ВЕЛОСИПЕД (ВАРИАНТЫ), КОЛЕСО ВЕЛОСИПЕДА, ПРИВОД ВЕЛОСИПЕДА, РЫЧАЖНЫЙ МЕХАНИЗМ ВЕЛОСИПЕДА, ПЕДАЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ ВЕЛОСИПЕДА И КОМПЛЕКТ, СОДЕРЖАЩИЙ ВЕЛОСИПЕД И ПРИЦЕП
BICYCLE (VERSIONS), BICYCLES WHEELS, BICYCLE DRIVE, BICYCLE LEVER MECHANISM, BICYCLE PEDAL MECHANISM AND SET COMPRISING BICYCLE AND TRAILER

Группа изобретений относится к транспортному машиностроению, а именно к универсальным шоссейно-туристским велокомплектам для быта, спорта и путешествий, которые состоят из велосипедов с рычажными приводами дорожного, спортивного или туристского назначения (велопривод дорожного назначения отличается от спортивного или туристского величиной передаточного отношения, которая остается в пределах передаточных отношений велоприводов серийно выпускаемых в настоящее время; велоприводы спортивного или туристского назначения отличаются увеличенными передаточными отношениями в соответствии с возросшей величиной момента крутящего), велоприцепов с кейсами для перевозки велосипедов и прицепов в др. видах транспорта и вручную.
Известен привод велосипеда, содержащий ведущий блок с педально-шатунным механизмом и по меньшей мере с одной ведущей шестерней, закрепленной на правом шатуне (перечисленный комплект деталей установлен на валу каретки рамы велосипеда), ведомый блок по меньшей мере с одной ведомой шестерней, соединенной с ведущей шестерней гибкой связью, и обгонную муфту (см. RU 2155141 С1, публ. 2000 г.) (ближайший аналог для привода).
Наиболее близким к предложенному является привод велосипеда, содержащий ведущий блок по меньшей мере с одной ведущей звездочкой, с рычажным и педальными механизмами, ведомый блок по меньшей мере с одной ведомой звездочкой и обгонную муфту, венцы ведущих звездочек закреплены на периферийной части обгонной муфты, установленной в ведущем блоке звездочек на валу каретки (US 3492883 А, опуб. 03.02.1970).
Недостатком известных технических решений является относительно низкая величина преобразования усилия велоприводом, которая обеспечивает относительно низкие ходовые качества, не соответствующие энергозатратам организма при педалировании.
Известен велосипед, содержащий раму с колесами, руль, привод заднего колеса, тормозную систему (см. RU 2155141 С1, публ. 2000 г.) (ближайший аналог для велосипеда по первому варианту).
Известно колесо велосипеда, содержащее втулку, снабженную двумя фланцами, которые с внешней стороны соединены спицами с ободом колеса, а с внутренней стороны жестко соединены со ступицами втулок колес (В.П.Любовицкий, Гоночные велосипеды, Л., Машиностроение, 1989, с.15, 60-64).
Недостатком данных технических решений являются относительно невысокие эксплуатационные характеристики.
Известен велосипед-тандем, содержащий раму с двумя колесами, состоящую из двух кареточных узлов, два руля, два последовательных привода заднего колеса, тормозную систему (см. SU 1789412 А1, публ. 1993 г.) (ближайший аналог для велосипеда по второму варианту)
Недостатками данного технического решения являются следующие:
- велосипедист, сидящий сзади, исполняет только пассивную функцию педалирования;
- нагрузка на колеса и удельное давление колеса на грунт возрастают в 2 раза.
Известен прицеп велосипеда, содержащий раму с колесами, присоединенную с помощью буксировочного устройства к основанию подседельного штыря рамы велосипеда (см. RU 2051059 С1, публ. 1995 г.).
Недостатками известного прицепа являются следующие:
- длинное водило, гибкость которого дает низкий КПД буксировки;
- зависимая подвеска колес и отсутствие амортизаторов практически исключают возможность буксировки прицепа по пересеченной местности;
- кузовная конструкция, которая увеличивает собственный вес прицепа;
- отсутствие необходимого уровня безопасности при движении велосипедиста с прицепом на спусках и, особенно, при прохождении поворотов, т.к. у серийно выпускаемых прицепов отсутствует тормозная система, а буксировочное устройство выполнено без учета возможности изменения угла наклона велосипеда относительно прицепа, при входе велосипедиста в вираж.
Ближайшего аналога для предлагаемого комплекта не выявлено. Технической задачей группы изобретений является повышение эксплуатационных свойств велосипеда путем оптимизации процесса педалирования с одновременным увеличением всех параметров движения через увеличение крутящего момента, повышение комфортности и безопасности езды, а также возможности удобного транспортирования велосипеда с прицепом в других видах транспорта и вручную.
