ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО С МУСКУЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ Российский патент 1995 года по МПК B62M1/04 

Изобретение относится к транспортным средствам с приводом в действие мускульной силой человека, в частности к веломобилям.

Известны транспортные средства велосипеды и веломобили с мускульным приводом и возвратно-поступательным движением педалей (ас.с. N 1926494, кл. В 62 М 1/04, 1981).

Известны автоматические инерционные импульсные вариаторы (ИВ) транспортных средств с приводным двигателем (Мальцев В. Ф. Импульсные вариаторы. М. 1965, с. 51-60).

Применение на транспортном средстве с мускульным двигателем инерционных автоматических саморегулирующихся планетарных импульсных вариаторов с тросовым или тросово-цепным приводом и прямолинейным возвратно-поступательным движением педалей при проведении авторами предварительной экспертизы не обнаружено. Поэтому в качестве второго аналога заявляемому изобретению взята автоматическая автомобильная инерционная импульсивная коробка передач проф. В. И. Заславского только в части собственно планетарного ИВ, а в качестве прототипа транспортное средство с приводом в действие мускульной силой человека).

В коробке передач Заславского вращательное движение вала первичного двигателя предварительно преобразуется с помощью кривошипно-коромыслового механизма в колебательное движение малого солнечного колеса планетарного редуктора ИВ, массивное водило которого свободно посажено и используется как инерционный элемент маховик для автоматического изменения передаточного отношения передачи. Водило и большое солнечное колесо планетарного редуктора также совершают колебательные движения. С большим солнечным колесом планетарного редуктора связаны внутренние обоймы двух муфт свободного хода (МСХ). Механизм одной МСХ при вращении большого солнечного колеса в одном направлении заклинивается и передает вращение непосредственно выходному валу ИВ, механизм другой МСХ при этом расцеплен. При вращении большого солнечного колеса в другую сторону механизм первой МСХ расцепляется, а второй заклинивается и обеспечивает передачу вращения через промежуточную шестерню выходному валу ИВ в том же направлении. Таким образом, наличие и поочередная работа двух МСХ обеспечивает преобразование колебательного вращения элементов планетарного редуктора в одностороннее вращение выходного вала ИВ.

Частота и амплитуда колебаний свободного водила-маховика определяются частотой вращения приводного двигателя и моментом сопротивления нагрузки, приложенной к выходному валу ИВ, с уменьшением которого уменьшается амплитуда колебаний водила и как следствие уменьшается передаточное отношение передачи. Это приводит к увеличению частоты вращения и снижению величины вращающего момента на выходном валу ИВ вплоть до величины момента сопротивления. С увеличением момента сопротивления возрастает амплитуда колебаний водила-маховика, что приводит к увеличению передаточного отношения, снижению частоты вращения и увеличению вращающего момента на выходном валу ИВ также до величины момента сопротивления. При изменении уровня мощности первичного двигателя происходит то же самое, но уже на другом уровне частот вращения выходного вала ИВ (на другом уровне скорости передвижения транспортного средства).

Таким образом, наличие и работа инерционного элемента ИВ (в данном случае водила) приводит к автоматическому изменению передаточного отношения в зависимости от величины момента сопротивления на выходном валу ИВ и величины мощности первичного двигателя.

Недостатки аналога:
наличие принципиально ненужного кривошипно-коромыслового механизма преобразования вращательного движения вала первичного двигателя в колебательное вращение входного вала ИВ, что ограничивает угол качания входного вала величиной значительно менее 180^о, а это предъявляет очень высокие требования к малой величине люфта МСХ при переходе от расклиненного к заклиненному состоянию;
использование водила планетарного редуктора в качестве свободного посаженного инерционного элемента, как имеющего наименьшую частоту вращения из всех элементов планетарного механизма, требует наибольшей величины момента инерции, а значит, и массы маховика, что для транспортного средства с мускульным приводом может быть даже неприемлемо.

Прямолинейное, близкое к горизонтальному возвратно-поступательное движение приводных педалей автомобиля наиболее экономично и естественно для движения ступни ноги полулежащего лицом вверх человека. В транспортном средстве-прототипе с приводом в действие мускульной силой человека тросово-цепная передача состоит из звездочки, жестко закрепленной на оси ведущего зубчатого конического колеса привода, в постоянном защемлении с которым находятся две вращающиеся в противоположные стороны конические шестерни с встроенными в них МСХ, внутренние обоймы которых передают через ось поочередно одностороннее вращение ведущим колесам устройства, отрезку цепи, охватывающей звездочку, тросу, запасованного в ролик и соединенному с цепью. На тросе, совершающем прямолинейное возвратно-поступательное движение закреплены два упора-педали.

