МУСКУЛЬНЫЙ ПРИВОД СТАРОВЕРОВА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2015 года по МПК B62M1/10 B62M19/00 B62M6/40 

Изобретение относится к устройствам для преобразования мускульной энергии человека или животного в движение транспортного средства или груза. Основная область применения изобретения - спортивные, прогулочные и туристические транспортные средства: велосипеды, лодки, мускулолеты.

Затраты мускульной энергии человека не в прямой пропорции соответствуют проделанной человеком работе. Например, если поставить на поднятые руки человека штангу достаточно большого веса и попросить его ее удерживать, то через некоторое время человек в изнеможении бросит штангу, так как не сможет ее держать, хотя при этом он не произвел ни одного джоуля работы - ведь штанга осталась на том же самом месте.

Если при этом попросить человека циклически поднимать и опускать штангу, то через некоторое количество циклов поднятия и опускания он не сможет в очередной раз поднять штангу, хотя по сумме циклов он не только не произвел никакой работы, но и получил потенциальную энергию штанги.

Если попросить человека циклически поднимать и опускать штангу не в своем эргономически удобном темпе, а замедленно, то окажется, что он смог сделать гораздо меньшее число циклов, чем при произвольном темпе.

Также замечено, что напряжение мускулов человека происходит не мгновенно, а требует определенного количества времени для выхода на режим нужной или максимальной силы.

С учетом всего вышесказанного следует вывод, что для совершения наибольшего количества работы человек должен иметь возможность совершать движение с определенной, достаточно большой скоростью, и с определенной - не максимальной и не слишком маленькой силой. Но скорость приложения силы на мускульных транспортных средствах ограничена достаточно умеренной средней скоростью их передвижения - велосипеда, лодки и т.п.

Задача и технический результат изобретения - получение максимальной степени превращения мускульной энергии в произведенную работу.

ВАРИАНТ 1. Для этого надо воспринять силу мышц человека с удобной для него скоростью, а затем полученную энергию израсходовать со скоростью передвижения транспортного средства. Чтобы это сделать, нужен аккумулятор энергии, например, пружина. То есть такой привод содержит, как обычно, педали или рукоятки, а также содержит крутильную пружину, которая с одного конца соединена с нагрузкой, например с движителем, а с другого конца соединена с обгонной муфтой, закрепленной в станине, и с еще одной или несколькими обгонными муфтами, соединенными с педалями или рукоятками, причем все обгонные муфты допускают вращение второго конца пружины только в одну сторону.

В качестве обгонной муфты могут использоваться все известные разновидности таких муфт - храповая муфта, шариковая, роликовая или клиновая обгонные муфты. Храповая муфта имеет небольшой недостаток в данном качестве - она будет издавать щелчки.

В качестве пружины кручения могут использоваться плоскоспиральная пружина (так называемая «часовая»), объемно-спиральная, или торсион, или барабан с намотанным на него эластичным шнуром (последнее менее желательно, так как резина и другие эластичные материалы обладают повышенным внутренним трением). В качестве материала пружины могут использоваться сталь, а для спортивных вариантов - титан или композитный материал (углепластик и т.п.).

Для приведения в соответствие угловой скорости вращения пружины и движителя (колесо велосипеда, винт лодки, винт мускулолета) в любом месте потока передачи мощности может иметься редуктор или мультипликатор. Причем с постоянным или переменным передаточным соотношением. Всего возможны три варианта: перед движителем, после педалей или рукояток, и между обгонной муфтой и пружиной. Для различных транспортных средств оптимальны разные варианты. Для велосипеда, у которого скорость вращения колеса на спуске и на подъеме может отличаться в несколько раз, а усилие на педали почти постоянно (оно не может быть больше веса человека), имеет смысл применить мультипликатор перед колесом (обычная велосипедная цепная многоскоростная передача), чтобы рабочий диапазон усилий пружины был примерно постоянным. А для лодки или мускулолета имеет смысл расположить мультипликатор сразу после педалей или рукояток, чтобы уменьшить крутящий момент на обгонных муфтах.

На велосипеде или колесном движителе катамарана, кроме того, может иметься муфта свободного хода перед движителем, чтобы можно было двигаться по инерции. На лодке с винтом или на мускулолете с винтом такая муфта нецелесообразна, так как сопротивление вращающегося винта больше сопротивления неподвижного.

