专利名称：有源市区车用线(道)路的制作方法
技术领域：
本发明是一种供车辆使用的市区道路，其特点车辆行驶的动力由道路以“人工风”和“行波路”方式供能，它不同於电车线路(包括地铁)之处在於车辆上无需电动机，不同於缆车线路之处是没有缆绳与车辆连接，因而运行自由度高，能使最为普及最为简单的车辆——自行车获得部分或全部行驶动力，如果在市内建成这种道路网，增加骑自行车的优势，将会对我国城市的两大难题，交通不便及车辆废气污染作出贡献。此外如果单从减少城市汽车废气出发，在交通干线上修建供汽车行驶的“行波路”也是有益之举，此路既像一条汽车传送带，发动机不用启动，但又与后者不同，其车轮是转动的，特点还是自由度大，能方便地在它与普通道路上双向过渡。
下面对此有源车用线路的两种基本供能方式“人工风”及“行波路”分别加以叙述一、“人工风”方式主要向某些人力及蓄电池供能的车辆供能，它们是自行车、电动自行车、蓄电池驱动的小型三轮或四轮车以及滑旱冰者，即只能建成一种供上述车辆通行的轻型道路。
1、道路结构，显然如果采用人工风，道路必定由往返两条单行管路构成。在管路中每隔一定路段置一电动风机以产生人工风，一般将风机轴线对准管道轴线以提高产风效率，在风机左右或下方设有车行岔道，在风机进风口处装有过滤尘土的装置(如装上吸尘器的过滤纸袋)。进出风口还装有提高风机效率的导流板，管道的墙和天花板应作吸音处理，在线路的终端站有一组弯曲180°的弧型导流板，它可使空气由“返”管折回到“往”管，这样可减少空气的动能损失，另外还保持了大部分空气的循环使用，有利於安装空调，自行车的进出口管道应该顺应风的走向并位於相邻风机站的中点，因为此处空气的压力和管外大致相等。当然此进出口管道由於主管风的吸引和分岔会有一些空气流通，这正好维持了空气的新鲜。管的尺寸内高2.1～2.2m，宽度应视交通量而定，但过宽应增设断续的隔墙，以减少风能的紊流损失，地面有油漆标示的行车分道线，规定不得频繁越线以减少车辆的相互干忧。在线路遇上较大坡度时可增设“行波路”，此行波路的原理及效能容稍后叙述。
此专用管路可设於地下，半地下以及架空，但城市中地下管道密布，又因自行车比汽车轻而慢，启动及刹车对道路的冲击力小，管路可做得轻巧。因此，更适於架空，对人口密度高的城市，为了节约空间“往”、“返”管路可垂直重叠起来，甚至在上层管道顶上还可修建存车长廊，即三倍地利用了地面面积。
建设这样的道路尽管花费颇巨，此处无从估算，其效果却十分诱人，现列举如下2、效益a、增加车速，众所周知，骑车人(包括人与车)没有什么流线形可言，风阻系数大，使高速骑车特别费劲。若在风道中吹着与车等速的风，就等於消除了人与车的风阻，以下根<p>表3 软铁球校正能量(系数D1)表
为了适应“大顺风”骑行，自行车的传动比应有所提高，最简单的办法是将车子的后轴换用价格不算太高(RMB40左右)，由行星齿轮构成的“内三速变速轴”。
b、能量的节约(有条件的)首先粗略地计算一下风道的能量损失，涉及的是一种光滑且粗细均匀的矩形风道，粗糙度为0.15mm，风道内高为h，内宽为b，风速为v，其每米的压头损失(比摩阻)为
当v＝5.6M/Sec(20km/hr)，h＝2.2m b＝5m时R0.15=5×5×61.8951000(2.2+52.2×5)1.217=0.067Pa/m]]>即每km管道长为67巴，维持此20km/nr的风速，每公里长的风道所需功率可由下式求出
