ВЕЛОТАНДЕМ
TANDEM BICYCLE

Велотандем относится к средствам совместного перемещения двух человек с помощью их мускульной силы.
Известен велотандем, содержащий раму, на которой закреплены передняя вилка, два колеса, два седла, руль и опора для рук второго велосипедиста, а также два узла привода, состоящих из кареточных узлов с кривошипами и педалями, и шестерен, передающих с помощью цепных передач усилия обоих велосипедистов на заднее колесо (см. А. Леткин, Тандем-велосипед для двоих. Моделист-конструктор, №9, 1992; пат. WO 0023317, МПК B62K 13/02; B62K 15/00; B62K 13/00, 2000-04-27).
Существенный недостаток такого велотандема состоит в больших габаритах, что затрудняет его транспортировку и хранение и, в конечном счете, препятствует массовому использованию. Кроме того, такой тандем имеет значительное аэродинамическое сопротивление вследствие удаленности второго велосипедиста от первого на расстояние ~ 0,6 м. Поэтому в дальнейшем будут рассмотрены только велотандемы, размеры которых соизмеримы с размерами обычного велосипеда.
Известен велотандем с уменьшенными габаритами, имеющий приводы, встроенные в ступицы переднего и заднего колес, над которыми размещены два седла, руль и опора для рук второго велосипедиста (см. пат. №2233225, МПК B62K13/14; B62K 21/02; B62K 7/06, 2001-12-19; GB №2095631 А, МПК B62K 3/00; B62K 17/00; B62K 3/14, 1982-10-06).
Существенные недостатки такого велотандема состоят в сложности конструкции вследствие использования специальных втулок, а также в низкой поперечной устойчивости, затрудняющей управление, обусловленной тем, что на виражах первый велосипедист поворачивается на подрамнике переднего колеса, а второй при этом остается практически неподвижен. Кроме того, велотандем имеет существенное аэродинамическое сопротивление.
Известен велотандем, в котором используется один кривошипный механизм, снабженный двумя парами педалей, каждая из которых состоит из верхнего и нижнего узлов, предназначенных для педалирования первым и вторым велосипедистами (см. пат. СА №2194029, МПК В62М 3/08, 1998-08-27).
Однако этот велотандем имеет существенные недостатки. Во-первых, задний велосипедист прикладывает усилие педалирования, направленное не вниз, а вперед-вниз, что уменьшает КПД, во-вторых, он педалирует пяткой, чтобы стабилизировать узел педали и компенсировать крутящий момент, вызванный эксцентричной точкой приложения силы первого велосипедиста.
При этом мышцы голеностопных суставов не участвуют в педалировании, что также снижает КПД.
Наиболее близким, принятым за прототип, является велотандем, содержащий раму, на которой закреплены передняя вилка, два колеса, руль и опора для рук второго велосипедиста, два седла с узлами их крепления и регулировки по высоте, передний и задний механизмы переключения передач и торможения, узел каретки с валом, передние и задние кривошипы с педалями, а также передний цепной привод с ведущими и ведомыми шестернями и задний цепной привод с кривошипами, жестко закрепленными на оси заднего колеса, имеющей возможность свободного вращения в ступице задней втулки, при этом к обоим левым кривошипам жестко прикреплены дополнительные ведущая и ведомая шестерни с одинаковым количеством зубьев (см. пат. GB №2074958 А, МПК В62М 9/00; B62K 3/12, 1981-11-04).
Однако этот велотандем имеет существенные недостатки, поскольку требует использования новой более сложной задней втулки с диаметром оси не 10, а 17 мм для крепления на ней задних кривошипов, новой рамы большей длины, позволяющей установить эту втулку, второе седло и опору для рук второго велосипедиста. Кроме того, поскольку подседельный штырь велосипеда устанавливается на расстоянии ~20 см правее вертикали, проходящей через ось каретки, то это приводит к существенному смещению назад центра тяжести велотандема, увеличению нагрузки на заднее колесо, ухудшению устойчивости и аэродинамики. К тому же, второй узел каретки имеет слишком большое значение Q-фактора, что снижает КПД велотандема и может вызвать боли в коленях при продолжительных нагрузках. Q-фактор определяется отношением расстояния между тазобедренными суставами велосипедиста к расстоянию между центрами педалей, которое можно считать равным сумме длины вала каретки и ширины педали. Для шоссейного велосипеда длина вала каретки составляет ~(115±10) мм, а ширина педали ~100 мм, что в сумме дает 215 мм. В данном же велотандеме длина вала второй каретки равна ширине задней вилки в месте крепления втулки (это ~140 мм), плюс длина вала, необходимая для крепления дополнительной шестерни (~20 мм), плюс толщина двух кривошипов (30 мм). В сумме это дает 290 мм, т.е. на 75 мм больше нормы, что просто не допустимо.
