Рассмотрим их в порядке убывания размеров и массы. Наибольший интерес представляет оригинальный проект маленького городского легкового автомобиля конструкции Д. В. Рабенхорста с супермаховичным двигателем. Масса автомобиля чуть более 500 кг и включает 150 кг полезного груза.
Мощность двигателя автомобиля, исходя из данных по шинам и аэродинамике автомобилей США начала 70-х годов, при крейсерской скорости 90 км/ч составляет около 3,35 кВт. При проектировании автомобиля предполагалось движение в течение 2 ч, что составляет путь пробега 180 км и запас энергии в маховике 6,7 кВт/ ч.
Подробный анализ движения автомобиля с инерционным двигателем в городе позволил сделать следующие выводы :
1)энергия, затрачиваемая на разгон автомобиля, в 3 раза больше энергии, затрачиваемой на преодоление расстояния, равного пути разгона, на установившейся скорости;
2)системой рекуперативного торможения, доступной маховичным силовым агрегатам, восстанавливается 25% всей энергии;
3)полезно может использоваться лишь около 75% всей энергии маховика.
Исходя из этого, Д. В. Рабенхорст увеличивает необходимый запас энергии, а следовательно, и общую массу супермаховика на 33%.
В качестве трансмиссии выбрана гидростатическая с приводом на четыре мотор-колеса.
Д. В. Рабенхорст отмечает, что в автомобиле с инерционным двигателем отсутствуют такие необходимые для обычного автомобиля агрегаты и системы, как сцепление, приводной вал, дифференциал, полуоси, тормозная система, аккумуляторы, стартер и генератор, система охлаждения, топливная система. Автомобиль с инерционным двигателем может быть приведен в движение практически мгновенно, так как ускорения при разгоне весьма велики.
Для разгона маховика применяется электродвигатель авиационного типа, который подключают к сети. Время разгона составляет 20-25 мин.
Массы важнейших узлов автомобиля Д. В. Рабенхорста (рис. 69) следующие: маховик - 100 кг; корпус маховика и подвеска - 25 кг; электродвигатель авиационного типа - 18,4 кг; гидронасос - 37,5 кВт - 11,4 кг; четыре гидравлических мотор- колеса общей мощностью 37,5 кВт -10 кг; контрольное оборудование и приборы - 9 кг; ходовая система - 175 кг; полезный груз-150 кг; кузов - 270 кг. Итого полная масса автомобиля около 600 кг.
Эксплуатационные данные следующие: крейсерская скорость 90 км/ч; путь пробега 180 км; путь пробега по городу с учетом частых остановок 170 км; максимальная скорость свыше 110 км/ч; время разгона от 0 до 100 км/ч 15 с; стоимость пробега 0,6 долл. (54 коп. по курсу 1972 г.) на 100 км.
Рис. 69. Маховичный автомобиль д-ра Д. В. Рабенхорста (США) : 1-мотор-колесо; 2-электродвигатель-генератор; 3-супермаховик
Данные маховичного силового агрегата автомобиля Д. В. Рабенхорста: объем маховика 14 дм3; полезно используемая масса 75 кг; полезно используемая энергия 6,7 кВт/ ч; начальная частота вращения маховика 23 700 об/мин, конечная - 11 900 об/мин; мощность потерь менее 0,01 кВт. Снижение потерь энергии до столь малой величины достигают помещением супермаховика в герметичный вакуумированный корпус с выводом вала магнитной муфтой (рис. 70). Выбег маховика (свободное вращение) будет длиться свыше 1000 ч или более 41 суток. Для сравнения выбег маховика гиробуса фирмы «Эрликон» - 12 ч, а маховика рекуператора фирмы «Кларк» около недели.
Рис. 70. :
1-супермаховик; 2-магнитная муфта; 3-электродвигатель-генератор; 4-амортизатор; 5-подшипник; 6- герметичный вакуумированный корпус: 7-магнитный подпятник
Подшипники супермаховика с сухой смазкой воспринимают нагрузку только гироскопическую или динамическую при тряске, а вес супермаховика воспринимается магнитной подвеской из сильных постоянных магнитов. Валы электродвигателя и супермаховика соединяются магнитной муфтой; при свободном выбеге муфта расцепляется, и потери на вращение электродвигателя устраняются. Характерно, что как электродвигатель, так и подшипники супермаховика находятся в обычных атмосферных условиях, а не в вакууме, что существенно улучшает условия их работы.
Для предохранения от тряски и уменьшения гироскопических воздействий корпус супермаховика подвешен на упругих амортизаторах.
Следующим по величине (вернее по малости) является маховичный велосипед, созданный проф. Висконсинского университета в США. А. Франком. Велосипед, конечно, не самоцель. Благодаря опытам на этом велосипеде А. Франк нашел оптимальные соотношения и определил экономичность установки маховика на автомобиле. Маховик предполагается установить дополнительно, в помощь основному двигателю. Проф. А. Франк считает, что установка маховика на стандартный автомобиль с мощностью двигателя в 75 кВт позволит кратковременно развить мощность до 225 кВт, а расход горючего свести всего к 2,5 л на 100 км пути. При этом дополнительные расходы на установку маховика составят около 100-200 долларов. «Вы едете по неровной местности, не ощущая дополнительной нагрузки на педали» - сообщил профессор после езды на своем велосипеде.
Маховик соединяется с задним колесом велосипеда фрикционным конусом, контактирующим с шиной (рис. 71, a). Перемещением конуса в осевом направлении меняется диаметр его рабочей зоны, контактирующей с колесом, и вследствие этого меняется скорость движения велосипеда. На рис. 71, б показан велосипед англичанина Г. Бата, маховик которого накапливает энергию при «подпрыгивании» пассажира на седле и выделяет ее для помощи в езде.
Рис. 71. :
а-(привод велосипеда американца проф. А. Франка (1-маховик; 2-ведущее колесо велосипеда; 3-конический фрикцион); б-велосипед англичанина Г. Бата с маховиком (1-цепной привод движения седла; 2-маховик; 3-(педали ножного привода)
И наконец, самый маленький представитель маховичных автомобилей - микромобиль для обучения детей правилам уличного движения на автогородках. Микромобиль разработан в Курском политехническом институте. Один из вариантов микромобиля, показанный на рис. 72, содержит маховик массой около 10 кг, разгоняемый электродвигателем до 6000 об/мин. Маховик установлен в задней части микромобиля и так же, как и на велосипеде проф. Франка, контактирует при помощи фрикциона с задним колесом автомобиля.
Рис. 72. :
1-маховик; 2-рукоять управления; 3-фрикционная передача на колесо
Первый вариант микромобиля, еще очень несовершенный, проходит с пассажиром до полукилометра с одной раскрутки маховика. Раскрутка же производится включением разгонного электромотора в обычную электросеть посредством штепсельной розетки и вилки.
В настоящее время ведется разработка усовершенствованного варианта микромобиля, способного пройти несколько километров пути с одной раскрутки маховика.
Во всех рассмотренных случаях маховик играет роль двигателя машины. И нельзя не заметить, что мощность маховичного двигателя значительно меньше мощности обычных двигателей для автомобилей, да и стоимость пробега одного и того же пути на маховичных автомобилях меньше. Это происходит в первую очередь потому, что маховичный двигатель, в отличие от обычных, способен эффективно рекуперировать механическую энергию. А
Использование: в качестве грузового велосипеда. Сущность: велосипед трехколесный с двумя рамами и маховиком имеет дополнительный привод маховика, выполненный с возможностью взаимодействия посредством электромагнитных элементов управления с основным приводом. 9 ил., 1 табл.
Изобретение относится к грузовому велосипеду, известен 2-местный тандем, к которому прицепляется тележка, такая конструкция в городских условиях не удобна из-за его хранения и очень трудно с грузом преодолевать подъемы. Цель облегчение конструкции и возможного хранения в домашних условиях и перевоза по 150 кг груза при скорости 30-35 км/ч. Достигается это тем, что велосипед состоит из двух рам, параллельно расположенных, с цельнолитыми колесами, объединенными одной осью, с внутренней стороны правого колеса находится маховик, насаженный на подшипник качания, который напрессован на ось задних колес, но имеющие отдельные приводы, состоящие из звездочек разных диаметров, увеличивающих скорость вращения по отношению к колесу в несколько раз, на концах валика напрессованы подшипники, на которые крепятся концы рам. На подшипник маховика напрессована также ведущая звездочка, учитывая, что маховик развивает окружную скорость до 700 м/с, а колеса максимум 12 м/с при оказании маховиком помощи велосипеду особенно при преодолении подъемов ведущая звездочка маховика с торцевой стороны имеет зубья. Правое и левое колеса напрессованы на общий валик, на него насажена ведущая звездочка правого колеса с зубьями навстречу зубьям маховика, во избежание резкого рывка при включении маховика, осуществляется за счет разницы диаметров звездочек сцепления и самого общего вала, что предохраняет от резкого рывка и не допускает увеличение окружной скорости колес. Управляет велосипедом велосипедист, сидящий на правом колесе, имеет общую раму с передним колесом. Велосипедист, сидящий на седле левого колеса, вращает педали с ведомой звездочкой, валик которого закреплен на площадке 28, этот же велосипедист для увеличения мощности за счет отбора кинетической энергии от маховика, отключает ток, подающий на электромагнит 33, от динамки, вращающей передним колесом, пружина разжимается, толкает упорную шайбу, которая прикреплена к трубе, внутри которой находится общий вал 9. Труба другим концом из пластмассы ввинчена в ведущую звездочку правого колеса, которая по шлицу сдвигается вправо и зубья ведущих звездочек сцепляются. Привод маховика имеет для увеличения окружной скорости кроме ведомой звездочки еще дополнительно промежуточные звездочки малого диаметра и большого, насаженные на одном подшипнике качания, и цепью "гала" передает вращение ведущей звездочке маховика. П р и м е ч а н и е. Подшипник промежуточных звездочек насажен на валик, закрепленный к раме. Привод маховика огражден сверху щитком, а бока с одной стороны ограждены правым колесом, а с другой грузовым коробом, который свободно вставлен между колес, его днище из пластмассы, а по периметру прикреплена капроновая сетка, закрепленная вверху к рамке. Отливаются колеса, маховик и рамы из сенталла, содержащего 65% полиацена и 35% порошка магния, такой полимер по плотности, упругости способен выдержать полную нагрузку, приходящуюся на грузовой велосипед при удельном весе Р 1,21 г/см 3 . Ориентировочный вес главных деталей приведен в таблице. На фиг. 1 показан грузовой 3-колесный велосипед, вид сбоку; на фиг.2 то же, вид в плане; на фиг.3 то же, вид с торца; на фиг.4 узел колеса ведущей звездочки с зубьями сцепления, вид с торца; на фиг.5 то же, колесо, вид сбоку; на фиг.6 узел маховика, вид сбоку; на фиг.7 шайба, напрессованная на подшипник маховика, вид сбоку; на фиг.8 левое колесо, вид сбоку; на фиг.9 устройство для подключения или отключения маховика от передачи энергии колесам, вид сбоку. На фиг.1-9 приняты следующие обозначения: 1 заднее правое колесо, 2 заднее левое колесо, 3 переднее колесо, 4 маховик, 5 грузовой короб, 6 подшипники качания, 7 подшипник качания маховика, 8 ведущая звездочка маховика, 9 вал задних колес, 10 ведущая звездочка маховика, 11 промежуточные звездочки привода маховика, 12 ведомая звездочка правого колеса, 13 ведомая звездочка левого колеса, 14 ведущая звездочка правого колеса, 15 ведущая звездочка левого колеса, 16 цепь "Гала", 17 правая рама, 18 упорная трубка, ввернутая в ведущую звездочку правого колеса, 19 пружина подачи для зацепления звездочек, 20 упорная