МУСКУЛЬНЫЙ ПРИВОД ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 1997 года по МПК B62M1/04 

Изобретение относится к транспортному машиностроению, а именно к транспортным средствам, приводимым в движение мускульной силой человека, и может быть использовано в велосипедах, а также веломобилях, у которых источником энергии является мускульная сила.

В настоящее время в приводах малых транспортных средств (велосипедах) наметилась тенденция к созданию колебательных, а не вращательных движений приводных педалей, что позволяет наиболее полно использовать мускульную силу для обеспечения значительных скоростей при наименьшей утомляемости пользователя, нога которого также не совершает вращательного движения.

Эта тенденция реализуется двумя путями:
мускульным зубчато-рычажным приводом, в котором отсутствуют цепные передачи, что уменьшает механическое трение и повышает КПД, однако усложняется его изготовление и обслуживание;
мускульным приводом цепным, в котором отсутствуют рычаги и кривошипы, что обеспечивает постоянство плеча передачи усилия на вал каретки во время движения независимо от положения ног велосипедиста, уменьшает прилагаемые усилия и затраты энергии при той же скорости движения, полное использование амплитуды перемещения ноги, однако затрудняет обслуживание большого количества трущихся поверхностей.

Известен зубчато-рычажный привод транспортного средства [1] с автоматическим бесступенчатым изменением передаточного отношения в зависимости от силы сопротивления ведущего колеса транспортного средства. Этот привод содержит педали, рычаги которых связаны между собой шестернями, обеспечивающими их взаимно противоположный поворот вокруг осей, и установленные на те же оси каретки водила, связанные с зубчатыми передачами, ведомые шестерни которых через обгонные муфты связаны с колесом транспортного средства.

Рычаги и водила связаны между собой упругими элементами.

Недостатком известного привода является фиксированная амплитуда движения ноги велосипедиста, обусловленная размерами шатуна с водилом. Это расстояние, а также высота седока над кареткой, могут быть оптимальными только при определенных антропометрических данных пользователя.

При смене антропометрических характеристик оптимальность нарушается и для получения требуемых результатов на велосипеде для каждого велосипедиста требуется установка новых рычагов с водилами.

Известен мускульный зубчато-рычажный привод транспортного средства с возвратно-поступательным движением педалей [2] мускульный привод содержит правый и левый шатуны с педалями, установленные на оси каретки, смонтированной на нижней части рамы, механизм изменения передаточного отношения, связанный с каждым из шатунов посредством гибкой тяги и упругого элемента механизма возврата шатунов с педалями в исходное положение и с ведущей обводной звездочкой колеса транспортного средства через механизм свободного хода; дополнительные рычаги, жестко соединенные с шатунами педалей и несущие ведущие шестерни, связанные со звездочкой колеса.

Каждая ведущая шестерня выполнена реечной и сцеплена с рейкой, двигающейся на дополнительном шатуне, связанном посредством обгонных муфт с ведущим колесом.

Реечные шестерни синхронизируются механизмом изменения передаточного отношения, выполненным в виде гибких валов и барабанчиков, а механизм возврата выполнен в виде пружин. Механизм переключения выполнен в виде ручного тормоза на колеса гибкого троса, укрепленного на рукоятке и управляющего жесткой связью реечной шестерней.

Такая передача работает независимо от каждой педали, поворачивающейся на угол примерно 45^o, при этом велосипедист выполняет ногами не вращательные, а качательные движения, что обеспечивает рациональное использование усилий велосипедиста при движении, уменьшает энергетические затраты и увеличивает скорость движения.

Недостатком такого известного привода является сложность управления, а также неполное использование энергетических затрат велосипедиста, из-за установки узла каретки не в оптимальной точке рамы, недолговечность жестких связей.

