ВЕЛОСИПЕД С РУЧНЫМ ПРИВОДОМ

Полезная модель относится к области велостроения, а более конкретно к конструкциям велосипедов с ручным приводом. Велосипед с ручным приводом, предназначен для физического развития и отдыха. Он может использоваться в качестве транспортного средства, а также в лечебно-профилактических целях, в том числе, некоторыми группами людей с ограниченными физическими возможностями. Велосипед может быть масштабирован для использования лицами разных возрастных групп.
Известен велосипед с ручным приводом, содержащий раму в виде опорной площадки с закрепленной на ней опорной системой и задним колесным узлом. На раме с возможностью поворота относительно нее установлена полая рулевая колонка, на которой в опорах (подшипниках) закреплены ведущий вал, снабженный шатунами с приводными ручками и ведущим звеном передачи с гибкой связью, а также ведомый вал с установленным на нем передним колесным узлом и ведомым звеном передачи с гибкой связью, выполненной в виде цепи, которая проходит в полости рулевой колонки (патент РФ на полезную модель №28350, кл. B62K 9/02, оп. 20.03.2003).
Недостатком известного велосипеда с ручным приводом является невозможность изменения в процессе езды передаточного отношения передачи с гибкой связью. Необходимость этого, как правило, возникает во время езды на велосипеде при преодолении подъемов (особенно, затяжных), когда возникает повышенное усилие на колесе, приводящее к необходимости передавать больше крутящего момента с приводных ручек или на протяженных спусках, когда появляется необходимость в пониженном усилии на колесах.
Полезная модель решает задачу расширения возможностей управления тягово-скоростными свойствами велосипеда при езде на местности с переменным рельефом.
Технический результат, достигаемый при использовании заявленного устройства заключается в обеспечении возможности изменения в процессе езды передаточного отношения передачи с гибкой связью.
Указанный технический результат достигается тем, что в велосипеде с ручным приводом, содержащем раму с закрепленными на ней опорной площадкой и опорной системой и задним колесным узлом, на раме с возможностью поворота относительно нее установлена полая рулевая колонка, на которой в опорах вращения закреплены ведущий вал, снабженный шатунами с приводными ручками и ведущим звеном передачи с гибкой связью, а также ведомый вал с установленным на нем ведомым звеном передачи с гибкой связью и передним колесным узлом, при этом указанная гибкая связь пропущена через полость рулевой колонки, в качестве передачи с гибкой связью применен снабженный фиксатором передач клиноременной вариатор, ведущее и ведомое звенья которого выполнены в виде установленных на валах пар обращенных друг к другу вершинами конусных полушкивов, находящихся в зацеплении с валом, на котором он установлен, один полушкив в каждой паре подвижен на валу относительно другого полушкива этой пары в осевом направлении, в ведущем звене передачи с гибкой связью подвижный в осевом направлении конусный полушкив жестко связан с одним из шатунов, а в ведомом звене подвижный в осевом направлении конусный полушкив снабжен пружиной, передний колесный узел оснащен двумя колесами, а полушкивы ведомого звена клиноременного вариатора размещены между указанными колесами, при этом, ремень клиноременного вариатора охватывает полушкивы его ведущего и ведомого звеньев.
Указанный технический результат достигается также тем, что фиксатор передач включает фрикционную втулку, жестко закрепленную в корпусе ведущего звена клиноременного вариатора, а также находящийся с ней в постоянной фрикционной связи тормозной диск, установленный на опоре вращения, зафиксированной на ступице подвижного в осевом направлении полушкива ведущего звена клиноременного вариатора.
На фиг. 1 показан общий вид велосипеда с ручным приводом (аксонометрическая проекция).
На фиг. 2 показана передняя часть рамы велосипеда с рулевой колонкой и передним колесным узлом (в разрезе).
На фиг. 3 показан укрупненно фиксатор передач, выделенный кружком А на фиг. 2.
