一种新型的自行车脚踏助力装置 李树雷 李树青 摘 要 自行车逆风或上坡行驶的助力问题已是近百年来人们不断进行研究的课题,采用内燃机驱动式燃油助力自行车,实际上改变了自行车自行的特点,使自行车趋向于摩托车。为此,笔者分析了自行车的动力性能,从力学原理出发,提出用加长车拐来增大驱动力,并对有关动力性能进行测算。 内燃机驱动式的燃油助力自行车的问世,改变了自行车一百多年来传统的结构形态,节省了人们骑车上坡和逆风时的体力,提高了行车效率,可谓是自行车工业上的一次革命。近年来,随着燃油助力自行车的普及化,由于过高的车速,使本来就十分拥挤的城市慢车道增加了更多的不安全因素。燃烧油料和废气的排放,不仅消耗能源,而且增加了城市空气的新污染源。 1 结构原理 图1所示的自行车脚踏助力装置是由加长车拐1和2,链轮3、5、10、17和19,棘轮6和20,中轴7,传动轴12和15,齿轮13和16,链条9和18等组成。当脚踏在加长车拐1的脚踏板时,车拐1一面将动力传给棘轮20,带动大链轮3,通过链条22驱动后车轮向前滚动。与此同时,与加长车拐1固联的链轮19,通过链条18带动链轮17和与之固联的轴15同方向转动,使与轴15固联的直齿轮16和其相啮合的齿轮13完成反方向转动。由于链轮10和齿轮13均在轴12上固联,链轮10将通过链条9带动链轮5同其固联在一起的加长车拐2向着加长车拐1的反方向摆动,直到完成加长车拐1和2的最大向下和向上脚踏极限。为了保证加长车拐1和2在每次脚踏时上下同速摆动,在传动轴12和传动轴15之间安装了齿数比为1∶1的外啮合齿轮传动。链轮19和17的链传动与链轮10和5的链传动其传动比为倒数关系,即两个链传动的传动比乘积为1。这样,当脚踏一个加长车拐向下摆动时,另一个加长车拐同速向上摆动,同时又完成驱动车轮向前滚动的目的,使自行车仍保持原有的“自行”特征。 |
图1 自行车脚踏助力装置结构原理 2 自行车动力性能分析 简单地说,自行车的动力性能也叫行驶性能,它表示自行车行驶的快慢和克服行驶阻力的能力。 Fq=K.M2.i/Rc (1) |
图2 自行车驱动原理 式中:Fq——自行车驱动力(N) |
图3 滚动阻力 Rg=μw (2) 式中:Rg—滚动阻力(N) |
轮胎气压(kgf/cm2)* 一般情况下,滚动阻力随速度增加而增加,一旦超过某一速度时,滚动阻力值增加更加显著。在轮胎气压异常低并超过某一速度时,就会出现波动现象,即轮胎接地部位的变形还没有复原时,便接着又在新的接地部位发生变形,轮胎经常是在松弛状态下运转。在这种情况下,由于轮胎内部的能量消耗大,致使温度急剧上升,进而引起破坏。所以,应在全面权衡对自行车各种性能的影响之后,再决定轮胎的充气压。 Rk=0.5 C.A(υF+υC)2.ρ (3) 式中:Rk—空气阻力(N) |
图5 坡度阻力 Rp=(GC+Gr)sinθ (4) 式中:Rp—坡度阻力(N) Rj=a(Gc+Gr+0.05Gc)/g (5) |
图6 加速时的作用力 式中:Rj—加速阻力(N) Fqmin=Rg+Rk+Rp (6) 式中:Fqmin—最小驱动力(N) Fq>Fqmin (7) 联立式(5)、(6)和(7)导出自行车在坡道上逆风加速运动的加速度为: (8)3 自行车动力性能测算 现以26 in*自行车为例进行核算,其数据如下: 4 经济效果分析 本文所论述的自行车脚踏助力装置,所产生的驱动力可以与一台IE35FZL型0.65/5000自行车助力汽油发动机在相同行驶速度情况下近似等同。 作者简介 李树雷,男,1953年5月出生,高级工程师,历任教师(讲师)、厂长、经理助理等职。1986年被评为江苏省优秀教师。所研制的“手动轻便微型收割机”1990年获国家实用新型专利,1997年1月被《中国当代发明家大辞典》选入。已发表论文12篇。 参考文献 |
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