Техническая задача решается тем, что привод велосипеда содержит ведущий блок по меньшей мере с одной ведущей звездочкой, с рычажным и педальными механизмами, ведомый блок по меньшей мере с одной ведомой звездочкой, соединенной с ведущей звездочкой, и обгонную муфту, венцы ведущих шестерней закреплены на периферийной части обгонной муфты, установленной в ведущем блоке шестерен на валу каретки, отличающийся тем, что рычажный механизм выполнен в виде пары бумерангообразных двуплечих рычагов, каждый из которых имеет педальное плечо с опорой на противоположных концах вала каретки, и плечо, передающее крутящий момент, педальное плечо и плечо, передающее крутящий момент, изогнуты в плоскости перпендикулярной оси каретки с образованием бумерангообразной конфигурации, при этом плечо, передающее крутящий момент, жестко соединено с элементом для передачи крутящего момента на вал каретки, а храповик обгонной муфты жестко связан с элементами для передачи крутящего момента с возможностью приведения ими во вращение.
Технический результат достигается также конструкцией вышеописанного рычажного механизма.
В конструкцию рычажного механизма, кроме эффекта увеличения момента крутящего на валу каретки, внесены конструктивные элементы, которые также активно способствуют увеличению выходного момента крутящего велосипеда и оптимизации процесса педалирования, а именно:
- бумерангообразная конфигурация плеч рычагов, эффект от вращения которых выражен в исчезновении мертвой точки в системе «нога - педаль», что дает дополнительно 25%, за счет появления плеч вращения в «нулевых» точках (две из восьми: 0° и 180°), классического цикла педалирования;
- дифференцирование комплектов рычажной пары на «комплект толчковой ноги» и «комплект тяговой ноги», что создает стабильность движений при использовании велосипеда, т.к. появляется постоянное стартовое положение педальных механизмов;
- «ускорительный эффект» массы ускорителей определенного веса и формы, которые под действием силы тяжести активно способствуют вращению рычажного механизма в передней части окружности полного цикла педалирования, повышая приложенные усилия до 50% от номинала, в зависимости от частоты педалирования.
Конструктивно последние два вышеприведенных эффекта взаимосвязаны и возникают за счет установки на плече, передающем крутящий момент, «рычага толчковой ноги» и на педальном плече «рычага тяговой ноги», упомянутой массы ускорителей, которая в результате располагается по одну сторону от кареточного вала, устанавливая рычажные комплекты в постоянное, оптимально-выгодное стартовое положение (возникновение эффектов такого рода возможно только в биотехнических системах).
Технический результат также достигается конструкцией колеса велосипеда, содержащего втулку, снабженную двумя фланцами, которые с внешней стороны соединены спицами с ободом колеса и с внутренней стороны жестко соединены со ступицей втулки колеса, причем спицы соединяют обод колеса с внешней окружностью фланцев. Спицы расположены по радиусу колеса, а внутренняя часть фланцев выполнена в виде лопастнообразных плоскостей, перемычки которых соединяют внешнюю и внутреннюю окружности фланцев между собой, а векторы сил, воспринимаемые перемычками, направлены по касательным к поверхности втулки колеса. В результате возникает амортизирующий эффект, выражающийся в снижении величины ударного воздействия на втулки колес и детали рамы, а также «векторный» эффект, позволяющий передать нагрузку торможения с тормозных дисков, закрепленных на наружных окружностях фланцев, на втулку колеса через векторы «силы на разрыв», проходящие по осям лопастнообразных фланцевых перемычек, таким же образом передается нагрузка ускорения от втулки заднего колеса, что способствует повышению износостойкости колес.
Колесо может быть снабжено по меньшей мере одним тормозным диском диаметром более 400 мм, установленным на внешней окружности фланца, и колодочными механизмами (механика или гидравлика), устанавливаемыми в основаниях перьев передней вилки и в основании вантин задней вилки. Для повышения безопасности движения и износостойкости тормозных колодок по меньшей мере один тормозной диск имеет обрезиненный торец для привода во вращение по меньшей мере одного генератора электроэнергии. Такое исполнение привода генератора позволяет снять боковое давление с колеса, вызываемое существующим фрикционным приводом генератора, а также исключить боковой поверхностный износ шины колеса.
Ось втулки заднего колеса может иметь по меньшей мере по одной опоре, расположенной по разные стороны от блока ведомых звездочек. Наличие на оси втулки заднего колеса по меньшей мере по одной опоре, расположенной по разные стороны от блока ведомых звездочек, позволяет исключить возникновение консольной нагрузки на втулке заднего колеса, в результате чего повышается износостойкость конструкции и эффективность передачи кинетической энергии на заднее колесо, что приводит к увеличению выходного момента крутящего.
Это позволило повысить жесткость колес (за счет сокращения длины спиц и увеличения их поперечного сечения), необходимую для восприятия повышенного момента крутящего, а также повысить амортизирующие свойства колес для повышения безопасности, комфортности и динамики движения.
