ВЕЛОСИПЕД (ВАРИАНТЫ)
BICYCLE (VERSIONS)

Изобретение относится к транспортным средствам, а именно к транспортным средствам с ножным рычажным приводом.
Известен и широко применяется велосипед, в котором используется ножной рычажный привод с кривошипно-шатунным преобразователем вращательного движению ног велосипедиста во вращательное движение ведущего колеса велосипеда.
Основным недостатком кривошипно-шатунного преобразователя велосипеда является низкий КПД преобразования энергии вращательного движения ступней велосипедиста во вращательное движение ведущего колеса велосипеда. Это связанно с низким КПД кривошипно-шатунного механизма. Кроме того, это связанно с тем, что ступни велосипедиста совершают круговое движение, а сектор активного воздействия ступни на педаль составляет всего около 90° от траектории движения ног.
Известен детский велосипед, в котором рычаги педалей колеблются в пределах 90°. Однако колебания рычагов педалей в аналоге передаются на крывошипно-шатунный преобразователь колебаний во вращательное движение ведущих колес детского велосипеда.
Недостаток аналога также связан с низким КПД кривошипно-шатунного механизма
Известен также велосипед [GB 459800 А, 15.01.1937, В62М 1/04], который может быть указан в качестве прототипа.
Прототип содержит кинетически связанный каркас, руль, колеса, ведущую звезду, неподвижно установленную на валу, связанную цепью с ведомой звездой, первый и второй рычаги педалей, первую и вторую обгонные муфты и узел сопряжения рычагов педалей. При этом ступицы обгонных муфт неподвижно установлены на валу, а обоймы неподвижно соединены с радиальными рычагами, взаимодействующими с узлом сопряжения.
Технический результат заключается в упрощении конструкции, повышении КПД и скорости велосипеда.
Это достигается за счет применения в велосипеде новой конструкции преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное.
Технический результат достигается путем введения в велосипед, содержащий каркас, руль, колеса, ведущую звезду, установленную на валу, связанную цепью с ведомой звездой, обгонные муфты. Ступицы обгонных муфт установлены на валу. Обоймы обгонных муфт соединены с рычагами, которые имеют возможность взаимодействия с узлом сопряжения рычагов педалей. Узел сопряжения содержит трос, перекинутый через блок, концы которого шарнирно соединены с периферийными наконечниками рычагов, в узле сопряжения, на тросе неподвижно закреплены ограничительные кольца, имеющие возможность взаимодействия с соответствующими демпферными пружинами, которые имеют возможность взаимодействия с упорной пластиной, связанной с каркасом.
Второй вариант конструкции велосипеда содержит каркас, руль, колеса, ведущую звезду, установленную на валу, связанную цепью с ведомой звездой, обгонные муфты. Ступицы обгонных муфт установлены на валу. Обоймы обгонных муфт соединены с рычагами, которые имеют возможность взаимодействия с узлом сопряжения рычагов педалей. Узел сопряжения содержит соосные первую и вторую втулки с наклонными пазами, палец, связанный с подвижным кольцом, и водила. Торцы втулок соединены с корневыми наконечниками соответствующих водил, чьи периферийные наконечники имеют возможность взаимодействия с соответствующими рычагами. Пазы первой и второй втулок ориентированы накрест и взаимодействуют с пальцем для обеспечения возможности относительного поворота втулок в пределах 90°.
Третий вариант конструкции велосипеда содержит каркас, руль, колеса, ведущую звезду, установленную на валу, связанную цепью с ведомой звездой, обгонные муфты. Ступицы обгонных муфт установлены на валу, обоймы обгонных муфт соединены с рычагами, которые имеют возможность взаимодействия с узлом сопряжения рычагов педалей. Узел сопряжения содержит взаимодействующие друг с другом первую и вторую втулки, на которых установлены соответственно первая и вторая конические шестерни, сцепленные с третьей конической шестерней. Эта шестерня связана с двумя радиальными ограничителями, взаимодействующими с подпружиненным упором.
На фиг.1 представлена конструкции преобразователя движения велосипеда и первого варианта узла сопряжения рычагов педалей, где:
1 - каркас;
2 - втулка;
3 - вал;
4 - подшипники;
5, 6 - первая и вторая обгонные муфты;
7, 8 - первый и второй рычаги педалей;
9 - педали;
10 - ведущая звезда;
11 - цепь;
12 - горизонтальная труба каркаса;
13 - кронштейны;
14 - пластина упорная;
15 - блок;
16 - трос;
17, 18 - первое и второе крепежные кольца;
19, 20 - первая и вторая демпферные пружины;
21, 22 - первое и второе ограничительные кольца.
