自行车

背景

自行车是世界上最受欢迎的交通工具之一，约有 8 亿辆自行车与汽车的数量之比为二比一。自行车也是最节能的交通工具——骑自行车的人每英里燃烧大约 35 卡路里（每公里 22 卡路里），而汽车每英里燃烧 1,860 卡路里（每公里 1,156 卡路里）。自行车不仅用于交通工具，还用于健身、比赛和旅游。它们有多种形状和样式，包括赛车、全地形自行车和固定自行车，以及独轮车、三轮车和双人自行车。

历史

早在 1490 年，列奥纳多·达·芬奇 (Leonardo da Vinci) 就曾设想过一种与现代自行车非常相似的机器。不幸的是，达芬奇并没有尝试制造这辆车，直到 1960 年代才发现他的草图。在 1700 年代后期，一位名叫 Comte de Sivrac 的法国人发明了 Celerifere，这是一种粗制的木制爱好马，由两个轮子和一根横梁连接而成。骑手将坐在横梁上并通过将他或她的脚推到地面来推动装置。

1816 年，德国男爵卡尔·冯·德赖斯 (Karl von Drais) 设计了一种可操纵的爱好马，几年之内，爱好骑马成为欧洲的时尚消遣。骑手还发现，他们可以在双脚离地的情况下骑乘该设备而不会失去平衡。因此，在 1840 年，一位名叫 Kirkpatrick Macmillan 的苏格兰铁匠制造了一种由踏板操作的两轮装置。两年后，在创纪录的 140 英里（225 公里）往返格拉斯哥期间，他一次旅行了多达 40 英里（64 公里）。几十年后，法国人欧内斯特·米修 (Ernest Michaux) 设计了一种利用曲柄和连接到前轴的旋转踏板的爱好马。 Velocipede，由木轮和 铁 制成 车架和轮胎，赢得了“boneshaker”的绰号。

随着滚珠轴承轮毂、金属辐条轮、实心橡胶轮胎和杠杆操作的四速变速装置的发明，1860 年代被证明是自行车改进的重要十年。大约 1866 年，詹姆斯·斯坦利 (James Stanley) 在英国创造了一种不寻常的 Velocipede 版本。它被称为 Ordinary，或 Penny Farthing，它有一个大前轮和一个小后轮。 Ordinaries 很快被出口到美国，在那里一家公司也开始制造它们。这些自行车重达 70 磅（32 公斤），售价 300 美元——在当时是一笔不小的数目。

到 1885 年，另一位英国人约翰·肯普·斯塔利 (John Kemp Starley) 创造了 Rover Safety，之所以这样称呼，是因为它比普通的更安全，后者倾向于在突然停止时将骑手从大前轮上翻过来。 Safety 有同样大小的实心橡胶轮、链条驱动的后轮和菱形车架。 1800 年代的其他重要发展包括使用约翰·博伊德·邓禄普 (John Boyd Dunlop) 的充气轮胎，该轮胎具有充气内胎，可提供减震功能。过山车制动器于 1898 年开发，此后不久，通过允许车轮继续旋转而无需踩踏板，自由轮使骑自行车变得更加容易。

车架由前后三角组成，前部真正形成了更多的四管四边形：上管、座椅、下管和头管。后三角由后下叉、后上叉和后轮叉组成。前叉和转向管连接在车架前部的头管上。

1890年代自行车非常流行，现代自行车的基本要素已经具备。在 20 世纪上半叶，更坚固的合金钢允许更薄的车架管材，这使得自行车更轻、更快。还开发了拨链器齿轮，使骑行更加平稳。二战后，随着汽车的蓬勃发展，自行车的普及率有所下降，但在 1970 年代的石油危机期间反弹。大约在那个时候，山地自行车是由两位加利福尼亚人 Charlie Kelly 和 Gary Fisher 发明的，他们将旧气球轮胎自行车的宽轮胎与赛车的轻量化技术相结合。在 20 年内，山地自行车比赛车更受欢迎。很快，这两种风格的混合体结合了每种风格的优点。