Задачей изобретения является создание нового велотандема.
Технический результат заключается в малых габаритах и максимальном КПД велотандема, а также в широком диапазоне его использования - возможности ехать вторым номером как взрослому, так и ребенку.
Задача и технический результат достигаются тем, что известный велотандем, содержащий раму, на которой закреплены передняя вилка, два колеса, руль, два седла с узлами их крепления и регулировки по высоте, передний и задний механизмы переключения передач и торможения, узел каретки с валом, левым и правым кривошипами с педалями, а также цепной привод с ведущими и ведомыми шестернями, снабжен двумя штангами и двумя шарнирными узлами, закрепленными с двух сторон на раме вблизи оси заднего колеса, при этом штанги передними концами шарнирно прикреплены к осям передних педалей, а задними концами входят в шарнирные узлы с возможностью продольного и углового перемещения в них, при этом каждая штанга выполнена с резьбовым отверстием для крепления задней педали.
Задача и технический результат достигаются также тем, что штанги выполнены с неодинаковым по длине поперечным сечением- участки штанг, с закрепленными на них в резьбовых отверстиях задними педалями и передними концами шарнирно соединенные с осями передних педалей, имеют прямоугольное сечение, а участки штанг, перемещающиеся в шарнирных узлах, имеют круглое сечение, при этом шарнирные узлы выполнены в виде шарнирных головок.
В велотандеме штанги могут быть выполнены телескопическими, состоящими из двух отдельных секций, при этом одна секция в виде отрезка трубы круглого сечения прикреплена к шарнирной головке с возможностью углового перемещения в ней, а другая секция с неодинаковым по длине поперечным сечением содержит два участка: один участок, с закрепленной на нем в резьбовом отверстии задней педалью и передним концом шарнирно прикрепленный к оси передней педали, имеет прямоугольное сечение, а второй участок имеет круглое сечение и концентрически входит в первую секцию.
В велотандеме телескопические штанги могут быть выполнены состоящими из трех отдельных секций: первая секция в виде отрезка трубы круглого сечения прикреплена к шарнирной головке с возможностью углового перемещения в ней, вторая секция такой же формы, концентрически входящая в первую секцию, имеет внутреннюю проточку со стороны шарнирной головки, а третья секция содержит два участка, причем один участок с закрепленной на нем в резьбовом отверстии задней педалью и передним концом шарнирно прикрепленный к оси передней педали, имеет прямоугольное сечение, а второй участок имеет круглое сечение и концентрически входит во вторую секцию, при этом к его торцу прикреплен ограничитель, препятствующий выходу третьей секции из второй.
Велотандем может быть выполнен так, что к корпусам шарнирных узлов жестко прикреплены пластины, к которым шарнирно - подвижно прикреплены две тяги, имеющие на концах резьбовые участки с размещенными на них упорами. Тяги передними концами жестко прикреплены к задним педалям, которые выполнены состоящими из двух узлов: первый узел состоит из стандартной педали, а второй - представляет собой две пластины, причем верхняя имеет возможность перемещения относительно нижней с использованием подшипников качения или скольжения. Нижняя пластина жестко соединена с первым узлом педали, а верхняя пластина снабжена устройством для крепления велоботинка и жестко прикреплена к тяге, кроме того, каждая штанга на участке прямоугольного сечения снабжена несколькими резьбовыми отверстиями для крепления задней педали.
Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1, 2, 3. 4, 5, 6, 7, 8, 9.
На фиг. 1 показан общий вид велотандема.
На фиг. 2 - вид сверху на узел заднего привода.
На фиг. 3 - диаграмма, иллюстрирующая траектории движения передних и задних педалей, разнесенных на 12 см.
На фиг. 4 - конструкция привода со штангами, имеющими неодинаковое по длине поперечное сечение.
На фиг. 5 - конструкция привода с двухсекционными телескопическими штангами.
На фиг. 6 - конструкция привода с трехсекционными телескопическими штангами.
На фиг. 7 - конструкция привода, позволяющая ехать вторым номером как взрослому, так и ребенку.
На фиг. 8 - диаграмма, иллюстрирующая траектории движения педалей взрослого и подростка со смещением 16 см.
На фиг. 9 - диаграмма, иллюстрирующая траектории движения педалей взрослого и ребенка со смещением 22 см.
Велотандем (фиг. 1, 2) содержит раму 1, в которой закреплены передняя вилка 2, переднее и заднее колеса 3 и 4, руль 5, седла 6 и 7 с узлами их крепления и регулировки 8 и 9, передний 10 и задний 11 механизмы торможения, узел каретки 12 с валом 13, кривошипы 14 с передними педалями 15, ведущая 16 и ведомая 17 шестерни цепного привода, цепь 18, штанги 19, шарнирные узлы 20, задние педали 21. Передний и задний механизмы переключения передач с наборами ведущих и ведомых шестерен для лучшего чтения чертежей не показаны.
