CN103502021B - 最佳空气动力学自行车车轮 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明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“发明内容”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“发明内容”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。

本发明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发明的实施而获知。本发明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。本发明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全理解或者可以通过下文中说明的本发明的实施而获知。

附图说明

为了描述可以获得本发明上述特征和其它有利特征的方式，将通过参考附图中所说明的本发明具体实施例来提供对上面简略描述的本发明的更具体描述。应理解的是，这些附图只是描绘本发明的典型实施例，因此不应被认为限制本发明的范围；下面将通过使用附图来更具体和更详细地描述和解释本发明，其中：

图1是具有可以受益于本发明一种或多种改进的相关部件和结构的典型自行车的总体视图；

图2是可应用本发明各种实施例的车轮的侧视图；

图3是图2中的车轮的透视图；

图4是在由图3中直线5-5所限定平面中的图2和图3中所描绘车轮的剖面，示出了管型轮辋的剖面图并且还限定了可应用本发明各种实施例的外倾角；

图5是由图2和图3中的直线5-5所构成的横剖面，图中示出了也可应用本发明各种实施例的替代的紧钳轮辋；

图6A和图6C示出了具有标准尺寸的典型形状轮辋及其相应的单向翼型形状的剖面图；

图6B和图6D示出了根据示例性实施例的实质双前缘形状的轮辋及其相应的双向翼型形状或气流型状的剖面图；

图7示出了在典型的现有技术轮辋剖面周围的曲率变化率的不连续性；

图8示出了用于描述本发明示例性实施例的、如何限定半径和曲率变化率；

图9示出了用于标准轮辋与应用本发明各种有利特征的最佳轮辋的空气动力学阻力比较的、测量的偏航角；

图10A和图10B示出了根据本文中所描述示例性实施例的70毫米(mm)深度轮辋的剖面的许多最佳特征、以及基于这种优化所实现的连续曲率变化率；

图11示出了根据本发明示例性实施例的具有各种标准尺寸车轮深度的G3连续性的连续曲率变化率；

图12A、12B和12C示出了根据本发明示例性实施例的前缘宽度以及沿帘线的轮辋深度的百分率最大宽度的布置；

图13是表3中所描述35毫米深度轮辋的剖面图；

图14是表3中所描述45毫米深度轮辋的剖面图；

图15是表3中所描述60毫米深度轮辋的剖面图；

图16是表3中所描述70毫米深度轮辋的剖面图；

图17是表3中所描述85毫米深度轮辋的剖面图；

图18是表3中所描述95毫米深度轮辋的剖面图；并且

图19是轮辋的剖面图，示出了各个点，在所述各个点处测量曲率半径以获得表3至表9中所包含的数据。

具体实施方式

本发明延伸到用于最佳地减小由侧风和其它外部因素产生的自行车车轮阻力的方法、系统和装置。例如，一个实施例限制了为实现自行车周围最佳空气动力学的轮辋前缘宽度，同时具有用于限制失速的充分宽度。类似地，其它实施例通过优化具有精细外倾角的侧壁形状来减小自行车车轮的总体阻力，所述外倾角是用于在一系列多种偏航角中防止侧壁分离和湍流并且维持最佳空气流。其它实施例提供具有连续的、均匀分布的、均匀的、和/或逐渐的曲率变化率(即，在表面积角中特别是在轮辋后缘的周围或附近没有突然的阶梯或变化)的轮辋的辐条面，该辐条面的目的是通过在较大偏航角处产生侧向力(即，当流动在相反方向上时作用于轮辋或车轮的背侧)来提高总体稳定性和性能。另一个实施例提供实质的双前缘机翼轮辋，该轮辋的目的是通过将作为车轮前缘的轮胎与在后缘(从轮辋或车轮的返流侧看则变为前缘)的大辐条孔面半径组合而优化在所有方向上的空气流。因此，车轮或轮辋变得平衡，这是因为作用于轮辋或车轮的前部和后部的侧向力被调整为彼此平衡从而减小或消除任何旋转力矩的产生。另外，另一个实施例是通过限定具有不同前轮和后轮形状和尺寸的车轮组而改进自行车系统总体空气动力学，从而帮助实现在自行车周围和自行车上以及高侧风区中的总体流动附着和最小阻力。

在详细描述本发明上述有利特征之前，下面的一些段落一般性地描述了用于理解本发明各种实施例的术语的定义。另外，以下图示中的部分图示一般性地描述了可应用由本发明所实现的许多益处(如后面更详细描述)的目前自行车结构和系统的各种方面、特性或特征。

定义

翼型：自行车胎的二维剖面，该剖面通常代表被限定在水线平面中的流线型空气动力学形状。

纵横比：二维翼型的大弦(长度或总轮辋深度)与小弦(最大宽度)的比率。

边界层：紧靠翼型壁的运动较慢的流体层。

CFD：模拟流体流动并且可以用于预测空气动力学的计算流体力学或者计算机软件。

外倾角(侧壁)：本文中使用的外倾角(侧壁)是指轮辋侧壁和与该侧壁相邻的假设垂直线之间的角度。

端部效应：经过有限长度翼型部分的端部的流动，其通常增加阻力且减小升力。

轮辋的前缘(LE)：是轮辋的两个边缘之一，其保持轮胎侧壁并且形成将轮胎固定到轮辋的轮床的一部分。这种边缘在传统“紧钳”型车轮的情况下可采用凸缘的形式或者可以采用浅唇部的形状，该唇部构成轮胎位于管状或者上缝合轮辋中的尖端。应注意，基于其用途这也可以是指轮胎床与前缘前端之间的距离(以毫米为单位进行测量)。

前缘宽度：是在其最前端或者朝向胎圈或边缘的最远点处两个前缘之间的内部宽度。

LE侧壁：与前缘有关并且限定侧壁相对于前缘在何处开始。虽然侧壁通常具有大的逐渐曲率，但轮辋是在具有小得多的半径的前缘的数毫米内。

LE侧壁宽度：限定在LE侧壁处的轮辋宽度，该宽度通常是在轮胎或车胎嵌在轮辋侧壁内的轮床处。

最大宽度：是指轮辋的最大宽度，该最大宽度通常超过LE侧壁宽度并且是在从前缘开始测量的沿轮辋弦的部分距离处(即，考虑总轮辋深度)，该最大宽度可以进一步被上述和下文中的外倾角所限定。

