Веломобиль, лигерад и другие транспортные средства с мускульным приводом

Велосипедный вариатор Бориса Фролова

За последние сто лет было предпринято множество попыток создать "идеальную" трансмиссию для техники вообще и для велосипедов в частности, которая была б легкой, компактной, эффективной и обеспечивала бесступенчатое переключение передач. В первом квартале 2011 г российский изобретатель Борис Фролов запустил мелкосерийное производство вариатора, который призван совершить революцию в велотехнике.

В мае 2010 года в Коломне в МГОСГИ состоялась Всероссийская научно-практическая конференции «Спортивная психология и спортивная медицина XXI века: проблемы и перспективы» и встреча веломобилистов. На встрече присутствовали веломобильные энтузиасты из СФ СамГТУ (г. Сызрань).

На фото (слева направо): доцент кафедры ТэиРТС Сызранского филиала ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»
Александр Цой, Александр Егоров (Коломна) - автор веломобиля "Парус", 1984 г., декан механического факультета филиала СамГТУ в г. Сызрани, к.т.н., доцент Александр Осипов, Вениамин Ульяновский и автор вариатора Борис Фролов. (Фото из архива Ульяновского В.В.)

На фото: Б. Фролов и его односкоростной лигерад с "прямым" (зубчатая передача с внутренним зацеплением) приводом. РФ, г. Сызрань. 2010 г

Один из участников встречи - Борис Михайлович Фролов-веломобилист рубежа 80-90-х, продемонстрировал тогда односкоростной лигерад с оригинальным передним приводом. Вскоре коломенец Борис Фролов получил патент на разработанный им вариатор - российский аналог «Ну-Винчи» в феврале 2011 г. В новом механизме (название Фролов ещё не придумал) вращение от ведущего к ведомому диску передается двумя парами конусных роликов, смонтированных на общей серьге. При этом ролики свободно подвешены, самоориентирующиеся, и всегда находятся в контакте с рабочими дорожками обоих дисков. В этом - суть изобретения Фролова. (Ульяновский В.В.)

Схема вариатора Фролова:

Реальная конструкция, конечно гораздо сложнее. Коротко прокомментируем её устройство с помощью следующего рисунка.

"Ведомая звезда цепи (1) соединена с ведущим (внутренним) конусным диском(12) с помощью трещотки. Управляющая звезда (9), на неё надет отрезок цепи, концы которого связаны тросиками с шифтером. При вращении управляющей звезды в одну сторону, пята (7) перемещается вдоль оси по шлицам и резьбе, и посредством толкателя с шариком (8), сближает конусный диск (13) с диском (12). Одновременно обе пары роликов на серьге (2), и такие же пары на серьге (3) смещаются от оси вариатора, и, преодолевая сопротивление пружин (11), раздвигают обе половинки (4) ведомых конусных дисков, закрепленных на двух валах (5). При этом происходит изменение соотношений радиусов дорожек контакта на ведущем и двух ведомых конусных дисках. При вращении управляющей звезды (9) в другую сторону, за счет накопленной энергии сжатия пружин (11) вся система возвращается к исходному положению. Таким образом осуществляется бесступенчатое переключение передаточного отношения вариатора.

Ведомые конусные диски находятся в зубчатом зацеплении с корпусом (10) втулки заднего колеса, передавая ему крутящий момент от звезды (1).

Пружины затянуты таким образом, чтобы гарантированно обеспечить постоянный и с необходимым усилием контакт конусных дисков с конусными роликами.

Внутри втулки механизм работает в масляной ванне, защита её обеспечена двумя парами манжет.

В настоящее время изготавливается опытная партия вариаторов, и планируется их производство на предприятиях подмосковных Коломны и Егорьевска." (Ульяновский В.В.)

Вариатор Фролова

Технические характеристики и розничная цена вариатора Фролова

Диапазон бесступенчатого изменения передаточного отношения: 400% (от 1:1 до 4:1).

Вес: 3,0 кг (вариант из стали) и 2,0 кг (вариант с применением алюминиевых сплавов)

Заявленный КПД: не менее 90%

Предварительная розничная цена: 350 евро

Существует также более доступные версии вариатора с передаточным отношением 200% (200 евро) и 300% (250 евро).

Описание вариатора на сайте производителя

"Наше предприятие разработало фрикционный дисковый вариатор для велосипеда и других видов техники, где в качестве промежуточного элемента используется ролики с конусными торцевыми поверхностями, ролики попарно связаны между собой жесткой механической связью. Пары трения работают по принципу "сталь по стали, в масле".

