Велосипед с ручным приводом и рама с изменяемой геометрией
BICYCLE WITH MANUAL DRIVE AND FRAME WITH VARIABLE GEOMETRY

Изобретение относится к области транспортных средств с мускульным приводом, в частности к велосипедам с ручным приводом и используемой в нем раме, и применяется для осуществления физических упражнений в процессе езды.
В чем принципиальное отличие схемы с ручным приводом от классического велосипеда:
Велосипед изначально создавался и совершенствуется сегодня с одной целью -проехать дальше и затратить при этом как можно меньше сил, т.е. получить пользу от перемещения за счет движения. Такое движение осуществляется с помощью силы ног. Велосипед с ручным приводом для аналогичного перемещения использует силу рук с целью за ту же, или даже меньшую дистанцию получить максимум мышечных нагрузок.
Второе отличие - КПД работы мышц. У велосипеда при вращении педалей всегда существует "мертвая зона", когда попеременно одна нога не работает. У схемы с ручным приводом такой зоны нет, и при вращении шатунов мышцы работают постоянно.
Типы схем с ручным приводом:
1. 3-х и 4-х колесные схемы, сконструированы для людей с ограниченными возможностями (травмы позвоночника и паралич ног). [1] Основное предназначение - возможность почувствовать радость от передвижения, при этом конструкция обеспечивает минимальную энергозатратность при вождении.
2. 2-х и более колесные схемы, сконструированные для физически здоровых людей с целью получения дополнительных мышечных нагрузок благодаря уникальным условиям использования таких механизмов и в целом повышения уровня выносливости [2]. Данное изобретение относится ко второму типу схем с ручным приводом.
Важное преимущество велосипедов с ручным приводом как класса заключается в том, что при больших нагрузках на организм, возможных только с использованием силовых тренажеров либо в процессе длительных тренировок в других видах спорта, полностью отсутствуют отрицательные побочные эффекты - весовые и ударные нагрузки на позвоночник и коленные суставы.
Ближайшими аналогами циклических спортивных дисциплин по типу нагрузок и работе групп мышц можно считать греблю, плавание, зальные стационарные тренажеры.
Принципиальное отличие изобретения от всех остальных велосипедов с ручным приводом:
Данное изобретение обладает малыми размерами, практичностью в использовании, максимальной эффективностью в процессе увеличения мышечной массы и повышения выносливости.
Данный велосипед с ручным приводом одинаково пригоден для возрастных групп от 15 80 лет. Использовать устройство можно в любой местности. Храниться и транспортироваться велосипед с ручным приводом может в складном состоянии.
Известно изобретение [3] целью которого является использование на привод как движение академической гребли, так и педалирование, а также возможность менять посадку при педалировании, состоящий из рамы, выполненной в виде направляющей, установленной на заднем приводном колесе с блоком звездочек с храповиком и переключателем скоростей и переднем поворотном колесе, вилка которого укреплена в подшипниках рамы, руль-поворот которого связан с поворотом вилки переднего колеса. При этом на направляющей установлена каретка с сиденьем со спинкой.
Известен велосипед с опорным устройством [2], включающий стандартную велосипедную раму, рулевую вилку с рулем и передним колесом, заднее колесо, седло, закрепленное на подседельном штыре, педали с шатунами, а также устройство ручного привода. При этом движение осуществляется за счет одновременной или раздельной работы ножного и ручного привода, а баланс контролируется с помощью грудной клетки, опирающейся на подставку, закрепленную на руле.
Данное техническое решение является наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и принято за прототип.
Недостатком приведенных конструкций являются один или несколько пунктов:
1. Техническая сложность конструкции, увеличивающая вес, обслуживание и ремонт,
2. Большие габариты конструкции, создающие проблемы при движении в городской среде, при хранении и перевозке,
3. Сложность в управлении, повышающая риск получения травм и соответственно негативно влияющая на проявление интереса у различных категорий пользователей.
4. Малая эффективность для увеличения мышечной массы тела, т.к. в работе участвуют выборочные группы мышц, а не весь комплекс.
5. Низкая маневренность, сужающая применение на различных участках рельефа и покрытия.
Технической задачей является: необходимость проектирования велосипеда с ручным приводом и рамы, лишенных вышеприведенных недостатков.
Технический результат проявляется в следующем:
1. Универсальность - применимость в любой среде и рельефе.
2. Маневренность - удобство в вождении.
3. Компактность - удобное хранение и транспортировка.
4. Эффективность - тренировка всех основных групп мышц при движении.
