ЛЫЖНОЕ КРЕПЛЕНИЕ И БОТИНОК Российский патент 1996 года по МПК A63C9/00 A63C9/08 A43B5/04 

Изобретение относится к спортинвентарю и может быть использовано в конструкциях лыжных крепления и ботинка.

Известно лыжное крепление, которое закрепляет ботинок при помощи передней колодки и пяточного автоматического устройства, причем между креплением и лыжей вставлена распорка, в результате чего лыжа крепится к ботинку на некотором расстоянии, что в сравнении с лыжей, имеющей обычное крепление, ведет к увеличению ее кинетического момента относительно оси, проходящей через тазобедренный сустав лыжника при его движении. Кроме того, в зависимости от высоты распорки, которую можно изменять, лыжник в процессе отталкивания может развить повышенный момент силы относительно той же оси, что может привести к дополнительному ускорению скользящей лыжи [1]
Однако величина момента силы, развиваемого толчковой ногой лыжника и передаваемого на скользящую лыжу, полностью зависит от высоты распорки по той причине, что пяточная область ботинка имеет жесткое закрепление, т. е. при отталкивании исключается прогиб подошвы с поднятием каблука над установочной поверхностью, а это существенно ограничивает величину момента силы при отталкивании. Кроме того, жесткое закрепление каблука создает дополнительные нагрузки на суставы и мышцы ноги лыжника при его движении, что приводит к быстрой утомляемости.

К тому же крепление расположено не на самой распорке, а на прикрепляемой к ней пластине, т. е. существует лишняя связь в системе жесткости, которая приводит к недостаточной жесткости пятизвенной системы нога ботинок - крепление распорка лыжа, что при значительных нагрузках лыжника может привести к излому распорки или пластины с креплением и, как следствие к падению или травмированию лыжника.

Известно, что при ходьбе на лыжах как классическим, так и коньковым стилем, ноги лыжника в некоторые моменты времени совершают вращательное движение относительно оси, проходящей через его тазобедренный сустав. Предположив для упрощения, что во время движения ноги лыжника не сгибаются в коленном суставе, можно представить эту ходьбу фрагментом вращательного движения, аналогичного колебаниям маятника с той лишь разницей, что в классическом стиле передвижения вращение ног происходит в плоскостях, параллельных направлению движения, а в коньковом стиле под некоторым углом к нему, т. е. "елочкой". При наложении проекций на вертикальную плоскость, параллельную направлению движения, в упрощенном виде это движение "елочкой" также представляется схожим с колебаниями маятника. Из динамики вращательного движения известно, что если угловая скорость ω всех точек (в данном случае ноги и лыжи) одинакова, то линейная скорость V в зависимости от радиуса вращения R для каждой точки в отдельности различная и выражается формулой V= ωR. Из этой формулы видно, что наибольшая линейная скорость при движении лыжника будет у точек поверхности скольжения лыжи. Также известно, что момент силы М, развиваемый лыжником при отталкивании, определяется формулой M R • F, где F проекция силы отталкивания на направление касательной к окружности, центр которой лежит на оси вращения, а плоскость окружности перпендикулярна этой оси; R радиус или кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы. Из формулы видно, что момент силы тем больше, чем больше радиус вращения при неизменной силе отталкивания. Увеличение момента силы при отталкивании лыжника придает дополнительное ускорение его скользящей лыже. Из двух приведенных выше формул динамики вращательного движения можно сделать следующий вывод: для повышения момента сил при отталкивании, т. е. для увеличения скорости передвижения, необходимо как можно выше перенести место закрепления лыжного ботинка от поверхности лыжи с тем, чтобы по возможности больше увеличить расстояние от тазобедренного сустава лыжника до плоскости скольжения лыжи. Другими словами, необходимо увеличить радиус вращения лыжи вокруг тазобедренного сустава лыжника.

Однако не только повышение скорости передвижения является техническим результатом предложенной конструкции.

Другой немаловажной задачей, на решение которой направлено изобретение, является гарантия безопасности и удобства лыжника. Удобство достигается введением в пяточный узел крепления шарнирного соединения верхней полки распорки с каблуком, что позволяет суставам ноги естественно изгибаться при движении. Безопасность может быть достигнута увеличением жесткости ботинка посредством шарнирного закрепления каблука и применением в конструкции ботинка ремней жесткости, служащих каркасом для достаточно мягкого ботинка и заодно способствующих плотному прижатию ступни к подошве. Этими мерами достигается двойная выгода: уберегаются ноги лыжника от усталости, вывихов и ушибов и повышается прочность каждой в отдельности распорки. Действительно, при отсутствии либо шарнирного закрепления каблука, либо ремней жесткости ботинка, нога под воздействием значительных изгибающих и крутящих нагрузок будет иметь боковые перемещения, что может привести к ее вывихам. Без достаточной жесткости и на каждую в отдельности распорку действуют те же колоссальные нагрузки, что может привести с излому распорок и нанесению травм лыжнику. С шарнирным закреплением каблука и ремнями жесткости ботинка, плотно прижимающими ступню к подошве и блокирующими боковые перемещения ноги, обе распорки как бы составляют монолит с ногой и каждая в отдельности несет лишь половину нагрузок, взаимодемпфируя по нагрузкам друг друга. Поэтому при достаточной жесткости системы нога ботинок крепление лыжи исключаются травмы и вывихи, а также изломы распорок, что в совокупности с естественным изгибом ноги при движении является гарантией безопасности и удобства лыжника. Следует отметить, что шарнирное (нежесткое) закрепление каблука тоже является лишней связью в системе жесткости, в результате чего жесткость снижается, но дело в том, что во время прогиба стопы и голеностопа с отрывом каблука от верхней полки распорки, боковые нагрузки лыжника на шарнирное соединение бывают не столь значительными. Максимальных же значений они достигают во время прижатия каблука к верхней полке, на которой по бокам предусмотрены ограничители боковых перемещений каблука, компенсирующие боковые нагрузки и предохраняющие шарнирное соединение от излома, так что условно можно принять шарнирное закрепление каблука за жесткое без особого снижения общей жесткости системы нога ботинок крепление лыжа.