В велотандеме шарнирные узлы 20 закреплены на двух сторонах задней вилки вблизи оси заднего колеса. Штанги 19 передними концами шарнирно прикреплены к осям передних педалей 15, а задними концами входят в шарнирные узлы с возможностью продольного и углового перемещения в них. Каждая штанга выполнена с резьбовым отверстием для крепления задней педали.
Велотандем работает следующим образом. Передние педали в нем (фиг. 3) вращаются традиционно по круговой траектории, а задние - по траектории близкой к эллиптической. Эта кривая построена следующим образом. На траектории движения передней педали выбраны точки 1…5, а затем через них и точку А, обозначающую центр шарнирного узла, проведены прямые линии, на которых отложены отрезки длиной 12 см, что соответствует межцентровому расстоянию педалей. Так получены точки 1…5 и все остальные, необходимые для построения траектории движения задней педали. Эллиптическая траектория не является недостатком велотандема, а, наоборот, повышает его КПД. Рекомендуемое значение отношения размеров малой М и большой N полуосей эллипса при этом составляет ~0,8 (см., напр., В.П. Любовицкий. Гоночные велосипеды. Л. Машиностроение, 1989, стр. 226). В нашем случае большая полуось N равна длине кривошипа, а длина малой полуоси М зависит от длины штанги и от точки крепления на ней оси задней педали. Значение М тем больше, чем ближе задняя педаль закреплена по отношению к передней, а также чем меньшую длину имеет штанга. Но при выборе длины штанги следует учитывать тот факт, что при вращении педалей штанги выдвигаются из шарнирных узлов на удвоенное значение длины кривошипа (~34 см) и, чтобы они не выходили за габариты велотандема, точки крепления этих узлов приходится выбирать вблизи места крепления оси заднего колеса. Тогда при максимальном расстоянии от оси передней педали до оси шарнирного узла равном, например, 62 см и расположении задней педали на расстоянии 12 см от передней, получим отношение M/N=0,74, т.е. близкое к оптимальному. Разместить педали на расстоянии всего 12 см друг от друга кажется невозможным, принимая во внимание тот факт, что задник велоботинка 43 размера отстоит от оси педали на ~20 см. Однако известно, что велосипедисты-спортсмены для повышения КПД педалирования поворачивают стопу относительно горизонтали на угол от -30 до -70 (см., например, В.П. Любовицкий. Гоночные велосипеды. Л. Машиностроение, 1989, стр. 50, рис. 2.21). Поэтому предлагаемая конструкция привода является вполне работоспособной.
Следует отметить еще один позитивный момент эллиптической траектории движения задних педалей - второй велосипедист будет меньше поднимать колени при педалировании и, следовательно, он может иметь более высокий рост. В данном случае на велотандеме могут ехать двое взрослых.
В описанной конструкции велотандема велосипедисты сидят практически вплотную друг к другу, что обеспечивает минимальное аэродинамическое сопротивление и, как следствие, максимальный КПД педалирования. При этом необходимость в опоре для рук второго велосипедиста практически отпадает и появляется возможность использовать руки в процессе педалирования, например, положив их на колени. В случае необходимости второй велосипедист может держаться за первого.
Штанги в велотандеме могут иметь произвольное поперечное сечение. Проще всего выполнять их, как и кривошипы, с прямоугольным сечением так, чтобы они размещались между внутренними торцевыми поверхностями передних педалей и кривошипами с минимальными зазорами и к ним было удобно крепить в резьбовых отверстиях задние педали.
Штанги могут быть выполнены с неодинаковым по длине поперечным сечением (фиг. 4). Например, участки штанг 22, с закрепленными на них в резьбовых отверстиях задними педалями 21 и передними концами шарнирно соединенные с осями передних педалей 15, могут иметь прямоугольное сечение высотой Н и шириной D, а участки штанг 23, перемещающиеся в шарнирных узлах 20 - круглое сечение диаметром D. Это позволяет в качестве шарнирных узлов использовать шарнирные головки, которые в широком ассортименте изготавливаются серийно.
Штанги могут быть выполнены телескопическими, состоящими из двух отдельных секций (фиг. 5). При этом одна секция 24 в виде отрезка трубы круглого сечения прикреплена к шарнирной головке 20 с возможностью углового перемещения в ней, а вторая секция содержит два участка: участок 22, с закрепленной на нем в резьбовом отверстии задней педалью 21, имеет прямоугольное сечение H*D и передним концом шарнирно прикреплен к оси передней педали 15 и участок 23 диаметром D, который концентрически входит в первую секцию 24. Это позволяет сократить длину консольных участков штанг, выступающих из шарнирных головок при педалировании и дополнительно защитить их от повреждения при эксплуатации.