倾斜度：部件的竖直倾斜角，例如下管具有接近45度的倾斜度。

曲率变化率或梯度：限定在给定表面上每曲线毫米(mm)的曲率或半径变化中的差异。具体地，在一点处的曲线的曲率半径R是最佳地近似在该点处的曲线的圆弧半径的量度。应当认识到的是，在沿二维剖面的曲线的任意交叉点处，可以画出与该曲线相切的一条直线。然后测量在该点处的垂直于切线的曲率半径(R)。基于该曲率半径(R)，可以利用以下公式1来表示曲率(K)，该公式1在其最简单的形式中可以被看作是圆半径的倒数。

公式1

其中：

K=曲率

R=曲率半径。

曲率变化率(或梯度)简单地是指两个测量点(P₁、P₂)之间的曲率变化以及两个点(P₁、P₂)之间的曲线或行进距离(L)的比。可以用以下公式2来表示曲率变化率或梯度()。

公式2

其中：

=曲率变化率或梯度

K₁=在测量点P₁处的曲率

K₂=在测量点P₂处的曲率

L=点P₁和点P₂之间的曲线或行进距离。

轮辋：通常是指车轮组件的外部，其在外表面上保持轮胎(其代表轮辋的翼型形状的前缘)并且通过内表面的辐条孔保持辐条(其于是成为翼型形状的后缘)。应注意，本文中所描述实施例可以指代车轮或者轮辋，因此这些术语在本文中是可互换的；然而，当在权利要求中使用时，术语“轮辋”不包括轮胎、辐条和或轮毂组件，除非另外声明。

辐条面：轮辋的表面，在辐条面处，车轮的辐条延伸以便附着到轮毂。应注意，如果被称为距离，那么它代表从轮辋的弦朝向LE侧壁延伸至曲率变化率急剧增大处的点的径向距离，其通常在一个侧壁上从LE开始测量的总轮辋深度的大约2/3处开始，并且延续到相对侧壁上的相同点。

传统的翼型：具有尖的或者通常为锥形的尾翼的泪滴样形状。

环面或者环面的：表示由围绕在与曲线相同的平面中的直线旋转但不与曲线交叉且通常代表根据示例性实施例的许多自行车部件设计的翼型形状的平面闭合曲面所形成的表面。

水线：平行于地面的平面，其切割穿过自行车轮胎(如果将轮胎部分地浸没，则非常类似于水的表面)并且代表空气行进的方向；因此，确定空气看到的有效翼型。

车轮：本文中车轮通常包括保持轮胎外圆形轮辋以及辐条和轮毂组件；然而，基于所描述的实施例，本文中车轮和轮辋可以可互换地使用。

偏航角：总空速矢量与自行车运动方向之间的角度。

自行车部件的概述

图1示出了根据本发明示例性实施例所构造的具有若干自行车结构11的自行车1。如下面进一步的描述，所设想的是自行车结构11可包括：根据本发明示例性实施例所制造的自行车车架、管、前叉腿、车轮、轮胎、车把、车把立管、座管、脚踏曲柄臂、Ｕ形槽、变速杆、导缆器、缆线、自行车附件(例如水壶)、和/或自行车附件保持器。

自行车10包括支撑骑车人以及前和后车轮组件的车架12。自行车10包括附接到车架12的车把16和座椅14。座管18连接到座椅14并且可滑动地与车架12的座管20接合。上管22和下管24从座管20向前延伸至车架12的头管26。车把16连接到立管28，该立管穿过头管26并且与叉套30接合。一对前叉32通常从叉套30的相对端延伸并且构造成在各前叉32的一端或叉尖36支撑前轮组件34。叉尖36通常与轴38的相对侧接合，轴38构造成与前轮组件34的轮毂40结合。一些辐条42从轮毂40延伸至前轮组件34的轮辋44。轮胎46与轮辋44接合使得轮胎46相对于前叉32的旋转，从而使轮辋44和轮毂40转动。

自行车10包括具有致动器50的前刹车组件48，该致动器附接到车把16和通常位于前轮组件34的相对侧的一对刹车片52。刹车片52构造成接合轮辋44的刹车壁54，由此为前轮组件34提供制动力或减速力。可替代地，包括转子和夹的碟刹组件可位于接近前轮组件34的轮毂40的位置。这种组件在本领域是容易理解的。可理解地，自行车10的前轮组件34和后轮组件56中的一个或两个组件可以装备有基于轮辋或基于碟刹的刹车系统。

类似于前轮组件34，后轮组件56通常同轴地位于后轴58的周围，以便后轮组件56围绕后轴58转动。后上叉60和后下叉62从大齿盘64偏移到后轴58。大齿盘64包括脚踏66，该脚踏66可操作地经由齿盘或链轮70连接到链条68。链条68的旋转将驱动力传送至具有齿轮组74的自行车10的后部72。齿轮组74的通常与后轴58为同轴并且包括一些可变直径齿轮。可理解地，链轮70也可以具备一些可变直径齿轮，由此增加自行车10可获得的传动比。

齿轮组74操作性地连接到后轮组件56的轮毂76。后轮组件56包括：轮毂76、一些辐条78、和轮辋80。多根辐条78中的各辐条在轮毂76和轮辋80之间延伸，并且在轮毂和轮辋之间传送载荷力。如通常可理解的，骑车人踩踏脚踏66的操作驱动链条68，由此驱动后轮组件56，从而相应地推动自行车10。前轮组件34和后轮组件56构造成使辐条42、78分别在轮毂40、76和轮辋44、80之间传送与自行车10的载荷和运行有关的力。应理解的是，自行车10可以是山地自行车或越野自行车或公路自行车、或者用于在铺砖地面上行进的自行车。尽管更适用于通常可达到更大行进速度的自行车，但可以设想多种其它自行车构造同样也可受益于本发明。

如下面更详细的解释说明，示例性实施例提供双向翼型轮辋。为了理解这种实施例，图1中示出了由相贯线3-3和4-4所代表的车轮34的水线剖面。假定如图所示的的行进方向，轮辋44具有由水线剖面3-3所代表的前部或面向前方的部分、以及沿水线剖面4-4的向后或逆向气流部。因此，轮胎46充当第一翼型的前缘，而轮辋44的辐条面代表在向前行进方向上的后缘。当转动180°时，轮辋44的辐条面现在成为前缘并且轮胎充当在车轮34后侧周围的空气流的后缘或者逆向空气流动方向。

应注意，常规的轮辋只考虑在向前方向上或者在轮辋前部的翼型形状。因此，当与轮胎组合时，空气动力学轮辋44的设计通常类似于飞机翼型形状，即具有轮胎46的较大半径前缘以及由窄半径或尖的辐条面所代表的薄的锥形后缘(通常被辐条42直径及其与轮辋44固定机构所限制)。换句话说，直到本发明，通过尽可能形成接近泪滴的形状而提高空气动力学效率的常规的一般设计的轮辋44仅受到辐条42的限制。然而，这种设计只考虑在轮辋周围的气流的向前方向并且忽视了车轮的相反方向或背侧。

