专利名称:风阻助动自行车的制作方法
本实用新型涉及一种改进的自行车，特别是一种能够将风阻力变为驱动力的自行车。
现在已有的一般自行车，虽然优点多，但仍有以下缺点人的脚蹬马力小，逆自然风骑行吃力，车速低；上坡骑行费力，车速也很慢。
人力脚蹬的一般自行车，既有上述缺点，故国内外企图对自行车进行改造者不乏其人，并有不少新的发明。但总不外分机动、人力和自然能源为驱动力三大类。机动或电动自行车，虽然马力足，车速快，但车身重，价格昂贵，又需能源和燃料支付费。用自然能源如太阳能驱动的自行车，价格较昂贵，本身重量和体积也有一定增加，故也有缺点。装有变速器的自行车是省力的自行车，但由于省力，又使车速变慢。
本实用新型的目的，是提供一种改进的自行车，它可将风阻力变为驱动力，可加快车速，并且骑行省力而又不支付能源费。
本实用新型是这样实现的风阻助动自行车主要由一般自行车在结构上稍加修改，安装上变风阻力为驱动力的装置构成。变风阻力为驱动力的装置由风轮、变速变向传动器、传动链盘、传动链条、导向压链滑轮、前轮内三速轴飞轮及控制器，风轮支架、风轮支架固定夹等构成。逆风力使风轮旋转，经过变速变向传动器和传动链盘，再经过传动链条(导向压链滑轮压紧传动链条)带动前轮内三速轴飞轮(由控制器控制换档)，从而带动前车轮，起到辅助驱动的作用。风轮和变速变向传动器用风轮支架的平支架固定在车把上，并用风轮支架固定夹夹紧风轮支架的立支架，立支架的另一端固定在前车轮轴上。
风阻助动自行车以脚蹬为主驱动力，以变风阻力为驱动力的装置接受和反馈风能给自行车作为辅助驱动力。风阻助动自行车分普通车和高效能车两种普通车只要求18公里／小时以下车速骑行，且对风阻利用效能要求不高，前车轮和后车轮只安装一般带有飞轮的轴即可，这样价格低廉；高效能车因车速经常可达18公里／小时以上，且能在较强自然逆风中以较快速度骑行，故后轮装内三速变速轴(或无级变速器)及控制器，可变速骑行。风阻助动自行车的后轮轴(带飞轮并由操作键控制变速)，采用无级变速器或外三速或外五速或内三速或内五速后轴(带飞轮)之一种。前车轮安装内三速变速轴(或无级变速器)及控制器，这样可随自然逆风大小而改变风轮与车轮转速比骑行，使之高效能的将逆风阻力变为助动力，从而在强逆风下也能以较快速度行驶，车速不会因自然风而大大减慢。前轮内三速变速轴或无级变速器等可调变速器应随自然界逆风和相对风速改变而进行调节换档，即尽可能按行驶时风轮与车轮之间的转数比Kv＝ (V＋V′)/(V) Kvn的值来调节，才有可能达到高效能的利用自然界逆风能量为辅助驱动力的作用；否则不能充分利用自然界逆风能量。式中V为车速，V′为自然界逆风风速，Kvn为风轮与车轮的固定转速比，即变速变向传动器中固定的变速比。
骑行风阻助动自行车，上车后用脚蹬中轴踏板，中轴链盘随之转动，经传动链条带动后轮变速轴的飞轮旋转，车轮逐渐加快。此时车轮虽在前进行驶转动，但因风力很小，又因飞轮本身的功能作用不会使风轮转动，(如果车轮后退转动，风轮会随同反转)。当车速加快，使相对风速V1＝V＋V′的值达到3米／秒左右时，变风阻力为驱动力系统的风轮才开始起动旋转，逐渐加速，从而使变速变向传动器的链盘以变速后的低速旋转，同时其转矩增大，转向与车轮方向一致，经链条传动而带动前轮变速轴的飞轮旋转。当前轮变速轴的飞轮旋转与前车轮转速同步后(若前轮为变速轴，则当该变速轴的飞轮(已按要求调好变速比)转速达到它的变速比)一部分逆风力已变为驱动力(此时风轮已带上负荷)作用于前车轮，起到利用风阻的作用。此时若脚蹬力不变，自行车开始加速，即车速V增加。车速V增加，其相对风速V1＝V＋V′也增加，此时脚蹬力仍保持不变(脚蹬转速略有增加)，则因相对风速V1＝V＋V′增加而又使变风阻力为驱动力的装置(风轮、变速装置)产生的反馈驱动力增大，从而又使前车轮加速，车速V又增大，随之，相对风速V1＝V＋V′又增大，又使风轮反馈驱动力增加。如此不断循环，形成变风阻为驱动力的系统，产生正反馈再生循环加速功能。但由于车速V增加的同时，人和车所受风阻力也在增加，对自行车行驶起负反馈作用，与负反馈作用相互平衡时，风阻助动自行车即以某一提高了的车速稳定行驶。
