Водный велосипед (вопед)
WATER BIKE (VOPED)

Водный велосипед (далее - сокращенно вопед) относится к индивидуальным плавучим средствам, а именно, к водным велосипедам, предназначенным для активного отдыха и спортивных соревнований, туризма, прогулок по поверхности водоемов, рыбной ловли и качественного наблюдения за подводным миром, в том числе для людей с ограниченными физическими возможностями.
Вопед содержит самонесущий не тонущий корпус в виде доски, например, из экструдированного пенополистирола или надувной конструкции в мобильном варианте, вставленный в пространственный каркас с закрепленными на нем сиденьем, рулем, силовой установкой, двумя движителями и механизмом передачи энергии к ним от силовой установки.
В случае человека в качестве силовой установки мускульная энергия от него передается к движителям механизмом в форме коленчатого вала с педалями, установленным в подшипниках на четырех опорах и соединенным с приводными валами лопастных движителей посредством конических шестеренчатых передач с возможностью выбора предпочтительного передаточного отношения, от которого зависит скорость плавания и требуемый крутящий момент (усилие на педалях), установкой соответствующих пар шестерен. Конические шестерни обеспечивают встречное вращение приводных валов движителей с одинаковыми угловыми скоростями для сложения тяг движителей при движении вопеда как в прямом, так и обратном направлениях.
Другим возможным вариантом силовой установки является работающий от аккумулятора электрический двигатель с редуктором. В этом случае вместо коленчатого используется прямолинейный вал с механизмом передачи крутящего момента от электрического двигателя на вал и далее на движители.
Лопасти движителей, от двух до четырех в каждом, крепятся к своим приводным валам на осях, закрепленных на нижних концах приводных валов. Конструкция механизма движителей обеспечивает чередование поворотов лопастей из вертикального положения после завершения рабочего полуоборота в горизонтальное при холостом полуобороте и обратно.
Повороты вопеда осуществляются вращением руля, к которому под корпусом прикреплены одна или несколько управляющих плоскостей, одновременно выполняющие функцию киля и служащие дополнительной механической защитой движителей от предметов и растений, находящихся под водой, а также от дна водоема при причаливании к берегу.
Для наблюдения за подводным миром в корпусе вопеда выполнено окно (горизонтальный иллюминатор), в котором снизу герметично закреплен прозрачный материал, например, полиакриламид - органическое стекло, обеспечивающий качественное наблюдение за подводными картинами за счет плоской формы и отсутствия при взгляде на поверхность водоемов преломления оптических лучей, характерного для поверхности раздела воды и воздуха, имеющих разные коэффициенты преломления оптических лучей, что в этом случае вызывает искажение изображения и практически исключает возможность с воздуха наблюдать за обстановкой под водой. Возможна комплектация вопеда устройством освещения и видеорегистратором (видеокамерой, фотоаппаратом) для продолжения наблюдения за подводным миром в темное время суток и документирования видеонаблюдений.
Известно множество индивидуальных плавучих средств. Компания ООО «СИБАЙК» (сайт компании - siabike.com/ru/) разработала и производит портативные водные велосипеды SIABIKE. Преимущественно из карбона и титана изготовлены тонкий цилиндрический корпус, педали в его середине и пропеллер на заднем (нижнем) конце. Конструкция крепится к телу ремнем и при прокручивании педалей позволяет быстро передвигаться по водной поверхности или в дайвинге (полностью под водой). Практически это подводный велосипед, что существенно ограничивает возможности его использования большую часть года и в водоемах с холодной водой и при прохладной погоде, а это актуально для значительных географических территорий, особенно в России.
Известен также выпускаемый компанией Manta5 велосипед на подводных крыльях Hydrotoiler ХЕ-1 (сайт - manta5.com/product/hydrofoiler-xe-l/). Гидровелосипед оснащен подводными крыльями аэродинамической формы. Конструкция действует по тому же принципу, что и в полноразмерных судах на подводных крыльях. Гидровелосипед оснащен не только педальным приводом, но и электродвигателем. В обоих случаях тяга передается на небольшой пропеллер, который в условиях низкого аэродинамического сопротивления обеспечивает довольно сильный разгон на воде. Конструкция позволяет наезднику взбираться на велосипед как с пирса, так и с воды без посторонней помощи. Итальянский производитель гарантирует легкость сборки и разборки данной конструкции даже без особых навыков. Гидровелосипед на подводных крыльях Manta5 Hydrofoiler ХЕ-1 изготовлен из углеродного волокна для высокой прочности и минимального веса. Основными недостатками этого водного велосипеда являются сложность изготовления конструкции, высокая цена и необходимость хорошей физической подготовки человека, использующего гидровелосипед, что в целом существенно ограничивает возможности его массовой эксплуатации. С этого гидровелосипеда также невозможно заниматься рыбалкой и наблюдением за флорой и фауной водоемов.