Недостатком устройства, обеспечивающим в прототипе прямолинейное возвратно-поступательное движение педалей, является то, что для устранения вертикального прогиба троса под действием веса ноги требуется применение ограничительных направляющих, а при перемещении упора педали по направляющим возникает дополнительная сила трения скольжения, снижающая полезное усилие в тросе привода и уменьшающее в целом эффективность работы транспортного средства.

Цель изобретения разработка транспортного средства, обеспечивающего наиболее эффективное использование ограниченных энергетических возможностей человека для целей его передвижения, что позволит расширить возрастной и физический диапазон для пользователей, увеличит эксплуатационные возможности транспортного средства с мускульным двигателем, в частности, по преодолению максимальных подъемов, передвижению в условиях плохих дорог и даже некоторого бездорожья.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве преобразователя мускульной энергии человека в движение использован автоматический саморегулирующийся планетарный ИВ, обеспечивающий автоматическое изменение передаточного отношения передачи в зависимости от момента сопротивления движения и мощности мускульного привода, а прямолинейное возвратно-поступательное движение педалей и гибкой связи в виде проволоки, троса, композитного жгута (далее по тексту трос) или тросово-цепной передачи обеспечивается кривошипно-шатунными механизмами, исключающими возможность возникновения силы трения скольжения. Инерционный элемент маховик ИВ соединен с малым солнечным колесом, что обеспечивает ему наибольшую частоту вращения, а поэтому и наименьшую потребную массу. В качестве входного элемента должно использоваться предпочтительно водило как имеющее наименьшую частоту вращения или большое солнечное колесо.

На фиг. 1 показана кинематическая схема привода; на фиг. 2 место закрепления троса; на фиг. 3 график движения основных элементов силовой передачи; на фиг. 4 общая компоновка транспортного средства, продольный разрез.

Кривошипно-шатунный механизм состоит из закрепленного на основании неподвижного шкива 1 (может быть использован один шкив на оба механизма), через ось которого проходят шарниры качающихся кривошипов 2. Другой конец каждого кривошипа шарнирно соединен с шатуном 3 и закрепленным на нем соосно шарниру шкивом 4 того же диаметра, что и шкив 1. Неподвижный 1 и подвижный 4 шкивы охватывает гибкая связь 5, натянутая и закрепленная в вертикальных положениях кривошипа вверх, а шатун вниз в нижней точке шкива 1 и верхней точке шкива 4. На свободном конце шатуна 3, длина которого равна длине кривошипа, шарнирно крепятся педали. На фиг. 1 показаны только линии 6 осей педалей, которые должны проходить через голеностопный сустав ноги человека, что снизит нагрузки и утомляемость ступни. На осях 6 шарнирно закреплены подводки 7, к которым крепятся трос 8 привода ИВ. В верхней части кривошипов 2 закреплены концы натяжного троса 9, перекинутого через блок 10, ось которого через натяжную пружину 11 подтягивается с регулируемым усилием к основанию, что должно обеспечивать необходимое постоянное начальное натяжение приводного троса порядка Р_о= 2-3 кгс и помогает синхронизировать работу обоих кривошипно-шатунных механизмов.

Такие механизмы обеспечивают прямолинейное, возвратно-поступательное горизонтальное движение педалей и троса привода и с использованием при работе только трения качения. Габариты движения элементов механизмов, по существу, перекрываются габаритами пространства, захватываемого совместным движением стопы и колена.

Трос 8 при тросовом приводе несколькими оборотами охватывает шкив 12, соединенный с водилом 13 планетарного механизма ИВ. Начальное натяжение троса 8, обеспечивающее отсутствие проскальзывания троса без его закрепления на шкиве под воздействием рабочего натяжения, зависит от коэффициента трения покоя троса по шкиву и угла охвата шкива тросом и подчиняется зависимости F_o/F= l^-f/α, где F_о, кгс начальное натяжение троса, F, кгс рабочее натяжение троса, f коэффициент трения покоя троса по шкиву, α, рад, угол охвата шкива тросом.

Тогда, например, для охвата шкива стальным тросом в 1,5, 2,5 и 3,5 оборота и величин коэффициентов трения покоя для стального троса и разных материалов шкива будем иметь следующую таблицу значений F_o/F.

Так, если считать возможным для взрослого человека развиваемое ногой кратковременно максимальное усилие F=60 кгс, то для предотвращения пробуксовки стального троса с охватом им шкива из мягкой стали в 2,5 оборота потребуется величина предварительного натяжения троса: F_o>F ˙l^-f/α=60,0˙0,43=2,59 кгс, а при охвате в 3,5 оборота: F_o 60˙0,0123=0,74 кгс.