变风阻力为驱动力装置的风轮可选用各种类型的风轮，以选用螺旋浆型风轮为最佳，并且风轮的直径是350～450毫米，风轮的叶片数为3～6片，由于风轮是安装在自行车上，而自行车经常随处停放，有时难免跌倒，从而可能将风轮叶片跌坏变形。为了防止这一可能，可将叶片制成可以收迭的，且风轮可随时卸下，随身携带，以防跌坏。卸下的方法是将风轮叶片固定盘上的弹簧销从风轮轴端的槽中退出，风轮叶片固定圆盘中心的轴孔即可从风轮轴上退出而卸下。风轮的扭曲形状，根据逆风对叶片的相对速度Vr与风轮轴之夹角β来决定，该β角为β＝tg－1(ωγω)/(V)式中，ω为风轮的角速度，rω为风轮的半径，V为车速，但ωrω的值是在车速V为某值时实测或算出的。
风轮叶尖速比入是风轮特性中一个最重要的参数，它的值等于风轮旋转时叶片尖部圆周速度与相对风速V1＝V＋V′之比值。按下式计算λ＝ (V)/(V＋V1) ·Kv· (DW)/(DC) ，式中DW为风轮直径(米)，DC为车轮直径(米)。(注因车轮对地面打滑，故按此式计算的λ值比实际值稍小)。
当V′＝0时， (ωγω)/(V) 值是风轮的标准叶尖速比λn， λn＝ (ωγω)/(V) ，λn取1.3～2.3，即β取52°～66°。
逆风对叶片的相对速度Vr与叶片迎风面的夹角为冲角α，冲角α的最佳值由升阻比L／D最大时来确定(L为升力，D为阻力)，α取4°～9°。
叶片截面同风轮旋转面的夹角为楔角φ，φ取26°～21°。
变风阻力为驱动力装置的变速变向传动器的主轴是风轮的轴，起变风阻力为驱动力的作用和正反馈驱动力的传动作用，主轴前端直接套装风轮，从动锥齿轮牙的数据，根据不同尺寸自行车变化。传动链盘与从动锥齿轮用螺栓连接同步转动。
变风阻力为驱动力装置的传动链条根据各车型尺寸确定其节数，且与前车闸有适当距离相隔。并用导向压链滑轮压紧传动链条。
变风阻力为驱动力装置的导向压链滑轮可用钢材或胶木或工程塑料等制成。
为了安装变风阻力为驱动力的装置，要将一般自行车的结构稍加修改，才能制成风阻助动自行车。即使自行车前叉稍端之间距等于后叉稍端之间距，将前车轮 轴换为后车轮 轴或内三速变速轴(或自动无级变速轴)，使前车圈变速轴两端所钻车条孔与前车圈车条数一致，若钻孔数不变，则前车轮选用该车型的后车轮的车圈。
风阻助动自行车的工作原理用方框图示意，如图1所示。骑行者用脚蹬风阻助动自行车，产生脚蹬力F，此F力为正驱动力，使自行车行驶，产生车速V，若此时有自然逆风，则相对风速V1＝V＋V′，若V′＝0，则V1＝V，此V1或V将使风阻助动自行车所装设的风轮〔2〕旋转，当转速达一定值后，可将动能转变为机械能，经变速变向传动器〔4〕使旋转方向变为与车轮一致，并使风轮的高转速(低转矩)变为低转速(高转矩)，再经变速变向传动器链盘〔5〕(此时风轮与链盘之间固定转速比为Kvn)将风轮输出的功率经链条〔8〕传动，再经自动无级变速器或换档的变速轴(如内三速、内五速等)〔11〕变速，使风轮与车轮转速比为Kv＝ (V＋V′)/(V) Kvn，从而产生高转转矩和反馈力Ff，此Ff作为驱动前轮的辅助正驱动力，经过比较环节(以符号
