WO2003080208A1 - Self-aligning toy car using inertial energy - Google Patents
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Abstract
The invention relates to a toy car (1) comprising an upper body (2) and a chassis (3) having an inertia ball (5) trapped therebetween. When the inventive toy car (1) is pushed briefly by hand, said inertia ball rolls on the support surface (8). After the chassis (3) is pushed, the kinetic rolling energy accumulated in the inertia ball (5) is transmitted to the toy by means of one or two point contacts between the inertia ball (5) and the front edge of a polygonal opening (4) which is disposed in the chassis (3) in front of the centre of resistance of the car, said centre of resistance being defined by the resultant of the friction forces acting on the wheels (6) of the toy.
Description
VEHÍCULO DE JUGUETE AUTOALINEABLE CON ENERGÍA DE INERCIA SELF-ALIGNABLE TOY VEHICLE WITH INERTIATE ENERGY
La presente invención se refiere a un vehículo de juguete, que al ser empujado momentáneamente pone en movimiento un elemento de elevada inercia que devuelve la energía almacenada en el mismo al finalizar el empuje exterior. El vehículo presenta una disposición tal del elemento de elevada inercia que se reducen las pérdidas por fricción en el mismo, a la vez que confiere al vehículo características autoalineables mejoradas respecto a las realizaciones conocidasThe present invention relates to a toy vehicle, which when pushed momentarily puts into motion a high inertia element that returns the energy stored therein at the end of the external thrust. The vehicle has such an arrangement of the high inertia element that friction losses in it are reduced, while at the same time giving the vehicle improved self-aligning characteristics with respect to known embodiments.
La utilización de bolas y volantes de inercia en juguetes es algo conocido desde hace mucho tiempo. Así, en 1905, el documento de patente US 800,741 describe un juguete consistente en una figura hueca que representa a una pareja de baile en cuyo interior se dispone una bola cautiva. De esta forma se consigue que la figura pueda girar libremente sobre sí misma y desplazarse en todas direcciones cuando se apoya sobre un plano que es inclinado en uno u otro sentido a voluntad. Se aprovecha el elevado grado de libertad que ofrece la forma esférica de la bola, pero no se es consciente de las posibilidades que ofrecería una bola pesada. El juguete no está previsto para ser empujado con la mano, lo que queda confirmado por sus dibujos, en los que se representa una bola de cristal, no metálica.The use of balls and flywheels in toys has been known for a long time. Thus, in 1905, patent document US 800,741 describes a toy consisting of a hollow figure representing a dance couple in whose interior a captive ball is arranged. In this way it is achieved that the figure can freely rotate on itself and move in all directions when it is supported on a plane that is inclined in one direction or another at will. The high degree of freedom offered by the spherical shape of the ball is used, but it is not aware of the possibilities that a heavy ball would offer. The toy is not intended to be pushed by hand, which is confirmed by his drawings, which represents a crystal ball, not metal.
El documento US 4,156,986 describe un pequeño vehículo de juguete, muy económico, destinado a incorporarse como regalo en paquetes de cereales, para lo que se realiza por inyección en un material plástico, disponiéndose en su interior un disco de elevada inercia que gira alrededor de un eje transversal mientras rueda sobre la superficie de apoyo. De esta forma se consigue que, una vez puesto en marcha el vehículo mediante un empuje manual, el movimiento continúe durante un tiempo mayor que sí el vehículo no presentase el disco rotativo de elevada inercia. Una tal solución presenta dos problemas básicos: en primer lugar y al ser fijo el eje del disco rotativo, también lo es su altura al suelo, lo que Implica que, bien las ruedas traseras, bien las delanteras no apoyarán en el mismo restando capacidad direccional y, en segundo lugar, el hecho de que el eje de rotación del disco sea fijo supone que la energía recuperable del mismo disminuye cuando el vehículo se impulsa en una dirección que forma un ángulo con su eje antero- posterior. Es decir, si el vehículo se impulsa desviado respecto a su propio eje, nada le obliga a cambiar de trayectoria y su rendimiento baja considerablemente.Document US 4,156,986 describes a small toy vehicle, very economical, intended to be incorporated as a gift in cereal packages, for which it is made by injection in a plastic material, with a high inertia disk that rotates around a cross axis while rolling on the support surface. In this way it is achieved that, once the vehicle has been started by manual thrust, the movement continues for a longer time than if the vehicle did not present the high inertia rotating disk. One such solution presents two basic problems: first of all, and when the axis of the rotating disc is fixed, so is its height to the ground, which implies that, either the rear wheels, the front wheels will not rest on it, subtracting directional capacity and, secondly, the fact that the axis of rotation of the disc is fixed means that the recoverable energy of the disc decreases when the vehicle is driven in a direction that forms an angle with its antero-posterior axis. That is, if the vehicle is driven deviated from its own axis, nothing forces it to change trajectory and its performance drops considerably.
