前言
200多年前，法國人西夫拉克走在雨天的街道上，被行駛的馬車濺了一身泥水，引發了一個改造馬車的想法：將馬車順著一邊切掉一半，四個輪子變成了前後兩個輪子。這個想法就是自行車的設計雛形。
早起自行車結構模型
今天，為了出行方便並且清潔環保，自行車早已是大眾鍾愛的交通工具和健身工具之一。受到新冠病毒的影響，待正常復工和復學之後，騎自行車出行會是更多人的防護選擇。
由於最早的自行車從馬車的改造而來，並且需要人雙腳踩地從而推動車子（這個發明更像是一個健身工具），人們給它了它一個親切的名字“小馬崽”。
以下一段早期的影像資料（百代新聞社British Pathé出品），記錄了自行車的發明和改進的過程：
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脹氣的充氣車胎
自行車胎的演變從木質車輪，到橡膠車輪，再到充氣輪胎。
據資料記載充氣輪胎是一位愛爾蘭獸醫，在醫治牛胃氣膨脹中得到啟示的。他用家中澆水的橡膠管粘成圓形，打足氣之後安裝在車輪上。充氣輪胎增加了自行車的彈性，並且減少了震動，因此提升了行車的速度。
小馬崽改名自行車
由於人們把曲柄連桿機構裝在了小馬崽上，由必須用腳踩地推動，變為踩動踏板使得車子自行運轉起來。“小馬崽”從此以後改名換姓為後來大家認識的“自行車”。
在平面四連桿機構中，那個能夠旋轉360度的連桿被稱為是“曲柄”，它被應用在了很多複雜機械中。
帶曲柄機構的自行車模型
圖片來自百度-樂高曲柄連桿模型
圖片來自百度-曲柄連桿機構
車骨架受力
為了保持穩定，自行車骨架各管的整體是大家喜歡的三角形結構。但各管的形狀有所差別。
自行車骨架
自行車架從力學結構上考慮主要承受彎曲受力，其力學模型可以簡化為梁結構。
以下是結構受力和受力變形的五種方式，從a-e分別為受拉力，受壓，受彎曲，受剪切，受扭轉。
受壓：支撐柱和和承重牆平時主要就是受壓力。
受拉：繩子可以很好的體現拉力——通過是否繃直。
受彎曲：體現在梁結構中，工形梁（梁的截面為H形）比性質相近的矩形截面梁更抗彎。
受扭轉：一般的工具和轉動軸上體現比較多。
受剪切：由於抗震需要抵抗剪切力而產生的剪力牆。
圖片來自百度
自行車骨架各管的受力大小並不相同，受彎最大的地方往往是在各管的兩端。所以車管的兩端是最危險的地方，容易破壞。因此從設計角度考慮改變車管的截面形狀，從而提升強度，也就是提升結構抵抗變形的能力。
山地自行車車架應力分析雲圖
如何判斷強度大小主要依靠一個指標——應力，其計算公式為FN/A
FN表示結構抵抗外力和變形的力，稱為結構內力，A 為受力面積，為應力。（查看蘇教版技術與設計2教材015頁）
為了保證結構強度和輕便，路邊的摩拜單車採用航天級鋁材做車架，顯然其強度要比普通材料高。結構的強度大小除了與其截面面積相關，還與其材料屬性相關。
自行車的驅動結構
鏈式傳動是常見的自行車驅動結構。靠人力腳蹬的力量通過曲柄，鏈輪、鏈條、飛輪、後軸等部件傳動，從而驅動整個車子。
鏈式傳動中的飛輪（與後輪連接的被動輪）有單級也有多級。單級飛輪齒數固定，而多級飛輪具有多片不同齒的飛輪，分別與中軸上的鏈輪組合，實現各種不同的傳遞比，從而使自行車變速。
鏈式傳動機構還是比較傳統的，人們在不斷改進自行車的傳動機構（畢竟大家不想在半路騎車掉鏈子，摸的一手油，還修不好）。
摩拜單車上就找不到鏈條傳動，因為它是利用錐齒輪結構實現軸傳動的。
圖片來自百度-摩拜單車傳動結構
圖片來自百度-摩拜單車傳動結構
去年美國的一個機械工程師團隊據說與一位老大爺設計了這麼一輛車，名叫NuBike這個設計主要想解決普通自行車騎久了傷膝蓋的問題。NuBike採用了較長的曲柄，藉助槓桿機構和重力機械，騎行車時靠踩動踏板推動自行車前進。
NuBike自行車結構
自行車是人類發明中成功的人力機械，由多個簡單機械組成的複雜機械。其中還有很多有趣的力學問題，各位看官們可以再多去發現。
參考文獻：
百度百科
自行車車架強度及應用分析
山地自行車車架的強度與模態分析
