РЫЧАЖНАЯ ИНВАЛИДНАЯ КОЛЯСКА (ВАРИАНТЫ)
LEVER-TYPE WHEELCHAIR (VERSIONS)

Изобретение относится к транспортным средствам, а именно к транспортным средствам с ручным рычажным приводом.
Известна инвалидная коляска, где вращение колес осуществляется с помощью ободков, закрепленных на больших затрат сил, что ограничивает возможность их использования детьми.
Известно также транспортное средство с ручным рычажным приводом, которое используется в виде движителя инвалидных колясок (РИК), которое может быть указано в качестве прототипа.
В РИК энергия возвратно-поступательного движения кисти рук человека с помощью рычага и кривошипно-шатунного механизма преобразуется во вращательное движение колес ИК.
Основным недостатком устройства также является низкий КПД, связанный с применением кривошипно-шатунного механизма.
Техническая задача заключается в повышении скорости и КПД рычажной инвалидной коляски.
Технический результат достигается путем введения в рычажную инвалидную коляску, содержащую два симметричных движителя, каждый из которых включает взаимодействующие друг с другом первый рычаг с рукояткой, шатун и колесо, введены дополнительно прямоугольную раму, неподвижно связанную со штоком и состоящую из двух параллельных цепей, закрепленных на прямолинейных планках, связанных поперечными перемычками и сдвинутыми относительно друг друга в поперечном направлении. При этом цепи взаимодействуют с диаметрально противоположных сторон с первой и второй звездами, установленными на обоймах соответствующих обгонных муфт, ступицы которых установлены шарнирно связаны на оси с возможностью свободного вращения и неподвижно соединены с колесом, причем первая и вторая обгонные муфты установлены так, чтобы они входили в сцепление по очереди.
Второй вариант рычажной инвалидной коляски, содержащая два симметричных движителя, каждый из которых включает взаимодействующие друг с другом первый рычаг с рукояткой, шатун, колесо и второй радиальный рычаг содержит дополнительно обгонную муфту, обойма которой неподвижно связана со вторым радиальным рычагом, а ступица установлена на оси с возможностью свободного вращения и связана неподвижно с колесом.
При этом каждый из движителей содержит дополнительно кинематически связанные вторую обгонную муфту, радиальный рычаг и шатун. При этом первая и вторая обгонная муфты установлены на валу так, чтобы они входили в сцепление по очереди.
Для обеспечения обратного хода обгонные муфты выполнены в исполнении III, поводковые вилки, которых с помощью тросов связаны с ручками обратного хода.
Третий вариант рычажной инвалидной коляски, содержащая каркас, выходной вал, рычаг рукоятки и колеса, содержит дополнительно ось, второй вал, первые и вторые ведущие и ведомые и промежуточную конические шестерни, первую и вторую обгонные муфты. При этом первая и вторая шестерни, установленные на оси с возможностью свободного вращения, входят в сцепление с первой ведомой конической шестерней, установленной совместно с промежуточной конической шестерне неподвижно на втором валу. Причем первая и вторая шестерни неподвижно связаны со ступицами соответствующих обгонных муфт, обоймы которых неподвижно связаны друг с другом и с рычагом рукоятки.
Четвертый вариант рычажной инвалидной коляски, содержащая каркас, колесо и взаимодействующие друг с другом второй вал, ведущая и ведомая звезды, связанные цепью, и рычаг с рукояткой, введены дополнительно третий вал, третья и четвертая обгонные муфты, второй радиальный рычаг и перемычку. При этом второй и третий валы параллельно установлены по одной горизонтали и на них неподвижно установлены первая и вторая шестерни и ступицы третей и четвертой обгонных муфт соответственно. Кроме того, обоймы обгонных муфт неподвижными радиальными рычагами шарнирно связаны с горизонтальной перемычкой, соединенной с рукояткой.
Кроме того, рычажная инвалидная коляска содержит дополнительно третий и четвертый ограничители, неподвижно связанные с каркасом и взаимодействующие с одним из радиальных рычагов.
На фиг.1 представлен вид с боку на конструкцию первого варианта транспортного средства, где:
1 - каркас;
2 - рычаг;
3 - рукоятка;
4 - шатун;
5 - колесо;
6 - перемычка;
7 - первая обгонная муфта;
8 - первая звезда;
9, 10 - первая и вторая цепи;
11, 12 - первая и вторая планки;
13 - шарнирные соединения;
14 - ограничительные пальцы.
На фиг.2 представлен вид А-А по фиг.1, где позиции 1-13 те же, что на фиг.1.