如下面更详细的描述，本发明的示例性实施例通过形成具有实质双最佳前缘的双向翼型而排除了常规翼型形状的观念。更具体地，示例性实施例提供如前所述的翼型的第一前缘，即由附接到轮辋44的轮胎46所代表的前缘。然而，不同于传统的辐条面设计，本文中所描述的实施例提供大半径辐条面，该辐条面具有逐渐的、从轮辋侧壁延伸至辐条孔面中心的半径的均匀变化。这种在相反方向上的大半径辐条面在空气流的向后方向上构成轮辋上的第二前缘；因此形成具有实质的两个可逆前缘的最佳双向翼型轮辋。

车轮的描述以及所限定的最佳外倾角

图2-5示出了图1的自行车10的一般性车轮组件100以及能够通过下面所描述各种实施例而得到优化的无内胎(图4)和紧钳(图5)轮辋的剖面图。参照图2和图3，示出了自行车车轮100，示出轮胎110被安装到车轮100上。车轮100可包括一对平坦环形的、平行的且相对的刹车面，例如表面111。车轮100还包括：构成轮辋的一部分的凸起弯曲的碳主体侧壁112、中心轮毂113、以及多根辐条114。

在图4中，示出了车轮100的剖面(沿由图3中的交叉线5-5所形成的线截取)，其被成型为单件式车轮，其中，轮辋部和主体部是由类似材料制成，与下述的一些两件式车轮相反。图4的车轮具有轮胎安装表面121、一对平直且平行的刹车面127、以及芯材料120的填充区。主体部从刹车面127延伸并且包括侧壁119和空心的内部126。球根状的碳主体部134通常包括具有辐条附着点的加强的内直径部分，这些辐条附着点通常是孔并且可包括用作辐条锚固件的金属插入物125。

在刹车面127和柔性侧壁119之间形成锐角123，并且一条直线通常平行于轮辋的轴线(见角度123以及在图4的刹车面127和侧壁119之间画出的直线)。从另一个角度看，设置在刹车面127的平面中的径向延伸线“E”将会以轴向向外的交汇角“C”(本文中称之为外倾角)与切向地设置到主体部的侧壁119的径向延伸线“F”交汇。例如，授予Sargent的标题为“碳体自行车轮辋”的美国专利5,975,645中所述，典型的这种外倾角小于175°并且优选地小于165°。然而，本发明的示例性实施例限定了大于175°但应小于178°(优选地在大约177.5°和177.8°之间)的外倾角，以便改进性能。

应注意，用于限定上面图4中所描述外倾角的相同或相似的尺寸也适用于图5中所示的紧钳轮辋。例如，图4中所示的碳主体部134包括在侧壁119与刹车面127相交的位置从径向最外部139延伸的侧壁部119，侧壁部119经过最大宽度的点并且终止于径向最内点136，图中显示径向最内点136比侧壁119厚，由此被加强。径向延伸的、径向朝外的轮辋接合表面132可包括周向的冠部以及便于侧壁弯曲的内部126空心部。

类似于图4，外倾角“C”被设置在刹车面127的平面中的径向延伸线“E”和切向地设置到主体部150的侧壁119中的径向延伸线“F”所限定。此外，为了改进性能外倾角“C”应小于178°但大于175°(优选地在177.5°和177.8°之间)，如下面参照图12更详细的描述。在垂直于刹车面138的直线A和第一柔性侧壁152之间可形成锐角123(见角度123以及在图5的刹车面127与侧壁119之间绘制的线水平线)。

如将在下面更详细的描述，可利用切线角的另一个示例性实施例更准确地限定并表示上述外倾角。更具体地，参照图10B，可采用用于确定最佳翼型设计(特别是双向或实质的双LE翼型)的前缘(LE)和后缘(TE)的切角，如下文中所述。

最佳前缘和最大宽度

如上所述，申请人认识到最佳前缘宽度可用于防止轮辋在侧风中的早期失速，同时维持稳定性且没有不必要的阻力。更具体地，已确定前缘宽度小于大约23毫米的轮辋导致车轮在侧风中的早期失速，这大大增加在早期偏航角中的阻力并且导致非常不利的性能，例如不稳定性和失去控制。尽管较宽的轮辋能够实现侧风中更好的稳定性并且目前大部分的轮辋包括大于27毫米的前缘，但超过某个点则基于由于较宽轮辋所造成的自身阻力增加而变为利益递减。换句话说，申请人发现如果宽度超过大约27毫米，则总体阻力(特别是与较宽轮辋相关的旋转阻力)的增加并不补偿后面的失速避免。简而言之，示例性实施例在轮辋前缘提供大约23至27毫米的最佳宽度(更优选在24-26毫米之间)，这防止侧风中的早期失速同时仍然能够实现合适的稳定性并且没有不必要的来自其它外力的作用于较大宽度车轮的阻力。

简而言之，相对于轮胎增加宽度可以改进在车轮前部轮辋上的流动附着，并且通常当显著地宽于轮胎时可以实现流动附着。然而，由于系统阻力(自行车和车轮)变大，因而对自行车前轮仍然现在限制。因此，示例性实施例基于在轮辋后缘(即，辐条孔面)处的期望的形状而限制前缘(和最大宽度)处的宽度。

在前面已经将外倾角优化在大约175°和178°之间的情况下，并且在前缘的最佳宽度被限定在24至26毫米范围内的情况下，申请人于是确定在沿弦的最佳位置处的翼型的最大宽度。参照图6B和图6D，发现在最大宽度深度D处，最大宽度B应当最佳地位于总轮辋深度的大约40%或更小处(从前缘到辐条面表面进行测量)、更特别地位于总轮辋深度的大约30%或更小处。更具体地，申请人发现，在总轮辋深度的大约40%或更小处具有大的常数或者逐渐变化的半径并且具有略微更宽的剖面的车轮能够相对于总体阻力显著地增大偏航角。例如，当前缘与最大宽度(其位于的弦的小于30%的百分率)之间的宽度差异为大约0.75毫米时，沿轮辋侧壁的空气流的总体表面分离显著减小。这还允许较大的偏航角且没有侧风中的失速。实际上，正如下面图9中所示，本实施例以及本文中描述的其它实施例导致轮辋能够在指定偏航角时实现非常罕见的称为负阻力的现象。