На фиг.2 представлена конструкция второго варианта преобразователя движения велосипеда и узла сопряжения рычагов педалей, где:
23, 24 - первый и второй кронштейны;
25 - второй вал;
26 - подшипники;
27 - крышки подшипников;
28, 29 - первая и вторая втулки с наклонными пазами;
30, 31 - первый и второй рычаги педалей;
32, 33 - первая и вторая вилки;
34, 35 - первое и второе водила;
36 - кольцо подвижное;
37 - палец;
38 - пазы;
39 - звезда вторая;
40 - цепь вторая;
41, 42 - третья и четвертая обгонные муфты.
На фиг.3 представлена конструкция преобразователя движения велосипеда с третьим вариантом узла сопряжения рычагов педалей, где:
43, 44 - третья и четвертая втулки;
45, 46, 47 - первая, вторая и третья конические шестерни;
48 - ось вращения;
49 - ограничители;
50 - подпружиненный упор.
Преобразователь движения дополняет существующую конструкцию велосипеда. Для этого необходимо снять с вала неподвижно закрепленные рычаги с педалями, позиции 1-12, используемые в велосипеде, применяются по своему назначению. Втулка 2 связана с каркасом. С помощью подшипников 4 вал 3 установлен с возможностью свободного вращения.
Рычаг педали 7 (8) соединяют неподвижно в радиальном направлении с обоймой соответствующей обгонной муфты 5 (6). Ступица каждой обгонной муфты устанавливается неподвижно на валу 3 с двух сторон там, где были установлены рычаги педалей велосипеда.
Обгонные муфты 5 и 6 должны быть установлены на валу так, чтобы при кручении педалей они входили в сцепление по очереди и вал вращался в одном направлении - по часовой стрелке.
Наиболее эффективно, когда рычаг педали 10 совершает колебания в круговом секторе 90°, где момент, создаваемый рычагом, максимален. При прямом ходе педали обойма муфты входит в сцепление со ступицей и создает положительный момент на валу. При обратном ходе педали обгонная муфта выходит из сцепления и рычаг вхолостую возвращается в исходное положение.
Принцип действия узла сопряжения рычагов педалей, представленных на фиг.1, заключается в следующем.
На горизонтальной трубе каркаса 12 велосипеда с помощью кронштейна 13 шарнирно устанавливается блок 15. Нижние концы троса неподвижно связаны с крепежными кольцами 17, 18, установленными на осях вращения соответствующих педалей с возможностью свободного вращения.
На тросе 16 неподвижно закреплены первое 17 и второе 18 ограничительные кольца. Ограничительные кольца взаимодействуют с соответствующими демпферными пружинами 19 и 20. Пружины смягчают удар в конечных точках колебательного движения педалей. Верхние концы пружин упираются в пластину 14. Пружины могут быть связаны с упорной пластиной или с соответствующими ограничительными кольцами. Колебательное периодическое движение педалей происходит в противофазе. Меняя положение колец 21, 22, на тросе 16 возможно менять угол колебательного движения педалей.
Преобразователь движения на фиг.1, который используется в велосипеде, функционирует следующим образом.
Из-за того, что ступня велосипедиста совершает колебательное движение в секторе 90°, частота активного воздействия на педаль возрастает более чем в два раза. При этом вращательный момент на валу также увеличивается из-за того, что рычаг максимален в пределах кругового сектора +45°
Уменьшая круговой сектор воздействия на педали, возможно еще увеличить момент на валу и КПД.
Движение ступней велосипедиста становится ближе к движению ступней бегуна и, следовательно, более эффективным и привычным.
Фаза и амплитуда периодических колебаний левой и правой педалей может меняться произвольно. Это исключает «мертвых точек» при движении и позволяет подобрать оптимальный режим движения для каждого человека.
Размеры велосипеда становятся менее критичными к росту человека. Дети могут спокойно кататься на велосипеде для взрослых.
При этом велосипед может работать и в обычном режиме, когда педаль вращается по кругу. Для этого достаточно снять ограничители. В этом режиме педали могут выполнить операцию торможения.
