一種自發(fā)電式助力自行車的設(shè)計(jì)思路

蔡啟蒙 化佳歡 袁海明 王正斌 師玉寶

摘 要:介紹一種自發(fā)電式助力電動(dòng)自行車的研發(fā)思路,其結(jié)構(gòu)與普通自行車相仿,也可在普通基礎(chǔ)上改裝,不需要電池等外界能源,依靠自行車自身能量的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)助力功能。自行車以腳踏為源動(dòng)力,在行車同時(shí)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,最終供電給電動(dòng)機(jī)起助力作用。

關(guān)鍵詞:自發(fā)電助力電動(dòng)機(jī)電池自行車

中圖分類號(hào):U484 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:Ａ 文章編號(hào):1674-098X(2012)05(b)-0016-01

1 自發(fā)電式助力自行車的研發(fā)思路

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,可持續(xù)發(fā)展日漸被人們所重視,依靠科技的進(jìn)步,電動(dòng)自行車以其“清潔、環(huán)保、便捷”等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到人們的親睞,贏得了廣泛的市場(chǎng)。近年來(lái),我國(guó)電動(dòng)車市場(chǎng)出現(xiàn)迅猛發(fā)展的勢(shì)頭,其產(chǎn)品的技術(shù)和質(zhì)量水平也都有了很大的進(jìn)步和提升,消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)自行車的認(rèn)可度也在逐步提高。但目前電動(dòng)車市場(chǎng)上產(chǎn)品仍然存在著結(jié)構(gòu)單一,充電時(shí)間長(zhǎng),續(xù)航能力差等問(wèn)題,再加上國(guó)家對(duì)電動(dòng)自行車提出“限速令”。面對(duì)著機(jī)遇和挑戰(zhàn),多數(shù)廠家開始將目光投向研發(fā)輕小型電動(dòng)自行車的思路上來(lái),但實(shí)質(zhì)問(wèn)題仍沒(méi)有得到有效解決,目前使用的鋰電池新產(chǎn)品,也因使用條件苛刻和成本大幅增加等因素沒(méi)能大量推廣,有些廠家采用增加電瓶數(shù)量的方法,雖然增大了騎行里程,但整車重量的增加又與輕小化相背離。

本文在分析了常見(jiàn)電動(dòng)自行車結(jié)構(gòu)和原理的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)多種高效簡(jiǎn)潔的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化方案的比較,基于能量轉(zhuǎn)化及機(jī)械能與電能之間的相互轉(zhuǎn)換等原理,提出一種介于傳統(tǒng)自行車與電動(dòng)車之間的主力自行車。該車以能量轉(zhuǎn)換的方式利用自行車自身的動(dòng)能發(fā)電,以供車體上的電動(dòng)機(jī)使用。該車設(shè)計(jì)的基本思路是騎行者在使用過(guò)程中須像普通自行車一樣蹬踏,充分利用腳踏的動(dòng)能并將之轉(zhuǎn)換成電能,然后提供給電機(jī)使用并和腳踏一起提供動(dòng)力帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)所起的助力作用可使使用者省去大部分力,以滿足使用者快速輕便的使用要求。該思路不僅大大簡(jiǎn)化了電動(dòng)自行車的結(jié)構(gòu),還可省去電池的生產(chǎn)成本,減少充電的使用時(shí)間和費(fèi)用。其方便的使用性能和低廉的價(jià)格將更加適合廣大人群的使用,是真正環(huán)保意義上產(chǎn)品。

2 自發(fā)電式助力自行車基本結(jié)構(gòu)

提出的這種無(wú)源助力型自行車,主要特點(diǎn)是不需要電池,以腳踏帶動(dòng)發(fā)電機(jī)為動(dòng)力源,然后作用于電機(jī)帶動(dòng)車輪,起助力作用,從而實(shí)現(xiàn)在遵守能量守恒的基礎(chǔ)上達(dá)到省力的目的。為滿足電機(jī)使用要求,可以采用傳動(dòng)效率高齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)增加發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而提高發(fā)電量,以方便選擇合適的電機(jī),電機(jī)選擇時(shí)應(yīng)考慮發(fā)電機(jī)輸出參數(shù),也可用整流電路來(lái)調(diào)整使之相配合。由于需要以腳踏作為該車的動(dòng)力源,故在使用時(shí)人不踏車不走,騎行時(shí)腳踏板帶動(dòng)后輪的同時(shí)帶動(dòng)發(fā)電機(jī),發(fā)電機(jī)所發(fā)電能提供給電機(jī)使用,電機(jī)將所轉(zhuǎn)換的動(dòng)能同時(shí)作用于自行車上,從而達(dá)到省力的目的。該車的具體結(jié)構(gòu)與普通自行車相似,區(qū)別在于在中軸上增加了一個(gè)小型發(fā)電機(jī),如圖1示。在車架上設(shè)置一電機(jī),電機(jī)與發(fā)電機(jī)之間通過(guò)電路模塊作用來(lái)滿足電機(jī)使用。電機(jī)與在后輪輪轂上增加的左飛輪通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)車輪,如圖2所示。這樣騎行時(shí)與普通自行車一樣,下坡不會(huì)帶著電機(jī)空轉(zhuǎn),騎行時(shí)也可共同作用,起助力作用。

