延长电动自行车骑行时长的研究

刘泊辰

摘 要：电动自行车是现在人使用最广泛的便捷的轮式车辆，但却存在骑行时长受限的不足，依功率学说而言，几近所有的现在人或有认为：对电动自行车做骑行时长的延长研究是艰难的。但如果我们另辟蹊径，从功率与功耗的力源探究出发，不仅仅把把骑行者的重量和载物重量视为阻力而视为动力之一，那么，在对轮车上力的寻找，转换和应用上，将会开辟另一个天地。在正文中图4和图5所示，当我们将骑行者和载重的载荷力G，改变作用方向于主动轮轴上，作为合力的载荷力G将派生出趋同于行驶方向的分力F，一个辅加的自加力。 还当我们将骑行者和载重行驶中产生的冲击力P，改变作用方向於轮轴上，作为合力的冲击力P将派生出趋同于行驶方向的分力F”，又-个助行的自加力。两个叠加的自加力可使骑行更省力，减少了的功耗，使之自然地获得了延长了的电动车骑行时间。

关键词：自加力；骑行时长；派生出；叠加

中图分类号：TH16 文献标识码：A

任何简单而意义深远的发明，必然是触发了人们对现实活动的灵感而有所跨越，如古人见水面漂浮着的木头而制造出了独木舟，又如“见飞蓬转而知为轮”，发明了轮也即有了车。车辆最伟大的作用是使人可以搬运大大超过自身重量的物体，脍炙人口的是诸葛亮在北伐时制造了木牛流马，行走在崎曲的小道上运送粮草。而《左传》里说夏代的奚仲发明了战车，那可是四千多年前的事了。只是在近二百年里，由欧洲发明家的推动使轮车趋于完善。也许，人们应该永远记住这些发明者，像法国的西米垃克，德国的莱斯，英格兰的麦克米伦，劳森和斯塔利。。。。。。等人，对省力的探索并不断的创新者，他给人们带来可使行驶变的快而省力，使这种简单实用的交通工具成为全世界使用最多的——自行车。但从严格含义上讲，“自行车” 是人们的一种超前期望， 依靠骑行者力量行驶的车辆怎么能称为自行呢？只是，只是在近二十年里人们绐自行车装上了替代人力的电动机，这款名符其实的“自行车”，很快成为人们的最爱，如潮水涌耒充满了大亍小巷。人们骑着电动自行车常会自问：现在的电动自行车结构就是最完善的了吗？还能使行驶时长再延长一些吗？这就给我们提出研究和需要解决的课题。

1.课题的背景及提出

自电动自行车问世以耒，几近完美地克服着骑行者和载物重量所产生的阻力，完成了人们对行驶更省力的愿望，但是，犹有不足的是骑行时长受限。依功率学说而言，骑行时长t等于电池容量Q除以电机输出功率P。按此，几近所有的人认为：除非在电池上有所突破外， 否则电动自行车再做骑行时长的延长研究是徒劳的。可如果我们另辟蹊径，把减少电池的消耗作最大的关切，从探究功率与功耗的力源出发，功率P =力 F*速度V. 当我们不把电机输出的力作为行驶动力的唯一，不仅仅把把骑行者的重量和载物重量視为阻力而视为动力之一，将会开辟另一个天地。

寻找现实生活中的活动，有事例可以印证这种自加力是存在的：我见过并尝试过的拉动单轴两轮扳车的沉重，但当使板车上的重物适当后移，拉车者坐在前扶把上单脚触地并后蹬，当板车后仰一定角度后就能向前滑行一段距离，再落地再后蹬，做反复动作，称滑车。感觉轻而快。由拉着的沉重到滑行的轻快，必定有一个力在助行，必定是被当成阻力的一部分产生了转变，那么我们就做个寻行者，看看这个自加力是怎样演变的。