При этом КПД преобразователя движения выше, чем у существующих кривошипно-шатунных преобразователей возвратно-поступательного движения ступней велосипедиста во вращательное движение выходного вала.
Для торможения велосипеда взамен обгонных муфт группы I, которые используются в конструкциях, представленных на фиг.1 - 3, необходимо применить обгонные муфты исполнения III с поводковой вилкой, передающие медленное и ускоренное вращение в двух направлениях [Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя, том 2, с.215-216. М., «Машиностроение», 1980 г.] Поводковые вилки обеих обгонных муфт, связанные тросами с рукояткой ручного тормоза, могут сообщить звену 2 (ступице) медленное и ускоренное вращение в двух направлениях.
Вращение педалей передается на вал и установленную на нем ведущую звезду как в одну, так и в другую стороны.
Обгонная муфта группы III (исполнения III) может быть заменена двумя муфтами группы I путем переключения их обойм.
В зависимости от положения ручного тормоза заклинивается то одна, то другая муфта. Когда заклинены первые муфты, поступательное движение педалей приводит во вращение ведущую звезду, а следовательно, ведущее колесо. Когда заклиниваются вторые муфты, происходит торможение. Поступательное движение педалей (по часовой стрелке) становится холостым. Обратное их движение (против часовой стрелки) становится активным. При этом педаль крутится вхолостую и приводит к торможению ведущей звезды через левую педаль и вторую левую обгонную муфту, и наоборот.
Удобным является ручной привод переключения подковой вилки 3. В этом случае с помощью одной ручки и двух параллельных тросов переключаются одновременно обе обгонные муфты. Цепь приводит во вращение вторую звезду против часовой стрелки. Находящаяся в этот момент в сцеплении вторая обгонная муфта приводит к торможению ведущей звезды и связанного с ней цепью ведущего колеса велосипеда. В торможении участвует одна из двух обгонных муфт. От обгонной муфты, которая используется в известной конструкции велосипеда для торможения, можно отказаться. Но она и не мешает в данной конструкции. Она только дополнительно дублирует.
Для торможения велосипеда, в котором используются конструкции узлов сопряжения, представленные на фиг.2 и 3, может быть применена такая же конструкция торможения, что на фиг.8. После нажатия ручки торможения происходит переключение поводковой вилки обеих обгонных муфт группы III.
Момент вертикальной силы давления Ро на педаль равен Pocosα, где α - угол отклонения рычага педали от горизонтали.
При суммировании моментов в пределах от -π/4 до +π/4, т.е. в пределах 90°, получим:
Среднее значение момента равно
Среднее значение момента за один период равен 2·0,9P0R=1,8 P0R.
При суммировании моментов вращения в пределах от -П/2 до П/2, т.е в пределах 180° для обычного велосипеда, получим среднее значение
Таким образом, среднее значение момента при колебаниях рычага передачи в пределах 90° за период увеличивается по сравнению с обычным вращением педали по кругу в
Преобразователи колебательного движения рычагов педалей 30, 31 во вращательное движение ведущей звезды 39 во всех трех вариантах конструкции велосипеда функционируют одинаково. Отличаются только конструкции узлов сопряжения рычагов педалей.
Второй вариант узла сопряжения (см. фиг.2) функционирует следующим образом. Весь узел сопряжения вместе с преобразователем движения монтируется между параллельными кронштейнами 23 и 24, неподвижно связанными с каркасом велосипеда. Кронштейны выполнены в виде вилок, в которые вставляется горизонтально второй вал 25. С двух сторон на вал насаживаются подшипники 26, крышки 27 которых соединяются с кронштейнами с внешних сторон. До установки второго вала 25 на нем в центральной ее части устанавливаются соосно первая 28 и вторая 29 втулки с наклонными пазами 38 и кольцо подвижное 36 с возможностью свободного поворота относительно друг друга.
Подвижное кольцо 36 жестко связано с радиальным пальцем 37, который взаимодействует одновременно с пазами 38 обеих втулок 28 и 29. Пазы в двух втулках должны быть расположены накрест друг к другу. Взаимодействие пазов с пальцем приведет к тому, что при повороте первой втулки 28 по часовой стрелке на +90° вторая втулка 29 повернется на -90° против часовой стрелки, и наоборот.
