Vauhtipyörä''mopo''/polkupyörä

[miikkessio]

Tällanen villi ajatus vauhtipyörällä liikkuvasta pyörästä on ollut mielessänjo pitkään.
Idea siis tämä: Pyörä, jossa on ISO vauhtipyörä kytkettynä polkupyörän polkimiin vaihteet mukaanlukien. Vauhtipyörään poljetaan vauhtia pyörän ollessa paikallaan vaihteita hyväksikäyttäen. Vauhtipyörän pitää siis olla niin iso että mies jaksaa juuri polkea sen kunnon vauhtiin. Tämän jälkeen voima siirretään jonkun sortin kytkimen kautta takapyörälle(joka ei ole polkupyörän). Tämän seurauksena saadaan hullu kiihtyvyys, vai saadaanko?

Toisaalta mahdollista olisi tehdä kaksi tai monta vauhtipyörää ja vaihtaa ajaessa vaihteilla ja kytkimellä seuraavan käyttöön kun edellinen hupenee. Ongelmaksi taitaa kuitenkin muodostua härpäkkeen(ja kuljettajan)painon suhde vauhtipyörään ja ihmisen rajalliset voimavarat, mutta toisaalta pyörään voi integroida esim. Auton starttimoottorin ja vetästä vauhdit pyörään akun kanssa.

Periaatteessa toimii mutta entäs käytännössä? Jos joku käytännön(tai pidemmälle viedyn teorian) ihminen osaisi auttaa, kuulisin mielelläni mitä mieltä olette. Vaikeaa on arvioida kuinka iso ( ja painava) vauhtipyörä vehkeeseen tarvitaan.

Ideoita, ajatuksia?

[Kremmen]

Ihan laskematta vielä mitään heitän arvauksen, että semmoinen vauhtipyörä josta lähtisi riittävästi potkua ollakseen hyödyllinen, on vähän hankala.
Kuten tiedetään hyrrä = gyroskooppi, eli pyörivä massa pyrkii pitämään akselinsa suunnan vakiona. Fillari jossa on nopeasti pyörivä vauhtipyörä kiinni voi olla melkoisen v-mäinen ohjastettava. Voin kohta laskea millaisia kierroksia tuossa tarvitsisi jotta jotain tapahtuisi. Pieni hetki.

[Kremmen]

No niin. Oletetaan vauhtipyörän olevan rautaa (tiheys 7900 kg/m3). Kiekko jonka paksuus on 5 senttiä ja säde 20 senttiä lienee lähellä ylärajaa mitä voi ajatella. Umpiraudasta sorvattuna tällainen painaisi karvan auki 50 kiloa mikä ei ehkä enää ole hirveän käytännöllistä. Palataan siihen kohta.
Jos tuo saataisi aluksi pyörimään 10 kierrosta sekunnissa (600 r/min) niin sen liike-energia olisi aika tarkkaan 2 kJ, vähän alle. Mikäli sitten oletetaan fillarin ja kuskin yhteispainoksi 90 kiloa ja siihen päälle tuo vauhtilimppu, niin ollaan 140 kilossa. Jos limpun kaikki liike-energia saataisi häviöttömästi muunnettua eteenpäin menoksi, niin fillari kulkee 5,29 m/s eli karvan auki kahtakymppiä kun vauhtipyörä pysähtyy. Jos vauhtipyörään saisi vaikkapa 1500 r/min alkupuhtia niin sillä saavutettaisi vastaavasti noin 47 km/h jne.
Vauhtipyörää voi keventää keskittämällä massaa limpun kehälle. Pyörivän systeemin liike-energiahan ei riipu pyörivästä massasta vaan sen hitausmomentista akselin suhteen. Jos massat ovat samat, niin onton sylinterin hitausmomentti on aina suurempi kuin umpinaisen. Johtuu siitä, että onton massa on kauempana pyörimisakselista.
Jos limppu olisikin enempi "vauhtikehä" missä sisäsäde olisi 15 cm ja ulkosäde 20 cm, paksuus edelleen 5 cm niin sen massa olisi enää 21,7 kg mutta hitausmomentti vielä 67% umpilimpusta. Koko fillari+kuski painaisi enää 112 kg ja samalla 1500 r/min alkukierrosluvulla kiihtyisi 44 km/h vauhtiin. Huomattava parannus.
Extreme-esimerkki: vauhtikehä on sentin paksuinen, 5 cm leveä rengas jonka ulkosäde on edelleen 20 cm. Nyt se painaa enää 4,8 kg mutta sen hitausmomentti on yhä 18% umpikiekon vastaavasta. Jos joku hurjapää kiihdyttäisi tuon auton moottorin punaiselle viivalle (6000 r/min) niin liike-energia olisi kunnioitettavat 36,3 kJ ja nyt enää 94,8 kg painava fillari sinkoaisi 99,6 km/h nopeuteen. Tien olisi tosin syytä olla piikkisuora, koska noin kovaa pyörivän limpun prekessiovääntö voi aiheuttaa mielenkiintoisia ilmiöitä kaarteessa.