Велосипед с ручным приводом (фиг. 1) содержит раму 1 с закрепленной на ней опорной системой 2, выполненной, в частном случае, в виде сиденья (на фиг. 1 показано условно) и опор для ног (на фиг. 1 показаны условно). На раме 1 закреплен задний колесный узел, содержащий, например, два (для обеспечения устойчивости велосипеда) колеса 3 на подшипниках. В передней (по ходу движения велосипеда) части рамы 1 закреплена полая рулевая колонка 4 (фиг. 2), которая, благодаря опорам, например, подшипникам 5 качения (преимущественно, шарикоподшипникам), наружная обойма которых закреплена на элементе рамы 1, а внутренняя - на рулевой колонке 4, обладает возможностью поворота относительно рамы 1. В верхней части рулевой колонки 4 на опорах 6 вращения установлен ведущий вал 7, снабженный шатунами 8 и 9 с приводными ручками 10 и 11, выполненными, например, в форме цилиндрических втулок, установленных на подшипниках (подшипники не показаны) на осях шатунов 8 и 9. На валу 7 установлены и находятся с ним в зацеплении, (т.е. могут вращаться только совместно с ним) пара обращенных друг к другу вершинами конусных полушкивов 12 и 13 передачи с гибкой связью, выполненной в виде клиноременного вариатора. Полушкивы 12 и 13 вместе с валом 7 образуют ведущее звено клиноременного вариатора. Один из полушкивов пары 12 и 13 (на фиг. 2 - это полу шкив 13) подвижен на валу 7 относительно другого полушкива этой пары (на фиг. 2 - относительно полушкива 12) в направлении вдоль оси 14 вращения ведущего вала 7 и жестко связан с одним из шатунов 8 или 9 (на фиг. 2-е шатуном 9). Полушкив 13 снабжен удлиненной ступицей 25.
В нижней части рулевой колонки 4 на опорах 15 вращения установлен ведомый вал 16 с закрепленными на нем передним колесным узлом и ведомым звеном клиноременного вариатора. Ведомое звено клиноременного вариатора включает в себя пару обращенных друг к другу вершинами конусных полу шкивов 17 и 18. Один из полушкивов в этой паре (на фигуре 2 - это полушкив 17) подвижен на ведомом валу 16 относительно другого полушкива 18 этой пары в направлении вдоль оси 19 вращения вала 16 и снабжен пружиной 20. Подвижность полушкива 17 в указанном направлении может быть обеспечена за счет подвижного шлицевого соединения (шлицевое соединение не показано) полушкива 17 с валом 16 (например, на посадке Н7).
Полушкивы 17 и 18 находятся в зацеплении с ведомым валом 16, т.е. могут вращаться только совместно с ним. Передний колесный узел оснащен двумя колесами 21 на подшипниках (второе колесо 21 не показано для экономии места на чертеже). Полушкивы 17 и 18 ведомого звена клиноременного вариатора размещены между указанными колесами. Колеса 21 переднего колесного узла жестко закреплены на ведомом валу 16 и могут поворачиваться относительно рамы 1 вокруг продольной оси рулевой колонки совместно с передним колесный узлом. В качестве колес 21 могут быть выбраны колеса любой известной конструкции.
Ремень 22 клиноременного вариатора (например, вариаторный клиновой ремень), являющийся элементом передачи с гибкой связью установлен между его ведущим и ведомым звеньями и пропущен через полость рулевой колонки 4, т.е. проходит внутри нее. В ведущем звене клиноременного вариатора ремень охватывает конусные поверхности полу шкивов 12 и 13, а в ведомом - конусные поверхности полу шкивов 17 и 18.
Подвижность в осевом направлении полушкива 13 относительно полушкива 12, в частном случае, может быть обеспечена следующим образом. Ведущий вал 7 может быть выполнен состоящим из двух полувалов 23 и 24 (как показано на фиг. 2 и 3). На полувалу 23 закреплен полушкив 12, а на полувалу 24 жестко закреплена удлиненная ступица 25 полушкива 13, которая благодаря шлицевому соединению (шлицевое соединение не показано) с полувалом 23 на соответствующей посадке (в частном случае, на посадке Н7) обладает возможностью перемещения относительно последнего. Подвижный в осевом направлении полушкив 13 жестко связан с шатуном 9 через свою ступицу 25 и полувал 24.
Опоры вращения 6 ведущего вала 7 (например, шариковые подшипники) закреплены в корпусе 26 ведущего звена клиноременного вариатора. Корпус 26 может быть выполнен как единое целое с рулевой колонкой 4, например, путем их совместной отливки из алюминиевого сплава. Он может быть также изготовлен отдельно, состоящим, например из двух частей, как показано на фиг. 1. Указанные части корпуса 26 могут быть жестко связаны между собой затем, а также с рулевой колонкой 4, например, путем приваривания с использованием промежуточной пластины 27.
Аналогичным образом может быть выполнен корпус 28 ведомого звена клиноременного вариатора, в котором закреплены опоры вращения 15 ведомого вала 16. Жесткое соединение корпуса 28 с рулевой колонкой 4 может быть осуществлено, например, путем приваривания его элементов к рулевой колонке 4 с использованием промежуточной пластины 29.
