УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ВЕЛОСИПЕДИСТА НА ВЕЛОТРЕНАЖЕРЕ
DEVICE FOR INCREASING CYCLIST STABILITY ON STATIONARY BICYCLE

Изобретение относятся к тренажерам, обеспечивающим использование велосипедов в любое время года, в т.ч. и в помещениях, предназначено для совершенствования управления телом, обеспечения устойчивости велосипедиста и безопасности тренировочного процесса.
Из уровня техники известны различные устройства, обеспечивающие устойчивость велосипедиста в тренажерах.
Известен велотренажер (а.с. СССР №1771780), который позволяет обеспечивать устойчивость велосипедиста при педалировании. Данный велотренажер содержит основание, на роликах которого установлен велосипед, средство фиксации велосипеда, включающий гидросистему, шток гидроцилиндра которой механически связан с рамой велосипеда, и блок управления. Устройство функционирует следующим образом. В том случае, если велосипед начинает крениться, например влево, велосипедист для сохранения равновесия поворачивает руль против часовой стрелки, что соответствует реальным условиям езды. В этом случае соответствующий углу поворота электрический ток, воздействуя на магнитореологическую суспензию гидравлической системы, приведет к перемещению штока гидроцилиндра вправо. Велосипед выпрямляется, занимая вертикальное положение. Аналогично работает тренажер и при наклоне велосипеда вправо.
Недостатком данного способа является неестественная реальному движению реакция на велосипедиста системы возвращения велосипедиста в вертикальное положение. Пояснение. При реальном поступательном движении с поворотом руля велосипедист переходит в круговое движение. Это приводит к появлению центробежной силы. При вращательном движении на вращающееся тело действует центробежная сила:
ц
2
F=mV/R.
На нашем примере: m - масса велосипедиста с велосипедом;
V - линейная скорость движения велосипеда;
R - радиус поворота велосипеда.
Центробежная сила воздействует на велосипедиста и велосипед пропорционально их массам и возвращает велосипедиста с велосипедом в вертикальное положение.
На данном тренажере возвращающая в вертикальное положение сила действует только на велосипед и передается телу велосипедисту через контактные площади на руле, педалях и седле. Поэтому при возвращении устройством велосипеда в вертикальное положение велосипедисту нужно приложить дополнительные силы по удержанию руля и сохранению положения туловища относительно плоскости рамы велосипеда. При больших скоростях педалирования, углах наклона и резком повороте руля существует угроза выпадения велосипедиста из седла и травмирования велосипедиста.
Наиболее близок к изобретению велотренажер по изобретению (а.с. SU №677755), содержащий смонтированное на основании средство для создания нагрузки, включающее установленные на раме ролики для опоры колес велосипеда, кинематически связанные между собой. На данном тренажере между велосипедом и рамой с нагружающими роликами отсутствует жесткая механическая связь. При педалировании велосипедист имеет свободу движения в поперечном направлении в пределах длины роликов.
У данного устройства есть недостатки.
Ролики тренажера являются средствами создания нагрузки для мышц велосипедиста, соответственно, имеют достаточно большой момент инерции, на больших скоростях вращения роликов при резком торможении заднего колеса до прекращения его вращения ролики нагружающего устройства, они продолжают вращаться за счет приобретенной кинетической энергии. Это может привести к сходу колес велосипеда с роликов тренажера в направлении вращения роликов, что ухудшает безопасность эксплуатации тренажера.