15 - ось;
16 - втулка установочная;
17 - кронштейн;
18 - вторая обгонная муфта;
19 - вторая звезда.
На фиг.3 представлена конструкция второго варианта рычажной инвалидной коляски, где позиции 1-5 те же, что на фиг.1;
20 - третья обгонная муфта;
21 - второй кронштейн;
22, 23 - второй и третий рычаги;
24 - второй шатун.
На фиг.4 представлен вид В-В по фиг.5 на конструкцию третьего варианта инвалидной коляски, где:
25 - кронштейны;
26 - кронштейны;
27 - ось;
28, 29 - первая и вторая обгонные муфты;
30, 31 - первая и вторая ведущие конические шестерни;
32 - первая ведомая коническая шестерня;
33 - перемычка;
34 - рычаг рукоятки;
35 - рукоятка.
На фиг.5 представлен вид С-С по фиг.4 на конструкцию третьего варианта инвалидной коляски, где позиции 26-32 те же, что на фиг.4;
36 - перегородка;
37 - промежуточная шестерня;
38 - вторая ведомая коническая шестерня;
39, 40 - первый и второй валы.
На фиг.6 представлена конструкция четвертого варианта инвалидной коляски, где:
41, 42 - первая и вторая, плоско параллельные пластины каркаса;
43, 44 - второй и третий валы;
45, 46 - первая вторая шестерни;
47, 48 - третья и четвертая обгонные муфты;
49, 50 - первый и второй родильные рычаги;
51 - перемычка;
52, 53 - третий и четвертый ограничители;
54 - рукоятка;
55 - колесо;
56 - ручка обратного хода;
57 - трос.
Принцип действия первого варианта рычажной инвалидной коляски, конструкция которой представлена на фиг.1 и фиг.2, заключается в следующем.
Рычаг 2 с рукояткой 3 инвалидной коляски шарнирно крепится на каркасе 1. Рычаг, в свою очередь, также шарнирно связан с концом шатуна 4. Шарнирные соединения 13 имеют горизонтальные оси вращения и обеспечивают рычагу и шатуну свободное колебательное движение в вертикальной плоскости. Угловые колебания рычага и кривошипа ограничиваются с помощью двух, неподвижных с каркасом 1 Г-образных ограничительных пальцев 14.
Второй конец штока 4 неподвижно связан с прямоугольной рамой, состоящей из трех перемычек, первой 9 и второй 10, цепей закрепленных на первой 11 и второй 12 планках, неподвижно связанных друг с другом. При этом первая и вторая цепи входят в сцепление с первой 8 и второй 19 звездами соответственно.
Цепи неподвижно закреплены сваркой на прямолинейных планках 11 и 12. Планки, в свою очередь, сдвинуты относительно друг друга в поперечном направлении и неподвижно связаны тремя поперечными перемычками 6, образуя жесткий прямоугольный каркас. Каркас также неподвижно связан со штоком 4.
При воздействии на рукоятку 3 человеком рычаг 2, шарнирно связанный с каркасом рычажной инвалидной коляски (РИК), совершает колебательное движение в вертикальной плоскости. Шарнирно связанный с рычагом шток 4 также совершает колебательное движение в вертикальной плоскости. При этом связанные со штоком параллельные цепи 9 и 10 совершают возвратно-поступательное движение относительно звезд 8 и 19. Таким образом, цепи 9, 10 взаимодействуют с соответствующими звездами 8, 19.
Обгонные муфты 7 и 18 установлены на оси 15 так, чтобы они входили во сцепление по очереди. Ступицы обгонных муфт неподвижно связаны с установочной втулкой 16, которая шарнирно установлена на оси 15 с возможностью свободного вращения. В этом шарнирном соединении может быть использован радиальный шарикоподшипник. Ступицы обгонных муфт через установочную втулку 16 и кронштейн 17 неподвижно связаны с колесом 5.
Обоймы обгонных муфт 7, 18 неподвижно связаны с соответствующими звездами 8 и 19.
При возвратно-поступательном движении цепей относительно звезд их взаимодействие приводит к тому, что ступицы обгонных муфт и связанное с ними колесо 5 будут вращаться постоянно в одном направлении по часовой стрелке.
При этом существенно повышается момент на валу и КПД РИК.
Если силу, приложенную к шатуну известного РИК обозначить через Ро, а длина шатуна через R, то момент этой силы определяет составляющая Ро. Суммируем эти моменты за пол периода от - П/2 до П/2.
;
Среднее значение равно .
