ПРИВОД ВЕЛОСИПЕДА (ВАРИАНТЫ)
BICYCLE DRIVE (VERSIONS)

Изобретение относится к наземным транспортным средствам, приводимым в действие мускульной силой человека, в частности к велосипедам.
Подавляющее большинство устройств передачи усилий человека на ведущее колесо, включая выпускаемые в настоящее время велосипеды, включают приводное устройство, состоящее из:
- заднего ведущего колеса, ось которого крепится к раме;
- закрепленного на оси ведущего блока, состоящего из механизма свободного хода, трех или более звездочек;
- цепи, соединяющей кареточный механизм (ось, на которую крепятся педали с шатунами вместе с ведущей звездочкой), далее «педальный блок» с ведомыми звездочками заднего колеса;
- устройства переключения скоростей с механизмом перекидки цепи;
- устройства натяжения цепи;
- по меньшей мере, одной ведущей звездочки в педальном блоке.
Описанная конструкция является достаточно трудоемкой и недостаточно удобной и надежной в эксплуатации.
Известен альтернативный привод (PCT/HU 2010/000009, В62М 1/02 29.07.2010), применимый для велосипедов и похожих транспортных средств, в котором оборот педального привода преобразуется в возвратно-поступательное движение качающихся рычажных механизмов, а гибкий тяговый элемент приводит в движение вращающееся колесо. При этом рычажный механизм выполнен в форме треугольника.
Недостатком данной конструкции является трудоемкость при производстве, сложность в эксплуатации, недостаточное удобство и надежность.
Технический результат от использования предлагаемого технического решения может быть выражен в создании более простой в производстве и эксплуатации конструкции, в повышении удобства и надежности использования при снижении веса и стоимости изготовления.
Технический результат по варианту 1 достигается следующим образом.
Привод велосипеда содержит педальный блок, раму, связанную с, по меньшей мере, одним приводным комплектом. Приводной комплект выполнен в виде профильного диска переменного радиуса, установленного на блоке свободного хода заднего колеса, гибкого элемента и ведущего диска, установленного на педальном блоке. В торцевой части дисков выполнен желоб для укладки гибкого элемента, который одним концом закреплен на диске заднего колеса в точке минимального радиуса, а вторым концом - на ведущем диске педального блока в верхней точке,
При этом, в указанном варианте исполнения ведущий диск педального блока может быть выполнен с равным или переменным радиусом. Профильный диск заднего колеса выполняется с переменным радиусом в виде спирали Архимеда. Переднее колесо может быть дополнительно оснащено профильным диском такого же радиуса, как профильный диск заднего колеса, при этом гибкий элемент проходит через поддерживающий блок на рулевой стойке и закрепляется на диске переднего колеса. Также профильный диск заднего колеса может быть оснащен возвратным механизмом, выполненным в виде возвратных пружин или возвратного гибкого элемента привода. Устройство может дополнительно оснащаться на другой стороне педального блока зеркально установленным вторым приводным комплектом.
Технический результат по варианту 2 достигается следующим образом.
Привод велосипеда содержит педальный блок, раму, связанную с, по меньшей мере, одним приводным комплектом. Приводной комплект в этом случае представляет собой установленные на заднем колесе правом и левом блоки свободного хода с одинаковыми профильными дисками переменного радиуса. В торцевой части дисков выполнены желоба для укладки гибких элементов, одним концом закрепленные на упомянутых дисках заднего колеса, а вторым концом связанные с соответствующими правым и левым ведущими дисками педального блока. При этом, ведущие диски педального блока могут быть выполнены с равными или переменными радиусами. Профильные диски заднего колеса преимущественно выполняются с переменными радиусами в виде спирали Архимеда. Гибкий элемент выполняется в оболочке с броней, внутри которой размещено кольцо-сепаратор с шариками и центральным гибким тросом.
Изобретение иллюстрируется следующими фигурами.