Технический результат также достигается педальным механизмом, содержащим педальную раму, имеющую носковую часть для опоры передней части стопы и пяточную часть для опоры задней части стопы, при этом в носковой части педальной рамы в месте приложения усилия по оси большого пальца стопы, поперек продольной оси педальной рамы жестко закреплена носковая траверса, на конце которой поперек траверсы жестко закреплено носковое плечо двуплечего бумерангообразного рычага, конец пяточного плеча которого жестко соединен с пяточной полутраверсой, при этом в педальной раме одним концом жестко установлена центральная полутраверса, которая другим своим концом опирается на внутренние подшипники шарнирного узла, на наружных подшипниках которого установлен двуплечий бумерангообразный рычаг, плечи которого изогнуты в плоскости перпендикулярной оси контакта шарнирного узла педального механизма с головкой педального плеча рычага рычажного механизма.
Механизм содержит также устройство для закрепления обуви на педальной раме, которое состоит из пластины, закрепляемой на подошве обуви, фиксирующего устройства, расположенного в носковой части педальной рамы для закрепления носковой части пластины с обувью, и фиксирующего устройства, расположенного в пяточной части педальной рамы для закрепления пяточной части пластины с обувью.
При этом фиксирующее устройство для закрепления передней части пластины с обувью состоит из выполненных в передней части рамы педали пазов для вхождения в них соответствующих краевых участков упомянутой пластины, а фиксирующее устройство для закрепления пяточной части пластины с обувью состоит из установленных с возможностью проворота на оси рычагов-фиксаторов, имеющих конические выступы для вхождения в отверстия, выполненные в пяточной части упомянутой пластины с фиксированием пластины на педальной раме рукояткой эксцентрика.
Педальный механизм обеспечивает эффективное и равномерное восприятие и передачу усилия от стопы ноги на педальную головку рычага рычажной пары через бумерангообразный двуплечий педальный рычаг, в котором располагается шарнирный узел педального механизма и который снимает проблему появления общей мертвой точки в системе двуплечих рычагов, когда система находится в горизонтальной оси (90-270)° полного цикла педалирования. В оконечности носкового плеча рычага жестко крепится носковая траверса, в оконечности пяточного плеча рычага жестко крепится пяточная полутраверса. В педальной раме одним из своих концов жестко установлена центральная полутраверса, которая другим своим концом опирается на внутренние подшипники шарнирного узла, при этом упомянутый двуплечий педальный рычаг опирается на наружные подшипники шарнирного узла. В результате конструкция педальной рамы с двуплечим рычагом и шарнирным узлом соответствует проекции стопы ноги на плоскость и без конструкционных напряжений полностью передает усилия велосипедиста на головку педального плеча рычажной пары. Такое выполнение педального механизма позволяет обеспечить полноопорную постановку стоп ног велосипедиста на педалях и разнести оси приложения сил (носковую и пяточную) и ось вращения самого педального механизма между собой и в соответствии с анатомическим строением стопы. Конструкция позволяет передать практически 100% усилия ног на головки педальных плеч рычагов рычажной пары, при этом организм человека получает и оздоравливающий эффект, т.к. удельное давление педали на стопу возникает ниже, чем при ходьбе (отсутствует ударная нагрузка шага), поэтому время пребывания человека в седле можно приравнять ко времени передвижения человека пешком, но на порядок большие расстояния и с оздоравливающим эффектом.
Фиксирование (ручное или автоматическое) пяточной части пластины с обувью на педальной раме позволяет обеспечить рабочие фазы второй половины цикла педалирования, которые состоят из фазы «протяжки» пяткой и носком, а также «тяги коленом».
Вышеописанная конструкция педального механизма позволяет увеличить средний радиус приложения усилий до 221 мм при классическом радиусе вращения рычажной пары 170 мм на полном цикле педалирования, что увеличивает силовой контур полного цикла педалирования на 210% по сравнению с серийно выпускаемыми моделями педалей и на 235% выходной момент крутящий за счет «бумерангообразного» профиля плеч рычагов.
Техническая задача решается также тем, что велосипед по первому варианту содержит раму с двумя колесами, руль, тормозную систему, привод заднего колеса, выполненный согласно первому объекту изобретения, а колеса выполнены вышеописанным образом.
Для повышения информированности велосипедиста о состоянии работы механизмов велосипеда, параметрах движения и физиологических параметрах собственных, велосипед снабжен щитком приборов, выполненным с возможностью индикации частоты вращения звездочек ведущего блока и педальных механизмов, прикладываемого усилия к педалям, включенной передачи, скорости движения, указателей поворота и физиологических параметров велосипедиста.
Для снижения лобового сопротивления и повышения комфортности езды велосипед может быть снабжен обтекателем, установленным в районе руля или полуоткрытой кабиной аэродинамической формы.
