ПЕДАЛЬНЫЙ КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ ВЕЛОСИПЕДА
BICYCLE PEDAL CRANK GEAR

Изобретение относится к транспортному машиностроению, а именно к устройству педального привода велосипеда для увеличения преобразования мышечного усилия разгибателей голени на педали велосипеда в энергию его движения.
Широко известен классический педальный кривошипно-шатунный механизм велосипеда, состоящий из педалей, имеющих возможность вращаться в своих осях, неподвижно соединенных со свободными концами оппозитно под углом 180° расположенных шатунов. Этот механизм создает оппозитное движение ног по кругу, но, при прочих равных условиях, не позволяет увеличить преобразование мышечного усилия ног на педали в энергию движения велосипеда, уменьшить углы сгибания в коленных суставах и с меньшим усилием преодолевать верхнюю мертвую точку, когда педали находятся в максимально высоком от каретки положении. Эти недостатки, при длительной езде, а также по неровным дорогам и в гору, могут вызывать перенапряжения мышц ног, преждевременное их утомление и ограничивают применение велосипеда людьми с ослабленным здоровьем. Известен шатун [Патент РФ на изобретение №2117599], взятый нами в качестве прототипа, содержащий основную головку, установленную на ведущей оси педального механизма, стержень с глухим отверстием для размещения в нем подпружиненного штока, завершенного головкой педали, стержень и шток выполнены раздвижными в осевом направлении. Существенные признаки прототипа заключаются в том, что шатун состоит из цилиндрических раздвижных в осевом направлении деталей и пружины сжатия; резьбовое соединение деталей; учитывается эргономическая биомеханика; допускается регулировка длины шатунов с учетом антропометрических особенностей водителя. Подпружиненный стержень этого устройства позволяет изменением усилия нажатия на педаль увеличивать плечо рычага, когда шатун является ведущим, и уменьшать плечо рычага, когда шатун является ведомым, а также ускорять выход шатуна из верхней мертвой точки.
Однако данное устройство имеет ряд недостатков, затрудняющих его применение. Зависимые от прилагаемых усилий соосные с шатуном смещения педалей повышают степень свободы движения стоп, уменьшают фиксацию их на педалях и необходимую связь с педалями, что снижает управляемость велосипедом, особенно при резких изменениях усилия на педали. В результате, такая конструкция шатуна не может обеспечить сочетание увеличения эффективности преобразования мышечного усилия разгибателей голени на педали велосипеда в энергию его движения с высокой управляемостью велосипедом. Кроме того, при такой конструкции шатуна уменьшается просвет между педалью в нижнем положении и полотном дороги на 22,5 мм, что тоже снижает управляемость велосипедом и повышает риск травмирования.
В связи с вышеизложенным нами поставлена задача по созданию лучших условий к увеличению преобразования мышечного усилия разгибателей голени на педали велосипеда в энергию его движения в сочетании с уменьшением угла сгибания в коленных суставах при положении педалей вверху от каретки, увеличением просвета между педалью в нижнем от каретки положении и полотном дороги и сохранением управляемости велосипедом.
Указанная задача решается тем, что в предлагаемом устройстве, состоящем из педалей (1), оси которых (2) расположены в свободных концах оппозитно на валу (8) каретки расположенных шатунов, имеющих раздвижные в осевом направлении детали (3 и 3*). При этом неподвижно соединенные с валом каретки детали (3), согласно изобретению, имеют на противоположных своим педалям поверхностях выступы (4), а в свободных концах раздвижных деталей (3*) шатунов педальные оси имеют возможность вращаться вместе с неподвижно к ним присоединенными педалями и заканчиваются на противоположных своим педалям сторонах шатунов одноплечими рычагами (5), расположенными параллельно опорной поверхности педалей по направлению к их пяточной области. Причем свободные концы одноплечих рычагов (5) на противоположных своим педалям поверхностях имеют выступы (6), которые, посредством штанг (7) подвижно соединены с выступами (4) неподвижно соединенных с валом каретки деталей (3).
