СПОСОБ ДВУХРЕЖИМНОГО ПЕДАЛИРОВАНИЯ БИОТРАНСПОРТА И КАРЕТОЧНЫЙ УЗЕЛ БИОТРАНСПОРТА "МАКСИ-7" Российский патент 1997 года по МПК B62M9/00 

Изобретение относится к машиностроению и использованию биотранспорта с приводом кругового вращения шатунов, например, средненижнего расположения, а именно велосипедов, веломобилей, мопедов и т.п.

Известны мускульные приводы, ось кареточного узла которых шарнирно закреплена во втулке рамы, выполненная из двух частей также шарнирно соединенных между собой и с ведущей звездочкой [1]
Наличие в этом решении привода с продольным пазом в дополнительном рычаге, системы связей и пружин позволяет аккумулировать энергию приводного усилия и частично компенсировать низкую эффективность в переходном секторе привода с вращающимся шатунами, но за счет усложнения привода, увеличения его веса и кинематики взаимодействия деталей кареточного узла и привода.

Широко распространенные кареточные узлы, выпускаемые промышленностью всех стран просты по конструкции, технологичны в производстве, но имеют низкие эксплуатационные свойства, особенно при использовании биотранспорта на горных трассах или на равнине биотранспорта грузового назначения. Такова каретка, описанная в [2]
Наиболее распространен и способ педалинга приводов с равномерно-круговым вращением шатунов (педалей), например, [2, с. 188-217]
Достаточно широко известные способы педалинга биотранспорта с возвратно угловым вращением шатунов устраняют переходный сектор в траектории движения педали посредством исключения его в пространстве [3] Однако по мнению специалистов (Ш.Феру) она менее эффективнs, чем приводы равномерно-кругового вращения шатунов (Пополов А.С. Давай изобретем веломобиль, М. Патриот, 1991, с. 70-73).

Близким к данному решению по технической сути является привод и способ двухрежимного педалинга [4]
Кареточный узел этого привода содержит закрепленные жестко на его валу шатуны с педалями на концах и с жестко закрепленным на нем блоком эллиптических ведущих звездочек. Кроме того, привод снабжен вторым блоком на оси, параллельной валу кареточного узла и средством фиксации второго блока в требуемом положении изменения положения шатунов относительно ведущей эллиптической звездочки, сопровождающегося изменение передаточного отношения и величины крутящего момента, а значит и приводного момента.

Педалинг этого привода описан ниже. Педалируют в обоих режимах посредством равномерного кругового вращения педалей (шатунов), для чего приводное усилие прикладывают только к педали, проходящей активную зону, направляя его вертикально вниз или дополнительно к этому прикладывают приводное усилие к педали, проходящей пассивную зону, сообразуя направление его с расположением педали на траектории пассивной части.

Для перехода с одного режима педалинга на другой, посредством приводного средства расфиксируют дополнительный блок и после разворота его на 90^o снова фиксируют этот блок в данном положении с помощью стопора. В результате этого изменяется крутящий момент и передаточное отношение, т.е. приводной момент и скорость движения. Однако в обоих режимах педалирования круговое вращение педалей имеет переходной от пассивной к активной зоне движения педали сектор, в котором эффективность привода изменяется от минимального значения до нуля в секторе ± 15^o от вертикали, проходящей через ось вала каретки. Наличие этого сектора существенно ухудшает эксплуатационные свойства и позволяет предположить, что методика определения КПД привода с равномерно-круговым педалингом, примененная Ш.Феру, ошибочна, так как переходной сектор 30^o круговой траектории составляет 12,5% от всей траектории движения педали, и значит КПД этого типа привода не может быть равным 99% вероятнее его значение в пределах 92-95% Наиболее близким к данному решению является [5] Решает задачу улучшения эксплуатационных свойств биотранспорта посредством увеличения КПД привода за счет исполнения сектора низкой эффективности преобразования приводного усилия в крутящий момент.

Данное решение обеспечивает улучшение эксплуатационных свойств биотранспорта с круговым педалингом за счет исключения влияния переходного сектора траектории движения педали на КПД (исключения переходного сектора во времени).

