延長電動自行車騎行時長的研究

劉泊辰

摘 要：電動自行車是現在人使用最廣泛的便捷的輪式車輛，但卻存在騎行時長受限的不足，依功率學說而言，幾近所有的現在人或有認為：對電動自行車做騎行時長的延長研究是艱難的。但如果我們另辟蹊徑，從功率與功耗的力源探究出發，不僅僅把把騎行者的重量和載物重量視為阻力而視為動力之一，那么，在對輪車上力的尋找，轉換和應用上，將會開辟另一個天地。在正文中圖4和圖5所示，當我們將騎行者和載重的載荷力G，改變作用方向于主動輪軸上，作為合力的載荷力G將派生出趨同于行駛方向的分力F，一個輔加的自加力。 還當我們將騎行者和載重行駛中產生的沖擊力P，改變作用方向於輪軸上，作為合力的沖擊力P將派生出趨同于行駛方向的分力F”，又-個助行的自加力。兩個疊加的自加力可使騎行更省力，減少了的功耗，使之自然地獲得了延長了的電動車騎行時間。

關鍵詞：自加力；騎行時長；派生出；疊加

中圖分類號：TH16 文獻標識碼：A

任何簡單而意義深遠的發明，必然是觸發了人們對現實活動的靈感而有所跨越，如古人見水面漂浮著的木頭而制造出了獨木舟，又如“見飛蓬轉而知為輪”，發明了輪也即有了車。車輛最偉大的作用是使人可以搬運大大超過自身重量的物體，膾炙人口的是諸葛亮在北伐時制造了木牛流馬，行走在崎曲的小道上運送糧草。而《左傳》里說夏代的奚仲發明了戰車，那可是四千多年前的事了。只是在近二百年里，由歐洲發明家的推動使輪車趨于完善。也許，人們應該永遠記住這些發明者，像法國的西米垃克，德國的萊斯，英格蘭的麥克米倫，勞森和斯塔利。。。。。。等人，對省力的探索并不斷的創新者，他給人們帶來可使行駛變的快而省力，使這種簡單實用的交通工具成為全世界使用最多的——自行車。但從嚴格含義上講，“自行車” 是人們的一種超前期望， 依靠騎行者力量行駛的車輛怎么能稱為自行呢？只是，只是在近二十年里人們紿自行車裝上了替代人力的電動機，這款名符其實的“自行車”，很快成為人們的最愛，如潮水涌耒充滿了大亍小巷。人們騎著電動自行車常會自問：現在的電動自行車結構就是最完善的了嗎？還能使行駛時長再延長一些嗎？這就給我們提出研究和需要解決的課題。

1.課題的背景及提出

自電動自行車問世以耒，幾近完美地克服著騎行者和載物重量所產生的阻力，完成了人們對行駛更省力的愿望，但是，猶有不足的是騎行時長受限。依功率學說而言，騎行時長t等于電池容量Q除以電機輸出功率P。按此，幾近所有的人認為：除非在電池上有所突破外， 否則電動自行車再做騎行時長的延長研究是徒勞的。可如果我們另辟蹊徑，把減少電池的消耗作最大的關切，從探究功率與功耗的力源出發，功率P =力 F*速度V. 當我們不把電機輸出的力作為行駛動力的唯一，不僅僅把把騎行者的重量和載物重量視為阻力而視為動力之一，將會開辟另一個天地。

尋找現實生活中的活動，有事例可以印證這種自加力是存在的：我見過并嘗試過的拉動單軸兩輪扳車的沉重，但當使板車上的重物適當后移，拉車者坐在前扶把上單腳觸地并后蹬，當板車后仰一定角度后就能向前滑行一段距離，再落地再后蹬，做反復動作，稱滑車。感覺輕而快。由拉著的沉重到滑行的輕快，必定有一個力在助行，必定是被當成阻力的一部分產生了轉變，那么我們就做個尋行者，看看這個自加力是怎樣演變的。

