ВЕЛОСИПЕД С ПРИВОДОМ НА ПЕРЕДНЕЕ УПРАВЛЯЕМОЕ КОЛЕСО
FRONT WHEEL-DRIVE BICYCLE

Стремление конструкторов уменьшить нагрузку велосипедиста путем снижения его аэродинамического сопротивления привело к созданию множества конструкций велосипедов, на которых человек размещен в полулежащей позе. В этом случае конструктивно выгодно выполнить привод от педалей на переднее колесо. При этом переднее колесо сохраняло функции управляемого колеса. К сожалению, велосипед с приводом на переднее управляемое колесо обладает серьезным недостатком. Во время езды горизонтальная составляющая силы воздействия ногой на педаль стремиться повернуть руль. При нажатии правой ногой - влево, при нажатии левой - вправо. Раскачивание руля приходится гасить усилиями рук.
Решение этой задачи известно из GB 635550 А.
Вилка переднего колеса выполнена неповоротной. Поэтому сила давления на педаль никак не влияет на поведение руля.
Для того чтобы переднее колесо сохранило при этом функцию управляемого колеса, предложена следующая его конструкция. Колесо состоит из двух основных частей: поворотной части и неповоротной (или центральной). К поворотной части относятся обод с шиной и диск колеса (или спицевый набор). К центральной части - втулка, имеющая привод от педалей и крепления колеса к вилке. Между ними установлено подвижное соединение, также состоящее из поворотной и неповоротной частей, которые входят в соответствующие части колеса. Соединение позволяет передавать крутящий момент от втулки к шине при любом наклоне плоскости вращения поворотной части (в заданном диапазоне углов) относительно втулки колеса. Такими соединениями могут быть, например, шарнир Гука или шарнир равных угловых скоростей (ШРУС).
Рассматриваемая схема поворота управляемого колеса позволяет получить угол его отклонения до плюс-минус 15 градусов при расстоянии между педалями по горизонтали около 0,2 м. Такие параметры приемлемы при движении со скоростью выше 5÷7 км/час. Тем не менее, в какой-то ситуации может возникнуть потребность поворота колеса на больший угол. Например, когда велосипедист ведет велосипед за руль, или когда балансирует на малой скорости, или когда во время езды требуется резко повернуть руль при неожиданном появлении препятствия. (В этом случае велика вероятность падения.)
Настоящее изобретение направлено на решение этой задачи.
Для того чтобы поворотная часть колеса отклонялась не в произвольную сторону, а только по направлению, по которому должно катиться колесо, в конструкцию введен механизм поворота. Он связан со стержнем руля, что обеспечивает управление велосипедом.
В настоящем изобретении рассматриваются новые конструкции механизма поворота колеса, которые, по мнению автора, более компактны и более надежны.
Краткое описание чертежей.
Фиг.1 - принципиальная схема компоновки переднего колеса.
Фиг.2 - вид сверху при повороте велосипеда.
Фиг.3 - схема устройства центральной части переднего колеса.
Фиг.4 - предлагаемый механизм поворота колеса.
Фиг.5 - схема установки удерживающих пружин.
Фиг.6 - схема шестеренчатого механизма привода колеса.
На чертежах обозначены
1 - Поворотная часть колеса.
2 - Втулка.
3 - Шарнир равных угловых скоростей.
4 - Вилка переднего колеса.
5 - Подшипник механизма поворота колеса.
6 - Точка фиксации наружной обоймы подшипника (5).
7 - Элемент вилки, фиксирующий подшипник (5).
8 - Точка крепления к подшипнику (5) тяги управления.
9 - Корпус механизма поворота колеса.
10 - Труба руля.
11 - Стержень руля.
12 - Ролики.
13 - Рама велосипеда.
14 - Шарнир поворота вилки.
15 - Удерживающие пружины.
16 - Выступы на передней вилке колеса.
17 - Вал педального узла.
18 - Ведущая шестерня.
19 - Ведомая шестерня.
На фиг.1 показана схема компоновки переднего колеса. Поворотная часть колеса (1) крепится к втулке (2) через ШРУЗ (3). Втулка для простоты изображена выполненной как одно целое с педалями. (Так делали на старинных велосипедах - «пауках».) На фиг.2 эта же схема показана при виде сверху по сечению А-А на фиг.1. Причем плоскость поворотной части (1) повернута относительно вилки (4).