Другим недостатком является трудность приобретения навыков управления устойчивостью велосипеда осваивающим эксплуатацию велотренажера. Устойчивость велосипедиста обеспечивается при плече силы опрокидывающего момента (угле наклона велосипеда от вертикали в перпендикулярной плоскости к продольной оси велосипеда) равном или близком к нулю. На велотренажере при педалировании из-за отсутствия поступательного движения отсутствует и кинетическая энергия поступательного движения. Соответственно, поворот руля в сторону наклона на тренажере не создает центробежную силу, а приводит только к поперечному движению переднего колеса вдоль продольной оси ролика в сторону поворота руля. При этом уменьшается плечо силы опрокидывающего момента до нуля, что приводит к обнулению опрокидывающего момента, т.е. к возвращению устойчивого состояния велосипедиста. В начале педалирования при критичном угле наклона велосипеда велосипедист, не имеющий навыки управления велосипедом на данном тренажере вместо того, чтобы увеличить скорость педалирования, подсознательно, пытаясь найти боковую опору при возможном падении, снимает ногу с педали. Прекращение педалирования из-за малой кинетической энергии на небольшой скорости вращения роликов тренажера и колес велосипеда приводит к остановке вращения переднего ролика, соответственно, к необратимой потере устойчивости велосипедиста.
Целью настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков техники известного уровня, повышение безопасности эксплуатации роликовых велотренажеров.
Заявленное изобретение имеет следующие существенные признаки:
1-ое устройство:
- беговая поверхность переднего ролика, к которой жестко прикреплен маховик, имеет кинематическую связь с валом переднего ролика через обгонную муфту;
- средством создания нагрузки является маховик переднего ролика.
2-ое устройство:
- маховик жестко связан с водилом, имеет кинетическую связь с беговой дорожкой переднего ролика через коронную шестерню, с валом через солнечную шестерню посредством сателлитных шестерен планетарной передачи.
Этим достигается технический результат:
- при необходимом или непроизвольном замедлении, прекращении педалирования за счет кинетической энергии маховика продолжается вращение беговой поверхности переднего ролика, что позволяет повысить управляемую устойчивость велосипеда.
- в предлагаемом устройстве при резком торможении заднего колеса до прекращения его вращения исключается неуправляемый сход велосипеда с роликов тренажера в направлении их вращения, повышается безопасность эксплуатации велотренажера.
Существенные признаки и технический результат реализуются в устройстве 1, содержащем (фиг. 1; 2) раму 6 с подшипниковыми узлами крепления 13 задних роликов 4; 5 и переднего ролика 2 с маховиком 1. Ведущий ролик 4 имеет кинематическую связь с валом 10 ведомого ролика 2 через гибкий приводной ремень 3 и соответствующие шкивы вышеуказанных роликов. Ведомый ролик 2 состоящий из маховика 1, жестко соединенного с беговой поверхности 9, подшипниковых узлов 11 вращения на вале 10, обгонной муфты 8 и шкива 12.
Также предложено устройство 2, отличающееся тем, что оно содержит маховик (фиг. 3) 1, беговую поверхность 9, не имеющие между собой жесткую неподвижную связь, вал 10 переднего ролика с подшипниковыми узлами 19 вращения маховика, подшипниковыми узлами 11, 16 вращения беговой поверхности 9, обгонную муфту 8, планетарный механизм; вал 10 и беговая поверхность 9 кинематически связаны планетарной передачей, солнечная шестерня 18 которой является частью вала 10 или жестко не нем закреплена, коронная шестерня 15 является частью беговой поверхности 9 или жестко на ней закреплена, а водило 14 жестко закреплено к маховику 1.
Описание изобретения облегчается при помощи приложенных схематических чертежей.
Фиг. 1 - общий вид тренажера с велосипедом.
Фиг. 2 - схематическое сечение устройства 1 в вертикальной плоскости, проходящее через осевую линию вала переднего ролика.
Фиг. 3 - схематическое сечение устройства 2 в вертикальной плоскости, проходящее через осевую линию вала переднего ролика.
Устойчивость велосипедиста при педалировании на велотренажере осуществляется следующим образом. Беговая поверхность переднего колеса, получающая вращение через гибкую передачу от заднего ведущего ролика передает через контакт (контактную поверхность) вращение переднему колесу. При появлении наклона велосипеда (появлении угла наклона велосипеда от вертикали в перпендикулярной плоскости к продольной оси велосипеда) велосипедист поворачивает руль в сторону наклона. В результате взаимное вращение ролика и переднего колеса в противоположных направлениях приводит к смещению контактной поверхности вдоль осевой линии ролика в сторону поворота руля. Если скорость вращения беговой поверхности переднего ролика достаточна большая, это позволяет при энергичном повороте руля в сторону наклона уменьшить этот угол до нуля до выхода контактной площади переднего колеса с роликом за край беговой поверхности и велосипедист сохраняет устойчивость.