В геометрию рамы велосипеда внесены изменения в связи с установкой педальных механизмов, дающих сложный рисунок педалирования и требующих передвижения седла и рулевой колонки с передней вилкой вперед на определенное расстояние для получения велосипедистом оптимального эффекта полного цикла педалирования.
Для установки предлагаемого привода на существующие типы рам подседельный штырь может быть выполнен изогнутым в сторону переднего колеса, а рулевая колонка закреплена на рулевой колонке рамы велосипеда, т.е. выполнена выносной, что позволяет сместить велосипедиста вперед и получить максимальный эффект от педалирования.
Велосипед может быть снабжен буксировочным устройством, съемный буксирный треугольник которого соединяется с задним треугольником рамы велосипеда, с центровкой на оси заднего колеса, тем самым достигается оптимальное тяговое усилие и необходимая жесткость буксировки при полной свободе маневра велосипедом, за счет трехшарнирного буксирного узла, который обеспечивает и автоматическое торможение прицепа при его накате.
Техническая задача решается также тем, что велосипед по-второму варианту изобретения содержит раму с четырьмя колесами, состоящую из двух соединенных между собой частей, два руля, тормозную систему, два привода колес, каждый из которых выполнен согласно первому объекту изобретения, при этом части рамы расположены параллельно и шарнирно соединены между собой горизонтальными тягами.
Зубья храповиков обгонных муфт их приводов могут быть выполнены с возможностью двухстороннего действия для возможности передвижения задним ходом при вращении педалей назад.
Каждая часть рамы может быть снабжена буксировочным устройством, на конце которого закреплен тягово-шаровой шарнир для установки горизонтальной буксирной тяги.
Части рамы могут быть шарнирно соединены между собой тремя горизонтальными тягами, с возможностью работы в параллелепипедном и прямоугольном, принудительно фиксируемом режиме.
Управление рулем и тормозной системой может быть выполнено с возможностью его осуществления только одним из велосипедистов в зависимости от вида сторонности движения, принятого в стране использования велосипеда.
Техническая задача решается также тем, что комплект содержит велосипед по одному из двух упомянутых вариантов исполнения и прицеп, который содержит раму с независимой подвеской колес и горизонтально расположенными гидравлическими амортизаторами, присоединенную с помощью буксировочного устройства к буксировочному устройству велосипеда через буксирный узел, выполненный с возможностью проворота и изменения угла наклона буксировочного устройства велосипеда относительно буксировочного устройства прицепа.
Наличие буксирного узла, выполненного с возможностью проворота и изменения угла наклона буксировочного устройства велосипеда относительно буксировочного устройства прицепа, позволяет велосипедисту изменять угол наклона при входе в вираж без ущерба для устойчивости прицепа.
Буксирный узел по велосипеду первого варианта может содержать два шарнира, один из которых выполнен в виде тягово-шаровой опоры с возможностью изменения угла наклона велосипеда, а второй - в виде карданного шарнира, который соединяется с тяговым устройством прицепа с возможностью автоматического торможения за счет наката.
Буксирный узел по велосипеду второго варианта может содержать два шарнира, один из которых выполнен в виде двух тягово-шаровых опор с возможностью изменения угла наклона велосипеда, а второй - в виде карданного шарнира, который закреплен по центру горизонтальной буксирной тяги и присоединен к буксировочному устройству прицепа тяговым узлом, который выполнен с возможностью автоматического привода тормозов при накате прицепа.
Для сохранения устойчивости велосипеда на стоянке буксирный узел снабжен ручным стояночным тормозом.
Наличие независимой подвески колес с горизонтально расположенными гидравлическими амортизаторами позволяет велосипедисту комфортно передвигаться с прицепом по пересеченной местности.
Рама прицепа может быть выполнена в виде арочной конструкции, снабженной средством для подвешивания транспортируемого груза, например лебедкой. Такая конструкция прицепа позволяет перевозить разногабаритные грузы.
Прицеп может быть снабжен грузовой гондолой, которая позволяет перевозить грузы с минимальным лобовым сопротивлением и максимальной пылевлагозащищенностью.
Грузовая гондола может быть выполнена с возможностью трансформации в кейс для перевозки велосипеда и прицепа в других видах транспорта и вручную.
Сущность группы изобретений поясняется с помощью чертежей.
На фиг.1 показан общий вид велосипеда с прицепом, на фиг.2 показана рама велосипеда по пункту 16 формулы, на фиг.3 показан индикаторный щиток приборов велосипеда, на фиг.4 показана схема привода велосипеда, на фиг.5 показан ведущий блок с механизмом холостого хода, на фиг.6 показан педальный механизм, на фиг.7 (а-г) показана велогетка с опорной пластиной, закрепляемой на педальной раме, на фиг.8 показан прицеп без гондолы, на фиг.9 показан прицеп с грузовой гондолой, на фиг.10 показан комплект, содержащий велосипед и прицеп, помещенные в кейс. На фиг.11 показан велосипед по второму варианту; на фиг.12 (а-г) показана упрощенная схема эллипсовидно-кругового педалирования; на фиг.13 показана схема фаз цикла педалирования; на фиг.14 показан испытательный макет рычажного механизма предлагаемого привода велосипеда.