参照图12A、12B和12C，示出了三种不同轮辋(2个为60毫米，1个为35毫米)的轮辋轮廓和型式。根据示例性实施例，一般来说轮辋宽度保持在优选大约24毫米和26毫米之间、更优选大约25毫米。亦如示例性的轮辋轮廓中所示，将最大宽度设定为小于总深度的40%、更具体地小于总深度的30%的值。应注意这些实例给出了它们所代表的各种轮辋深度的特定的测量值；然而，示例性实施例并不局限于这种特定的测量值。实际上，如本申请的全文中所描述，存在着能够利用本文中所描述示例性实施例的无数的形状以及轮辋尺寸的组合。因此，对本文中使用的任何特定尺寸的车轮和/或轮辋的尺寸的任何描述只是为了说明的目的，而不是限制或缩小本发明的范围，除非明确地提出要求。

也应注意，在本实例中存在两种不同的用于60毫米轮辋的轮廓：一种是用于“前”轮辋而另一种是用于“后”轮辋。如上所述，前轮辋的空气流是基于前缘的宽度以及在前叉周围的流动的交汇。另一方面，由于车架的屏蔽以及该宽度引起甚至更大的作用于车架的阻力，因而后轮的操作性能有所不同。因此，示例性实施例提供一种轮辋组或系统，该组或系统构造成通过限定不同尺寸和/或形状的前轮和后轮而减小总体阻力或者优化自行车的总体空气流。更具体地，示例性实施例提供较窄的后轮，以便减小由车架所引起的阻力。由于在后轮周围的流动被座管部分地屏蔽，因而气流不以与前轮的同样方式与后轮的轮胎发生相互作用。因此，在后轮上辐条面变成更主导的特征，因为空气流与后轮辋的后缘的相互作用比与其前轮辋的后缘的相互作用更大。因此，如下所述，实施例并不如同用于确保具有双向能力的轮辋翼型优选的宽半径辐条孔面那样集中于后轮辋的前缘宽度或最大宽度。

类似地，其它实施例提供比后轮辋更浅的前轮辋，因为较深的轮辋产生较小的阻力，但由于侧向力问题，造成了对转向期间的稳定性的限制。换句话说，示例性实施例提供更宽、更浅的前轮辋与更深、更窄的后轮辋的最佳轮辋组。然后，应注意本申请还涉及这些差异和优化的任何子组合。例如，如下所述，轮辋的总体形状也可发生变化；因此，本文中所使用的基于宽度和深度的轮辋组的差异，只是为了说明的目的而并不限制权利要求，除非另有明确说明。

辐条面和轮辋形状

本文中描述的其它示例性实施例通过使用具有尽可能大曲率半径但具有最小可能曲率变化率(即，连续的曲率)的车轮或轮辋辐条面而提供对性能和稳定性的根本改进。此独特的设计特征明显不同于包括沿辐条面的曲率中突然阶梯变化的现有技术设计。更具体地，如前所述，翼型通常采用具有汇集到相对较尖点的侧壁的泪滴形状。然而，在车轮设计的情况下，这种尖点则需适度地变平，以便接收辐条孔并且易于制造。然而，通常翼型采用这种形式是为了提供无高湍流的良好空气附着。

例如，图6A和图6C分别示出了典型轮辋设计的典型剖面以及所形成的翼型形状。如图中所示，前缘宽度“A”通常是由相对刹车面127之间的距离所限定。最大宽度“B”也是由沿弦长度的部分距离“D”所限定，该弦长度在现有技术系统中通常大于总轮辋深度的1/3。基于这三个测量值来限定外倾角“C”，该外倾角如上所述在现有技术系统中通常小于175°、优选小于165°。应注意，图6A和图6C中空气流或翼型形状翼型的后缘形成狭窄的锥形点，该后缘仅被辐条的直径以及用于将后缘固定在轮辋中的机构所限定。更具体地，车轮和轮辋翼型形状的设计中的常规设想是试图在辐条孔必需宽度的约束或限制下模仿传统的泪滴形状翼型设计。因此，在面表面处的孔或中心处或附近辐条孔面的曲率变化率变得极大，但是在其后快速地减小。虽然这种传统翼型设计在静止或单向系统中工作正常，但这种设计并不为相反方向上的空气流而被优化。换句话说，现有技术翼型设计仅在单一方向(即车轮的前面)上有效地工作；因此无法实现最佳空气流并且导致不利的空气分离和不稳定性。

然而，示例性实施例已规定了以双向方式工作的翼型的最佳形状。更具体地，如图6B和图6D中所示，轮辋剖面和所形成的翼型形状具有同时用作翼型的后缘和前缘的大半径辐条孔面。换句话说，当与轮胎110组合时，图6D中所示的轮辋的椭圆形或蝶状的空气流型状实质上提供两个最佳前缘，这两个最佳前缘有助于在空气流行进的向前或者相反方向上维持流动附着。如图中可见，形成大半径辐条面半径的此观念与翼型形状中的常规设想相抵触，特别是当在意外稳定性以及下述侧风影响方面进行评估时。

应注意，尽管图6B中所示双向轮辋的特定形状具有所形成的6D翼型，但实际的形状和设计将基于若干因素而变化，如本文中所述。例如，下面的表中包含电子表格数据，该数据显示基于根据本文中所述的示例性实施例的相对于彼此的特定的轮辋深度、宽度和外倾角的各种轮辋设计和考虑因素。还应注意，与总体设计特征相关的变量可偏离最佳值和设计；然而，这种偏离仍然符合本文中所述的总体发明构思。因此，本文中使用的对特定形状轮辋或者其尺寸的描述只是为了说明的目的，除非具体地提出要求。

根据一个示例性实施例，提供一种通过基于一组轮辋参数和上述双向翼型需求来预先确定几何形状而实现最佳车轮的方法。例如，参照图6B，轮辋138和轮胎110的组合几何形状构成具有连接的侧壁119的前缘LE直径A和后缘TE直径B。应注意，另一个考虑因素可以是在帘线的一些百分比处的外倾角C和/或最大宽度深度D(如前所述和上述)。可替代地，或者结合，对于LE或TE可基于切角(见图10B)来构成和限定几何形状和尺寸。无论所使用的精确参数或者被限定变量的数量如何，由设计参数的交叉点所构成的几何形状将类似于以下几何形状：例如平行四边形(例如，优选矩形)、省略号、或者在辐条面125中设定所需翼型形状的外边界的其它类似形状。

其次，为了维持在辐条面中空气流将释放最大能量处的流动附着，需将辐条面半径维持在超过某个阈值限。另外，曲率变化率(即，每毫米内的曲率变化率)必需需沿辐条面125均匀分布。更具体地，从一个侧壁119的后缘到下一个侧壁119的后缘的曲率变化不能超过某个阈值，并且优选地维持在整个辐条面125中的均匀分布和/或逐渐或连续的变化。换句话说，如果几何形状限定在辐条孔面开始(或结束)处最大总深度处具有90°转向的正方形或矩形的边界，那么各实施例分散该转向使得在该空间内曲率半径尽可能地高。