Сущность изобретения заключается в том, что лыжное крепление содержит носковый и пяточный узлы крепления и соответствующие им распорки, выполненные каждая в виде двух горизонтальных полок, соединенных расположенной вдоль оси лыжи вертикальной стенкой обтекаемой формы, например в виде двутавра.

Кроме того, лыжное крепление может быть выполнено телескопическим с фиксирующим узлом. Нижняя полка распорки может быть выполнена с вертикальными элементами крепления, размещенными в пазах лыжи заподлицо с ее боковыми поверхностями. Носковый узел крепления ботинка может быть выполнен в виде сменной прижимной скобы, передней частью шарнирно закрепленной на верхней полке распорки, причем на свободных концах скобы установлены серьги с внутренними буртиками, входящими в зацепление с верхней полкой. Лыжное крепление может быть выполнено так, что верхняя полка пяточной или носковой распорки шарнирно соединена с каблуком ботинка. Лыжный ботинок может быть выполнен с пазом в передней стенке каблука над голеностопным суставом. И, наконец, шарнирное соединение пяточной распорки с каблуком может быть выполнено в виде трех звеньев, причем это соединение закреплено одним концом с передней частью верхней полки пяточной распорки, а другим концом с помощью установочного звена, входящего в паз каблука.

Известен лыжный ботинок, выполненный в виде сапожка и подошвы с каблуком, позволяющий предохранять ногу от растяжения и ушибов при действии значительных знакопеременных изгибающих и крутящих нагрузок, возникающих при движении лыжника [2]
В известном устройстве используется лишь гибкость голеностопа и он не имеет достаточной жесткости, поскольку ботинок крепится не на самих распорках, а на пластине, закрепленной на них, что в совокупности накладывает дополнительные нагрузки на суставы и мышцы ноги, приводит к преждевременной усталости и увеличению вероятности травмирования лыжника по причине излома распорок или пластины с элементами крепления.

При этом конструкция ботинка, согласно изобретению, обеспечивающая достаточную жесткость закрепленной на распорках четырехзвенной системы нога - ботинок крепление лыжа и позволяющая использовать гибкость стопы в дополнение к гибкости голеностопа, помогает лыжнику выполнять естественные шаги при передвижении с компенсацией избыточных знакопеременных изгибающих и крутящих нагрузок при максимальном снижении вероятности травмирования.

Указанный результат достигается тем, что в лыжном ботинке, состоящем из сапожка и подошвы с каблуком, последний имеет шарнирное соединение с верхней полкой распорки и перемещение только в вертикальной плоскости вдоль оси лыжи.

На сапожке выполнены ремни жесткости, обеспечивающие охват стопы с прижатием ступни к подошве в районах наружного и внутреннего свода стопы и плюс нефаланговых суставов пальцев, а также охват голени над голеностопным суставом. В отличие от прототипа, на сапожке которого отсутствуют ремни жесткости, заявленная конструкция позволяет лыжнику в процессе отталкивания развивать больший момент силы при прочих равных условиях. В передней стенке каблука выполнен паз. Шарнирное соединение пяточной распорки с каблуком, состоящее из трех звеньев, закреплено одним концом с передней частью верхней полки пяточной распорки, а другим концом с помощью установочного звена, входящего в паз каблука.

На фиг. 1 изображен вид носковой и пяточной распорок (без элементов закрепления) и их взаимное расположение на лыже; на фиг. 2 носковая распорка, выполненная телескопической с фиксирующим узлом; на фиг. 3 - положения О. Ц. Т. тела при различных стойках, принимаемых лыжником в свободном спуске с гор; на фиг. 4 и 5 общий вид конструкции закрепления нижних полок носковой и пяточной распорок с местным разрезом, показывающим закрепление нижней полки при помощи шурупов с полукруглой головкой; на фиг. 6 нижняя полка пяточной распорки с вертикально расположенными элементами закрепления на лыже; на фиг. 7 участок лыжи с вырезными посадочными пазами для установки и закрепления нижней полки пяточной распорки; на фиг. 8 и 9 вид конструкции закрепления нижних полок носковой и пяточной распорок с местным разрезом, показывающим закрепление нижней полки при помощи шурупов с потайной головкой; на фиг. 10 общий вид верхней полки носковой распорки с расположенными на ней элементами, служащими для установки и закрепления ботинка; на фиг. 11 общий вид верхней полки носковой распорки с расположенными на ней элементами, служащими для установки, закрепления и автоматического расцепления ботинка; на фиг. 12 общий вид верхней полки пяточной распорки с расположенными на ней элементами, служащими для установки, закрепления и автоматического разъединения каблука ботинка; на фиг. 13 вид спереди на звено, устанавливаемое внутрь каблука; на фиг. 14 общий вид ботинка; на фиг. 15 - вид спереди на каблук с пазом и охватывающей скобой; на фиг. 16 процесс установки и закрепления каблука на верхней полке пяточной распорки; на фиг. 17 процесс закрепления и расцепления вручную носковой части ботинка на верхней полке носковой распорки; на фиг. 18 и 19 процесс автоматического разъединения крепежного элемента с каблуком ботинка; на фиг. 20 и 21 процесс автоматического расцепления носковой части ботинка.