Суть изобретения-устройства состоит в том, что кареточный узел "Макси-7" биотранспорта, содержащий установленные в закрепленном на раме корпусе подшипниковый узел, жестко закрепленную на валу, одну по крайней мере ведущую звездочку педали, например, с тупликсами, на концах шатунов, снабжен валом и шатунами, установленными на его концах шарнирно с возможностью жесткой фиксации каждого из них относительно вала в диаметрально противоположном положении или ограничения шарнирного вращения шатуна на валу в переходном секторе, а каждый шатун при этом имеет средство фиксации стопора в положениях, обеспечивающих стопорение или ограничение вращения шатунов.

Кареточный узел "Макси-7" может быть выполнен с валом, на каждом конце которого выполнены диаметрально противоположный отверстия для стопорящего конца стопора-ограничителя с передним и задним ограничителями вращения шатуна на валу, выполненными за одно целое с валом в кольце, закрепленном на валу, при этом каждая поверхность ограничителей, контактирующая с соответствующей поверхностью стопора, расположена под углом 15^o к оси стопорящего отверстия, каждый шатун снабжен консольными приливами с отверстиями соосными со стопорящим отверстием вала для размещения в них стопора с возможностью перемещения по ним под действием упругого элемента или управляющей гибкой связи, второй конец которой закреплен на приводном рычаге стопор, установленном на приливе для него, расположенном у малой головки шатуна на внутренней стороне шатуна.

Отверстие для стопора кареточного узла "Макси-7" может быть выполнено в боковом приливе-секторе большой головки шатуна, боковые торцы которого расположены между окружными ограничителями-торцами паза на внешней стороне боковой поверхности ограничителя, располагающихся под углом на окружности вала, обеспечивающем вращение шатуна в пределах переходного сектора ± 15^o от оси стопорящего отверстия на концах вала.

Суть изобретения-способа состоит в том, что движение по равнинной трассе выполняют с педалированием биотранспорта с кареточным узлом "Макси-7" в режиме равномерно-кругового вращения шатунов, для чего их стопорят в диаметрально противоположном положении на валу, вводя стопорящий конец каждого стопора в соответствующее стопорящее отверстие вала и прикладывают приводное усилие, направленное вертикально вниз к педали, проходящей активную зону или дополнительно к этому усилие к проходящей пассивную зону педали, а перед переходом к движению на подъем конец каждого стопора выводят из стопорящего отверстия и фиксируют его в этом положении, например, с помощью приводного рычага, после чего вращение каждого шатуна в пассивной зоне выполняют со скоростью меньшей чем скорость его в активной зоне (равномерной или с дискретной остановкой каждого шатуна перед переходным сектором), а в переходном секторе от начала до конца сектора переходного выполняют с максимально возможной скоростью (например, мгновенно переводя шатун из положения контактирования стопора с задним ограничителем в положение контактирования с передним ограничителем), где переходной сектор участок траектории движения педали в секторе угла ± 15^o от вертикали, проходящей через ось стопорящего отверстия вала.

На фиг. 1 изображен кареточный узел "Макси-7" с правым шатуном, ввид сбоку; на фиг. 2 шатун со стороны размещения стопорящего механизма; на фиг. 3 положение стопора в I-ом режиме и стадии педалигна; на фиг. 4 положение стопора в II-ом режиме; на фиг. 5 промежуточное положение стопора; на фиг. 6 положение в контакте с задним ограничителем; на фиг. 7 положение стопора до контактирования стопора с ограничителем 12; на фиг. 8 положение стопора в режиме равномерно-кругового педалинга вала, выполненного с ограничителями за одно целое с ним; на фиг. 9 циклограмма движения педали при равномерно-круговом педалинге; на фиг. 10 графики изменения крутящего момента: М_кр при равномерно-круговом педалинге изображен жирными сплошными и штриховыми линиями с изображением момента в переходном секторе тонкими линиями, М_кр секторного педалинга жирными сплошными и штриховыми линиями и секторный педалинг с туклипсами штрихпунктирной линией; на фиг. 11 циклограммы движения педали при секторном педалинге.