总之，示例性实施例使用两个或更多的翼型参数(例如，LE宽度、最大宽度、TE宽度、轮胎直径、外倾角、最大总深度)来限定用于给定骑车人用途的几何形状(例如，具有给定的宽度和深度的矩形)。由于该几何形状所设定的翼型形状外部限制，因而基于在整个辐条面中维持高曲率半径同时将曲率变化率保持在最小值的目的来设计逆向流的实质的LE。换句话说，参照图6D，基于对双向空气流的需求，示例性实施例通过设定至少两个期望的翼型参数，例如LE(A)和最大(B)直径(优选地在上述最佳方案内)而实现最佳翼型设计。然后，这些值限定几何边界130，该几何边界130是用于之后设定具有超过设定阈值的一系列径向弧的曲面131(即，辐条孔面125)，该径向弧的曲率变化不能超过每线性限值。

应注意，最小半径和曲率的最高变化率的这种值再次将基于轮辋类型、尺寸、和期望的参数而变化。然而，优选地半径或曲率(即，在沿侧壁119的边界以及辐条孔面125的最大轮辋深度或边缘所设定的曲线的任意给定点所限定的最小半径)需大于大约6毫米(上下界通常不超过15毫米，即沿曲率的最小半径不大于15毫米)，以避免实质的前缘(即，在车轮的背面)处的流动分离。此外，逐渐的曲率变化(即，用于改进流动附着的曲率或半径的增加/减小)优选地不大于大约60毫米每线性毫米。

如图9中所示，上述双向翼型的意外的且有利特征中的一种特征是空气流形成低压区，该低压区产生升力或侧向力。然后，此侧向力导致在行进方向上较小的阻力。类似地，在各流动方向上由双向翼型形状所产生的平衡的侧向力确实地减小骑车人所感觉到转向扭矩的量。换句话说，由于轮辋周围的平衡空气流设计，因而在侧风存在下该侧向力在轮辋的前部和后部保持相等；因此，骑车人未感觉到风视图使车轮转向。

如前所述，大部分自行车轮辋试图利用具有大角度不连续性(因为侧壁接近翼型形状轮辋的辐条孔或后缘和/或辐条孔自身的边界线)的标准翼型形状来减小阻力。例如，许多竞争性的轮辋在沿弦进一步向后的位置具有过宽的最大宽度，因此这些轮辋最终需在最大宽度位置后并且经常再次在靠近辐条孔的一些距离处对侧壁斜率作大幅调整。此外，大部分轮辋在辐条孔边界(即，弦与后缘交叉处)处具有曲率中的大不连续性，从而近似典型的翼型较尖的边缘形状。另外，由于一些复合车轮设计(例如，当组合两个半件或外壳时)的制造技术，因而此边界线也固有地形成不连续性。

图7、图10A和图10B是显示具有较大不连续性曲率的先前轮辋设计(图7)与具有曲率连续变化的示例性实施例轮辋设计(图1OA和图1OB)之间的曲率变化差异的图形。这些附图示出了通常称为“曲率梳”或者“刺猬或豪猪曲线”的图形辅助工具。从轮辋表面径向延续的这些线(花键或辐条)的长度代表曲率(K)。应当指出的是，这些曲率(K)线的长度和这些线的密度通常是基于最佳显示曲率(K)的任意标度。这些线的各条线之间的长度变化提供评价沿轮辋长度的曲率变化()以及曲率变化的变化率(或者加速度)()的视觉辅助。

可以基于一些不同水平或类型的连续性来描述表面之间连续性(即，各表面相互连接的平滑性)的特征。每当两个曲面或表面的端部位置接触时，产生位置或接触连续性(通常被称为G0连续性)。由于G0连续性，因此曲面或表面可以以一个角度交汇，因此具有尖的角或边缘。切向或G1连续性要求在交汇处的曲面或表面的端部矢量是平行的，由此消除尖锐的边缘。由于G1连续性，因而曲面或表面在两个曲面或表面交汇的位置具有共同的切线方向。换句话说，G1连续性表示这两个曲面不仅接触，而且在接触G2或曲率连续进一步要求端部矢量具有相同的长度和长度变化率的情况下在它们接触的点处在相同方向上延续。换句话说，G2连续性另外地要求曲面(或表面)不仅当它们交汇时在相同方向上延续，而且在它们交汇的点处也具有相同的半径(R)或曲率(K)。G3或曲率加速度连续性通过对连续的平面加速度增加另一个要求而要求甚至比G2更高程度的连续性。作为G3连续接触(G0)的曲线在相同方向(G1)上延续，具有相同的半径或曲率(G2)，并且在曲面或表面交汇处的半径(R)或曲率(K)以相同的速率加速。

图7示出了在曲率中具有大的不连续性的以前轮辋设计的一个例子。正如从图中可见，轮辋具有一些在曲率变化率中有显著变化或不连续性的区域。图7的轮辋的特征是具有最大G1或切向连续性。这种不连续曲率(例如，图7中所示)或者设计不良的翼型轮辋(特别是在辐条孔面周围具有曲率变化率的不连续性的轮辋)产生不利的阻力从而降低最佳性能。换句话说，由于关于翼型的常规设想和目前的制造限制，因而典型的所谓“高性能”车轮在侧风过早地失速并且产生不利的空气流表面分离和湍流。

相反，图10A和图10B中所示的轮辋显示G3连续性。如图10A和图10B中所示，示例性实施例提供在轮辋的整个表面上均匀分布的曲率变化率、以及沿辐条面或边界的连续或逐渐的曲率变化率(也称为类型“A”表面模拟)。更具体地，曲率变化率在辐条面的整个几何长度上均匀分布或者逐渐地发生，基于轮辋深度(见下面关于这种几何形状如何变化的更详细的图)该辐条面的长度在大约51和大约60毫米之间变化。该曲率半径从侧壁到辐条面的中心一直在减小。具体地，该曲率半径在辐条面的周围从与侧壁交叉处的最大到在辐条面中心的最小一直在减小。换句话说，示例性实施例限制从侧壁到辐条孔面自身的辐条面的线性转弯半径，以便确保空气流附着，特别是在相反的空气流动方向上(即，在轮辋的背侧)。与这种变化有关的是在辐条孔面上的实际半径(参见例如图8)，其中其它实施例(如前所述)试图将任意给定点的半径保持在超过阈值(例如，超过6毫米并且不大于大约15毫米的下限)。

