最佳空气动力学自行车车轮制造技术

本文描述的实施例通过提供以下中的一种或多种来改善自行车车轮周围的空气流：(1)轮辋的最佳前缘宽度，用于防止侧风中的早期失速同时仍然允许充分的稳定性并且没有过分的阻力，而且不会不必要地增加旋转车轮和车架上的阻力；(2)在前缘处具有精细外倾角的侧壁形状，其限定轮辋的最大宽度处的半径变化率，其进一步限定最大宽度和沿弦长度的布置，从而优化轮辋的空气动力特性；(3)辐条面处的连续的曲率变化率，其通过在较大偏航角时产生侧向力而根本地提高性能和稳定性；以及(4)具有相对于较窄后轮而言较宽的前轮辋的车轮组，用于帮助在高侧风区的流动附着。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】最佳空气动力学自行车车轮相关申请的交叉引用本申请要求于2010年11月25日提交的美国临时专利申请第61/417,278号的权益，该专利申请的内容以参考的方式并入本文中。
技术介绍
几乎每个人在其一生中的某个时间点会感受到骑自行车的乐趣，许多人在很小的时候便学会骑自行车。因为幼儿可以掌握骑自行车的基本原理，所以骑自行车本身似乎非常简单。然而，使人兴奋的骑车背后的物理学原理决不是过于简单。骑车人需克服作用于平衡、转向、刹车、加速、避震启动、振动的各特性以及许多其它自行车运动特性的许多类型的力。此外，这些力中的许多力在各物理领域是易于变化的并且取决于其周围环境和/或来自其它特性的力，因此使复杂程度增加了数个数量级。考虑自行车的整体复杂性变得稍微占据优势。然而，单独地评价作用于自行车骑行的各种特性的力使得该任务变得稍微易于控制。例如，如果我们把自行车运动员或骑车人与其自行车看作单一系统，则出现作用于该系统及其部件的两组力：内力和外力。外力主要是由骑车人以及骑车人与自行车的相互作用(例如，自行车部件的摩擦)所造成。另一方面，内力是由于重力、惯性、与地面的接触、以及与大气的接触所造成。虽然内力会对自行车性能具有显著影响，但大部分自行车运动员都会赞同最大的阻力来自于自行车在空气中运动所产生的外力。当骑车人试图运动得更快时空气阻力和侧风力会变得更大，这相应地要求骑车人花费更多的能量来克服这些力。因此，这些力成为自行车设计中的重要考虑因素，特别是在自行车竞赛和铁人三项运动的领域。传统地，自行车结构(例如车架、座管、前叉腿、变速杆等)通常具有圆形或者通常呈均匀平滑曲线的剖面形状。这种结构具有长度/宽度的纵横比相对较小的剖面。本文中使用的剖面的“纵横比”的定义是在单位宽度上的单位长度，其中长度的取向通常与自行车结构的行进方向一致。例如，具有圆形剖面的自行车结构的纵横比大约为1。在骑行期间，纵横比大约为1的自行车结构在自行车结构剖面的一部分周边附近发生气流分离。气流分离会在紧接在各自行车轮胎后面的尾流区形成旋流并且经常形成气流的湍流区。空气流中的尾流是能量损耗以及与自行车结构(因此自行车)相关的相对较高水平阻力的指示物。为了减小与自行车空气流作用相关的外部阻力，自行车制造商现在设计并制造出具有改进的空气动力学特性的自行车结构。这种被广泛采纳的方案为自行车结构提供翼型形状，该翼型形状常常与飞机机翼、汽车扰流板、船用部件(通常称为水翼或水翼稳定板)、以及其它空气动力学系统相关。无论翼型形状结构的具体用途是什么，翼型的剖面通常都具有比其宽度大数倍的长度。翼型的前部、或者前缘通常是弯曲的(尽管其它形状是可行的)并且构造成取向在相对于预定行进方向为向前方向。通常，面朝相反方向的侧壁从前缘向后延伸并且在翼型剖面的后缘会聚。后缘构成翼型的结束部分并且通常与翼型的变窄的尖尾翼部相邻。在剖面的前缘和后缘之间延伸的弦是机翼长度的指示物，并且通常比在剖面的面朝相反方向的侧壁之间延伸的最长弦长许多倍。在机翼相邻侧壁的最宽部分之间延伸的弦是机翼宽度。提供具有大于宽度的长度的翼型，产生具有纵横比通常比1大许多倍的剖面的翼型。较大的纵横比使得空气流的运动方向在翼型上从而与翼型形状一致并且减小空气流与自行车结构的壁发生分离的可能性(与具有接近于1的较小纵横比的自行车结构相比)。类似地，增大的纵横比减小通常紧接在自行车结构后面所形成湍流尾流区的大小，因此减小自行车或系统的总体外部阻力。尽管与具有较小纵横比的结构相比这种翼型形状提供减小阻力性能，但这种形状具有它们各自的缺陷或限制。例如，国际自行车竞赛规则限制自行车车架管的容许剖面。