Американская компания Hobie Cat Company представила педальную доску Mirage Eclipse (сайт с информацией - https://goodsi.ru/pedalnaya-doska-mirage-eclipse/). Внешне индивидуальное плавсредство напоминает гибрид шагового тренажера и байдарки. В центральной части этой доски установлены педали. Руль изготавливается из алюминиевого сплава, а движение осуществляется благодаря двум подводным ластам, приподнимающимся во время приближения к берегу. Повороты производятся нажатием на рычаги, расположенные на рукоятках. Основным недостатком доски является невозможность ее использования во многих российских водоемах с большим количеством водорослей даже на значительном расстоянии от берега.
Известны гребные тренажеры Hunter с водным сопротивлением (сайт с информацией - hunter-sport.ru). Водное сопротивление выполнено в виде цилиндрического бака с водой и вращающимися в нем лопастями. Тренировочное усилие на тренажере регулируется количеством налитой в бак воды и скоростью гребка занимающегося - чем больше воды и быстрее движения, тем большее усилие должен прикладывать тренирующийся при имитации гребка. В заявляемом изобретении используется идея подобных лопастей для выполнения другой функции - передачи вопеду импульса движения отталкиванием от воды в фазе рабочего полухода.
В последнее время широкую популярность приобрели надувные доски с веслом для SUP-бординга (сайт с информацией - doskasveslom.ru). Они используются для прогулок, туризма, спортивных соревнований. От классического серфинга эта доска отличается тем, что, катаясь на ней по воде, райдер гребет не руками, а веслом. Преимущество SUP-бординга в том, что райдеру не нужно подстраиваться под волны или скорость ветра. Считается, что SUP-бординг возник на Гавайских островах. Появилось также предложение вместо весла использовать для создания тягового усилия винг крыло (каркасное или надувное). Подобные устройства интересны как спортивный инвентарь, но не могут использоваться для рыбалки, наблюдения за водным миром, в холодной воде и в холодную погоду.
Известный аналог - складной водный велосипед по патенту RU 2 240 952 (В63Н 16/18, приоритет - 2002.12.09, публикация патента - 2004.11.27) содержит соединенные между собой платформой поплавки, складное сиденье, рулевое управление с румпелем и лопастной движитель с педальным приводом в виде коленчатого вала. Для улучшения управляемости использован управляемый поплавок с рулевым пером, а для уменьшения объема в сложенном виде - поплавки выполнены в форме усеченного конуса со съемной крышкой с их соединением эластичным уплотняющим кольцом.
От аналога заявляемое изобретение отличается конструкцией трансмиссии, лопастного движителя, в котором лопасти закреплены на горизонтальной оси, и отсутствием подвижного поплавка, что обеспечивает улучшение маневренности и надежности.
Другим аналогом является водный велосипед по патенту RU 2 520 849 (В63Н 1/36, В63В 35/73, В63Н 16/10, приоритет - 2013.01.16, публикация патента - 2014.06.27). Для улучшения маневренности плавающего средства предложена конструкция, содержащая поплавки, скрепленные поперечными балками, сиденье и педальный привод движителя. Использование нескольких приводных цепей и нескольких пар огибающих звездочек для передачи крутящего момента на гребной винт с изменением плоскости действия крутящего момента усложняют устройство и отрицательно сказываются на его надежности, особенно с учетом его основного предназначения - эксплуатации на водоемах.
В качестве прототипа выбран водный велосипед по патенту RU 2485004 (В63В 35/73, В63Н 1/12, В63Н 16/18, приоритет - 2011.04.06, публикация патента - 2013.06.20). Для повышения коэффициента полезного действия и уменьшения уровня шума движитель, соединенный с педальным приводом через зубчатое колесо, цепь и редуктор, выполнен в виде цилиндра, внутри которого размещен вращающийся винт в виде шнека. Рулевое устройство водного велосипеда выполнено как продолжение хвостовой цилиндрической части движителя в виде шарового крана с поворотным рычагом или в виде воздушной заслонки с регулировочной лопаткой. Недостатками такой конструкции является сложная и малонадежная трансмиссия вследствие использования приводной цепи и механизма передачи вращающего момента с промежуточного зубчатого колеса на вал шнека, а также сложная конструкция рулевого устройства.
Задачей предлагаемого технического решения является устранение указанных в аналогах и прототипе недостатков и обеспечение в предлагаемом вопеде:
- бесшумного перемещения по поверхности водоемов; -хорошей мобильности и маневренности;
- многофункциональности - удобного использования для спокойных прогулок, соревнований, рыбной ловли, наблюдения за подводным миром;
- эксплуатационной надежности и безопасности при нахождении на воде;
- возможности выбора вариантов использования педального привода от мускульной силы человека для дозированных кардионагрузок или механизированного привода от электродвигателя в случае необходимости удаленного перемещения или эксплуатации вопеда людьми с ограниченными физическими возможностями.