其中P＝Pa(巴)，L＝M3/Sec(每秒流量)L=5.6m1000×2.2m×5m=61.6m3/sec]]>Ne=67×61.61000=4.13kw]]>前已述及，本风道系统为了节约能量，特使风在管中首尾相接，形成一环路，因此除了在风机通道及车行岔道外每公里4.13KW的维持功率大致是准确的，这当然是一项能量消耗，但对骑车人带来的能量的节约，特别是在车密度较大时节约的能量总合大于消耗的能量，例如将某5m宽的管道，划分为5个车道，并假设沿长度方向每车道每20m有车一辆，为使骑车人感到左右更为宽敞，相邻车道的车应前后错开，即横排(列)是不对齐的(这会自然形成)，如此每公里管道可容车250辆(1辆/20m2，因车速较高，所取车密数值低於马路上的常见密度)。如此在风速车速均为20km/hr时，每车省出功率为47w，总计11.75kw，特别宝贵的是这对车来说是输出功率，当然算上风机效率、岔道口损失等因数(很难计算)，能量的节约可能是有限的，如果车密过小，情况就有所不同，这时可降低风速或关掉风机(夜间)，从另一角度看，如果每公里风道替代了250辆助动车，减少的污染暂且不损，其节约的汽油为每小时75升(助动车每百公里耗油1.5升)。
c、减轻污染在中国某些城市，助动车成为空气污染的主要来源、据说一辆助动车排出的有害气体甚至超过一辆小客车，本风道中自行车车速完全能达到助动车的车速、可以替代大部分助动车，又电动自行车与汽油助动车的差距在於前者携带的能量不足，而风道正好给它以某种程度的补偿，将有利用无污染的前者的推广。
d、改善了骑车人的条件本风道系统采用立体交叉，加上较高的速度可使骑车人省下大量时间，据97年5月1日电视报导，北京市的公交车辆的平均速度已降到9km/hr，如此在省时方面风道骑车人就具有了很大的优势。此外，风道中骑车无需耽心汽车对生命的威胁，无日晒雨淋，无顶风之忧，甚至可以享受空调。如此骑手精神将得到放松，附带还得到了现代都市人缺乏的但对身体特别有益的机体的运动，可以说是给城市提供了一个大型运动场。
参改资料1、冯永芳编著“实用通风空调风道计算法”2、王克扬编著“助力自行车”二、“行波路”方式从以上的描述可以看出，由“人工风”方式转移到车辆上的能量有限，只不过是减少了人和车的风阻，它无助於车辆克复摩擦阻力，更不能提供车辆爬坡的动力及下坡的阻力，实际上即使在平坦的城市里。前述管路也必须为躲过障碍的爬高。为此应该在某些路段向这些无动力的车辆提供额外的动力，这正是“行波路”方式可以做到的。它的最大特点是车辆在获得能量的同时无需作任何改动和增加任何部件，可惜的是“行波路”本身结构复杂，成本高，只能在必要的路段上使用。
1、原理所谓“行波”是借用了电讯工程的一个术语“Traveling Wave”意思是指一个向前推进的波，”行波路“是一个路面，沿其长度方向被划分成一个个的路面单元，沿横向则是一个整体，这此路面单元在各自下方的振动单元驱动下，仅作上下振动，并无水平位移，暂假定所有单元的振幅A相等，面振动的相位沿长度方向(前进方向)依次一个比一个滞后一个角度，为简单起见还假定振动按正弦律，即某处振幅的瞬时值为振幅A乘以该处相角的正弦，如此从外表上看路面就像水波一样地起伏前进，和所有的波一样其前进速度V等於波长λ乘以振动的频率f，例如假设V＝20Km/hr，(5.6msec)，λ为20m，则路面单元的振动频率为Vλ＝0.28Hz，周期T＝3.57秒如果路面单元的振幅足够大，当车辆处在这种波状路面上，由於其车轮可轻易地转动，将自动滚下波谷，再因波谷的不断前移，车轮为追随波谷也随之前进，并且稳定在波谷稍后的某处，其处的斜率(坡度)使重力在车轮上产生的推动车辆前进的分力正好等於车辆的前进阻力，从路外看起来，车辆在随波而行，其情形正如冲浪运动员在水波的上升沿处滑行，故将无动力车辆在本“行波路”上的“溜坡”称之为“陆上冲浪”亦颇为准确，只是这里无需海上冲浪人的高超技术。