表示)使总驱动力增加，转速将提高，又使风轮加速旋转，经变速传动，又使Ff增加，又使自行车车速增加……。如此不断产生正反馈再生循环。但由于车速V增加，必然使人体和车的迎风面阻力RA增加，产生负反馈作用，削弱正反馈再生循环。当车速达到某一提高的车速值时，其它阻力R和负反馈力RA的总和∑R已将正反馈力削弱到零。此时风阻助动自行车，即以提高了的车速行驶。若骑行晃动，不使车速提高，则可省脚蹬力。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点1.风阻助动自行车以人力和风力(包括自然界逆风和车速引起的逆风)共同为驱动力，故马力有一定增加，而又不需能源支付费。
2.风阻助动自行车因装有变风阻力为驱动力的正反馈再生循环加速装置，在无自然风和有自然风时，均能将风阻力一部份转变为驱动力，将害变利，从而抵销其一部份骑行阻力，故可加快车速或省力。
3.风阻助动自行车在变风阻力为驱动力装置系统中装有变速变向传动器，可使自行车在强自然逆风下骑行时，提高风阻力变为驱动力的效能。自然界逆风愈大，愈对骑行有利，也就是变风阻力为驱动力随自然界逆风增大而增大，抵消阻力的能力愈强。
4.风阻助动自行车因有变风阻力为驱动力的装置，在脚蹬暂停时，变风阻力为驱动力的系统仍在工作，有辅助驱动力存在，且此种车，总的转动惯量比一般自行车转动惯量稍大，故在脚蹬暂停时，车速不会明显减速。可是蹬时歇，使人感到轻松省力，在下坡骑行达平路时和上小坡骑行时，也很省力，车速不会立即下降很大。骑行风阻助动自行车，根据计算，在无风时可省力8～13％，在逆强风骑行可省力8～20％以上。
5.风阻助动自行车零部件和材料少，加工也不很复杂，成本和价格是不很昂贵。
6.保持了一般自行车的主要优点灵活，轻便、无噪声、无环境污染，搬动方便，上下楼梯或跨小沟时可用手提搬动和在较窄的道路上骑行。
本实用新型的具体结构由以下实施例及其附图给出。
图1是本实用新型提出的风阻助动自行车的工作原理图。
图2是本实用新型提出的风阻助动自行车的外观示意图。
图3是本实用新型提出的风阻助动自行车的内三速变速轴外观示意图。
图4是本实用新型提出的风阻助动自行车的决定风轮扭曲形状的β角，冲角α和楔角φ。
图5是本实用新型提出的风阻助动自行车的风轮叶片收迭示意图。
图6是本实用新型提出的风阻助动自行车的变速变向传动器结构示意图。
风阻助动自行车主要由前后车轮、三角架、车把、中轴踏板链盘和传动链条，前后叉、后轴变速轴和变风阻力为驱动力装置等构成。变风阻力为驱动力的装置由 风轮〔2〕，风轮保护罩〔3〕、变速变向传动器〔4〕、传动链盘〔5〕、风轮支架〔6〕、风轮支架固定夹〔7〕、传动链条〔8〕、导向压链滑轮〔9〕、风轮刹车、前轮内三速轴飞轮〔11〕及控制器〔18〕等构成，如图2所示。逆风力使风轮〔2〕旋转，经过变速变向传动器〔4〕和传动链盘〔5〕，再经过传动链条〔8〕(导向压链滑轮〔9〕压紧传动链条〔8〕带动前轮内三速轴飞轮〔11〕(由控制器〔18〕控制换档)。风轮〔2〕和变速变向传动器〔4〕用风轮支架〔6〕的平支架轮有一组指形轮盘在车把上，并用风轮支架固定夹〔7〕夹紧风轮支架〔6〕的立支架，立支架的另一端固定在前车轮轴上。
风阻助动自行车的后车轮轴〔1〕(带飞轮并由操作键〔17〕控制变速)，根据需要和车型安装不同的轴和飞轮。采用无级变速器或外三速或外五速或内三速或内五速后轴(带飞轮)之一种。
风阻助动自行车的变风阻力为驱动力装置的风轮〔2〕，选用螺旋浆型风轮，并且风轮的直径是440毫米，风轮〔2〕的叶片数为4片，将叶片3、4作成活动叶片，叶片1、2作成固定叶片，叶片3、4能顺时针旋转收迭与叶片1、2重合，风轮〔2〕可随时卸下，以便随身携带，以防跌坏。叶片的收迭如图5所示。卸下的方法是将风轮叶片固定盘上的弹簧销从风轮轴端的槽中退出，风轮叶片固定圆盘中心的轴孔即可风轮轴上退出而卸下。风轮〔2〕可采用铝合金板压制成要求形状的叶片，也可采用高强度的工程塑料用模型压制成设计要求形状的叶片。凡质量轻的，强度好的材料按规定要求制成的叶片都可使用。