Известен привод цепной велосипеда [3] смонтированный на раме и содержащий цепную передачу на заднее колесо с ведущей звездочкой, закрепленной на валу каретки, цепные приводы вала каретки, размещенные с правой и левой сторон рамы, каждый из которых оснащен для взаимодействия с цепной передачей принимающей звездочкой, установленной на валу каретки и связанной с ним через обгонную муфту, устройством передачи усилия с одной цепной передачи на другую, выполненным в виде гибкой нерастяжимой связи, соединяющей правый и левый цепные приводы через обводной блок, ролики с буртами для прижима цепи к звездочке и педали. В таком приводе цепные приводы вала каретки выполнены в виде замкнутых цепных передач, каждая из которых снабжена обводными звездочками, одна из которых размещена выше, а другая ниже каретки, педали закреплены на не взаимодействующей с приемной звездочкой ветви, обводной блок закреплен на раме выше каретки. Принимающие звездочки представляют собой зубчатые секторы, обводные выполнены с некратным числом зубьев и установлены на общем валу.

Такой привод позволяет улучшить эксплуатационные характеристики велосипеда, однако сложен в обслуживании из-за большого количества подшипниковых узлов.

Известен мускульный привод транспортного средства [4] содержащий цепную передачу на заднее колесо с ведущей обводной звездочкой, закрепленной на валу каретки, правый и левый шатуны с педалями, установленные на общей оси, механизм изменения передаточного отношения, связанный правой и левой цепями с кареткой и шатунами через механизм свободного хода, и дополнительные рычаги, несущие приводную шестерню. Дополнительные рычаги закреплены на одном из перьев заднего колеса, а приводная шестерня выполнена в виде эллипсоидного круга, смонтированного со смещением относительно вала каретки, несущего шатуна с педалями. Механизм изменения передаточного отношения представляет собой зубчатые секторы с определенным количеством зубьев, а механизм свободного хода выполнен в виде звездочек свободного хода, несущих цепные передачи.

Такой привод обеспечивает эффективное использование мускульной силы, за счет смещения и формы приводной шестерни, однако осуществляет педалирование по кругу, что вызывает быструю утомляемость велосипедиста; привод сложен в обслуживании из-за труднодоступности подшипниковых узлов.

Задачей изобретения было создание мускульного привода транспортного средства, в котором рабочий ход выполнялся бы при качательном движении ноги велосипедиста вниз; обеспечено постоянство тягового усилия и полное использование амплитуды перемещения ноги.

Для решения указанной задачи предложен мускульный привод транспортного средства, содержащий, цепную передачу на заднее колесо с ведущей обводной звездочкой на валу каретки, правый и левый шатуны с педалями, установленные на общей оси, механизм изменения передаточного отношения, связанный правой и левой цепями с кареткой и шатунами через механизм свободного хода и дополнительные рычаги, несущие приводную шестерню, такой привод, согласно изобретению, снабжен второй приводной шестерней и каждая из них выполнена в виде серповидного зубчатого сегмента, криволинейной поверхностью повернутого к педали, смонтированного на дополнительных рычагах, жестко соединенных с соответствующим шатуном, а на нижнем конце каждого сегмента закреплен опорный конец соответственно правой и левой цепи, прижатой к зубчатой поверхности сегмента механизмом изменения передаточного отношения, выполненным в виде смонтированных на раме коромысла с переключателем и двух пластинчатых зубчатых секторов, в которых плавающе установлена ось направляющих звездочек механизма свободного хода, на валу каретки установлены поворотно два храповых колеса, а на нижнем конце коромысла консольно подвешена поворотная обводная звездочка механизма возврата шатунов, имеющего гибкий тяговый элемент, соединенный устройством передачи усилия с тяговыми концами правой и левой цепей.