Фиг.1 - диаграмма угла поворота педалей;
Фиг.2 - вариант выполнения профильного диска, общий вид;
Фиг.3 - профильный диск, вид А; разрез 1-1; разрез 2-2;
Фиг.4 - вариант выполнения профильного диска, общий вид;
Фиг.5 - профильный диск, вид А; вид Б; разрез 1-1; разрез 2-2;
Фиг.6 - схема работы профильного диска;
Фиг.7, фиг.7а - привод велосипеда, вариант 1;
Фиг.8, фиг.8а - привод велосипеда, вариант 2.
П.Д.
mac
min
П.Д.
mac
min
Форма профиля может меняться в широком диапазоне (фиг.1, фиг.2). Определяющим является выбор характера и условий поездки: по городу, загородная поездка, пересеченная местность, горные дороги, а также продолжительность поездки и физические возможности человека. Предложенная конструкция позволяет быстро и без усилий поменять диск. На фиг.2 представлена конструкция диска для варианта с возвратной пружиной. В случае применения возвратного гибкого элемента привода делается дополнительный возвратный шкив. Передаточный коэффициент (отношение радиуса ведомого диска к соответствующему радиусу ведомого диска) в предлагаемом исполнении может быть любое, например для спокойного городского режима движения: от 1.5 до 3.0, т.е. R=100 мм, тогда R=67 мм, R=33.3 мм. Для переменного, в т.ч. скоростного режима - от 2.0 до 5.0, т.е. R=110 мм, R=50 мм, R=22 мм.
Диск может быть выполнен с двумя профилями (фиг.5), при этом на обеих профилях торцевой части дисков выполнены желоба для укладки гибких элементов.
На фиг.6 приведена схема работы профильного диска, начальное положение рабочего цикла (размеры, в кач. примера).
В случае установки возвратной пружины не требуется устанавливать возвратные шкивы на ведомом и ведущем дисках и возвратный гибкий элемент привода с компенсационной пружиной.
min
n=100:100=1.0; передаточное число в начале рабочего цикла выбирается в зависимости от предполагаемого режима езды велосипеда и может меняться в широком диапазоне.
max
min
n=100:20=5.0; условия выбора те же, что и для n
1
2
1
d=40 мм, d=80 мм; диаметры возвратных шкивов могут меняться пропорционально. 4. l=126 мм, длина окружности возвратного шкива ведомого диска при диаметре 40 мм.
Поскольку ведущий диск за рабочий цикл поворачивается на 180°, а ведомый - на 360°, длина окружности возвратного шкива заднего колеса должна составлять половину длины окружности возвратного шкива педального блока.
2
1
окр.
l=2×l=252 мм, длина окружности возвратного шкива ведущего диска при диаметре 80 мм; L=200×3.12=628 мм, ведущий, 1/2=628:2=314 мм длина окружности ведущего диска. Поскольку он поворачивается только на 180° (раб. фаза) по часовой стрелке, затем возвращается на 180° (холостой ход) против часовой стрелки, рабочая длина составляет половину длины окружности. Рабочий гибкий привод, увлекаемый ведущим диском, наматывается на эту (т.е. 1/2 диаметра) часть. Для того, чтобы ведомый профильный диск повернулся на 360° (а в некоторых вариантах и на больший угол), необходимо, чтобы суммарная длина всех дуг (длина развертки желоба профильного диска от места максимального радиуса до минимального) была равной или чуть меньшей рабочей длины (дуги) ведущего диска.
дуг
L=316 мм, суммарная длина дуг ведомого профильного диска.
Приведенные размеры могут меняться, при сохранении указанных соотношений.
Для компенсации неравномерности натяжения возвратного гибкий элемент привода рекомендуется использование небольшой многовитковой пружины.
Так как для возврата профильного ведомого диска и блока педалей с ведущим профильным диском требуется незначительное усилие, возвратный гибкий элемент привода подвергается незначительным нагрузкам. Также незначительное усилие требуется в случае применения дуг для ноги на педалях для фиксации ног.