这些规则规定了剖面形状的最大长度和最小宽度，因此有效地规定了最大容许纵横比。对于许多有经验的骑车人而言，该最大容许纵横比远小于理想地减小骑车人所遇到阻力的量。亦即，许多有经验的骑车人更喜欢超过规定限制的增大纵横比的自行车；然而，如果他们希望参加许多赛事，他们必须遵守强加的限制。因此，虽然翼型形状的自行车结构与传统的钝剖面(例如圆形)相比遇到较低水平的阻力，但受管制的翼型形状的管不能实现利用具有较大纵横比的翼型所能够获得的空气动力学改进。除了上述受管制的性能考虑因素外，实际的考虑因素也限制可达到的自行车结构纵横比。例如，当随着纵横比增大剖面长度增大且剖面宽度减小时，自行车结构的强度和/或侧向刚度下降。换句话说，改进空气流的剖面细长形状也减损自行车结构的侧向强度。尽管解决此关系的努力产生了具有改进侧向强度性能的车架组件，但这些组件经常导致重量增加，这几乎抵消了由于改进的空气动力学性能所获得的利益。因此，当把剖面形状变成期望的纵横比时，在结构完整性与自行车车架重量之间存在着细微的平衡。许多已知的翼型构造的另一个缺点是难以形成翼型形状的锥形尾翼部。普通翼型形状结构的尾翼相对较窄并且逐渐变化到翼型的通常为尖的后缘。形成无缺陷的尖尾翼部是相当难以制造的，尤其在通常用于制造自行车结构(例如车架、车架管、叉管等)的复合成型工艺中是成问题的。简单地说，利用目前自行车车架构造中的常用材料和工艺难以维持车架管部的期望形状。因此，对于不过度减损系统的侧向强度并且优选地符合国际自行车竞赛规则的、具有改进空气动力学性能的自行车结构存在着需求。
技术实现思路
本专利技术的示例性实施例克服了目前自行车结构的上述不足和缺陷。例如，本文中所描述实施例优化了自行车部件的翼型形状(最显著地在自行车轮中)，这些实施例提供总体增强性能同时仍然保持刚性和耐用性并且符合国际竞赛规则。更具体地，本专利技术的示例性实施例通过提供以下特征中的一种或多种来改进自行车车轮周围的空气流：(1)轮辋的最佳前缘宽度，该宽度是用于防止在侧风中的早期失速同时仍然能够获得充分的稳定性并且没有过分的阻力；(2)在前缘具有精细外倾角的侧壁形状，在该侧壁形状轮辋的最大宽度处限定半径变化率；(3)基于最佳前缘和精细外倾角，另一个实施例进一步限定最大宽度以及沿帘线长度的布置以便优化轮辋的空气动力特性；(4)在辐条面中的连续、均匀分布的、均匀的、和/或逐渐的曲率变化率，该变化率通过在较大偏航角处产生侧向力而根本地提高性能和稳定性；(5)实质的双前缘机翼轮辋，该轮辋将轮胎组合成在后缘具有大辐条孔面半径的轮辋的前缘，由此在两个方向上提供最佳空气流；(6)轮辋，该轮辋使曲率变化率最小化并且使辐条孔半径最大化到在各流动方向上产生平衡的空气流侧向力的水平，因此实质地排除侧风影响；(7)通过将前述特征组合到单个轮辋中，而获得形成最佳空气流和附着的轮辋总体复合几何形状；以及(8)具有不同于后轮辋的前轮辋的车轮组，该不同的目的是帮助在自行车周围和上以及在高侧风区的总体流动附着和最小阻力。应注意，本“
技术实现思路
”简单地以简化形式介绍下面在“具体实施方式”中作进一步描述的概念选择。因此，本“
技术实现思路
”不必确定要求保护的主题的主要特征或基本方面，且并非意图用来帮助确定请求保护的主题的范围。本专利技术的其它特征和优点将在下面的描述中加以陈述，并且将部分地基于描述而理解或者可以通过本专利技术的实施而获知。本专利技术的特征和优点可借助于特别是在所附权利要求中所指出的方法及组合而实现和获得。本专利技术的这些特征和其它特征将基于下面的描述和所附权利要求而变得更加完本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.11.25 US 61/417,2781.一种自行车轮辋，所述自行车轮辋具有：前缘，所述自行车轮辋构造成在所述前缘处接合轮胎；辐条面，从所述辐条面，一根或多根辐条从所述自行车轮辋延伸；侧壁，所述侧壁从所述辐条面向所述前缘延伸，并且所述辐条面具有逐渐的和连续的曲率变化率，所述侧壁具有逐渐的和连续的曲率变化率。2.如权利要求1所述的自行车轮辋，其中，所述曲率变化率沿所述辐条面均匀地分布。3.如权利要求1所述的自行车轮辋，其中，辐条面周围的曲率高并且所述曲率的变化率低。4.如权利要求1-3中任一项所述的自行车轮辋，其中，所述曲率变化率小于85毫米/毫米。5.如权利要求1-3中任一项所述的自行车轮辋，其中，沿所述辐条面的任意点处的曲率半径大于6毫米。