В общем виде (без элементов закрепления) предложенная конструкция лыжного крепления, состоящего из носковой 1 и пяточной 2 двутавровых распорок (в дальнейшем предложенное крепление или носковая и пяточная распорки), устанавливается на лыже 3 в соответствии с фиг. 1, причем расположение и ориентация представлены в системе координат Х, У, Z. Носковая распорка состоит из нижней 4 и верхней 5 горизонтальных полок, соединенных между собой при помощи вертикально расположенной стенки 6, ориентированной площадью наименьшего сечения вдоль продольной оси Х. Пяточная распорка, аналогично носковой, состоит из нижней 7 и верхней 8 горизонтальных полок, соединенных вертикальной стенкой 9 с минимальной площадью сечения вдоль оси Х. Применение двутавра в конструкции предложенного крепления обеспечивает: возможность и удобство закрепления лыжного ботинка на требуемой высоте от установочной поверхности лыжи; экономию материала, а следовательно, снижение веса конструкции; выдерживание больших знакопеременных нагрузок; хорошую обтекаемость снежным и воздушным потоками при значительных габаритах. Применение в качестве материала предложенного крепления, к примеру дюралюминия или специальных пластмасс, позволяет добиться хорошего сочетания требуемых свойств. Благодаря применению этих недорогих материалов предложенное крепление получается легким, прочным и не подверженным коррозии. Для лучшей обтекаемости снежным и воздушным потоками места соединения стенок с верхними и нижними полками выполняются плавно сопряженными по определенному радиусу закругления. По той же причине закругленными выполняются торцы стенок и верхние поверхности нижних полок по наружному периметру. Нижние полки носковой и пяточной распорок предназначены для закрепления на лыже, поэтому ширина этих полок соответствует ширине лыжи. Верхние полки предназначены для закрепления носковой части ботинка (носковая распорка) и его каблука (пяточная распорка), поэтому по форме и размерам (без элементов закрепления) эти полки соответствуют горизонтальным участкам подошвы с рантом и каблука. Стенки носковой и пяточной распорок принимают основную нагрузку при движении лыжника и в сечении горизонтальной плоскостью могут принимать форму профиля с симметричными закруглениями или эллипса (цельного или полого внутри). Ширина стенок выбирается в пределах диапазона от минимальной до максимальной величины. Минимальной шириной стенки относительно продольной оси Х принимается такая величина, в пределах которой действуют максимальные нормальные усилия лыжника на местности без уклона в процессе отталкивания и скольжения. Максимальная ширина стенки ограничивается максимальным продольным размером верхней полки. Сопряжение стенок с нижними полками происходит по линии, образующей середину ширины этих полок, а с верхними полками стенки сопряжены по линии, проходящей от середины носковой части до середины пяточной части обоих полок. Толщина стенок и площади их поперечного сечения определяются расчетом на устойчивость, остальные размеры и величины предложенного крепления, как то: толщины верхних и нижних полок, длины нижних полок, радиусы закругления, уклоны полок все определяется методом прочностного расчета. Лишь диапазон изменения высоты Н предложенного крепления от своего минимального Н_min до максимального Н_max значения следует определить без использования прочностного расчета.

Предложенное крепление может выполняться так, что его высота Н будет регулируемой. Это достигается при выполнении предложенного крепления телескопическим с перемещаемыми (выдвижными) стенками. Так, например, носковая распорка, в упрощенном виде изображенная на фиг. 2, может изменяться по высоте при помощи простейшего фиксатора 10, представляющего собой обыкновенный стопорный винт. В дальнейшем подобная конструкция не рассматривается. Кроме того, предложенное крепление может выполняться в виде единой распорки, обеспечивающей закрепление носковой и пяточной частей ботинка на лыже. Эта конструкция также в дальнейшем не рассматривается.