Велосипед по первому варианту (см. фиг.1) содержит раму 1 с колесами 2 и съемным буксировочным устройством 3, руль 4, привод 5 заднего колеса, тормозную систему, включающую дисковые тормоза, состоящие из тормозных дисков 6, установленных на фланцах 7 втулок 8 колес и колодочных механизмов 9. Втулка 8 каждого колеса 2 снабжена двумя фланцами 7 увеличенного до 400 мм диаметра, которые по внешней окружности соединены увеличенного сечения спицами 10 с ободом колеса 2. Внутренняя часть фланцев 7, жестко посаженных на ступицах втулки 8, выполнена в виде лопастнообразных плоскостей, оси перемычек 11 которых служат векторами сил передачи ударной нагрузки, передаваемой спицами 10, и направлены по касательным к боковым поверхностям ступиц втулки 8. Генератор 12 установлен на вантине 13 задней вилки рамы 1, фрикционный привод которого работает от обрезиненного торца тормозного диска 6. На руле 4 размещен обтекатель 14 аэродинамической формы, щиток приборов 15 (см. фиг.3), служащий для индикации частоты вращения звездочек (шестерен) ведущего блока и педальных механизмов, прикладываемого усилия на педалях, включенной передачи, скорости движения, указателей поворота и физиологических параметров велосипедиста.
Эллипсовидный рисунок педалирования внес существенные коррективы в геометрию рамы 1 велосипеда, которые выразились в удлинении верхней 1а и нижней 1б труб и изменении угла наклона подседельной трубы 1в. Для установки велопривода с педальным механизмом на существующие велосипеды необходимо выносную рулевую колонку 16 (см. фиг.2) закреплять на рулевой колонке 17 рамы 1, а подседельный штырь 18 выполнять изогнутым в сторону переднего колеса 2, в результате чего седло 19, руль 4 и колесо 2 смещаются вперед.
Съемный треугольник буксировочного устройства 3 велосипеда соединен с задним треугольником рамы 1, горизонтальная тяга которого центрируется на задней оси велосипеда, а диагональная тяга крепится к основанию подседельного штыря 18 велосипеда, при этом основное тяговое усилие проходит по нижней части задней вилки велосипеда.
Велопривод 5 (см. фиг.4 и 5) содержит ведущий и ведомый блоки звездочек. Ведущий блок состоит из обгонной муфты (см. фиг.5), периферийная обойма 20 которой является несущей ступицей для зубчатых венцов А, В С, Д и Е ведущего блока звездочек. На валу 21 каретки 22 жестко установлен храповик 23 с роликами 24 обгонной муфты. На валу 21 каретки 22 жестко установлен рычажный механизм с педальным механизмом. Ведомый блок звездочек 25 (см. фиг.4) жестко соединен со втулкой 7 заднего колеса 2, ось 26 которой имеет по меньшей мере по одной опоре 27, расположенной по разные стороны от жестко установленного блока ведомых звездочек 25, который имеет семь звездочек, пять средних из которых расположены в плоскостях ведущих звездочек. Такое взаиморасположение блоков звездочек дает 15 вариантов передач (см фиг.4).
Рычажный механизм выполнен в виде рычажной пары, каждый из бумерангообразных двуплечих рычагов которой установлен на концах вала 21 каретки 22 с помощью скользяще-жесткой посадки; каждый рычаг имеет изогнутые педальное плечо 28 и плечо 29 для передачи крутящего момента. Плечо 29 жестко соединено резьбовым соединением 30 с также изогнутым элементом 31 передачи крутящего момента (кривошипом), закрепленным на валу 21 каретки 22. На плече 29, передающем крутящий момент «рычага толчковой ноги», и на педальном плече 28 «тяговой ноги», т.е. по одну сторону от вала 21 каретки 22 установлены грузы 32.
Педальный механизм (см. фиг.6) состоит из педальной рамы, имеющей хребтовую ось 33, носковую 34 и пяточную 35, траверсы, а также две полутраверсы, центральную 36 и пяточную 37, соответственно. Носковая траверса 34 и обе полутраверсы 36 и 37 жестко закреплены в хребтовой оси 33 рамы. Траверса 34 и полутраверса 37 жестко крепятся в двуплечевом бумерангообразном педальном рычаге 38. Центральная полутраверса 36 опирается хвостовиком в подшипники 39 оси 40 шарнирного узла 41. В носковой части педальной рамы расположено фиксирующее устройство для закрепления носковой части пластины с обувью, состоящее из выполненных в носковой части педальной рамы пазов 42. В пяточной части педальной рамы расположено фиксирующее устройство для закрепления пяточной части пластины с обувью, состоящее из установленных с возможностью проворота рычагов-фиксаторов 43, имеющих конические выступы-фиксаторы 44. Фиксирующее устройство замыкается рукояткой эксцентрика 45. На подошве обуви велосипедиста (см. фиг.6 и 7) - «велогетке» 46 жестко закрепляется опорная пластина 47, в пяточной части которой выполнены стопорные отверстия 48 для вхождения в них выступов-фиксаторов 44, а в носковой части предусмотрены краевые участки - фиксаторные поля 49 для размещения в пазах 42 рамы.