El problema anterior es parcialmente resuelto en los documentos US 6,071 ,173 y ES 200100154 U, este último del propio solicitante, en los que el disco rotativo de eje fijo se sustituye por una simple bola de rodamiento, metálica, que se
monta, cautiva, en la estructura hueca del vehículo. En el documento americano se prevé un tabique circular como elemento de apoyo de la bola, lo que permite tener una reacción de la misma sobre el vehículo desplazada hacia la dirección del impulso desviado y aplicada a la altura del centro de gravedad de la bola lo que, teóricamente, permite que la parte delantera del vehículo se desplace en la dirección del impulso provocando un cierto grado de autoalineamiento del mismo. Por su parte, en el documento español se describe un vehículo en el que, simplemente, se suprime el tabique circular de apoyo de la bola aunque manteniendo un orificio circular en el chasis del vehículo, lo que empeora las características de autoalineamiento, pero reduce ligeramente las pérdidas por fricción.The above problem is partially solved in documents US 6,071, 173 and ES 200100154 U, the latter of the applicant himself, in which the rotary disk of fixed axis is replaced by a simple ball bearing, metallic, which Ride, captive, in the hollow structure of the vehicle. In the American document, a circular partition is provided as a support element of the ball, which allows it to have a reaction on the vehicle displaced towards the direction of the deflected impulse and applied at the height of the center of gravity of the ball which Theoretically, it allows the front part of the vehicle to move in the direction of the impulse causing a certain degree of self-alignment. On the other hand, in the Spanish document a vehicle is described in which, simply, the circular support partition of the ball is suppressed although maintaining a circular hole in the chassis of the vehicle, which worsens the characteristics of self-alignment, but slightly reduces friction losses.
Pues bien, la experiencia del solicitante con el vehículo que se acaba de describir ha mostrado que, sorprendentemente, cuando se aumenta considerablemente la relación de la inercia de la bola al peso del vehículo cambian las condiciones de autoalineamiento del mismo. Así, cuando la inercia de la bola no es muy elevada respecto al peso del vehículo, existe un indudable interés en que la misma apoye en una superficie circular, ya que esto provoca un par de fuerzas que desplaza la parte delantera del vehículo respecto al centro de giro del mismo, que se sitúa en un punto intermedio entre las ruedas posteriores. La explicación reside en que es el propio vehículo (más pesado) el que determina la trayectoria principal, limitándose la bola a ejercer una reacción lateral sobre la parte delantera del mismo. Sin embargo, cuando la inercia de la bola es considerablemente mayor que el peso del vehículo, la trayectoria principal está determinada por la bola y es el vehículo el que gira alrededor de la misma, moviéndose simultáneamente tanto su parte posterior como su parte anterior. En estas condiciones, la evolución del vehículo viene determinada por la posición de su centro de resistencia (definida por la resultante de las fuerzas de fricción de sus ruedas) respecto a la bola de inercia.Well, the applicant's experience with the vehicle just described has shown that, surprisingly, when the ratio of the inertia of the ball to the vehicle's weight is considerably increased, the conditions of self-alignment thereof change. Thus, when the inertia of the ball is not very high with respect to the weight of the vehicle, there is an undoubted interest in it resting on a circular surface, since this causes a pair of forces that move the front of the vehicle with respect to the center of rotation thereof, which is located at an intermediate point between the rear wheels. The explanation is that it is the vehicle (heavier) itself that determines the main trajectory, limiting the ball to exert a lateral reaction on the front of it. However, when the inertia of the ball is considerably greater than the weight of the vehicle, the main path is determined by the ball and it is the vehicle that rotates around it, simultaneously moving both its rear and its anterior part. Under these conditions, the evolution of the vehicle is determined by the position of its resistance center (defined by the result of the frictional forces of its wheels) with respect to the ball of inertia.
