前言
200多年前，法国人西夫拉克走在雨天的街道上，被行驶的马车溅了一身泥水，引发了一个改造马车的想法：将马车顺着一边切掉一半，四个轮子变成了前后两个轮子。这个想法就是自行车的设计雏形。
早起自行车结构模型
今天，为了出行方便并且清洁环保，自行车早已是大众钟爱的交通工具和健身工具之一。受到新冠病毒的影响，待正常复工和复学之后，骑自行车出行会是更多人的防护选择。
由于最早的自行车从马车的改造而来，并且需要人双脚踩地从而推动车子（这个发明更像是一个健身工具），人们给它了它一个亲切的名字“小马崽”。
以下一段早期的影像资料（百代新闻社British Pathé出品），记录了自行车的发明和改进的过程：
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胀气的充气车胎
自行车胎的演变从木质车轮，到橡胶车轮，再到充气轮胎。
据资料记载充气轮胎是一位爱尔兰兽医，在医治牛胃气膨胀中得到启示的。他用家中浇水的橡胶管粘成圆形，打足气之后安装在车轮上。充气轮胎增加了自行车的弹性，并且减少了震动，因此提升了行车的速度。
小马崽改名自行车
由于人们把曲柄连杆机构装在了小马崽上，由必须用脚踩地推动，变为踩动踏板使得车子自行运转起来。“小马崽”从此以后改名换姓为后来大家认识的“自行车”。
在平面四连杆机构中，那个能够旋转360度的连杆被称为是“曲柄”，它被应用在了很多复杂机械中。
带曲柄机构的自行车模型
图片来自百度-乐高曲柄连杆模型
图片来自百度-曲柄连杆机构
车骨架受力
为了保持稳定，自行车骨架各管的整体是大家喜欢的三角形结构。但各管的形状有所差别。
自行车骨架
自行车架从力学结构上考虑主要承受弯曲受力，其力学模型可以简化为梁结构。
以下是结构受力和受力变形的五种方式，从a-e分别为受拉力，受压，受弯曲，受剪切，受扭转。
受压：支撑柱和和承重墙平时主要就是受压力。
受拉：绳子可以很好的体现拉力——通过是否绷直。
受弯曲：体现在梁结构中，工形梁（梁的截面为H形）比性质相近的矩形截面梁更抗弯。
受扭转：一般的工具和转动轴上体现比较多。
受剪切：由于抗震需要抵抗剪切力而产生的剪力墙。
图片来自百度
自行车骨架各管的受力大小并不相同，受弯最大的地方往往是在各管的两端。所以车管的两端是最危险的地方，容易破坏。因此从设计角度考虑改变车管的截面形状，从而提升强度，也就是提升结构抵抗变形的能力。
山地自行车车架应力分析云图
如何判断强度大小主要依靠一个指标——应力，其计算公式为FN/A
FN表示结构抵抗外力和变形的力，称为结构内力，A 为受力面积，为应力。（查看苏教版技术与设计2教材015页）
为了保证结构强度和轻便，路边的摩拜单车采用航天级铝材做车架，显然其强度要比普通材料高。结构的强度大小除了与其截面面积相关，还与其材料属性相关。
自行车的驱动结构
链式传动是常见的自行车驱动结构。靠人力脚蹬的力量通过曲柄，链轮、链条、飞轮、后轴等部件传动，从而驱动整个车子。
链式传动中的飞轮（与后轮连接的被动轮）有单级也有多级。单级飞轮齿数固定，而多级飞轮具有多片不同齿的飞轮，分别与中轴上的链轮组合，实现各种不同的传递比，从而使自行车变速。
链式传动机构还是比较传统的，人们在不断改进自行车的传动机构（毕竟大家不想在半路骑车掉链子，摸的一手油，还修不好）。
摩拜单车上就找不到链条传动，因为它是利用锥齿轮结构实现轴传动的。
图片来自百度-摩拜单车传动结构
图片来自百度-摩拜单车传动结构
去年美国的一个机械工程师团队据说与一位老大爷设计了这么一辆车，名叫NuBike这个设计主要想解决普通自行车骑久了伤膝盖的问题。NuBike采用了较长的曲柄，借助杠杆机构和重力机械，骑行车时靠踩动踏板推动自行车前进。
NuBike自行车结构
自行车是人类发明中成功的人力机械，由多个简单机械组成的复杂机械。其中还有很多有趣的力学问题，各位看官们可以再多去发现。
参考文献：
百度百科
自行车车架强度及应用分析
山地自行车车架的强度与模态分析
