自行车(卷名：机械工程)
bicycle
人力脚踏驱动的、至少有两个车轮的陆地交通车辆，俗称自由车、脚踏车或单车。自行车无噪音、无污染、重量轻、结构简单、造价低廉、使用和维修方便，既能作为代步和运载货物的工具，又能用于体育锻炼，因而为人们所广泛使用。
简史 1818年，德国的B.K.von德赖斯发明木制、带车把的两轮自行车，依靠双脚蹬地行驶（图1）。1839年苏格兰的K.麦克米伦制成第一辆由曲柄连杆机构驱动后轮的铁制自行车（图2），用脚蹬踏板行驶。1861年法国的P.and E.米肖父子发明前轮大、 后轮小、 在前轮上装有曲柄和能转动的踏板的自行车（图3），并于1867年在巴黎博览会上展出，曾一度掀起自行车热。1869年英国的W.F.雷诺首先用辐条来拉紧轮辋，用钢管制成车架，并首先在轮辋上装上实心的橡胶带，使自行车的重量大大减轻(图4)。1874年英国的H.J.劳森开始在自行车上采用链条传动结构。但此时自行车仍是前轮大后轮小（图5）。1886年英国的J.斯塔利在自行车上装上车闸，使用滚子轴承，又将前轮缩小，使前后轮大小相同，并将钢管组成菱形车架（图6）。1888年英国的J.B.邓洛普成功地将充气轮胎应用在自行车上，显著地提高了自行车的骑行性能。
1925年世界自行车产量已达 200万辆，其中英国占50％，成为当时的主要输出国。其后自行车得到广泛的发展，结构上也有了改进和提高。第二次世界大战后，汽车工业高速发展，自行车生产受到影响。但到70年代，由于出现能源危机，世界上再次出现自行车热，自行车生产又得到飞速发展。至80年代，全世界自行车年产量已超过8000万辆，中国、日本、美国和西欧已成为世界自行车生产中心。全世界自行车拥有量已接近7亿辆。
1884年中国出版的《申江胜景图》记载了中国开始出现骑自行车的情景。1897年，中国开始从英国进口自行车。1937年日本人在中国上海、天津和沈阳三地先后开设自行车厂，但产量极微。1949年中国自行车年产量只有1.5万辆。至80年代，中国共有自行车制造厂60余家，自行车零部件厂千余家，基本上形成了完整的生产体系。1985年中国自行车年产量已超过3000万辆，占世界首位。产品品种也发展到近百种。
类别和型号命名 自行车的品种繁多，可以按不同的方法分类。按用途可分为载重车、 普通车、 轻便车、运动车和竞赛车等。按使用对象可分为男车、女车和童车。按车轮直径大小可分为28英寸车、27英寸车、26英寸车等。按车架等主体部件的用材可分为碳钢车、合金钢车、铝合金车等。按车架的结构可分为杆叠车、可拆卸车和整体车等。此外还有双人串列、健身、杂技等特种自行车。
中国是按用途和车轮直径特征的综合分类法对自行车的类别和型号命名的。型号命名体现出车辆的类别，用两个汉语拼音字母组成。第一个字母代表用途，第二个字母代表男用、女用和车轮直径的大小（见表1和表2）。
结构组成 自行车主要由车体部分、传动部分、行动部分和安全装置组成（图7）根据需要可增加一些附件。4 个主要部分又可分解为车架、前叉、前叉合件、 车把、 前轴、中轴、后轴、曲柄链轮、脚蹬、飞轮、车轮(包括轮辋、车胎、辐条)、链条、鞍座、车闸、车灯、车铃、反射器等部件。装有变速机构的运动车和竞赛车还装备变速控制器、前拨链器和后拨链器等。自行车附件有衣架、支架、气筒、保险叉、挡泥板等。，