Прицеп велосипеда (см. фиг.8) содержит раму с арками 50, колеса 51, буксировочное устройство 52, с помощью которого прицеп присоединяется к буксировочному устройству 3 велосипеда. Буксировочное устройство 52 содержит буксирный узел 53, выполненный с возможностью проворота и изменения угла наклона буксировочного устройства 3 велосипеда относительно буксировочного устройства 52 прицепа. На арочной раме прицепа установлена независимая подвеска колес, содержащая рычаги 54, соединенные с горизонтально расположенными гидравлическими амортизаторами 55.
На арках 50 закреплена лебедка 56 для подвешивания транспортируемого груза, который может быть помещен и в грузовую гондолу 57 (см. фиг.9).
Комплект (см. фиг.10) содержит велосипед, прицеп и грузовую гондолу, которая выполнена с возможностью трансформации в кейс 58 для перевозки велосипеда и прицепа.
Велосипед по второму варианту (фиг.11) содержит раму 1 из двух частей, расположенных параллельно друг другу и соединенных горизонтальными тягами 59 с шаровыми шарнирами. Обгонные муфты велоприводов содержат храповики двустороннего действия. Буксирный узел 53 прицепа содержит две шарнирные ступени, объединенные между собой горизонтальной буксирной тягой 60, которая со стороны велосипедов опирается на шаровые опоры 61 буксировочных частей каждого велосипеда, а со стороны прицепа, расположенного по ее центру, соединяется с буксирным узлом 53 карданным шарниром.
Особенности принципа действия и преимущества данной группы изобретений по сравнению с существующими аналогами.
Особенность механизма холостого хода заключена в том, что во время движения велосипедиста в режиме холостого хода происходит аккумулирование кинетической энергии общей массы системы «велосипедист-велосипед» во вращение переднего блока звездочек с наружной обоймой обгонной муфты и цепью. Новая компоновка механизма холостого хода дает возможность получения трекового эффекта за счет жестко посаженного на ступице втулки заднего колеса ведомого блока звездочек, который активно передает через вращение цепи накопленный запас кинетической энергии на ведущий блок звездочек, облегчая вращение рычажного механизма. Кроме того, имеет место эффект полуавтоматического переключения передач, поэтому велосипедисту, который движется в режиме холостого хода, необходимо только передвинуть манетки переключателей передач в нужное положение, при этом постоянно вращающаяся цепь автоматически перейдет в нужное положение, причем в оптимально нагрузочном режиме.
Особенность принципа действия кареточного узла связана с наличием концевых участков вала 21 каретки 22 (см. фиг.4), что позволяет снять с элементов 31 (кривошипов) поперечно-осевую нагрузку от воздействия усилий ног велосипедиста. Эту нагрузку принимают на себя двуплечие рычаги рычажной пары через педальные 28 плечи, которые имеют жесткую опору на концах вала (люфт скользящей посадки выбирается регулировочными шайбами) и плечи 29, передающие крутящий момент рычагов, жестко соединенные (с определенным зазором) с элементами 31, которые приводят во вращение вал 21 каретки 22 с храповиком 23 обгонной муфты.
Особенность принципа действия рычажного механизма связана с увеличением суммарной длины плеч рычажной пары, что повышает момент крутящий, передаваемый на вал 21 каретки 22. Величина Мкр также зависит от приложенного усилия и частоты педалирования, которая находится во взаимодействии с массой грузов-ускорителей 32, расположенных по одну сторону от вала 21 каретки 22. В результате возникает «ускоряющий» эффект, в основе которого заложено использование потенциально-кинетической энергии жестко закрепленной массы грузов-ускорителей 32, вращающихся в вертикальной плоскости (данный эффект возможно использовать только в биомеханических системах, в которых закон дисбаланса механических систем не действует). Другая особенность связана с эффектом, возникающим вследствие бумерангообразной конфигурации плеч рычагов рычажной пары, которая исключает возникновение общей мертвой точки при педалировании в системе «нога-педаль», а также в системе: рычаг рычажного механизма - педальное плечо педального механизма, горизонтальной оси (90°-270°) полного цикла педалирования.
