自行车的踏板是如何保持的?

2020年8月27日

由于左踏板轴的螺纹是左手的,而右踏板轴是右手的,所以自行车踏板能保持在踏板上。轴承扭矩的工作,以拧下踏板,所以踏板停留,因为有一个更强的影响涉及;即效果机械进动.在这篇博文中,我们将解释机械进动,并在一个涉及接触分析和多体动力学的自行车模型上演示它。

技术自行车手注意到的一个特点

无论你是新手,还是因为会走路而热衷于骑自行车,你可能已经注意到自行车踏板的设置方式有些奇怪。自行车的左踏板有左旋螺纹,右踏板有右旋螺纹。

放大的自行车踏板的照片。

这个纪念活动启发了许多人都想知道为什么每侧的踏板都有各自的螺纹方向,经过一定的骑行后不会脱落。

如果你曾经自己修理过自行车,那么还有一个问题要问你:你如何转动每个踏板来拧开它?

什么是机械进动?

当螺栓受到绕螺栓轴旋转的力时,就会发生机械进动。旋转力将导致螺栓在力动力学的相反方向旋转。下面的动画演示了这一基本原理。

螺栓(内圈)受到逆时针旋转的力(黑色箭头)。这会导致螺栓顺时针旋转(灰色箭头)。

此简化的2D动画假定一个螺纹公差为10%的刚性螺栓,这会导致螺栓在力的每转中旋转36°。实际上,公差要小得多,螺栓是弹性的,平面外尺寸的力变化很大。

现在就为自己尝试一个简单的机械进动技巧:松松地拿着一支笔,同时用另一只手将笔尖移动一圈。这将导致笔以与旋转相反的方向扭曲。

自行车踏板接触多体动力学分析

通过仅对螺栓、螺栓上的力和安装螺栓的曲柄臂进行建模,可以捕捉基本原理。这样的动画将发生在旋转帧中,并且很难验证所施加力动力学的正确性。

相反,我们可以建立一个多体动力学模型,其中考虑整个自行车。如果只考虑螺栓轴是弹性的,多体动力学模型增加的计算成本可以忽略不计,并允许在固定框架内的力动力学可视化。

当一辆自行车是脚踏夹,有两个向下和向上的力量对踏板。一个模拟整个自行车的模型将显示,这会导致力在每次踏板旋转时以半圆形移动两次,如下面的动画所示。

该动画显示了当从与轴一起旋转的帧的右侧看时,自行车的踏板如何导致右踏板轴顺时针旋转。螺栓末端的旋转颜色以对数刻度表示接触压力。

接触分析使用摩擦至关重要,因此模型假设摩擦系数为0.1。

该模型还假定可以忽略的螺纹公差和螺栓轴的现实刚度。由于机械进动,实际的力值会导致非常小的旋转,因此为了可视化,峰值力为50 kN,比实际值大50 - 500倍。这是显而易见的,当看到螺栓变形在上面的动画。如下图所示,虽然力很大,但每转动一个踏板,进动仅为1°左右。

在COMSOL Multiphysics中绘制自行车踏板机械进动的角度和平均的图形。
曲柄框架中螺栓的角度显示为蓝色,而该角度相对于前一圈的值显示为绿色。绿色曲线中的波动是由数值噪声引起的。绿色曲线的平均值为0.95°。

如果你需要拧开自行车上的踏板怎么办?

如果需要松开踏板,请记住:

  1. “右紧左松”这句话只适用于右侧
  2. 轴承力松开螺栓,这样你就可以用扳手抓住螺栓,用它“踩”自行车前进
  3. 机械进动拧入螺栓,因此您可以切换到固定档位设置,并将自行车向后踩较长时间(不推荐)

自己试试

这里的模型使用的是多体动力学接口,支持在不同帧中计算变形-简化在不同帧中创建动画。此功能自COMSOL Multiphysics®5.5版起为新功能。

试着自己对自行车踏板进行多体动力学研究和接触分析。通过单击下面的按钮获取模型。


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