Así, es un objetivo de la presente invención el disponer de un vehículo de juguete provisto de energía de inercia con características mejoradas de autoalineamiento simultáneas a una elevada inercia y a unas bajas pérdidas por fricción.Thus, it is an objective of the present invention to have a toy vehicle provided with inertia energy with improved self-alignment features simultaneously at high inertia and at low friction losses.
El objetivo propuesto se consigue en el vehículo de la invención mediante la disposición de una bola cautiva, de considerable inercia respecto al peso del vehículo, en el interior de la cavidad formada por un cuerpo superior y un chasis inferior; de tal manera que la citada bola rueda libremente sobre la superficie de
apoyo del vehículo de juguete. La abertura que presenta el chasis del vehículo, y a cuyo través asoma la bola, es poligonal de lados rectos, con lo que se sustituye el contacto lineal de la técnica anterior por uno o dos contactos puntuales. La abertura poligonal se dispone por delante del centro de resistencia del vehículo, definido como el punto de actuación virtual de la resultante de las diversas fuerzas de fricción que sobre el mismo actúan debido al peso de sus ruedas sobre el plano de apoyo.The proposed objective is achieved in the vehicle of the invention through the provision of a captive ball, of considerable inertia with respect to the weight of the vehicle, inside the cavity formed by an upper body and a lower chassis; in such a way that said ball rolls freely on the surface of Toy vehicle support. The opening of the vehicle chassis, and through which the ball appears, is straight sided polygonal, which replaces the linear contact of the prior art with one or two point contacts. The polygonal opening is arranged in front of the center of resistance of the vehicle, defined as the virtual actuation point of the result of the various friction forces that act on it due to the weight of its wheels on the support plane.
En el caso de que el peso del vehículo, sin considerar la propia bola de inercia, se reparta en un 50% entre las ruedas delanteras y traseras y todas presenten el mismo diámetro y anchura, el centro de resistencia se encontrará sobre la intersección de las bisectrices del rectángulo definido por los puntos de contacto de las ruedas respecto a la superficie de apoyo. En caso contrario el centro de resistencia se desplazará hacia las ruedas que soporten un mayor porcentaje del peso del vehículo o, en general, presenten una mayor fricción, lo que podrá modificarse variando la anchura y rugosidad de las mismas. La evaluación del centro de resistencia del vehículo podrá realizarse mediante el cálculo o, preferiblemente, mediante ensayos empíricos. La elección de la distancia entre el punto de contacto de la bola con la superficie de apoyo y el centro de la abertura poligonal se efectuará en función de la maniobrabilidad que se desee para el vehículo de juguete, con lo que podrán modificarse fácilmente las características del mismo, según se trate de un automóvil deportivo o de un vehículo de transporte, por ejemplo.In the event that the weight of the vehicle, without considering the inertia ball itself, is divided by 50% between the front and rear wheels and all have the same diameter and width, the center of resistance will be on the intersection of the Rectangle bisectors defined by the contact points of the wheels with respect to the bearing surface. Otherwise, the center of resistance will move towards the wheels that support a greater percentage of the vehicle's weight or, in general, have greater friction, which can be modified by varying the width and roughness of the same. The evaluation of the center of resistance of the vehicle may be carried out by calculation or, preferably, by empirical tests. The choice of the distance between the point of contact of the ball with the support surface and the center of the polygonal opening will be made depending on the maneuverability desired for the toy vehicle, so that the characteristics of the same, depending on whether it is a sports car or a transport vehicle, for example.
Para complementar la descripción que antecede y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se va a realizar una descripción detallada de una realización preferida, en base a un juego de dibujos que se acompañan a esta memoria descriptiva y en donde, con carácter meramente orientativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the foregoing description and in order to help a better understanding of the features of the invention, a detailed description of a preferred embodiment will be made, based on a set of drawings that accompany this specification and in where, with a purely indicative and non-limiting nature, the following has been represented:
La figura 1 muestra un esquema en planta de las fuerzas que actúan durante el autoalineamiento tal como se ha comprobado que se produce en los vehículos realizados según la técnica anterior.Figure 1 shows a plan diagram of the forces acting during self-alignment as it has been shown to occur in vehicles made according to the prior art.
