一種新型水翼水上自行車的研究

摘 要 隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，生活、工作節(jié)奏的加快，越來越多的人在生活中所面臨的瑣事和壓力也愈來愈大。根據(jù)國內(nèi)外研究報告表面，親水運動是釋放壓力的最佳渠道。若能在水上完成多人休閑、單人“飛行”和水上競技等一系列娛樂項目的休閑裝置，將會給人們帶來愉快的心情。

關(guān)鍵詞 休閑娛樂；水上；自行車；飛行

中圖分類號 TN914 文獻標識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)071-0132-02

1 機構(gòu)的基本原理

作品采用水翼在行進過程中，由于水翼翼背的水流流速遠快于翼面的水流流速，從而產(chǎn)生向上的升力。在這一特性的啟發(fā)下，我們畫了水翼水上自行車的模型及受力情況，如圖1所示。在圖1中，1為前后水翼，驅(qū)動輪位于后水翼正上方，2是浮筒，3是坐墊，4是車架。當使用者位于坐墊上方且自行車不工作時，浮筒

所受的力N等于使用者的重量與自行車重量總和，那么左右浮筒各所受的力表示為：

N浮左=N浮右=（M人+M車）=M總 （1）

當水上自行車驅(qū)動M總緩慢前進時，即浮筒參與工作。此時，水翼產(chǎn)生的升力表示為：

F升≤N浮=M總 （2）

當水上自行車驅(qū)動M總快速前進時，即浮筒不參與工作。此時，水翼產(chǎn)生的升力表示為：

F升>N浮=M總 （3）

式中，F(xiàn)，N，M是機構(gòu)所受的力（如圖1所示）。由（3）式可得：機構(gòu)要實現(xiàn)水上“飛行”只需滿足一定的升力條件，而與浮力的大小無關(guān)。因而這一設(shè)想若能成功地應(yīng)用于休閑娛樂裝置中，則這一休閑娛樂裝置只要滿足一定升力條件，就可使人們在水中享受“飛行”帶來的刺激，并且這一“飛行”與浮力的大小無關(guān)。

圖1 水翼自行車模型及受力圖

若將如圖1中所示的模型應(yīng)用于工程中，顯然應(yīng)解決幾個

問題：

1）當在升力作用下浮筒不參與工作時，水翼自行車與水面有相對傾斜的可能，若自行車與水面之間出現(xiàn)相對傾斜，則浮筒必然會與水面相接觸從而產(chǎn)生阻礙作用，因而必須保證水翼自行車起飛時的平穩(wěn)性，避免出現(xiàn)浮筒與水面相接觸的情況。

2）當水翼產(chǎn)生升力時，承受較大的不對稱載荷，對水翼的固定必須進行設(shè)計。

3）由于模型中整體機構(gòu)尺寸較大，結(jié)構(gòu)也較為松散，其結(jié)構(gòu)必須進行優(yōu)化。

針對上述問題，我們在實驗的基礎(chǔ)上進行了探討，得到了有效的解決方案。

2 解決水翼與浮筒的相互協(xié)調(diào)工作的問題

在《翼型設(shè)計》理論中，不同形狀和尺寸的翼型對升力的產(chǎn)生有一顯著的區(qū)別，層流翼型是使翼表面的附面層保持大范圍的層流，借以減少阻力設(shè)計的翼型，試驗中得到，當表面光滑時，設(shè)計升力系數(shù)下擴展層流范圍能減小阻力，但當粗糙時，阻力會變得更大。由于制造技術(shù)的限制，層流翼型的使用將會出現(xiàn)升力不夠，從而導(dǎo)致浮筒與水面接觸的現(xiàn)象。而在眾多翼型中，高升力翼型的升阻比可大200%，因而不會產(chǎn)生自行車“飛行”時傾斜的現(xiàn)象，所以可采用高升力翼型來解決浮筒與水面的相對接觸的情況。

