制造。轮辋和轮胎的直径和断面决定于自行车的品种型号和使用要求。断面形状有软边、直边（也称硬边）、钩边和管状4种(图13)。软边的断面能承受较大的载荷，胎面较厚、较耐用，多用于载重车上；直边的重量轻，但受载量小，多用于普通车、轻便车、运动车和旅游车上；钩边的多用于轮胎断面较宽、轮径较小的自行车，如越野车上。以上3种形状的轮胎均有内胎和外胎，内胎用来充气。管状的断面主要用于竞赛车上，它的内外胎做成一体，以求减轻重量和快速拆装。轮胎上的气门嘴，中国采用胶管式（俗称小橡皮管），其他国家多采用气封式（类似于汽车轮胎阀门结构）。
辐条的作用是使前、后轴分别与轮辋联接成一体。因各种车型要求不同，它的规格有粗细长短之分，还有两端粗、中间细的专用于竞赛车的特殊规格。辐条材料采用镀锌(或镀铬)碳素钢或不锈钢。为减少装配工作量和降低成本，有些轮径较小的自行车将轴壳、辐条、轮辋三者用高强度塑料注塑成一体。
制动部分 为保证骑行者的安全，自行车均装有制动用车闸。车闸可分为轮缘闸和轴闸两大类。
①轮缘闸:通过机械杠杆、推杆、拉杆或钢绳等，直接将高摩擦系数的闸皮压向轮辋边缘或轮胎，将运转中的车轮刹停。轮缘闸主要有杆闸、触闸和钳形闸3种(图14)。杆闸常用于普通车和轻便车上。触闸一般常与脚闸配套，即后轮为脚闸，前轮为触闸。钳形闸常用于轻便车、运动车、旅游车和公路竞赛车上。轮缘闸结构简单、维修保养方便，被广泛采用。但在受轮辋不正或下雨淋湿轮辋时，会影响摩擦系数，降低制动效果。一般轮缘闸均用碳素钢制造；高档运动车、旅游车和竞赛车用的钳形闸则采用高强度铝合金以减轻重量，同时做成流线形以减小空气阻力。公路竞赛车在钳形闸上还装有快松机构，以防止在竞赛中轮辋变形。
②轴闸：用各种方式来制停轴壳的车闸，制动时不受轮缘不正的影响。轴闸主要有胀闸、抱闸、脚闸和盘闸4种。
胀闸是由汽车和摩托车上移植而来的(图15)。它在轴壳上联接一个胀闸盒，闸盒盖与车架固定，内装两块内胀闸片，上面装有胀闸皮，通过杠杆或者钢绳传动闸盖上的偏心轴，迫使两块内胀闸片向两面胀开，将旋转的轴壳刹停。
抱闸(图16)是在轴壳上联接一个抱闸盘，在离抱闸盘外面间隙很小的地方装有一条抱闸皮（在抱闸盒内），通过杠杆或钢绳的作用，使抱闸皮直径缩小，紧紧抱住旋转的抱闸盘，将轴壳制停。
脚闸又称倒闸。它与后轴做成一个整体（图17）。当链轮向前运转时，右大挡同时转动，右大挡左端的五爪形超越离合器使5个滚柱外胀，带动轴壳向前进方向旋转。需要制停轴壳时则倒转链轮，使超越离合器的5个滚柱失去外胀力进而失去与轴壳的联接作用;接着利用右大挡端面的五轴碗和鼓动机的斜面作用，迫使鼓动机向左，使刹车胀套受左大挡的管制而不能转动;此时刹车胀套受左大挡和鼓动机的挤压，利用两端锥面摆脱原来在外面的钢丝弹簧的限制而外胀，使轴壳刹停。
盘闸是在轴壳的一边装有一个薄形的圆盘，圆盘两侧装有一副类似钳形闸的闸块，利用机械杠杆原理转动多头斜楔的闸皮座，或通过手捏高压油泵将高压油输入闸皮座的油缸内，迫使两块闸皮的间隙缩小，直至将固联在轴壳上的圆盘制停。
照明和反射装置部分 自行车夜间安全行车的装置。照明装置一般利用小型发电机或电池作为能源，照亮前方道路。反射装置是受外来光源照射时反射出光亮，提醒对方注意。
分类和型号编制 自行车的品种繁多，可以按不同的方法进行分类。按用途可分为普通自行车、载重自行车、轻便自行车、运动自行车（包括旅游自行车）、竞赛自行车、越野自行车和山地自行车等，按使用对象可分为男车、女车和童车等，按车轮直径可分为710、685、660、610mm(28、27、26、24英寸)自行车等，此外还有折叠车、双人车、健身车和杂技车等特种车。
中国自行车是根据国家标准（GB3563-83），按用途、车轮直径和男车、女车综合法进行分类和编制型号的。自行车类别和型号的标志由两个汉语拼音字母和2～3个阿拉伯数字组成。第一个字母代表自行车的类别，第二个字母代表车轮直径的大小和男车、女车，如PA表示车轮直径为710mm（28英寸）的普通男式自行车（表1和表2）。阿拉伯数字表示工厂品种发展序号，由各厂自行编排。