5. Доступность - пригодность в использовании для всех возрастных групп пользователей.
Технический результат достигается следующими конструктивными решениями:
1. Компоновка всех основных узлов близка конструкции велосипеда,
2. Общие габариты конструкции меньше чем у взрослого велосипеда,
3. Рама с изменяемой геометрией,
4. Управление и контроль баланса осуществляется одновременно за счет работы рук и ног, и опоры на два или четыре колеса,
5. Движение осуществляется за счет эффективной работы основных групп мышц с помощью ручного привода и рамной конструкции, работающей по принципу растягивающейся пружины.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где:
На фиг. 1 представлен заявляемый велосипед с ручным приводом, на фиг. 2 представлена заявляемая рама с изменяемой геометрией и принцип ее работы, на фиг. 3а показана четырехколесная схема с использованием дополнительных колес-подставок, на Фиг. 3б показан способ замены подножек-педалей на колеса-подставки, на Фиг. 4а представлена нижняя труба рамы, выполненная с возможностью динамичного изменения длины, на фиг. 4б нижняя труба в продольном разрезе в среднем положении, на фиг. 4в нижняя труба в продольном разрезе в растянутом положении, на фиг. 4г нижняя труба в продольном разрезе в сжатом положении, на фиг. 5 представлена схема управления устройством и распределение нагрузок при движении, на фиг. 6а представлен заявляемый велосипед в разложенном виде, на фиг. 6б представлен заявляемый велосипед в сложенном виде (вид сбоку), на фиг. 6в представлен заявляемый велосипед в сложенном виде (вид спереди).
Заявляемая рама с изменяемой геометрией включает подседельную трубу 1, Верхнюю трубу треугольника 2, Нижние трубы треугольника, продолжающиеся как нижнее перо в точке соединения с подседельной трубой 4, Трубы верхнего пера треугольника 3, Трубы усиления жесткости, соединяющие нижнее и верхнее перо 5, Верхний шарнирный узел в точке соединения верхней трубы и нижних труб треугольника 8, Рулевую трубу 9, Ответную часть верхнего соединительного шарнирного узла между рулевой трубой и треугольником рамы 10, Нижнюю часть соединительного шарнирного узла с раздвижной трубой 11, Нижнюю часть соединительного шарнирного узла с раздвижной трубой 7, Нижнюю раздвижную трубу 6.
Заявленный велосипед с ручным приводом включает вышеописанную раму, а так же: Седло 23, Подседельный штырь 24, Заднее ведомое колесо малого диаметра 22, Заднее крыло 26, Вынос с кареткой 14, Ручки 15, Шатуны 16, Большую звезду 17, Защиту на звезду 25, Цепь 18, Малую звезду 19, Переднюю вилку 12, Нижние выносы 13, Съемные подножки-педали 20, Большое ведущее колесо с обычной односкоростной втулкой и тормозом 21.
Конструкция велосипеда с ручным приводом позволяет изменить колесную формулу с двух на четыре колеса. Цель достигается за счет замены подножек-педалей 20 на подножки-стойки 29 с колесами 28, которые крепятся через отверстия 30 на нижние выносы передней вилки 13 в ответные крепежные отверстия 31 болтами 32. Рулевая труба при этом должна быть приведена в максимально вертикальное положение и зафиксирована с помощью зажима 35. В таком положении рамы возможно осуществлять полноценные повороты тремя передними колесами, Расположенными на поперечной оси. Динамическое раздвижение нижней трубы при такой схеме исключается. Привод может комплектоваться защитным кожухом цепи и большой звезды 27 с местами крепления к каретке 34 и вилке 33.
Заявляемое изобретение работает следующим образом.
Пользователь берется за рукоятки 15 и садится на сиденье 23. Затем пользователь отталкивается от земли и ставит ноги на подножки-педали 20, одновременно начиная вращательные движения с помощью шатунов 16, что приводит к появлению крутящего момента на большой звезде 17, который передается с помощью цепи 18 на малую звезду 19 и далее на переднее колесо 21, что приводит в движение все устройство. В процессе движения пользователь осуществляет управление устройством за счет поворота ручек шатунов 16 влево/вправо и одновременного контроля баланса с помощью подножек 20. Торможение осуществляется за счет вращения шатунов 16 в обратную сторону при использовании стандартной втулки либо с помощью стандартной тормозной ручки, закрепленной на одной из ручек шатунов, соединенной тросиком с тормозным диском на заднем колесе.