Предложенное крепление может использоваться как на беговых (гоночных), так и на прогулочных (походных) лыжах. Для прогулочных лыж при определении минимально необходимой высоты H_min следует знать плотность снежного покрова (для свежевыпавшего снега ρ = 80-190 кг/м³), площадь опорной поверхности (поверхность скольжения) и вес лыжника, т. е. выбирается из расчета движения с минимальным сопротивлением снежного покрова, чтобы лыжный ботинок располагался над снегом. Для беговых лыж эффективность оценивается в первую очередь по возможности увеличения скорости передвижения, которая пропорционально зависит от высоты Н предложенного крепления, поэтому при определении Н_min следует руководствоваться мерами безопасности. Для этого нужно знать рельеф трассы, состояние снежного покрова, роста и вес лыжника. Как выяснено, эффективность ходовых качеств лыжи повышается с ростом высоты Н предложенного крепления, но одновременно с этим увеличивается и его вес. Кроме того, с увеличением высоты Н значительно возрастают нагрузки на группы мышц и сустава ноги и стопы, поэтому для компенсации этих нагрузок применяется специальная обувь. Однако при движении лыжника по пересеченной местности с ускорением или торможением возникают инерционные нагрузки, компенсировать избыток которых специальная обувь не в состоянии, поэтому ограничения максимальной высоты H_max предложенного крепления вводятся в первую очередь из-за увеличения инерционных нагрузок. Чтобы рассчитать H_max предложенного крепления, необходимо рассмотреть факторы, вызывающие инерционные нагрузки. К этим факторам относятся: пересеченность местности, неоднородность состояния снежного покрова. Кроме того, к усугубляющим факторам можно отнести повышенный рост и вес лыжника, а также скорость его передвижения. Проявляются инерционные нагрузки следующим образом: на общий центр тяжести (О.Ц.Т.) тела лыжника, приведенный к точке в районе брюшной полости, при ускорении или торможении действует сила инерции, создавая момент относительно мгновенной оси, проходящей через точку опоры. Величина момента инерции тела лыжника относительно оси (мгновенной) вращения равна произведению массы тела на квадрат расстояния центра массы (О.Ц.Т.) от оси вращения. Наиболее наглядно инерционные нагрузки проявляются, к примеру, в свободном спуске с горы, где их компенсация представляет сложную задачу, поэтому в зависимости от ряда усложняющих факторов, лыжник вынужден занимать ту или иную стойку в соответствии с фиг. 3 (см. "Лыжный спорт". Под. общ. ред. Э. М. Матвеева. М. 1975, с. 86, рис.44), чтобы сохранить положение равновесия. Изображенные стойки спуска различаются по высоте расположения О.Ц.Т. тела (высокая, средняя, низкая) и месту нахождения проекции его в передне-заднем направлении (передняя, основная, задняя). Средняя стойка позволяет достичь примерно равной амплитуды амортизации при прохождении бугра и впадины. Высокая стойка позволяет увеличить амортизацию бугра до 75 уменьшая при этом возможность амортизации впадины до 25 увеличивая амортизацию впадины до 75 Высокая и низкая стойки называются критическими. Переднюю стойку лыжник принимает при спуске с быстро нарастающим ускорением, заднюю при спуске с торможением. В основной стойке лыжник спускается с плавно изменяющимся ускорением (торможением), либо вовсе без ускорения (торможения). Существенным недостатком высокорослых лыжников является высокое расположение О.Ц.Т. тела относительно поверхности скольжения, что приводит к увеличению инерционных нагрузок и существенно ограничивает возможности увеличения высоты H предложенного крепления. Недостатком (относительным) низкорослых лыжников является низкое расположение О.Ц.Т. тела с большими возможностями увеличения высоты Н предложенного крепления, что также неприемлемо, поэтому все расчеты по определению H_max предложенного крепления следует усреднить. По этой причине расчеты целесообразно производить для лыжника среднего роста (170 см), а полученные усредненные результаты могут быть признаны действительными для всех лыжников. Известно, что координатами расположения О. Ц. Т. тела является брюшная полость, а точнее район пуповины. Методом экспериментальных замеров были определены расстояния от точки приложения О.Ц.Т. тела до плоскости скольжения по нормали (с учетом толщин каблука ботинка и обычной лыжи в районе грузовой площадки) при принятии лыжником высокой, средней и низкой стоек. Эти расстояния для лыжника среднего роста составляют: в высокой стойке 96 98 см; в средней стойке 84 86 см; в низкой стойке 72 74 см. Для каждой последующей стойки по отношению к предыдущей характерно изменение величины этих расстояний на 10 14 см или в среднем на 12 см. Представим, что лыжнику среднего роста в свободном спуске на лыжах с обычным креплением выгоднее занять среднюю стойку. Ему же, на том же участке трассы, но на лыжах с предложенным креплением высотой Н 12 см, для снижения статически и динамически возросших инерционных нагрузок (расстояние О. Ц. Т. тела относительно поверхности скольжения, неровности трассы, различия плотностей снежного покрова и т. д.) следует занять более подходящую стойку низкую, снижающую положение О.Ц.Т. тела к поверхности скольжения на те же 12 см, что полностью уравнивает инерционные нагрузки с теми, которые возникали при спуске этого лыжника на лыжах с обычным креплением. Представим, что тот же лыжник, на том же участке трассы увеличит в низкой стойке примерно наполовину длину участка опоры, т. е. сделает разножку, тогда высоту Н предложенного крепления можно увеличить наполовину (Н 18 см) с сохранением требуемой устойчивости, так как возросшие статически и динамически инерционные нагрузки компенсируются выдвижением вперед приблизительно на полступни (допускается и на большую величину) одной из ног. И, наконец, последним резервом, используемым для увеличения высоты Н предложенного крепления, является изменение места нахождения проекции данного лыжника в переднем, либо в заднем направлении при его движении на известном участке трассы в низкой стоке и с выдвинутой вперед ногой. Приращение высоты Н предложенного крепления в этом случае составит не более половины от предыдущего (Н 21 см), что вызвано трудностями компенсации непосредственно динамики (без статики) действия повышенных инерционных нагрузок. Таким образом, для трасс с пересеченным рельефом местности принимается максимально допустимая высота предложенного крепления Н_max 21 см. Для комбинированных трасс (равнинная и пересеченная), лыжникам различного роста и веса, рекомендуется устанавливать предложенное крепление в диапазоне высот: H_min ≅ H ≅ (H_max 21 см). Следует отметить, что в отдельных случаях (равнинная трасса, низкорослый лыжник) допускается устанавливать предложенное крепление большей высоты, чем Н_max, но с четким соблюдением мер безопасности от действия негативных факторов.

Теперь следует рассмотреть конструкции, применяемые для закрепления нижних полок предложенного крепления на лыже. Согласно одной из таких конструкций закрепление производится по всему периметру шурупами 11 с полукруглой головкой (см. фиг. 4), причем для головок шурупов соосно с отверстиями растачиваются посадочные места, скрывающие головки и закрепление производится по двум взаимно параллельным плоскостям (см. фиг. 5). Таким образом, ликвидируется уклон нижних полок по плоскости закрепления и не нарушается обтекаемость этих полок. Подобная конструкция закрепления проста в исполнении, но у нее есть существенные недостатки. В процессе действия на верхние полки носковой и пяточной распорок максимальных усилий лыжника, возникают изгибающие моменты М_x и M_y и крутящий момент M_z, которые переносят по стенкам свои максимальные значения Mmaxx

, Mmaxy и Mmaxz непосредственно к точкам закрепления нижних полок, т. е. к отверстиями под шурупы. Известно, что вблизи отверстий наблюдается концентрация напряжений по причине резкого изменения геометрической формы или нарушения монолитности материала. В результате действия Mmaxx или Mmaxy может произойти излом нижних полок на наиболее ослабленном участке по линии расположения крепежных отверстий в одном из двух взаимно перпендикулярных направлений или в обоих направлениях, т. е. параллельных оси X и (или) Y. Чтобы ослабленные участки нижних полок стали более прочными, необходимо увеличить толщину полок, что приведет к увеличению веса предложенного крепления. Кроме того, эта конструкция закрепления не гарантирована от срыва крепежных шурупов с посадочных мест в том случае, если эти полки имеют вдоль оси X малую протяженность, а изгибающий момент Mmaxx и крутящий момент Mmaxz значительны. По этой причине необходимо увеличить длину нижних полок, что также приведет к увеличению веса предложенного крепления. Другая конструкция закрепления нижних полок предложенного крепления не имеет выше перечисленных недостатков. Напротив, нижние полки можно изготовить меньшей толщины и длины. Для достижения этой цели необходимо перенести элементы закрепления нижних полок, имеющие концентраторы напряжений, из зоны опасного воздействия изгибающих моментов Mmaxx и Mmaxy. Конструкция элементов закрепления нижних полок как носковой, так и пяточной распорок одинакова и может отличаться лишь по количеству точек (элементов) закрепления. Нижняя полка, к примеру, пяточной распорки с элементами закрепления изображена на фиг. 6, а участок лыжной поверхности с пазами, служащими для установки и закрепления этих полок, изображен на фиг. 7. В общем виде закрепление нижних полок предложенного крепления представлено на фиг. 8. Процесс закрепления производится при помощи шурупов 12 с потайной головкой, для чего в конструкции элементов закрепления выполняются отверстия с фасками под головки шурупов, вворачиваемых вдоль оси Y (см. фиг. 9). Эта конструкция закрепления нижних полок на лыже более надежна и перспективна, нежели предыдущая, хотя и более трудоемкая, так как в боковых поверхностях лыжи необходимо выполнять пазы под элементы закрепления, причем эти пазы, а также элементы закрепления нижних полок должны быть выполнены с большой точностью, чтобы боковые поверхности лыжи и наружные поверхности элементов закрепления располагались в одной плоскости. В противном случае при движении лыжника будет возникать дополнительное сопротивление движению от трения снежного покрова и воздуха о неровности боковых поверхностей лыжи. В отдельных случаях допускается комбинированное закрепление на лыже нижних полок с использованием обеих конструкций закрепления.