当标准叶尖速比λn＝1.75时，β＝60°冲角α最好取7°，则叶片截面同风轮〔2〕旋转面的夹角一楔角φ为23°。以上β、α、φ角如图4所示。
为了防止骑行时，风轮〔2〕快速旋转碰击到行人，可设计较简单的风轮保护罩〔3〕，风轮保护罩〔3〕在风轮〔2〕迎风面无档风的任何网状物，仅在风轮〔2〕左右两边有适当的弧形网罩。风轮保护罩〔3〕用螺栓固定在变速变向传动器〔4〕上。
变速变向传动器〔4〕是风阻助动自行车的主要装置部件，它的主轴〔13〕是风轮〔2〕的轴，它的作用是将风轮〔2〕的高转速变换为较低的转速，以便与前车轮轴的飞轮同步，同时将风轮〔2〕的低转矩变为较高的转矩，起到变风阻力为驱动力的作用。另一方面，它还将风轮〔2〕的旋转方向变换为与前车轮轴飞轮的旋转方向一起到正反馈驱动力的传动作用。
变速变向传动器〔4〕以构架、轴承、主轴〔13〕、主动锥齿轮〔14〕、从动锥齿轮〔15〕和外壳等组成，其结构示意如图6所示。变速变向传动器〔4〕的主轴〔13〕前端，直接套装风轮〔2〕，主动锥形齿轮〔14〕为15牙，从动锥形齿轮〔15〕为54牙，传动链盘〔5〕为20牙与从动锥形齿轮〔15〕用螺栓〔16〕连接同步转动。
传动链条〔8〕是变速变向传动器〔4〕的传动链盘〔5〕同前车轮轴上的飞轮(内三速轴飞轮)之间传动之用，为普通式 1/2 ”链条，根据各车型尺寸确定其节数，且与前车闸有适当距离相隔。
风阻助动自行车的变速变向传动器〔4〕同前车轮轴飞轮之间的链条传动，基本上是上下垂直方向会，在骑行中，抖动和摆动较严重，故须用导向压链滑轮〔9〕压紧到适当的张紧度，使传动链条〔8〕不至抖动和摆动与其他部件碰撞。导向压链滑轮〔9〕可用钢材或胶木或工程塑料等制成。胶木或工程塑料制成的导向压链滑轮〔9〕，在骑行传动时，基本无噪音。
风轮支架〔6〕是支持固定变速变向传动器〔4〕和风轮〔2〕在一定位置的，由平支架和立支架两种支架构成。这两种支架是左右对称的。变速变向传动器〔4〕的安装位置，决定于风轮支架〔6〕的尺寸，必须使平支架水平固定在车把上，并用风轮支架固定夹〔7〕夹紧风轮支架〔6〕的立支架，立支架的另一端固定在前车轮轴上。
为了防止骑行时突然刹车而风轮〔2〕尚在快速旋转而引起前车轮飞轮损坏，设计专门的风轮刹车，使自行车在急刹时，风轮〔2〕先刹车停止旋转，随后前轮才刹车，这样飞轮不致损坏。但由于前车轮飞轮本身具有风轮刹车的作用，风轮〔2〕驱动前轮飞轮的力矩不很大，不会损坏飞轮，故也可不专门设计安装风轮刹车。
前轮内三速轴飞轮〔11〕是变风阻力为驱动力必须安装的辅助驱动的重要部件。由于风阻助动自行车变风阻力为驱动力的反馈力辅助驱动系统是将辅助驱动力(反馈力)作用于前车轮变速轴，故应装此反馈驱动力飞轮〔11〕，飞轮〔11〕由控制器〔18〕控制换档。由三速轴控制器〔18〕，装在自行车三角架靠坐垫前面。当内三速轴变速轴用于前轮时，车条孔〔12〕数量与前车圈车条数一致，若钻孔数不改，则前车轮选用该车型的后车轮的车圈，自行车前叉稍端之间距等于后叉稍端之间距。
骑行风阻助动自行车“省力”而且“和自然界逆风愈大，愈对骑行有利”，已有经过上百次实验所证实。实验数据如下一.800米，4％下坡滑行(同等条件比较)1.一级风左右(各次所测气候条件不同，数据也不同，取平均值)；①有风轮反馈装置2分8秒左右滑到终点。
②无风轮反馈装置2分14秒左右滑到终点。
根据1983年～1986年近百次测试，有风轮反馈系统滑行比比无风轮滑行提前2～10秒到达终点。
2.二至三级逆风(同条件滑行比较，仍取多次平均值)。
①有风轮反馈装置2分30秒滑到终点。
②无风轮反馈装置2分50秒滑到终点。
多次实验有风轮反馈装置自行车滑行到达终点 时间比无风轮自行车滑行提前10～30秒。
二、运动场跑道(400米)骑行(多次平均值)1.有风轮装置车400米一圈骑行时间为59秒。
