ЭЛЕКТРОВЕЛОСИПЕД

Полезная модель относится к колесным транспортным средствам, а именно, к наземным транспортным средствам приводимым как мускульной силой человека, так и электрическим приводом, например, велосипедам, мопедам, инвалидным коляскам или подобным транспортным средствам. Полезная модель может быть использована в машиностроении, в частности, в производстве велосипедов, имеющих кроме мускульного привода дополнительный электрический привод.
Наиболее распространенным подходом к оборудованию велосипеда электродвигателем является применение мотор-колес на основе трехфазного вентильного электродвигателя с датчиками положения ротора и контроллером.
Выпускаются варианты для заднего и переднего колеса, обычно с блоком управления и ручкой газа.
Основные характеристики мотор-колес приведены в таблице (на примере наборов Golden Motor 2012 г.).
Сводная таблица характеристик мотор-колес Golden Motor
Характеристики
902∗
ProKit 901
MagicPie
250 Вт
500 Вт
750 Вт
1000 Вт
300 Вт
600 Вт
800 Вт
Частота вращения максимальная (об/мин)
228
343
470
178
270
358
Частота вращения номинальная (об/мин)
204
298
418
159
243
324
Максимальная мощность, Вт
362,5
508,1
1226,89
308,88
600,89
808,16
Номинальная мощность, Вт
170,4
319,8
544,40
148,78
256,26
379
Максимальный момент, Нм
20,03
18,24
27,3
37,42
22,63
29,73
27,66
Номинальный момент, Нм
7,95
10,24
12,45
8,94
10,07
11,17
Максимальный ток, A
13,53
18,43
37,46
19,8
24,72
23,45
Номинальный ток, A
5,79
10,92
13,42
8,14
8,94
9,99
Напряжение, B
24-36
36
36
48
24
36
48
КПД, %
81,7
81,4
84,3
76,1
79,2
79
Масса, кг
2,6 (3,0)
5
5
5
6,2
6,2
6,2
Скорость велосипеда, км/ч∗∗
22
33
45
25
33
45
∗ В мотор-колесе из комплекта 902 используется редуктор.
∗∗ Скорость велосипеда с 26” колесами.
Анализ приведенных данных показывает, что максимальный крутящий момент даже у мотор-колес большой мощности не превышает 12…25 Н·м, чего едва хватает для движения по ровной дороге. С другой стороны, повышение мощности электропривода вызывает необходимость использования аккумуляторных батарей большей емкости (и, соответственно, массы).
Увеличивая мощность электропривода, производители стремятся увеличить крутящий момент. При этом возникает неприятный эффект - более мощный двигатель вызывает более заметное торможение колеса при движении только при помощи педалей. Этот эффект обусловлен притягиванием магнитов ротора к полюсам статора. Кроме того, увеличение массы колеса влечет за собой увеличение его инерции и, как следствие, дополнительные затраты сил велосипедистом.
Рассмотренные эффекты являются достаточно существенными недостатками, потому что, с одной стороны, пользователи электровелосипедов, как правило, достаточно далеки от спорта, а с другой - запас хода ограничен емкостью аккумулятора. Также необходимо учитывать, что эффективность электропривода сильно зависит от условий местности, типа дорожного покрытия, направления и силы ветра и других факторов.
Известен электровелосипед по патенту Российской Федерации №110360, кл. B62M 6/55, 2011 г., содержащий раму, руль, седло с подседельным штырем, закрепленным в подседельной трубе рамы, ведомое рулевое колесо, ведущее колесо, соединенное цепной передачей с мускульным приводом, электрический привод, включающий в себя аккумулятор и электродвигатель, закрепленный внутри подседельной трубы рамы и имеющий на выходном валу коническую зубчатую шестерню, а ось мускульного привода имеет в средней части коническую зубчатую шестерню, входящую в зацепление с конической зубчатой шестерней выходного вала электродвигателя.
Однако, этот велосипед с используемым в его комплектации электрическим приводом получается сложным в изготовлении и монтаже, а мускульный привод работает совместно с электрическим, что создает очень большие неудобства для велосипедиста.
Известен электровелосипед по патенту Российской Федерации №2100239, кл. B62K 11/00, 1997 г., принятый заявителем за прототип. Электровелосипед содержит раму, рулевое ведомое колесо, ведущее колесо, мускульный цепной привод и электрический привод для ведущего колеса, состоящий из обратимой электрической машины, ротор которой кинематически связан цепью с ведущим колесом. Источник выполнен в виде конденсатора с двойным электрическим слоем, имеющим диэлектрик из карбонизированной бумаги, образующий замкнутый электрический контур рекуперативной системы торможения.