Теперь следует рассмотреть, как при помощи каких элементов, расположенных на верхней полке носовой распорки, производится установка и закрепление носковой части лыжного ботинка. Рассмотрим наиболее простую конструкцию, где используются элементы, часто встречающиеся в обычном лыжном креплении, используемым на прогулочных лыжах (см. фиг. 10). Горизонтальный участок (без элементов закрепления) поверхности верхней полки имеет форму и размеры горизонтального участка носковой части подошвы ботинка, спереди и по бокам соответствующие его ранту. Носковая часть ботинка устанавливается и закрепляется на верхней полке жестко. Спереди и по бокам в верхнюю полку запрессовываются установочные шипы 13, на которые надевается подошва ботинка и прижимается по ранту дужкой 14, которая фиксируется законцовками в вертикальных задних ушках по бокам верхней полки при помощи запрессованных в проушины глухих втулок 15. Прижим дужки 14 к ранту ботинка обеспечивается нажатием на пластину 16 с углублением для удобства нажатия. Эта пластина охватывает переднюю часть дужки 14, образуя с ней замкнутую петлю, которая застегивается от углового перемещения дужки относительно законцовок на замок 17, регулирующий усилие прижима дужки 14 к ранту ботинка. Замок крепится на ушках спереди верхней полки при помощи заклепки 18, относительно которой он совершает угловое перемещение без затирания о внутренние поверхности ушек, что обеспечивается установкой по бокам замка шайб 19, сохраняющих зазор. В качестве регулирующего прижим дужки замка может использоваться более совершенный подпружиненный, производящий самозацепление при нажатии на пластину дужки. Задние ушки верхней полки вместе со средними дополнительно выполняют функции, помогая правильной ориентации ботинка на полке при его установке и снижая продольные, боковые и крутящие нагрузки на установочные и закрепляющие элементы при движении лыжника. Отличительной особенностью данной конструкции является более глубокий охват дужкой ранта ботинка, в результате чего обеспечивается его более надежное закрепление на верхней полке носковой распорки. Прижим ранта заканчивается в районе плюснефалангового сустава первого (большого) пальца, обеспечивая плотное прижатие ступни в этом районе к поверхности полки при любых изгибах стопы, связанных с отклонением каблука от установочной поверхности пяточной распорки в процессе отталкивания. Прижим ранта с противоположной стороны полки обеспечивается без линейного смещения по оси X относительно первого прижима, т. е. проекции обоих прижимов на эту ось совпадают. Рассмотренный механизм закрепления носковой части ботинка небезопасен и при больших высотах Н предложенного крепления падение лыжника чревато серьезными последствиями, так как падение может произойти с большой высоты, а механизм расцепления отсутствует. Данную конструкцию целесообразно использовать на лыжах, предназначенных для прогулок и походов, где скорость движения невелика по сравнению со скоростями спортсменов. Для спортсменов необходима конструкция закрепления ботинка, которая имеет механизм расцепления. Наиболее простой в изготовлении и надежной в обеспечении безопасности движения лыжника является конструкция установки и закрепления носковой части ботинка, изображенная на фиг. 11. Горизонтальный участок верхней полки, аналогично с предыдущей конструкцией, имеет ту же форму и размеры (без элементов закрепления) и такие же установочные шипы, на которые надевается подошва ботинка. Передние и задние ушки полки помогают правильной ориентации ботинка при его установке и снижают боковые, продольные и крутящие нагрузки на установочные и закрепляющие элементы при движении лыжника. Закрепление носковой части ботинка осуществляется прижатием его подошвы по ранту дужкой 20, имеющей на законцовках вертикальные прижимные серьги, которые охватывают по бокам верхнюю полку и стопорятся под ее нижней поверхностью при помощи внутренних стопорных буртиков, обеспечивая надежный прижим подошвы ботинка. Дужка в местах прижима имеет плоскую форму и размеры ранта ботинка, для обеспечения равномерности прижатия которого дужка изготавливается несколько вогнутой к ранту. Дужка выполняется сменной и крепится при помощи специального винта 21 спереди верхней полки на ее выступе, имеющем поперечное сквозное отверстий. Осевой люфт дужки выбирается подбором и установкой шайб 22, что обеспечивает угловое перемещение дужки относительно оси закрепления без затирания. Как и в предыдущем случае, в данной конструкции обеспечивается совпадение проекций обоих законцовок дужки на ось X с плотным прижатием ступни в районе плюснефалангового сустава первого пальца к поверхности верхней полки при изгибах стопы, связанных с отклонением каблука от установочной поверхности пяточной распорки в процессе отталкивания. При потере лыжником равновесия с вероятностью его падения вперед по направлению движения изгиб стопы, связанный с перемещением О.Ц.Т. тела вперед, может достичь такой величины, что упругая дужка выходит из зацепления, освобождая носковую часть ботинка от закрепления. Эта конструкция предусматривает ручное закрепление и расцепление, но самым ценным качеством повышения безопасности является обеспечение саморасцепления дужки с освобождением носковой части ботинка в случае потери лыжником равновесия при его падении вперед по направлению движения, т. е. при самом опасном виде падения. Для спортсменов, движущихся с большими скоростями, данная конструкция закрепления необходима.