图11中的曲线族显示曲率变化的变化率(即，曲率的二阶导数或者)是如何在整个侧壁和辐条面上逐渐变化的。此外，应当认识到图11中的轮辋具有G3连续性。此外，在图示的实例中的轮辋开始于在侧壁处的高曲率半径(大于100毫米)且终止于在辐条面转动小曲率半径(大约10毫米)。如从图11中可见，曲率变化的导数()在几何形状允许的情况下已被尽量地最小化。

尽管无需设定上半径，但在一些情况下最大半径尺寸受到轮辋尺寸的几何限制和形状自身的约束。例如，如图12C和下面的表中所示，浅的35毫米轮辋不允许有足够的长度来实现大曲率半径，因此最大半径仅为10毫米。然而，在深剖面轮辋(例如，下面的表中所示的70和85)上，大得多的曲率(例如，420毫米及更大)是可行的。应注意，对侧壁119的形状做出调整使得该侧壁弯曲入辐条面。因此，当流动是来自轮胎(即，向前方向)的前缘角时，考虑侧壁。

应当指出的是，辐条面表面的这种非常规设计有利地且出人意料地在较大偏航角下产生侧向力，使得车轮在前叉后面的部分使车轮向后转向风的方向。因此，优化在前叉前面的车圈前部上的侧向力(升力)以及从轮辋后部的辐条孔面中所获得效率的示例性实施例，在有风的条件下车轮仍然保持稳定。

再次参照图7以及下面的表1和表2中所示的相应数据，轮辋的典型剖面在轮辋的整个表面(特别是在辐条面和前缘)具有不连续性。应当指出的是，在下面所有表中，给出在单独点处的半径(R)及其倒数、曲率(K)值。虽然在下面表中提供了梯度或曲率变化率()，但应该认识到的是这些变化也可以用每行进距离的曲率半径的变化率()来表示。应注意，尽管半径的变化率在轮辋表面的各种区域是稳定的，但这种保持半径稳定形成从这些变化中看到的梯度图案。如前所述，这通常是由于如下原因：在侧壁处的高外倾角水平；在远离弦的距离处形成最大宽度；以及/或者辐条面在短距离上形成，证实因为无法使用总高曲率半径(本发明可以是总高曲率半径)。换句话说，在不具有本发明的用于优化轮辋总体空气动力特性的有利特征的情况下，现有技术设计(如图7中所示)导致高曲率变化率(即，通常大于60毫米/线性毫米。因此，现有技术无法实现最佳双向翼型轮辋。

表1示出了图7中所示轮辋的各种尺寸。

表1

图7的现有技术轮辋的测量数据

	现有技术轮辋
		前缘(x)	-5.92
前缘宽度	16.927
		LE侧壁(x)	-3.03
LE侧壁宽度	24.018
		LE切角
TE切角
		最大宽度(x)	16.6641
最大宽度	27.26
		最大宽度弦
辐条面(X)	55.2808
		最大总深度(mm)	61.2008
外倾角(侧壁)	4.7117
		最大宽度(%弦)	36.9016418
侧壁LE半径	101.6
		侧壁TE半径	141.522
侧壁长度	38.82112
		梯度(半径曲率/线性mm)	1.02835776
辐条面的总长度	45.28
最大曲率半径梯度	13.67

表2示出了沿图7中所示现有技术轮辋的辐条面的各种采样位置的曲率半径和梯度测量值以及梯度变化。再次参照图7(以及下面的表2中所示)，曲率中的变化是非常不连续的。如将在下面更详细的描述，图7中现有技术轮辋的曲率/梯度变化的变化率()或者曲率(K)的二阶导数是本文中所述本发明的轮辋设计的十倍。

表2

图7的现有技术轮辋的曲率变化率数据

下面的表中示出了根据本文中所描述示例性实施例制造的各种原型轮辋的一些测量值。尽管实施例可引用各值，但这种引用是为了说明的目的而不是限制或缩小本发明的范围，除非另有明确要求。

下面的表3中列出了分别在图13、图14、图15、图16、图17和图18中示出的35、45、60、70、85和95毫米轮辋的各种尺寸。下面表中的所有测量值是以毫米为单位，除非另有说明，例如规定特定的百分率。下面的表3中示出了根据各种实例的各种尺寸轮辋的各种尺寸。对于各尺寸轮辋，在沿辐条面的各种位置测量曲率半径。下面的表将描述这些测量值以及特定点处的梯度和梯度变化。应当指出的是，表3以及本申请的任意处的外倾角测量值是从前缘中测量而不是在一些其它位置(例如从刹车面的后面)测量。

表3

图13、图14、图15、图16、图17和图18中示出了各种尺寸的轮辋

	35 mm	45 mm	60 mm	70 mm	85 mm	95 mm
							前缘(x)	-6.49	-6.02	-6.49	-6.02	-6.49	-6.49
前缘宽度	23.34	22.26	23.24	22.27	23.34	22.27
							LE侧壁(x)	-5.29	-5.29	-6.49	-5.29	-6.49	-5.29
LE侧壁宽度	24.95	22.95	24.95	22.95	24.95	22.95
							LE切角	4.86	4.86	4.88	4.86	4.88	4.88
TE切角	3.72	4.22	4.57	5.08	6.08	5.08
							最大宽度(x)	0.82	6.34	10.40	17.27	17.05	31.53
最大宽度	25.44	23.99	26.28	24.68	26.89	25.62
							最大宽度弦
辐条面(X)	28.28	38.51	53.02	63.49	78.40	88.50
							总最大深度(mm)	34.77	44.53	59.51	69.51	84.89	94.99
外倾角(侧壁)	2.30	2.45	2.42	2.21	2.49	2.10
							最大宽度(%弦)	21.04	27.76	28.37	33.50	27.73	40.03
侧壁LE半径	58.80	145.80	182.20	233.00	257.23	368.00
							侧壁TE半径	136.30	164.80	205.38	327.14	421.04	443.00
侧壁长度	13.60	23.60	33.44	41.86	61.00	69.70
							梯度(曲率半径/线性mm)	5.70	0.81	0.69	2.25	2.69	6.36
开始半径/长度半径比	4.32	6.18	5.45	5.57	4.22	5.28
							结束半径/长度半径比	10.02	6.98	6.14	7.82	6.90	6.36
辐条面开始半径	136.30	164.80	205.38	327.14	421.04	443.00
							辐条面最小半径	10.30	8.37	6.89	7.02	6.45	6.12
辐条面的总长度	57.48	51.46	60.32	53.21	55.25	57.20
							最大曲率半径梯度	18.12	23.05	24.16	61.29	83.54	81.82