На фиг.7 и 7а представлена конструкция изобретения, вариант 1, общий вид, где:
1 - рама;
2 - заднее ведущее колесо;
3 - переднее ведущее колесо;
4 - рулевая стойка;
5 - ось;
6 - руль;
7 - каретка свободного хода;
8 - профильный диск ведомый;
9 - гибкий элемент привода;
10 - педали;
11 - шатун;
12 - профильный диск ведущий;
13 - ось вращения педального блока;
14 - возвратная пружина;
15 - вилка крепления переднего колеса;
16 - блок опорных роликов;
17 - возвратный гибкий элемент;
18 - возвратный шкив педального блока;
19 - возвратный шкив заднего колеса;
20 - компенсационная пружина.
На блок свободного хода (каретку) устанавливают профильный диск 8а, 8б переменного радиуса, например, в виде «спирали Архимеда». В торцевой части диска 8а, 8б выполнен желоб для укладки гибкого элемента привода 9, от точки максимального радиуса до точки минимального радиуса 360°. Гибкий элемент привода 9 закрепляется одним концом в точке минимального радиуса, а вторым концом - на ведущем диске 12 педального блока 10, 11, 13 в верхней точке. Ведущий диск также имеет желоб. При помощи педалей 10 велосипедист поворачивает ведущий диск 12 по часовой стрелке на 180°, гибкий элемент привода 9 приводит в движение диск заднего колеса 8а, в помощью которого вращается колесо 2 (рабочий ход). Угол поворота ведущего диска 12 составляет 180° от верхней точки до нижней. Поворачивая левую педаль против часовой стрелки, велосипедист поворачивает правую педаль в том же направлении на угол 180° до исходного положения. Это положение является окончанием цикла. Для того, чтобы рабочие циклы следовали непрерывно, т.е. как на обычных велосипедах, со стороны левой ноги может быть зеркально установлен второй приводной комплект. Таким образом, на велосипеде заднее колесо 2 приводится во вращение педалями в любом режиме (можно поочередно или одновременно), независимо правой и левой ногами.
На фиг.8 и 8а представлена конструкция изобретения, вариант 2, общий вид, где:
1 - рама;
2 - заднее ведущее колесо;
3 - переднее ведущее колесо;
4 - рулевая стойка;
5 - ось;
6 - руль;
7 - каретка свободного хода двухсторонняя;
8а, 8б - профильные диски ведомые;
9а, 9б - гибкий элемент привода;
10 - педали;
11 - шатун;
12а, 12б - профильный диск ведущий;
13 - ось вращения педального блока;
14а, 14б - возвратные пружины;
15 - вилка крепления переднего колеса;
16 - блок опорных роликов;
17а, 17б - возвратные гибкие элементы;
18а, 18б - возвратные шкивы педального блока;
19а, 19б - возвратные шкивы заднего колеса;
20а, 20б - компенсационные пружины
В этом другом варианте исполнения используется система, при которой на оси обоих колес 2 и 3 устанавливаются профильные ведомые диски 8а, 8б, соответственно. На оси педального блока 10 установлен ведущий диск 12. В исходном положении у диска 8а заднего колеса 2 точка максимального радиуса находится в верхнем положении, гибкий элемент привода 9 максимально охватывает его, возвратная пружина 14а закручена. Далее, для предотвращения проскальзывания, в нижней точке (исходной позиции диска 12) гибкий элемент привода 9 закрепляется к диску 12. Обогнув диск 12, гибкий элемент привода 9 проходит через поддерживающие блоки на рулевой стойке 4, опускается к диску 8б переднего колеса 3 и закрепляется в точке минимального радиуса. Правая педаль находится в верхней точке, гибкий элемент привода 9 полностью охватывает диск 12. В нижней точке диска 12 гибкий элемент привода 9 жестко закреплен на диске. Далее гибкий элемент привода 9 от ведущего диска огибает опорные блоки на рулевой стойке и закрепляется в точке минимального радиуса диска 8б переднего колеса 3. Диск 8б находится в положении, когда гибкий элемент привода не охватывает диск (как бы раскручен). Возвратная пружина 14а почти раскручена. При нажатии на правую педаль, ведущий диск 12 педального блока поворачивается на 180 градусов из верхней точки в нижнюю, приводя во вращение заднее колесо 2. Колесо 2 поворачивается на 360 градусов. В это же время натяжение гибкого элемента привода 9 к переднему колесу 3 ослабевает, под действием возвратной пружины 14б диск переднего колеса 8б поворачивается по часовой стрелке на 360 градусов, увлекая и наматывая на себя гибкий элемент привода 9. Правая нога совершает рабочий ход, левая - холостой ход. Затем левая педаль поворачивается против часовой стрелки из верхней точки в нижнюю, совершая поворот на 180 градусов против часовой (рабочий ход). Правая педаль возвращается в исходное положение, поворачиваясь под действием левой педали. Задний диск под действием своей возвратной пружины наматывает на себя гибкий элемент привода (холостой ход), а переднее колесо поворачивается, совершая рабочий ход.