В таком мускульном приводе общая ось шатунов смонтирована на раме над кареткой, со смещением относительно ее оси на расстояние, выбранное из соотношения 1 1/4 1 1/3 длины шатуна. В предложенном приводе шестерня - зубчатый сегмент укреплен рычагами на шатуне ниже его оси и со смещением нижнего конца сегмента к оси шатунов на расстояние, равное половине расстояния от этой оси до верхнего конца сегмента. Коромысло привода поворотно смонтировано под углом 30^o на раме и расположено между кареткой и шатунами на расстоянии от вала каретки, выбранном равным 2/3 расстояния между упомянутыми валом и осью, а зубчатые секторы образованы над рамой симметрично коромыслу, выполненному в виде двух аналогичных вертикальных криволинейных стоек, соединенных перемычками. В верхнем конце коромысла выполнен продольный паз под осью направляющих звездочек, свободно размещенных между стойками и секторами параллельно им.

Переключатель установлен на верхнем конце коромысла и выполнен в виде подпружиненного силового штока с прижимной скобой и шаровой рукояткой.

Мускульный привод снабжен ограничителем поворота шатунов, смонтированным на раме под коромыслом, на расстоянии от оси шатунов, равном половине длины шатуна.

Предложенный мускульный привод за счет выполнения его элементов и выбранного соотношения из размеров позволит разместить его в оптимальной точке приложения усилия на раму, уменьшить расстояние между педалями, обеспечит удобство пользования при любых антропометрических данных велосипедиста.

Технический результат от использования предлагаемого привода заключается в улучшении эксплуатационных характеристик велосипеда и облегчении управления приводом. Велосипедист будет тратить меньше сил на привод велосипеда, повысит скорость его движения при расширении диапазона регулирования передаточного отношения за счет полного использования силовых величин, развиваемых ногами на конечных фазах усилия.

На фиг. 1 показан мускульный привод, общий вид; на фиг.2 кинематическая схема привода; на фиг.3 изображены механизмы изменения передаточного отношения и возврата шатунов; на фиг.4 цепная передача вала каретки (вид сверху); на фиг. 5 представлен схематично механизм изменения передаточного отношения (вид спереди).

Мускульный привод транспортного средства содержит цепную передачу 1 на заднее колесо (не показано) с ведущей обводной звездочкой 2, закрепленной на валу 3 каретки 4, правый 5 и левый 6 шатуны с педалями 7, установленные на общей оси 8, механизм 9 изменения передаточного отношения, связанный правой 10 и левой 11 цепями с кареткой 4 и шатунами 5 и 6 соответственно через дополнительные рычаги, 12 и 13 несущие приводные шестерни 14 и 15.

Каждая приводная шестерня 14 и 15 выполнена в виде серповидного зубчатого сегмента, криволинейной поверхностью 16 повернутой к педали 7 и имеющей, например, по 55 зубьев. Шестерни 14 и 15 смонтированы на дополнительных рычагах 12 и 13, жестко соединенных с соответствующим шатуном 5 и 6. На нижнем конце 17 каждого сегмента (шестерни 14 и 15) закреплен опорный конец 18 соответственно правой 10 и левой 11 цепи, прижатой к криволинейной зубчатой поверхности 16 механизмом 9 изменения передаточного отношения, выполненным в виде смонтированных на раме 19 коромысла 20 с переключателем 21 и двух пластинчатых зубчатых секторов 22, в которых плавающе установлена ось 23 направляющих звездочек 24 механизма 25 свободного хода. На валу 3 каретки 4 установлены поворотно два храповых колеса 26. На нижнем конце 27 коромысла 20 консольно на оси 28 подвешена поворотная звездочка 29 механизма 30 возврата шатунов 5 и 6 в исходное положение. Механизм 30 имеет гибкий тяговый элемент 31, перекинутый через звездочку 29 и соединенный нерастяжимыми устройствами 32 передачи усилия с тяговыми концами 33 и 34 соответствующих цепей 10 и 11
Звездочка 29 развернута вокруг своей оси 28 так, чтобы ее верхняя часть была расположена напротив правого храпового колеса 26, а нижняя часть - напротив левого храпового колеса 26. Такая установка звездочки 29 обеспечивает устройствами 32 разворот тягового элемента 31, например цепи, на 16^o. Звездочка 29 и цепь 31 обеспечивают возвратно-поступательное движение системы цепных передач и шатунов.

