Форум о веломобилях и лигерадах

Велосипед представляет собой почти идеальное средство передвижения. Он прост по конструкции, всегда готов к действию, мобилен и не загрязняет окружающую среду. Однако есть у велосипеда один очень существенный недостаток, обусловленный особенностями работы кривошипно-шатунного механизма педального привода. Дело в том, что при вращении привода периодически появляются положения педалей, когда линия действия силы проходит через центр их вращения.

Эти положения называются «мёртвыми», потому что крутящий момент силы, приложенной к педали, в них равен нулю (так называемые «верхняя мёртвая точка» — ВМТ и «нижняя мёртвая точка» — НМТ). Из-за этого в «мёртвых» положениях и в близких к ним ноги велосипедиста не совершают полезной работы, даже если с той же силой давят на педали. Максимальный крутящий момент педальный привод развивает лишь в те моменты, когда педали занимают горизонтальное или близкое к нему положение. Получается, что велосипедист, вращая педали, расходует свою энергию не очень экономно, растрачивая некоторую часть сил впустую.

Разумеется, это упрощённая схема, реальная картина работы педального привода выглядит несколько сложнее. Да и за рулём велосипеда сидит не манекен, а человек разумный. Любой мало-мальски опытный велосипедист «налегает на педали» только тогда, когда шатуны привода занимают положение, близкое к горизонтальному, а «мёртвое» положение проходит по инерции, практически не прилагая никаких усилий.

Но даже такая упрощённая схема позволяет прийти кочень обнадёживающему выводу. Работу педального привода можно улучшить и добиться более равномерного распределения крутящего момента. Причём сделать это довольно просто. Достаточно в кинематическую схему ввести пружину, аккумулирующую энергию в тот момент, когда привод развивает максимальный крутящий момент (велосипедист в этот момент инстинктивно прилагает максимум усилий), и передать накопленную энергию на ведущую звездочку привода, когда положение педалей приходится на «мёртвую» зону.



Общий вид конструкции привода с аккумулирующей пружиной показан на рис.1. Шатуны 1 педалей жёстко закреплены на валу каретки 2. Правый (по ходу велосипеда) шатун соединяется с ведущей звездочкой 3 с помощью переходной втулки 4. Соединение втулки со звездочкой подвижное и выполнено таким образом, что звездочка 3 имеет возможность свободно поворачиваться на угол ~40-45°. Пружина 5 одним концом крепится к штоку правого шатуна, а другим - к ведущей звездочке.

Работает привод следующим образом. Предположим, правая педаль находится в ВМТ. Чтобы тронутся с места, велосипедист должен поставить правую ногу на педаль и начать вращение привода. При этом шатун 1 начинает поворачиваться вместе с втулкой 4 и валом 2 по часовой стрелке (на рис.1), сжимая пружину 5. Так будет происходить до тех пор, пока шатун не повернётся на угол 40-45°. В этот момент ведущая звёздочка войдёт в зацепления с выступами втулки 4 и, при дальнейшем вращении педалей, будет передавать через цепь крутящий момент на заднее колесо велосипеда. Велосипед тронется с места и начнёт разгоняться. По мере приближения правой педали к НМТ крутящий момент, развиваемый приводом, снижается, сжатая пружина 5 начинает распрямляться и высвобождать накопленную энергию. При этом ведущая звёздочка опережает вра-
щение шатуна педали, продолжая разгонять велосипед за счёт энергии, аккумулированной пружиной. Когда правая педаль займёт положение в НМТ, а левая в ВМТ, процесс работы привода повторяется.

В установившемся режиме движения пружина короткими импульсами эффективно подталкивают ведущую звездочку, когда педали проходят верхнюю и нижнюю мёртвые точки.

Такой режим работы позволяет комфортно и длительное время поддерживать высокие обороты вращения педального привода и передвигаться на более высокой скорости.

Эффективность работы привода существенно зависит от жёсткости пружины, которую необходимо индивидуально подбирать исходя из массы и физической подготовки самого велосипедиста. Если при подходе педали к ВМТ ведущая звёздочка не опережает вращение шатуна, то жёсткость аккумулирующей пружины надо повысить. И наоборот, если после прохода педалью ВМТ к ней приходится прикладывать заметное усилие, но это не приводит к сжатию пружины и сцеплению
ведущей звездочки с выступами втулки, то жёсткость пружины необходимо снизить. Сделать это можно подбором диаметра пружинной проволоки.

При освоении езды на велосипеде с таким приводом от велосипедиста потребуются определенные навыки. Так, придётся привыкнуть к тому, что в момент прохождения педалями ВМТ и НМТ следует приостановить или хотя бы несколько замедлить скорость вращения педалей, давая возможность пружине отдать накопленную энергию. Однако после привыкания это не представляет каких-либо затруднений и не вызывает ощущения дискомфорта.
Как видно из описания принципа работы модернизированного привода, конструктивному изменению подвергается только соединение ведущей звездочки с правым шатуном, поэтому для подобной доработки подходит практически любая модель велосипеда.





Для этого понадобится изготовить втулку свободного хода 4 с внутренними выступами (рис.2), которую нужно приварить к шатуну. Последний следует предварительно отсоединить от ведущей звездочки и доработать, как показано на рис.З. В соответствии с рис.4 доработать придётся и ведущую звёздочку, сквозные пазы в которой должны точно совмещаться с внутренними выступами втулки 4. Пружина 5 представляет собой один неполный виток из пружинной проволоки Ø4-5 мм (рис.5). Концы пружины в домашних условиях можно изогнуть, если их предварительно нагреть над газовой горелкой.

