自行车后轮花毂内的小秘密 - 骑行天下 - 8264户外手机版

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本帖最后由 致高致远 于 2025-6-9 21:55 编辑

自行车后轮的花毂由于通常被包裹住,一般骑友比较忽略,今天我们抽丝剥茧其中所藏匿的棘轮和棘齿结构来做一番探讨。
这个被自行车链条包围住的结构就是自行车后轮的棘爪和棘齿机构,由于其通常被集成在花毂里,平时很难见其真容,其主要由沿圆周方向等角度分布的棘齿(此图棘齿数量是16个)和等角度分布的棘爪组成(此图棘爪是2个),自行车前进动力由链条传递到后飞轮,再由后飞轮传递给棘齿,随后通过棘爪和棘齿间的啮合,扭矩通过棘爪,最后传递到后轮。


先说一下角速度的概念

ω叫做某一时刻t质点对O点的瞬时角速度(简称角速度)

设一质点在某一平面内绕质点O作圆周运动.如果在时刻t,质点在A点,半径OA与Ox轴成θ角,θ角叫做角位置.在时刻t+Δt,质点到达B点,半径OB与Ox轴成θ+Δθ角。就是说,在Δt时间内,质点转过角度Δθ,此Δθ角叫做质点对O点的角位移。角位移不但有大小而且有转向。一般规定沿逆时针转向的角位移取正值,沿顺时针转向的角位移取负值。角位移Δθ与时间Δt之比在Δt趋近于零时的极限值为ω,叫做某一时刻t质点对O点的瞬时角速度(简称角速度)

假设圆周运动速度大小保持不变,则角速度

ω=Δθ/Δt

简单的说角速度就是旋转的快慢程度,角速度大,旋转速度快,角速度慢,旋转速度慢。这个物理量后面图中有提及,所以要做简要介绍。

上面这张图是一种棘齿棘爪机构,由2个棘爪和24个棘齿组成

当自行车处于静止状态,我们向前踩下自行车踏板时,曲柄带动链条向前移动,链条带动后轮的飞轮旋转,飞轮带动图中的棘齿逆时针旋转,假设此时棘齿的角速度是ω1,棘齿又带动棘爪逆顺时针旋转,此时棘齿和棘爪啮合,棘爪和棘齿的角速度相等,即ω2=ω1,棘爪又通过中间的轴跟后轮刚性连接,这样后轮就跟着旋转,自行车靠后轮跟地面的摩擦力驱动自行车向前运动。

骑友在骑车时通常非常兴奋于花毂哒哒的唱歌的声音,下面分析一下为何有这个声响。

当棘齿和棘爪处于啮合状态时(即奋力踩踏时),花并不唱歌,假设此时车已经有一定速度高速向前行进时,我们停止蹬踏,这样链条就没有向前运动的速度,飞轮也不会旋转,自然处于飞轮内侧的棘齿也不逆时针旋转,但由于自行车还处于惯性向前运动的状态,所以后轮仍然会带动棘爪逆顺时针旋转,此时棘爪的角速度ω2大于处于几乎处于静止状态的棘齿角速度ω1,棘齿和棘爪之间有相对运动,棘爪不断与棘齿相碰撞,但因为棘爪和棘齿特殊的外形角度设计,两者之间无法啮合传递扭矩,所以就有碰撞的声响发生,这就是花毂唱歌的机理。

假设车是处于向前惯性运动状态,当我们想驱动车辆保持向前行进时,我们蹬踏踏板驱动链条带动棘齿旋转的速度,必须大于棘爪的旋转速度,这样才能保证两者顺利啮合产生驱动力。这在我们下桥时感受更加强烈,因为下桥时,车辆速度会自然增加,中间的棘爪旋转速度也会增加,此时你若用低踏频配合轻齿比的后飞轮去蹬踏的话,有踩空的感觉,因为棘齿的旋转速度跟不上棘爪的旋转速度,所以两者无法啮合,当你猛踩时,棘齿旋转速度大于棘爪旋转速度,两者啮合了,于是踩踏就没有踩空的感觉。这就是超越式离合器的原理,只有当棘齿的角速度ω1>棘爪的角速度ω2时,两者才能啮合,扭矩也才能传递

