Велогибриды как элемент транспортной системы городов будущего

Аннотация

Работа состоит из двух частей. В первой части проведен анализ существующих вариантов компоновки электровелосипедов различных стран‑производителей. Определены их преимущества и недостатки. Подробно рассмотрена конструкция велогибрида с энергоустановкой – мотор‑колесо. Во второй части приведен анализ создания велополитена – отдельного комплекса сооружений, позволяющего безопасное передвижение для велосипедистов в условиях большого города. Такой комплекс сооружений уже введен в эксплуатацию в городе Москва. Комплекс включает в себя эстакаду с уклоном вниз протяженностью сотни метров для движения под действием силы тяжести; эстакада с уклоном, на которой размещено специальное транспортирующее устройство; переходные участки между эстакадами с уклонами разных знаков; терминалы для въезда и выезда, которые примыкают к переходным участкам. Элементы объединены в систему с подъёмным транспортным устройством.

Введение

В связи с увеличением количества автомобилей и других видов городского транспорта, использующих невозобновляемые источники энергии, возникают такие проблемы, как перегрузка городской дорожной сети (транспортные пробки в дорожном движении), ухудшение безопасности дорожного движения, загрязнение окружающей среды (доля автомобильного транспорта в суммарных выбросах загрязняющих веществ в атмосферу всеми техногенными источниками достигает 80 %), негативно влияние на людей шума от автотранспорта и т.д.

Для решения этих проблем требуется развитие других видов транспорталишённых, как правило, недостатков автотранспорта и обладающих особыми преимуществами перед ним. Один из них – велотранспорт. Велосипед – самый распространённый, доступный и дешёвый представитель велотранспорта (велосипеды, веломобили, средства транспорта для лиц с ограниченными возможностями и пр.). Как полноправное транспортное средство в городе, велосипед, несмотря на известные недостатки (сезонность, зависимость от погоды и др.), решает проблемы, связанные с увеличением пропускной способности дорог благодаря маневренности, компактности на дороге и при парковке;

• экологичностью (не выделяет вредных веществ в атмосферу);
• перераспределением пассажиропотоков в городе (самостоятельное передвижение велосипедистов по городу);
• транспортной доступностью;
• сохранением и укреплением здоровья городскими жителями и т.д.

Если раньше мы видели на улицах однотипные велосипеды, то сегодня все чаще людей, которые катаются на настоящих электровелосипедах, известных под названием велогибриды.

В Евросоюзе к 2050 году собираются убрать с городских улиц транспорт с бензиновыми ДВС. Вывод очевиден – скоро все будем ездить на альтернативных электротехнических транспортных средствах. В 2015 году в Германии продано 250000 велогибридов. Рынок велотехники переживает настоящий бум.

Основная часть

Как свидетельствуют многочисленные публикации, электрическая энергия успешно применяется в гибридных трансмиссиях. Технологическим центром, где разрабатываются новые модели велогибридов является Западная Европа, Япония, США, которая тоже успешно работают в этом направлении. Производства многих фирм находятся в Китае. Наблюдается четкая тенденция к увелечению мощности двигателей. Применяются дорогие системы фирм Shimano, SRАМ, UВС, ЕLТREКO и др [3].

Цель данной статьи – анализ конструктивных решений элементов электропривода при разработке рабочих моделей велогибридов и организация велоинфраструктуры.

Мы находимся в самом начале пути по изучению эксплуатационных свойств электровелосипедов. Хотелось бы привлечь внимание специалистов к этой весьма многоплановой и интересной проблеме, связанной с эксплуатацией велосипедов и электровелосипедов.

Можно очертить круг проблем, возникающих при эксплуатации такой техники:

• устройство электровелосипедов и их эксплуатационные характеристики;
• проблемы поведения велосипедиста на дорогах общего пользования;
• вопросы влияния эксплуатируемых транспортных средств на здоровье населения нашей страны.

Обратимся к устройству электровелосипедов. Базовым элементом современных машин является мотор‑колесо. Это трехфазная электромашина переменного тока, высокие удельные характеристики которой определяются применением постоянных сверхсильных ниобийсодержащих магнитов. Выпускается довольно широкая номенклатура мотор&‑колёс по номинальной мощности и напряжению питания: 24 В / 250 Вт; 36 В / 350 Вт; 48 В / 500 Вт; 60 В / 750 Вт, 1000 Вт и 1500 Вт. Как видно из этого ряда, напряжение питания мотор‑колес выбирается кратным 12 В. Это определяется напряжением, пока что наиболее распространенного свинцовокислотного аккумулятора. Большинство двигателей, кроме самых мощных, рассчитаны на номинальный ток 10 А. Надо сказать, что применяемые мотор–колеса легко выдерживают трехкратную перегрузку по току в течение 5 минут. Ресурс мотор‑колеса определяется состоянием применяемых подшипников и достигает 50–100 тыс. км [1, 2].

