ВЕЛОСИПЕД С ИНЕРЦИОННЫМ ДВИЖИТЕЛЕМ Российский патент 2005 года по МПК B62M1/10 B60K6/06 

Изобретение относится к машиностроению и может быть применено на различных транспортных средствах, велосипедах, инвалидных колясках.

Известны транспортные средства, в которых аккумулируется механическая энергия и затем передается на колесо транспортного средства. Рекуператор имеет вид ленточной пружины (RU 2097248, 1997 г.). В US 4037854, 1977 г. раскрыт привод велосипеда, соединенный с ведущим колесом и с маховиком, имеющим пружинную подвеску с возможностью прижима маховика к ведущему колесу. В JP 08-169381, 1996 г. раскрыт маховик, части которого имеют возможность прижима к внутренней поверхности выходного звена. В US 2588681, 1951 г. раскрыт привод, в котором тяжелый шар посредством рычага поднимается внутри полого цилиндра, а затем стремится привести его вращение посредством своей массы. Далее полый цилиндр передает вращение колесу, внутри которого он расположен.

Создание двигателей, движителей и других устройств для получения нетрадиционных видов механической энергии, ее воспроизводство, аккумулирование и использование являются важными направлениями в развитии и совершенствовании динамичных, малогабаритных и доступных транспортных средств. В предлагаемом велосипеде с инерционным движителем, приводимым в действие мускульной силой человека, или приводным двигателем, рабочее тело, выполненное в виде тонкостенного цилиндрического кольца и расположенное на крестовине, при вращении создает и накапливает кинетическую энергию момента инерции вращения этого рабочего тела. Часть накапливаемой энергии периодически, через короткие промежутки времени, рабочим телом передается на ведущее колесо велосипеда и вызывает его поступательное движение.

Заявленный велосипед имеет привод, соединенный с ведущим колесом и с маховиком, имеющим пружинную подвеску, с возможностью прижима маховика к ведущему колесу, и характеризуется тем, что ведущее колесо своими фланцами установлено на подшипниках на раме транспортного средства, а маховик установлен на двухрычажном маятнике внутри ведущего колеса с возможностью прижима маховика к внутренней поверхности обода колеса.

Маховик, установленный внутри ведущего колеса с образованием инерционного движителя, имеет рабочее тело, выполненное в виде тонкостенного цилиндрического кольца, закрепленное на крестовине, установленной на валу, базирующемся на подшипниках в рычагах маятника.

Двухрычажный маятник одними концами рычагов установлен на подшипниках оси педалей, а на других концах рычагов маятника установлен на подшипниках вал с маховиком, которые имеют возможность смещения относительно оси педалей на небольшой угол.

Маховик посредством двух пружин имеет возможность находиться в подвешенном состоянии, с исключением касания маховика с внутренней поверхностью ведущего колеса.

Внутренняя поверхность обода колеса и наружный периметр рабочего тела маховика покрыты фрикционным составом.

Колесо состоит из обода, боковых дисков с фланцами под опорные подшипники, при этом с одним из фланцев соединена звездочка с муфтой свободного хода.

На ободе колеса расположены две и более велосипедных шин.

Маховик, установленный внутри ведущего колеса с образованием инерционного движителя, имеет привод, включающий ось педалей, установленную на подшипниках, которые запрессованы в гнезда рамы, при этом на оси педалей установлен на подшипниках двухрычажный маятник, две ведущие звездочки и педали, при этом ведущая звездочка с одной стороны оси соединена цепью со звездочкой и муфтой свободного хода колеса, а ведущая звездочка с другой стороны оси соединена цепью с парной звездочкой, установленной на рычаге маятника, которая соединена со звездочкой и муфтой свободного хода вала маховика, с обеспечением следующих возможностей:

- при вращении педалей возможности одновременного вращения колеса и маховика;

- при нажатии на маятник и передаче части энергии от маховика к колесу возможности более быстрого вращения колеса, причем без передачи усилия от педалей на колесо, т.к. педали обеспечивают вращение и раскручивание только маховика;

- при вращении педалей возможности движения с использованием инерционного движителя, так и без использования.

Может быть установлен двигатель, который связан с приводом посредством цепи, соединенной с ведущей звездочкой.

Управляемое переднее колесо может быть установлено на стойке во втулке рамы, или управляемых два колеса могут быть спарены и установлены на оси со стойкой в задней части велосипеда, при этом стойка установлена во втулке на раме, а на стойке снизу закреплен зубчатый сектор, находящийся в зацеплении с зубчатым сектором вала руля.

Сиденье может быть выполнено поворотным.

Тормозная колодка, воздействующая непосредственно на шины колеса, установлена на пальце на раме в зоне сиденья и соединена с рычагом для обеспечением торможения.

На фиг.1 изображен велосипед с приводом только от педалей (вид сбоку).

На фиг.2 изображен этот же велосипед (вид спереди).

На фиг.3 изображено устройство колеса, внутри которого находится маховик.

На фиг.4 изображен велосипед с дополнительным двигателем.