Данный вид трансмиссии предназначен для установки в качестве механической трансмиссии для транспортных средств, где необходимо передача крутящего момента без разрыва. К таким транспортным средствам относятся: автомобили, трактора, моторные лодки, гидроциклы, квадроциклы, мотоциклы, скутеры и велосипеды. Такой вид трансмиссии позволяет осуществлять автоматическое изменение передаточного отношения. Диапазон изменения передаточного отношения может достигать пятикратного значения с КПД не менее 90%.

Наше предприятие в 2011 году приступило к серийному производству велосипедных вариаторов по данной схеме для установки на велосипеды различных конструкций. Велосипедный вариатор представляет собой втулку заднего колеса, в которой расположены вся трансмиссия с системой управления изменения передаточного отношения.

В производственной программе заложено три варианта исполнения втулки заднего колеса с вариатором трех разных диапазонов: двойка, тройка, четверка.

С небольшими изменениями эти втулки можно использовать на скутерах мощностью не более 5 л.с.

Изменение передаточного отношения производится путем вращения ручки на руле."

Переднеприводной лигерад (лежачий велосипед) Б.Фролова с вариатором собственной конструкции и подвеской заднего колеса

Зарубежные серийные велосипедные вариаторы

Велосипедный вариатор фирмы "Nupace". США. 2005 г

Сайт производителя

Американская компания "Nupace" запатентовала и наладила мелкосерийный выпуск своей версии велосипедного вариатора в 2005 г. Трансмиссия имеет диапазон изменения передаточного отношения 305%, весит 2,2 кг и в 2005 г стоила в рознице около $1000. Заявленный КПД: 85-95% (в зависимости от передаточного отношения). Запредельная цена, небольшой диапазон передаточного отношения и относительно большой вес не позволили новому продукту завоевать рынок сбыта, и на момент 2011 г компания не ведет активной бизнес деятельности.

"NuVinci" (НуВинчи). США. 2006 г

Видео

Идея вариатора не нова. За последние сто лет было разработано немало вариаторов, в том числе и для велотехники. Но первой, кому удалось успешно коммерцианализировать велосипедный вариатор, стала американская компания Fallbrook Technologies Inc.

Данная фирма c 2006 серийно выпускает велосипедные втулки «NuVinci» снабженные вариатором. Вариатор был награжден такими престижными наградами, как R&D 100 Awards, a 2007 Popular Science Best of What’s New, 2007 Technology of the Year и Bike of the Year в Нидерландах, и iF Design EUROBIKE Gold 2008 Award.

Диапазон передаточного отношения NuVinci N360: 360%, вес: 2,5 кг. Розничная цена в США от $500.

Считается, что в сравнении с классическими бесступенчатыми вариаторами CVT, NuVinci CVP менее сложны, более компактны и просты в изготовлении. Компания успешно продает на рынке варианты Nu Vinci CVP для трансмиссий велосипедов. Не стоит думать, что Fallbrook Technologies это группа сумасшедших, занятых никому не нужным делом. В технологию вложились серьезные венчурные фонды на общую сумму 25 миллионов долларов, а общее количество патентов, которыми защищена технология составляет 325!

Статья про НуВинчи в журнале "Популярная Механика".

Принцип работы вариатора NuVinci

При синхронном изменении наклона осей вращения шариков, ведущий и ведомые диски вариатора контактируют с шариками по разным радиусам. Соотношение этих радиусов и определяет передаточное отношение вариатора.

Шариков восемь и расположены все по окружности. Поскольку технологически они не могут быть изготовлены абсолютно одинаковыми, то дорожка ведущего (или ведомого) диска касается, максимум, с тремя шариками, которые и передают вращение.

"SLB 500 Series". Южная Корея. 2009 г

Сайт производителя

Этот велосипедный вариатор с корпусом из карбона был впервые представлен на выставке технических новинок в июне 2009 г в г. Сеул. Трансмиссия была разработана корейской компанией "Sycoline". Фирма - небольшая (с годовым оборотом не более 100 000 дол) и была зарегестрирована в 2008 г.

Видео

Технические характеристики вариатора

Диапазон изменения передаточного отношения: от 0,7:1 до 4:1 (при ведущей звездочке 48 зубцов и ведомой - на 11 зубцов)

Варианты исполнения: карбон, алюминиевый сплав (AL 7075 T6) или сталь.

Вес (в зависимости от выбранного материала): 0,8 - 1,5 кг

Втулка рассчитана на обод с 32 спицами и дисковый тормоз.