Следующим элементом рассматриваемого электропривода является контроллер. Основное его назначение заключается в вырабатывании трехфазного импульсного напряжения для питания мотор‑колеса. Для обеспечения обратной связи между двигателем и контроллером в двигателе установлен трехфазный датчик Холла, сигналы которого задают частоту и фазу трехфазного напряжения, вырабатываемого контроллером.

Текущая мощность двигателя определяется длительностью трехфазных импульсов генерируемых контроллером. В свою очередь, длительность этих импульсов регулируется велосипедистом посредством ручки газа. Кроме этого, контроллер имеет вспомогательные функции: выключение питания электродвигателя при торможении и ограничение максимальной мощности. Для выключения питания двигателя при торможении ручными тормозами электровелосипед комплектуется специальными ручками тормозов, оснащенными контактами, которые замыкаются при попытке затормозить. Сигнал от этих контактов поступает на контроллер и отключает питание двигателя. Ограничение максимальной мощности, прежде всего, необходимо для получения приемлемых показателей пробега на одном заряде аккумуляторных батарей [3].

Третьим и наиболее слабым элементом велосипедного электропривода является аккумуляторная батарея. Пока что наиболее распространенным источником энергии являются привычные автомобилистам свинцово‑кислотные аккумуляторные батареи в несколько модернизированном варианте. Это так называемые АСМ – гелиевые аккумуляторы. Во‑первых, они полностью герметичные; во‑вторых, в электролит добавлено специальное вещество, превращающее его в гель, в‑третьих, в литейный сплав из которого льют решетки аккумуляторов, вместо сурьмы добавляют кальций. В результате такие аккумуляторы вдвое дороже аналогичных, например, мотоциклетных. Приобретенные нами четыре аккумулятора 12 В 12 А/ч, обеспечивают пробег электровелосипеда на одном заряде от 20 до 40 км.

Величина пробега зависит от стиля езды и степени пересеченности местности. Вес батареи из четырех таких аккумуляторов составляет 16 кг. Срок службы 7 лет, выдерживают от 300 до 500 циклов заряд‑разряд, время зарядки – 8 часов.

Уже появились в эксплуатации новые литий‑ферум‑фосфорные аккумуляторы, которые обладают совсем другими характеристиками: они выдерживают 2000 циклов заряд‑разряд, вес батареи 48 В – 5 кг, номинальный разрядный ток 80 А, время зарядки – 2 ч.

На базе таких аккумуляторов разрабатывается уникальный городской электровелосипед на базе серийного велосипеда Viva , который весит 15 кг. Одной из важнейших эксплуатационных характеристик электровелосипеда является наличие рекуперации или электротормоза. Серийно выпускаемые контроллеры не имеют такой функции. Поэтому мы начали исследования с целью создания таких систем.

Хочется сказать несколько слов о безопасности езды на велосипедах.

В Европе проблемы этой не существует. Велосипеды являются равноправными участниками дорожного движения. Для них выделена полоса движения, оборудованы стоянки для хранения велосипедов.

Развитие велотранспортной системы городов Казахстана, особенно таких больших, как Алматы и Астана, включает организацию сети велотранспортных коммуникаций, строительство новых объектов велоинфраструктуры, создание развитой велокультуры.

Особенностью велотранспорта как необходимой составляющей транспортной системы больших городов является то, что он дает возможность жителям городов автономно и самостоятельно передвигаться на короткие расстояния с минимальными затратами средств и времени при значительном оздоровительном эффекте, отсутствии загрязнения воздуха, нарушений экологии, при повышении персональной и деловой мобильности населения в городской агломерации, в условиях облегчённой транспортной доступности и связности территориальных районов, сбалансированности транспортной подвижности населения с разным уровнем жизни.