Как известно, на лыже с обычным креплением пяточная часть ботинка не закрепляется, а лишь опирается каблуком на установочную поверхность лыжи с подпятником. Для более равномерного распределения на носковую и пяточную распорки нагрузок, возникающих при движении лыжника, следует закрепить как носковую, так и пяточную части ботинка. Это обеспечивает взаимное демпфирование, а точнее, перераспределение избыточных нагрузок, действующих как на носковую, так и на пяточную распорки при достаточной жесткости ботинка. Кроме того, для развития лыжником большего момента силы при отталкивании необходимо, чтобы закрепление пяточной части ботинка по каблуку не препятствовало изгибу стопы с отклонением этого каблука от установочной поверхности пяточной распорки.

Теперь следует рассмотреть конструкцию верхней полки пяточной распорки с расположенными на ней ограничительными, установочными и закрепляющими элементами (см. фиг. 12). Горизонтальный участок верхней полки, предназначенный для установки каблука ботинка, по форме и размерам соответствует горизонтальному участку этого каблука. По бокам полки выполнены вертикальные ушки, которые служат направляющими при установке и закреплении каблука. Кроме того, эти ушки в начальный момент процесса отталкивания и всегда, когда каблук прижат к установочной поверхности полки, значительно снижают боковые нагрузки на установочные и закрепляющие элементы каблука. Для закрепления каблука спереди верхней полки выполнен выступ с крепежным отверстием. На этом выступе шарнирно закреплено при помощи заклепки 23 и шайб 24 звено 25, имеющее в районе соединения с верхней полкой буртики, входящие в зацепление с нижней поверхностью верхней полки и ограничивающие излишнее осевое перемещение этого звена. На нем закреплено шарнирно с использованием заклепки 26 и шайб 27 звено 28, в свою очередь закрепляющее шарнирно с помощью специального винта 29 и шайб 30 звено 21, устанавливаемое в каблук таким образом, что последний может иметь перемещение лишь в вертикальной плоскости вдоль оси лыжи (ось X). Это обеспечивается соответствующим подбором шайб, регулирующих минимальный осевой люфт подвижных звеньев, создавая необходимую жесткость соединения. Закрепление каблука на верхней полке пяточной распорки представляет собой кинематическую цепь, состоящую из подвижных звеньев, соединенных шарнирно и совершающих вращательные движения относительно осей закрепления в процессе отклонения каблука от установочной поверхности при движении лыжника. Лишь последнее звено 31 этой цепи способно совершать как вращательное движение относительно оси, соединяющей его со звеном 28, так и линейное перемещение относительно каблука ботинка. Линейное перемещение этого звена может происходить в том случае, если каблук отклонится от установочной поверхности на угол, больший предельно допустимого, т. е. в том случае, если лыжник потеряет равновесие (падение вперед). В этом случае произойдет принудительное выталкивание звена 31 с освобождением его от закрепления в каблуке. Это звено выполняется уклоном верхней и боковых стенок (см. фиг. 13), что необходимо для его самоизвлечения в особых случаях (падение лыжника) свободно и без затирания об установочные поверхности внутри каблука. Кроме того, уклон верхней стенки этого звена выполнен со звеном 28, располагающимся внутри каблука, выполнен без уклона. Это необходимо для того, чтобы избежать самопроизвольного выпадения звена из каблука при его отклонении от верхней полки на угол, близкий предельно допустимому. Для предложенного крепления, в котором не предусмотрено автоматическое расцепление ботинка, допускается выполнять звено 31 без уклона верхней стенки. Свободный (угловой) ход закрепляемого на верхней полке каблука в диапазоне от нуля до предельного значения обеспечивается соответствующим подбором звеньев кинематической цепи по размерам с приданием этим звеньям необходимой формы. Элементы закрепления и установки предложенного крепления могут выполняться из прочного коррозионно-стойкого материала, например из стали.

Теперь следует рассмотреть конструкцию лыжного ботинка. К нему предъявляется ряд требований. Основным из них является предохранение ноги лыжника от переломов и вывихов в связи с большими нагрузками на нее во время движения вследствие закрепления ботинка на высоте Н предложенного крепления. Другими словами, ботинок должен обеспечивать безопасность движения лыжника с возможностью автоматического расцепления в случае потери равновесия. Ботинок должен обеспечивать предохранение от переломов и вывихов наиболее уязвимых мест ноги, каковыми являются наружный и внутренний своды и голеностопный сустав, т. е. должен обладать достаточной прочностью и жесткостью. Вместе с тем ботинок должен обладать гибкостью для обеспечения его подвижности. И, наконец, ботинок должен быть легким и удобным, а также обладать высокой износоустойчивостью.