Основным недостатком данного электровелосипеда является то, что его электрический привод работает совместно с мускульным приводом, не разделен с ним, что приводит к затратам мускульной энергии велосипедиста, при отключенном электроприводе, на вращение отключенного электропривода, а при работающем электроприводе идет постоянное вращение педалей велосипеда, что создает существенные неудобства велосипедисту при движении велосипеда. Кроме того, электровелосипед имеет непростую схему подключения электрического привода, а, отсюда, и малонадежную работу. А также в нем использована практически бесполезная в данном случае рекуперативная система торможения.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание электровелосипеда с компактным, надежным и удобным для монтажа на велосипеде электрическим приводом, работающим как не зависимо от мускульного привода, так и совместно с мускульным приводом, а при отключенном электроприводе движение велосипеда только за счет мускульного привода должно осуществляться без потерь мускульной энергии на преодоление сопротивления неработающего электропривода.
Поставленная задача решается тем, что электрический привод ведущего колеса выполнен в виде приводного блока, дополнительной звездочки и дополнительной цепи с натяжителем, приводной блок установлен в межрамном пространстве и закреплен на подседельной трубе, дополнительная звездочка установлена на ведущем колесе, а приводной блок соединен с дополнительной звездочкой посредством дополнительной цепи, причем в приводной блок включен электродвигатель.
Кроме того, приводной блок выполнен в виде двухступенчатого редуктора, первая ступень которого выполнена в виде зубчато-ременной передачи, а вторая ступень выполнена в виде планетарного редуктора с входным валом и выходным валом, при этом зубчато-ременной передачей связаны выходной вал электродвигателя и входной вал планетарного редуктора, а на выходном валу планетарного редуктора последовательно установлены обгонная муфта и передающая звездочка для снятия с выходного вала планетарного редуктора крутящего момента и передачи его на дополнительную звездочку ведущего колеса велосипеда, причем дополнительная цепь связывает передающую звездочку планетарного редуктора с дополнительной звездочкой ведущего колеса.
Кроме того, дополнительная звездочка установлена на ступице ведущего колеса с противоположной стороны от звездочек мускульного привода.
Кроме того, дополнительная звездочка закреплена на ступице ведущего колеса посредством разрезных шайб и стяжных болтов.
Технический результат от использования предлагаемого решения заключается в том, что получено транспортное средство, а именно, электровелосипед с компактным, надежным и удобным для монтажа на велосипеде электрическим приводом, работающим как независимо от мускульного привода, так и совместно с мускульным приводом, а при отключенном электроприводе движение велосипеда только за счет мускульного привода осуществляется без потерь мускульной энергии на преодоление сопротивления неработающего электропривода.
На фиг. 1 изображено размещение элементов электропривода на велосипеде;
на фиг. 2 - кинематическая схема электрического привода велосипеда.
на фиг. 3 - изображено крепление дополнительной звездочки на ступице ведущего колеса электровелосипеда;
на фиг. 4 - изображен приводной блок электропривода электровелосипеда со стороны передающей звездочки и со стороны зубчато-ременной передачи.
Электровелосипед содержит раму 1 с подседельной трубой 2, ведущее колесо 3 со звездочками 4, закрепленными на ступице 5 и входящими в мускульный привод 6 ведущего колеса 3 мускульный привод 6 ведущего колеса 3, электрический привод. В электрический привод входят аккумулятор 7 и электродвигатель 8 с выходным валом 9. Кроме того, в него входят приводной блок 10, дополнительная звездочка 11 и дополнительная цепь 12 с натяжителем 13, а электродвигатель 8 с выходным валом 9, при этом, включен в приводной блок 10.
Электрический привод включает аккумулятор 7, электродвигатель 8 с выходным валом 9 и приводной блок 10, дополнительную звездочку 11 и дополнительную цепь 12 с натяжителем 13.
Приводной блок 10 установлен в межрамном пространстве и закреплен на подседельной трубе 2. Дополнительная звездочка11 установлена на ведущем колесе 3, а приводной блок 10 соединен с дополнительной звездочкой 11 посредством дополнительной цепи 12.
Приводной блок 10 электрического привода выполнен в виде двухступенчатого редуктора с электродвигателем 8, первая ступень которого выполнена в виде зубчато-ременной передачи 14, а вторая ступень выполнена в виде планетарного редуктора 15 с входным валом 16 и выходным валом 17. При этом зубчато-ременной передачей 14 связаны выходной вал 9 электродвигателя 8 и входной вал 16 планетарного редуктора 15. На выходном валу 17 планетарного редуктора 15 последовательно установлены обгонная муфта 18 и передающая звездочка 19 для снятия с выходного вала 17 планетарного редуктора 15 крутящего момента и передачи его на дополнительную звездочку 11 ведущего колеса 3 велосипеда. Причем дополнительная цепь 12 связывает передающую звездочку 19 приводного блока 10 с дополнительной звездочкой 11 ведущего колеса 3. Дополнительная звездочка 11 установлена на ступице 5 ведущего колеса 3 с противоположной стороны от звездочек 4 мускульного привода 6 и закреплена на ступице 5 ведущего колеса 3 посредством разрезных шайб 20, упругих прокладок 21 и стяжных болтов 22.
Элекровелосипед работает следующим образом.
При выключенном электрическом приводе для создания движущей силы используют только мускульный привод 6 как на обычном велосипеде. Вся мускульная энергия велосипедиста преобразуется в кинетическую энергию движения.