2.无风轮装置车400米一圈骑行时间为1分7秒。
这两种车实测时，采取无风轮装置车先骑行实测，然后人巳疲乏时再将风轮装上骑行有风轮装置车，结果，总是有风轮装置车时间快5～7秒。
三.长途试车骑行(6公里同一公路骑行，多次平均值)。
1.有风轮装置车18分钟到达终点。即时速为20公里／小时。
2.无风轮装置车21分钟到达终点。即时速为17.16公里／小时。
故有风轮装置车比无风轮时提高 (20－17·14)/(17·14) ×100％＝16.7％的车速。
以上各项实验，均有原始实验数据可查。
权利要求
1.一种由前后车轮、三角架、车把、中轴踏板链盘和传动链条、前后叉、后轴变速轴等构成的自行车，其特征在于它具有变风阻力为驱动力的装置结构，变风阻力为驱动力的装置由风轮[2]、变速变向传动器[4]、传动链盘[5]、传动链条[8]、导向压链滑轮[9]、前轮内三速轴飞轮[11]及控制器[18]、风轮支架[6]、风轮支架固定夹[7]等构成；逆风力使风轮[2]旋转，经过变速变向传动器[4]和传动链盘[5]，再经过传动链条[8](导向压链滑轮[9]压紧传动链条[8])带动前轮内三速轴飞轮[11](由控制器[18]控制换档)，风轮[2]和变速变向传动器[4]用风轮支架[6]的平支架固定在车把上，并用风轮支架固定夹[7]夹紧风轮支架[6]的立支架，立支架的另一端固定在前车轮轴上。
2.根据权利要求
1所述的自行车，其特征在于变风阻力为驱动力的装置的风轮〔2〕选用螺旋浆型风轮，并且a)风轮〔2〕的直径是350～450毫米，b)风轮〔2〕的叶片数为3～6片，c)正面逆风对叶片的相对速度Vr与风轮轴间之夹角β＝52°～66°，d)逆风对叶片的相对速度Vr与叶片迎风面的夹角为冲角α，α＝4°～9°，c)叶片截面同风轮〔2〕旋转面的夹角为楔角φ，φ＝26°～21°。
3.根据权利要求
3所述的自行车，其特征在于a)风轮〔2〕的直径是440毫米，b)风轮〔2〕的叶片数为4片，将叶片3、4作成活动叶片，叶片1、2作成固定叶片，叶片3、4能顺时针旋转收迭与叶片1、2重合，风轮〔2〕可随时卸下，以便随身携带，以防跌坏，c)β＝60°，d)冲角α＝7°，e)楔角φ＝23°。
4.根据权利要求
1所述的自行车，其特征在于变风阻力为驱动力装置的变速变向传动器〔4〕a)主轴〔13〕是风轮〔2〕的轴，起变风阻力为驱动力的作用和正反馈驱动力的传动作用，b)主轴〔13〕前端直接套装风轮〔2〕。
5.根据权利要求
1所述的自行车，其特征在于可用钢材或胶木或工程塑料等制成变风阻力为驱动力装置的导向压链滑轮〔9〕。
6.根据权利要求
1所述的自行车，其特征在于a)自行车前叉稍端之间距等于后叉稍端之间距，b)前车轮 轴换为后车轮 轴或内三速变速轴(或自动无级变速轴)，c)前车圈变速轴两端所钻车条孔〔12〕数量与前车条数一致，或选用该车型的后车轮的车圈。
专利摘要
本实用新型涉及一种改进的自行车，特别是一种能够将风阻力变为驱动力(即以阻力反阻力)的自行车。风阻助动自行车利用反流体阻力推进原理，将一般自行车在结构上稍加修改，再安装上反流体阻力装置各部件风轮、变速变向传动器、传动链盘，传动链条、导向压链滑轮、前轮内三速轴飞轮及控制器、风轮支架、风轮支架固定架等构成。由于安装有反流体阻力装置，所以骑行该车能提高车速或省力在相同车速下骑行，该车较一般自行车省力；在相同的脚蹬力下骑行，该车较一般自行车车速快。
文档编号B62M7/00GK87200882SQ87200882
公开日1988年6月15日 申请日期1987年1月26日
发明者王量温 申请人:王量温导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan