Транспортное средство, приводимое в движение мускульной силой человека
Изобретение относится к транспортным средствам с мускульным приводом, снабженным вспомогательным двигателем. В транспортном средстве, например велосипеде или лодке, обеспечен замер частоты вращения педалей и развиваемого момента вращения для измерителя мощности, развиваемой человеком. Система управления функционально связана с устройством изменения мощности двигателя и изменяет мощность двигателя от нуля до установленного максимального значения при изменении мощности, развиваемой человеком, в диапазоне от ненулевого минимального значения до максимального значения. При этом человек имеет возможность вручную задать границы диапазона значений мощности, развиваемой человеком. Техническое решение направлено на обеспечение работы человека практически в любых условиях движения в комфортном диапазоне нагрузок. 3 ил.
Изобретение относится к транспортным средствам, в которых движитель работает от усилий рук и (или) ног человека, и при этом может быть использована энергия вспомогательного двигателя. Будем называть их «мускульные транспортные средства» (МТС). К МТС относятся: велосипед, лодка гребная или с приводом на винт от педалей, велосамолет и т.п.
В тексте будет говориться о варианте МТС, который используется как обычный велосипед. Хотя выводы справедливы для любых МТС. Поэтому здесь в качестве аналогов рассматриваются и обычный велосипед и его варианты.
Предлагаемое изобретение рассчитано на людей, у которых нет времени или возможности регулярно пользоваться тренажерами, спортивными залами, стадионами для поддержания хорошей физической формы и которые предпочли бы использовать для этих целей велосипед в неизбежных повседневных поездках. Людей, которые так и поступают, достаточно много. Но, как оказалось, еще больше людей, которые, поддерживая энтузиастов велосипеда, сами не спешат воспользоваться этим видом транспорта. Причина кроется в органических недостатках велосипедной езды.
Основные из них следующие:
1. Езда на велосипеде может неожиданно стать некомфортной или даже крайне затруднительной при незначительных ухудшениях внешних условий. Так, велосипедист, двигаясь по асфальту на горизонтальном участке в безветрие со скоростью 20 км/час, развивает мощность около 75 Вт. Это приятная комфортная езда. Если же возникает встречный ветер всего лишь 2.5÷3 м/сек, то для движения с прежней скоростью потребуется мощность более 200 Вт. На такое способен только хорошо тренированный мужчина. Еще пример. С упомянутой выше мощностью скорость движения в безветрие на обычный 7% подъем придется снизить с 20 км/час до скорости пешехода. Велосипед отпугивает многих именно непредсказуемостью ожидаемых нагрузок. Напомним, что речь идет не о спорте.
2. В условиях плохой видимости велосипедиста трудно заметить на дороге из-за малых габаритов. Обычные велофонари с лампочками от карманных фонариков не решают эту проблему. Логично предположить, что чем меньше транспортное средство, тем ярче должны быть приборы освещения. А не наоборот. Практика показывает, что для велосипеда мощность ламп должна быть не менее 15÷20 Вт. Это составляет 20÷30% «отнимаемой» от человека мощности (даже без учета КПД генератора).
3. На велосипеде нет устройств и средств, обеспечивающих удобства при деловых поездках:
- багажников, закрытых от дождя и злоумышленников;
- противоугонных устройств;
- средств защиты человека от дождя и грязи.
Решение этих проблем технически не представляет сложности. Но при этом неизбежно возрастает масса велосипеда и его аэродинамическое сопротивление, на преодоление которого, как известно, расходуется основная часть затрачиваемой мощности [1]. В результате еще более усугубляются проблемы пункта 1.
Сущность изобретения
Предлагается на МТС установить усилитель развиваемой человеком мощности, работающий от бортового источника дополнительной энергии: топлива или заряженной аккумуляторной батареи, или баллона со сжатым газом и пр. Подобно тому, как устанавливаются усилители в системы управления самолета или автомобиля. Сами по себе усилители не работают. Они просто увеличивают физические возможности человека. (Строго говоря, правильнее было бы говорить «увеличитель» мощности; но так не принято.) В данном случае предполагается установка на МТС двигателя любого типа, но обязательно допускающего возможность изменения его мощности Nдв. Такой двигатель в совокупности со специальной системой управления и будет являться усилителем мощности, развиваемой человеком Nчел. Особенность системы управления, функционально связанной с штатной системой изменения мощности двигателя, заключается в том, что в его запоминающем устройстве размещены характеристики примененного двигателя и заданная изготовителем МТС зависимость Nдв (Nчел), которая должна быть монотонной неубывающей функцией в диапазоне изменения аргумента от Nчел min до Nчел max. Применение такого типа функции является необходимым условием для характеристики двигателя с системой управления именно как усилителя. Указанные выше границы задаются человеком-пользователем вручную применительно к своим физическим возможностям. Причем изготовителем предусматривается, что значение Nчел min всегда больше нуля. Это исключает переход на мотоциклетный режим работы. Последняя особенность вытекает из назначения предлагаемого МТС - быть в том числе и тренажером. При этом двигатель включается в работу, когда управляющий сигнал достигнет величины Nчелmin. Расчетная максимальная мощность двигателя Nдвmax развивается, когда сигнал будет соответствовать другому наперед заданному значению Nчелmax.
В процессе езды человек никак не следит за работой двигателя и никак специально им не управляет. По субъективному ощущению он едет как на обычном велосипеде. В работу двигатель вступает автоматически после превышения мощности, развиваемой человеком, определенного «комфортного» уровня. Дальнейшее усиление мощности происходит также автоматически по определенному закону.
Использование в качестве управляющего и управляемого параметров понятия мощность является важнейшей особенностью предлагаемого МТС. Крутящий момент на педалях никак не отражает физического состояния человека. Теоретически с помощью рычага или коробки передач любой человек может развить как угодно большую силу или крутящий момент. Поэтому в предлагаемом МТС параметром оценки физического состояния человека-пользователя является развиваемая им в педальном приводе мощность. Она непосредственно отражает физические возможности человека. Никакие механизмы не могут ее изменить. Разве что уменьшить за счет потерь в этих механизмах.
Велосипед - самое распространенное МТС. Именно на нем еще в XIX веке начали ставить двигатель «в помощь человеку».
Однако эта идея получила развитие в других направлениях. Прежде всего это классический мотоцикл. Вариант мотоцикла - мопед. Как у велосипеда, у него то же есть и педали и небольшой двигатель. Разрешенный объем цилиндра бензинового двигателя мопеда не должен превышать 50 см3. Но даже при такой малой размерности двигатель может развивать мощность, на порядок большую мощности человека. Поэтому двигатель оказался основным источником энергии мопеда. И конструируют мопед как легкий мотоцикл. При этом педали используются только для запуска двигателя и, быть может, для помощи мотору (а не наоборот) в отдельных случаях на малой скорости (грязь, крутой подъем). На мопедах с коробкой передач от педалей стали отказываться. Двигатель запускают обычным кик-стартером. Такой мопед называют «мокик». Мопеды заняли своеобразную потребительскую нишу - легких мотоциклов, для езды на которых не требуется водительское удостоверение.
Второе направление - мотовелосипед, у которого в отличие от мопеда кинематика педального привода позволяет пользоваться им во всем диапазоне расчетных скоростей движения. Но поскольку мощность мотора мотовелосипеда мало отличается от мощности мотора мопеда, то при его работе педали использовать бессмысленно. Поэтому на мотовелосипеде ездят или на педалях, или на моторе. По принципу мотовелосипеда делают и другие конструкции, подчас экзотические [2]. Все они предполагают езду или в велосипедном или в мотоциклетном режимах.
В отличие от них предлагаемое МТС с усилителем может двигаться только, когда работают мускулы человека.
Известны изобретения велосипедов со вспомогательными двигателями, у которых есть режим совместной работы двигателя и человека.
Так, в GB 2193936 предлагается установить электромотор и включатель, срабатывающий при определенном натяжении цепи, то есть при заданном крутящем моменте. Управление мотором ограничивается его включением и выключением, а так же ручной подстройкой усилия срабатывания включателя.
В US 5860487 предложена подробная разработка электромотора для велосипеда (вариант для инвалидной коляски) с устройством ограничения суммарного крутящего момента, который развивают человек и двигатель. Цель - ограничить скорость движения безопасным уровнем: 24 км/час для велосипеда, 15 км/час для инвалидной коляски. И здесь управляющим и управляемым параметром является не мощность, а крутящий момент.
Есть и другие разработки того же направления. Но к ним также нельзя применить понятие усилитель в описанном выше смысле.
Поэтому предлагается транспортное средство, приводимое в движение мускульной силой человека, содержащее дополнительный источник энергии - двигатель, также имеющий привод на движитель. При этом обеспечивается замер частоты вращения педалей и развиваемого момента вращения для измерителя развиваемой человеком мощности. В конструкцию транспортного средства входит система управления, функционально связанная с устройством изменения мощности двигателя и изменяющая его мощность от нуля до установленного максимального значения при изменении мощности, развиваемой человеком, в диапазоне от ненулевого минимального значения до максимального значения. При этом человек имеет возможность вручную задать границы диапазона значений мощности, развиваемой человеком.
Для данного транспортного средства предлагается название «гелипед», которое состоит из двух частей. Первая - от составной части сложных слов «гелио...» (от греческого helios); она показывает отношение к солнечной энергии - основе практически всех видов аккумулируемой энергии на земле [3]. Вторая часть - «пед» от латинского слова pedis - нога. По смыслу - «мощные ноги». Аналогично словам велосипед - «быстрые ноги» и мопед - «мотор и ноги».
Фиг.1 - блок-схема предлагаемого МТС.
Фиг.2 - график, показывающий типовой характер запрограммированных зависимостей потребной мощности двигателя от мощности, развиваемой человеком.
Фиг.3 - график, показывающий зависимости мощности, потребной для движения велосипедиста, от скорости его движения для разных условий.
На фиг.1 показано движение энергетических потоков от источников (человек и двигатель) к конечной цели - движителю. Пунктирными линиями обозначены направления передачи сигналов управления двигателем.
Изображенные на фиг.2 линии 6 показывают примеры возможных вариантов законов управления двигателем. Все они являются монотонными неубывающими функциями.
На фиг.3 представлены результаты расчетов, выполненных для иллюстрации эффекта совместной работы человека и двигателя.
Кривая 7 соответствует движению по горизонтальной поверхности в безветрие.
Кривая 8 соответствует движению против ветра 2,5÷3 м/сек.
Кривая 9 соответствует движению в безветрие на подъем крутизной 7%.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Особенности данного транспортного средства, ограниченные рамками настоящей заявки, касаются только устройств передачи необходимой энергии на движитель. Поэтому не рассматриваются вопросы управления, устойчивости, прочности и т.д. С учетом этого замечания конструкцию данного транспортного средства можно представить состоящей из следующих основных элементов (фиг.1):
1. Устройства размещения человека, который является также основным источником энергии, и механизмов, на которые человек воздействует - педалей, рычагов и т.д. (Блок 1).
2. Двигатель (внутреннего сгорания, электрический и др.) - вспомогательный источник энергии (Блок 2).
3. Движитель (Блок 3). Для велосипеда - это колесо или колеса. Усилия человека и двигателя могут суммироваться непосредственно на движителе или на каком-то сумматоре. Вариант выбора конструктивного решения не изменяет принципиальной схемы фиг.1.
4. Измеритель мощности, развиваемой человеком (Nчел) (Блок 4). В блоке замеряются: параметр, связанный с усилием (сила или момент вращения) и параметр, связанный со скоростью (скорость прямолинейного движения или угловая скорость вращения, или частота вращения). Устройства замера указанных параметров в технике общеизвестны. Для велосипеда наиболее естественный вариант - замер частоты вращения педалей (nчел) и развиваемого момента их вращения (Мчел) (среднего за оборот или максимального). Тогда на выходе из блока 4 формируется сигнал, пропорциональный Nчел
Nчел = А Мчел Пчел,
где А - коэффициент пропорциональности.
Вариант такого измерителя раскрыт в WO 0046581.
Если приводной элемент двигателя представляет собой кривошипно-шатунный механизм с гидро- или пневмоцилиндрами, то удобно рассчитывать не осредненную за оборот мощность, а текущую. Тогда мощность двигателя Nдв будет изменяться по углу α поворота педалей по закону Nдв(α), приближающемуся к синусоиде, так же как приближается к синусоиде Nчел(α).
5. Система управления двигателем (Блок 5). Основные особенности системы управления были изложены выше в разделе «сущность изобретения». Управляющий сигнал для нее поступает из блока 4. Вычислительное устройство системы трансформирует его (с учетом характеристик данного двигателя) в сигнал, необходимый для приведения в действие исполнительного механизма системы. Последний непосредственно связан с устройством изменения мощности двигателя.
С помощью графика фиг.3 можно проиллюстрировать физическую картину совместной работы человека и усилителя. Примем Nчелmax, равной 150 Вт. Среднюю мощность для движения здорового специально не тренированного взрослого мужчины, равной 100 Вт [4]. Примем также Nчелmin, равной 50 Вт, а закон изменения мощности Nдв (Nчел) линейным. По данным фиг.3 видно, что, развивая 100 Вт, велосипедист сможет двигаться в безветрие со скоростью 22 км/час (кривая 7). Для велосипеда это хороший режим: и достаточно быстро и вполне комфортно. Однако при движении против ветра (кривая 8) скорость при той же нагрузке составит только 13 км/час, а на подъем (кривая 9) - 6 км/час. Эти данные иллюстрируют главный недостаток велосипеда - ограниченность возможностей человека в некоторых реальных условиях эксплуатации.
Совершенно иная картина в случае установки усилителя с двигателем мощностью 400 Вт. При той же средней мощности человека (100 Вт) двигатель будет развивать 200 Вт. Тогда суммарная мощность на валу движителя будет 300 Вт. Это значит, что скорость движения против ветра (кривая 8) сохранится такой же, как у обычного велосипедиста в безветрие, а скорость в гору (кривая 9) будет уже не 6 км/час, а 16.
Привычная конструкция велосипеда оптимальна в смысле рационального использования той небольшой мощности, которую способен развить человек. У предложенного МТС нет столь острого дефицита энергии. Поэтому представляется возможность более удобной компоновки и обеспечения водителя некоторыми элементами комфорта.
Все сказанное должно в совокупности увеличить привлекательность предлагаемого МТС для постоянного пользования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гросс А., Кайл Ч., Мэйлуики Д. Аэродинамика аппаратов, движимых мускульной силой человека. «В мире науки» №2, 1984.
2. Пополов А.С. Давай изобретем веломобиль. М., Патриот, 1991.
3. Большая советская энциклопедия, том 6, стр.194, М., 1971.
4. Ульяновский Р. Веломобиль для всех. «Техника молодежи» №4, 1986.
Транспортное средство, приводимое в движение мускульной силой человека, содержащее дополнительный источник энергии - двигатель, также имеющий привод на движитель, измеритель развиваемой человеком мощности с устройствами замера частоты вращения педалей и развиваемого момента вращения, отличающееся тем, что в его конструкцию входит система управления, функционально связанная с устройством изменения мощности двигателя и изменяющая его мощность от нуля до установленного максимального значения при изменении мощности, развиваемой человеком, в диапазоне от ненулевого минимального значения до максимального значения и при этом человек имеет возможность вручную задать границы диапазона значений мощности, развиваемой человеком.