Рассмотрим конструкцию, изображенную на фиг. 14. Ботинок 32 выполняется в форме достаточно высокого сапожка 33 из легкого прочного и износоустойчивого материала, например из натуральной кожи или искусственного материала, при этом сапожок плотно облегает ногу в районах стопы и голени. Прочная и эластичная подошва с каблуком 34, по возможности выполненные воедино, например, из резины, жестко присоединяются к ботинку. Идеальным по обеспечению прочности может считаться ботинок, в котором подошва, каблук и сапожок представляют монолит. Таким методом изготовлен обычный резиновый сапог, поэтому при выполнении ботинка из искусственного материала, допускается подобное изготовление. Подошва из толстой резины хорошо выдерживает многократные циклы нагружения на изгиб. В носковой части подошва образует сандальный рант, посредством которого носковая часть прижимается дужкой на верхней полке. Снизу носковой части подошвы выполняются глухие отверстия под установочные шипы верхней полки. Изнутри ботинок подбивается мягкой подкладкой по всем его боковым поверхностям, включая язык и голенище. Это необходимо для предохранения стопы от стирания и для утепления ботинка. Кроме того, мягкая толстая подкладка способствует более плотному облеганию ноги при шнуровке ботинка. Стелька ботинка выполняется из более плотного и жесткого материала, например из войлока. Ботинок шнуруется прочным мягким шнурком 35, который вдевается в пистоны 36 сверху вниз, что позволяет добиться неодинаковой плотности шнуровки, которая обеспечивает плотное облегание ноги ботинком. Для более плотного прижатия ступни к подошве в передней и средней частях ботинка выполняются ремни жесткости 37 с застежками, причем первый ремень располагается в районе над плюснефаланговым суставом первого пальца ноги, а второй как бы охватывает наружный и внутренний своды стопы, причем этот ременный охват в средней части располагается на подъеме стопы немного ниже участка продольного изгиба ноги в голеностопном суставе, не затрудняя этого изгиба. Передний и средний ремни служат не только для прижатия ступни к подошве. Их основное назначение уберечь стопу от вывихов и переломов при воздействии больших нагрузок на наружный и внутренний своды стопы и на суставы пальцев. Поэтому эти ремни выполняют функции каркаса, принимая на себя основную тяжесть от нагрузок и увеличивая прочность и жесткость ботинка. Подобную задачу выполняет двойной ремень жесткости 38 с застежками, прикрепляемый к тыльной стороне голенища ботинка выше голеностопного сустава и охватывающий участки голени чуть выше этого сустава. При достаточном затягивании этого ремня, голеностопный сустав будет застрахован от изгиба ноги в поперечном направлении, так как ремень вместе с материалом ботинка принимает на себя основную тяжесть изгибающих нагрузок, что также увеличивает прочность и жесткость ботинка и снижает вероятность вывихов и переломов ноги в районе щиколотки. Отличительной особенностью от ранее известных конструкций лыжного ботинка является то обстоятельство, что каблук предложенного ботинка закрепляется шарнирно на верхней полке пяточной распорки, с возможностью отклонения от установочной поверхности в вертикальной плоскости вдоль лыжи, при движении лыжника. В передней стенке каблука выполняется паз (см. фиг. 15) типа "ласточкин хвост", имеющий форму и размеры звена 31, помещаемого в этот каблук для его закрепления. Паз несколько снижает жесткость каблука, поэтому для его усиления на всю длину паза выполняется металлическая охватывающая скоба 39, которая подобно арматуре вплавляется в каблук в процессе его изготовления. Однако эта скоба предназначена не только для упрочнения каблука. Другое ее назначение заключается в принудительном выталкивании звена 31 из посадочного паза каблука, т. е. в освобождении каблука от закрепления при потере лыжником равновесия. Скоба спереди имеет местный уклон в пределах ширины паза каблука, что необходимо для облегчения установки звена 31 внутрь паза при закреплении каблука.

Учитывая, что установка и закрепление лыжного ботинка производится на высоте Н предложенного крепления, необходимо использование специальной конструкции лыжи, позволяющей наиболее эффективно использовать предложенные крепление и ботинок. По этой причине целесообразно использовать лыжу, аналогичную представленной в патенте RU N 2004282, кл. A 63 C 5/04. Иная конструкция лыжи не подходит вследствие недостаточной продольной устойчивости ("рыскание", ход, "юзом", разъезжание в разные стороны), либо недостаточной управляемости (маневренности), вынуждающей лыжника прилагать значительные усилия при выполнении того или иного маневра.

Рассмотрим процесс установки и закрепления ботинка на носковой и пяточной распорках. Прежде всего производится установка и закрепление каблука ботинка на верхней полке пяточной распорки. Для этой цели каблук подводится сзади полки к ее направляющим ушкам (см. фиг. 16). Элементы, предназначенные для закрепления каблука, располагаются так, что звено 25 упирается своими буртиками в нижнюю поверхность полки, занимая по длине горизонтальное положение, а шарнирно соединенные с ним звенья 28 и 31 также горизонтально располагаются по длине, причем звено 31 лежит на верхней полке и его свободный конец направлен в сторону установочного паза каблука. Далее лыжник, опираясь каблуком о верхнюю поверхность полки, движет его вперед так, чтобы ушки с обеих сторон охватывали этот каблук и направляли его без значительного перекоса к звену 31. После приближения каблука вплотную к этому звену начинается его установка в тело каблука, чему способствует наличие фасок на свободном конце звена и скобе на входе в паз каблука.

В момент соприкосновения со скобой звено, приподняв над поверхностью полки свободный конец, начинает погружаться в тело каблука. Затем лыжник резким движением досылает каблук вперед до полной установки этого звена. Процесс разъединения каблука (при незакрепленной носковой части ботинка) производится с помощью резкого движения ногой назад так, чтобы каблук перемещался по установочной поверхности между направляющими ушками, в результате чего звено 31 выходит из тела каблука, освобождая его от закрепления.

Теперь рассмотрим процесс установки и закрепления носковой части ботинка на верхней полке носковой распорки (при закрепленном каблуке). Для этого носковая часть ботинка плавно опускается на полку так, чтобы ее установочные шипы совпали и погрузились в отверстия подошвы. После этого подошва прижимается по ранту к поверхности полки дужкой. Прижимное усилие регулируется замком, фиксирующим дужку в зажатом состоянии. Рассмотренный процесс установки и закрепления носковой части ботинка применим для носковой распорки, не имеющей механизма автоматического расцепления.

Рассмотрим установку и закрепление носковой части ботинка на верхней полке, имеющей механизм автоматического расцепления (см. фиг. 17). Установка производится аналогично выше описанному процессу при откинутой вперед дужке, которая шарнирно закреплена на переднем выступе верхней полки. После установки производится процесс закрепления подошвы по ранту дужкой, которая своими законцовками с вертикальными прижимными серьгами подводится к ранту до соприкосновения с ним внутренних стопорных буртиков серег, предназначенных для зацепления на нижней поверхности верхней полки. Затем лыжник большими пальцами обеих рук прикладывает разжимающее усилие к верхним ушкам серег в направлениях, обозначенных горизонтальными стрелками. При достижении необходимого усилия зажатия дужки, ее стопорные буртики больше не упираются в верхние края ранта ботинка и тогда лыжник, не уменьшая разжимающего усилия, начинает теми же пальцами рук производить нажимное усилие в направлении, указанном вертикальными стрелками (вниз). Нажатие производится до тех пор, пока стопорные буртики дужки не пройдут рант ботинка и боковую поверхность полки. После этого лыжник снимает разжимающее и нажимное усилия, в результате чего стопорные буртики дужки, по причине ее достаточной жесткости, зацепляются под нижней поверхностью верхней полки, обеспечивая закрепление носковой части ботинка. Расцепление носковой части ботинка вручную производится в результате приложения большими пальцами рук разжимающего усилия (горизонтальные стрелки) и затем, не снимая этого усилия, прикладывается вытяжное усилие (вертикальные пунктирные стрелки) до расцепления дужки и освобождения носковой части ботинка.

