ВЕЛОСИПЕД Российский патент 2003 года по МПК B62M1/00 B62D57/04 

Изобретение относится к велотранспорту и может быть использовано для увеличения скорости движения велосипеда на ровной (без подъема) дороге. Область использования данного изобретения ограничена дорогами с уклоном не более 12 градусов.

Известен велосипед, содержащий раму, педальный привод, установленный в ней, цепную передачу, связывающую педальный привод с ведущим задним колесом, установленным в задней вилке рамы, переднее колесо, установленное в передней поворотной вилке рамы, жестко связанной с рулем, седло, закрепленное на раме, и ручные тормозные устройства (см., например, каталог велосипедов ПО "Пермский машиностроительный завод им. Октябрьской Революции" ордена Трудового Красного Знамени тип. изд. "Звезда", 614600, г. Пермь, ГСП-131, ул. Дружбы, д. 34, заказ 5764).

Движущей силой этого известного велосипеда является сила взаимодействия заднего ведущего колеса с дорогой.

Максимальная скорость велосипеда достигается при максимальной скорости вращения шатунов педального привода ω_шmax.

По достижении ω_шmax, которая не может быть более определенного физиологического предела человека, скорость велосипеда не может быть более увеличена, т.к. для этого нужно увеличить ω_ш более физически возможного предела. Поэтому, несмотря на интенсивное вращение педалей, ведущее колесо лишь катится по дороге, но не отталкивается от нее.

Это можно считать недостатком известного велосипеда, если дорожные условия позволяют более высокую скорость движения.

Известен также аэродинамический движитель, вектор тяги которого располагается в плоскости вращения его рабочего колеса (см. патент Российской Федерации на изобретение 2136539 того же автора).

Этот движитель, плоский по конструкции, содержит корпус и установленное в нем с возможностью вращения рабочее колесо, при вращении которого создается тяга Т, действующая на корпус движителя. При этом
T = ρω²R³h,
где ρ - плотность воздуха;
ω - угловая скорость вращения рабочего колеса движителя;
h - высота рабочего колеса (ширина лопаток рабочего колеса).

Указанный выше недостаток известного велосипеда устраняется тем, что велосипед, содержащий раму, педальный привод, установленный в ней, цепную передачу, связывающую педальный привод с ведущим задним колесом, установленным в задней вилке рамы, переднее колесо, установленное в передней поворотной вилке рамы, жестко связанной с рулем, седло, закрепленное на раме, и ручные тормозные устройства, снабжен двумя аэродинамическими движителями, векторы тяги которых расположены в плоскости вращения их рабочих колес, жестко закрепленными на раме по обе стороны от заднего колеса, заднее колесо установлено с возможностью вращения на оси, установленной с возможностью вращения в задней вилке рамы, на оси жестко закреплены ведомая звездочка и зубчатое колесо, соединенное с приводной шестерней, жестко установленной на валу движителей.

Такое выполнение велосипеда позволяет получить (без учета сил сопротивления) движущую силу (тягу Т), независимую от скорости его движения, и, тем самым, в соответствии с формулой T=m•а получить ускорение, т.е. увеличить скорость движения (здесь m - масса велосипеда вместе с велосипедистом, a - ускорение). При этом движущая сила Т получается без устройств переключения скоростей.

На фиг.1 дана схема предлагаемого велосипеда с аэродинамическими движителями.

На фиг.2 - схема установленной в задней вилке оси с закрепленными на ней ведомой звездочкой, зубчатым колесом и установленным на ней с возможностью вращения задним колесом.

На фиг. 3 дана схема велосипеда, установленного на коньках (коньковый велосипед).

На фиг.4 дана схема лыжного велосипеда (вид сбоку).

На фиг.5 - то же, вид сверху.

Велосипед состоит из рамы 1 с установленным в ней педальным приводом 2. В задней вилке 3 рамы установлена с возможностью вращения ось 4, на которой с возможностью вращения установлено заднее колесо 5. На оси 4 жестко закреплены зубчатое колесо 6 и звездочка 7. На раме 1 по обе стороны колеса 5 закреплены два аэродинамических движителя 8, имеющих одну общую ось вращения 9 рабочих колес движителей. На оси 9 закреплено зубчатое колесо 10, сцепляемое с зубчатым колесом 6. При этом образуется убыстряющая передача вращения от оси 4 к оси 9 рабочих колес движителей. Звездочка 7 цепью 11 соединена с ведущей звездочкой 12 педального привода 2.

Велосипед работает следующим образом. При вращении педалей, благодаря цепной убыстряющей передаче, вращается ось 4. Убыстряющая передача, состоящая из зубчатых колес 6 и 9, приводит во вращение рабочие колеса движителей 8. Воздух, выбрасываемый движителями, создает на их корпусах тягу Т, движущую велосипед вперед.

Пусть, например, угловая скорость вращения движителя
ω = 120c^-1 ≅ 1200 об/мин,
R = 0,25 м,
h = 0,36 м
скорость выбрасываемого воздуха
V = ωR = 120•0,25 = 30 м/с.