Общая ось шатунов 5 и 6 смонтирована во втулках 35 на раме 19 выше каретки 4, со смещением вдоль рамы относительно вала 3 каретки 4 со смещением на расстояние, равное 1 1/4 1 1/3 длины шатуна.

Шестерни 14 и 15 (зубчатые сегменты) укреплены рычагами 12 и 13 на шатуне 5 и 6 ниже его оси 8 и со смещением нижнего конца 36 к оси 8 на расстояние, равное половине расстояния от этой оси до верхнего конца 37 сегмента.

Коромысло 20 поворотно смонтировано на раме 19 под углом к ней в 30^o и расположено на ней между валом 3 каретки 4 и осью 8 шатунов 5 и 6 на расстоянии вала каретки, выбранном равным 2/3 расстояния между осью 8 и валом 3, зубчатые секторы 22 образованы над рамой симметрично коромыслу. В верхнем конце 38 коромысла 20 выполнен продольный паз 39, в котором свободно установлена с возможностью скольжения по нему ось 23 звездочек 24. Паз 39 выполнен длиной, например 10 мм, соответственно ось имеет такую же величину перемещения.

Коромысло 20 выполнено из двух аналогичных вертикальных пластинчатых криволинейных стоек 40, соединенных перемычками 41 и 42. В верхнем конце 38 коромысла 20 на верхней перемычке 41 посередине установлен переключатель 21, выполненный в виде силового штока 43, опорной прижимной скобы 44, укрепленной по концам оси 23 и пружины 45, поджимающей скобы 44 и ось 23 вниз. На скобе 44 закреплено приводное кольцо 46, а на вершине 47 штока 43 смонтирована декоративная шаровая рукоятка 48.

Звездочки 24 механизма 25 установлены между стойками 40 и секторами 22, а их ось 23 выполнена выходящей за пределы секторов 22, например по 3 мм, и установлена во впадинах зубьев на глубину например, равную или превышающую ее радиус. На раме 19 под коромыслом 20 смонтирован ограничитель 49 поворота шатунов, размещенный на раме на расстоянии от оси 8 шатунов, равном половине длины шатуна.

Для удобства размещения привода на раме велосипеда нижняя ее часть выполнена из двух сплющенных по бокам труб, например до толщины 15 мм, переходящих в боковые перья 51 заднего колеса.

При езде на велосипеде велосипедист, сидя на седле, нажимает правой ногой на педаль правого шатуна 5 и цепь 10, закрепленная на конце 17, начинает набегать на криволинейную поверхность шестерни 14 (сегмента), которая увеличивает нагрузку на цепь по мере разгиба ноги. Цепь 10, проходя по звездочке 24, разворачивает храповое колесо 26 вместе с валом 3. Далее, правая цепь, соединенная с цепью 31, через звездочку 29 тянет левый шатун 6 вверх до тех пор, пока правый шатун 5 не упрется в ограничитель 49. При нажиме на педаль левого шатуна 6, цикл повторяется, обеспечивается непрерывное вращение вала 3, ведущей обводной звездочки 2, передающей движение на звездочку заднего колеса цепной передачей 1.

Для переключения передач необходимо опереться ладонью на декоративную шаровую рукоятку 48 и пальцем поднять за кольцо 46 скобу 44, передвинув коромысло 20 вперед или назад по секторам 22, при этом ось 23 звездочек 24, несущих нагрузку, поджимается к одной из впадин секторов 22 скобой 44 и пружиной 45. Переключение передач производят в тот момент, когда один из шатунов установлен на ограничителе 49.

Предложенный привод позволит получать до 30 40 передач при наличии всего одной звездочки на заднем колесе, полностью использовать увеличивающееся тяговое усилие при разгибе ноги велосипедиста, уменьшить расстояние между педалями до эргономически оптимального.

Опытные испытания привода показали, что он более эффективен в отличие от известных, сокращение затрат энергии при движении велосипеда составляет до 30% В разработанном приводе отсутствует мертвая зона при движении педалями.