这是一种棘爪和棘齿机构,由4个棘爪和26个棘齿构成。
这是另外一种棘爪和棘齿机构,由6个棘爪和57个棘齿构成。

上表列出了三个不同的棘爪和棘齿机构,这三种结构可以参照前面的三张图。

第一种棘爪、棘齿结构比较简单(2个棘爪+24个棘齿),在传递扭矩时,2个棘爪同时啮合棘齿传递动力,始终处于工作状态,没有停歇,所以磨损是最剧烈的。

第二种棘爪、棘齿结构相对复杂(4个棘爪+26个棘齿)在传递扭矩时, 2个棘爪同时啮合棘齿传递动力时,另外2个棘爪处于非工作状态,这种结构相对于第一种结构来说,棘爪的寿命延长一倍。

第三种棘爪、棘齿结构相对复杂(6个棘爪+57个棘齿)在传递扭矩时, 3个棘爪同时啮合棘齿传递动力,另外3个棘爪处于非工作状态,这种结构相对于第二种结构来说,因为扭矩的传递由3个棘爪来分担,而不像第二种结构扭矩由2个棘爪分担,所以棘爪的受力状态更好,寿命更长。


这是另外一种棘齿和棘爪机构,棘齿和棘爪分布于轴的端面而不是分布于轴的圆周,其动力传动的原理与圆周分布的结构没有区别,但其由于啮合的齿数数量较多,所以受力状态较好,但也存在啮合脱扣的风险,如果图中轴左右侧的弹簧不能提供足够的轴向压紧力的话,啮合的齿可能会脱离,特别在是大力摇车踩踏的情况下,传递的扭矩会大幅增加,棘齿和棘爪脱扣的风险也会增加。

这是分布于轴端面的棘齿结构,由于齿数不同,形成了不同的圆心角。



总结一下本篇的主要内容:

1.  花毂要唱歌,棘齿和棘爪的角速度必须不一致,两者之间一定要有速度差。
2.  骑友想听
花毂唱歌,可以反向踩踏踏板,这样棘齿和棘爪的角速度方向是一正一负的关系,能产生速度差,棘爪和棘齿之间有相对运动,互相之间相撞就产生声响。


3.  骑友想听花毂唱歌,下桥时可以停止踩踏,此时棘爪的角速度大于棘齿的角速度,两者之间有速度差,棘爪和棘齿之间有相对运动,互相之间相撞就产生声响。

4.  棘齿和棘爪本身就是一个简单的超越式离合器,只有当棘齿的角速度大于棘爪的角速度时才能传递动力,明白了这个道理,就能理解为啥下桥时骑手蹬车会有踩空的感觉。


5. 棘爪和棘齿只能传递单向扭矩,无法传递正反方向的双向扭矩。


6. 为了增加棘爪和棘齿的使用寿命,避免某个棘爪和棘齿始终啮合造成某一特定齿磨损加速,可以让棘齿啮合不同的棘爪,方法是倒转一下踏板然后再向前蹬踏,这样可以使得棘爪和棘齿转换啮合位置,从而增加使用寿命。


7. 棘爪和棘齿究竟在啮合时有几个棘爪参与传递动力,可以通过求最大公约数的方法来计算,假设棘爪是6,棘齿是45, 6和45这两个数字的最大公约数是3,所以有3个棘爪在同时传递扭矩,且他们在圆周上均匀分布,相互间的夹角是120度。


8.
棘爪和棘齿在碰撞时,每旋转一周,究竟有多少次响声,可以通过求最小公倍数的方法来计算,假设棘爪是6,棘齿是45, 6和45这两个数字的最小公倍数是90,所以每旋转一周会发生90次的响声,这就是花毂唱歌。

9. 自行车厂商投骑友所好,通常增加
花毂响声次数来吸引市场关注,了解其响声的原理后,你也可以设计一款棘齿和棘爪,比如棘齿采用6齿,棘爪采用54齿,这样旋转一周有108次响。


看了本篇就知道神奇的原理了

的确是这样,许多厂家加入许多花里胡哨的概念在产品中,目的是为了营销而卖个好价钱,其实许多骑友不太了解,为许多创造出来的似是而非的新概念买单。

感谢关注、阅读和分享评论,本人只是骑行爱好者,因为所学专业是机械工程,加之该专业对物理有关知识要求较高,所以有所了解,把这些内容写出来与骑友们分享,因为大多数骑友会忽略这些原理性的东西,一旦你弄懂了,会发觉对事物的理解通透许多。
前来学习,小时候就觉得很神奇
现在发现老式的滚珠花鼓还挺好玩的,定期更换哈高等级滚珠和润滑油,国内选择多而且非常非常便宜,一颗G1的氮化硅滚珠便宜的可以到几毛钱一颗,定期保养后的花鼓丝滑的不亚于顶级花鼓。
感谢分享,技术贴,收藏啦
分析的精辟!老哥应该是物理教授,点赞!
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