车体部分 车体部分主要由车架、前叉、车把、鞍座和前叉合件等组成。前后轮中心距L、前叉倾斜角 θ和前叉伸距T是自行车的主要参数（图8）。一般说来，L值和T值大，θ 值小，则车的稳定性好，车辆直线行驶的自复力强，但灵活性差。L值和T值小，θ值大，则灵活性强而稳定性差。设计时L值是根据骑车人的身材来选择的，一般在900～1200毫米左右。θ值在65°～75°之间。T 值决定于θ值、前叉翘度H 和车轮的半径R。T通常控制在前叉转向轴线和前轮中心垂线的交点 J与地面距离为车轮半径的15～60％范围之间。人体与车辆有3个接触点，即鞍座点A、车把点B和中轴中心点C。ABC三个点组成一个三角形，三角形的边长和形成的角度也是自行车车体部分的重要参数。AB和AC的长度影响骑行者有效发挥体力。BC的长度和倾斜程度决定骑行者的姿势和骑行舒适性。
车架是用普通碳素钢管经钎焊而成的菱形桁架结构。车架具有足够的强度以承担骑行者和运载货物的重量以及来自地面的冲击力。车架可制成弯管式、单管 U形和单管H形。为减轻重量，较为高级的自行车还用合金钢或铝合金来制造车架，并根据受力情况不同制成管壁厚度不等的不等壁管车架。有的车架和前叉带有减震机构，成为避震式车架，有的车架可折叠和拆卸。有的竞赛车的钢管断面是流线型的，以减小空气阻力。在国际自行车竞赛场上，已有用极轻的碳素纤维制成的薄壳型结构车架。
前叉通过有上下两组滚珠轴承的前叉合件与车架相联接，前叉在车架上可以灵活转动。车把通过车把中心的斜楔式螺母，用旋紧把心丝杆的办法固定在前叉的主管内，使之与前叉联接成一刚性的转向机构，以提供良好的操纵性能。车把的式样有可调式和固定式两种，均可在前叉立管中自由调节装配高度。车把的作用不仅是操纵转向，同时还起着使骑车人能发挥最大驱动力的支撑作用。根据车型和使用目的的不同，车把的形状和尺寸也不同。
鞍座的长度和宽度、鞍面和鞍梁的结构是根据车型和骑行者的性别、习惯来决定的。鞍座通过一根鞍管与车架刚性联接，以承受人体的全部重量，鞍座的高度可根据骑行者的需要调整。
传动部分 由脚蹬、曲柄、链轮、中轴、链条和飞轮组成。骑车人的双脚踩动脚蹬带动曲柄作回转运动，由链轮经链条传到后轴的飞轮而带动车轮旋转。脚蹬踩动一周使车轮转过的距离称为行程。各种车型的链轮与飞轮的速比不同，可以达到不同的行程（表1）。飞轮是带有链齿的单向棘轮，在行车滑行时能使脚蹬保持不动。利用飞轮可以自由地选择起步时曲柄的位置。一般自行车的传动速比是固定的，即行程是一个定值。但自行车在实际使用中，由静止起步、或逆风行驶、或上坡骑行时都需要车轮有较大的转矩，这时要求减小传动速比。而在常速、顺风和下坡骑行时，可以减小车轮的转矩，这时要增大传动速比来减少骑行者的疲劳。因此，较为高级的和特殊需要的自行车都装有不同形式的变速传动机构。常见的自行车变速机构有中轴变速、传动链变速和后轴变速3种。
① 中轴变速机构:有两种类型，一种是以可控可涨式小链轮组成象征大链轮来代替原有的链轮，改变由小链轮轴心运动轨迹的直径来达到变速的目的，这种机构结构复杂，可靠性差、成本高。另一种是在中轴部位制成一个变速箱，这种机构占用部位大、传动效率低。中轴变速机构未能得到大量应用。
