一种自发电式助力自行车的设计思路

蔡启蒙 化佳欢 袁海明 王正斌 师玉宝

摘 要:介绍一种自发电式助力电动自行车的研发思路,其结构与普通自行车相仿,也可在普通基础上改装,不需要电池等外界能源,依靠自行车自身能量的转换实现助力功能。自行车以脚踏为源动力,在行车同时带动发电机发电,最终供电给电动机起助力作用。

关键词:自发电助力电动机电池自行车

中图分类号:U484 文献标识码:Ａ 文章编号:1674-098X(2012)05(b)-0016-01

1 自发电式助力自行车的研发思路

随着经济的发展,可持续发展日渐被人们所重视,依靠科技的进步,电动自行车以其“清洁、环保、便捷”等优点越来越受到人们的亲睐,赢得了广泛的市场。近年来,我国电动车市场出现迅猛发展的势头,其产品的技术和质量水平也都有了很大的进步和提升,消费者对电动自行车的认可度也在逐步提高。但目前电动车市场上产品仍然存在着结构单一,充电时间长,续航能力差等问题,再加上国家对电动自行车提出“限速令”。面对着机遇和挑战,多数厂家开始将目光投向研发轻小型电动自行车的思路上来,但实质问题仍没有得到有效解决,目前使用的锂电池新产品,也因使用条件苛刻和成本大幅增加等因素没能大量推广,有些厂家采用增加电瓶数量的方法,虽然增大了骑行里程,但整车重量的增加又与轻小化相背离。

本文在分析了常见电动自行车结构和原理的基础上,通过对多种高效简洁的传动机构优化方案的比较,基于能量转化及机械能与电能之间的相互转换等原理,提出一种介于传统自行车与电动车之间的主力自行车。该车以能量转换的方式利用自行车自身的动能发电,以供车体上的电动机使用。该车设计的基本思路是骑行者在使用过程中须像普通自行车一样蹬踏,充分利用脚踏的动能并将之转换成电能,然后提供给电机使用并和脚踏一起提供动力带动车轮转动。电机所起的助力作用可使使用者省去大部分力,以满足使用者快速轻便的使用要求。该思路不仅大大简化了电动自行车的结构,还可省去电池的生产成本,减少充电的使用时间和费用。其方便的使用性能和低廉的价格将更加适合广大人群的使用,是真正环保意义上产品。

2 自发电式助力自行车基本结构

提出的这种无源助力型自行车,主要特点是不需要电池,以脚踏带动发电机为动力源,然后作用于电机带动车轮,起助力作用,从而实现在遵守能量守恒的基础上达到省力的目的。为满足电机使用要求,可以采用传动效率高齿轮传动机构来增加发电机的转速,从而提高发电量,以方便选择合适的电机,电机选择时应考虑发电机输出参数,也可用整流电路来调整使之相配合。由于需要以脚踏作为该车的动力源,故在使用时人不踏车不走,骑行时脚踏板带动后轮的同时带动发电机,发电机所发电能提供给电机使用,电机将所转换的动能同时作用于自行车上,从而达到省力的目的。该车的具体结构与普通自行车相似,区别在于在中轴上增加了一个小型发电机,如图1示。在车架上设置一电机,电机与发电机之间通过电路模块作用来满足电机使用。电机与在后轮轮毂上增加的左飞轮通过链传动带动车轮,如图2所示。这样骑行时与普通自行车一样,下坡不会带着电机空转,骑行时也可共同作用,起助力作用。

2.1 发电部分

发电机是整车中最重要的部件,建议选择功率大、体积小的发电机,以便于配备电机和安装。电机使用时将其固定于中轴附近的车架上,并平行于中轴。发电机所需要的动力可采用齿轮传动方式由脚踏提供,以达到减小安装体积和增加发电机转速的目的。具体方案可采用一组内啮合齿轮,将作为外圈的内齿轮和脚踏板一起固定在中轴上,随脚踏板一起转动;与之啮合的小齿轮固定在发电机转子上,在骑行时脚踏板带动齿轮组实现发电过程。发电机安装方式也可设计成可调节方式,即在不需要发电助力的情况下可将齿轮脱离啮合,这样就可以像普通自行车一样骑行。

2.2 电路部分

由于发电机的发电量与其功率及转速有直接关系,即脚踏的越快,发电量就越大,电机速度越快,相应的自行车速度越快。故可将电路模块设计简化,只要保证所发电量能满足电机正常使用,但要注意发电机和电机在选型上一定要相匹配。

2.3 传动部分

经过对普通自行车的改造和试验,认为采用链式结构作为电机与车轮之间的传动方式效果较好,而且这种方式简单、便于取材;另外,当自行车的刹车为V杀时,可直接在后轮轮毂左边再加上一个飞轮,与固定于车架后部的电机通过链条链接带动车轮,并与脚踏所产生的作用力共同作用于后轮,这种连接方式不会导致自行车产生空转。鉴于目前自行车中抱刹较为常见,也可将飞轮安装在前轮轮毂处,电机固定在前叉上。这样使前轮也成为驱动轮,与后轮一起促使自行车前行,能够进一步提高自行车的性能。但这种方式由于受前叉结构限制,对电机结构要求苛刻,尤其体积要小而且安装位置受限。

3 自发电式助力自行车的优点

自发电式助力自行车是一种介于普通自行车与电动车之间的产品,经过改造试骑后,认为有以下几个优点:(1)省力——脚踏骑行时可用较少的力获得较高的车速;(2)无需外接电源——可省去电瓶,有效减轻整车重量,在普通自行车的基础上增加的材料不多,降低了成本;(3)由于无需充电,减少了二次能源消耗;同时,避免了废弃电瓶的污染,是真正意义上的环保交通工具。

4 结语

自发电式助力自行车利用脚踏发电,以供电动机使用,打破了电动自行车要靠外界电源提供动力的传统思维。虽然在使用过程中须使用者蹬踏,但其助力特性可使使用者省去大部分力;同时又省去了电池的生产成本和充电费用,其较低的成本和方便使用的性能有可能更加符合广大使用者的需求。因此,如果将这种自行车的助力理念加以凝练,认为对自行车产业的发展不失是提出了一个好的建议。

参考文献

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[2] 蔡永健.浅谈电动自行车续行时间短的原因[J].电动自行车,2011,3.

[3] 陆金龙.电动自行车行业发展形势分析[J].电动自行车,2011,(4):9.