Гладкая седлообразная рабочая часть поверхности шкива 12 при работе стабилизирует положение троса 8 на среднем участке седлообразной части шкива 12, предотвращая его случайное сползание к бортикам шкива, что исключает возникновение дополнительных потерь на трение троса о бортик шкива, его износ и увеличивает долговечность передачи.

Возможный вариант охвата шкива тросом предусматривает его закрепление на шкиве с укладкой троса по винтовой канавке.

Учитывая, что даже при одном и том же мышечном напряжении усилие, развиваемое ногой человека по мере ее выпрямления, постоянно возрастает, шкив 12 в этом варианте по форме представляет собой два соединенных меньшими основаниями усеченных конуса. Трос 8 закрепляется в одной точке на шкиве 12 в плоскости соединения основания конусов и укладывается в винтовые канавки одного направления вращения. Длина винтовой канавки каждого конуса должна быть не менее длины максимально возможного хода педали в одном направлении. В этом варианте во время рабочего хода отмеченное выше увеличение усилия, развиваемого ногой человека, используется для повышения частоты вращения шкива за счет уменьшения при сматывании троса действующего радиуса шкива.

Помимо чисто тросовой передачи, в заявляемом транспортном средстве может применяться и тросово-цепная. В этом случае вместо шкива 12 применяется ведущая звездочка, которую охватывает отрезок цепи соответствующей длины, концы которой соединяются с тросом 8.

Колебательное вращение шкива 12 передается связанному с ним водилу 13 планетарного механизма ИВ, с малым солнечным колесом 14 которого связан маховик 15, а с большим 16 коническое зубчатое колесо 17, сцепленное с двумя коническими шестернями 18. В шестернях 18 размещены механизмы МСХ 19, внутренние обоймы которых связаны с осью 20 привода ведущих колес 21.

Механизмы свободного хода 19 могут располагаться и во втулках, связанных между собой осью ведущих колес 21 с передачей колебательного вращения от конических шестерен 18 каждому механизму свободного хода ведущих колес через цепную передачу, что облегчает возможность создания подвески транспортного средства и позволяет использовать полностью готовые задние колеса от велосипедов, имеющих в своем составе механизм свободного хода и приводную звездочку.

Как известно, углы поворота или частоты вращения элементов планетарного механизма связаны соотношением:
(Z₁₄+Z₁₆)˙n_H13-Z₁₄˙n-Z₁₆˙n₁₆= 0, где Z₁₄, Z₁₆ число зубьев, n₁₄n₁₆ углы поворота или частоты вращения соответственно малого 14 и большого 16 солнечных колес.

Из приведенного соотношения видно, что при неизменной частоте вращения n_н13 водила 13 планетарного механизма любое изменение частоты вращения n₁₆ колеса 16 требует обязательного обратного изменения частоты вращения n₁₄ другого колеса 14, и наоборот, всякое изменение частоты вращения n₁₄ колеса 14 приводит к обратному изменению частоты вращения n₁₆ колеса 16.

При определении направления вращения элементов планетарного механизма надо иметь в виду, что: при ведущем водиле и ведомыми солнечными колесами направление вращения водила и колес будет одинаково; при ведущих водиле и одном из солнечных колес, а ведомом другом солнечном колесе направление вращения водила и ведущего колеса противоположны, а ведомое солнечное колесо будет вращаться в ту же сторону, что и водило.

В предлагаемом варианте применения планетарного механизма: водило 13 всегда ведущее; большое солнечное колесо 16 всегда ведомое; малое солнечное колесо 14 ведомое при увеличении своей частоты вращения и ведущее, при снижении своей частоты вращения.

При неподвижном транспортном средстве начало перемещения с ускорением какой-либо педали через трос 8 и приводной шкив 12, а при тросово-цепной передаче через цепь и звездочку, начинается вращение с ускорением водила 13 планетарного механизма (участок ОА кривой 1 фиг. 3). Через зубчатые защемления начинается вращение в ту же сторону малого солнечного колеса 14 и связанного с ним маховика 15 (участок ОВ₁ кривой 2) и большого солнечного колеса 16 и связанного с ним зубчатого конического колеса 17 (участок ОС₁ кривой 3). Конические шестерни 18, сцепленные с колесом 17, вращаются в противоположные стороны. МСХ 19 одной из шестерен 18 заклинена и обеспечивает вращение оси 20 и сидящих на ней ведущих колес 21 (участок ОД₁ кривой 4). Механизм другой МСХ при этом расцеплен.

Замедление движения этой педали в конце ее хода на участке А₁а₁ идет без силового взаимодействия с элементами привода, а окончательная остановка движения вперед этой педали на участке а₁о₁ идет уже под воздействием кинетической энергии маховика 15.