2.理论分析

2.1 重力对物体的相互作用：

结论：移动重力垂直於地面的物体，其拉力 F1等于大于物体的摩擦阻力F10，此种状态时重力的全部作为正压力体现在摩擦阻力F10中。

2.1.2 图2所示的是物体置於斜面上的状态：

结论

移动置於斜面上的物体时，物体的重力G与斜面形成夹角为 ɑ 的力三角，拉力F2除克服物体在斜面上的摩擦阻力ü Gcosɑ外，还受到重力分力的一个趋同移动方向的

结论：传统自行车的链条拉力F，是克服载重施于车轮的阻力F1阻和F2阻的。载重的全部作为正压力体现在摩擦阻力F1阻 + F2阻中。

2.2.2 改变自行车轮轴受力方向的模型分析：

圖4是车插具有倾斜角度 ? 的自行车力学模型：置于第四象限的倾斜角为 ? 的车插将载重G 传递到轮轴上时，产生了一个夹角为 ? 的力三角：垂直于地面的正压力

结论：传统自行车的载重G是垂直作用于自行车轮轴上的，行驶时要克服载重施於车轮的阻力F1阻和F2阻。而当将车插具有倾斜角度时，置於第四象限的倾斜角为 ? 的车插，将载重G 传递到轮轴上时，即产生了一个夹角为 ? 的力三角： 合力为载重G的，派生出的垂直于地面的正压力G cos? 和 趋同于移动方向的辅加力G sin?。

自此，骑行者和载物的重量不仅仅被视为阻力，它还是行驶中的自加力来源。从几个特殊角度的量化结果得出： 自加力的效果是显著的，只当 ? 为45? 时，省力效果是最大的。

这样的，将骑行者的重量和载重转换成减少驱动力的自加力，是否就尽于完善了呢？还有其他的可以转换成减少驱动力的自加力吗？我们还应作深入地挖掘，答案是有的。

2.3自行车上的冲击载荷和利用

2.3.1 自行车上的冲击载荷

由牛顿的力学定律：状态的改变就产生了力，惯性也是-种力。蹬踏自行车时身体状态的改变会有力的产生，骑自行车常有遇凹洼而颠波，使屁股冲撞车座而生疼，也是由冲撞力而造成的。

结论：

对自行车上力的寻找，转换和应用的过程，感觉身边的科学比高深的科学还难，这现象不符合人对自然界认识的规律，能使物体获得重量的力，不但是物体的重量，还有状态改变产生的力，惯性力和冲撞力，使其力为弊，为利？其结果大不一样。

2.3.2 冲击载荷的利用

蹬踏自行车时，身体状态改变产生的力，和遇凹洼而产生的颠簸冲撞力，虽瞬间存在却大可利用，即便这种自加力是在大小变化的并且断续的。

图5所示的改变轮轴受力的自加力自行车模型图，相同于专利 ZL20161015443.8的结构。

如图5所示：这种结构将骑行者的载荷通过铰座端的平衡弹簧，作用于第四象限的倾斜角为 ? 的后车插上时，轮轴将会额外获得一个大小不一的，变量的冲击力F，与载荷叠加在轮轴上的夹角为 ? 的力三角上，产生-个助推行驶的自加力 F + ΔF。

结语：

探讨作用于自行车上的力的性质和变化， 寻得了可使自行车省力的途径。

（1）骑行者和载重的载荷力G；是传统自行车全力克服的阻力之正压力。

（2）骑行者和载重状态改变时所产生的冲撞力F； 对传统自行车的阻力是种增量。

（3）改变作用于轮轴上载荷力G的方向，载荷力G作为合力将派生出趋同于移动方向的辅加力G sin?。成为助行的自加力之一。

（4）改变作用于轮轴上变量冲击力P的方向，冲击力P作为合力将派生出趋同于移动方向的辅加力ΔPsin?。成为助行的自加力之一。

（5）两个叠加的自加力F+ F”使骑行更省力。

2.4电动自行车骑行时长的延长

结论

依功率学说而言，骑行时长t等于电池容量Q除以电机输出功率P。 从输出功率P的力源探究出发，改变作用于轮轴上载荷力G的方向，载荷力G作为合力将派生出趋同于移动方向的辅加力G sin?。

成为助行的自加力之一。还有冲击力P作为合力将派生出趋同于移动方向的辅加力ΔPsin?的自加力之二，省了力的骑行结果是输出功率的减小， 骑行时长的延长.

参考文献

[1]杨维弘.力学与理论力学[M].北京：科学出版社，2011.

[2]高键.工程力学[M].北京：高等教育出版社，2011.

[3]专利名称：一种自加力的轮式车辆[P].中国专利：ZL20161015443.8，2017-08-01.

指导老师：周新民endprint