На фиг.5-7 изображены схемы сил, воздействующие на маховик и колесо.

Предлагаемая конструкция транспортного средства состоит из рамы 1, ведущего колеса 2, инерционного движителя, приводного двигателя или ножного привода с цепной передачей, управляемого переднего или задних колес с рулем, тормоза. Рама 1 сварная, трубчатого сечения. Ведущее колесо 2 состоит из обода 3 с шинами 4, боковых дисков 5 с фланцами 6 и подшипников 7 и установлено в гнездах 5 рамы 1.

Инерционный движитель состоит из маховика 8, вала 9, двухрычажного маятника 10, муфты свободного хода 11. Маховик 8 включает рабочее тело 13, выполненное в виде тонкостенного цилиндрического кольца, крестовину 14, установленную на валу 9. Рабочее тело 13 расположено на периметре крестовины 14 маховика 8, внутри ведущего колеса 2. Двухрычажный маятник 10 одними концами на подшипниках 45 установлен на оси 16 педалей 17, на других концах маятника 10 установлен на подшипниках 18 вал 9 с маховиком 8. Маятник 10 может поворачиваться относительно оси 16 на небольшой угол и поддерживается пружинами 19 в подвешенном положении, исключая несанкционированное касание маховика 8 с ободом 3, так как ось вала 9 смещена относительно оси колеса 2.

Ножной, мускульный привод маховика 8, расположенный с одной стороны колеса 2, включает ведущую звездочку 20, установленную на оси 16, двойную звездочку 21, расположенную на пальце 22 маятника 10, и звездочку 23 с муфтой 11 свободного хода, установленную на валу 9, звездочки парами соединены цепями 24.

С другой стороны колеса 2 расположен привод колеса 2, включающий звездочку 25 с муфтой 12 свободного хода, установленные на фланце 6 диска 5 колеса 2, и звездочку 26, закрепленную на оси 16, звездочки 25 и 26 соединены цепью.

Переднее колесо 27 с рулем 28 управляемое, установлено на стойке 29 во втулке 30 рамы 1, или два спаренных, рулевых управляемых колеса 31, расположенных сзади велосипеда на оси 32, с общей стойкой 33, установленной во втулке 34 на раме 1, на стойке 33 снизу закреплен зубчатый сектор 35, находящийся в зацеплении с зубчатым сектором 36 руля 37, руль 37 установлен во втулке 38 на раме 1.

Приводной двигатель 39 соединен цепью со звездочкой 26. Сиденье 41 поворотное. Тормозная колодка 42 установлена на пальце 43 на раме 1 возле сиденья 41 и соединена с рычагом 44, при торможении колодка 42 прижимается непосредственно к шинам 4 колеса 2.

Работа велосипеда с инерционным движителем. При вращении педалей 17 усилие передается через звездочки 20, 21, 23, цепь 24 и муфту свободного хода 11 на маховик 8, одновременно через звездочки 25 и 26, цепь и муфту свободного хода 12 усилие передается на колесо 2, в результате велосипед движется и раскручивается маховик 8, который накапливает кинетическую энергию момента инерции вращения рабочего тела 13.

При нажатии на маятник 10 последний вместе с вращающимся маховиком 8 поворачивается на малый угол ϕ (фиг. 5-7), периодически, на короткий промежуток времени прижимает периметр рабочего тела 13 маховика 8 к внутренней поверхности обода 3 колеса 2 в точке А (на линии АА), соприкасающиеся поверхности рабочего тела 13 и обода 3 покрыты фрикционным составом, часть кинетической энергии передается ободу 3 колеса 2, возникает сила Р реакции обода 3, которая вызывает силу Р_д поступательного движения маховика 8.

Кроме этого, в период контакта маховика 8 с ободом 3 колеса 2 в точке А (на линии АА) скорости масс точек рабочего тела 13 изменяются и на линии контакта АА возникает мгновенный центр вращения (МЦВ) рабочего тела 13, скорость МЦВ равна нулю, в это мгновение проявляется момент силы М массы mcp рабочего тела 13 на плече мгновенного радиуса R относительно МЦВ, этот момент силы М также вызывает силу Р_м поступательного движения маховика 8. В результате на велосипед от маховика 8 воздействуют две силы поступательного движения:

а) сила Р_д момента инерции вращения рабочего тела 13 маховика 8,

Т=J·ω²·¹/₂, где Т - кинетическая энергия вращения рабочего тела 13,

a J=m·r², где J - момент инерции рабочего тела 13 (кг·м²), m - масса рабочего тела 13, r - радиус рабочего тела 13, ω - угловая скорость вращения рабочего тела 13;

б) момент силы М массы mcp рабочего тела 13 маховика 8 относительно МЦВ,

а М=mcp·R, где М - момент силы массы mcp рабочего тела 13 относительно МЦВ; mcp - масса части рабочего тела 13, которая расположена выше его горизонтального диаметра; R - мгновенный средний радиус рабочего тела 13 при повороте рабочего тела 13 относительно МЦВ.

