Czy układ hydrauliczny może zastąpić sprawdzone rozwiązanie mechaniczne? Studenci amerykańskich uczelni postanowili dowieść, że tak. W jaki sposób? Zastępując rowerowe łańcuchy czymś bardziej wyrafinowanym…
Hydraulika – w powszechnym odbiorze – jest brudna (płyny), hałaśliwa, niedająca się sterować, marnotrawna i zajmuje dużo miejsca. Rowery są czyste, ciche, łatwe do kierowania, wydajne i lekkie. Pierwszy raz w ubiegłym roku potentat hydrauliczny Parker Hannifin zdecydował się na próbę połączenia tych zasadniczo różnych cech. Zorganizował „Wyścig bez łańcuchów”, studencki konkurs wynalazczości, w którym poszczególne zespoły ścigały się na rowerach, w których nie było bezpośredniego połączenia łańcuchem między pedałami a kołami.
LEŻĄCY ZESPÓŁ napędowy,
identyczny z widocznym z prawej
górnej strony. Sukces, jaki odniósł
projekt napędu, wskazuje na ważność wcześniejszych, wszechstronnych prac badawczych
Kilka zespołów rozwinęło nawet dalej ideę konkursu, rozdzielając łańcuchy i koła zębate. Inne z kolei wykorzystały łańcuchy w napędach wyjściowych lub pośrednich, albo też do napędzania pompy przy pomocy pedałów. Wszystko to było dopuszczalne, ponieważ reguły konkursu przewidywały wyłącznie brak łańcucha między pedałami i kołami.
Zdaniem wiceprezesa do spraw techniki i innowacji, Joe Kovacha z firmy Parker Hannifin (który spotkał się z przedstawicielami amerykańskiej redakcji Design News, aby zrecenzować konstrukcje zawodników jakiś czas po wyścigu), pomysł nie polegał na zbudowaniu lepszych rowerów. Ideą konkursu było rozbudzenie zainteresowań studentów – systemami hydraulicznymi. Ma on nadzieję, że pewnego dnia niektórzy z nich zmierzą się z listą spraw sprawiających kłopot. Przyszła oszczędność energii zależy od systemów hydrauliki, bo jest ona… czysta, cicha, łatwa do kontrolowania, oszczędna i niewielka. – Ten konkurs przybliżył nas nieco do tego celu – powiedział Joe Kovach.
Po roku pracy zespoły z dziewięciu uniwersytetów zebrały się w sierpniu ubiegłego roku w parku w Cleveland, aby sprawdzić w praktyce swoje projekty. Zespoły startowały w konkurencjach sprintu i wytrzymałości.
Przebieg konkursu:
Zawodnicy startujący w kategorii wytrzymałości mieli do pokonania trzy okrążenia pętli o długości około 6,4 km, włączając w to wspinaczkę o dystansie około 1,6 km na wysokość 274 m (nachylenie stoku 12%) zaraz po starcie. Każdy z zespołów przewidział dwóch zawodników do realizacji celu wyścigu. Starty odbywały się w odstępach dwuminutowych. Każdemu zespołowi towarzyszyła podczas wyścigu obstawa zabezpieczająca.
Z kolei zawodnicy z kategorii sprintu ścigali się na czas po równym torze o długości 91 m.
I zwycięzcą jest…
Pierwsze miejsce w kategorii ogólnej otrzymała konstrukcja studentów Uniwersytetu w Illinois.
Zwycięzcy wykorzystali pompę zębatą napędzaną łańcuchem, która dostarczała glicerynę do hydraulicznego silnika typu gerotor, zlokalizowanego przy tylnej osi i poruszającego łańcuch i koło łańcuchowe, przymocowane do piasty o siedmiu przełożeniach. Ten „bicykl” uzyskał także wyróżnienie za łatwość produkcji, cechy marketingowe i koszty, a wszystko to stanowiło dodatek do miana zwycięzcy wyścigu po torze zamkniętym.
Uniwersytet w Illinois w rzeczywistości przedstawił dwa rozwiązania – opisane wyżej i drugie, które nie wzięło udziału w konkursie, ale używało identycznego rodzaju napędu. Zespoły spoza listy zawodników współpracowały już wcześniej i poświęciły mnóstwo czasu na badania, łącznie z próbami dynamometrycznymi czterech prototypów.
Sposób napędu tego roweru był niezwykle podobny do rozwiązań zaprezentowanych przez zawodnika z Uniwersytetu w Akron, jak stwierdził Kovach, ale uzyskał przewagę z dwóch najważniejszych powodów: użycie lepkiej gliceryny zamiast płynu hydraulicznego pomogło Uniwersytetowi z Illinois podnieść objętościową sprawność niskoobrotowej pompy zasilającej, czyli coś, czego zespół z Akron dokonał przez rozwiązanie napędu za pośrednictwem eleganckiego reduktora planetarnego, wykonanego specjalnie dla rowerów. – Istotne było to, iż Akron zrezygnował z około 2% sprawności, stosując przekładnię – powiedział Kovach.
Pompa zębata dostarczała 8 cm3 gliceryny przy każdym obrocie silnika, co dawało jeden obrót na każde 12 cm3 odebranego płynu. Wynikłe stąd 66% redukcji mechanicznej było dalej redukowane przez łańcuch i zębatkę do tylnego koła i siedmiobiegową, wewnętrzną piastę.