性能 自行车性能的优劣可从骑行、安全和耐用3个方面来衡量。
骑行性能 骑行性能与自行车的结构尺寸有关，骑行者的体材与车辆相互匹配才会骑行轻快、舒适和操纵自如。如图18所示，人体与车辆在A、B、C3点接触，3个点组成一个三角形，它的边长和角度是自行车的重要参数。AB和AC的长度关系到骑行者能否最有效地发挥体力。BC 的长度和位置依车型和骑行者习惯而定，它决定骑行者的姿势和舒适性。
前后轮中心距L、前叉倾斜角θ和前叉伸距T也是自行车的主要参数，根据车型选定。一般来说，L、T值大而θ值小时，车辆稳定性好，直线行驶的自复力强，但灵活性差；反之，L、T值小而θ值大时，车辆灵活性强而稳定性差些。L值是根据骑车人的体材来选择，一般在900～1200mm;θ值在65°～75°;T值决定于θ值。前叉翘度H通常控制在前叉转向轴线和前轮中心垂线交点J的位置，J点离地面的高度一般为车轮半径R的15％～60％。另外，制造精度以及车轮重量（含轮胎）也影响骑行性能。
安全性能 自行车骑行者的人身安全是个重要问题，各国制定有相应的标准。中国颁布的安全标准包括结构件的强度、闸车制动性能和安全装置3个方面，前者包括车架和前叉组合件的强度、车把与前叉的装配牢固度、前后车轮的强度等。
①车架和前叉组合件的冲击强度：有两个测定方法。一是落重冲击试验，将组合件垂直竖起，在前叉上方180mm处置一个22.5kg的重锤，在重锤的一次冲击下，组合件的永久变形不能超过40mm，并无肉眼能见的裂纹；二是跌落冲击试验，在组件的鞍座处放置70kg的重物，使其重心移至后轴垂直位置上，自由向前跌落，经过两次重复测试，不得有肉眼能见裂纹。另外，车架和前叉还需进行侧向荷重强度试验，其负荷重量按车型而有所不同。
②车把与前叉的装配牢固度：测定方法是车把装入前叉后，在车把横管（通常用试棒代替）上施加25N·m的力矩，车把不得转动。
③前、后车轮的强度：测定方法是将穿好辐条并经过校正的车轮夹紧平放，在其侧向施加178N的力，1分钟后，永久变形不得大于1.5mm。
④闸车制动性能：测试方法根据车辆的传动速比分为两种。一种是对行程5m或5m以上的自行车，规定试验车速为24km/h；另一种是对行程5m以下的车，车速为16km/h。制动性能有干态和模拟雨天的湿态两种。在规定的试验车速下，同时使用前、后闸，干态的制动距离不得大于5.5m，湿态的制动距离不得大于15m。
⑤安全装置：自行车要装有车铃或车灯，还要有反射器（俗称回光）。反射器是借机动车头灯或其他外来光源照射，反射出足够强度的光线，提醒对方注意，从而保护自身。反射器有前方、侧向和后方反射器 3种。前方的为白色，后方的为红色，前轮侧向的为白色或琥珀色，后轮侧向的为白色或红色，脚蹬为白色或琥珀色。
耐用性能 可分为内在和外表两个方面。内在的耐用性能要求保证一定的结构强度，要求对一些易磨损零件如前、中、后轴的挡碗、飞轮的齿片、链条心子和滚子以及脚闸的零件等，进行热处理渗碳淬火，以提高表面硬度。外表的耐用性能是通过电镀和涂装(油漆)防止腐蚀和增加外表美观。电镀是在车把、轮辋等原有金属表面上镀上铜、镍、铬或镍、镍、铬3层金属镀层，也可视资源情况和防锈性能要求选择其他镀层。对一些次要的小零件，则采用光亮镀锌工艺。涂装是采用高压静电的方法，对车架、前叉表面进行喷涂。油漆表面要丰满、绚丽，并具有一定的防锈性能和漆膜结合力。
发展趋势 由于各国生活水平的差异，使用自行车的目的各不相同，有些国家的骑行者以旅游、锻炼身体以及少年儿童体育运动为主要目的，一般使用多速车、越野车和山地车；有些国家的自行车主要作为交通工具，多使用轻便车和多速车。总的来说，自行车是朝着美、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。