При работе с электрическим приводом включают электродвигатель 8 приводного блока 10. Выходной вал 9 электродвигателя 8, вращаясь, приводит в движение зубчато-ременную передачу 14, которая, в свою очередь, вращает входной вал 16 планетарного редуктора 15. Посредством этого вращение передается на выходной вал 17 планетарного редуктора 15 и на установленные на нем обгонную муфту 18 и передающую звездочку 19. При работающем электродвигателе 8 обгонная муфта 18 включена и передает крутящий момент вошедшей с ней в зацепление передающей звездочке 19, которая посредством установленной на ней дополнительной цепи 12 передает крутящий момент на дополнительную звездочку 11, а та - ведущему колесу 3. Велосипед движется как электрический, при этом велосипедисту нет необходимости крутить педали, то есть электропривод работает независимо от мускульного привода 6.
При отключении электрического привода обгонная муфта 18 отключена и передающая звездочка 19 выходит из зацепления с обгонной муфтой 19, а электровелосипед опять готов к работе как обычный велосипед, то есть с мускульным приводом 6, без потерь мускульной энергии на преодоление сопротивления неработающего электропривода за счет использования обгонной муфты 19 в приводе.
Также возможно совместное использование электропривода и мускульного привода 6, например, при подъеме в гору, или для более быстрого разгона, или для экономии заряда аккумулятора. При работающем электроприводе использование мускульного привода 6 облегчает работу электропривода и снижает его нагрузки.
В процессе езды любая приводная цепь растягивается, а дополнительная цепь 12 установлена на предлагаемом электровелосипеде с возможностью устранения провисания посредством натяжителя 13
На испытаниях предлагаемый электровелосипед развивал скорость до 33 км/ч, при весе испытателей с велосипедом от 100 до 140 кг. Использовались свинцовые гелевые аккумуляторы суммарным напряжением 24 В и емкостью 17 Ач. Пробег на полностью заряженных аккумуляторах составил 30 км.
Для увеличения пробега и снижения массы всей системы в дальнейшем планируется использовать LiFePo аккумуляторы емкостью 20 Ач. К сожалению, разрядная характеристика свинцовых аккумуляторов, используемых сейчас, не очень подходит для их применения в электротранспорте, даже в таком миниатюрном.
В электровелосипеде принятым заявителем за прототип, заложен замкнутый электрический контур рекуперативной системы торможения.
В процессе проектирования предлагаемого электровелосипеда также рассматривалась возможность и необходимость рекуперации энергии при спуске с горок или при торможении. Многие производители электроприводов для велосипедов рекламируют наличие такого режима, который, якобы, позволяет подзарядить батареи при спусках или даже зарядить их силой велосипедиста во время движения только при помощи педалей. В предложенной конструкции система рекуперации не предусмотрена. Такое решение обусловлено следующими расчетами.
Предположим, что для движения по прямой со скоростью 20 км/ч электропривод потребляет 4А при напряжении питания 36 В (данные мотор-колеса). В этом режиме велосипед проедет 1 км за 3 минуты, т.е. за 180 секунд.
При этом электроприводом будет израсходовано энергии
4A·36B·180c=25920 Дж.
Рассчитаем минимальную высоту горки, спуск с которой может дать такую энергию. При этом примем вес велосипеда с велосипедистом 120 кг, а КПД для упрощения равным 1.
Потенциальная энергия, которую планируется преобразовать в электрическую и сохранить в аккумуляторе, определяется произведением массы на ускорение свободного падения и на высоту горки
A=m·g·h
Требуемая для нашего примера высота горки:
На деле КПД не превышает 50%, что связано с механическими потерями генератора и электрическими потерями при заряде аккумулятора. Поэтому требуемая горка «вырастает» до 40…50 м. И это только для того, чтобы проехать 1 км по прямой. Соответственно, попытки зарядить аккумулятор с помощью педалей при езде по прямой превратятся в очень упорную тренировку. Да и такие перепады высот характерны только для горных местностей, а там уже нужно делать упор на тяговые характеристики электропривода.
При использовании рекуперативного торможения ситуация с зарядом принципиально не меняется. Для массы велосипеда с велосипедистом 120 кг и скорости, с которой началось торможение
получаем кинетическую энергию в начале торможения
.
Этого даже на 1 км пробега не хватит. Поэтому и отказались от рекуперации энергии в пользу более легкого движения только при помощи педалей, когда аккумулятор уже разряжен. Для этого в системе предусмотрена обгонная муфта, которая позволяет передавать крутящий момент только от редуктора к колесу.
Использование предлагаемого технического решения позволило создать электровелосипед с компактным, надежным и удобным для монтажа на велосипеде электрическим приводом, работающим как независимо от мускульного привода, так и совместно с ним. А также удалось добиться свободного движения при неработающем электроприводе только от мускульного привода без потерь мускульной энергии за счет использования обгонной муфты в приводе, поэтому нет необходимости тратить мускульную энергию на преодоление сопротивления неработающего электропривода.