– Elegancki projekt – jak określił go Kovach.
Drugie miejsce – Uniwersytet Stanowy Murray
Trójkołowiec Uniwersytetu Stanowego Murray wykorzystał dwa akumulatory ciśnienia (naładowane do 170 atm.) do magazynowania energii potrzebnej na sprint. Uzyskanie drugiego miejsca było możliwe dzięki naładowaniu akumulatorów przed startem, przesunięciu zaworu w chwili startu, a następnie wystrzeleniu w kierunku mety w czasie krótszym niż 12 sekund. Stosunkowo ciężki pojazd – 62,1 kg – zwyciężył też w kategoriach wykonania, niezawodności i bezpieczeństwa.
Wyścig w kategorii sprintu był dokładnie tym, co zespół miał na myśli, wyposażając rower w trójdrożny zawór, przez który można było skierować płyn z pedałów do kół, z pedałów do akumulatorów lub z akumulatorów… na koła.
Trzecie miejsce – Politechnika Stanu Kalifornia
Studenci Politechniki Stanu Kalifornia zajęli drugie miejsce w konkursie wytrzymałości. Ich czternastobiegowy rower miał krzywkę i popychacz przy pedałach. Zadaniem popychacza było zasilanie cylindra o podwójnym działaniu (średnica – 31,75 mm, skok – 152,4 mm), który zapewniał przepływ 43 gramów płynu w ciągu minuty przy 90 obrotach pedałów na minutę.
Rower był wyposażony w wzmocniony akumulator, zasilany pompą napędzaną od opony, która mogła być włączana przez zawodnika za pomocą dźwigni zlokalizowanej na górnej części ramy. Akumulator magazynował płyn pod ciśnieniem 6,8 atm.
Orbitalny silnik o masie 2,4 kg w tylnym kole działał za pośrednictwem łańcucha i koła łańcuchowego zwiększającego moment (arsenał Politechniki Kalifornijskiej zawierał także broń w postaci… kolarza liczącego się w klasyfikacji krajowej).
Zdaniem Kovacha, ten zespół uzyskał dobrą równowagę pomiędzy znakomitym… pedałowaniem, a obciążeniem bocznym.
Pozostali zawodnicy, którzy ukończyli wyścig:
Czwarte miejsce przypadło Uniwersytetowi z Akron. Studenci wykonali specjalną ramę i zastosowali specjalną przekładnię planetarną na pierścieniu łańcuchowym, aby zwiększyć szybkość napędzania pompy zębatej. – Uzyskali 12,5 raza wyższe obroty – przy stu obrotach pedałów w ciągu minuty, obroty pompy wynosiły 1250 obr/min, przy których pompa zaczynała wyłączać się po osiągnięciu hydraulicznej sprawności objętościowej – powiedział Kovach.
Dzięki uniknięciu zastosowania akumulatorów jakiegokolwiek rodzaju, zespół uniknął znacznej „kary”, spowodowanej dodatkowym obciążeniem (około 9,1 kg wynosiła masa jednego akumulatora) i doszedł do wniosku, że akumulatory „nie opłacają się”. Studenci używali dwudziestosiedmio-zakresowej przekładni w piaście tylnego koła.
Piąte miejsce – Uniwersytet Zachodniego Michigan. Jako jeden z trzech biorących udział w wyścigu trójkołowców, ten projekt wykorzystał stożkowy wzmacniacz szybkości o przełożeniu 1:6. Funkcja wzmacniacza
polegała na zwiększeniu prędkości obrotowej pompy zębatej. Pompa z kolei napędzała silnik, który obracał tylne koło poprzez przekładnię redukcyjną o stałym przełożeniu 2:1. Studenci użyli pojedynczego akumulatora jako „dopalacza” w konkurencji sprintu. – Nawet bez zmiany przełożenia „jego szybkość była prawidłowa” – powiedział Kovach, określając projekt jako „czysty i lekki”.
Szóste miejsce – Uniwersytet Irvine z Kalifornii. Jedyny rower w tym wyścigu, używający wyłącznie mocy sprężonego powietrza, uzyskał nagrodę za „największą pomysłowość”. Studenci zbudowali 14 akumulatorów o pojemności 3,78 litra każdy, które przetestowali na wytrzymałość wewnętrznego ciśnienia do 20,4 atm. Podobnie jak w rowerze wystawionym do wyścigu przez Uniwersytet Zachodniego Michigan, i tutaj nie użyto łańcuchów.
Dwuczęściowe wykorbienie przy pedałach zwiększało skok dwóch cylindrów powietrznych podwójnego działania o skoku około 50 mm, które ładowały akumulatory. Z tyłu cylinder powietrzny o skoku około 63,5 mm napędzał koło przez ramię z pojedynczym wykorbieniem. Studenci sterowali powietrzem za pośrednictwem cyfrowo sterowanych zaworów synchronizowanych pojedynczym czujnikiem magnetycznym, wykorzystującym efekt Halla, zamontowanym na tylnej szprysze.
*jednostka lepkości kinematycz
Autor: PAUL SHARKE
