Гибридный электровелосипед

future-bike-2Проверенный временем суппорт, состоящий из педалей, цепной передачи, втулки или переключателя скоростей, не выходил из моды больше века. И в ближайшем будущем, скорее всего, никуда не денется. Однако пытливые умы и не думают прекращать свои изыскания, и один из таких умов — Фрэнк Мюллер, который весьма необычно смотрит на будущее велосипедной трансмиссии.

Вдохновение

Изначально Фрэнк хотел создать более эффективный электрический велосипед. Сам электромотор довольно легко можно сделать эффективным, но вот велосипед как систему взаимосвязанных механизмов — это довольно затруднительно. Моторы, как правило, работают эффективно лишь в определенном диапазоне скоростей. Чтобы двигатель вращался на скорости, близкой к идеальной, он должен быть размещен недалеко от педалей, как на приводной системе Panasonic, которой оснащены велосипеды Giant Twist.

Этот механизм связывает скорость мотора с удобным ритмом вращения педалей, умело используя человеческий «движок» для выбора наиболее подходящей шестерни как для мышц ноги, так и для электромотора. Как правило, такая система работает исправно, но скорость вращения мотора все еще очень изменчива, плюс потери на трансмиссии, и в итоге эффективность в большинстве случаев не превышает даже 60%. Другими словами, типичный велосипед с электроприводом, оснащенный тяжелым и дорогим аккумулятором, расходует 40% энергии впустую. Если быть до конца справедливым, то он дает лучшую производительность, чем большинство двигателей внутреннего сгорания, но на велосипеде, где вес — важная характеристика, эта производительность неоправданно низка.

К тому же большинство транспортных средств на электроприводе сбрасывают мощность на спусках. Мотор может переключаться в режим генератора и заряжать аккумулятор энергией. Но… К великому нашему сожалению, эффективность рекуперации энергии столь низка, что серьезно говорить о ней пока не приходится. Боимся, что еще долго.

Как же можно усовершенствовать эту систему? Похоже, существует несколько способов.

Новая технология

Если не углубляться в технические детали, большие моторы с «индукцией» и «переключаемым магнитным сопротивлением» уже доступны, и они гораздо более эффективны, чем старые модификации. Если соединить все лучшее из этих моделей, то не останется никакой причины против создания нового небольшого «гибрида», переключающегося тихо и почти без трения, в какую бы сторону вы ни повернули колесо, а также достаточно легкого и эффективного для того, чтобы пристроить его внутри обычной велосипедной втулки. Такой мотор будет помогать при подъеме в гору и при торможении во время спуска. Правда, ни одна из этих новых моделей еще не оптимизирована для легких средств передвижения, но инженеры работают над этой проблемой.

future-bike-3

Сегодня моторы и шестерни, как правило, слишком грубы и шумны, поэтому, будучи разомкнутой, система тратит слишком много времени на подключение.

Новый гибридный мотор, встроенный в переднюю ступицу, может развивать скорость 3 тыс. и больше оборотов в минуту при помощи одноступенчатого эпициклического отверстия. Такой мотор будет эффективно работать в широком диапазоне скоростей, при этом обеспечивая как набор скорости, так и торможение.

Это отличная идея, но главная изюминка этого концептуального прорыва заключается в ее развитии: создать совершенно новую систему привода велосипеда, основанную на электробензиновом «гибриде» Toyota Prius, но скомбинировать в ней мощность электричества и человеческую силу.

Toyota Prius

Появившись в 1997 году, Prius выиграл много наград, что совсем не удивительно. Этот на первый взгляд обычный автомобиль работает на маленьком и относительно эффективном бензиновом двигателе, который соединен с планетарными зубчатыми колесами и эпициклической коробкой передач.

Этот же компактный и эффективный девайс используется в шестернях втулки, но в данном случае его цель состоит в том, чтобы расщепить вращающий момент на два потока: первый — через солнечную шестерню, чтобы включить электрический генератор, а второй — через выходную кольцевую шестерню к колесам машины. На одних моделях колесный вал может получить дополнительный крутящий момент от электродвигателя, а на других мотор расположен в задней части автомобиля для обеспечения полного привода.

future-bike-4

Название «гибридный синергетический привод» может показаться слишком сложным, но эта система заменила обычное сцепление и коробку передач. Более того, она выполняет большинство функций торможения, потому что механизм «расщепления крутящего момента» функционирует как бесступенчатая трансмиссия. На низких скоростях бензиновый двигатель выключается, а мощность берется из аккумуляторов через электромотор. А когда автомобиль разгоняется, включается бензиновый двигатель, забирая мощь из эпициклической коробки передач. Сперва выходной вал и колеса вращаются медленно, поэтому большая часть энергии перенаправляется с помощью генератора и конвертируется в электрическую мощность, которую потребляет мотор. Это можно назвать первой передачей. Так как скорость растет, эффект торможения генератора постепенно увеличивается при помощи электроники, переводя все больше и больше доступного крутящего момента напрямую к колесам, а маленький процент превращается в электроэнергию при помощи генератора. При превышении определенного порога скорости движения генератор дает наивысшее электрическое сопротивление, а автомобиль при этом развивает самую высокую скорость.