[miikkessio]

Ohhoh, kiitos hienosta vastauksesta. Tämä toi taas lisää tietoa ja ymmärrystä asiasta. Mutta kuinka paljon tarvitaan energiaa vauhtipyörän surauttamiseen vauhtiin esim. tuossa extreme esimerkissä? Liike-energian 36kJ saavuttamiseen tarvitaan 36kJ =10Wh, 600W minuutin ajan, 1200W puoliminuuttia, 2400W 15 sekuntia. Voiko sen laskea näin ?

[NiVa]

Moikka!

Tässä hyvä clippi aiheesta inertia startti. Elikkä samasta ideasta kyse. Ei aina niin kivaa mekaanikoille.  :P
http://www.youtube.com/watch?v=4Y5LBUVS1T8&feature=related

[Toni]

Ja tässä toinen klippi aiheesta.    http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=vCsS20WJfBI
Isompikin kalusto starttaa veivaamalla.

[Kremmen]

Ohhoh, kiitos hienosta vastauksesta. Tämä toi taas lisää tietoa ja ymmärrystä asiasta. Mutta kuinka paljon tarvitaan energiaa vauhtipyörän surauttamiseen vauhtiin esim. tuossa extreme esimerkissä? Liike-energian 36kJ saavuttamiseen tarvitaan 36kJ =10Wh, 600W minuutin ajan, 1200W puoliminuuttia, 2400W 15 sekuntia. Voiko sen laskea näin ?

Niin siis joule tietty on energian mittayksikkö, että sen verran juuri :)  mutta jos haluat tietää tehon kautta, niin sitten energia on teho * aika kuten tuossa laskitkin. Nuo oli siis oikein laskettu. Toki pitää muistaa ettei häviöitä ole huomioitu vauhtipyörää kiihdytettäessä eikä jarrutettaessa. Äärettömän hyvä suoritus olisi päästä 80-90% hyötysuhteeseen joten alkuperäisestä lähtöenergiasta saataisi hyvässä tapauksessa vaikka noin 0,8^2 = 64% lopulliseksi liike-energiaksi. Eli 36 kJ /0,64 = 56,7 kJ on vähän realistisempi arvio.
P.S. ja edelleenkään ei ole huomioitu kaikkia tosielämän ilmiöitä kuten ilmanvastusta joka nousee nopeuden kolmannessa potenssissa ja tuolla satasen vauhdissa ihan varmasti muuttaa numerot joksikin aivan muuksi. Jos löydän pyöräilijälle jotain viisaita vastuskertoimia niin voin tuotakin mallintaa jos vielä tänä iltana ehtii.

[Kremmen]

Löysin taulukkoarvoja polkupyöräilijälle. Pappamallin polkijalle tarjoiltiin vastuskertoimeksi 1,1 ja tuulipinta-alaksi ~0,5 m2 ja kilpapyöräilijälle vastaavasti 0,88 ja 0,35 m2. Käyttämällä niitä ja kaasuvirtauksen kitkatehon kaavaa, saadaan ilmanvastuksen tehoksi eri nopeuksilla liitteen kuvan mukainen teho. Ja siis tässä ei ole huomioitu rengas- eikä muita kitkoja, vain ilmanvastus. Jos into riittää niin voin koettaa vielä integroida tuon tehohäviön joillain kiihtyvyyksillä niin voisi vähän päästä kärryille mihin vauhtiin fillaristi ehkä yltäisi.

[Maka]

Hiukan aihetta sivuten: Volvo tutkii voisiko jarrutusenergiaa ottaa talteen vauhtipyörällä. Idea oli laittaa tyhjiössä oleva vauhtipyörä pyörimään luokkaa 60 000rpm jarruttaessa. Ei pöllömpi idea  pumppaavaan kaupunkiliikenteeseen näin maallikkopohjalta.

http://www.tekniikkatalous.fi/duuniauto/volvon+vauhtipyora+pyorii+60+000+kierrosta+minuutissa/a634840

[miikkessio]

Tuon kuvaajan perusteella ajoasennossa kannattaa suunnata mahdollisimman matalaprofiiliseen. Kesällä vois kyllä tälläsen värkätä, jos vaan teoriassa mahdollista. Tosin sorvin puuttuminen tuo pieniä mutkia matkaan, mutta kait nuo ammattilaisella saa teetettyä.