Сущность заявляемого устройства поясняется с помощью чертежей (см. фиг.1-4). На фиг.1-4 схематично показаны основные 4 момента в работе устройства, объясняющие (при традиционном вращении педалей ногами против часовой стрелки) увеличение длины шатунов, расположенных впереди каретки - когда давление стоп на педали эффективно для увеличения или поддержания рабочего хода велосипеда (преобразования мышечного усилия разгибателей голени на педали велосипеда в энергию его движения), и уменьшение длины шатунов, расположенных позади каретки - когда давление стоп на педали контрэффективно для увеличения или поддержания рабочего хода велосипеда, уменьшение угла сгибания ноги в коленном суставе при нахождении педали в верхнем от каретки положении, а также увеличение расстояния между положением педали внизу от каретки и поверхностью дороги.
Заявляемое устройство, которое устанавливается с обеих сторон велосипеда, работает следующим образом (см. фиг.1-4). При нажатии на педаль, расположенную в верхнем от каретки положении (из положения №1), для перемещения шатуна вперед до горизонтального положения происходит угловое (со знаком минус) перемещение штанги 7 до параллельного ее расположения с продольной осью шатуна, в результате чего вторая деталь шатуна частично выходит из первой и общая длина шатуна максимально увеличивается в положении 2. При дальнейшем нажатии на впереди от каретки расположенную педаль из положения 2 до крайнего нижнего ее положения по отношению к каретке (положения №3) продолжается угловое (но со знаком плюс) перемещение штанги по отношению к продольной оси шатуна, в результате чего вторая деталь шатуна частичной входит в первую и общая длина шатуна сокращается. При дальнейшем движении педали из крайнего нижнего положения (из положения №3) до положения сзади по отношению к каретке при горизонтальной ориентации шатунов (положения №4) происходит угловое (со знаком минус) перемещение штанги до параллельного ее расположения с продольной осью шатуна, в результате чего вторая деталь шатуна продолжает входить в первую и общая длина шатуна уменьшается до максимума. При дальнейшем движении педали из положения сзади по отношению к каретке при горизонтальной ориентации шатунов (из положения №4) до крайнего верхнего положения (положения №1) продолжается угловое (но со знаком плюс) перемещение штанги по отношению к продольной оси шатуна, в результате чего вторая деталь шатуна частичной выходит из первой и общая длина шатуна увеличивается до размера, равного положению №3, но остается меньше своей максимальной длины, наблюдаемой в положении №2. Указанный цикл изменения длины шатуна повторяется при каждом обороте его вокруг каретки, связанном с нажатием стопы на педаль.
При совершении естественных вращательных движений ногами, опирающимися стопами на педали, последние находятся в неизменном горизонтальном или близком к нему положении во всех точках своей пространственной ориентации по отношению к каретке. При этом штанга 7 совершает по 2 колебательных движения на один оборот шатунов вокруг каретки с амплитудой, равной расстоянию между выступами (6) на свободных концах одноплечих рычагов и педальной осью (2), что и обеспечивает работу заявляемого механизма по целесообразному и независимому от прилагаемого мышечного усилия фиксируемому для данной точки в пространстве изменению длины шатунов. Целесообразность эта заключается в том, что шатуны, поочередно находясь в верхней от каретки зоне, равномерно увеличивают свою длину от минимального значения в крайнем положении педалей сзади до максимального в крайнем положении педалей впереди. И, наоборот, поочередно находясь в нижней от каретки зоне, шатуны равномерно уменьшают свою длину от максимального значения в крайнем положении педалей впереди до минимального в крайнем положении педалей сзади.