② 传动链变速机构:是广泛应用的一种变速机构，俗称外变速机构。它通过中轴部位的多级链轮和后轴部位的多级飞轮以及链条的移位得到不同的传动速比，以实现变速的目的（图9）。这种机构变速范围大，传动效率高、工作可靠。当中轴链轮为 3级，后轴飞轮为6级时，可得到18种速比，行程的变化可从2米变到10米左右，甚至更大，能满足各种竞赛车的要求。变速的动作是由拨链器来完成。装在中轴链轮处的称前拨链器，装在后面飞轮处的称后拨链器。拨链器通常是一个四连杆机构（图10）。通过拨链器控制与扳手联接的钢绳来改变四连杆机构对角线中心距，并通过拨链导板改变链条位置。后拨链器的链条导向板上通常还装有两个活动的链条张紧轮（图11），用以调节链条的长度，使传动链在任何一种搭配情况下都能保持规定的链条紧度。拨链器一般为钢制，竞赛车上的拨链器多数用高强度铝合金，甚至用高级轻质的钛合金钢材制造。
③ 后轴变速机构:在后轴壳内安置一组行星齿轮，俗称内变速机构或加快轴。这种变速机构的变速范围窄，档次也少，一般为2～3级，但也有4～5级的。因是封闭型的，美观易保养，这种机构在城市普通型和轻便型自行车上使用甚广。图12为3级变速的后轴变速机构工作原理和零件示意图。变速机构的右端有一操纵链，与车把上变速搬把连接。改变搬把的位置，可使变速机构分别处在左、中、右三个位置，从而改变行星齿座和内齿圈座的运动规律，也就是改变链轮到轴壳的转速比。十字块向左时，链轮经链轮座、十字块、行星齿轴心、行星齿、内齿圈座、棘爪又到轴壳，转速比是3:4，增速为1.333倍。十字架在中间时，链轮经链轮座、十字块、内齿圈座、棘轮又到轴壳，转速为1:1。十字块向右时，链轮经链轮座、十字块、内齿圈座、行星齿、行星齿座、棘爪1到轴壳，转速比为4:3，减速为0.75倍。
除这3种变速机构外，还有将传动链变速和后轴变速混合使用的变速装置。
自行车传动所用的链条为套筒式滚子链。直接单级传动的链条一般采用1/2″×1/8″的规格，少数用5/8″×1/8″规格。传动链变速机构多采用1/2″×3/32″规格的小片链条。这种薄型的小片链条还具有一定的侧向柔性，能使前后链轮在非一直线运行时保持良好有效的传动。
行动部分 即前后车轮，通常由前后轴部件、辐条、轮辋和轮胎组成。车轮的重量和轮胎的花纹、规格、质量等都影响骑行的轻快性和舒适性。轮辋和轮胎的重量一般尽量减轻，以使骑行轻快。轻质轮辋用铝合金制造。轮辋通过辐条与前后轴联接。对竞赛车来说，高速运转中辐条的空气阻力是不可忽视的，在国际自行车竞赛场上已出现用高强度、轻质量的碳素纤维制成的没有辐条的平板式车轮，使轴壳辐条和轮辋变成一个整体。为减少装配工作量和降低成本，有的自行车生产厂用高强度塑料制造有轮辐的一体式车轮，并已大量运用于车轮直径较小的自行车上。轮胎的直径和断面是根据自行车的品种型号和使用要求决定的。轮胎断面形状和与其配用的轮辋有关，可分为软边、直边、勾边和管状4种（图13）。软边轮胎的断面能承受较大的载荷，胎面较厚，耐用，大都用于载重车上。直边轮胎的重量轻，但受载量小，大都用于城市用的普通车、轻便车和运动车上。勾边轮胎多数用于断面较宽、轮径较小的自行车上，弹性好，骑行舒适。这3种轮胎均有内外胎之分，内胎是一条密封的橡胶管，内部充气。外胎用橡胶配以棉纱或锦纶丝等制成，以保护内胎并与地面接触。管状轮胎的内外胎做成一体，主要用于竞赛车上。
安全装置 主要是制动器，即车闸，其次还有照明设备和鸣号装置等。车闸是保证骑行者人身安全的重要装置。中国和国际上对自行车制动性能的规定为：行程为5米或5米以上的自行车，在车速为24公里/小时时应能在5.5米内制停；行程为5米以下的自行车，在车速为16公里/小时时也应在5.5米内制停。车闸的种类繁多，基本上分为轮缘闸和轴闸两类。