為此，我們利用提升水翼產(chǎn)生的升力來解決水上自行車“飛行”時不平穩(wěn)的問題，水翼翼面為一水平直線，翼背為以圓弧線，讓水翼翼背的流速遠大于翼面的流速，從而提升水翼的

升力。

3 優(yōu)化重心調(diào)整部分結(jié)構(gòu)，減少總體尺寸

在圖1的模型中，由于水翼水上自行車重心難以得到調(diào)整，其整體結(jié)構(gòu)尺寸較大，結(jié)構(gòu)也較為松散，其結(jié)構(gòu)必須進行優(yōu)化。從高空滑翔機得到啟示，我們把圖1中的不可調(diào)重心的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為如圖2中的可調(diào)重心的結(jié)構(gòu)，大大縮小了裝置體積，提升了自行車使用的靈活性，并且能進一步增加自行車起飛時的穩(wěn)定性。

如圖2所示為重心調(diào)整機構(gòu)前后調(diào)整狀態(tài)示意圖。為了機構(gòu)的調(diào)整角度最大，桿1與支座4之間為轉(zhuǎn)動副連接，桿2與支座3之間為轉(zhuǎn)動副連接，桿1與桿2之間既有轉(zhuǎn)動副又有移動副連接。該四桿機構(gòu)不滿足桿長條件，這樣構(gòu)成了雙搖桿機構(gòu)。自由度F=3×3-2×4=1，根據(jù)運動的確定性條件，此處所需的原動件個數(shù)為一個。

1）圖2-（a）為調(diào)整機構(gòu)的后極限位置，為了使重心可最大化調(diào)整，我們設(shè)計后極限角為30°；

2）圖2-（b）為垂直狀態(tài)，支座5位于桿中心位置使桿2前后位移相同。根據(jù)自行車整體結(jié)構(gòu)，確定桿1和桿2的尺寸為

500 mm，300 mm。

3）圖2-（c）為前極限位置，前極限角為30°，桿1與桿2之間的夾角為60°，可以保持坐墊的平穩(wěn)。

重心調(diào)整機構(gòu)利用雙搖桿機構(gòu)特性可優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)尺寸，對不同體重和身高的使用者可借助前后調(diào)整角進行調(diào)整，以滿足不同使用要求。當重心調(diào)整角取到合理的值時，水翼自行車起飛時便不會出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象，保證水翼水上自行車勻速前進。

4 主要創(chuàng)新點

作品是采用壓力差原理，在自行車前進時水翼受到的上壓力與下壓力之間的壓力差，使產(chǎn)生升力從而實現(xiàn)勻速“飛行”的一種新型水翼水上自行車。這一作品具有以下創(chuàng)新點：

1）作品采用壓力差原理，通過水翼與浮筒相互協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)多人水上休閑、單人水上“飛行”和水上賽騎等多種休閑娛樂項目。

2）利用重心調(diào)整機構(gòu)能有效地完成適應(yīng)不同體重和身高的使用者，縮小了裝置整體體積，提升了自行車使用的靈活性和結(jié)構(gòu)的緊湊性；并能夠進一步提升自行車“飛行”時的穩(wěn)定性。

3）整體結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計，拆裝、使用方便。

5 應(yīng)用前景

本裝置可在學(xué)校、水上公園和各娛樂場所作為水上娛樂項目使用。本裝置相對比其他水上娛樂項目體積小，重量輕，速度快，造價低，裝配簡便等優(yōu)點。特別適合水上娛樂場所。隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，生活、工作節(jié)奏的加快，越來越多的人在生活中所面臨的瑣事和壓力也愈來愈大。人們的休閑意識明顯增加，因而這一產(chǎn)品的消費群容量大；本裝置結(jié)構(gòu)緊湊，成本低廉，若實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，成本低于1000元，還不到現(xiàn)有市場同類產(chǎn)品售價的1/3，有較好的產(chǎn)業(yè)化前景。

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