шайба, сжимающая пружину, 21 педаль левого колеса, 22 педаль правого колеса, 23 шайба, насаженная на подшипник маховика, с зубьями зацепления, 24 зубья ведущей звездочки колеса, 25 зубья зацепления узла маховика, 26 руль, 27 держатель левому велосипедисту, 28 площадка для крепления держателя и педального валика, 29 капроновая сетка, 30 днище короба, 31 поводок от упорной шайбы, 32 якорь, 33 электромагнит, свободно сидящий на валу, 34 удерживающие шайбы электромагнит. Особенностью изобретения является его легкость, оказание маховиком помощи велосипедистам при преодолении подъемов, не требует жидкого топлива, как требуют мопеды или мотоциклы. По окончании перевозок короб вынимается, складывается и для него легко найти место для хранения, левое колесо также отделяется от правого колеса, такому велосипеду пока аналога нет. Работа грузового велосипеда. Велосипедист, сидящий на правой раме, управляет велосипедом, а движение производится одновременно двумя велосипедистами путем кручения педалей 21 и 22, вращая этим звездочки 12 и 13, а звездочка 10 вращает промежуточные звездочки 11 и 14, передавая целью "Гала" вращения звездочки 8, такое устройство привода маховика создает ему значительную окружную скорость, не влияя на обороты задних колес. Вращение маховика свободное до тех пор, пока велосипедист, сидящий на левой раме, не включит ток, который вырабатывает динамо, вращаемое передним колесом, от чего электромагнит 31 притянет якорь 32, а этим он сожмет пружину 19 и одновременно притянет за собой шайбу 20, которая соединена с трубкой из пластмассы, внутри этой трубки проходит вал, соединяющий задние колеса, другой конец этой трубки ввинчен в ведущую звездочку правого колеса, в таком положении маховик с колесом разобщены и каждый из них имеет свои окружные скорости, при обесточивании электромагнита пружина выпрямляется, сдвигает шайбу, которая своей трубкой двигает по шлицам воздушную звездочку 16 правого колеса, которая имеет зубья в сторону маховика, при этом ее зубья зайдут за зубья звездочки маховика 8, отчего маховик начнет передавать кинетическую энергию колесам, которые, имея разные диаметры сцепления звездочек и самого вала 9, при произведут резкого рывка, а окружная скорость колес незначительно увеличится. Привод маховика ограждается сверху щитком, а бока с одной стороны ограждаются правым колесом, с другой грузовым коробом, по его периметру натянута капроновая сетка, отливаются колеса, маховик и рамы из легких материалов, в том числе из сектилла, содержащего 65% полиацена и 35% порошка магния, такой полимер по плотности, упругости способен выдержать полную нагрузку, приходящуюся на грузовой велосипед, общий вес без груза составит максимум 20 кг. Экономический результат. Указанная конструкция грузового велосипеда предназначена для перевозки с.х. продукции с приусадебных участков и городскими жителями или мелкими фермерами, экономя деньги на поездки пригородным поездом или автобусами, а также экономя средства на приобретение бензина. Его особенность состоит и в том, что он не требует отдельно складского помещения из-за того, что он легко разбирается и хранить его можно на балконе или лоджии.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
ТРЕХКОЛЕСНЫЙ ВЕЛОСИПЕД С ДВУМЯ РАМАМИ И МАХОВИКОМ, содержащий колеса и привод, выполненный в виде ведомой звездочки, связанной посредством цепной передачи с ведущей звездочкой, установленной на оси колеса и промежуточной звездочкой, и маховик, свободно установленный на оси вне колеса и соединенный с валом посредством муфты, отличающийся тем, что он снабжен приводом маховика, выполненным в виде ведущей звездочки размещенной на подшипнике маховика, ведомой звездочки, установленной на оси ведомой звездочки, и промежуточной звездочки с электромагнитными элементами управления, установленными на оси колеса для взаимодействия ведущей звездочки маховика с ведущей подпружиненной звездочкой колеса, установленной на шлицах.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.
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.
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