Meinasinkin unohtaa jo koko kytkimen, mistä sopiva kytkin kytkemään veto vauhtipyörästä renkaalle? Joku DIY hihnakiristys voi olla aika loppuunpalanut yhden lähdön jälkeen. Seuraavaksi tuli mieleen vanha rikkinäisen mopon / pienen moottoripyörän alakerta jossa kytkin toimii, siitä turhat osat pois ja kytkin käyttöön. Taino mikseipä samantien vaihteita käyttöön :D

E: Kampiakselille veto vauhtipyörästä ja ketjut alakerralta suoraan takapyörälle, lähtiessä voi kokeilla parhaan vaihteen valmiiksi silmään tai vaihtaa vaihteita kiihdyttäessä.

[Kremmen]

Jenkki sanoo, että 'the devil is in the details', niin tässäkin. Mekaanisen kytkimen käyttöön liittyy yksi iso ongelma: luistaessaan kytkin hukkaa "välityssuhteen" lämmöksi ja tässä siihen olisi varmaan aika huonosti varaa. Otetaan ihan hatusta esimerkki helpoilla numeroilla:
Vauhtipyörä pyörii alussa 628 radiaania sekunnissa (6000 r/min). Kytkintä kiristetään niin, että sen yli välittyy vaikka 10 Nm vääntömomentti. Vauhtipyörästä otetaan siis lähtöhetkellä tehoa 6,8 kW. Kun varsinainen polkupyörä ei nollahetkellä liiku mihinkään, menee koko tämä teho lämmöksi kytkimessä. Tätä lystiä aiemman esimerkin vauhtipyörä jaksaisi viitisen sekuntia.
Kytkimen yli välittyvä vääntömomentti kuitenkin alkaa vänkäämään voimansiirtoa liikkeelle. Kuinka nopeasti se tämän tekee, riippuu tietenkin välityssuhteesta. 28 tuuman fillarinrenkaalle välityssuhde 6000 r/min vastaamaan 30 km/h olisi noin 27. Kytkimen vääntö tuottaisi koko välityksen yli 750 newtonia työntöä, eli noin 76,5 kiloa. Kyllä se pyörä liikkeelle lähtisi. Nyt päästäänkin heti seuraavaksi siihen, miksi autoissakin on vaihdeloota: liikkeellelähdössä voimanlähde ja kuorma kytkeytyvät huonosti toisiinsa jos välityssuhde on iso. Jos se taas on pieni niin liikkeelle päästään äkkiä mutta vauhti ei kasva.
Mekaaninen kytkin ei liene paras ratkaisu, vaan tässä pitäisi toteuttaa jonkinlainen Leonard-käyttö. Eli että limppu pyörittää generaattoria jonka sähköllä väännetään moottoria. Tasavirtakone (esim) vääntää hyvällä hyötysuhteella paikaltaan lähtien jolloin vaihdelaatikko-ongelmaa ei tule. Jää vain moottori-generaattorin hyötysuhteet jotka on luokkaa 80-90% kuten aiemmin totesin. Tällä systeemilla saa jarrutustehon myös varastoitua limppuun kun moottori ja generaattori vaihtavat paikkaa. Tasavirtakoneilla tuo on "lapsellisen" helppoa, mutta onnistuu jotenkin toki myös BLDC- tms koneilla.
Kannattaa kuitenkin tehdä aika tarkat paino- ja hyötysuhdelaskelmat ennekuin alkaa rakentelemaan kovin pitkälle. Ettei hyöty osoittaudukin haitaksi...

[miikkessio]

Pyörän tarkoitus on siis kiihdyttää laite ja kuljettaja mahdollisimman nopeasti nopeuteen x, joilloin kiihtyvyys on mahd suuri. Tarkoitushan on antaa kuljettajalle mahdollisimman kovat kiksit kiihtyvyydestä. Pointtina on että ''polkupyörällä'' (joka on täysin laillinen kulkupeli) saavutetaan hullu kiihtyvyys(ja noupeus sivutuotteena). Voi olla että jää mahdottomaksi jo teoriassa koko laite, mutta hullu päähänpistohan tämä olikin :)

[mpr]

Ilman noita hulluja päähänpistoja, olisi moni nykyaikana yleisessä käytössä oleva laite jäänyt tekemättä  :D. Ei sen puoleen jotkut olisi saaneetkin jäädäkin keksimättä  ;).

[senaattori]

Eihä se nimi suatta oo "HUIMAPYÖRÄ" ::)

[mpr]

Nyt menee aiheen sivuun mutta tuo, HUIMAPYÖRÄ innoitti laittamaan tälläisen linkin
http://www.youtube.com/watch?v=K4YmVP6i4qw
Tuota sanoisin hulluksi päähänpistoksi :D

Tämä liippaa lähempää aihetta.
http://www.youtube.com/watch?v=vGGlODF7_RY&feature=related