为了帮助说明在表2和表4-9中何处进行测量值，图19示出了轮辋140的剖面图以及沿辐条面的各种位置测量。图19中的附图标记142表示初始或零采样位置参考点，附图标记144表示样品测量的终止或端点。对于表2中的测量，从初始采样位置142(P₀)到端点144(P₁₄)进行十五个(包括采样点零)曲率半径的测量，在表3-9中，在初始采样位置142和端点144之间测量十三个样品(即，采样点P₀至P₁₂)。应当指出的是，因为轮辋140是对称的，所以在辐条面的类似侧曲率半径(K)通常应相似。测量相对于初始采样位置142的沿辐条面的曲线位置。例如，表4中的采样位置数1为在辐条面上距离采样点0为2.4 mm处。在每个采样点测量半径。应该认识到的是，利用公式2来计算曲率变化率或梯度()，其在表2和表4-9中被列标题“梯度”所表示。具有“梯度导数”的列标题的梯度的导数()表示每曲线行进距离(L)的曲率(K)的二阶导数。换句话说，梯度列的导数代表曲率变化率，或者换句话说代表曲率的加速度。应当指出的是，利用梯度之间差值的绝对值计算出各表中的梯度导数()列。这些表还提供最大梯度和梯度的最大变化。

下面的表4提供了图14中所示及表3中所述45 mm轮辋的曲率变化率(或梯度)的数据。

表4

图13中所示35 mm轮辋的曲率变化率数据

下面的表5提供图14中所示和表3中所示45 mm轮辋的曲率变化率(或梯度)的数据。

表5

图14中所示45毫米轮辋的曲率变化率数据

下面的表6提供了图15中所示和表3中所示60 mm轮辋的曲率变化率(或梯度)的数据。

表6

图15中所示60 mm轮辋的曲率变化率数据

下面的表7提供了图16中所示和表3中所述70 mm轮辋的曲率变化率(或梯度)的数据。

表7

图16中所示70 mm轮辋的曲率变化率

下面表8提供了图17中所示和表3中所述85 mm轮辋的曲率变化率(或梯度)的数据。

表8

图17中所示85 mm轮辋的曲率变化率数据

下面的表9提供了图18中所示和表3中所述95 mm轮辋的曲率变化率(或梯度)的数据。

表9

图18中示出95 mm轮辋的曲率变化率数据

如前所述，根据本发明设计的轮辋具有逐渐和连续的曲率变化率或梯度()。具体地，沿侧壁和辐条面的轮辋具有G3连续性。为了定量这些特性，根据本发明的轮辋不具有曲率的显著变化，使得曲率变化率或梯度()较低(即，逐渐的)并且曲率的加速度(即，曲率变化率的变化率)或者梯度导数()也较低(即，连续的)。在所有的上述示例性实施例中，80 mm轮辋的最大梯度为0.0113 mm/mm，95 mm轮辋的最大梯度导数()为0.0030 mm/mm²。这些值是尖锐的，与图7中的具有突然且不连续的曲率变化率的现有技术轮辋相反。具体地，图7中的现有技术轮辋具有0.045 mm/mm的最大曲率变化率()以及0.0276 mm/mm²的最大的曲率变化率的变化率()。图7轮辋的这些值大于表3-9中的最大值。如图中可见，图7的轮辋的最大曲率变化率()比表3-9的轮辋几乎大至少四(4)倍，并且最大梯度导数()比表3-9的轮辋几乎大至少十(10)倍。换句话说，根据本发明的轮辋具有小于0.045 mm/mm、更优选地至多为大约0.020 mm/mm、更优选至多为大约0.0120 mm/mm、更优选至多为大约0.0113 mm/mm的最大曲率变化率()。可替代地或者另外，根据本发明的轮辋具有小于0.0276 mm/mm²、更优选至多为大约0.0100 mm/mm²、更优选地至多为大约0.004mm/mm²、更优选至多为大约0.0030 mm/mm²的最大的曲率变化率的变化率或梯度导数()。

此外，可以想到基于轮辋的尺寸(见表3-9)这些最大值可以不同。例如，根据本发明的35mm轮辋具有至多为大约0.0057 mm/mm的最大曲率变化率()以及大约不大于0.0008 mm/mm²的最大的曲率变化率的变化率或梯度导数()。根据本发明的45毫米轮辋具有至多为大约0.0066 mm/mm的最大曲率变化率()和至多为大约0.0022 mm/mm²的最大的曲率变化率的变化率或梯度导数()。根据本发明的60毫米轮辋具有至多为大约0.0087 mm/mm的最大的曲率变化率()以及至多为大约0.0015 mm/mm²最大的曲率变化率的变化率或梯度导数()。根据本发明的70mm轮辋具有至多为大约0.0084 mm/mm的最大曲率变化率()以及至多为大约0.0012 mm/mm²的最大的曲率变化率的变化率或梯度导数()。根据本发明的85mm轮辋具有至多为大约0.0113 mm/mm的最大曲率变化率()以及至多为大约0.0015 mm/mm²的最大的曲率变化率的变化率或梯度导数()。根据本发明的90mm轮辋具有至多为大约0.0120 mm/mm的最大曲率变化率()以及至多为大约0.0030 mm/mm²的最大的曲率变化率的变化率或梯度导数()。

上面的表有助于描述另一个示例性实施例，例如图9中所示的那些结果。如图中所示，本发明的由上述最佳特性所形成的湍流边界层仍然比现有技术车轮更好地附着在车轮的表面，并且与空气的更薄层状边界层相比防止现有技术表面特征车轮中所所发生的边界层与空气接合侧表面分离达更长时间。这也导致流经车轮和自行车车架构件(例如后上叉、后下叉、和前轮)的空气之间的较小的干扰阻力。

该阻力减小允许车轮在较小的阻力下滑动经过空气，这使骑车人能够用相同量的力骑行地更快，或者可替代地用较小的力以相同速度骑行，当与骑行具有现有技术车轮的自行车相比。此外，所形成的车轮提供安静、稳定、比现有技术轮辋更平滑、更快且侧风平衡的骑行。

图9中的图形示出了本发明车轮与若干不同的现有技术类型的车轮比较的风洞试验中所获得的实际结果。如图所示，本发明的车轮比大部分图中的任何其它车轮类型产生较小的阻力，尤其是在10至12度之间的角度下。这可以归因于迎风侧的较小表面摩擦以及空气流更好地附着在车轮的背风侧，由于连续的曲率变化率以及上述的其它优化。

