Экономичный велопривод
Опубликовано: 05.09.2018
Практически все конструкции привода велосипедов имеют общий недостаток, снижающий их кпд. Этот порок заключается в неэкономичном расходовании мускульной энергии при смене усилий с одной ноги на другую во время прохождения педалями «мёртвых точек» (вертикального положения шатунов). Большая часть мускульного усилия в этот момент направлена к оси вращения педалей и не столько совершает полезную работу, сколько повышает износ подшипников каретки. Не зря велосипедисты перед началом движения выводят шатуны из вертикального положения. В результате рабочий ход начинается при частичной потере мускульной энергии, что вызывает преждевременную усталость велосипедиста. Предлагаемое усовершенствование велосипедного привода устраняет этот недостаток, позволяя любителям дальних поездок ехать в экономичном режиме, рационально используя мускульную энергию, расходуя её почти как при обычной ходьбе.
Для этого в конструкции привода используется устройство прерывания взаимодействия шатунов с ведущей звёздочкой, обеспечивающее свободное и быстрое прохождение шатунов с педалями секторов около «мёртвых точек» за счёт инерции. Общий вид конструкции привода велосипеда с инерционным прерывающим устройством показан на рисунке 1, где шатуны 1 (с педалями) закреплённые на кареточном валу 2, имеют подвижное (скользящее) соединение с ведущей звёздочкой 3 за счёт взаимодействия шипов, выполненных на втулке 4, закреплённой на правом шатуне, и диаметральных пазов — на ведущей звёздочке 3.
Генератор на 220 вольт своими руками
Пазы позволяют шатунам быстро проходить неэффективную зону, а спиральная пружина изгиба 5 — смягчает удар в конце их свободного хода. Как видно из рисунка привода, конструктивному изменению подвергается только соединение ведущей звёздочки с правым шатуном, поэтому подобный привод можно изготовить на любой модели велосипеда. Для этого из стали ЗОХГСА изготавливается втулка с выступами согласно чертежу поз.4, которая приваривается к шатуну, снятому с кареточного вала и доработанному в соответствии с чертежом поз.1.
Катамаран El-cat 350 производства российской компании MARINEPRO
Ведущая звёздочка тоже дорабатывается — в ней выполняются пазы под выступы втулки. Пружина изготавливается «на холодную» из углеродистой проволоки диаметром 4 — 5 мм и содержит один неполный виток. Концы пружины можно загнуть в домашних условиях после нагрева места изгиба проволоки над газовой горелкой. Направляющая шайба 10 изготавливается согласно чертежу из любой стали. При установке ведущей звёздочки в её пазы вставляются шипы втулки 4, на которых крепится шайба 10 тремя винтами М4.
Ограничитель 6, выполненный из мягкой проволоки и закреплённый на ведущей звёздочке путём загиба концов на её перемычках-лучах, препятствует отходу от плоскости звёздочки пружины при её напряжённом состоянии во время работы. Далее правый шатун 1 с ведущей звёздочкой обычным способом закрепляется на валу 2 кареточного узла велосипеда с помощью клина 9. При установке пружины один её конец устанавливается в подходящее отверстие на ведущей звёздочке, а другой загнутый конец обхватывает шатун около педали.
Для расширения регулировки усилия пружины 5 на ведущей звёздочке дополнительно сверлится ряд отверстий по диаметру проволоки для установки в них отогнутого конца пружины. Работает привод следующим образом. В начальный период, например при установке правой ‘ноги на правую педаль, находящуюся в верхнем положении, шатуны 1 совместно с валом 2 и втулкой 4 поворачиваются до рабочего взаимодействия шипа втулки с ведущей звёздочкой 3, при этом пружина 5 сжимается и создаёт крутящий момент на ведущей звёздочке. После приложения мускульного усилия к правой педали ведущая звёздочка приводится во вращение — и велосипед разгоняется.
При приближении правой педали к крайнему нижнему положению происходит прерывание рабочего взаимодействия шатунов (шипа втулки) с ведущей звёздочкой путём задержки вращения шатунов относительно ведущей звёздочки после снижения усилия на педаль за счёт обратного действия пружины и инерционного движения велосипеда. При этом пружина поддерживает вращение звёздочки и отводит её от взаимодействия с шатунами.
В результате в начале следующего рабочего цикла шатуны переходят область вертикального положения с некоторым обратным угловым смещением относительно ведущей звёздочки, что обеспечивает свободный переход вертикального положения и очередное аккумулирование пружины уже для левого кривошипа. Далее процесс работы привода повторяется. Свободный переход педалями крайних верхних и нижних положений исключает потери мускульной энергии при смене циклов их работы, что повышает кпд привода.
В установившемся режиме работы происходит задержка вращения шатунов, а затем они эффективно подталкивают ведущую звёздочку. В результате вращение педалей осуществляется в экономичном «толкательном» режиме. Такой режим работы позволяет без излишних усилий и длительное время поддерживать высокую скорость, что подобно поддержанию вращения маховика прерывистым касательным усилием. Задержка вращения шатунов способствует компенсации инерционных сил, действующих на ноги велосипедиста в области «мёртвых точек» при их быстром вращательном перемещении.
На экономичность и стабильность работы привода влияет усилие аккумулирования пружины, которое подбирается в зависимости от массы и физической подготовки самого велосипедиста. Если после рабочего хода шатуны не отводятся от ведущей звёздочки — то надо установить более упругую пружину. И наоборот, если для свободного перехода педали верхнего положения к ней прикладывается заметное мускульное усилие и при рабочем ходе отсутствует рабочее взаимодействие шатунов с ведущей звёздочкой — то упругость пружины необходимо снизить.
Это можно сделать путём подбора диаметра пружинной проволоки. Для нормальной работы привода величина обратного перемещения кривошипов должна быть меньше их начального углового смещения. При таких условиях в переходных процессах работы поддерживается начальный крутящий момент на ведущей звёздочке, что дополнительно усиливает демпфирующие свойства пружины для сглаживания пиковых нагрузок при толкательном вращении ведущей звёздочки.
При освоении поездок на велосипеде с таким приводом от велосипедиста требуется определённое внимание за контролем равномерности вращения ведущей звёздочки со свободным ходом шатунов. При получении определённых навыков равномерность вращения ведущей звёздочки и величина обратного перемещения шатунов поддерживаются автоматически и не представляют каких-либо затруднений и дискомфорта.
Экспериментальные ходовые испытания в пределах 3500 км подтвердили экономичность и надёжность работы привода. По сравнению с обычным велосипедом заметно снижается утомляемость при дальних поездках, что расширяет возможности велосипедиста. Возможно, подпружинивание педалей относительно ведущей звёздочки также может занять своё место в большом спорте, как и подпружинивание задней части лезвия относительно пятки ботинок беговых коньков.
«Экономичный» велопривод: 1—доработанный правый шатун с педалью; 2 — вал каретки; 3—доработанная ведущая звёздочка цепной передачи; 4 — втулка (сталь ЗОХГСА, круг 55); 5 — пружина кручения (углеродистая проволока 05); 6 — ограничитель пружины (мягкая проволока диаметром 4); 7—приводная цепь; 8—приводная звёздочка; 9 — клин крепления шатуна на валу; 10—направляющая шайба (сталь, лист s3); 11 —крепёж шайбы к втулке (винт М4, 3 шт.); 12 — кареточный узел
Автор: В.ЗЕЛЕНОВ