1.2.2 Кинетические механические накопители

1.2.2.1 Колебательные (резонансные) накопители энергии

В колебательных накопителях кинетическая энергия накапливается в возвратно-поступательном (линейном или вращательном) движении груза за счёт резонанса. При этом энергия должна как подаваться, так и расходоваться порциями, попадая «в такт» с движением груза [2]. Это сразу усложняет механизм и делает его достаточно капризным в настройке. Используется во всех механических часах с пружинным или гравитационным маятником. По причине порционности и «капризности» более подробно данный механизм в дальнейшем нами рассматриваться не будет.

Рис. 3 Пружинный маятник в часах

1.2.2.2 Гироскопические накопители энергии

В гироскопических накопителях энергия запасается в виде кинетической энергии быстро вращающегося маховика. Последние разработки в этой области, позволяют запасать энергию до 2-3 ГДж/кг [7]. Однако, такие маховики очень дороги и сложны в изготовлении, кроме того, скорость вращения маховика достигает десятков тысяч оборотов в минуту, что подразумевает весьма сложную систему преобразования крутящего момента. По этой причине данный накопитель энергии исключается.

Рис. 4 Супермаховик Нурбея Гулиа

1.2.3 Механические накопители энергии с использованием сил упругости

1.2.3.1 Пружины сжатия и растяжения

С точки зрения классической физики, пружины сжатия и растяжения накапливают потенциальную энергию путем изменения расстояния между атомами эластичного материала. Витые металлические пружины преобразуют деформацию сжатия/растяжения пружины в деформацию кручения материала, из которого она изготовлена, и наоборот, деформацию кручения пружины в деформацию растяжения и изгиба металла, многократно усиливая коэффициент упругости за счёт увеличения длины проволоки противостоящей внешнему воздействию.

Рис. 5 Пружина сжатия

Энергия, запасаемая в пружине сжатия/растяжения будет равна:

(2)

где: x – рабочий ход пружины (на рисунке x= );

k – коэффициент жесткости.

Для запасания необходимого количества энергии, требуется пружина, сравнимая размерами, с пружинами, используемыми в автомобильной подвеске. Вкупе со сложностями перевода поступательного перемещения пружины во вращательное движение колеса, это является достаточным поводом отказаться от использования данной пружины как аккумулятора энергии.

1.2.3.2 Плоские спиральные пружины

Плоские спиральные пружины, также называемые ракушечными, достаточно компактны, энергоемки, и кроме того, запасают именно крутящий момент, что и требуется в нашем случае. По этим причин остановим свой выбор на них.

2. ТЯГОВО-ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ВЕЛОСИПЕДА

2.1 Исходные данные

Велосипед – Stels Pilot 510;

Модель - 2009 года;

Тип - подростковый;

Область применения - дорожный, городской;

Масса велосипеда - - 15 кг;