При массе m рабочего тела 5 кг и 2000 оборотов в минуту (40000 рад в сек) рабочего тела 13 и его радиусе r, равном 0,3 м, кинетическая энергия Т=9000 кг·м²·рад·сек².

При вращении твердого тела вокруг оси роль массы играет момент инерции. В процессе движения велосипеда расход энергии составит около 3 кгм в секунду, что обеспечит скорость движения велосипеда не менее 50 км/час в течение 150 секунд без подзарядки (раскручивания) рабочего тела 13. За это время будет израсходовано около 50% максимального запаса его кинетической энергии. На подзарядку (раскручивание) маховика 8 с рабочим телом 13 до расчетной величины числа оборотов потребуется несколько секунд. Период контакта рабочего тела 13 маховика 8 с ободом 3 колеса 2 равен 4-6 секунд через промежутки 8-10 секунд.

Изобретение относится к транспортным средствам, аккумулирующим энергию в маховике. Велосипед имеет привод, соединенный с ведущим колесом (2) и с маховиком (8), который имеет пружинную подвеску (19) с возможностью прижима маховика (8) к ведущему колесу (2). При этом ведущее колесо (2) своими фланцами (6) установлено на подшипниках (7) на раме (1), а маховик (8) установлен на двухрычажном маятнике (10) внутри ведущего колеса (2) с возможностью прижима маховика (8) к внутренней поверхности обода (3) колеса (2). Техническое решение направлено на обеспечение периодической, через короткие промежутки времени, передачи части накапливаемой энергии от маховика на ведущее колесо. 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Велосипед, имеющий привод, соединенный с ведущим колесом и с маховиком, имеющим пружинную подвеску с возможностью прижима маховика к ведущему колесу, отличающийся тем, что ведущее колесо своими фланцами установлено на подшипниках на раме транспортного средства, а маховик установлен на двухрычажном маятнике внутри ведущего колеса с возможностью прижима маховика к внутренней поверхности обода колеса.2. Велосипед по п.1, отличающийся тем, что маховик, установленный внутри ведущего колеса с образованием инерционного движителя, имеет рабочее тело, выполненное в виде тонкостенного цилиндрического кольца, закрепленное на крестовине, установленной на валу, базирующемся на подшипниках в рычагах маятника.3. Велосипед по п.2, отличающийся тем, что двухрычажный маятник одними концами рычагов установлен на подшипниках оси педалей, а на других концах рычагов маятника установлен на подшипниках вал с маховиком, при этом вал с маховиком имеют возможность смещения относительно оси педалей на небольшой угол.4. Велосипед по п.1, отличающийся тем, что маховик посредством двух пружин имеет возможность находиться в подвешенном состоянии, с исключением касания маховика с внутренней поверхностью ведущего колеса.5. Велосипед по п.2, отличающийся тем, что внутренняя поверхность обода колеса и наружный периметр рабочего тела маховика покрыты фрикционным составом.6. Велосипед по п.1, отличающийся тем, что ведущее колесо состоит из обода, боковых дисков с фланцами под опорные подшипники, при этом с одним из фланцев соединена звездочка с муфтой свободного хода.7. Велосипед по п.1, отличающийся тем, что на ободе ведущего колеса расположены две и более велосипедных шин.8. Велосипед по п.1, отличающийся тем, что маховик, установленный внутри ведущего колеса с образованием инерционного движителя, имеет привод, включающий ось педалей, установленную на подшипниках, которые запрессованы в гнезда рамы, при этом на оси педалей установлен на подшипниках двухрычажный маятник, две ведущие звездочки и педали, при этом ведущая звездочка с одной стороны оси соединена цепью со звездочкой и муфтой свободного хода колеса, а ведущая звездочка с другой стороны оси соединена цепью с парной звездочкой, установленной на рычаге маятника, которая соединена со звездочкой и муфтой свободного хода вала маховика, с обеспечением следующих возможностей: при вращении педалей возможности одновременного вращения колеса и маховика; при нажатии на маятник и передаче части энергии от маховика к колесу возможности более быстрого вращения колеса, причем без передачи усилия от педалей на колесо, т.к. при этом педали имеют возможность обеспечения вращения и раскручивания только маховика; при вращении педалей возможности движения с использованием инерционного движителя, так и без использования.9. Велосипед по п.1, отличающийся тем, что установлен двигатель, который связан с приводом посредством цепи, соединенной с ведущей звездочкой.10. Велосипед по п.1, отличающийся тем, что управляемое переднее колесо установлено на стойке во втулке рамы.11. Велосипед по п.1, отличающийся тем, что управляемые два колеса спарены и установлены на оси со стойкой в задней части велосипеда, при этом стойка установлена во втулке на раме, а на стойке снизу закреплен зубчатый сектор, находящийся в зацеплении с зубчатым сектором вала руля.12. Велосипед по п.1, отличающийся тем, что сиденье выполнено поворотным.13. Велосипед по п.1, отличающийся тем, что тормозная колодка, воздействующая непосредственно на шины колеса, установлена на пальце на раме в зоне сиденья и соединена с рычагом для обеспечения торможения.