1
1
2
2
Особенность принципа действия педального механизма связана с передачей мышечных усилий на педальные плечи рычагов рычажной пары при полноопорной постановке стоп на педалях, за счет разнесения между собой носковой (P и F) и пяточной (Р и F) осей приложения силы и оси вращения педальной рамы (см. фиг.12 и фиг.6), вокруг которой на внутренних подшипниках 39 шарнирного узла 41 вращается каждый рычажный комплект.
2
Вращение педальных механизмов такой конструкции образует силовые контуры с эллипсовидными кривыми, которые «рисуют» оси приложения сил к педальной раме, и правильными окружностями, которые «очерчивают» головки плеч 28 и 29 рычажных комплектов. Средний радиус эллипсовидных контуров полного цикла педалирования равен 221 мм, при остающемся классическим радиусе вращения рычажных комплектов, равном 170 мм. Суммарное превышение преобразования прикладываемых усилий велосипедистом, а значит и величина выходного момента крутящего на 235% выше, чем у велосипедов с серийными педалями среднестатистической площади 62,5 см.
По эффектообразующим элементам данное превышение выглядит следующим образом:
- «полноопорная постановка стопы на педаль» при круговом педалировании - на 180%.
- увеличение среднего радиуса педалирования на 30%
- бумерангообразный эффект рычагов 25%.
Оздоровительный эффект и эффект экономии усилий проявляются в результате, практически, 100% приложения усилий к педальной раме, причем велосипедисты с любым размером ноги и весом получают оздоравливающий эффект, т.к. удельное давление педали на стопу возникает ниже, чем при ходьбе, поэтому время пребывания человека в седле можно приравнять ко времени передвижения человека пешком, но на порядок большие расстояния и с большим оздоравливающим эффектом за счет отсутствия ударной нагрузки шага или бега также происходит более полное расслабление мышц ног в фазе давления (0-97)°, причем без ущерба для темпа движения, в фазе тяги коленом (195-306)° эффективно и с большой амплитудой работают мышцы бедра, что при возможности сохранения восстановительного баланса благотворно влияет на рост общей тренированности организма.
Испытания-велопривода.
Образец испытанного велопривода представляет собой сварную конструкцию, где рычаги выполнены в виде педальных плеч, которые своими диаметральными основаниями жестко (сварочное соединение) соединены с элементами 31 (кривошипами), приводящими во вращение вал 21 каретки 22, а ось вала 21 каретки 22 проходит через диаметральный центр рычагов виртуально. При движении в такой конструкции (II поколение) появлялся скручивающий момент, который разбивал клиновые соединения на валу 21 каретки 22 примерно через 150 км пути, приходилось менять клинья и устанавливать прокладки. Но, несмотря на такой существенный недостаток, результаты говорят сами за себя (см. табл.1 и 2). Испытания были проведены автором в одиночном велопробеге 22-26 октября 2002 г. по маршруту Смоленск-Минск-Смоленск. За трое суток пробега (41 ходовой час) было пройдено 638 км со средней скоростью 15,560 км/ч. На велосипеде «Турист ХВЗ» имелся стандартный вал каретки, но были заменены шариковые подшипники на промышленные №202. Велопривод был оснащен одной передачей 51:15 (3, 4) для получения более точных расчетов при анализе результатов велопробега; педали применялись спортивные с ремешками, а велотуфли с шипами.
Для сравнения был выбран велопоход, который проходил в августе 2001 в горах Тянь Шаня. За семь суток похода (35 ходовых часов) было пройдено 544 км со средней скоростью 15,542 км/ч. В велопоходе принимали участие 5 велотуристов (средний возраст 31,4 года) на велосипедах горного типа, имевших от 21 до 27 штатных передач. Примерное среднее передаточное число 2,2. Педали различные, как контактные, так и со свободной постановкой стопы. Количество груза на одном велосипеде, примерно равное около 30 кг, но вес велосипеда «Турист ХВЗ» с предлагаемым велоприводом превышал на 75% вес велосипеда велопохода. (см. табл.1.)
Таблица 1Сравнительные данные испытательного велопробега и велопохода IV категории сложности
№
Сравнительные данные
Испытание
Велопоход
1
Среднесуточная продолжительность езды, ч
13,7
5
2
Среднесуточное расстояние, км
213
79
3
Средняя скорость движения, км/ч
15,6
15,5
4
Среднее передаточное отношение
3,4
2,2
5
Возможность использования различных передаточных отношений
нет
есть
5
Средний возраст участников, года
57
34,1
7
Вес велосипеда (собственный), кг
21
12
8
Вес груза, кг
30
30
9
Климатические условия
дожди, мороз -7°С
август
Таблица 2Расчетные данные испытаний и велопохода
Суточный пробег
Соотношение данных, %
расстояние, км
Время, ч
Расстояние
Время
Испытание
213
13,7
270
274
Велопоход
79
5
100
100
Вывод: Основные параметры движения, такие как расстояние и время, испытательного велопробега превысили эти же параметры велопохода в среднем на 172% только за счет рычажно-шатунного и ускорительного эффектов велопривода второго поколения.