Штанги велотандема могут быть выполнены телескопическими, состоящими из трех отдельных секций (фиг. 6). Первая секция 24 в виде отрезка трубы круглого сечения прикреплена к шарнирной головке 20 с возможностью углового перемещения в ней; вторая секция 25 такой же формы, концентрически входящая в первую секцию 24, имеет внутреннюю проточку со стороны шарнирной головки; третья секция содержит два участка, причем участок 22, с закрепленной на нем в резьбовом отверстии задней педалью 21, имеет прямоугольное сечение H*D и передним концом шарнирно прикреплен к оси передней педали 15, а участок 23 имеет круглое сечение диаметром D и концентрически входит во вторую секцию 25, при этом к его торцу прикреплен ограничитель 26, препятствующий выходу третьей секции из второй. Это позволяет существенно уменьшить длину участков штанг, выступающих за шарнирные головки, и тем самым повысить надежность и эргономику велотандема.
Велотандем может иметь привод с более сложной конструкцией заднего педального узла, позволяющий ехать вторым номером как взрослому, так и ребенку (фиг. 7). Здесь к корпусу каждой шарнирной головки 28 со сферическим вкладышем 27 жестко прикреплена пластина 29, к которой шарнирно - подвижно прикреплена тяга 30, имеющая возможность продольного и углового перемещения в ней. На концах тяги имеются резьбовые участки 31, 32 с размещенными на них упорами 33, 34. Передним концом тяга жестко прикреплена к задней педали, которая выполнена состоящей из двух узлов: первый узел состоит из стандартной педали 21, а второй - представляет собой две пластины, причем верхняя пластина 35 имеет возможность перемещения над нижней пластиной 36 с использованием подшипников качения (или скольжения) 37. Нижняя пластина 36 жестко соединена с первым узлом педали 21, а верхняя пластина 35 снабжена устройством 38 для крепления велоботинка и жестко прикреплена к тяге 30. Кроме того, штанга 23 на участке прямоугольного сечения 22 снабжена несколькими резьбовыми отверстиями 39 для крепления задней педали.
Велотандем работает следующим образом. При вращении педали вперед/вниз (фиг. 8, 9) после прохождения верхней точки 3 траектории вращения тяга 30, перемещаясь вслед за верхней пластиной 35, коснется упором 34 пластины 29. После этого верхняя пластина 35 вместе с закрепленным на ней велоботинком прекратит движение вперед и будет опускаться вниз по прямой b-а, а остальная часть педали продолжит перемещение по «эллиптической» траектории. При вращении педали по нижнему участку траектории, приближаясь к точке 5, упор 33 коснется пластины 29, пластина 35 остановится и начнет подниматься вверх по прямой d-c, а остальная часть педали продолжит движение по «эллипсу». Такая конструкция узла задней педали позволяет закрепить задние педали в дополнительных резьбовых отверстиях 39 (фиг. 7) на большем расстоянии от передних так, чтобы вторым велосипедистом был ребенок. При этом длина горизонтальной оси траектории движения задних педалей путем регулировки положения упоров 33 и 34 уменьшается до значения, позволяющего ребенку удобно педалировать, не вытягивая чрезмерно ноги. В частности, на фиг. 8 приведена траектория движения задней педали, отстоящей от передней на 16 см. При этом длина вертикальной полуоси «эллипса» составляет 11 см, такой размер имеет кривошип велосипеда для подростков. На фиг. 9 смещение педалей увеличено до 22 см. Вертикальная полуось «эллипса» при этом уменьшилась до 9 см, что соответствует длине кривошипа велосипеда для детей 6-7 лет.
Был изготовлен и испытан опытный образец велотандема. В нем штанги выполнены из стали марки 30ХГСА и состоят из двух частей. Передняя часть каждой штанги имеет прямоугольное сечение 20*10 мм, а задняя часть имеет круглое сечение диаметром 10 мм. Передняя часть штанги шарнирно прикреплена к оси передней педали, а на расстоянии 120, 160 и 220 мм от оси передней педали выполнены резьбовые отверстия M14*1,25 для крепления задней педали. Длина штанги составляет 620 мм, длина участка прямоугольного сечения - 250 мм. При изготовлении подвижных узлов задних педалей использованы шариковые направляющие для ящиков, а в качестве шарнирных узлов использованы шарнирные головки типа SI 10 - IT. При испытаниях велотандема вторыми номерами были взрослый, подросток и ребенок 6-ти лет.
Таким образом, поставленная задача выполнена и технический результат достигнут.