Теперь рассмотрим работу механизма автоматического расцепления ботинка. Этот механизм срабатывает в случае потери лыжником равновесия и его падения вперед по направлению движения. Элементы механизма расцепления расположены на верхних полках носковой и пяточной распорок, а также на ботинке. Рассмотрим последовательность процесса автоматического расцепления ботинка при падении лыжника вперед. На начальном этапе процесса падения О.Ц.Т. тела лыжника перемещается вперед и каблук ботинка опорной ноги отклоняется от установочной поверхности на предельный угол (см. фиг. 18). Далее каблук перемещаться не может, так как закрепляющие его шарнирно соединенные звенья 25 и 28 расположились по своей максимальной длине в линию относительно точек соединения. Но О.Ц.Т. тела лыжника продолжает перемещаться вперед, что приводит к созданию дополнительного усилия на каблук, который стремится отклониться на больший угол. В результате этого на установленное в каблуке звено 31 в точке соединения со звеном 28 действуют силы F₁ и F₂. Растягивающее усилие F₁ действует по линии расположения соединительных точек (23, 26, 26 звеньев 25, 28, 31) в направлении к точкам 23 и 26. Усилие F₂ образуется в результате действия на звено 28 передней кромки с фаской скобы 39. Полученное при этом взаимодействие усилие направлено под углом α к усилию F₁. Результирующий усилия F₁ и F₂ является выталкивающее усилие F, которое при отклонении каблука ботинка на угол, больший критического, производит полезную работу по линейному перемещению звена 31 и выталкиванию его из тела каблука (см. фиг. 19). После освобождения каблука от закрепления происходит расцепление носковой части ботинка. В момент расцепления каблука основное усилие P_max опорной ноги приходится на плюснефаланговый сустав первого пальца (см. фиг. 20).

В дальнейшем процесс падения лыжника прогрессирует, в результате чего О. Ц.Т. тела продолжает смещаться вперед и, стремясь сохранить равновесие, лыжник вынужден переносить основное усилие P_max на основание первого пальца и даже дальше (см. фиг. 21). Действуя мощным рычагом, длина которого исчисляется расстоянием от точки приложения О.Ц.Т. тела до установочной поверхности верхней полки, лыжник производит работу по переносу усилия P_max от плюснефалангового сустава первого пальца до его основания. Результатом этой работы является преодоление рантом ботинка сжимающего усилия законцовок дужки и, как результат выход стопорных буртиков дужки из зацепления с нижней поверхностью верхней полки. Свободная от зацепления дужка при продолжении падения лыжника легко откидывается рантом ботинка вперед.

Сущность изобретения: лыжное крепление содержит носковый и пяточный узлы и соответствующие им распорки, каждая из которых выполнена из двух горизонтальных полок, соединенных вдоль оси лыжи вертикальной стенкой обтекаемой формы. Каблук лыжного ботинка имеет шарнирное соединение с верхней полкой распорки и перемещение только в вертикальной плоскости вдоль оси лыжи, а сапожок ботинка имеет ремни жесткости для обеспечения охвата стопы с прижатием ступни к подошве в районах наружного и внутреннего свода стопы и плюснефаланговых суставов пальцев и охвата голени над голеностопным суставом. 2 с. и 7 з. п. ф-лы, 21 ил.

1. Лыжное крепление, содержащее носковый и пяточный узлы крепления и соответствующие им распорки, отличающееся тем, что каждая распорка выполнена из двух горизонтальных полок, соединенных расположенной вдоль оси лыжи вертикальной стенкой обтекаемой формы. 2. Лыжное крепление по п. 1, отличающееся тем, что распорка выполнена телескопической с фиксирующим узлом. 3. Лыжное крепление по п. 1, отличающееся тем, что распорка выполнена в виде двутавра, стенка которого расположена вдоль оси лыжи. 4. Лыжное крепление по п. 1, отличающееся тем, что нижняя полка распорки имеет вертикальные элементы крепления, размещенные в пазах лыжи заподлицо с ее боковыми поверхностями. 5. Лыжное крепление по п. 1, отличающееся тем, что носковый узел крепления ботинка выполнен в виде сменной прижимной скобы, передней частью шарнирно закрепленной на верхней полке распорки, причем на свободных концах скобы установлены серьги с внутренними буртиками, входящими в зацепление с верхней полкой. 6. Лыжное крепление по п. 1, отличающееся тем, что верхняя полка пяточной распорки шарнирно соединена с каблуком ботинка. 7. Лыжный ботинок, состоящий из сапожка и подошвы с каблуком, отличающийся тем, что каблук имеет шарнирное соединение с верхней полкой распорки и перемещение только в вертикальной плоскости вдоль оси лыжи при наличии на сапожке ремней жесткости для обеспечения охвата стопы с прижатием ступени к подошве в районах наружного и внутреннего сводов стопы и плюснефаланговых суставов пальцев и охвата голени над голеностопным суставом. 8. Ботинок по п. 7, отличающийся тем, что в передней стенке каблука выполнен паз. 9. Лыжное крепление по пп. 1 и 6, отличающееся тем, что шарнирное соединение пяточной распорки с каблуком, состоящее из трех звеньев, закреплено одним концом с передней частью верхней полки пяточной распорки, а другим концом с помощью установочного звена, входящего в паз каблука.