Пружина 20 с заданным предварительным усилием сжатия упирается одним своим торцем в корпус 28, а другим своим торцем - в полушкив 17 ведомого звена клиноременного вариатора.
Клиноременный вариатор велосипеда с ручным приводом оснащен фиксатором передач.
В частной форме исполнения фиксатор передач включает в себя фрикционную втулку 30 (например, из износостойкой резины), жестко закрепленную в корпусе 26 (фиг. 3 и 4), а также тормозной диск 31, закрепленный на ступице 25 подвижного в осевом направлении полушкива 13 с возможностью вращения.
Возможность вращения тормозного диска 31 обеспечивается, в частности тем, что он установлен на опоре 32 вращения (в частности, на подшипнике качения), зафиксированной при этом в осевом направлении при помощи стопорного кольца 35 и буртика 36.
Боковая цилиндрическая поверхность тормозного диска 31 находится в постоянном фрикционном контакте (в постоянной фрикционной связи) с цилиндрической внутренней поверхностью фрикционной втулки 30. Силу прижатия друг к другу указанных поверхностей подбирают большей, чем осевая составляющая от действия силы предварительного сжатия пружины 20, передаваемая на полушкив 13 через элементы клиноременного вариатора.
Тормозной диск 31 может быть конструктивно выполнен цельным (например, выточенным из металлической заготовки) и закрепленным на опоре 32 вращения путем напрессовывания (запрессовки).
Предпочтительным является исполнение тормозного диска 31 в виде двух полудисков 33 (как показано на фиг. 3) стянутых один с другим посредством необходимого количества винтов 34 (на фиг. 3 условно показан только один винт 34). Тем самым, может быть обеспечена фиксация полудисков 33 (составляющих тормозной диск 31) на наружном (вращающемся) кольце опоры 32 вращения.
При использовании велосипеда с ручным приводом велосипедист располагается на элементах опорной системы 2, в частности, на сиденье, например, велосипедного типа, ступни пользователя при этом размещаются на опорах для ног (фиг. 1).
Для приведения велосипеда в поступательное движение велосипедист вращает руками приводные ручки 10 и 11 в вертикальной плоскости, что аналогично вращению педалей в велосипеде с ножным приводом (фиг. 2). Указанное вращение посредством шатунов 8 и 9 передается на ведущий вал 7, с которого крутящий момент посредством ремня 22, движущегося в полости рулевой колонки 4, передается на ведомый вал 16 и, соответственно, на колеса 21 переднего колесного узла, что вызывает движение велосипеда. Благодаря тому, что рулевая колонка 4 установлена на раме 1 на подшипниках 5, у велосипедиста имеется возможность управлять направлением движения велосипеда, прилагая к приводным ручкам 10 и 11 усилия, обеспечивающие поворот рулевой колонки 4 в подшипниках 5. Вместе с рулевой колонкой поворачивается в требуемом направлении передний колесный узел с колесами 21, что приводит к изменению направления движения велосипеда.
При обычной езде, велосипедист, изменяя усилия, прикладываемые им к приводным ручкам 10 и 11 (вращая их в вертикальной плоскости) от минимальных до максимальных, доступных данному лицу по его физическим возможностям, может таким образом изменять крутящий момент на ведомом валу 16 и, соответственно, изменять скорость движения велосипеда, как транспортного средства. При этом, передаточное отношение клиноременного вариатора остается неизменным.
Для простоты описания предположим, что первоначально указанное передаточное отношение клиноременного вариатора установлено приблизительно равным единице. В этом случае полушкивы 13 и 14 ведущего звена клиноременного вариатора находятся друг от друга на расстоянии H1, приблизительно равном расстоянию Н2 между полушкивами 17 и 18 ведомого звена (фиг. 2).
Для получения дополнительного выигрыша в силе (например, при преодолении подъема) или в скорости (например, при движении на спуске) велосипедисту в процессе езды необходимо изменять передаточное отношение клиноременного вариатора в ту или иную сторону, т.е. оперативно управлять передачами.
Изменение передаточного отношения клиноременного вариатора обеспечивается следующим образом. По-прежнему вращая приводные ручки 10 и 11 в вертикальной плоскости велосипедист одновременно с этим к приводной ручке 11 прикладывает усилие F1 (фиг. 2), направленное вдоль оси 14 вращения полувалов 23 и 24. Под действием указанного усилия F1 полувал 24 со ступицей 25 и полушкивом 13 перемещаются в сторону, соответствующую раздвиганию полушкивов 12 и 13, т.е. их удалению друг от друга. При смещении полушкива 13 увеличивается расстояние H1 (фиг. 2) между полушкивами 12 и 13. Клиновидный ремень 22 в месте, где он огибает конусные поверхности полушкивов 12 и 13 начинает двигаться по дуге окружности меньшего радиуса.