Объекты велотранспортной инфраструктуры городов включают: велодорожки, мостовые сооружения для пропуска велосипедного движения над или под препятствиями или транспортными магистралями, велосипедные стоянки, автоматизированные велосипедные парковки, велогаражи, велохостелы, велоремонтные мастерские, пункты велопроката, веломагазины запчастей, велополитены и др.

Велосипед, имеющий, как правило, одну колею движения [1], может стать эффективным транспортным средством городской транспортной сети лишь при условии обеспечения его сохранности в местах, которые посещает велосипедист. То есть одновременно с проектированием сети велодорожек проектируются велопарковки, велогаражи, пункты велопроката, велохостелы и другие объекты велотранспортной инфраструктуры.

При размещении велопарковок рассматриваются все траектории движения велосипедистов к велостоянкам и от них, включая пешие, и устраняются помехи и возможные риски для велосипедистов и пешеходов. В местах интенсивного пешеходного движения, у границ пешеходных зон следует предусматривать велопарковки, чтобы велосипедисты могли продолжить движение пешком.

Особняком среди транспортных сооружений для велодвижения стоит велополитен как основной элемент велотранспортной системы, функционирующей в составе общей транспортной системы города, которая способна обеспечить значительный объём пассажирских перевозок в актуальном сегменте маршрутов от 2 до 15 км.

Горожанин с удовольствием поедет на велосипеде, если крутить педали можно будет по желанию, а не по необходимости. Для этого можно оснастить велосипед электродвигателем и аккумуляторной батареей. Но это значительно утяжелит его и в разы увеличит стоимость, если для движения пользоваться батареей с большой ёмкостью.

Концепция велополитена состоит в использовании специального пути (велодорожки), который позволяет велосипедисту накапливать потенциальную энергию за счёт подъёма на участке с большим уклоном, а затем расходовать её при движении вниз по участку с малым уклоном. Подъём осуществляется за счет стационарного двигателя, спуск – под действием силы тяжести.

Разработанный Велополитен Московского автодорожного института (далее МАДИ) состоит из следующих основных элементов (рисунок 3): эстакада с уклоном вниз 1,5–2,5 % протяженностью сотни метров для движения под действием силы тяжести со скоростью 15–30 км/ч; эстакада с уклоном вверх 30–75 %, на которой размещено специальное транспортирующее устройство; переходные участки между эстакадами с уклонами разных знаков; терминалы для въезда и выезда, которые примыкают к переходным участкам.

Элементы объединены в систему с подъёмным транспортным устройством.

Система рассчитана на движение со скоростью от 15 до 30 км/ч. Минимальная скорость обеспечивается уклоном, она развивается без каких–либо усилий со стороны велосипедиста. Скорости в 30 км/ч можно достичь, приложив мускульную силу или включив электродвигатель. Для обеспечения выбора комфортной для человека скорости и возможности обгона предусмотрено несколько полос движения.

На подъезде к подъёмному участку система оборудована фотоэлементом, реагирующем на движение и отслеживающим интенсивность движения на спуске. Если она соответствует пропускной способности подъёмного устройства, то автоматическое заграждение перед зоной погрузки открыто, пользователь свободно въезжает в эту зону и, попав на подъёмную платформу, поднимается. Если интенсивность движения на спуске выше пропускной способности устройства, автоматическое заграждение пропускает пользователей в режиме максимальной пропускной способности подъёмной машины.

Подъёмный механизм синхронизируется с движущимся к зоне подъёма пользователем благодаря фотоэлементу. При попадании пользователя в зону старта платформы платформа подаётся в зону загрузки и замедляется, открывается задний барьер безопасности, и пользователь въезжает на платформу по встроенному пандусу. После загрузки закрываются барьеры безопасности, и платформа, ускоряясь, поднимается.

По достижении зоны выгрузки платформа вновь замедляется, открывается передний барьер безопасности, пользователь съезжает с платформы и попадает в зону спуска с первоначальным уклоном 12 % (на протяжении 20 м) и последующим уклоном 2 % (оставшиеся 980 м). Получив сигнал от весового датчика, что пользователь съехал, платформа возвращается к зоне погрузки, закрывается передний барьер безопасности.

Подъёмное транспортное устройство для Велополитена МАДИ, разработанное на основе технического решения по патенту РФ [2], представляет собой платформу, которая движется по горизонтальной траектории при заезде на неё велосипедиста, а затем продолжает движение на подъём с сохранением горизонтального положения велосипеда, при этом можно достичь максимального комфорта и скорости при движении вверх, что требуется условиями Велополитена МАДИ (Рисунки 4 и 5).