При приведении во вращение заднего и переднего колес одновременно одним приводом левая педаль, вращаясь независимо от правой, имеет возможность вращать заднее колесо независимо от правой педали. Это дает возможность в нужный момент складывать или свободно перераспределять усилия ног.
Для того чтобы устранить противодействие движению велосипеда возвратной пружины (в длительных поездках может накаливаться дополнительная усталость), предлагается вместо пружины применить дополнительный гибкий элемент привода и дополнительные шкивы на ведущем и ведомом блоках. Необходимое усилие для возврата профильного диска в исходное положение, после рабочего хода, очень незначительно, поэтому шкивы делаются минимального диаметра. Так как ведомый диск совершает поворот на 360 градусов, а ведущий на 180, поэтому диаметр ведомого шкива должен быть в два раза меньше диаметра ведущего шкива. Для компенсации неравномерности натяжения гибкого элемента привода при вращении дисков, предусматривается пружина компенсации (в разрыв возвратного гибкого элемента привода). Шкивы делаются с необходимым желобом для гибкого элемента привода, располагаются вплотную к профильным дискам с противоположной от колеса стороны. На педальном блоке шкив крепится к силовому диску со стороны педали. В силу сложности выполнения такого варианта для переднего колеса, целесообразно применять возвратную пружину.
Для совершения кругового вращения педалями (как на существующих моделях велосипедов) в педальном блоке устанавливается устройство, которое с начала и до окончания рабочего хода соединяет шатун и ведущий диск этого педального блока. Зацепление продолжается от верхней точки (0°) до нижней (180°), после прохождения нижней точки соединение прекращается. Педаль продолжает вращение по часовой стрелке, а силовой диск, гибкий элемент привода и профильный диск заднего колеса под действием возвратной пружины возвращаются в исходное положение, вращаясь против часовой стрелки. В верхней точке силовой диск и шатун встречаются, происходит зацепление, система готова к новому циклу. Данное описание относится и к приводному блоку левой педали, только с «зеркальным» расположением относительно правого блока.
Для расширения диапазона передаточных чисел, режима изменения усилий и характера движения, предлагается конструкция блокировки двух или трех разных профильных дисков в единый блок. У каждого диска свой профиль с желобом для гибкого элемента привода. Объединяет их одно: точка минимального радиуса общая с равными радиусами. Для двух сблокированных дисков гибкий элемент привода гибкой связи крепится с равными радиусами. Для двух сблокированных дисков гибкий элемент привода гибкой связи крепится на границе двух дисков, у трех дисков гибкий элемент привода крепится в центре среднего диска. Для перевода гибкого элемента привода с одной дорожки на другую перед дисками устанавливается направляющая вилка, которая тросиком связана с переключателем на руле. Особенность данной конструкции заключается в том, что перевод с дорожки на дорожку можно производить только в одном положении: когда диски (многодорожечный диск) находятся в точке минимального радиуса (после окончания рабочего хода и перед началом холостого хода. При этом даже у однодорожечного профильного диска с круглым диском педального блока число можно насчитать больше сотни «скоростей». Переключение производится передвижением «вилки» в створ выбранного желоба (дорожки) с помощью тросика и переключателя на руле велосипеда. Кроме многодорожечного ведомого диска может быть применен и многодорожечный (до 3-х) ведущий диск педального блока. Принцип работы аналогичен построению и управлению ведомого диска заднего колеса.