На начальном этапе движения другой педали ведущими элементами планетарного механизма являются водило 13 и колесо 14 за счет уменьшения на участке В₁в₁ до нуля накопленной ранее кинетической энергии маховика 15. На участке в₁В₂ вновь начинается разгон колеса 14 и маховика 15, колес 16 и 17, но уже в другую сторону (в сторону вращения водила 13). На этом этапе механизм 19 первой МСХ расцепляется, а другой заклинивается, что обеспечивает продолжение движения оси 20 и ведущих колес 21 в первоначальном направлении и дальнейшее ускорение движения транспортного средства. Замедление движения этой педали в конце ее хода на участке А₂а₂ также идет без силового взаимодействия с элементами привода.

При дальнейшем повторении движение всех элементов планетарного механизма и передачи в целом повторяются вплоть до достижения транспортным средством установившейся скорости передвижения, при которой действующий на ведущих колесax момент вращения уравновешивается увеличивающимся по мере разгона моментом сопротивления движения.

При увеличении частоты вращения колеса 16 в соответствии с приведенным выше соотношением отрезок кривой, на котором отсутствует силовое взаимодействие педалей и привода, увеличивается и переходит с конца хода одной на начало движения другой педали.

При изменении момента сопротивления движения, например при его увеличении, происходят замедление частот вращения ведущих колес 21, соответствующее снижение максимальных частот вращения шестерен 18 и колес 17 и 16 и увеличение максимальной частоты вращения колеса 14 и маховика 15, которое приводит к увеличению передаточного отношения передачи, увеличению вращающего момента, вплоть до достижения новой равновесной скорости перемещения транспортного средства. При уменьшении внешнего момента сопротивления происходит обратный процесс изменения уменьшение передаточного отношения передачи, который приводит к снижению действующего момента и увеличению частоты вращения ведущих колес также вплоть до нового установившегося равновесного состояния. Увеличение мощности привода, например, за счет повышения частоты вращения водила 13, приводит к увеличению установившейся скорости передвижения транспортного средства, а уменьшение мощности привода к ее снижению.

Использование: в транспортных средствах с мускульным двигателем. Сущность изобретения: в том, что изобретение имеет раму, поворотные колеса с рулевым управлением, два кривошипно - шатунных механизма, две педали, шарнирно закрепленные на свободных концах шатунов, приводной трос, закрепленный на педалях, натяжной трос, перекинутый через блок и подпружиненный к раме, приводной шкив, центральное коническое зубчатое колесо для сцепления с двумя коническими шестернями с муфтами свободного хода, два ведущих колеса, соединенных осью, и механизм преобразования усилия. Каждый кривошипно - шатунный механизм снабжен гибкой связью и двумя шкивами, первый их которых закреплен на раме соосно неподвижному шарниру кривошипа. Второй закреплен на шатуне соосно общему шарниру кривошипа и шатуна. Гибкая связь охватывает оба шкива, а приводной трос выполнен с возможностью охвата 2,5 - 3,5 оборотами средней седлообразной части приводного шкива. Концы натяжного троса закреплены на кривошипах. Длины кривошипов и шатунов равны, и диаметры первого и второго шкивов равны. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО С МУСКУЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ, содержащее раму, поворотные колеса с рулевым управлением, два кривошипно-шатунных механизма, две педали, шарнирно закрепленные на свободных концах шатунов, приводной трос, закрепленный на педалях, натяжной трос, перекинутый через блок и подпружиненный к раме, приводной шкив, центральное коническое зубчатое колесо для сцепления с двумя коническими шестернями с муфтами свободного хода, два ведущих колеса, соединенных осью, и механизм преобразования усилия, отличающееся тем, что каждый кривошипно-шатунный механизм снабжен гибкой связью и двумя шкивами, первый из которых закреплен на раме соосно с неподвижным шарниром кривошипа, второй закреплен на шатуне соосно с общим шарниром кривошипа и шатуна, и гибкая связь охватывает оба шкива, приводной трос выполнен с возможностью охвата 2,5 3,5 оборотами средней седлообразной части приводного шкива, концы натяжного троса закреплены на кривошипах, причем длины кривошипов и шатунов равны и диаметры первого и второго шкивов равны. 2. Транспортное средство по п.1, отличающееся тем, что в качестве механизма преобразования усилия установлен инерционный автоматический саморегулирующийся планетарный импульсивный вариатор, на водиле которого закреплен приводной шкив, на малом солнечном колесе маховик, а большое солнечное колесо соединено с центральным коническим зубчатым колесом. 3. Транспортное средство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что приводной шкив выполнен в виде двух усеченных конусов, соединенных меньшими основаниями, с винтовой канавкой на поверхности конусов, в которой расположен приводной трос, закрепленный в средней части приводного шкива.