ОДНОКОЛЕЙНОЕ СКЛАДНОЕ МНОГОКОЛЕСНОЕ МНОГОМЕСТНОЕ ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО

Область техники, к которой относится полезная модель
Предлагаемая полезная модель относится к области совершенствования одноколейных транспортных средств, трансформируемых при сборке в многоколесное (более двух колес) транспортное средство с несколькими рулями и седлами (а именно многоколейных многоместных велосипедов).
Уровень техники
Известны конструкции одноколейных многоколесных транспортных средств [Патент ФРГ №805239. Велосипед с несколькими сидениями. Кл. 63 h G9, 1949. Патент ФРГ №811077. Велосипед с несколькими сидениями. Кл. 63 h G9, 1949. Патент ФРГ №840363. Велосипед. Кл. 63 h G9, 1949. Двухместный велосипед, образуемый из одноместных велосипедов. Международный патент WO 02/26554 А1. Двухместный велосипед, образованный соединением велосипеда для взрослого и задней части детского велосипеда. Европейский патент ЕР 1122158 A1. Любовицкий В.П. Гоночные велосипеды. - Л.: Машиностроение, 1989. - 319 с.], совокупность признаков которых сходна с совокупностью существенных признаков предполагаемой полезной модели. Эти известные конструкции имеют ряд существенных недостатков.
Конструкция одноколейного двухзвенного (каждое звено имеет раму закрытого типа) трехколесного двухместного транспортного средства (велотандема) [Патент ФРГ №840363. Велосипед. Кл. 63 h G9, 1949.] не может устойчиво двигаться на кривых участках пути (виражах), так как в данном одноколейном транспортном средстве из-за отсутствия компенсации моментов центробежных сил, появляющихся при движении на кривых участках пути, оба звена (обе части одноколейного транспортного средства)
наклоняются в сторону от центра кривого участка пути. Наличие рам закрытого типа у данного одноколейного транспортного средства также сильно снижает безопасность движения на данном одноколейном транспортном средстве, особенно в кривых участках пути.
Аналоги предполагаемой полезной модели, наиболее близкие по совокупности существенных признаков (прототипы)
Наиболее близкими к предполагаемой полезной модели являются конструкции одноколейных транспортных средств по [Двухместный велосипед, образуемый из одноместных велосипедов. Международный патент WO 02/26554 А1. Двухместный велосипед, образованный соединением велосипеда для взрослого и задней части детского велосипеда. Европейский патент ЕР 1122158 A1.]; они имеют специальные соединительные устройства для соединения передней части одноколейного транспортного средства с задней частью. Эти устройства не обеспечивают устойчивого движения транспортного средства на кривых участках пути, они достаточно сложны, ненадежны и неудобны при соединении и разъединении частей одноколейного транспортного средства. Передняя часть двухколесная имеет раму закрытого типа, а задняя часть - одноколесная имеет раму открытого типа.
При повороте одноколейного транспортного средства из двух частей, наклон обоих частей - передней и задней - в сторону центра кривизны неизбежен только в случае, когда передний угол между осью вертикального шарнира и линией, проходящей через центры осей колес, меньше 90 градусов. Если передний угол будет больше 90 градусов, тогда наклон обоих частей - передней и задней - будет не в сторону центра кривизны, а от центра кривизны, что может привести к падению (опрокидыванию) транспортного средства. Таким образом, если соединение частей (передней и задних) многоколесного многоместного транспортного средства выполнено так, что передний угол между осью вертикального шарнира и линией,
проходящей через центры осей колес, больше 90 градусов (как это сделано в [Двухместный велосипед, образуемый из одноместных велосипедов. Международный патент WO 02/26554 А1. Двухместный велосипед, образованный соединением велосипеда для взрослого и задней части детского велосипеда. Европейский патент ЕР 1122158 A1.]);, то при движении на кривом участке пути части (передняя и задние) транспортного средства наклоняются в сторону от центра кривизны на угол, зависящий от того насколько передний угол больше 90 градусов. При этом горизонтальная составляющая силы веса системы (транспортное средство + люди и грузы) направлена от центра кривизны и создает дополнительный опрокидывающий момент, равный произведению этой силы на расстояние от центра масс (ЦМ) системы до поверхности пути. Необходимо отметить, что в этом случае существует также еще один опрокидывающий момент, равный произведению вертикальной составляющей веса системы на расстояние от вертикальной линии, проходящей через траекторию качения колес, и до центра масс системы. В таком транспортном средстве моменты от центробежной силы массы системы и от составляющих силы веса складываются, в результате чего транспортное средство может упасть (опрокинуться). При вертикальной оси соединительного устройства (передний угол равен 90 градусам) на кривых участках пути не будет наблюдаться наклона частей транспортного средства. Части будут оставаться в вертикальном положении и не будет уравновешивания опрокидывающего момента от центробежных сил массы транспортного средства.