Сила натяжения ветвей ремня 22 уменьшается и, соответственно, уменьшается ее осевая составляющая, действующая на полушкив 17, подвижный в осевом направлении на валу 16. Это дает возможность пружине 20, обладающей усилием F2 предварительного сжатия, сблизить полушкивы 17 и 18, т.е. уменьшить расстояние Н2. Клиновидный ремень 22 при своем движении начинает огибать конусные поверхности полушкивов 17 и 18 по дуге окружности большего радиуса и, в результате, увеличивается передаточное отношение клиноременного вариатора. Таким образом, велосипедист получает возможность двигаться с большей скоростью, т.е. получает выигрыш в скорости движения велосипеда.
При необходимости получения велосипедистом выигрыша в прилагаемой им для движения силе (например, при преодолении подъемов) он, вращая приводные ручки 10 и 11 в вертикальной плоскости, прикладывает к приводной ручке 11 осевое усилие, направленное также вдоль оси 14 вращения полувалов 23 и 24, но в сторону, противоположную направлению действия усилия F1. В соответствии с описанным выше механизмом, под действием этого усилия полушкивы 13 и 14 сближаются (расстояние HI уменьшается) и клиновидный ремень 22 начинает огибать их поверхности по дуге окружности большего радиуса. Увеличение силы натяжения ремня 22 приводит к тому, что ее осевая составляющая, воздействующая на полушкив 17, преодолевает усилие F2 предварительного сжатия пружины 20 и заставляет указанный полушкив 17 переместиться в направлении уменьшения расстояния Н2 между полушкивами 17 и 18. Ремень 22 начинает огибать их поверхности по дуге окружности меньшего радиуса. В результате этого передаточное отношение клиноременного вариатора уменьшается и велосипедист при преодолении подъема прикладывает меньшие, но доступные по его физическим возможностям, усилия.
Описанное перемещение полушкива 13 в направлении действия усилия F1 или в противоположном направлении сопровождается перемещением в том же направлении вместе со ступицей 25 опоры 32 вращения тормозного диска 31. Соответственно, вместе с опорой 32 перемещается, т.е. сдвигается в направлении вдоль оси 14 вращения и сам установленный на указанной опоре тормозной диск 31. После прекращения действия усилия F1 тормозной диск 31 остается в зафиксированном положении благодаря наличию силы трения между его наружной поверхностью и внутренней поверхностью фрикционной втулки 30. При отсутствии указанного осевого усилия F1, направленного в ту или иную сторону, полушкив 13 остается в выбранном велосипедистом положении до тех пор, пока не будет принято решение вновь изменить передаточное отношение клиноременного вариатора (в сторону его увеличения или в сторону его уменьшения) и не будет приложено к ручке 11 новое осевое усилие. Таким образом, любое новое передаточное отношение клиноременного вариатора, выбранное велосипедистом (и, соответственно, выбранная им скорость движения велосипеда), будет сохранено благодаря описанной работе фиксатора скоростей.
Тормозной диск 31 находится в постоянной фрикционной связи с фрикционной втулкой 30. Между ними реализована фрикционная связь, относящаяся к «упругому оттеснению», т.е. на контактирующих поверхностях тормозного диска 31 и фрикционной втулки 30 осуществляется взаимодействие в условиях упругой деформации фрикционной втулки 30. Поэтому износ фрикционной втулки 30 крайне незначителен. Для еще большего снижения износа фрикционной втулки 30 при ее контакте с тормозным диском 31 его острые кромки в зоне взаимодействия с поверхностью втулки 30 могут быть скруглены.
Силу трения, возникающую между поверхностями тормозного диска 31 и фрикционной втулки 30 регулируют путем подбора как диаметров сопрягаемых поверхностей указанных деталей, так и материалов, из которых они выполнены. Необходимо, чтобы в результате такого подбора, указанная сила трения была выбрана достаточной (несмотря на постоянное действие усилия сжатия пружины 20, передаваемое через элементы клиноременного вариатора на полушкив 13 и ступицу 25) для удержания тормозного диска 31 в положении, установленном велосипедистом в процессе управления скоростным режимом велосипеда путем выбора наиболее комфортного для езды передаточного отношения клиноременного вариатора. Важным преимуществом описанной конструкции фиксатора скоростей является то, что она обеспечивает бесступенчатое изменение передаточного отношения передачи с гибкой связью (клиноременного вариатора) в процессе езды на велосипеде.