В предлагаемой конструкции момент этой силы равен РоР.
Выигрыш в моменте составляет
При этом в данной конструкции при одинаковых угловых колебаниях рычага, диаметр звездочек возможно увеличить в 1,4 раза. Таким образом, суммарный момент в предлагаемой конструкции увеличивается более чем в 2,24 раза.
Увеличение момента в 2,24 раза при одинаковой скорости движения приведет к уменьшению прилагаемой силы в 2,24 раза. При равенстве прилагаемых сил повышение КПД приведет к пропорциональному увеличению проходящего пути.
Принцип действия второго варианта рычажной инвалидной коляски, конструкция которой представлена на фиг.3 во многом совпадает с принципом действия первого варианта коляски, представленного на фиг.1.
Отличие заключается в преобразователе колебательного движения штока 4 во вращательное движение колеса 5. На оси вращения колеса шарнирно устанавливается ступица третьей обгонной муфты 20 с возможностью свободного вращения. Ступица в свою очередь неподвижно соединена с помощью перемычки с колесом 5, которое также вращается вокруг оси 5.
Обойма третьей обгонной муфты 20 неподвижно связана с концом рычага. Другой конец этого рычага шарнирно связан с концом штока 4. Расстояние шарнирного соединения от оси вращения колеса равно r+r cos45°=1,4R, где r - длина рычага существующей конструкции РИК. При таких размерах третьего рычага угол φ, в пределах колеблется в первый рычаг 2, сохраняется прежним.
Третий рычаг 22 совершает колебательные движения в пределах ±45° от его положения, где момент вращения на колесе максимален. Это положение соответствует тому положению, когда шток 4 перпендикулярен второму рычагу 22.
Таким образом, третий рычаг колеблется в пределах 90°, где длина рычага меняется в пределах (0,7÷1).
Суммируем моменты в пределах П/4 до П/4.
Среднее значение равно .
Так как, когда человек толкает рычаг от себя, муфта вращается вхолостую, рычаг совершает два полных колебания за полпериода колебаний в прежней конструкции транспортного средства (РИК).
При одинаковых угловых колебаниях первого рычага…, длину второго рычага можно увеличить в 1,4 раза и суммарный момент возрастет в 2,1 раза.
Таким образом, суммарный момент в данной конструкции возрастает по сравнению с прототипом в 2,1 раза.
Принцип работы третьего варианта рычажной инвалидной коляски (РИК) конструкция которой представлена на фиг.4 и фиг.5, заключается в следующем.
Преобразователь колебательного движения рычага 34 во вращательное движение колеса 25 крепится на каркасе РИК с помощью двух параллельных кронштейнов 26. Между кронштейнами горизонтально установлена ось вращения 27 первой 30 и второй 31 ведущих шестерен. Эти шестерни свободно вращаются на оси 27 и неподвижно связаны со ступицами соответствующих обгонных муфт 28, 29. Обоймы обгонных муфт неподвижно связаны друг с другом перемычкой 33 и рычагом 34. другой конец рычага соединен с рукояткой 35. Обгонные муфты 28 и 29 установлены на шестернях 30 и 31 так, чтобы при движении рукоятки на наблюдателя ведущей становится правая (вторая) шестерня 31. При движении рукоятки в обратном направлении (от наблюдателя) ведущей становится левая (первая) шестерня 30. Оба ведущие конические шестерни находятся в сцеплении с первой ведомой конической шестерней 32. Так как ведущие шестерни 30 и 31 взаимодействуют с ведомой конической шестерней 32 с диаметрально противоположных сторон, последняя вращается постоянно в одном направлении - против часовой стрелки.
При вращении правой шестерни против часовой стрелки под воздействием рычага 34, ведомая шестерня 32 вращается против часовой стрелки. Левая шестерня 30, которая постоянно находится в сцеплении с ведомой шестерней 32, в холостую вращается по часовой стрелке, т.к. левая обгонная муфта 28 находится вне сцепления. При движении рукоятки 35 и связанного с ней рычага в обратном направлении левая обгонная муфта 28 входит в сцепление. Ведущей теперь становится левая шестерня 30, которая вращается по часовой стрелке. Правая шестерня 31 при этом продолжает свое вращение в холостую против часовой стрелки, т.к. левая обгонная муфта при этом находится вне сцепления. Таким образом, при колебаниях рычага в ту или обратную стороны обгонные муфты 28 и 29 по очереди вводят в сцепление с рычагом левую или правую шестерни. Независимо от того, какая из шестерен является ведущей, ведомая шестерня 32 постоянно вращается против часовой стрелки.