La figura 2 muestra un esquema en planta de las fuerzas que actúan durante el autoalineamiento tal como se ha comprobado que se produce en el vehículo realizado según la invención.Figure 2 shows a plan diagram of the forces acting during self-alignment as it has been shown to occur in the vehicle made according to the invention.
La figura 3 muestra una sección parcial, en alzado, del vehículo objeto de la invención.
Las referencias numéricas corresponden a las siguientes partes y elementos:Figure 3 shows a partial section, in elevation, of the vehicle object of the invention. The numerical references correspond to the following parts and elements:
1. Vehículo de juguete1. Toy vehicle
2. Cuerpo superior 3. Chasis2. Upper body 3. Chassis
4. Abertura poligonal4. Polygonal opening
5. Bola de inercia5. Ball of inertia
6. Ruedas6. Wheels
7. Ejes de ruedas 8. Superficie de apoyo7. Wheel axles 8. Support surface
9. Tabique circular9. Circular partition
La figura 1 ilustra el esquema de fuerzas y movimiento que se producen durante el autoalineamiento de un vehículo realizado según la técnica anterior. Así el vehículo, relativamente pesado, será el que determine la trayectoria principal tras el impulso manual. La bola de inercia (5), actuando sobre el tabique circular (9) genera una fuerza resultante R1 que provoca sobre el vehículo un momento M1 que tiende a desplazar su parte delantera en el sentido del impulso desviado, provocando el giro del vehículo respecto a un centro de giro 0 que, en estas condiciones, se sitúa entre y próximo a las ruedas traseras. El movimiento es considerablemente brusco y poco natural, a la vez que supone elevadas pérdidas por fricción entre la bola de inercia (5) y el tabique circular (9).Figure 1 illustrates the scheme of forces and movement that occur during the self-alignment of a vehicle made according to the prior art. Thus, the relatively heavy vehicle will determine the main trajectory after the manual impulse. The ball of inertia (5), acting on the circular partition (9) generates a resulting force R1 that causes the vehicle a moment M1 that tends to move its front part in the direction of the deflected impulse, causing the vehicle to rotate with respect to a center of rotation 0 which, under these conditions, is located between and next to the rear wheels. The movement is considerably abrupt and unnatural, while supposing high friction losses between the inertia ball (5) and the circular partition (9).
En el vehículo de la invención se dispone la bola de inercia (5) cautiva entre un cuerpo superior (2) y un chasis (3) en el que se practica una abertura poligonal (4) a través de la que la bola de inercia (5) puede rodar sobre la superficie de apoyo (8), pero sin dejarla pasar a su través cuando se eleva el vehículo (1) respecto a la superficie de apoyo (8). Ver figura 3.In the vehicle of the invention, the inertia ball (5) is held captive between an upper body (2) and a chassis (3) in which a polygonal opening (4) is made through which the inertia ball ( 5) it can roll on the support surface (8), but without letting it pass through it when the vehicle (1) is lifted from the support surface (8). See figure 3.
