日报标题:作为「人肉驱动车辆」,自行车的功率和扭矩怎么样?
哈哈,你们真会玩!
不过,自行车作为典型的人肉驱动车辆(Human Powered Vehicle,HPV),要讨论它的功率扭矩其实也是蛮好玩的。
自行车一般装备的是人肉引擎(Human Engine,HE),一种很先进的发动机。
HE 有许多优点是其他动力机想都不敢想的:
HE 燃烧生物质燃料,燃料适应性极其广,燃料来源可以参考我国大吃货省人民的食谱;
同时 HE 环境适应性好,并且无起动问题,对环境极其友好,污染物排放可以满足国 10,甚至国 100 标准都没问题。当然还有怠速时噪音低,有多个动力输出点等优点。
最重要,HPV 不用摇号!
可见 HE 是非常优秀的动力源,广泛应用于 Human Powered 领域,也常常被用于 HPV 上。
我们通常用氧消耗率来衡量 HE 的燃油消耗,参考内燃机的研究方法,在不考虑混合动力自行车的情形,单单考虑常规人肉动力自行车的话,在自行车上 HE 的动力输出特性通常如下{1}:
我们可以根据扭矩功率关系,将上图转换一下,得到 HE 的万有特性曲线如下:
于是我们很轻松地可以从上图的灰色的等功率线,以及左边的扭矩轴大致得到 HE 的最大功率约为 500W,最大扭矩 80Nm 左右。当然我们也可以从图上的等氧消耗曲线看出,效率最高(氧消耗最低)的区域在 70-100rpm,40-50Nm 也就是中间值为 12 的蓝色线所圈的区域,此时功率约在 400W 左右。
自行车动力的最大或最优发挥,我们依然可以参考汽车动力学的方法来研究:
这里面就是包含了车的因素以及 HE 的因素,当然还有环境因素啦。
车的特性方面:车重,轮胎滚阻,传动效率,风阻,最大截面
HE 的特性方面:功率特性,重量等
环境因素:重力,坡度,风速,空气密度等。
比如,车方面因素的影响:
比如:发动机方面因素影响:经过精心调教的 First Class Athletes 系列 HE 发动机就要比一般调教的 Healthy Humans 系列 HE 发动机输出特性要好。根据 NASA 的黑科技研究成果{2}:一台经过一般调教的 Healthy Male 发动机,可以持续输出 200W 动力 1 小时,但却只能持续输出 400W 动力 1 min。
参考文献:
{1} POWER SPLIT HYBRID CONFIGURATIONS FOR HUMAN-POWERED VEHICLES,IM Chen, CT Li, H Peng - ASME 2014.
{2} "HPV science" D. G. Wilson,The Technical Journal of the IHPVA, vol. 24, 2003.