一种新型水翼水上自行车的研究

摘?要 随着现代社会的发展，生活、工作节奏的加快，越来越多的人在生活中所面临的琐事和压力也愈来愈大。根据国内外研究报告表面，亲水运动是释放压力的最佳渠道。若能在水上完成多人休闲、单人“飞行”和水上竞技等一系列娱乐项目的休闲装置，将会给人们带来愉快的心情。

关键词 休闲娱乐；水上；自行车；飞行

中图分类号 TN914 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)071-0132-02

1 机构的基本原理

作品采用水翼在行进过程中，由于水翼翼背的水流流速远快于翼面的水流流速，从而产生向上的升力。在这一特性的启发下，我们画了水翼水上自行车的模型及受力情况，如图1所示。在图1中，1为前后水翼，驱动轮位于后水翼正上方，2是浮筒，3是坐垫，4是车架。当使用者位于坐垫上方且自行车不工作时，浮筒

所受的力N等于使用者的重量与自行车重量总和，那么左右浮筒各所受的力表示为：

N浮左=N浮右=（M人+M车）=M总 （1）

当水上自行车驱动M总缓慢前进时，即浮筒参与工作。此时，水翼产生的升力表示为：

F升≤N浮=M总 （2）

当水上自行车驱动M总快速前进时，即浮筒不参与工作。此时，水翼产生的升力表示为：

F升>N浮=M总 （3）

式中，F，N，M是机构所受的力（如图1所示）。由（3）式可得：机构要实现水上“飞行”只需满足一定的升力条件，而与浮力的大小无关。因而这一设想若能成功地应用于休闲娱乐装置中，则这一休闲娱乐装置只要满足一定升力条件，就可使人们在水中享受“飞行”带来的刺激，并且这一“飞行”与浮力的大小无关。

图1 水翼自行车模型及受力图

若将如图1中所示的模型应用于工程中，显然应解决几个

问题：

1）当在升力作用下浮筒不参与工作时，水翼自行车与水面有相对倾斜的可能，若自行车与水面之间出现相对倾斜，则浮筒必然会与水面相接触从而产生阻碍作用，因而必须保证水翼自行车起飞时的平稳性，避免出现浮筒与水面相接触的情况。

2）当水翼产生升力时，承受较大的不对称载荷，对水翼的固定必须进行设计。

3）由于模型中整体机构尺寸较大，结构也较为松散，其结构必须进行优化。

针对上述问题，我们在实验的基础上进行了探讨，得到了有效的解决方案。

2 解决水翼与浮筒的相互协调工作的问题

在《翼型设计》理论中，不同形状和尺寸的翼型对升力的产生有一显著的区别，层流翼型是使翼表面的附面层保持大范围的层流，借以减少阻力设计的翼型，试验中得到，当表面光滑时，设计升力系数下扩展层流范围能减小阻力，但当粗糙时，阻力会变得更大。由于制造技术的限制，层流翼型的使用将会出现升力不够，从而导致浮筒与水面接触的现象。而在众多翼型中，高升力翼型的升阻比可大200%，因而不会产生自行车“飞行”时倾斜的现象，所以可采用高升力翼型来解决浮筒与水面的相对接触的情况。

为此，我们利用提升水翼产生的升力来解决水上自行车“飞行”时不平稳的问题，水翼翼面为一水平直线，翼背为以圆弧线，让水翼翼背的流速远大于翼面的流速，从而提升水翼的

升力。

3 优化重心调整部分结构，减少总体尺寸

在图1的模型中，由于水翼水上自行车重心难以得到调整，其整体结构尺寸较大，结构也较为松散，其结构必须进行优化。从高空滑翔机得到启示，我们把图1中的不可调重心的结构转化为如图2中的可调重心的结构，大大缩小了装置体积，提升了自行车使用的灵活性，并且能进一步增加自行车起飞时的稳定性。

如图2所示为重心调整机构前后调整状态示意图。为了机构的调整角度最大，杆1与支座4之间为转动副连接，杆2与支座3之间为转动副连接，杆1与杆2之间既有转动副又有移动副连接。该四杆机构不满足杆长条件，这样构成了双摇杆机构。自由度F=3×3-2×4=1，根据运动的确定性条件，此处所需的原动件个数为一个。

1）图2-（a）为调整机构的后极限位置，为了使重心可最大化调整，我们设计后极限角为30°；

2）图2-（b）为垂直状态，支座5位于杆中心位置使杆2前后位移相同。根据自行车整体结构，确定杆1和杆2的尺寸为

500 mm，300 mm。

3）图2-（c）为前极限位置，前极限角为30°，杆1与杆2之间的夹角为60°，可以保持坐垫的平稳。

重心调整机构利用双摇杆机构特性可优化整体结构尺寸，对不同体重和身高的使用者可借助前后调整角进行调整，以满足不同使用要求。当重心调整角取到合理的值时，水翼自行车起飞时便不会出现倾斜现象，保证水翼水上自行车匀速前进。

4 主要创新点

作品是采用压力差原理，在自行车前进时水翼受到的上压力与下压力之间的压力差，使产生升力从而实现匀速“飞行”的一种新型水翼水上自行车。这一作品具有以下创新点：

1）作品采用压力差原理，通过水翼与浮筒相互协调配合，实现多人水上休闲、单人水上“飞行”和水上赛骑等多种休闲娱乐项目。

2）利用重心调整机构能有效地完成适应不同体重和身高的使用者，缩小了装置整体体积，提升了自行车使用的灵活性和结构的紧凑性；并能够进一步提升自行车“飞行”时的稳定性。

3）整体结构模块化设计，拆装、使用方便。

5 应用前景

本装置可在学校、水上公园和各娱乐场所作为水上娱乐项目使用。本装置相对比其他水上娱乐项目体积小，重量轻，速度快，造价低，装配简便等优点。特别适合水上娱乐场所。随着现代社会的发展，生活、工作节奏的加快，越来越多的人在生活中所面临的琐事和压力也愈来愈大。人们的休闲意识明显增加，因而这一产品的消费群容量大；本装置结构紧凑，成本低廉，若实现工业化生产，成本低于1000元，还不到现有市场同类产品售价的1/3，有较好的产业化前景。

参考文献

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