Так как габариты привода в некоторых случаях ограничены, то для преобразования циклического эргономичного движения педалей или рукояток в циклическое вращательное движение следующего за ней элемента может использоваться преобразователь движения, расположенный после педалей или рукояток. Например, рычажная параллелограммная или трапециевидная система, кулисная передача, цепная передача с продольно движущейся кареткой, зубчатая передача с зубчатой рейкой, барабан с тросом и т.п.

Цикл мускульного движения состоит из силовой фазы, и фазы обратного хода. В некоторых случаях возврат педалей или рукояток в исходное положение может осуществляться человеком. Например, педаль можно не только толкать, но и, при наличии специального хомута на педали, подтягивать. Рукоятку типа весла можно не только тянуть, но и толкнуть в исходное положение. Но в некоторых случаях возврат в исходное положение человеком неудобен или невозможен. В этом случае привод должен иметь возвратную пружину (пружины) педалей или рукояток.

На фиг.1 показан простейший мускульный привод, состоящий из рукояток или педалей Р-П, узла обратных муфт УОМ, пружины П и движителя Д (например, колесо).

Работает он так: циклически перемещая рукоятки или педали Р-П, человек через первую обгонную муфту из узла обгонных муфт УОМ вращает один конец пружины П. Вторая обгонная муфта из узла УОМ соединена со станиной и не дает пружине раскручиваться обратно. Один конец пружины П циклически закручивается, а второй ее конец постоянно крутит движитель Д.

На фиг.2 показан наиболее сложный мускульный привод, где: Р-П рукоятки или педали, ВП - возвратная пружина. Возвращающая рукоятки или педали в исходное положение, ПД - преобразователь движения, УОМ - узел обгонных муфт, П - пружина, М - мультипликатор, ОМ - дополнительная обгонная муфта перед движителем для движения по инерции.

Работает этот привод так же, при этом преобразователь движения ПД преобразует удобное для человека движение в движение, рациональное с технической точки зрения. Мультипликатор М повышает угловую скорость движения движителя Д, а дополнительная обгонная муфта ОМ делает легким движение по инерции. Причем даже без этой муфты движение по инерции возможно, в этом случае пружина П просто будет вращаться в двух обгонных муфтах.

На фиг.3 показан примерный вид велосипеда с таким приводом. Велосипед состоит из колес 1 и рамы 2. На задней части рамы закреплен П-образный рычаг 3 с площадкой 4 для ног, и с зубчатой рейкой 5. Эта рейка входит в зацепление с зубчатым колесом 6. Рычаг с рейкой является одновременно преобразователем движения и мультипликатором. Зубчатое колесо 6 через обгонную муфту вращает «часовую» пружину 7. Далее - см. фиг.2.

Работает велосипед так: человек циклически нажимает обеими ногами на площадку 4, и рычаг 3 своей зубчатой рейкой 5 циклически вращает зубчатое колесо 6. Оно через обгонную муфту закручивает пружину 7, далее - см. фиг.2. Преимущество этого привода не только в эргономическом характере усилия, но и в отсутствии изгибающих усилий на позвоночник, которые требуют компенсации и лишних мускульных усилий для перекашивания торса. То есть человек совершает симметричные движения типа приседаний, только туловище остается на месте, а движутся только ноги. Можно примерно сказать, что для движения с прогулочной скоростью по ровной дороге достаточно одного «приседания» на 40-50 метров пути.

Для быстрого начала движения, например, на перекрестке, данный привод может использоваться и как аккумулятор энергии. Для этого несколькими движениями пружина закручивается полностью при заторможенном колесе, а в нужный момент тормоз отпускается и велосипед интенсивно начинает разгон.

На фиг.4 показан мускульный винтовой привод для лодки. На корме лодки 8 струбциной закреплен корпус привода 9, на верхнем конце которого закреплен барабан 10, а на нижнем - редуктор 11 с гребным винтом 12 (как у обычного подвесного мотора). Внутри барабана 10 расположены обгонные муфты и «часовая» пружина. От второго конца пружины имеется зубчатый привод на вертикальный вал, идущий к редуктору (не показан). На барабан намотано несколько витков шнура 13. В качестве возвратной пружины может быть использован резиновый шнур 14, наматывающийся на этот же барабан.

Работает этот привод так: человек или несколько человек циклически тянут за шнур 13 (для удобства на нем имеются поперечные рукоятки). Шнур циклически вращает барабан 10, который закручивает первый конец пружины. Далее - см. фиг.2, то есть пружина вторым концом вращает через вертикальный вал и редуктор 11 гребной винт 12.

ВАРИАНТ 2. В качестве аккумулятора энергии может быть использован сжатый воздух. То есть мускульный привод содержит педали или рукоятки, которые соединены с компрессором, который через обратный клапан (может быть принадлежностью компрессора) накачивает воздух в емкость, из которой он поступает в пневмодвигатель, вращающий нагрузку.