Cuando se impulsa el vehículo de la invención en una dirección no coincidente con su eje antero-posterior, la trayectoria estará definida y mantenida, principalmente por la bola de inercia (5) ya que hemos asumido que, respecto a ella, el vehículo es considerablemente ligero. En consecuencia y tal como se muestra en la figura 2, el vehículo sufrirá un esfuerzo resultante R2 aplicado en su centro de resistencia 0 debido a las fuerzas de fricción Fr que aparecen en cada una de sus ruedas (6), lo que induce un momento de giro M2 que actúa sobre el vehículo desplazando simultáneamente tanto su parte trasera como su parte delantera alrededor de la bola de inercia (5) que sigue su trayectoria, imperturbable. La viveza de reacciones estará en función del valor absoluto de la
fuerza resultante R2 y de la distancia "d" entre el punto de contacto de la bola de inercia (5) sobre la superficie de apoyo (8) y el centro de resistencia 0, pudiendo ser variada a voluntad. En la figura 2 se ha supuesto que el peso se reparte al 50% entre las ruedas delanteras y traseras lo que, por otra parte, corresponde a un concepto defendido apasionadamente por determinadas marcas de automóviles reales.When the vehicle of the invention is driven in a direction not coincident with its antero-posterior axis, the trajectory will be defined and maintained, mainly by the inertia ball (5) since we have assumed that, with respect to it, the vehicle is considerably light. Consequently and as shown in Figure 2, the vehicle will undergo a resulting stress R2 applied at its center of resistance 0 due to the frictional forces F r that appear on each of its wheels (6), which induces a M2 turning moment acting on the vehicle simultaneously moving both its rear and its front part around the inertia ball (5) that follows its unperturbed trajectory. The vividness of reactions will depend on the absolute value of the resulting force R2 and the distance "d" between the point of contact of the inertia ball (5) on the bearing surface (8) and the center of resistance 0, can be varied at will. In figure 2 it has been assumed that the weight is distributed 50% between the front and rear wheels which, on the other hand, corresponds to a concept passionately defended by certain real car brands.
Respecto a la realización industrial, la bola de inercia (5) deberá introducirse entre el cuerpo superior (2) y el chasis (3) previamente a su unión mediante cualquier medio conocido, y las ruedas podrán montarse giratorias sobre los correspondientes ejes de ruedas (7), o bien podrán ser fijas, meramente decorativas, formando parte del cuerpo superior (2) o del chasis (3), lo que abaratará considerablemente el producto.With respect to the industrial embodiment, the inertia ball (5) must be inserted between the upper body (2) and the chassis (3) before joining it by any known means, and the wheels can be mounted rotating on the corresponding wheel axles ( 7), or they may be fixed, merely decorative, forming part of the upper body (2) or the chassis (3), which will significantly reduce the product.
Serán evidentes para un experto en la materia una serie de variantes y modificaciones posibles, siempre que se mantenga la esencialidad de la invención. Así, en las figuras se ha representado una abertura poligonal (4) en forma de hexágono por haberse mostrado como una solución óptima pero, igualmente, podría ser cuadrado, triangular o de un mayor número de lados, aunque en este último caso se van perdiendo las ventajas de la baja fricción según nos aproximamos al círculo.
A series of variants and possible modifications will be apparent to one skilled in the art, provided that the essentiality of the invention is maintained. Thus, in the figures a polygonal opening (4) has been represented in the form of a hexagon because it has been shown as an optimal solution but, likewise, it could be square, triangular or with a greater number of sides, although in the latter case they are lost the advantages of low friction as we approach the circle.
Claims
1. Vehículo de juguete autoalineable con energía de inercia, caracterizado por comprender una bola de inercia (5) alojada cautivamente en un cuerpo superior (2) y susceptible de rodar sobre una superficie de apoyo (8) al iniciar el movimiento manualmente, y cuando este cesa, comunicar su energía cinética de rodadura al vehículo de juguete (1) a través del borde de una abertura poligonal (4) que presenta un chasis (3) que cierre inferiormente el citado cuerpo superior (2); estando la abertura poligonal (4) situada por delante del centro de resistencia del vehículo.1. Self-aligning toy vehicle with inertia energy, characterized by comprising a ball of inertia (5) held captively in an upper body (2) and capable of rolling on a support surface (8) when manually starting the movement, and when this ceases, communicating its rolling kinetic energy to the toy vehicle (1) through the edge of a polygonal opening (4) that has a chassis (3) that inferiorly closes said upper body (2); the polygonal opening (4) being located in front of the center of resistance of the vehicle.
2. Vehículo de juguete autoalineable con energía de inercia, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la abertura poligonal es un hexágono.2. Self-aligning toy vehicle with inertia energy, according to claim 1, characterized in that the polygonal opening is a hexagon.
3. Vehículo de juguete autoalineable con energía de inercia, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el peso del vehículo, sin considerar la propia bola de inercia (5), se reparte por igual entre las ruedas delanteras y las ruedas traseras. 3. Self-aligning toy vehicle with inertia energy, according to claim 1, characterized in that the weight of the vehicle, without considering the inertia ball itself (5), is distributed equally between the front wheels and the rear wheels.
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