Торцы первой 28 и второй 29 втулок неподвижно соединены с первой 34 и второй 35 водилами соответственно. Периферийные концы водил 34 и 35 неподвижно связаны с первой 32 и второй 33 вилками, взаимодействующими с рычагами педалей 30 и 31. Вилки ориентированы перпендикулярно соответствующим водилам и радиальным рычагам педалей. Вилки обеспечивают одновременный поворот соответствующих рычагов педалей и водил. Корневые части радиальных рычагов педалей 30 и 31 неподвижно связаны с обоймами третьей 41 и четвертой 42 обгонных муфт соответственно. Ступицы указанных муфт неподвижно установлены на втором валу 25.
При колебании рычагов педалей в ту или другую сторону обгонные муфты 41 и 42 по очереди входят в сцепление и приводят вал во вращение по часовой стрелке. Когда первый рычаг педали 30 находится в активном режиме, второй рычаг 31 с помощью узла сопряжения возвращается в исходное верхнее положение, и наоборот.
На втором валу 25 с правой стороны от крышки подшипника 27 неподвижно установлена вторая ведущая звезда 39. Вращение от ведущей звезды с помощью цепи 40 передается на ведомую звезду, которая неподвижно установлена на одном валу с ведущим колесом велосипеда.
На фиг.3 представлена конструкция преобразователя движения с третьим вариантом узла сопряжения рычагов педалей.
Принцип работы третьего варианта узла сопряжения во многом совпадает с принципом работы второго варианта, представленного на фиг.2. Отличие заключается только в том, что взамен первой 28 и второй 29 втулок с наклонными пазами и подвижного кольца 36, связанного с пальцами 37, которые используются для взаимного возврата рычагов педалей в верхнее положение, используется другой механизм.
Этот механизм основан на взаимодействии первой 45, второй 46 и третьей 47 конических шестерен. Первая и вторая конические шестерни неподвижно установлены на третьем 43 и четвертом 44 втулках соответственно. Втулки установлены на втором валу 25 с возможностью свободного поворота в пределах 90°. Внешние торцы втулок, как и во втором варианте, связаны с соответствующими водилами 34 и 35.
При этом первая и вторая конические шестерни находятся в сцеплении с третьей конической шестерней 48. Последняя шестерня установлена на оси вращения 48. Ось вращения должна быть неподвижно связана с кронштейнами 23, 24 и, следовательно, с каркасом. На фиг.3 третья шестерня условно показана с противоположной стороны.
Аналогично второму варианту узла сопряжения колебания первого рычага педали 30 приводят к повороту первой конической шестерни 45 по часовой стрелке на +90°. Взаимодействие третьей 47 и второй 46 конических шестерен приведет к тому, что последняя шестерня повернется на 90° против часовой стрелки. Это, в свою очередь, приведет к возврату второго рычага педали 31 в исходное верхнее положение. В следующий полупериод второй рычаг становится ведущим, а первый возвращается в исходное верхнее положение.
Таким образом, во всех трех вариантах рычаги педали могут колебаться в пределах ±45°, где момент на валу максимален. Средний момент на валу при этом равен 0,9×R×Ро.
Третья коническая шестерня 47 неподвижно связана с двумя радиальными ограничителями 49, установленными через -90° друг от друга. Это в случае, если все три конические шестерни имеют одинаковые размеры и число зубьев.
Когда радиальные рычаги педалей доходят до крайнего нижнего положения, ограничители 49 доходят до подпружиненного упора 50 с той или с другой стороны. Подпружиненный упор ограничивает угол возвратно-поступательных колебаний рычагов педалей в пределах 90° и смягчает удары в конечных точках колебаний рычагов.
Упор и все позиции сопряжения рычагов педалей должны быть рассчитаны на то, чтобы удержать максимальный вес человека, когда он наступает на педали в нижнем их положении.
Подпружиненные ограничители могут быть установлены на каркас велосипеда так, чтобы они взаимодействовали с каждым из рычагов в отдельности и обеспечивали колебательное движение их в пределах 90°
Применение разработанных конструкций велосипеда позволяет повысить КПД и скорость его движения в 2,4 раза. При одной и той же скорости движения это приводит к пропорциональному уменьшению энергии, затраченной велосипедистом на одно и то же расстояние.
Таким образом, предложенные конструкции велосипеда позволяют существенно улучшить основные технические параметры велосипеда - КПД и скорость движения. Это позволит ускорить процесс внедрения указанных конструкций велосипеда в повседневную жизнь.