Для хода по инерции емкость имеет обратный клапан, направленный внутрь емкости.

Так как воздух при адиабатическом сжатии будет нагреваться, то для предотвращения потерь этой энергии в атмосферу емкость имеет теплоизоляцию.

В этом варианте также могут быть применены преобразователь движения, возвратная пружина и редуктор или мультипликатор.

Для предотвращения засасывания запыленного или слишком влажного воздуха выход газа с пневмодвигателя может быть направлен на вход компрессора через промежуточную эластичную емкость.

Работает привод так: человек закачивает воздух компрессором в емкость, откуда он поступает в пневмодвигатель и вращает нагрузку, например движитель.

ВАРИАНТ 3. В качестве аккумулятора энергии может быть использован гидроаккумулятор. В этом случае педали или рукоятки соединены с насосом, который через обратный клапан (может быть принадлежностью насоса) соединен с гидроаккумулятором, который соединен с гидродвигателем, вращающим нагрузку. Работает вариант принципиально так же, как и пневматический.

ВАРИАНТ 4. В качестве аккумулятора энергии может быть использован электрический аккумулятор или конденсатор. То есть мускульный привод содержит электрический аккумулятор или конденсатор, соединенный с генератором, в свою очередь соединенным с педалями или рукоятками, и соединенный с электродвигателем.

Причем для лучшего преобразования электроэнергии может привод может иметь электронную схему, преобразующую ток в трехфазный ток нужной частоты (такие преобразователи широко используются в электрических авиамоделях).

Желательно использовать конденсатор, так как он в отличие от аккумулятора почти не имеет внутренних потерь и имеет практически неограниченный срок службы. Прогресс в области конденсаторов сделал возможным получение сравнительно легкого конденсатора достаточной емкости.

Как и в предыдущих вариантах, привод может содержать преобразователь движения, возвратную пружину и редуктор или мультипликатор.

Группа изобретений относится к вариантам мускульного привода. Привод по первому варианту содержит педали или рукоятки и крутильную пружину, которая с одного конца соединена с нагрузкой, например с движителем, а с другого конца соединена с обгонной муфтой, закрепленной в станине, и с еще одной или несколькими обгонными муфтами, соединенными с педалями или рукоятками. Все обгонные муфты допускают вращение второго конца пружины только в одну сторону. Привод по второму варианту содержит педали или рукоятки, соединенные с компрессором, который соединен с емкостью, соединенной с пневмодвигателем. Выход газа из пневмодвигателя направлен на вход компрессора через промежуточную эластичную емкость. Обеспечивается получение максимальной степени превращения мускульной энергии в произведенную работу. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Мускульный привод, содержащий педали или рукоятки, отличающийся тем, что содержит крутильную пружину, которая с одного конца соединена с нагрузкой, например с движителем, а с другого конца соединена с обгонной муфтой, закрепленной в станине, и с еще одной или несколькими обгонными муфтами, соединенными с педалями или рукоятками, причем все обгонные муфты допускают вращение второго конца пружины только в одну сторону.

2. Привод по п. 1, отличающийся тем, что в качестве обгонной муфты используется храповая муфта или шариковая, или роликовая, или клиновая обгонные муфты.

3. Привод по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пружины кручения используется плоскоспиральная пружина или объемно-спиральная пружина, или торсион, или барабан с намотанным на него эластичным шнуром.

4. Привод по п. 1, отличающийся тем, что в любом месте потока передачи мощности имеется редуктор или мультипликатор с постоянным или с переменным передаточным соотношением.

5. Привод по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно имеется муфта свободного хода перед движителем.

6. Привод по п. 1, отличающийся тем, что имеет преобразователь движения, расположенный после педалей или рукояток, например, рычажная параллелограммная или трапециевидная система, или кулисная передача, или цепная передача с продольно движущейся кареткой, или зубчатая передача с зубчатой рейкой, или барабан с тросом.

7. Привод по п. 1, отличающийся тем, что привод имеет по меньшей мере одну возвратную пружину педалей или рукояток.

8. Мускульный привод, содержащий педали или рукоятки, которые соединены с компрессором, который соединен с емкостью, соединенной с пневмодвигателем, отличающийся тем, что выход газа из пневмодвигателя направлен на вход компрессора через промежуточную эластичную емкость.

9. Привод по п. 8, отличающийся тем, что емкость имеет обратный клапан, направленный внутрь емкости.