Кареточный узел "Макси-7" состоит из корпуса 1 (фиг. 1) и установленного в нем посредством подшипникового узла (не показан) вала 2 с фланцем для установки звездочки 3, ограничителя 4 и шатунов 5 на каждом конце вала. Каждый шатун 5 выполнен с консольными приливами 6 с отверстием для установки подпружиненного к валу, например, стопора 7, имеющего возможность перемещения по отверстию. Упругий элемент в виде пружины сжатия или набора плоских пружин установлен в отверстии прилива и предохраняется от выпадания гайкой (не показаны). На приводном конце стопора 7 закреплен конец гибкой тяги 8, второй конец которой закреплен на приводном, например, эксцентриковом рычаге 9, установленном эксцентриковой осью в отверстиях прилива консоли 10 (фиг. 2) с возможностью вращения на 180^o, например. Соосно стопору 7 на каждом конце вала выполнено отверстие 11 для стопорящего конца его (фиг. 3 8). Ограничитель 4 выполнен с крепежными отверстиями для установки его на валу, для чего вал 2 имеет соответствующие резьбовые отверстия. Задним ограничительным элементом 13 и передним 12 являются окружные торца паза для размещения в нем стопорящего конца стопора 7 с возможностью перемещения его по пазу при вращении шатуна. Ограничители могут быть выполнены в виде упоров на окружности вала, а головка шатуна снабжена приливом на боковой поверхности большой головки с отверстием для стопорящего конца стопора 7 (фиг. 8). Стопор в данном варианте конструкции может быть выполнен с меньшим диаметром, однако в этом случае необходимо изменение конструкции корпуса.

Установка шатунов на валу обеспечивается установочным винтом аналогично квадратно-конусному креплению шатунов на валу спортивных известных велосипедов; шатуны могут быть выполнены при этом с возможностью регулирования длины их.

Работает кареточный узел "Макси-7" следующим образом.

Режим I
Пример 1. При движении на равнине педалинг выполняют известным образом, при этом рычаг 9 устанавливают, развернув его к большой головке. Стопорящий конец каждого стопора, прижимаемого к валу упругим элементом, находится в отверстии вала 11 (фиг. 3, 8). Движение шатунов по окружности при этом осуществляется с одинаковой скоростью во всех зонах, а каждая педаль с этой же скоростью перемещается в переходном секторе и М_кр изменяется по графику изображенному на фиг. 10 тонкими линиями.

Режим II
Пример 2.1. При приближении к подъему поочередно на каждом шатуне, установленному вертикально в верхней точке траектории, разворачивают рычаг 9 в сторону меньшей головки (вверх), при этом тяга 8 перемещает стопорящий конец из вала (отверстия 11), сжимая упругий элемент и шатуны получают возможность вращения на валу до контактирования стопора с ограничителем 12, передавая приводное усилие с педали на вал (фиг. 4, 7). Педаль в активной зоне нагружают усилием, направленным вертикально вниз, вследствие чего педаль с шатуном 6 и валом 2 вращается со скоростью ω_a (фиг. 11). Перемещающаяся в это время в пассивной зоне ненагруженная приводным усилием педаль движется со скоростью ω_n<ω_a меньшей настолько, что в момент перемещения в нижнюю точку активной зоны нагруженной педали, ненагруженная педаль оказывается в начале переходного сектора и стопорящий конец стопора 7 из промежуточного положения (переходного) на фиг. 5 (входит в контакт с задним ограничителем 13 (фиг. 6). Ощущение контакта этого служит сигналом для велосипедиста для перевода ненагруженной педали с максимально возможной скоростью из этого положения в положение контактирования стопора с передним ограничителем 12 (фиг. 7). Так как в переходном секторе шатун вращается шарнирно, переход его педали через этот сектор можно выполнить практически мгновенно и дальнейшее движение вала в переходном секторе осуществляется с уже высокой эффективностью, так как шатун в это время движется уже в активной зоне.

Таким образом, преобразование приводного усилия в крутящий момент производится с исключением сектора низкой эффективности по времени. Далее циклы педалинга повторяются с другой педалью (шатуном), проходящей соответственно активную, пассивную зоны и переходной сектор с соответствующими скоростями. Суммарный М_кр изменяется в соответствии с жирными сплошными и штриховыми линиями (фиг. 10). Входящий в переходной сектор шатун проходит с увеличением, а выходящий с пропорциональным этому уменьшением М_кр. и составляет величину в пределах 1/2 2/3 M_max.