2、行波参数的确定在速度V和波长λ根据需要确定后振幅是唯一需要计算的参数，由正弦波特性得知在波的零点具有最大的斜率，如果车辆质量差阻力大，即便零点处的坡度仍不能阻止其相对於波开的后移，它就会越过后面的峰，再落入随后的谷，也就是说它不能随波而行，显然如果坡度再大些，也许车辆就会前进，所以根据绝大多数车辆的摩擦阻力确定一合适的坡度十分重要，又零点处的斜率S(坡度)是随振幅A变化的，利用关系式
可得
为得到S必须先求出自行车在时速为20km进所需的推力，借用在“人工风”方式叙述中列举过的例子，即骑车人在20km/hr时的输出功率N＝Nf+Nw＝65+47＝112瓦，(前提是人车共重80kg摩擦系数0.015，风阻系数0.021)推动车辆前进的力
它应该等於人车为80kg在倾斜角度为θ时产生的推动分力，即
θ＝1.46°，斜率S＝tgθ＝0.0255ASλ6.28=0.0255×206.28=0.081m=8.1cm]]>即波峰高出平均路面高度8.1cm，波谷低於平均路面8.1cm，此A值在波的零点处产生的推动分力，其大小正好等於典型自行车在时速20km时的运行阻力，显然此值满足不了要求，因为很多车的摩擦阻力大於典型车，为此设计的斜率必须有很大的余量，暂且将它增加到接近一倍的数，即取A值等於15cm，如此S＝0.047，O＝2.7°，显然，如果道路上还有人工风存在，就更增加了保险系数。
3、结构从简化机构出发，组成一个波(360°)的路面单元数量不能太大，而有限的数量将造成波形的阶梯状，解决办法是“搭桥”，即在振动单元顶部之间装上“铺板”，用以平滑相邻路面形成的阶梯，此铺板原则上与两边(前后边)的振动单元顶部作铰链连接，麻烦处在於“铺板”在正峰和谷底应该短一些，在零点附近应该长一些，最短最长之比为，1∶Cos2.7°＝1∶0.99889，约千分之一，最简单的解决办法是“铺板”的后边沿与后面的振动单元顶端作铰链连接，“铺板”的前边为叉口状，可卡在前面的振劝单元的铰链轴上，叉口与铰链轴上下无活动余地，水平方向却能滑动一小段距离，为避免叉口与铰链轴的切线方向的点接触(轴向为线)，在轴上套有上下为平面的塑料(或轴承金属材料)套筒，而叉口正卡在套筒的上下平面上。这样的“铺板”系用铺(涂)有聚胺脂橡胶之类的带筋的金属板作成，直正显露在路面上的则为聚胺脂橡胶，这个“铺板”即为前述的路面单元。如果每个波由12个“铺板”(也就有12个振动单元)构成每块板跨30°，长应为20m/12＝1.6667m，但板与板之间必须留有活动及误差间隙，例如3mm，那么当它处於零度附近间隙将增加板长的1/0.9988倍即1.667×1/0.9988＝1.67mm，加上原有的活动间隙，最大间隙为4.67mm，这样的间隙旱冰鞋轮也不会掉进去，是完全可以容忍的。
所有振动单元均上下作正弦运动，因此只具有单一的频率(没有谐波)。为减小其驱动功率，每个振动单元均配以弹簧，并使其与单元的质量组成一机械谐振系统，其谐振频率应该为“行波路”的工作频率，在此应为0.28Hz。