В табл.1 приведены примеры изменения длины шатунов при различных фиксированных расстояниях между выступами (6) на свободных концах одноплечих рычагов и педальной осью (2). Из приведенных в табл.1 данных видно, что уменьшение угла сгибания в коленных суставах в крайнем верхнем положении педалей обеспечивается шатунами меньшей длины, равной, например, по 165 мм, вместо стандартных шатунов по 170 мм. При указанной меньшей длине шатунов, они могут увеличивать свою длину до 235 мм в положении педалей впереди каретки при горизонтальной ориентации шатунов (положение №2). В этом положении (положение №2) шатун создает плечо рычага наибольшей длины и тем самым условия для наиболее (до 38%) эффективного преобразования мышечного усилия разгибателей голени на педали велосипеда в энергию его движения по сравнению с теми условиями, которые обеспечивают 170 мм шатуны классических моделей и прототип.
Кроме того, при положениях педалей сзади от каретки, когда вес ног и давление стоп на педали контрэффективны для преобразования мышечного усилия в энергию движения велосипеда, шатуны уменьшают свою длину до 95 мм. В результате заявляемое устройство создает лучшие, чем прототип, условия к увеличению преобразования мышечного усилия в энергию движения велосипеда, поскольку неодинаковая длина плеч рычагов, расположенных спереди и сзади от каретки, в пользу превышения длины плеча рычага, расположенного спереди, позволяет экономить мышечные усилия на выполнение полезной и отрицательной работы, на преодоление верхней и нижней мертвых точек, которое совершается автоматически за счет прироста инерции движения разноплечих рычагов, на управляемость велосипедом за счет сохранения степени свободы движения стоп вне зависимости от прилагаемых мышечных усилий на педали. Укороченная до 165 мм длина шатуна в заявляемом устройстве уменьшает угол сгибания в коленных суставах при положении педалей вверху от каретки и увеличивает просвет между полотном дороги и педалью в нижнем ее положении от каретки. Увеличение просвета между полотном дороги и педалью в нижнем ее положении от каретки составляет 5 мм по отношению к 170 мм шатуну классических моделей велосипеда и на 27,5 мм по отношению к прототипу.
Таким образом, решена задача изобретения по созданию лучших условий к увеличению преобразования мышечного усилия разгибателей голени на педали велосипеда в энергию его движения в сочетании с уменьшением угла сгибания в коленных суставах при положении педалей вверху от каретки, увеличением просвета между педалью в нижнем от каретки положении и полотном дороги и сохранением управляемости велосипедом.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство, состоящее из раздвижных деталей шатунов, отличается тем, что одни детали неподвижно соединены с валом каретки и имеют на своей поверхности по выступу, а в свободных концах других деталей педальные оси имеют возможность вращаться вместе с неподвижно к ним присоединенными педалями и заканчиваются на противоположных педалям сторонах шатунов одноплечими рычагами, расположенными параллельно опорной поверхности педалей по направлению к их пяточной области, причем свободные концы одноплечих рычагов имеют выступы, которые, посредством штанг, подвижно соединены с выступами деталей шатунов неподвижно соединенных с валом каретки.
Таким образом, заявляемое устройство соответствует критериям изобретения «новизна» и «существенные отличия».
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент РФ на изобретение №2117599
Таблица 1
Автоматически изменяющиеся длины шатунов в цикле вращения их вокруг каретки против часовой стрелки при различных расстояниях между выступами на поверхности одноплечих рычагов и педальными осями
Расстояние между выступами и педальными осями, мм
Положение педали при вращении вокруг каретки, №
Длина шатуна, мм
средняя за цикл
фактическая
мм
% увеличения по отношению к средней
12
1
165
165
12
2
177
7,3
12
3
165
12
4
153
30
1
165
165
30
2
195
18
30
3
165
30
4
135
40
1
165
165
40
2
205
24
40
3
165
40
4
125
50
1
165
165
50
2
215
30
50
3
165
50
4
115
60
1
165
165
60
2
225
36
60
3
165
60
4
105
70
1
165
165
70
2
235
42
70
3
165
70
4
95
Примечание: положения педалей №1-4 в цикле вращения их ногами вокруг каретки против часовой стрелки представлены в тексте и на рисунках 1-4.