原材料

自行车最重要的部分是菱形车架，它将部件以适当的几何配置连接在一起。车架为自行车提供强度和刚度，并在很大程度上决定了自行车的操控性。车架由前三角和后三角组成，前部实际上形成了更多的四管四边形：上管、座椅管、下管和头管。后三角由后下叉、后上叉和后轮叉组成。前叉和转向管连接在车架前部的头管上。

在自行车历史的大部分时间里，车架由沉重但坚固的钢和合金钢制成。车架材料不断改进，以提高强度、刚度、轻便性和耐用性。 1970 年代迎来了可以进行机械焊接的更通用的新一代合金钢，从而增加了轻型廉价车架的可用性。在接下来的十年中，轻质铝框成为流行的选择。然而，最坚固的金属是钢和钛，其预期寿命长达数十年，而铝可能会在三到五年内疲劳。

1990 年代的技术进步导致使用由碳等结构纤维复合材料制成的更轻、更坚固的车架。与金属不同，复合材料是各向异性的；也就是说，它们沿着纤维的轴是最强的。因此，复合材料可以成型为单件框架，在需要的地方提供强度。

车轮、拨链器、制动器和链条等部件通常由不锈钢制成。这些部件通常在别处制造并由自行车制造商购买。

制造
过程

无缝框架管由实心钢块构成，这些钢块通过几个阶段被刺穿并“拉”进管子中。这些通常优于有缝管，有缝管是通过拉制扁平钢带原料，将其包裹成管子，然后沿着管子的长度将其焊接在一起而制成的。然后可以进一步操纵无缝管以通过对接或改变管壁的厚度来增加它们的强度并减轻它们的重量。对接涉及增加管子接头处或管端的壁厚，在那里传递最大的应力，并在管子的中心处减薄壁厚，那里应力相对较小。对接管也提高了框架的弹性。对接管可以是单对接的，一端较粗；双对接，两端比中心厚；三对接，两端厚度不同；和quad-butted，类似于triple，但中心向中间变薄。然而，恒定厚度的内胎也适用于某些自行车。

管子通过手工钎焊或机器焊接组装成框架，前者是一个劳动密集型的过程，因此更昂贵。复合材料可以用强力胶水或塑料粘合剂连接起来。这些部件通常由机器制造并且可以用手或机器附接到框架上。最终调整由熟练的自行车制造商进行。

组装框架

剪裁管子

• 1 金属经过退火或加热软化，并被挖空以形成“空心”或“花朵”。它们再次加热，在酸中酸洗以去除水垢，并进行润滑。
• 2 对空心进行测量、切割并精确斜接至适当的尺寸。成人自行车的车架尺寸通常为 19-25 英寸（48-63 厘米），从座管顶部到曲柄悬挂器的中间。
• 3 接下来，将空心安装在连接到拉丝台的心轴或杆上。为了获得正确的规格，空心通过模具将它们拉伸成更细更长的管子，这一过程称为冷拔。
• 4 管子的形状和锥度可以有多种设计和长度。锥形规格的前叉刀片可能需要经过十几道工序才能达到正确的强度、重量和弹性。

钎焊、焊接和粘合

• 5 个管子可以用手或机器连接到一个框架中。框架可以是铜焊、焊接或胶合的，带或不带凸耳，凸耳是在接头处连接两个或多个管子的金属套管。钎焊基本上是在大约 1600°F (871°C) 或更低的温度下进行焊接。燃气燃烧器均匀地布置在被加热的凸耳周围，形成白色熔剂，熔化并清洁表面，为钎焊做好准备。钎焊填料通常是黄铜（铜锌合金）或银，它们在比被连接的管子更低的温度下熔化。填充物被涂抹，当它熔化时，它会围绕接头流动，将其密封。