Тогда

Затрачиваемая мощность

Такую мощность велосипедист в состоянии затрачивать в течение длительного времени.

При этом передаточное число от шатунов к валу движителей

Здесь принимается

При передаточном числе от шатунов к оси 4 колеса

передаточное число от оси 4 к оси движителя

что вполне осуществимо. Здесь ω_o - угловая скорость вращения оси 4.

В известном велосипеде тяга определяется формулой
FR_шi_ш-кол = TR_кол.

где F - сила нажатия на педаль шатуна,
R_ш - радиус шатуна,
i_ш-кол - передаточное число от шатуна к ведущему колесу велосипеда.

Если R_кол = 30 см, R_ш = 18 см, F = 50 кг (сила почти равна весу велосипедиста), то

Таким образом, максимальная движущая сила известного велосипеда не превышает 10 кг, но при низкой скорости движения, т.к. при этом
ω_ш не более 0,5об/с ≅ 3c^-1,
ω_кол = 9c^-1
а скорость велосипеда

Затрачиваемая мощность при этом

Если принять, что

то при

ω_кол = 54c^-1,
а скорость велосипеда при R_кол = 0,3 м

При такой скорости имеет значение сила лобового сопротивления Q, действующая на велосипед с велосипедистом.

Известно, что сила лобового сопротивления

где C_x - коэффициент лобового сопротивления,
S - мидель велосипеда,
ρ - плотность воздуха,
V_вел - скорость велосипеда.

Если принять
S = 0,5 м²,
С_х = 0,5,


то
Q = 0,5•0,5•0,125•16,7²/2 = 4,5 кг.

Таким образом, при скорости у предлагаемого велосипеда имеется движущая сила (Т-Q) = 10-4,5 = 5,5 кг, что позволяет развить ему еще большую скорость, до того момента, когда силы сопротивления не станут равны движущей силе.

Действительно,

(здесь

G - вес велосипедиста с велосипедом,
g - ускорение свободного падения)
и по прошествии времени t = 6 с скорость велосипеда
V_вел. = V_о+at = 16,2+0,55•6 = 19,5 м/c = 70 км/ч.

Известный велосипед при скорости V_вел = 16 м/с имеет угловую скорость вращения колеса


что равно предельной физической скорости вращения шатунов педалей и, следовательно, скорость велосипеда не может быть более повышена.

Следует отметить, что предлагаемый велосипед не может преодолевать подъемы (уклоны) дороги выше 12 градусов, т.к.

T ≥ Gsin12^o.

При G = 75 кг
T ≥ 75•0,2 = 15 кг,
что можно обеспечить немного увеличив ω_ш. Поэтому предлагаемый велосипед предназначен для использования на ровных дорогах, где он обеспечивает более высокую скорость. Несмотря на дополнительные элементы (движители и зубчатую передачу привода), конструкция велосипеда мало усложняется, т.к. отпадает необходимость в устройстве перемены скоростей, а движители и зубчатое колесо на оси заднего колеса можно изготовить из легких пластиковых материалов. Если заменить колеса велосипеда на пару коньков - передний и задний (или лыж), то получится коньковый велосипед, который может быть использован на катках, т.е. для перемещения по льду.

Изобретение относится к приводу движителей велосипеда, не взаимодействующих с поверхностью дороги. Аэродинамические движители 8, как центробежные вентиляторы, выбрасывают воздух в плоскости вращения своих рабочих колес и расположены с обеих сторон рамы. Передача вращения от педального привода 2, 11 непосредственно на заднее колесо 5 исключена. Вращение рабочих колес обоих движителей 8 обеспечено общим валом 9, на котором жестко установлена шестерня 10. На оси 4 жестко закреплены ведомая звездочка 7 и зубчатое колесо 6, соединенное с шестерней 10. Заднее колесо 5 имеет только возможность вращения на оси 4, которая установлена с возможностью вращения в задней вилке рамы. Возможна замена колес на лыжи или коньки. Предлагаемое техническое решение направлено на повышение скорости велосипеда. 5 ил.

Велосипед, содержащий раму, педальный привод, установленный в ней, цепную передачу, заднее колесо, установленное в задней вилке рамы, переднее колесо, установленное в передней поворотной вилке рамы, жестко связанной с рулем, седло, закрепленное на раме, и ручные тормозные устройства, отличающийся тем, что он снабжен двумя аэродинамическими движителями, векторы тяги которых расположены в плоскостях вращения их рабочих колес, жестко закрепленными на раме по обе стороны от заднего колеса, рабочие колеса аэродинамических движителей установлены на общем валу, заднее колесо установлено с возможностью вращения на оси, установленной с возможностью вращения в задней вилке рамы, на оси жестко закреплены ведомая звездочка и зубчатое колесо, соединенное с приводной шестерней, установленной жестко на общем валу аэродинамических движителей.