Однако, даже при условии, что передний угол равен 90 градуса или больше 90 градусов, велосипедистам удается двигаться на кривых участках пути по двум причинам: 1) двигаться они вынуждены с пониженной скоростью, так как центробежная сила от массы системы зависит от скорости движения во второй степени; 2) велосипедисты вынуждены наклонять торс тела к центру кривизны (а не вперед) с целью создания хотя бы небольшого компенсирующего момента от составляющей силы веса для противодействия
опрокидывающему моменту от центробежных сил массы транспортного средства.
В отличие от этого в предлагаемом транспортном средстве из-за того, что передний угол наклона вертикального шарнира меньше 90 градусов, то при движении на кривом участке пути части (передняя и задние) транспортного средства наклоняются в сторону к центру кривизны на угол, зависящий от того насколько передний угол больше 90 градусов. При этом горизонтальная составляющая силы веса системы (транспортное средство + люди и грузы) направлена к центру кривизны и создает компенсирующий момент, равный произведению этой силы на расстояние от центра масс системы до поверхности пути. В этом случае также существует еще один компенсирующий момент, равный произведению вертикальной составляющей веса системы на расстояние от вертикальной линии, проходящей через траекторию качения колес, и до центра масс системы. В результате моменты от центробежной силы массы системы и от составляющих силы веса, направленные встречно, уравновешиваются, в результате чего система обладает большой устойчивостью и не может упасть (опрокинуться).
Внимательное рассмотрение [Двухместный велосипед, образуемый из одноместных велосипедов. Международный патент WO 02/26554 A1.] показывает, что на фиг.1 представлен чертеж конструкции, а не принципиальная (как в нашем случае), и даже не конструктивная схема трехколесного двухместного велосипеда. По этому чертежу велосипеда видно, что устройство соединения передней и задней части имеет вертикальный шарнир, ось которого наклонена назад на 4 градуса (см. фиг.2), что не обеспечивает устойчивого движения транспортного средства на кривых участках пути. То есть имеется отрицательный технический результат. На стр.5 (пункты 5-10) описания указано, что при поворотах вправо или влево соответственно масса заднего всадника (велосипедиста) наклоняется вперед, также как и масса переднего всадника наклоняется в том
же направлении, что является предпосылками безопасного и приятного движения. Это указывает на то, что автор описания понятия не имеет о влиянии угла наклона оси вертикального шарнира соединительного устройства на механику движения этого велосипеда на кривых участках пути.
Соединительное устройство выполнено таким, что части велосипеда нельзя разъединить, так как не удастся вынуть болт 34 (см. чертеж на фиг.5), который удерживается в устройстве горизонтального шарнира шариками подшипника. Так что предложенное устройство является неработоспособным. Показанное на фиг.6 устройство крепления вертикальной оси посредством гайки-клина 24 и болта 22 с рукояткой общеизвестно.
В предлагаемом транспортном средстве ось горизонтального шарнира для соединения и разъединения частей транспортного средства, закрепленная в наконечниках, подобных наконечникам для крепления оси заднего колеса, имеет на концах гайки, после отвертывания гаек части разъединяются.