Угол наклона велосипеда будет критичным, если скоростью, максимальным углом поворота руля и увеличением скорости вращения беговой поверхности переднего ролика не удается вернуть велосипед в устойчивое состояние в пределах длины беговой поверхности переднего ролика по ее оси. Выход контактной поверхности переднего колеса за пределы беговой поверхности переднего ролика приведет к неконтролируемой ситуации с возможным падением велосипедиста.
Потеря устойчивости в пределах докритичного угла наклона велосипеда от вертикали может быть создана велосипедистом в процессе тренировки осознанно с последующим ее устранением. Он может вернуть велосипед в устойчивое состояние управляемыми движениями: энергичным увеличением угла поворота руля и скорости педалирования.
На больших скоростях педалирования, из-за появляющейся кинетической энергии вращения переднего колеса, появляется дополнительная сила, способствующая возвращению велосипеда в вертикальное положение, - прецессия переднего колеса.
Устройство по предлагаемому изобретению работает следующим образом. Велосипед устанавливается передним колесом на ведомый ролик 2, задним - на ролики 4 и 5. При педалировании заднее колесо через задний ролик 4, гибкую ременную связь 3 передает вращение валу 10 переднего ролика.
Уточнение. Стрелки, указывающие противоположные направления вращения вала 10 переднего ролика на фиг. 2 и 3, относятся только к обозначению обгонной муфты согласно ГОСТ 2.782-68. Условные обозначения элементов на кинематических схемах станков. Вал 10 вращается только в направлении, противоположной направлению вращения колес велосипеда при педалировании.
В результате обгонная муфта 8, включаемая в направлении вращения вала 10 через элементы зацепления передает усилие вращения от вала 10 маховику 1, жестко закрепленному с беговой поверхностью 9 переднего ролика. Беговая поверхность, контактируя с передним колесом приводит его во вращение. Для сохранения устойчивости велосипедист поворотом руля и педалированием производит перемещение переднего колеса вдоль переднего ролика, уменьшая до минимального угол наклона велосипеда к вертикальной плоскости.
Согласно существенному признаку изобретения - наличию маховика, минимальные массы, материалоемкость задних роликов и вала переднего ролика ограничены только условиями обеспечения их прочности, жесткости при эксплуатации. При прекращении педалирования из-за минимальных моментов инерции вращения задних роликов 4 и 5 и вала 10 переднего ролика происходит замедление и остановка вращения заднего колеса. В результате по инерции за счет накопленной кинетической энергии вращения маховик 1 выводит элементы зацепления обгонной муфты 8 из зацепления с валом 10 переднего ролика и продолжает вращение до полной потери накопленной энергии на выполнение работы по вращению переднего колеса. Это позволяет велосипедисту определенное время сохранять управляемую устойчивость до полной остановки вращения переднего колеса. При больших скоростях педалирования маховик 1 имеет максимальную кинетическую энергию вращения. Это позволяет велосипедисту выполнить квазидвижение накатом, т.е. достаточное время управлять устойчивостью велосипеда без педалирования.
На небольших скоростях вращения роликов прекращение педалирования приводит к прекращению вращения задних роликов 4; 5, вала 10 переднего ролика. В результате по инерции за счет имеющейся кинетической энергии вращения маховик 1 выводит элементы зацепления обгонной муфты 8 из зацепления с вращающимся с минимальной скоростью или прекратившим вращение валом 10. Продолжая вращение, маховик 1 через водило 14 вращает сателлитные шестерни 17, которые, прокатываясь по солнечной шестерне 18 вала 10, увеличивают скорость вращения коронной шестерни 15 и беговой поверхности 9 переднего ролика, повышая управляемую устойчивость велосипеда.