Эстакада для Велополитена МАДИ представляет собой сооружение, не имеющее аналогов в практике мостостроения. Это крытые проветриваемые секции эстакады с пролетами 40–100 м, располагающиеся на небольшом (1,5–3 %) уклоне.

Основное их отличие – нагрузка только от участников велодвижения. Поскольку число таких участников лимитируется подъёмными устройствами, оно невелико в пределах одной секции эстакады. Нагрузка от велодвижения в нормативном состоянии минимальна, эстакада в основном сопротивляется внешним природным воздействиям (температура, снеговая нагрузка, воздействия ветра). Эстакада изготавливается из композиционныхматериалов в виде ферм с треугольной решеткой.

При проектировании отдельных участков велосети (велодорожек) создаются веломаршруты, удобные для людей, использующих велосипед как транспорт, чтобы ездить на работу, по своим делам, на отдых

В сеть велосипедных маршрутов включаются:

• радиальные маршруты – из спальных районов в центр;
• маршруты из города в пригороды и места рекреации;
• маршруты, соединяющие соседние районы города;
• внутрирайонные маршруты.

Увеличение объёмов велосипедного движения в городах Казахстана, особенно таких больших, как Алматы и Астана, даст следующие результаты:

• позволит удовлетворять запросы всех групп населения города независимо от их социального статуса на транспортную мобильность при значительно более низком уровне расходов;
• улучшит экологическую обстановку в городе, так как в отличие от моторизованных городских транспортных средств не загрязняет окружающую среду, не выбрасывает парниковых газов и не вызывает шумового загрязнения среды обитания;
• существенно снизит людские потери на дорогах, поскольку велотранспорт представляет меньшую опасность, чем автотранспорт;
• существенно сократит транспортные заторы (пробки на дорогах) и приведет к значительно более эффективному использованию дорожного пространства;
• решит проблему транспортной мобильности городского населения оптимальным путём, так как обеспечит сочетание велосипедного транспорта в пределах мегаполисов, городов и посёлков, пригородных зон с междугородным общественным транспортом и личным автотранспортом;
• даст возможность молодым и пожилым гражданам полностью реализовать свои права на транспортное перемещение за счёт использования полезного для здоровья и экологичного велотранспорта;
• позволит занять определенное место на рынке городских грузовых перевозок;
• снизит зависимость городского транспорта в условиях сбоев в работе систем энергообеспечения или нарушения поставок энергоресурсов и т.д.

Выводы

Рост городского велодвижения в в городах Казахстана идёт поступательными темпами, разрабатываются программы по развитию транспортной инфраструктуры, в том числе велоинфраструктуры; особенно таких больших, как Алматы и Астана у промышленных и культурных объектов, у учебных заведений и др., организуется велопрокат, строятся велодорожки, велохостелы и т.д.

Велосипед – это одна из возможностей вести активный образ жизни; при этом можно совмещать приятное с полезным, например, ездить на велосипеде на работу. Но при этом существует много обстоятельств, препятствующих слабым или тучным людям ездить на работу на велосипеде. Это и большие расстояния, и сложный рельеф местности, и, наконец, потливость. Электровелосипед позволяет преодолеть эти трудности и приехать на работу, зачастую быстрее, чем даже на автомобиле, при этом оставаясь свежим и получить возможность размяться по дороге на работу при движении по прямой и на спусках. В то же время, пробки на дорогах и менталитет казахстанских водителей зачастую приводят к тому, что на автомобиле мы приезжаем на работу далеко не в лучшем настроении. Однако перед интенсивным развитием городского велосипедного движения, значительно уменьшающим негативное воздействие процесса автомобилизации на окружающую среду и на человека, стоит еще немало проблем, требующих решения.

Список использованной литературы

1. Гаевский В.В., Подольский М.С. Одноколесные транспортные средства – обобщенная классификация // Вестник МАДИ. – Вып. – 4 (31), 2014. – С. 3–6.
2. Приют для велосипедиста // Мой район (газета больших городов). – № 16 (529). – 2013. – С. 4.
3. Сленцов М.А. Основы электрического транспорта / Сленцов М. А. – М. : Академия, 2004. – 464 с.
4. Чаплыгина Д.В. Проблемы траспортной инфраструктуры в современном городе. Пути решения. Велотранспорт // Наука, образование и культура. – № 8 (11). – 2016. – С. 27.