В [Двухместный велосипед, образованный соединением велосипеда для взрослого и задней части детского велосипеда. Европейский патент ЕР 1122158 A1.] представлен трехколесный двухместный велосипед, у которого складная часть только задняя и является задней частью детского велосипеда и сильно отличается от передней части. Передняя часть выполнена с закрытой, нескладной рамой и с многоскоростной цепной передачей (см. фиг.4). По этому чертежу велосипеда видно, что устройство соединения передней и задней части имеет вертикальный шарнир, ось которого (деталь 64) наклонена назад на 10 градусов (см. фиг.4), что не обеспечивает устойчивого движения системы на кривых участках пути. Поэтому указанному велосипеду не присущ признак, совпадающий с признаком велосипеда заявленной полезной модели. Кроме того, задняя часть выполнена так, что к ней не может быть присоединена такая же задняя часть, как это можно сделать в предлагаемом транспортном средстве.
Предлагаемая полезная модель основана на создании одноколейного складного многоколесного многоместного транспортного средства, состоящего из частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании неизвестных правил и достигаемый технический результат обусловлен неизвестными свойствами частей этого средства и связей между ними. Заявленное устройство отличается от указанного наиболее близкого аналога двумя отличительными признаками: 1) выполнением оси вертикального шарнира с наклоном вперед; 2) выполнением транспортного средства складным.
Сущность полезной модели
Предлагаемое одноколейное складное многоколесное многоместное транспортное средство лишено недостатков известных одноколейных транспортных средств подобного типа. Оно относится к конструкциям одноколейных транспортных средств, трансформируемым при сборке в одноколейное складное многоколесное (более двух колес) многоместное транспортное средство с несколькими рулями и седлами.
Цель предлагаемой полезной модели - расширение функциональных возможностей одноколейных транспортных средств путем обеспечения трансформации одноколейных транспортных средств из нескольких складных частей (звеньев) и обеспечения движения на одном таком одноколейном транспортном средстве нескольких человек, педалирующих автономно; при этом нагрузка на колеса значительно меньше, чем у известных одноколейных двухколесных двухместных транспортных средств, безопасность движения системы люди - одноколейные транспортные средства обеспечивается не только на прямых, но и, что особенно важно, на кривых участках (виражах) пути.
Предлагаемое одноколейное складное многоколесное многоместное транспортное средство устроено следующим образом, (фиг.1. Принципиальная схема одноколейного складного многоколесного
многоместного транспортного средства). На этом рисунке показать углы наклона оси вертикального шарнира: γ и α = разности углов 90° и γ).
Оно содержит несколько складных с открытой рамой, подобных друг другу, частей для расположения на них людей: одну переднюю часть и одну или несколько совершенно одинаковых задних частей. Все части имеют складные рамы открытого типа, что обеспечивает большую безопасность движения, чем при рамах закрытого типа. Передняя складная часть одноколейного складного многоколесного многоместного транспортного средства содержит раму открытого типа, содержащую отрезок наклонной трубы 1 с установленной и закрепленной на ней (на переднем конце) вилки 2 с рулем 3 переднего колеса 4. Передние наклонные трубы 5 и 6 рам частей одноколейного складного многоколесного многоместного транспортного средства содержат вертикальные замыкающие шарниры 7 и 8 с подпорками 9 и 10. Задние наклонные трубы 11 и 12 рам соединены с передними трубами 5 и 6 кареточными узлами 13 и 14, которые работают независимо друг от друга. На верхних концах труб 11 и 12 закреплены седла 15 и 16. К кареточным узлам 13 и 14 прикреплены задние наклонные 17 и 18 и горизонтальные 19 и 20 трубы, соединенные своими задними концами с осевыми узлами 21 и 22 колес 23 и 24. Таким образом, трубы передней части рамы одноколейного складного многоколесного многоместного транспортного средства 11, 17 и 19 и рамы задней части 12, 18 и 20 образуют замкнутые треугольники. Для соединения задней части с передней частью (или последующей задней части с предыдущей задней частью) в одноколейном складном многоколесном многоместном транспортном средстве применено соединительное устройство, в котором ось вертикального шарнира наклонена вперед на некоторый угол, так, что передний угол γ между этой осью и линией, проходящей через центры осей колес, меньше 90 градусов на величину угла наклона α=5-9°, и которое содержит деталь 28, подобную вилке переднего колеса, опирающуюся двумя нижними концами на ось колеса предыдущей части, при этом место