На фиг.3 показана центральная часть предлагаемой конструкции колеса в двух проекциях. Видно, что на наружной поверхности ШРУЗ в плоскости его симметрии установлен подшипник (5), являющийся основной частью механизма поворота колеса. В точке (6) подшипник соединен с пером вилки (4), имеющим жесткий элемент (7) с подшипником в точке (6). К точке (8) крепится тяга механизма поворота, которая связывает поворотную часть колеса со стержнем руля. При перемещении точки (8) подшипник отклоняется от нейтрального положения вправо-влево по ходу велосипеда, поворачиваясь вокруг показанной на правой проекции оси 00, проходящей через точку (6) и ось колеса. Таким образом, у наружной обоймы подшипника механизма поворота остается одна степень свободы - поворот вправо-влево по необходимому направлению качения колеса. Внутренняя обойма подшипника, корпус механизма поворота (9) и прикрепленная к нему часть колеса образуют поворотную часть колеса (1), которая имеет две степени свободы - поворот и вращение вокруг оси втулки.
Эта конструкция отличается от предложенной в GB 635550 А. Там наружная обойма подшипника (5) заключена в корпус, который жесткой штангой соединен с рулем (10, 11). Поворот корпуса (и, следовательно, колеса), удержание их от наклонов выполняет только эта штанга. Внутренняя обойма подшипника (5) жестко соединена с диском (спицевым набором) колеса. Из компоновочных соображений подшипник механизма поворота вынесен из плоскости качения колеса, что увеличивает расстояние между перьями вилки. В противном случае уменьшится угол поворота колеса по направлению движения. И то и другое решение ухудшает характеристики велосипеда по сравнению с предлагаемой конструкцией.
Устройство механизма поворота с жесткой штангой имеет еще один недостаток. Вал переднего колеса крепится к вилке не в двух точках, как обычно, а в трех: два пера вилки и средняя часть вилки через подшипник механизма поворота, жесткую штангу и руль. Образуется статически неопределимая система. Как следствие, проблемы вибраций и прочности. Их решение означает увеличение массы и сложности конструкции велосипеда.
В предлагаемой конструкции подшипник механизма поворота (5) связан с рулем не жесткими элементами, а системой тяг. Следовательно, вал имеет не три, а две опоры. Система статически определимая.
Механизм поворота может иметь и иную конструкцию. Например, показанную на фиг.4, где колесо повернуто вправо по ходу. Здесь корпус механизма поворота выполнен в виде удлиненного силового элемента. С ним жестко соединена труба руля (10) своим стержнем (11). На корпусе крепятся ролики (12), прижимающиеся беговыми поверхностями к ободу колеса с противоположных его сторон. Ролики удерживают колесо в одной плоскости вращения и поворачивают эту плоскость при повороте руля относительно вилки (4) и рамы (13). Эта конструкция более простая, но она требует высокого качества изготовления обода.
Для решения указанной выше проблемы поворота колеса вправо-влево на угол больше расчетного для нормальной езды предлагается следующее. Передняя вилка крепится к раме не жестко, а на шарнире, как у привычного велосипеда. Кроме того, в конструкции предусмотрено удерживающее устройство (УУ), которое удерживает вилку от поворота, пока руль движется в пределах заданных углов. Если же руль поворачивается в какую-нибудь сторону до упора, то УУ освобождает вилку, и при дальнейшем движении руля в том же направлении вилка движется вместе с рулем. Конструкции УУ могут быть самые разнообразные.
На фиг.5 представлен один из возможных вариантов. Стержень руля (11) поворачивается внутри вилки (4). Вилка (4) соединена с рамой (13) шарниром (14). Функцию УУ выполняют пружины (15). Их установочное усилие больше силы, стремящейся повернуть вилку во время педалирования. Поэтому повернуть вилку можно только усилиями рук, надавливая трубой руля (10) на выступы вилки (16). При возврате руля в сторону своего нейтрального положения вилка автоматически занимает свое нейтральное положение, фиксируя вилку колеса.