2.1 發(fā)電部分

發(fā)電機(jī)是整車中最重要的部件,建議選擇功率大、體積小的發(fā)電機(jī),以便于配備電機(jī)和安裝。電機(jī)使用時(shí)將其固定于中軸附近的車架上,并平行于中軸。發(fā)電機(jī)所需要的動(dòng)力可采用齒輪傳動(dòng)方式由腳踏提供,以達(dá)到減小安裝體積和增加發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。具體方案可采用一組內(nèi)嚙合齒輪,將作為外圈的內(nèi)齒輪和腳踏板一起固定在中軸上,隨腳踏板一起轉(zhuǎn)動(dòng);與之嚙合的小齒輪固定在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上,在騎行時(shí)腳踏板帶動(dòng)齒輪組實(shí)現(xiàn)發(fā)電過(guò)程。發(fā)電機(jī)安裝方式也可設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)方式,即在不需要發(fā)電助力的情況下可將齒輪脫離嚙合,這樣就可以像普通自行車一樣騎行。

2.2 電路部分

由于發(fā)電機(jī)的發(fā)電量與其功率及轉(zhuǎn)速有直接關(guān)系,即腳踏的越快,發(fā)電量就越大,電機(jī)速度越快,相應(yīng)的自行車速度越快。故可將電路模塊設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化,只要保證所發(fā)電量能滿足電機(jī)正常使用,但要注意發(fā)電機(jī)和電機(jī)在選型上一定要相匹配。

2.3 傳動(dòng)部分

經(jīng)過(guò)對(duì)普通自行車的改造和試驗(yàn),認(rèn)為采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)作為電機(jī)與車輪之間的傳動(dòng)方式效果較好,而且這種方式簡(jiǎn)單、便于取材;另外,當(dāng)自行車的剎車為V殺時(shí),可直接在后輪輪轂左邊再加上一個(gè)飛輪,與固定于車架后部的電機(jī)通過(guò)鏈條鏈接帶動(dòng)車輪,并與腳踏所產(chǎn)生的作用力共同作用于后輪,這種連接方式不會(huì)導(dǎo)致自行車產(chǎn)生空轉(zhuǎn)。鑒于目前自行車中抱剎較為常見(jiàn),也可將飛輪安裝在前輪輪轂處,電機(jī)固定在前叉上。這樣使前輪也成為驅(qū)動(dòng)輪,與后輪一起促使自行車前行,能夠進(jìn)一步提高自行車的性能。但這種方式由于受前叉結(jié)構(gòu)限制,對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)要求苛刻,尤其體積要小而且安裝位置受限。

3 自發(fā)電式助力自行車的優(yōu)點(diǎn)

自發(fā)電式助力自行車是一種介于普通自行車與電動(dòng)車之間的產(chǎn)品,經(jīng)過(guò)改造試騎后,認(rèn)為有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1)省力——腳踏騎行時(shí)可用較少的力獲得較高的車速;(2)無(wú)需外接電源——可省去電瓶,有效減輕整車重量,在普通自行車的基礎(chǔ)上增加的材料不多,降低了成本;(3)由于無(wú)需充電,減少了二次能源消耗;同時(shí),避免了廢棄電瓶的污染,是真正意義上的環(huán)保交通工具。

4 結(jié)語(yǔ)

自發(fā)電式助力自行車?yán)媚_踏發(fā)電,以供電動(dòng)機(jī)使用,打破了電動(dòng)自行車要靠外界電源提供動(dòng)力的傳統(tǒng)思維。雖然在使用過(guò)程中須使用者蹬踏,但其助力特性可使使用者省去大部分力;同時(shí)又省去了電池的生產(chǎn)成本和充電費(fèi)用,其較低的成本和方便使用的性能有可能更加符合廣大使用者的需求。因此,如果將這種自行車的助力理念加以凝練,認(rèn)為對(duì)自行車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不失是提出了一個(gè)好的建議。

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