Пример 2.2. При наличии у биотранспорта педалей с тупликсами дополнительно с нагружением педали активной зоны, нагружают соответственно положению пассивной педали на траектории ее движения, вращая ее со скоростью ω_a до угла 340 343^o. По достижении этого положения педалью пассивной зоны, снимают с нее приводное усилие и продолжая вращение активной педали до контактирования стопора остановленной пассивной педали с задним ограничителем 13 (фиг. 6). После этого возобновляют вращение пассивной педали и, ориентируясь снижением эффективности активной педали и выходом пассивной педали на начало переходного сектора, в требуемый момент переводят пассивную педаль из контактирования ее стопора с задним ограничителем в положение контактирования с передним ограничительным моментом. Суммарный М_кр изображен на фиг. 10 штрихпунктирной линией. Далее повторяют циклы педалинга вышеописанным образом до преодоления подъема с другой педалью в активной и пассивной зоне соответственно.

После перехода на равнинную трассу движения переключают стопорящий механизм в положение фиксации шатунов в обратном порядке и педалинг осуществляют известным образом.

Использование: в биотранспорте, конструкции кареточных узлов приводов с круговым вращением шатунов и способом использования его. Сущность изобретения в том, что кареточный узел "Макси-7" состоит из корпуса 1 (фиг. 1), вала с фланцем для звездочки 3 и стопорно-ограничительным механизмом шатунов 5 на каждом конце вала. Стопорно-ограничительный механизм состоит из стопорящего отверстия 11 на вале соосных ему отверстий в консольном приливе 6 и стопора 7, подпружиненного к валу и соединенного гибкой связью 8 с приводным рычагом 9, с эксцентриковой осью, установленной в отверстиях консольного прилива 10. Симметрично отверстию 11 на каждом конце вала имеется передний 12 и задний 13 ограничители. Изобретение может использоваться в производстве и эксплуатации всех известных типов велосипедов: горных, спортивных, грузовых, туристических и т.п., а также - веломобилей, мопедов и мотовелосипедов. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ двухрежимного педалирования биотранспортера, заключающийся в том, что по крайней мере в одном режиме педалирование осуществляют за счет равномерного кругового вращения шатунов кареточного узла его, зафиксированных на валу в одной плоскости посредством приложения приводного усилия к педали шатуна, перемещающегося в активной зоне их вращения, отличающийся тем, что во втором режиме перед движением на подъем осуществляют расфиксацию шатунов для обеспечения их свободного поворота на валу в границах заданного угла ± 15^o, а вращение шатунов в пассивной зоне осуществляют со скоростью, меньшей скорости вращения их в активной зоне или останавливают на время поворота вала на указанный угол, а вращение его в переходной зоне в границах упомянутого угла ±15^o осуществляют со скоростью, большей скорости вращения шатунов в активной зоне. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что к педали шатуна, перемещающегося в пассивной зоне вращения, прикладывают дополнительное приводное усилие и вращают его со скоростью вращения активного шатуна. 3. Кареточный узел биотранспортера, содержащего раму, на которой закреплен корпус, с установленным в нем подшипниковым узлом, одну по крайней мере ведущую звездочку, жестко закрепленную на валу каретки, шатуны с педалями, средство фиксации шатунов на валу каретки, отличающийся тем, что каждый конец вала и соответствующий шатун выполнены со средством фиксации шатунов, расположенном на оси каретки в диаметрально противоположных положениях для ограничения шарнирного вращения их на валу в переходном от пассивной к активной зоне секторе и средствам фиксации стопорящего механизма в положении стопорения или ограничения вращения. 4. Узел по п.3, отличающийся тем, что на каждом конце вала выполнены диаметрально противоположные друг другу отверстия для стопорящего конца стопора-ограничителя с задним и передним ограничительными элементами вращения шатунов на валу каретки, выполненными заодно целое с ней, при этом каждый ограничительный элемент имеет торцевую поверхность упоров, расположенную под углом 15^o и контактирующую с соответствующей поверхностью шатуна, а каждый шатун снабжен у большой головки расположенными консольными приливами с отверстием, соосным стопорящему отверстию валу каретки для установки стопора, перемещающегося по отверстию под действием управляющего троса, второй конец которого закреплен на приводном рычаге стопора, эксцентриковая ось которого установлена с возможностью вращения в перпендикулярных оси шатуна отверстиях второй консоли прилива шатуна, расположенной у малой головки его. 5. Узел по п.1, отличающийся тем, что отверстие для стопора выполнено в боковом приливе большой головки шатуна, боковые торцы прилива располагаются на окружности вала каретки под углом, обеспечивающем шарнирное вращение каждого шатуна в пределах переходного сектора ±15^o к оси стопорящего отверстия на конце вала каретки.