① 轮缘闸是通过机械杠杆、推杆、拉杆或钢丝绳等直接将高摩擦系数的闸皮压向轮胎或轮辋以使车轮制停的机构。轮缘闸有杆闸、触闸和钳形闸3种(图14)。杆闸常用于普通车和轻便车，触闸常用于带后轴脚闸的自行车的前闸，钳形闸常用于轻便车、运动车和竞赛车。轮缘闸的结构简单，维修和保养方便，被广泛采用，但在车轮轮缘不正或雨天轮辋被冲湿摩擦系数降低时均会降低制动效果。一般轮缘闸均用钢材制造。运动车和竞赛车上用的钳形闸多用铝合金，以减轻重量，并做成流线型以减小空气阻力。公路用的竞赛车为了防止车轮轮缘变形，钳形闸上还常装有快卸机构。
② 轴闸是用各种方式来制停轴壳的机构。这种车闸不受轮缘不正的影响，制动过程柔和平稳。轴闸又分为胀闸、抱闸、脚闸和盘闸。胀闸(图15)原用于汽车和摩托车上。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，通过杠杆或钢绳转动闸盒盖上的偏心轴，迫使两块内胀闸片向两面胀开，靠胀闸皮将旋转的轴壳制停。抱闸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使轴壳制停。脚闸又称倒闸，它与后轴联成一体(图16)。链轮向前转动，右大档转动。右大档左端为一个五爪型的超越离合器，使五个滚柱外胀而带动轴壳向前进方向旋转。需要制停轴壳时则倒转链轮，超越离合器使五个滚柱失去外胀力和与轴壳的联接作用。利用右大档端面的五轴碗和鼓动机的斜面作用迫使鼓动机向左，刹车胀套受左大档的管制而不能转动。此时受左大档和鼓动机的挤压，利用两端锥面摆脱原来外面的钢丝弹簧圈的限制而外胀，使轴壳制停。盘闸原来也是汽车和摩托车用的车闸。它能排除胀闸、抱闸和脚闸等轴闸在连续长时间半制动状态使用发热后造成的制动效率降低甚至失灵的缺点，已较多地应用于运动类型的旅游自行车上。盘闸有机械控制和液压控制两种，制动原理基本相同。轴壳的一边装有一副类似钳闸的闸块，利用机械杠杆原理转动多头斜楔的闸皮座或通过手捏将高压油泵的高压油输入到闸皮座的油缸里，迫使两块闸皮的间隙缩小，直至将联在轴壳上的圆盘制停。
照明和反射装置是自行车夜间安全行车的重要装置。照明装置利用蓄电池或发电机为骑行者照亮前方道路，有一定的照明亮度要求。反射装置是一种防护装置。受其他机动车辆的前灯照射时，它能反射出光亮，提醒对方注意。这种反射装置分前方、侧方和后方3种，分别规定使用白色、黄色和红色，用以告示自行车的行驶方向，确保自身安全。此外，还有在轮胎侧面贴上反射材料来替代侧向反射器的。
发展趋势 自行车正向轻（重量轻、骑行轻）、新（多品种、新款色、能拆卸、可折叠）、牢（高强度）、廉（采用新工艺新技术新材料、降低成本）的方向发展。例如：娱乐、体育锻炼和竞技用的越野性自行车，强度高，轮径小，轮胎断面粗、胎面带有大齿爪，不怕撞、不怕摔，越野性能好，已成为广大青少年喜爱的体育用品；成年人野外旅游用的山地式自行车使用条件更为宽广严格，要求更为轻便、耐用，还装有变速装置。高速公路竞赛车则向流线型和更轻重量方向发展。
场地竞赛车几乎全部向平板式车轮方向发展。高层建筑的居民则需要更多的轻质量的折叠式自行车。自行车的造型和外观进一步趋向细腻、造型美观、色彩鲜艳和协调。（见彩图）