Использование устройства в качестве тренажера для укрепления всего комплекса мышц осуществляется за счет функции раз движения рамы вдоль оси движения.
Процесс приведения в движение устройства пользователем делится на две независимые фазы (в отличие от одной фазы на велосипеде) - растягивание и сжатие. Таким образом, увеличивается охват включенных в работу мышц.
Схема работы раздвижной трубы и ее влияние на общую геометрию устройства показана на Фиг. 2. Величина X является диапазоном силового сжатия пружины и соответственно, раздвижения рамы, где обозначения: А - седло, В - подножки, С - ручки шатунов - являются точками приложения силы. В малом диапазоне сжатия пружина работает в качестве амортизатора.
Фазы силовых движений пользователя показаны на Фиг. 5
Фаза 1 - торс наклоняется вперед, руки толкают шатуны с ручками вперед и вниз, распрямляясь в локтях, ноги сгибаются под себя, происходит инерционное распрямление пружины в трубе и сжатие рамы.
Фаза 2 - торс отклоняется назад, руки сгибаются в локтях и вытягивают за собой шатуны, ноги разгибаются в коленях, нагружая пружину за счет давления на подножки и тем самым распрямляя раму.
В хранящемся или транспортируемом состоянии устройство показано на Фиг. 6а, Фиг. 6б и Фиг. 6в. Складывание устройства осуществляется за счет опускания седла 23 на подседельном штыре 24 в подседельную трубу 1, отсоединения раздвижной рамной трубы 6 от шарнирного узла 7, и сгибания рамы в верхнем шарнирном узле 8. Возможен вариант без отсоединения раздвижной трубы. В этом случае нужно произвести сжатие пружины 36 с усилием и зафиксировать в сдвинутом положении трубу с помощью зажима 35. Ручки 15 и подножки 20 так же могут иметь механизм складывания.
Полезность заявляемого изобретения поясняется примером:
Были проведены исследования влияния конструкции рамы велосипеда с ручным приводом на эффективность тренировок. Для этого были отобраны две группы по 5 человек, состоящие из мужчин в возрасте от 20 до 30 лет, постоянно занимающихся спортом. Образец 1 представлял собой велосипед с ручным приводом, в основу которого были заложены конструктивные особенности устройства-прототипа. Образец 2 представлял собой заявляемый велосипед с ручным приводом.
В начале исследований у каждого испытуемого был измерен процент подкожного жира методом биоимпедансометрии. Также до начала испытаний для каждого участника эксперимента было определено максимальное количество подтягиваний обратным хватом до отказа. Измерение подкожного жира было выбрано в качестве контрольного показателя, так как занятия на велосипедах с ручным приводом способствуют снижению веса и их можно отнести к кардиотренировкам. Подтягивания обратным хватом были выбраны в качестве контрольного показателя, так как в этом упражнении участвует большое количество мышц спины и плечевого пояса.
Схема проведения испытаний:
Каждому испытуемому из первой группы было выдано устройство по Образцу 1, а испытуемым из второй группы, соответственно, были выданы устройства по Образцу 2.
Все участники тренировались раз в два дня и проезжали по 10 км за тренировку первые две недели, по 12 км за тренировку вторые две недели, по 15 км за тренировку третьи две недели и по 18 км за тренировку четвертые две недели.
Затем у каждого участника был дополнительно измерен процент подкожного жира и определено максимальное количество подтягиваний обратным хватом до отказа. Результаты приведены в Таблице.
Согласно результатам испытаний снижение уровня подкожного жира в результате двух месяцев тренировок в среднем составило 1,1% для испытуемых первой группы и 2,2% для испытуемых второй группы. Количество подтягиваний обратным хватом до отказа после двух месяцев тренировок в среднем увеличилось на 1,4 повторения для испытуемых из первой группы и на 2,6 повторений для испытуемых из второй группы. Проведенные исследования доказали повышение эффективности тренировок с помощью заявляемого устройства по сравнению с устройством-прототипом.
Список источников
1. Велосипед с ручным приводом: патент №6105986, Соединенные Штаты Америки, заявка № US 19970909113; заявл. 11.08.1997; опубл. 22.08.2000.
2. Велосипед с поддерживающим устройством: патент №10112679, Соединенные Штаты Америки, заявка № US 201662301744; заявл. 01.01.2016; опубл. 07.09.2017.
3. Велосипед с педалированием и движением академической гребли: патент №2420422, Российская Федерация, заявка № RU 2009144447; заявл. 30.11.2009; опубл. 10.06.2011.