2.理論分析

2.1 重力對物體的相互作用：

結論：移動重力垂直於地面的物體，其拉力 F1等于大于物體的摩擦阻力F10，此種狀態時重力的全部作為正壓力體現在摩擦阻力F10中。

2.1.2 圖2所示的是物體置於斜面上的狀態：

結論

移動置於斜面上的物體時，物體的重力G與斜面形成夾角為 ɑ 的力三角，拉力F2除克服物體在斜面上的摩擦阻力ü Gcosɑ外，還受到重力分力的一個趨同移動方向的

結論：傳統自行車的鏈條拉力F，是克服載重施于車輪的阻力F1阻和F2阻的。載重的全部作為正壓力體現在摩擦阻力F1阻 + F2阻中。

2.2.2 改變自行車輪軸受力方向的模型分析：

圖4是車插具有傾斜角度 ? 的自行車力學模型：置于第四象限的傾斜角為 ? 的車插將載重G 傳遞到輪軸上時，產生了一個夾角為 ? 的力三角：垂直于地面的正壓力

結論：傳統自行車的載重G是垂直作用于自行車輪軸上的，行駛時要克服載重施於車輪的阻力F1阻和F2阻。而當將車插具有傾斜角度時，置於第四象限的傾斜角為 ? 的車插，將載重G 傳遞到輪軸上時，即產生了一個夾角為 ? 的力三角： 合力為載重G的，派生出的垂直于地面的正壓力G cos? 和 趨同于移動方向的輔加力G sin?。

自此，騎行者和載物的重量不僅僅被視為阻力，它還是行駛中的自加力來源。從幾個特殊角度的量化結果得出： 自加力的效果是顯著的，只當 ? 為45? 時，省力效果是最大的。

這樣的，將騎行者的重量和載重轉換成減少驅動力的自加力，是否就盡于完善了呢？還有其他的可以轉換成減少驅動力的自加力嗎？我們還應作深入地挖掘，答案是有的。

2.3自行車上的沖擊載荷和利用

2.3.1 自行車上的沖擊載荷

由牛頓的力學定律：狀態的改變就產生了力，慣性也是-種力。蹬踏自行車時身體狀態的改變會有力的產生，騎自行車常有遇凹洼而顛波，使屁股沖撞車座而生疼，也是由沖撞力而造成的。

結論：

對自行車上力的尋找，轉換和應用的過程，感覺身邊的科學比高深的科學還難，這現象不符合人對自然界認識的規律，能使物體獲得重量的力，不但是物體的重量，還有狀態改變產生的力，慣性力和沖撞力，使其力為弊，為利？其結果大不一樣。

2.3.2 沖擊載荷的利用

蹬踏自行車時，身體狀態改變產生的力，和遇凹洼而產生的顛簸沖撞力，雖瞬間存在卻大可利用，即便這種自加力是在大小變化的并且斷續的。

圖5所示的改變輪軸受力的自加力自行車模型圖，相同于專利 ZL20161015443.8的結構。

如圖5所示：這種結構將騎行者的載荷通過鉸座端的平衡彈簧，作用于第四象限的傾斜角為 ? 的后車插上時，輪軸將會額外獲得一個大小不一的，變量的沖擊力F，與載荷疊加在輪軸上的夾角為 ? 的力三角上，產生-個助推行駛的自加力 F + ΔF。

結語：

探討作用于自行車上的力的性質和變化， 尋得了可使自行車省力的途徑。

（1）騎行者和載重的載荷力G；是傳統自行車全力克服的阻力之正壓力。

（2）騎行者和載重狀態改變時所產生的沖撞力F； 對傳統自行車的阻力是種增量。

（3）改變作用于輪軸上載荷力G的方向，載荷力G作為合力將派生出趨同于移動方向的輔加力G sin?。成為助行的自加力之一。

（4）改變作用于輪軸上變量沖擊力P的方向，沖擊力P作為合力將派生出趨同于移動方向的輔加力ΔPsin?。成為助行的自加力之一。

（5）兩個疊加的自加力F+ F”使騎行更省力。

2.4電動自行車騎行時長的延長

結論

依功率學說而言，騎行時長t等于電池容量Q除以電機輸出功率P。 從輸出功率P的力源探究出發，改變作用于輪軸上載荷力G的方向，載荷力G作為合力將派生出趨同于移動方向的輔加力G sin?。

成為助行的自加力之一。還有沖擊力P作為合力將派生出趨同于移動方向的輔加力ΔPsin?的自加力之二，省了力的騎行結果是輸出功率的減小， 騎行時長的延長.

參考文獻

[1]楊維弘.力學與理論力學[M].北京：科學出版社，2011.

[2]高鍵.工程力學[M].北京：高等教育出版社，2011.

[3]專利名稱：一種自加力的輪式車輛[P].中國專利：ZL20161015443.8，2017-08-01.

指導老師：周新民endprint