例如，图12A、图12B和图12C示出了具有如本文中所述尺寸的三个不同的剖面图。在这些图中所示的一个实施例中，前轮具有大于后轮的前缘宽度。申请人发现因为后轮位于车架座管的后面，所以较宽的轮辋不一定有助于较大侧风中的流动附着。实际上，较宽的轮辋具对车架阻力比前轮具有更大的负面影响，这主要是由于有效地存在两个叉(后上叉和后下叉)。相反，当安装在自行车前部时较小的宽度轮辋(例如，大约24 mm宽度)性能不佳，但与安装在后部的轮辋相比较宽的轮辋确实性能更好。因此，本文中所描述的实施例通过提供具有较宽前轮组件和较窄后轮组件的车轮组而进一步优化整个自行车结构周围的空气流。

亦如图12C中所示，浅的35 mm轮辋不允许足够的长度以获得大曲率半径，因此最大半径仅为150 mm。

在不背离本发明精神或基本特征的情况下，本发明可以在其它特定形态中实施。在所有方面中所描述的实施例应被看作是说明性的而不是限制性的。因此，本发明的范围是由所附权利要求所指定而不是由前面的描述所指定。在权利要求及其等效物的意义和范围内的所有变化应当被包括在权利要求的范围内。

Claims (52)

1.一种自行车轮辋，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，所述辐条孔面包括用以减小前缘处的流动分离的较大曲率半径以及基于所限定的矩形的最小曲率变化率，所述侧壁具有逐渐的和连续的曲率变化率。

26.如权利要求25所述的方法，其中，所述前缘宽度不超过26毫米。

27.如权利要求26所述的方法，其中，所述前缘宽度为25毫米。

28.如权利要求25至27中任一项所述的方法，其中，

所述弦深度百分率小于40%；并且

所述自行车轮辋的外倾角大于175°且小于178°。

29.如权利要求25至27中任一项所述的方法，其中，所述曲率半径大于6毫米且小于15毫米。

30.如权利要求29所述的方法，其中，所述自行车轮辋被包括在自行车的后轮中，并且被设计成促进所述自行车的后轮和车架周围的空气流动。

31.如权利要求25至27中任一项所述的方法，其中，所述曲率变化率不能超过85毫米/毫米。

32.一种自行车轮辋组，包括：

前轮辋，所述前轮辋包括从所述轮辋的前缘向后延伸至辐条面的一对相对的侧壁，其中，所述前轮辋限定以下中的一个或多个：(i)前缘宽度和/或最大轮辋宽度；(ii)基于所述相对侧壁的长度、所述前缘的长度和所述辐条面的长度的沿弦的所述轮辋的深度；或者(iii)基于外倾角、前缘宽度、最大轮辋宽度和沿所述弦的布置、或者所述辐条面的尺寸中的一个或多个的轮辋形状；以及

后轮辋，所述后轮辋包括从所述轮辋的前缘向后延伸至辐条面的一对相对的侧壁，其中，所述后轮辋限定以下中的一个或多个：(i)前缘宽度和/或最大轮辋宽度；(ii)基于所述相对侧壁的长度、所述前缘的长度和所述辐条面的长度的沿弦的所述轮辋的深度；或者(iii)基于外倾角、前缘宽度、最大轮辋宽度和沿所述弦的布置、或者所述辐条面的尺寸中的一个或多个的轮辋形状，其中，所述后轮辋在宽度、深度或形状中的一个或多个中不同于所述前轮辋，所述前轮辋比后轮辋更宽且更浅，所述侧壁具有逐渐的和连续的曲率变化率。

33.如权利要求1所述的自行车轮辋，其中，所述曲率变化率由以下公式表示：

其中：

=曲率变化率或梯度；

K₁=在测量点P₁处的曲率；

K₂=在测量点P₂处的曲率；并且

L=测量点P₁和P₂之间的曲线距离。

34.如权利要求33所述的自行车轮辋，其中，所述曲线距离(L)在测量点之间至多为3毫米。

35.如权利要求1-3和34中任一项所述的自行车轮辋，其中，最大曲率变化率小于0.045毫米/毫米。

36.如权利要求35所述的自行车轮辋，其中，最大曲率变化率至多为0.020毫米/毫米。

37.如权利要求36所述的自行车轮辋，其中，最大曲率变化率至多为0.0120毫米/毫米。

38.如权利要求37所述的自行车轮辋，其中，最大曲率变化率至多为0.0113毫米/毫米。

39.如权利要求35所述的自行车轮辋，其中，最大的曲率变化率的变化率小于0.0276毫米/毫米²。

40.如权利要求39所述的自行车轮辋，其中，最大的曲率变化率的变化率至多为0.0100毫米/毫米²。

41.如权利要求40所述的自行车轮辋，其中，最大的曲率变化率的变化率至多为0.0040毫米/毫米²。

42.如权利要求41所述的自行车轮辋，其中，最大的曲率变化率的变化率至多为0.0030毫米/毫米²。

43.如权利要求1-3和34中任一项所述的自行车轮辋，其中，所述自行车轮辋是35毫米轮辋，最大曲率变化率至多为0.0057毫米/毫米并且最大的曲率变化率的变化率为不大于0.0008毫米/毫米²。

44.如权利要求1-3和34中任一项所述的自行车轮辋，其中，所述自行车轮辋是45毫米轮辋，最大曲率变化率至多为0.0066毫米/毫米并且最大的曲率变化率的变化率至多为0.0022毫米/毫米²。

45.如权利要求1-3和34中任一项所述的自行车轮辋，其中，所述自行车轮辋是60毫米轮辋，最大曲率变化率至多为0.0087毫米/毫米并且最大的曲率变化率的变化率至多为0.0015毫米/毫米²。

46.如权利要求1-3和34中任一项所述的自行车轮辋，其中，所述自行车轮辋是70毫米轮辋，最大曲率变化率至多为0.0084毫米/毫米并且最大的曲率变化率的变化率至多为0.0012毫米/毫米²。

47.如权利要求1-3和34中任一项所述的自行车轮辋，其中，所述自行车轮辋是85毫米轮辋，最大曲率变化率至多为0.0113毫米/毫米并且最大的曲率变化率的变化率至多为0.0015毫米/毫米²。

48.如权利要求1-3和34中任一项所述的自行车轮辋，其中，所述自行车轮辋是90毫米轮辋，最大曲率变化率至多为0.0120毫米/毫米并且最大的曲率变化率的变化率至多为0.0030毫米/毫米²。

49.如权利要求1-3和34中任一项所述的自行车轮辋，其中，所述侧壁和所述辐条面具有G3连续性。

50.如权利要求1-3和34中任一项所述的自行车轮辋，其中，所述曲率半径从所述侧壁到所述辐条面的中心一直减小。

51.如权利要求1-3和34中任一项所述的自行车轮辋，其中，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。

52.如权利要求1-3和34中任一项所述的自行车轮辋，其中，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30%或更小处的最大宽度。