由于振动单元的振动频率甚低，比较适合液压驱动，但由于被驱动的单元要按正弦律运动，本液压系统有别于典型系统，即不是以油泵，而是以曲轴或凸轮带动的活塞于油缸中产生油压，由于此活塞作正弦运动，被其驱动的执行油缸中的活塞亦作正弦运动。而振动单元与后者是连为一体的，如此就满足了要求，另由于振动单元为长条状(长度等于路面宽)，以采取左右两个活塞将其推动较为合理，这两个油缸在油路上是串联的，又每隔180°的振动单元为对称反相运动，例如当30°处振动单元U3正在A/2处上行时，210°处的振动单元U21正在-A/2处下行，可以将U3的两个油缸与U21的两个油缸反相串联，油从压油缸活塞左侧到U3的左油缸活塞下方，再经右缸到U21左油缸的上端，最后经U21右缸返回到压油油缸的右侧，即一个压油缸带动四个执行油缸(见图三)，也就是两个振动单元，如此一个波长所属的12个振动单元可用六个压油油缸带动，这六个缸可集中在一起由一台电动机通过减速器带动，如果由1400～1450r1p1m1，减速器的减速比达到85∶1，使用非蜗杆蜗轮的齿轮减速器，其结构必然相当复杂，以一个减速器带动更多个波长的振动单元就成为必要，例如在每波长12个振动单元时，利用曲轴连杆驱动压油活塞，按曲轴转角每30°装两个压油缸，360°共24个，形成一个压油机组，其结构可如多气缸内燃机的各种结构，如从直列到V形、辐射型等，可驱动4个波长计80m路长的振动单元。当然这样最长的油管将长达40m，如果此行波路超过80m，第二、第三台压油机组就成为必需，但此时出现了同步问题，按现代技术观点，以采用电路达到同步最为可取，现提出一个经济可靠的电气方法，即在所有机组的曲轴上分别装上8bit的格雷(Grey)码盘，然后用光电方式取出角度数值，其精度可达360°/256＝14°＝±7°，以第一机组作为基准，由电子电路检出误差电压，也可采用VTR(磁带半导机)磁鼓与垂直同步信号同步的方式，即在曲轴上装上一PG信号发生器，以电子电路控制转速，精度可超过8bit的格雷码盘，和普通伺服系统一样，误差电压控制着执行电机以校正相位。本发明的特点是执行电机只是一台功率极小的可双向旋转的转子大电阻式感应电机，它的轴上连接着一根蜗杆，而减速机组中装有一组行星减速齿轮，它由外环内齿轮和中心的小齿轮构成差速器，几个行星轮的中心连成一体成为差动输出，中心高速转动的小齿轮连接着主拖动动力，外环内齿轮同时又是与前述蜗杆配合的蜗轮，它受小功率电机的带动按误差电压缓慢转动，主拖动动力由一台大功率感应电机提供，如此，差动输出即为校正了转动相位的动力输出。
基准压油机组无需控制相位，它的行星减速器外环内齿轮不必转动，如果拖动其中的小齿轮的大功率感应电机，相对于其他压油机组的电机速度稍慢(较大的转差率)或者是电机相同而行星减速器之前的减速器的减速比稍有不同，使基准压油机组行星减速器，中心小齿轮较其他机组的对应齿轮转速稍慢，则其他机组的控制相位的执行电机将不输出功率，它的作用只是释放蜗轮，即解除蜗杆蜗轮的自锁，顺应内齿轮的趋势而转动，此时控制电机总是单方向旋转，只是时快时慢而已。
压油油缸的油路上并联着一个由小电机直接带动的可正反两个方向输油的油泵，其作用是在“行波路”停止运行时将四个驱动活塞压到油缸的中部，从而使路面单元都停留在零点，行波路面就变成一条普通平路，此电机功率很小，因为允许它在较长的时间内使路面“复平”，它转动的方向及工作时间长短受振动单元中心位置传感器和总控制电路控制，在路面行波重新启动前，小电机将把各单元恢复到它们被“复平”前的位置。
行波波形也可以为非正弦，这可以增加行车密度和爬坡能力，例如不对称的三角波、锯齿波，不同占空比的半波等等，用不同曲线的凸轮能轻易的满足要求，用传动牛头刨刨刀的机构传动压油活塞可得到一有一定价值的波形，也可用傅立叶级数(Fourier Series)分析谐波成份，再用倍转速曲轴推动直径较小的油缸，并将其油路与基波油缸并联即可使执行油缸按要求波形运动，但所有的非正弦波均要求每个波长有更多的振动单元(路面单元)，从而增加了道路的成本。