6.如权利要求1-3中任一项所述的自行车轮辋，其中，沿所述辐条面的任意点处的曲率半径具有不大于15毫米的极限值。7.如权利要求1-3中任一项所述的自行车轮辋，其中，所述辐条面具有在51毫米和60毫米之间的长度。8.如权利要求1-3中任一项所述的自行车轮辋，其中，所述自行车轮辋是35毫米型轮辋，其沿所述辐条面和所述侧壁具有150毫米的最大曲率半径。9.如权利要求1至3中任一项所述的自行车轮辋，其中，所述自行车轮辋沿所述辐条面和所述侧壁具有420毫米及更大的曲率半径。10.如权利要求1-3中任一项所述的自行车轮辋，其中，所述自行车轮辋在所述前缘处具有23毫米至27毫米的宽度。11.如权利要求10所述的自行车轮辋，其中，所述自行车轮辋在所述前缘处具有24毫米至26毫米之间的宽度。12.如权利要求1-3中任一项所述的自行车轮辋，其中：从所述前缘到所述辐条面的端部测量的弦距离限定所述自行车轮辋的总轮辋深度；并且所述自行车轮辋具有位于从所述前缘测量的所述总轮辋深度的40%或更小处的最大宽度。13.如权利要求12所述的自行车轮辋，其中，所述最大宽度比所述前缘处的自行车轮辋的宽度宽0.75毫米。14.如权利要求1-3中任一项所述的自行车轮辋，还包括：所述自行车轮辋具有位于所述前缘和所述侧壁之间的刹车面；所述刹车面和所述侧壁限定外倾角；并且所述外倾角大于175°且小于178°。15.如权利要求14所述的自行车轮辋，其中，所述外倾角至少为177.5°并且至多为177.8°。16.如权利要求1所述的自行车轮辋，还包括：所述自行车轮辋在所述前缘处具有24毫米至26毫米之间的宽度；所述自行车轮辋具有位于从所述前缘测量的总轮辋深度的40%或更小处的最大宽度；所述自行车轮辋具有位于所述前缘和所述侧壁之间的刹车面；所述刹车面和所述侧壁限定外倾角；并且所述外倾角大于175°且小于178°。17.如权利要求1-3中任一项所述的自行车轮辋，还包括：在所述前缘处联接到所述轮辋的轮胎；其中，所述辐条面具有较大的曲率半径；并且其中，所述轮胎和轮辋形成具有可逆前缘的双向翼型。18.如权利要求1-3中任一项所述的自行车轮辋，还包括：所述辐条；轮毂，所述轮毂连接到所述辐条；并且所述辐条面具有辐条孔，所述辐条从所述辐条孔延伸到所述轮毂。19.一种包括如前述权利要求中任一项所述的自行车轮辋的自行车。20.一种自行车轮辋，包括：一对相对的侧壁，所述一对相对的侧壁在轮胎通常安置处从所述轮辋的前缘向后延伸；以及辐条面，所述辐条面被定向成具有类似于翼型形状的前部的剖面形状，其中，所述剖面形状开始于所述相对侧壁的曲率变化率发生变化处的最大值点，并且其中，所述剖面形状在整个辐条面上包括连续的和逐渐的曲率变化率，用于改进在侧风环境中的车轮性能。21.如权利要求20所述的自行车轮辋，连续的曲率变化率小于50毫米/毫米。22.一种自行车轮辋，包括：弯曲的轮胎基部，用于将轮胎安置到所述轮辋，其中，在轮辋的前剖面指向所述自行车的行进方向时，所述轮胎当被附接时充当双前缘翼型的第一前缘；以及辐条孔面，当所述轮胎充当所述第一前缘时，所述辐条孔面具有在所述实质的双前缘翼型的第一后缘上限定的表面区，其中，所述辐条孔面的表面在总轮辋深度的点处包括超过预定阈值的最小曲率半径，均匀分布的增大的曲率半径从所述最小曲率半径点向后延伸至大致均匀曲率半径的侧壁表面，由此提供具有连续曲率的轮辋。23.一种自行车轮辋，包括：一对相对的前缘侧壁，所述一对相对的前缘侧壁在轮胎通常安置处从所述轮辋的前缘向后延伸；以及一对前缘侧壁，所述一对前缘侧壁从所述一对相对的侧壁向前延伸至轮胎通常安置处的所述轮辋的前缘，其中，沿所述轮辋的外表面在该对相对的前缘侧壁和该对前缘侧壁之间形成的低外倾角产生小于178度但大于175度的角度，所述侧壁具有逐渐的和连续的曲率变化率。24.如权利要求23所述的自行车轮辋，其中，所述外倾角在177.5和177.8度之间。25.一种设计自行车轮辋的方法，包括：基于最佳期望性能来设定前缘宽度和基于侧壁的长度和前缘长度来设定总深度；基于期望的弦深度百分率和预定的外倾角来限定所述轮辋的最大宽度；以及基于由所述轮辋的最大宽度和深度限定的矩形来限定辐条孔面的形状，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：S斯马特，
申请(专利权)人：斯马特航空技术有限公司，
类型：
国别省市：