Модуль рулевого привода переднего колеса велосипеда
STEERING MODULE OF FRONT WHEEL OF BICYCLE

Изобретение относится к передне- и полноприводным велосипедам, а именно к модулю рулевого привода переднего колеса велосипеда.
Известен модуль рулевого привода переднего колеса велосипеда (RU 2258628 C1, опубл. 20.08.2005), содержащий руль, выполненный с возможностью качания, каркас, выполненный с возможностью размещения на передней вилке велосипеда, каретку, ведущую звезду, ведомую звезду с обгонной муфтой на переднем колесе, шатун с шаровым шарниром, установленным на руле, и цепь, соединяющую ведущую и ведомую звезды. Данное решение выбрано в качестве прототипа.
Работает устройство следующим образом. Качанием руля приводится в движение шатун, который через каретку передает это движение гибкому элементу - цепи, соединяющей ведущую звезду с ведомой, содержащей обгонную муфту и через втулку переднего колеса передающей ему вращение.
Прототип имеет множество недостатков и практически нереализуем. По описанию не представляется возможным определить, каким образом каретки передают движение гибкому элементу, соединяющему звезды, а при реализации устройства с симметричным расположением его составляющих, каретки, предположительно, должны выполнять роль обгонных муфт, то есть при движении вниз одна должна захватывать гибкий элемент, а при движении вверх освобождать. При этом другая каретка, наоборот, при движении вверх захватывать, а при движении вниз - освобождать. Такая система имеет большой свободный ход, так как каретка, двигающаяся вниз, не сразу захватывает гибкий элемент. Короткие рывки цепи, формируемые качанием руля, невозможно должным образом синхронизировать с вращением педалей ногами, из-за чего снижается эффективность полноприводного велосипеда. Более того, для передачи движения гибким элементам требуется сложная система, состоящая из многих дополнительных составляющих, которые еще и утяжеляют велосипед. Указанное усложняет его эксплуатацию, ведет к необходимости частого обслуживания и делает ненадежным модуль рулевого привода.
Задачей настоящего изобретения является создание устройства для приведения в движение переднего колеса велосипеда с помощью руля, которое является простым, надежным, облегченным, подходит для установки на любом велосипеде и при этом обладает высокой эффективностью передачи энергии мышц верхней части тела пользователя переднему колесу.
Технический результат заключается в обеспечении плавности хода за счет повышения эффективности передачи энергии переднему колесу велосипеда.
Также к техническому результату можно отнести упрощение конструкции.
Указанные результаты достигается тем, что модуль рулевого привода переднего колеса велосипеда содержит руль, выполненный с возможностью качания, каркас, выполненный с возможностью размещения на передней вилке велосипеда, установленную на каркасе каретку с кривошипом, ведущей звездой и овальной шайбой, два рычага, первые концы которых шарнирно закреплены на каркасе, а на вторых закреплена стягивающая пружина, два ролика, выполненные на рычагах с возможностью вплотную прилегать к шайбе, шатун с шаровыми шарнирами на концах, закрепленными на руле и кривошипе, ведомую звезду с обгонной муфтой, выполненные с возможностью размещения на переднем колесе велосипеда, и цепь, соединяющую ведущую и ведомую звезды.
В преимущественном варианте реализации кривошип и большую ось шайбы следует располагать под углом 45°.
В другом варианте реализации шайба выполнена в форме эллипса.
В третьем варианте руль выполнен с возможностью блокировки качания.
В четвертом варианте модуль содержит планетарную втулку, выполненную с возможностью размещаться на переднем колесе велосипеда,
Также каретка выполнена в виде каретки-коробки передач.
В преимущественном варианте ролики расположены так, что соединяющая их линия пересекает ось вращения каретки и перпендикулярна к рычагам.
Кроме того, руль выполнен с возможностью качания в плоскости, содержащей ось вращения вилки велосипеда.
Установленные на каркасе каретка с овальной шайбой и ведущей звездой, два шарнирно закрепленные рычага со стягивающей их свободные концы пружиной и с двумя роликами, выполненными с возможностью вплотную прилегать к шайбе, и расположение кривошипа под 45° к большей оси шайбы позволяют эффективно преобразовывать движения шатуна с кривошипом во вращательные движения каретки с ведущей звездой и шайбой и передавать его через цепь и ведомую звезду переднему колесу. Плавность привода достигается за счет преодоления мертвых точек кривошипно-шатунного механизма благодаря распределению крутящего момента по всему циклу. То есть, когда шатун и кривошип создают максимальный крутящий момент, часть этого момента через шайбу запасается в стягивающей пружине, а когда кривошип и шатун проходят мертвые точки, запасенная в пружине энергия создает крутящий момент на валу каретки, а значит и ведущей звезде.
Описанная конструкция модуля проста и надежна за счет малого числа составляющих, их доступности и известности, не требует частого обслуживания и не утяжеляет переднюю часть велосипеда.
Предлагаемое решение поясняется с помощью фиг. 1-2.
На фиг. 1a-г представлены схематичные изображения предлагаемого устройства.
На фиг. 2 представлен пример реализации предлагаемого устройства.
Модуль рулевого привода переднего колеса велосипеда включает руль 1, выполненный с возможностью качания, размещается на передней вилке обычного велосипеда, которая является осью качания. На руль 1 могут крепиться те же элементы, что и на стандартный руль велосипеда, например, тормозные рычаги, переключатели скорости и др. Также руль 1 имеет блокировку качания, позволяющую отключать модуль и пользоваться обычным велосипедом.