Достижение практически одних и тех же параметров скорости движения также говорит в пользу испытанного велопривода, т.к. величина передаточного отношения, 3,4 (95 дюймов), применяется велосипедистами уровня сборной страны в гонках на треке. Для наглядного представления о полученном скоростном эффекте обратимся к примеру: механизм переключения передач велосипеда (в плане соотношения этих передач) аналогичен КПП грузового автомобиля КАМАЗ-2×5. Примененная единственная передача испытываемого велопривода 51:15 соответствует IV повышенной передаче автомобиля КАМАЗ, и соответственно 30 кг груза для велосипеда соответствует примерно 7 тоннам для КАМАЗа. Отсюда - сможет ли КАМАЗ передвигаться с этим грузом на IV повышенной единственной передаче, тем более со скоростью 50-60 км/ч, адекватной 15 км/ч велосипедиста с грузом?
Лабораторные испытания рычажного макета предлагаемого велопривода.
Приводится для более полного раскрытия эффекта действия рычажно-шатунного механизма на примере скользяще-жесткой посадки рычагов рычажной пары на концах кареточного вала в отличии от конструкции испытанного в велопробеге велопривода второго поколения.
Образец рычажного механизма (см. фиг.14) представляет собой один комплект рычажной пары рычажного механизма велопривода третьего поколения с прямой конфигурацией плеч, в котором педальное плечо 28 и плечо 29, передающее крутящий момент, установлены в ступице, со скользяще-жесткой посадкой на хвостовике кареточного вала 21. Элемент 31, жестко соединенный с плечом 29, передает крутящий момент на фланец 7 кареточного вала 21. В конструкции рычажного механизма также предусмотрена возможность трансформации в одну половину классического велопривода путем перестановки педального плеча 28 со ступицы кареточного вала 21, на фланец 7 кареточного вала 21 (диаметры ступицы и фланцев равны между собой).
Рычажный механизм испытывался в двух вариантах с различной оценкой.
Вариант №1: испытания при помощи динамометра
При условии равенства длин плеч 28 и 29, равных по 178 мм, к педальному плечу 28 подвешивается груз в 1,5 кг. На подвеске штатива крепится динамометр, выход пружины которого закрепляется на противоположном конце кареточного вала в основании его фланца.
Опыт проводился в варианте классического велопривода и предлагаемого велопривода. Результаты приведены в таблице №3.
Таблица 3
Виды велопривода
Вес груза, кг
Длина плеч
Показания динамометра в кг
Угол отклонения педального плеча, град
Велопривод «Классика»
1,5
178
7,4
28
Предлагаемый велопривод
1,5
178
7,2
27
Опыт показывает, что при одном и том же усилии, приложенном к педальному плечу 28, в варианте предлагаемого велопривода величина момента крутящего, согласно показаниям динамометра и угла отклонения педального плеча 28 уменьшились. Эти данные доказывают, что Мкр, переданный элементом 31 (фиг.4) на кареточный вал рычажного механизма, уменьшился за счет увеличения плеча передачи усилия и, чтобы достичь показаний динамометра варианта «Классика», груз на педальном плече 28 необходимо увеличить на 2,81%. В практике движения велосипеда произойдет обратное: при одном и том же сопротивлении качению усилие на предлагаемом велоприводе 5 потребуется меньшее, что подтверждают дорожные испытания велопривода второго поколения.
Для проведения второго варианта испытаний в конструкцию подвески рычажного комплекта были внесены изменения, которые заключались в следующем: рычажный комплект был установлен на кронштейне штатива в конусах со скользящей посадкой; опыт проводился без применения динамометра и груза, но на условиях установления равновесия рычажной системы в классическом варианте и определения изменения этого равновесия в варианте предлагаемого велопривода. Опыт проводился в двух состояниях систем: в статике, когда системы устанавливаются в нулевое (горизонтальное) положение и выходят из него самостоятельно; и в динамике, когда системы устанавливаются в возможно допустимое (по конструкции штатива) вертикальное положение и самостоятельно возвращаются в положение, соответствующее условиям равновесия каждой системы. Данные приведены в таблице №4
Таблица 4
Вид РМ
Угол отклонения педального плеча от горизонтали, град
Статика
Динамика
РМ «Классика»
0
0
РМ предлагаемый
5
15
Опыт показывает, что при одном и том же сопротивлении качению в виде регулируемого плеча, установленного на кареточном фланце, педальное плечо 28 варианта предлагаемого рычажного механизма отклоняется от нулевой отметки так, как если бы его удлиняли или прикладывали дополнительное усилие. На основании приведенных опытов можно утверждать, что система увеличения выходного Мкр с помощью введения дополнительных элементов (плечо 29 и элемент 31) передачи усилия действует во вращающихся системах рычагов, в которых точка приложения силы и ось вращения системы разнесены между собой.