为防止相邻路面单元因相位错误产生大的落差而造成行车事故，相邻振动单元间没有叉与杆限制行程，即仅仅允许其间的落差等于二者在波的零点处的数值。
本行波路面主要用在上下坡处，此时计算A值时应将路面倾角φ与水平路面时的倾斜角度θ相加成新的θn，即A=sλ6.28=tgθnλ6.28=tg(θ+φ)λ6.28=tg(2.70+φ)λ6.28]]>
一条完整的行波道路允许振幅A和波长在各个路段有所不同，即允许速度V有所不同，但重要的是相邻路面单元的振动相位必须连续。
在道路的起端振幅A应从最小值逐渐变到正常值，而止端正好相反，如此可实现由行波道路和普通道路之间的过渡。
本道路与普通道路可以实现交叉，这种情况下须使路面单元的零点与普通路面处于同一水平，但其间留有较大的间隙，此间隙由“条状盖板”补充之“条状盖板”一端与路面单元作铰链连接，另一端为大半个钢球，与钢球配合的轴承安装在普通路的横断面路沿上，前后可伸缩少许以吸收盖板在不同角度时对轴承位置的要求。如此尽管行波路面在上下波动，却可以与不动的普通路面实现斜坡过度。
本“行波道路”主要用途是与“人工风道”配合组成完善的自行车之类的轻型车辆专用道路，但其原理亦可用于汽车排队前进的城市交通干线，使行驶其上的汽车关掉发动机，以节约汽油并达到零污染排放。
关于本发明的实施，其关键在于投资是否值得，即使解决中国城市的“行路难”，应不应该花钱，如何对待其经济效益和社会效益。由於中国城市人口的高度密集，加上人口总数的庞大，发展私人汽车且不谈经济经济发展水平，仅就空间(包括人均道路面积及停车场地)和总汽油供应(且不谈空气污染)就没有可能，自行车虽有诸多优点，然动力来源于肌肉，速度略高于步行，未免过份原始，本有源道路授之以能源提高其速度，一来节约了使用人的时间；二来提高了道路利用率，也等于提高了空间利用率，仅此二大优点在时下就非金钱所能买到。
图一示出了风机站与车行叉道的关系。图中1.车行岔道；2.进风口导流片；3.空气过滤器；4.电动机；5.旋转导流片；6.风机叶片；7.反旋转导流片；8.出风口导流片；9.矩形管路；图二示出了一个波长的正弦行波路，共有12个振动单元，12个“铺板”。1.铺板；2.自行车；3.振动单元。图三为一个压油缸的油路，图中示出发两个相隔180°(波形的)振动单元及执行油缸。1.振动单元；2.执行活塞；3.执行油缸；4.油管；5.“复平”高压双向输油泵；6.细油管；7.曲轴；8.连杆；9.压油油缸；10.压油活塞。
作者认为最佳方案，人工风道在地下地上空间有限的闹市区适于架空，取好配以行波路将其提高到超过最高树梢，使之不损坏绿化，另外，还可以在低矮建筑上方越过，即不与普通道路重叠，往返管道可垂直叠放，在空旷市区架设高度可大为降低，也可采用半地下方式，即地下1.5m，地下0.7m，使采光窗露于地上，顶部仍可绿化，行波路以正弦波振动为佳，因为它每个波长的路面及振动单元数量少，运行比较平和(垂直加速度小)，路面梯度小、安全。以每波长12个路面单元较为适中，它可用于风道内也可用于露天，在露天可以建成自行车的专用线，由於建有路边坡面过渡盖板，自行车可以随时随地自由上下，行人也可从上面步行、横穿，当然在汽车整天排队通行的地段，在普通路上划出一辆车的宽度建一条汽车专用线也是可行的。
权利要求