На одном валу 39 неподвижно установлены ведомая шестерня 32 и промежуточная 37. Вал 39 шарнирно установлен в перегородке 36, связывающим неподвижно параллельные кронштейны 26. Вращение от первой ведомой конической шестерни 32 через промежуточную коническую шестерню 37 передается на вторую ведомую коническую шестерню 38.
Вторая ведомая коническая шестерня 38 и колесо 25 неподвижно установлены на втором валу 29. Второй вал шарнирно установлен между двумя кронштейнами 26.
Таким образом, колебательное движение рычага 34 преобразуется во вращательное движение колеса 25.
Предлагаемая конструкция может быть использовано в велосипедах, рычажных инвалидных колясках, катамаранах, веломобилях и других конструкциях, где используются преобразователи возвратно-поступательного или колебательного движения во вращательное.
На фиг.6 представлена конструкция четвертого варианта рычажной инвалидной коляски.
Коляска содержит две плоскопараллельные пластины 41, 42, связанные с каркасом коляски. Между пластинами шарнирно установлены второй 43 и третий 44 валы неподвижно установлены первая шестерня 45, ступица третьей обгонной муфты 47 и колесо 55. На втором валу 43 неподвижно установлены первая шестерня 45 и ступица третьей обгонной муфты 47. На третьем валу 44 неподвижно установлены вторая шестерня 46 и ступица четвертой обгонной муфты 48.
Обоймы третьей 47 и четвертой 48 обгонных муфт неподвижно связаны с параллельными радиальными рычагами 49 и 50 соответственно. Вторые концы указанных радиальных рычагов шарнирно связаны с перемычкой 51, конец которой неподвижно связан с рукояткой 54. Расстояние между двумя шарнирными соединениями перемычки с рычагами 49 и 50 равен расстоянию между осями валов 53 и 44. Параллельные и равные по длине радиальные рычаги 49 и 50, колеблющие относительно параллельных и горизонтальных валов 43 и 44, совместно с перемычкой образуют параллелограмм. При колебании радиальных рычагов относительно валов в пределах 90°, перемычка 51 с рукояткой 54 сохраняют свое горизонтальные положение.
Обгонные муфты 47 и 48 при колебании рычагов 49 и 50 по очереди входят в сцепление.
При этом ведущим становится то второй 43, то третий 44 валы. Из-за сцепления между первой 45 и второй 46 шестернями направление вращения второго (выходного) вала и установленной на нем колеса.
Для ограничения угла колебаний радиальных рычагов могут быть установлены третий 52 и четвертый 53 Г-образные ограничители. При необходимости они могут быть подпружинены для сглаживания и ликвидации ударов в конечных точках колебаний радиальных рычагов 49 и 50.
В четвертом варианте инвалидной коляски движения положительный момент вращения на выходном валу 43 создается при движении рукоятки 54 как в прямом, так и в обратном направлении. КПД преобразователя выше в результате того, что время воздействия положительного момента на выходной вал постоянное. Кроме того, момент кручения максимален из-за большой длина рычага при отклонении его в пределах ±45° от максимума.
При одной и той же скорости перемещения инвалидной коляски, повышение КПД приведет к уменьшению затрачиваемой силы инвалидов больше чем в 2,1 раза.
Для движения назад взамен обгонной муфты группы I, которые используются в конструкциях, представленных на фиг.1-фиг.6, необходимо применить обгонные муфты группы III с поводковой вилкой (исполнения III), передающее медленное и ускоренное вращение в двух направлениях [Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя, том 2. с.215÷216. - М.: Машиностроение, 1980 г.]
Звенья 3 обоих обгонных муфт с ручкой обратного хода 56 подобной ручке тормоза велосипеда могут сообщить звену 2 (ступице) медленное и ускоренное вращение в двух направлениях.
Вращение вала передается на колесо, которое вращается как в одну, так и в другую стороны.
Обгонные муфты группы III (исполнения III) могут быть получены установкой двух муфт с поводковой вилкой (звеном 3).
В зависимости от положения подковой вилки заклинивается то одна, то другая муфта.
Когда заклинены первые муфты ведущее колесо вращается по часовой стрелке.
Когда заклиниваются вторые муфты, происходит обратное их вращение колеса (против часовой стрелки).
Ручной привод переключения подковой вилки 3 с помощью троса 57 является удобным. В этом случае с помощью одной ручки и двух параллельных тросов можно переключить одновременно обе обгонные муфты.