一種自發電式助力自行車的設計思路

蔡啟蒙 化佳歡 袁海明 王正斌 師玉寶

摘 要:介紹一種自發電式助力電動自行車的研發思路,其結構與普通自行車相仿,也可在普通基礎上改裝,不需要電池等外界能源,依靠自行車自身能量的轉換實現助力功能。自行車以腳踏為源動力,在行車同時帶動發電機發電,最終供電給電動機起助力作用。

關鍵詞:自發電助力電動機電池自行車

中圖分類號:U484 文獻標識碼:Ａ 文章編號:1674-098X(2012)05(b)-0016-01

1 自發電式助力自行車的研發思路

隨著經濟的發展,可持續發展日漸被人們所重視,依靠科技的進步,電動自行車以其“清潔、環保、便捷”等優點越來越受到人們的親睞,贏得了廣泛的市場。近年來,我國電動車市場出現迅猛發展的勢頭,其產品的技術和質量水平也都有了很大的進步和提升,消費者對電動自行車的認可度也在逐步提高。但目前電動車市場上產品仍然存在著結構單一,充電時間長,續航能力差等問題,再加上國家對電動自行車提出“限速令”。面對著機遇和挑戰,多數廠家開始將目光投向研發輕小型電動自行車的思路上來,但實質問題仍沒有得到有效解決,目前使用的鋰電池新產品,也因使用條件苛刻和成本大幅增加等因素沒能大量推廣,有些廠家采用增加電瓶數量的方法,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。

本文在分析了常見電動自行車結構和原理的基礎上,通過對多種高效簡潔的傳動機構優化方案的比較,基于能量轉化及機械能與電能之間的相互轉換等原理,提出一種介于傳統自行車與電動車之間的主力自行車。該車以能量轉換的方式利用自行車自身的動能發電,以供車體上的電動機使用。該車設計的基本思路是騎行者在使用過程中須像普通自行車一樣蹬踏,充分利用腳踏的動能并將之轉換成電能,然后提供給電機使用并和腳踏一起提供動力帶動車輪轉動。電機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。該思路不僅大大簡化了電動自行車的結構,還可省去電池的生產成本,減少充電的使用時間和費用。其方便的使用性能和低廉的價格將更加適合廣大人群的使用,是真正環保意義上產品。

2 自發電式助力自行車基本結構

提出的這種無源助力型自行車,主要特點是不需要電池,以腳踏帶動發電機為動力源,然后作用于電機帶動車輪,起助力作用,從而實現在遵守能量守恒的基礎上達到省力的目的。為滿足電機使用要求,可以采用傳動效率高齒輪傳動機構來增加發電機的轉速,從而提高發電量,以方便選擇合適的電機,電機選擇時應考慮發電機輸出參數,也可用整流電路來調整使之相配合。由于需要以腳踏作為該車的動力源,故在使用時人不踏車不走,騎行時腳踏板帶動后輪的同時帶動發電機,發電機所發電能提供給電機使用,電機將所轉換的動能同時作用于自行車上,從而達到省力的目的。該車的具體結構與普通自行車相似,區別在于在中軸上增加了一個小型發電機,如圖1示。在車架上設置一電機,電機與發電機之間通過電路模塊作用來滿足電機使用。電機與在后輪輪轂上增加的左飛輪通過鏈傳動帶動車輪,如圖2所示。這樣騎行時與普通自行車一樣,下坡不會帶著電機空轉,騎行時也可共同作用,起助力作用。

2.1 發電部分

發電機是整車中最重要的部件,建議選擇功率大、體積小的發電機,以便于配備電機和安裝。電機使用時將其固定于中軸附近的車架上,并平行于中軸。發電機所需要的動力可采用齒輪傳動方式由腳踏提供,以達到減小安裝體積和增加發電機轉速的目的。具體方案可采用一組內嚙合齒輪,將作為外圈的內齒輪和腳踏板一起固定在中軸上,隨腳踏板一起轉動;與之嚙合的小齒輪固定在發電機轉子上,在騎行時腳踏板帶動齒輪組實現發電過程。發電機安裝方式也可設計成可調節方式,即在不需要發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

由于發電機的發電量與其功率及轉速有直接關系,即腳踏的越快,發電量就越大,電機速度越快,相應的自行車速度越快。故可將電路模塊設計簡化,只要保證所發電量能滿足電機正常使用,但要注意發電機和電機在選型上一定要相匹配。

2.3 傳動部分

經過對普通自行車的改造和試驗,認為采用鏈式結構作為電機與車輪之間的傳動方式效果較好,而且這種方式簡單、便于取材;另外,當自行車的剎車為V殺時,可直接在后輪輪轂左邊再加上一個飛輪,與固定于車架后部的電機通過鏈條鏈接帶動車輪,并與腳踏所產生的作用力共同作用于后輪,這種連接方式不會導致自行車產生空轉。鑒于目前自行車中抱剎較為常見,也可將飛輪安裝在前輪輪轂處,電機固定在前叉上。這樣使前輪也成為驅動輪,與后輪一起促使自行車前行,能夠進一步提高自行車的性能。但這種方式由于受前叉結構限制,對電機結構要求苛刻,尤其體積要小而且安裝位置受限。

3 自發電式助力自行車的優點

自發電式助力自行車是一種介于普通自行車與電動車之間的產品,經過改造試騎后,認為有以下幾個優點:(1)省力——腳踏騎行時可用較少的力獲得較高的車速;(2)無需外接電源——可省去電瓶,有效減輕整車重量,在普通自行車的基礎上增加的材料不多,降低了成本;(3)由于無需充電,減少了二次能源消耗;同時,避免了廢棄電瓶的污染,是真正意義上的環保交通工具。

4 結語

自發電式助力自行車利用腳踏發電,以供電動機使用,打破了電動自行車要靠外界電源提供動力的傳統思維。雖然在使用過程中須使用者蹬踏,但其助力特性可使使用者省去大部分力;同時又省去了電池的生產成本和充電費用,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,認為對自行車產業的發展不失是提出了一個好的建議。

參考文獻

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