раздвоения детали, подобной вилке переднего колеса, соединено посредством тяги 26 с подседельной трубой 11 открытой складной рамы предыдущей части, в деталь 28, подобную вилке переднего колеса, сверху вставлен руль 27, а на верхний конец ее надета труба с подшипниками, образующая вертикальный шарнир соединительного устройства, эта труба соединена посредством горизонтального шарнира 31 с передним концом трубы 6 открытой складной рамы последующей части. Таким образом, на верхнем конце детали 25 укреплен вертикальный шарнир 28, соединенный трубами 29 и 30 с горизонтальным шарниром 31, укрепленным на переднем конце трубы 6 рамы задней части, ось которого установлена в наконечниках, подобных наконечникам для крепления оси заднего колеса, одноколейного складного многоколесного многоместного транспортного средства. Этот узел вертикально-горизонтального шарнира выполнен таким образом, что позволяет просто и быстро разъединять и соединять части одноколейного складного многоколесного многоместного транспортного средства (путем отвинчивания или завинчивания только двух гаек на концах оси горизонтального шарнира). Складная рама открытого типа передней части отличается от рам задних частей одноколейного складного многоколесного многоместного транспортного средства только тем, что на переднем конце передней наклонной трубы 5 рамы передней части крепится труба 1 для удержания вилки переднего колеса. Во всех задних частях к переднему концу передней трубы 6 (с шарниром) крепится горизонтальный шарнир соединения двух частей одноколейного складного многоколесного многоместного транспортного средства. Разъединенные и сложенные части одноколейного складного многоколесного многоместного транспортного средства имеют габаритные размеры несколько больше диаметра колеса. Причем, передняя часть содержит два колеса, а задние - по одному колесу. В предлагаемом транспортном средстве ось горизонтального шарнира для соединения и разъединения частей транспортного средства, закрепленная в
наконечниках, подобных наконечникам для крепления оси заднего колеса, имеет на концах гайки, после отвинчивания этих гаек части разъединяются.
0
Траектория движения системы люди - одноколейное складное многоколесное многоместное транспортное средство ограничена трассой поверхности шоссе. Движение этой системы предполагает непрерывный контакт колес с поверхностью трасы. Именно этот контакт лежит в основе механики движения этой системы и управления системой. В соответствии с законами механики, изменения скорости и направления движения системы не могут происходить без воздействия не нее внешних сил. При отсутствии этих сил система стремится сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения (фиг.2. Виды движения системы люди - одноколейное складное многоколесное многоместное транспортное средство). В этом случае вектор скорости системы V совпадает с направлением движения ав (фиг.2а). Для изменения скорости и направления движения системы необходима внешняя сила F, тем большая, чем больше масса m и ускорение W, которое ей требуется сообщать. Масса системы является мерой ее инертности, т.е. способности сохранять неизменными параметры ее движения. Так, при воздействии внешней силы F со стороны дорожного покрытия в зоне контакта ведущего колеса с дорогой система получает ускорение W в течение времени Δt и скорость движения становится равной
2
(фиг.2в). Действие внешней силы способно изменить не только скорость, но и направление движения системы. Так, под действием силы F, направленной перпендикулярно к траектории движения, система приобретает дополнительную скорость V. Суммарная скорость
0
будучи системой двух векторов (фиг.2с) является скоростью движения системы по траектории ав' в отличие от скорости V прямолинейного движения. Итак, только наличие внешней силы позволяет осуществить
поворот системы, т.е. изменить первоначальную ее траекторию движения. Для изменения скорости движения на величину
необходимо приложить внешнее усилие, которым может быть только сила трения колеса о поверхность дороги. Следовательно, при повороте колеса появляется сила трения dF, действующая на колесо в направлении dV, чем и обеспечивается необходимое ускорение W системы:
Теория и практика показывают, что одновременно с поворотом необходимо осуществить наклон системы в сторону центра кривизны (кривого участка пути) на угол φ, чтобы компенсировать действие центробежных сил инерции. Требуемый угол наклона φ приближенно можно определить из равенства
где  - допустимое значение коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием;
R - радиус кривизны виража;
V - скорость движения;
g - ускорение свободного падения.