Указанный технический результат достигается:
- использованием пространственного силового каркаса, на верхней плоскости которого закреплены сиденье, руль управляющего устройства на упорном подшипнике, педальный привод в виде коленчатого вала на четырех опорах с подшипниками качения и двумя коническими шестернями и два вертикальных приводных вала на упорных подшипниках с коническими шестернями, соединенными с шестернями коленчатого вала таким образом, чтобы обеспечивать встречное горизонтальное вращение поворотных гребных лопастей под водой; закрепленные на нижней плоскости каркаса цилиндрические детали механизма поворота гребных лопастей движителей обеспечивают вращение гребных лопастей в вертикальном положении при выполнении рабочего полуоборота и в горизонтальном положении при выполнении полуоборота холостого хода;
- использованием корпуса с естественной положительной плавучестью, жестко закрепленного в каркасе между верхней и нижней плоскостями; корпус может изготавливаться монолитным или сборным из легкого и прочного материала, например, из экструдированного пенополистирола, или надувным секционным, обеспечивая разборность, безопасность и мобильность конструкции;
- выполнением руля с управляемой подводной плоскостью (или несколькими плоскостями), которые одновременно защищают лопасти движителей от посторонних предметов и водорослей;
- выполнением в плоскостях каркаса и корпусе сплошного проема, герметично закрытого снизу прозрачным листовым материалом, выбираемым из ряда - триплекс, бронированное или органическое стекло, который является экраном для наблюдения за подводным миром;
- установкой фонаря для освещения пространства под водой и предпочтительным использованием для поворотных лопастей движителей прозрачного материала для лучшего наблюдения, в том числе в темное время суток, а также использованием видеорегистратора для документальной фиксации результатов наблюдения за подводным миром.
Сущность изобретения поясняется графическими изображениями частного случая реализации вопеда: Фиг. 1 - вид сверху, Фиг. 2 - разрез по плоскости приводного коленчатого вала и движителей, Фиг. 3 - вид снизу.
Плавучий корпус 1 вставлен и закреплен в силовом каркасе, на верхней плоскости 2 которого закреплены сиденье 3, руль 4 управляющего устройства, коленчатый вал 5 с поворотными педалями 6, опоры 7 с подшипниками для коленчатого вала 5, приводные валы 8 движителей. На коленчатом валу 5 и в верхней части вертикальных приводных валов 8 движителей установлены парные конические шестерни 9. На вертикальных приводных валах 8 движителей снизу закреплены изогнутые оси 10, с которыми соединены рамки 11 с установленными в них гребными лопастями 12. Рамки 11 поворачиваются относительно осей 10 на угол +/- 90 градусов за счет боковых выступов 13, вставленных в синусоидальные пазы цилиндрических деталей 14, неподвижно закрепленных на нижней плоскости 15 каркаса вопеда. При вращении приводного вала 8 выступ 13 рамки 11, двигаясь в синусоидальном пазу внешней поверхности цилиндра 14, поворачивает рамку 11 с закрепленной в ней гребной лопастью 12 из вертикального положения при рабочем полуобороте в горизонтальное положение при полуобороте холостого хода и обратно. В варианте использования вопеда людьми с ограниченными физическими возможностями или для перемещения по водоему на значительные расстояния вместо коленчатого вала используется прямолинейный приводной вал с шестеренчатым механизмом передачи на него вращающего момента от работающего от аккумулятора электродвигателя. Для наблюдения за водной флорой и фауной в плоскостях каркаса и корпусе выполнен сплошной проем 16, герметично закрытый снизу прозрачным листовым материалом 17, выбираемым из ряда - триплекс, бронированное или органическое стекло, который выполняет функцию экрана. К рулю 4 управляющего устройства прикреплены подводные управляюще-стабилизирующие плоскости 18.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения. Заявляемое устройство функционирует следующим образом. Человек садится на сиденье 3 вопеда, закрепленное на верхней плоскости 2 каркаса, и ставит ступни ног на педали 6 коленчатого вала 5 привода движителя вопеда. При поочередном нажатии на педали 6 крутящий момент от коленчатого вала 5, который опирается на опоры 7 с подшипниками, через пары зубчатых шестерен 9 передается на вертикальные приводные валы 8 движителей и затем на изогнутые оси 10, на которые насажены рамки 11 с гребными лопастями 12 движителей. Боковой выступ 13 на рамке 11 входит в синусоидальный паз внешней поверхности цилиндрические детали 14 механизма поворота гребных лопастей, который обеспечивает поворот лопасти в вертикальное положение при рабочем полуобороте и в горизонтальное при холостом полуобороте, чтобы не создавать противоусилие выполняющим в этот момент полезную работу гребным лопастям. Реверсивный ход обеспечивается проворотом педалей в обратную сторону, а маневрирование вопеда - поворотом руля 4 с управляюще-стабилизирующими плоскостями 18.