对齐和清理

• 6 将组装好的框架放入夹具并检查是否正确对齐。在框架仍然很热且具有延展性时进行调整。
• 7 多余的助焊剂和钎焊金属通过在酸溶液中酸洗以及清洗和研磨钎焊直至其光滑来清除。
• 8 金属冷却后，进行进一步的精确对准。

整理

• 9 镜框经过喷漆，不仅是为了打造更精致的外观，也是为了保护镜框。框架首先涂上底漆，然后涂上彩色珐琅。可以通过手工喷涂或将框架通过自动静电喷涂室来喷涂油漆。当框架旋转以完全覆盖时，带负电荷的框架吸引带正电荷的喷漆。最后，将转印和漆涂到框架上。也可以使用镀铬代替叉形刀片等部件上的油漆。

组装
组件

变速器和变速杆

• 10 根据自行车的风格，变速杆安装在下管（在赛车上很受欢迎）上，或者安装在把立上，或者安装在车把末端。连接了一根电缆，该电缆延伸到前后拨链器。将链条从一个驱动链轮移动到另一个驱动链轮的前拨链器可以夹紧或钎焊到座管上。后拨链器可以用螺栓固定式吊架或整体式吊架安装。

车把、把立和耳机

• 11 把手可能升高、平坦或掉落。它们用螺栓固定在自行车把上，然后再安装到头管中。耳机组件，包括轴承、杯子和锁紧螺母，都连接到头管上。耳机允许前叉在头管内转动，从而使转向更容易。

刹车

• 12 刹车杆安装在车把上。电缆延伸到制动器并固定在卡钳上。然后可以将塑料或布制成的胶带连接到车把上，并将末端塞住。

鞍座和座杆

• 13 座杆通常由钢或铝合金制成，并用螺栓固定或夹紧到位。鞍座一般由模制衬垫制成，并覆盖有尼龙或塑料材料。虽然皮革在很长一段时间内都是马鞍的标准品，但今天不太常用。

牙盘

• 14 牙盘支撑踏板并将动力从踏板传递到链条和后轮。曲柄组由钢或铝合金曲柄臂、链环以及轴、杯和轴承的底部支架组件组成。它们通过螺栓和盖子连接到自行车车架的底部支架中。然后将踏板拧到曲柄臂的末端。

车轮、轮胎和轮毂

• 15 家车轮制造商在车轮直径和轮胎尺寸方面符合 A J 国际标准组织 (ISO) 系统。车轮可以由机器制造，机器将钢带卷成箍，然后焊接到轮辋上。轮辋被钻孔以接受辐条，轮辐在轮辋和轮毂法兰之间一次缠绕一圈。
• 16 必须在径向和横向方向上对车轮进行矫正或拉直，以实现均匀的张力。接下来，安装轮辋内衬、轮胎和内胎。链条也可以安装在自行车上。
• 17 后轮装有一个自由/轮，由几个齿轮和垫片组成，当骑手停止踩踏板时，它可以将后轮从曲柄机构中释放出来。
• 18 个车轮通过贯穿车轮轮毂的轴连接到自行车车架上。轴可以用两端的螺栓或快速释放的扦子拧紧。

未来

随着我们接近 20 世纪，自行车的未来看起来很有希望。 1990 年代自行车技术的发展推动了人力车辆 (HPV) 设计的进步。大多数 HPV 是低矮的靠背式自行车，它们比传统自行车更具空气动力学特性，因此可以减少阻力并提高速度。躺椅也更安全，许多躺椅提供货舱和天气保护。到 1990 年代，一种名为 Ecocar 的自行车和汽车的混合体开始出现在欧洲的街道上。它由荷兰外科医生 Wim Van Wijnen 设计，提供天气保护、安全、行李空间、易于维护、舒适和速度。

计算机技术的使用大大增强了制造商和设计师的设计能力。设计师能够模拟作用在自行车上的各种力，例如踩踏和道路震动。计算机生成的程序使测试更简单，并且更容易、更快速地修改设计的变化。