Для увеличения диапазона вращения у ведомого диска, для случая, когда длина полукруга ведущего диска значительно больше полной (360 градусов) дуги ведомого профильного диска, предлагается желоб для приводного гибкого элемента привода формировать с плавным смещением по мере уменьшения радиуса для того, чтобы иметь протяженность желоба не 360 градусов, а больше (например: до 720 градусов). Такая потребность может возникнуть, когда длины дуг основного профильного диска и ведущего достаточно большие, а у дополнительного профильного диска (второго или третьего) значительно меньше (для скоростного режима). В этом случае ведущий диск не будет использоваться в полной мере (т.е. при повороте, например, на 110 градусов гибкий элемент привода натянется и не даст возможности для вращения ведущего диска. Это достигается путем плавного смещения в свободную сторону желоба и одновременным уменьшением радиуса до минимального. Диаметр гибкого элемента привода, толщина стенок желоба даже для 3-х дорожечного профильного диска может быть в пределах 16 мм. А суммарная ширина 8-ми звездочек составляет 20 мм.
Могут использоваться одно-, двух- и трехдорожечные профильные диски.
Для того, чтобы рабочие циклы следовали непрерывно с одной стороны, например со стороны левой ноги, зеркально устанавливается второй приводной комплект. На заднее колесо 2 устанавливаются зеркально два блока свободного хода (каретка с правым и левым устройствами свободного хода 7а и 7б), два профильных диска 8а и 8б, в педальном блоке правая педаль 10а вращается независимо от левой 10б. Диск 12 крепится на оси педального блока 6. Ведущие диски 12а и 12б соответственно соединяются с ведомыми дисками 8а и 8б гибкими связями 9а и 9б. У каждого ведомого диска заднего колеса устанавливаются возвратные механизмы, выполненные в виде возвратных пружин 14а и 146, а также пружины компенсации натяжения. Возвратные механизмы могут выполняться в виде шкивов.
Гибкий элемент для обоих предлагаемых вариантов приводов выполняется в оболочке с броней, внутри которой размещено кольцо-сепаратор с шариками и центральным гибким тросом. Предпочтительно броня выполнена из стальной проволоки диаметром 1,2 мм, шарики выполняются из стали или высокопрочного полиэтилена HDPE, кольцо-сепаратор из высокопрочного полиэтилена HDPE или фторопласа-4, трос выполняется из стального многопроволочного гибкого шнура или из полиэтилена HDPE. Ограничительный колпачок включает уплотнитель, маслосъемное кольцо, кольцо центрирующее и фиксирующую гильзу. Оболочка применяется по условиям среды и назначению тросового привода. Конструктивно выполняется в соответствии с существующими технологиями. В броне для некоторых конструкций может применяться не круглая, а плоская или специального сегментного профиля проволока. Кольца-сепараторы для особо тонких тросовых передач (наружным диаметром менее 10 мм) могут быть стальными в форме шайбы. Наружный диаметр шайбы должен быть соразмерен внутреннему диаметру брони, а внутренний диаметр шайбы должен составлять не более 70% от диаметра шарика. Смазочный наполнитель предназначен для максимального снижения силы трения между подвижными элементами конструкции. Центральный трос может быть выполнен в виде стального витого троса или стальной пружинной калиброванной проволокой. Он также может быть выполнен в виде полиэтиленового шнура. В конструкции может применяться маслосъемная шайба фетровая. Центрирующее опорное кольцо, через которое проходит рабочий тросик, может быть выполнен из минерала, например агата. Фиксирующая концевая гильза закрепляет в единое целое отдельные элементы конструкции.
Такая конструкция обеспечивает возможность работы ногами независимо одна от другой. Профильные диски могут иметь конфигурацию с учетом особенностей и степени подготовленности конкретного велосипедиста.