Качание руля осуществляется в плоскости, содержащей ось вращения руля, задаваемой вилкой велосипеда, то есть плоскость качания имеет небольшой угол к вертикали. Указанное позволяет при нажатии на одну сторону руля двигаться в прямом направлении без поворота вилки и переднего колеса соответственно.
Каркас 2 выполнен с возможностью размещения на передней вилке и представляет собой металлическую, композитную или пластиковую конструкцию, на которую крепятся другие элементы модуля. Каркас 2 выполнен с возможностью вмещения каретки 3 с кривошипом 4, ведущей звездой 5 и овальной шайбой 6, в частности, в форме эллипса, а также двух рычагов 7 с двумя роликами 8. При этом рычаги 7 одними концами шарнирно закреплены на каркасе 2, а другие их концы соединены стягивающей пружиной 9. Ролики 8 на рычагах 7 вплотную прилегают к шайбе 6. В преимущественном варианте ролики 8 расположены на рычагах 7 на линии, пересекающей ось вращения шайбы - каретки и перпендикулярной к рычагам 7, что наиболее оптимально для работы модуля.
Кривошип 4 стоит располагать под углом в 45° к большей оси шайбы, что, как показывают испытания, наилучшим образом сказывается на плавности хода всех элементов модуля. В качестве кривошипа 4 и ведущей звезды 5 на каретке 3 может использоваться стандартная каретка педальной пары велосипеда со звездой и удаленной ножкой педали со стороны звезды, где на ее месте ставится шарнир 11 шатуна 10, а с другой стороны каретки 3 вместо полностью удаленной педали ставится шайба 6 и рычаги 7.
Ведомая звезда 12 с обгонной муфтой выполнены с возможностью размещения на переднем колесе велосипеда. Цепь 13 соединяет ведущую 5 и ведомую 12 звезды. Можно использовать уже готовое колесо с планетарной втулкой, где уже есть многоскоростной редуктор, обгонная муфта и ведомая звезда. Также можно вместо планетарной втулки использовать обычную с обгонной муфтой.
Возможно использование вместо классической каретки 3 - коробки передач, представляющей собой каретку с шестеренчатым редуктором.
Шатун 10 имеет на концах шаровые шарниры 11, при этом данные шарниры 11 закреплены на правой части руля 1 и кривошипе 4. На левой части руля закреплять шаровой шарнир 11 не является приоритетным решением, т.к. ведомую звезду 12 на переднем колесе, как правило, располагают справа, а слева тормозной диск, соответственно справа будет и ведущая звезда 5 с кривошипом 4 и шатуном 10.
Все указанные элементы, кроме шайбы 6, являются известными в уровне техники и широко применяются при изготовлении велосипедов. Сама же шайба 6 может выполняться из металла - стали, алюминия, какого-либо легкого сплава, а также из пластиков или композитов.
Предлагаемое техническое решение работает следующим образом.
Вместо стандартного руля на вилке крепят каркас 2 с рулем 1, на переднем колесе устанавливают обгонную муфта с ведомой звездой 12, либо взамен обычного переднего колеса ставят колесо с обгонной муфтой и ведомой звездой 12, соединяют ведущую 5 и ведомую 12 звезды цепью 13. Далее пользователь приводит в движение велосипед либо руками, либо ногами, либо совокупными движениями рук и ног.
Передача энергии мышц рук и плечевого пояса переднему колесу достигается путем качания руля, то есть пользователь попеременно надавливает левой рукой и поднимает-тянет на себя правую рукоять руля, затем надавливает правой - поднимает и тянет левую рукоять руля. В реализованном и успешно прошедшем испытания модуле за один уклон руля шатун с шаровыми шарнирами на концах передает движение кривошипу, установленному под углом 45° к большей оси шайбы.
Кривошип проворачивает каретку с указанной шайбой и ведущей звездой на четверть оборота. В тот момент, когда шайба большей осью, т.е. наиболее широкой частью опирается на ролики, рычаги раздвинуты до предела, и накопленная энергия стягивающей пружины сводит их и помогает шайбе совершить следующую четверть оборота до соприкосновения ее меньшей оси, т.е. узкой части, с роликами - в этот момент руль находится в горизонтальном положении. Далее при нажатии на руль в другую сторону цикл повторяется, шайба совершает следующую четверть оборота, в итоге ведущая звезда через цепь передает вращение ведомой звезде с обгонной муфтой на переднем колесе. Так происходит плавное движение велосипеда с рулевым приводом.
Реализованное и установленное на обычном велосипеде предлагаемое изобретение позволяет осуществлять ручной передний привод либо полный в совокупности с ножным педальным приводом. Такой велосипед способен передвигаться по разной поверхности: по асфальту, песку и грязи, по ухабистой грунтовой дороге, забираться в гору в затяжные подъемы, по траве. Возможность проехать там, где не удастся проехать на обычном горном велосипеде из-за отсутствия у него полного привода. Этому также способствует плавная безрывковая нагрузка при качании руля. При движении на обычном велосипеде, например, в гору пользователь, давя на педали, привстает и тянет себя вниз за руль. Предложенный модуль позволяет при движении, к примеру, правой ногой давить на педаль и одновременно правой рукой тянуть правую часть руля. Взаимодействие рук и ног естественно для анатомии и физиологии человека, и езда на таком велосипеда благоприятным образом сказывается на здоровье и самочувствии пользователя.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения обеспечивает плавность хода, повышает эффективность передачи энергии переднему колесу за счет устранения мертвых точек. Также модуль не отягощает велосипед, имеет простую, надежную и понятную конструкцию за счет распространенных применяемых элементов. Кроме того, в любой момент можно заблокировать качение руля и пользоваться обычным велосипедом.