Это равенство получено на основании анализа сил, возникающих в системе велосипедист - велосипед при прохождении поворота (виража) (кривого участка пути) с плоским покрытием (фиг.3. Система велосипедисты - велосипед при прохождении виража и схема действующих сил при разных значениях переднего угла наклона γ оси вертикального шарнира соединительного устройства: a - γ>90°; б - γ=90°; с - γ<90°). Масса системы определяет величину силы реакции N дорожного полотна на колеса велосипеда и величину силы трения F в зоне контакта колеса с дорогой.
Устойчивость системы люди - одноколейное складное многоколесное многоместное транспортное средство обеспечивается балансом моментов центробежной силы
и гравитационной силы
Все вышеизложенное справедливо и для механики движения системы люди - одноколейное складное многоколесное многоместное транспортное средство. На вираже каждая составляющая часть системы (вместе с велосипедистами) должна быть наклонена к центру кривизны под некоторым углом φ, иначе система упадет (опрокинется). Системы, представленные в [Патент ФРГ №805239. Велосипед с несколькими сидениями. Кл. 63 h G9, 1949. Патент ФРГ №811077. Велосипед с несколькими сидениями. Кл. 63 h G9, 1949. Патент ФРГ №840363. Велосипед. Кл. 63 h G9, 1949. Двухместный велосипед, образуемый из одноместных велосипедов. Международный патент WO 02/26554 А1. Двухместный велосипед, образованный соединением велосипеда для взрослого и задней части детского велосипеда. Европейский патент ЕР 1122158 A1.], не обладают таким свойством и следовательно на кривых участках пути (на виражах) они не могут двигаться устойчиво. Причиной такого свойства этих систем люди - одноколейное складное многоколесное многоместное транспортное средство является конструкция соединительного устройства, которая позволяет поворачиваться одной части одноколейного складного многоколесного многоместного транспортного средства относительно другой только строго в горизонтальной или вертикальной плоскости.
Предлагаемое одноколейное складное многоколесное многоместное транспортное средство в отличие от известных средств обладает очень большой устойчивостью при движении в кривых участках пути (на виражах). Это свойство обеспечивается за счет специальной конструкции устройства соединения отдельных частей одноколейного складного многоколесного
многоместного транспортного средства. В нем ось вертикального шарнира 28 (верхняя часть вилки 25) расположена не вертикально, а наклонена вперед на некоторый угол α, так, что передний угол между осью, проходящей через центры осей колес одноколейного складного многоколесного многоместного транспортного средства, и осью вертикального шарнира 28 меньше 90° на угол α (см. фиг.1). Благодаря этому при движении одноколейного складного многоколесного многоместного транспортного средства в кривой (на вираже) все его части автоматически наклоняются внутрь кривой пути (т.е. в сторону центра кривизны), что обеспечивает компенсацию моментов центробежных сил моментами составляющих гравитационных сил. В результате устойчивость системы обеспечивается балансом моментов центробежных и гравитационных сил. Чем меньше радиус кривизны пути R, тем на больший угол наклоняются внутрь кривой части системы, и с увеличением моментов центробежных сил увеличиваются моменты гравитационных сил и обеспечивается баланс моментов этих сил и большая устойчивость движения системы в кривой.
Плоскости, в которых располагаются передняя и задние части одноколейного складного многоколесного многоместного транспортного средства образуют грани правильной пирамиды, основание которой вписано в окружность радиуса R (фиг.4. Схема расположения плоскостей передней и задних частей одноколейного складного многоколесного многоместного транспортного средства на кривом участке пути). Длина апофемы BE правильной пирамиды
Высота ОЕ правильной пирамиды
В результате длина апофемы правильной пирамиды
Передний угол наклона оси СЕ вертикального шарнира соединительного устройства определяется из выражения
В этом выражении l - база АС передней части одноколейного складного многоколесного многоместного транспортного средства. Были выполнены расчеты по определению значений технических параметров одноколейного складного многоколесного многоместного транспортного средства с l=1,2 м, результаты которых приведены в таблице. Из таблицы видно, что при уменьшении радиуса R и увеличении скорости V и ускорения W увеличивается угол α и уменьшается передний угол γ наклона вперед оси вертикального шарнира соединительного устройства. На основании результатов испытаний передний угол γ наклона вперед оси вертикального шарнира соединительного устройства вбирается в пределах 5-9°. Это увеличение переднего угла γ наклона вперед оси вертикального шарнира обусловлено тем, что при входе на кривой участок пути скорость движения V транспортного средства резко увеличивается (см. выражения (2), (3) и (4)).