Развиваемое велосипедистом мускульное усилие полностью передается, т.е. превращается в полезную работу, на вал каретки независимо от положения педали, и поэтому рабочий ход можно начинать при любом их положении, обеспечивая максимальный крутящий момент.

С предложенным приводом можно ехать, даже если педали перемещаются не на всю величину максимального хода, перемещая ноги с меньшей амплитудой качания. Привод можно изготовить на действующем технологическом оборудовании с максимальным использованием серийно-выпускаемых элементов. Опытный образец привода был произведен в экспериментальном цехе завода, что подтвердило его промышленную применимость.

Использование изобретения: в области велосипедостроения. Сущность изобретения в том, что для создания мускульного привода, обеспечивающего полное использование тяговой силы за счет оптимального размещения привода на раме и выполнения его элементов, осуществляющих качательное движение педалей, привод оснащается его второй приводной шестерней, шестерни выполнены в виде серповидных сегментов, и прикреплены определенным образом непосредственно на шатунах, которые размещены на раме на заданном расстоянии от каретки, приводные цепи прикреплены в определенных точках сегментов и механизма возврата шатунов. В разработанном приводе механизм изменения передаточного отношения выполнен в виде поворотного коромысла, несущего механизм свободного хода и механизм возврата шатуна и связующего тяговыми цепями все элементы привода в единую систему. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Мускульный привод транспортного средства, содержащий цепную передачу на заднее колесо с ведущей обводной звездочкой, закрепленной на валу каретки, правый и левый шатуны с педалями, установленные на общей оси, механизм изменения передаточного отношения, связанный правой и левой цепями с кареткой и шатунами через механизм свободного хода, и дополнительные рычаги, несущие приводную шестерню, отличающийся тем, что он снабжен второй приводной шестерней и каждая из них выполнена в виде серповидного зубчатого сегмента, криволинейной поверхностью повернутого к педали, смонтированного на дополнительных рычагах, жестко соединенных с соответствующим шатуном, а на нижнем конце каждого сегмента закреплен опорный конец соответственно правой и левой цепи, прижатой к зубчатой поверхности сегмента механизмом изменения передаточного отношения, выполненным в виде смонтированных на раме коромысла с переключателем и двух пластинчатых зубчатых секторов, в которых плавающе установлена ось направляющих звездочек механизма свободного хода, на валу каретки установлены поворотно два храповых колеса, а на нижнем конце коромысла консольно подвешена поворотная обводная звездочка механизма возврата шатунов, имеющего гибкий тяговый элемент, соединенный устройствами передачи усилия с тяговыми концами правой и левой цепей. 2. Привод по п.1, отличающийся тем, что ось шатунов смонтирована на раме над кареткой со смещением относительно ее оси на расстояние, выбранное из соотношения 1 1/4 1 1/3 длины шатуна. 3. Привод по пп.1 и 2, отличающийся тем, что зубчатый сегмент укреплен рычагами на шатуне ниже его оси и со смещением нижнего конца к оси шатунов на расстояние, равное половине расстояния от оси до верхнего конца сегмента. 4. Привод по пп.1 3, отличающийся тем, что коромысло поворотно смонтировано под углом 30^o на раме и расположено между кареткой и шатунами на расстоянии от вала каретки, выбранном равным 2/3 расстояния между упомянутыми валом и осью, а зубчатые секторы образованы над рамой симметрично коромыслу, выполненному в виде двух аналогичных вертикальных криволинейных стоек, соединенных перемычками, и снабженному в верхнем конце продольным пазом под ось направляющих звездочек, свободно размещенных между стойками и секторами параллельно им. 5. Привод по пп.1 4, отличающийся тем, что переключатель установлен на верхнем конце коромысла и выполнен в виде подпружиненного силового штока с прижимной скобой и шаровой рукояткой. 6. Привод по пп. 1 5, отличающийся тем, что он снабжен ограничителем поворота шатунов, смонтированным на раме под коромыслом на расстоянии от оси шатунов, равном половине длины шатуна.