1.一种向车辆提供部分或全部行驶动力的市区车用道路，其特征在于它是以人工风和行波路的方式，视需要分段向车辆供能。所谓人工风式方式是在由往返两条矩形管状道路中由风机站产生与车行方向一致的风以消除风阻。所谓行波路方式由电动机驱动构成路面和各个“路面单元”作不同相位的垂直振动，其规律是按车辆前进方向“路面单元”的振动相位依次逐个滞后，以此在路面上产生一行进的正弦或非正弦的机械波，车辆则在波的上升沿不断地被路面抬升又不断地在“溜坡”下滑并前进。
2.权利要求1所述的矩形管状道路，其特征在于采用车行岔路使车辆避开装有风机的风机站，例如风机站出风口轴线对准管道轴线，车辆由左右或下方岔路通过，或者风机站有多个出风口，其合成风之轴线对准管道轴线，车辆穿过出风口间隙进入管道。
3.权利要求1所述的矩形管状道路其特征在于车辆的进出口设在两个风机站的中间附近。
4.权利要求1所述的风机站，其特征在于其进出风口以及风机叶片前后装有减少风能的紊流损失的导流片。
5.权利要求1所述的风机站，其特征在于进风口处装有过滤空气的滤尘袋。
6.权利要求1所述的构成行波路的路面单元，其特征是由长条状的由液压驱动的振动单元及连接在相邻振动单元顶部的“铺板”组成，“铺板”的一边与该边的振动单元作铰链连接，另一边沿与另一边的振动单元的铰链轴作叉口连接。
7.权利要求6所述的振动单元，其特征是按路段分成若干组，每组所属的各个“振动单元”由一台大功率感应电动和减速器经曲轴或凸轮按要求的相位顺序传动压油油缸活塞，再经油管按顺序推动执行油缸的活塞，从而得到符合相位要求的推动力。
8.如果要求非正弦的机械行波，可用傅立叶级数(Fourier Series)将其分析得到高次谐波的振幅和相位要求，再以转速成倍数幅度相位符合要求的曲轴或凸轮驱动谐波压油油缸，并使其在油路上与基波油缸并联，使执行油缸的活塞按规定波形运动。当然采用特殊曲线的凸轮或者是传动牛头刨刨刀的机构来驱动压油活塞，也可得到一些较好的波形。
9.权利要求7所述的减速机其特征在于它由一级与大功率感应电机相连的减速器和一级与曲轴或凸轮相接的行星差速减速器相串，其差速器的另一输入，即行星齿轮的外环内齿轮通过蜗轮蜗杆受一小功率电机的带动，小功率电机受调整曲轴或凸轮相位的电信号控制。
10.权利要求7所述的执行油缸，其特征在于油缸两端连接着两根细油管，它们连接到一个由一小电机直接带动的，可双向输油的油泵，电机受执行油缸的活塞位置传感器和道路“启动——停运”开关控制，在行波路“停运”时将各自的活塞压到油缸的中点，使全路变成一条平路，在“启动”时将各自的活塞恢复到“停运”前的位置。
11.权利要求1所述的“行波路”，其特征在于它与普通道路交叉或平行时，两路间留有较大的间隙由与权利要求6所述的“铺板”侧沿作铰链连接，与普通道路路沿作球状关节连接的“条状盖板”复盖之，成为两种道路间的一个坡状过渡带。
全文摘要
一种以人工风和行波路方式向车辆提供行驶动力的市区交通线路,不同于电车和地铁线路的是车上无需电动机,不同于缆车的是无需缆绳与车连接,使自行车、溜旱冰者、电动自行车、电动三轮、四轮车从中受益。所谓人工风是用风机在管状道路中产生与车走向一致的风以消除风阻,所谓行波路是用电动机使结构特殊的路面上下振动,且振动相位沿前进方向的逐点滞后,产生一行进机械波,车辆在波的上升沿溜波前进,恰似海上冲浪运动。
文档编号E01C1/00GK1258780SQ9812631
公开日2000年7月5日 申请日期1998年12月31日 优先权日1998年12月31日
发明者张恒敬 申请人:张恒敬