Таблица
Технические параметры одноколейного складного многоколесного многоместного транспортного средства с l=1,2 м при движении на кривых участках пути
R, м
V', км/ч
V, м/с
tgφ
φ
ψ
W, М<sup>2</sup>/с
γ
α
5
12,5
3,5
0,25
14
76
31,2
88°20'
1°40'
5
15,0
4,20
0,36
20
70
45,0
87°40'
2°20'
5
17,5
4,86
0,48
26
64
61,2
87°
3°
5
20,0
5,56
0,63
32
58
80,0
86°20'
3°40'
3
12,5
3,5
0,42
23
67
52
87°20'
2°40'
3
15,0
4,20
0,60
31
59
76,5
86°30'
3°30'
3
17,5
4,86
0,80
38
52
88,4
85°50'
4°10'
3
20,0
5,56
1,0
45
45
136,0
85°
5°
Технический результат
Предлагаемое одноколейное складное многоколесное многоместное транспортное средство в отличие от известных средств обладает очень большой устойчивостью и безопасностью при движении на кривых участках пути (на виражах). В этом транспортном средстве обеспечена возможность быстрого соединения и разъединения частей и их складывания и раскладывания, при этом в сложенном состоянии габаритные размеры частей транспортного средства не намного больше диаметра колеса.
Технический результат достигается за счет того, что одноколейное складное многоколесное многоместное транспортное средство, а именно складной многоколесный велосипед, содержит переднюю двухколесную часть с рулем и седлом и присоединяемую к ней заднюю одноколесную часть (их может быть несколько) с рулем и седлом. Рамы всех частей одноколейного складного многоколесного многоместного транспортного средства выполнены складными и открытыми. Рама каждой последующей задней части соединяется с рамой предыдущей (например, передней) части с помощью соединительного устройства, в котором ось вертикального шарнира наклонена вперед на некоторый угол, около 5-9°, так, что передний угол между этой осью и линией, проходящей через центры осей колес, меньше 90 градусов на величину этого угла наклона (5-9°), и которое содержит деталь, подобную вилке переднего колеса, опирающуюся нижними концами на ось колеса предыдущей части, при этом место раздвоения детали, подобной вилке переднего колеса, соединено посредством тяги с подседельной трубой открытой складной рамы предыдущей части, в деталь, подобную вилке переднего колеса, сверху вставлен руль, а на верхний конец ее надета труба с подшипниками, образующая вертикальный шарнир соединительного устройства, эта труба соединена посредством горизонтального шарнира с передним концом трубы открытой складной рамы последующей части. Передние трубы рам его частей снабжены замыкаемыми шарнирами, что позволяет быстро складывать и раскладывать части и обеспечивать габаритные размеры частей в сложенном состоянии не намного больше диаметра колеса. Кареточные узлы транспортного средства не связаны между собой и работают независимо друг от друга.
Список использованных источников
1. Патент ФРГ №805239. Велосипед с несколькими сидениями. Кл. 63 h G9, 1949.
2. Патент ФРГ №811077. Велосипед с несколькими сидениями. Кл. 63 h G9, 1949.
3. Патент ФРГ №840363. Велосипед. Кл. 63 h G9, 1949.
4. Двухместный велосипед, образуемый из одноместных велосипедов. Международный патент WO 02/26554 А1.
5. Двухместный велосипед, образованный соединением велосипеда для взрослого и задней части детского велосипеда. Европейский патент ЕР 1122158 A1.
6. Любовицкий В.П. Гоночные велосипеды. - Л.: Машиностроение, 1989. - 319 с.
Перечень фигур
Фиг.1. Принципиальная схема одноколейного складного многоколесного многоместного транспортного средства
Фиг.2. Виды движения системы велосипедист - велосипед
Фиг.3. Система велосипедисты - велосипед при прохождении виража и схема действующих сил при разных значениях переднего угла наклона у оси вертикального шарнира соединительного устройства: а - γ>90°; в - γ=90°; с - γ<90°
Фиг.4. Схема расположения плоскостей передней и задних частей одноколейного складного многоколесного многоместного транспортного средства на кривом участке пути