Схема вариатора "SLB 500 Series"

Отечественные и зарубежные прототипы вариатора для велосипеда

(в хронологическом порядке)

"Ride-A-Matic". США. 1986 г

Детальная статья про эту экспериментальную велосипедную трансмиссию была опубликована в журнале IHPVA v5n4-1986.pdf стр. 15-19.

Велосипедный вариатор пытались и продолжают изобретать и в нашей стране. Автор статьи ограничится несколькими примерами таких попыток, так как рассказать про все эксперементальные велосипедные вариаторы СССР и РФ не представляется возможным (в силу их большого количества).

Журнал "Юный Техник". 1990 г

Журнал "Юный Техник" №6, 1992 г

БЕССТУПЕНЧАТЫЙ ВАРИАТОР КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ЧУРИКОВА С.В. 1993 г

Патент

"Использование: велосипедные трансмиссии. Сущность изобретения: вариатор крутящего момента состоит из корпуса в виде тела вращения с колоколообразной внутренней полостью, вдоль образующей которой расположены храповые зубья. С последними взаимодействует подпружиненная собачка храпового механизма, размещенная в каретке, которая может свободно перемещаться вдоль закрепленной оси. Внутри корпуса размещено водило в виде тела вращения, повторяющее наружной поверхностью форму внутренней полости корпуса и имеющее прорези вдоль образующей для собачки храпового механизма. Крутящий момент передается непосредственно через водило и собачки на корпус. Свободно перемещаясь вдоль образующей внутренней полости корпуса, собачка уменьшает или увеличивает длину рычага приложения силы. Таким образом, происходит уменьшение силы давления на педали велосипеда."

Вариатор экспериментального гоночного велосипеда "ID Bike". Нидерланды. 1994 г

Сайт компании

testrit2

testsrit_cvt

Голландская компания "ID Bike" решила разработать прорывную модель гоночного велосипеда, который бы отвечал жестким требованиям УСИ, но при этом обладал более эфективной конструкцией. Целью было снизить как аэродинамические так и механические потери. В частности, было решено разработать и использовать вариатор в качестве трансмиссии прототипа рекордного велосипеда. Разработчики посчитали, что применение вариатора позволит добится улучшения приемистости велосипеда и снижение средней затрачиваемой мощности велосипедиста во время соревнований (за счет мгновенного измнения передаточного отношения на оптимальное). Необычный дизайн обеспечил улучшение обтекаемости на 15% по сравнению с традиционным "разделочным" велосипедом и был признан УСИ как тот, что обеспечивает "нечестное" преимущество, и запрещен к участию в соревнованиях. Тем не менее, по заявлниям компании, они "собаку сьели" на велосипедных вариаторах, и готовы оказать инженерные и консалтинговые услуги желающим коммерцианализировать велосипедный вариатор.

"Infinity Drive". США. 2010 г

Статья

В апреле 2010 г известная американская компания ДюПонт (DuPont) выпустила пресс-релиз, в котором сообщалось про начало разработки вело-вариатора, принципиально новой велосипедной трансмиссии. "Традиционная система переключения передач велосипеда служила верой-правдой много лет, но она морально устарела и мы считаем, что можно создать принципиально новую, лучшую велосипедную трансмиссию в виде вариатора. Вариатор будет иметь передаточное отношение от 1,0:1 до 6:1 и обеспечит снижение прилагаемой мощности велосипедистом в среднем на 5% по сравнению с традиционной системой переключения передач. На разработку вариатора уйдет немало времени, но мы решительно настроены разработать и презентовать самую кардинальную инновацию на рынке велосипедов за последние 30 лет".

Список использованых источников

Особая благодарность выражается Ульяновскому В.В., генеральному директору Агентства "ЭТРА" за размещенный на сайте etracab.ru материал про вариатор Б.Фролова.

http://etracab.ru/forum/viewtopic.php?id=912

http://etracab.ru/variatorfrolova.html

http://www.profit2000.ru/variator/

http://investinst.en.ec21.com/Spontaneous_Stepless_Transmission--3375235_3375311.html

http://investinst.en.ec21.com/company_info.jsp

http://3sun.tistory.com/1342

http://www.iitp.net/co/investinst/GC03375235/CA03375311/Spontaneous_Stepless_Transmission.html

http://forums.mtbr.com/showthread.php?t=92341

http://www.cyclebanter.com/showthread.php?t=74094

http://article.joinsmsn.com/news/article/article.asp?total_id=3654176&cloc=

http://velomobile.org/forum/viewtopic.php?f=59&t=4409

http://velomobile.org/forum/viewtopic.php?f=50&t=1886&hilit=%D0%B2%D0%B0%D1%80%D0%B8%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80