Так как ресурсы двигателя ограниченны, а дорожные условия изменчивы, количество энергии, которое перетекает от генератора к мотору, постоянно корректируется, тем самым сохраняя оптимальную скорость бензинового двигателя почти при любых условиях. На испытательном стенде в обоих случаях входящая мощность разделяется на механическую и электрическую, которые снова объединяются на стадии выхода.

Резкое ускорение осуществляется за счет дополнительного питания от аккумуляторов, которые будут заряжаться от генератора во время снижения нагрузки или во время торможения. Когда дело доходит до езды по городу (медленное передвижение с частыми остановками), неэффективный бензиновый двигатель выключается и на сцену возвращается дуэт аккумулятора и электромотора. Расщепление крутящего момента позволяет создать «умную» трансмиссию, чтобы наилучшим образом использовать всевозможные характеристики электромотора и бензинового двигателя. То же самое можно организовать в отношении электромотора и человеческого «движка». Не обращая внимания на встроенный аккумулятор, велосипедист будет крутить педали как обычно, и получившаяся мощность будет передаваться к задней ступице с помощью цепной передачи.

Какая-то часть человеческих усилий будет направлена напрямую к колесу, а оставшаяся энергия будет перенаправляться с помощью электрической цепи генератора/мотора, как и на Prius. Когда вы въезжаете на холм, колесо начинает замедляться, что приводит к увеличению крутящего момента при запуске генератора. Электрической мощности от генератора нужно пройти всего лишь несколько сантиметров к электромотору/генератору, в то время как в обычных велосипедах механическая энергия передается ступице через вторую эпициклическую коробку передач.

Возможно, это выглядит сложно, но детище Мюллера содержит меньше деталей (и гораздо меньше изнашиваемых деталей), чем стандартная пятискоростная втулка, не говоря уже о том, что она полностью автоматическая. И, разумеется, эта система годится для того, чтобы оснастить ее электропитанием, ведь для того чтобы превратить обычный велосипед в гибрид, нужен всего лишь один аккумулятор и несколько связующих цепей. Как и на Prius, аккумулятор будет обеспечивать дополнительную мощность для ускорения и подъема в гору, попутно поглощая мощность, генерируемую при спуске, которая в старой модели расходовалась бы впустую. В подходящих условиях можно просто крутить педали и заряжать при этом аккумулятор. Главное отличие состоит в том, что при поездке по городу, когда нужно часто останавливаться, в Prius бензиновый мотор выключается, а в гибриде основная нагрузка ложится на ноги велосипедиста, а не на аккумулятор.

Новая эра

Трансмиссия с «расщеплением крутящего момента» может обеспечить велосипеды, которые ранее приводили в движение только люди (возможно, не без помощи от аккумуляторов), доселе невиданными возможностями.

Что касается человеческого «движка», эта система представляет собой полную бесступенчатую трансмиссию без звездочек и скоростей, о которых нужно постоянно беспокоиться. Будучи установленной, она обеспечивает и постоянный входящий крутящий момент и постоянный ритм вращения педалей (или их комбинацию), а также поддерживает их оптимальный уровень при любых условиях. Велосипедист просто направляет своего железного коня и начинает крутить педали. Таким образом, отсутствует ударная нагрузка от частого переключения скоростей, а следовательно, на техническое обслуживание потребуется меньше времени.

future-bike-5

Кроме того, появится возможность уменьшить размер и вес таких деталей, как колеса и цепь. А учитывая, что мы имеем мотор, который может функционировать как генератор и превращать тепло от торможения в мощность, велосипед можно оснастить небольшим аккумулятором или даже «суперконденсатором» для хранения в нем энергии от торможения. Это также избавит от необходимости в мощных тормозах, так что можно будет уменьшить их вес и размер.

Несмотря на то, что эта система буквально напичкана технологиями, она достаточно проста и ею без труда можно оснастить обычный велосипед. Всего лишь одна деталь заменяет собой звездочки, уменьшает вес и сложность тормозов и трансмиссии. А на электровелосипеде она заменяет электромотор, проводку и контрольно-измерительные приборы.

Факт или фантазия?

Насколько возможна эта технология? С точки зрения автомобиля эта система довольно проста, но если экстраполировать ее на велосипед, появляется ряд проблем. Покупатели Prius изначально были озабочены надежностью новых электрических компонентов (особенно аккумуляторов), но Toyota была достаточно уверена в своих силах и предложила 100 000-мильную гарантию к своему гибридному двигателю, который в результате оказался весьма надежным. Мюллер уже работает с деловыми партнерами в Тайване, намереваясь наладить массовое производство своего новшества. Ориентировочная цена — всего несколько сотен долларов. Система будет предназначена для установки на новые велосипеды и/или для продажи в качестве отдельного аксессуара.

Будущее ближе, чем выдумаете!

0