При точном изготовлении деталей сборка модернизированного варианта педального привода не вызывает особых затруднений. Правый шатун в сборе с ведущей звёздочкой крепится на валу каретки 2 обычным способом — с помощью клина 9, При установке пружины один её конец заводится в отверстие на ведущей звездочке, а другой загнутый конец охватывает верхний конец шатуна. Фиксатор 8 — из мягкой проволоки. Чтобы иметь возможность отрегулировать жёсткость пружины, желательно предусмотреть в звёздочке несколько дополнительных отверстий 10.

Экспериментальные ходовые испытания подтвердили экономичность и надёжность работы привода. В ходе испытаний велосипед с модернизированным приводом прошёл около 3500 км. Из наиболее значимых положительных эффектов по результатам проведенных испытаний можно отметить, что по сравнению с обычным велосипедом существенно снижается утомляемость, особенно это заметно в дальних поездках.

Практически все конструкции привода велосипедов имеют общий недостаток, снижающий их кпд. Этот порок заключается в неэкономичном расходовании мускульной энергии при смене усилий с одной ноги на другую во время прохождения педалями «мёртвых точек» (вертикального положения шатунов). Большая часть мускульного усилия в этот момент направлена к оси вращения педалей и не столько совершает полезную работу, сколько повышает износ подшипников каретки.

Не зря велосипедисты перед началом движения выводят шатуны из вертикального положения. В результате рабочий ход начинается при частичной потере мускульной энергии, что вызывает преждевременную усталость велосипедиста. Предлагаемое усовершенствование велосипедного привода устраняет этот недостаток, позволяя любителям дальних поездок ехать в экономичном режиме, рационально используя мускульную энергию, расходуя её почти как при обычной ходьбе.

Для этого в конструкции привода используется устройство прерывания взаимодействия шатунов с ведущей звёздочкой, обеспечивающее свободное и быстрое прохождение шатунов с педалями секторов около «мёртвых точек» за счёт инерции. Общий вид конструкции привода велосипеда с инерционным прерывающим устройством показан на рисунке 1, где шатуны 1 (с педалями) закреплённые на кареточном валу 2, имеют подвижное (скользящее) соединение с ведущей звёздочкой 3 за счёт взаимодействия шипов, выполненных на втулке 4, закреплённой на правом шатуне, и диаметральных пазов — на ведущей звёздочке 3.

Пазы позволяют шатунам быстро проходить неэффективную зону, а спиральная пружина изгиба 5 — смягчает удар в конце их свободного хода. Как видно из рисунка привода, конструктивному изменению подвергается только соединение ведущей звёздочки с правым шатуном, поэтому подобный привод можно изготовить на любой модели велосипеда. Для этого из стали ЗОХГСА изготавливается втулка с выступами согласно чертежу поз.4, которая приваривается к шатуну, снятому с кареточного вала и доработанному в соответствии с чертежом поз.1.

Ведущая звёздочка тоже дорабатывается — в ней выполняются пазы под выступы втулки. Пружина изготавливается «на холодную» из углеродистой проволоки диаметром 4 — 5 мм и содержит один неполный виток. Концы пружины можно загнуть в домашних условиях после нагрева места изгиба проволоки над газовой горелкой. Направляющая шайба 10 изготавливается согласно чертежу из любой стали. При установке ведущей звёздочки в её пазы вставляются шипы втулки 4, на которых крепится шайба 10 тремя винтами М4.

Ограничитель 6, выполненный из мягкой проволоки и закреплённый на ведущей звёздочке путём загиба концов на её перемычках-лучах, препятствует отходу от плоскости звёздочки пружины при её напряжённом состоянии во время работы. Далее правый шатун 1 с ведущей звёздочкой обычным способом закрепляется на валу 2 кареточного узла велосипеда с помощью клина 9. При установке пружины один её конец устанавливается в подходящее отверстие на ведущей звёздочке, а другой загнутый конец обхватывает шатун около педали.

Для расширения регулировки усилия пружины 5 на ведущей звёздочке дополнительно сверлится ряд отверстий по диаметру проволоки для установки в них отогнутого конца пружины. Работает привод следующим образом. В начальный период, например при установке правой 'ноги на правую педаль, находящуюся в верхнем положении, шатуны 1 совместно с валом 2 и втулкой 4 поворачиваются до рабочего взаимодействия шипа втулки с ведущей звёздочкой 3, при этом пружина 5 сжимается и создаёт крутящий момент на ведущей звёздочке. После приложения мускульного усилия к правой педали ведущая звёздочка приводится во вращение — и велосипед разгоняется.

При приближении правой педали к крайнему нижнему положению происходит прерывание рабочего взаимодействия шатунов (шипа втулки) с ведущей звёздочкой путём задержки вращения шатунов относительно ведущей звёздочки после снижения усилия на педаль за счёт обратного действия пружины и инерционного движения велосипеда. При этом пружина поддерживает вращение звёздочки и отводит её от взаимодействия с шатунами.

В результате в начале следующего рабочего цикла шатуны переходят область вертикального положения с некоторым обратным угловым смещением относительно ведущей звёздочки, что обеспечивает свободный переход вертикального положения и очередное аккумулирование пружины уже для левого кривошипа. Далее процесс работы привода повторяется. Свободный переход педалями крайних верхних и нижних положений исключает потери мускульной энергии при смене циклов их работы, что повышает кпд привода.

В установившемся режиме работы происходит задержка вращения шатунов, а затем они эффективно подталкивают ведущую звёздочку. В результате вращение педалей осуществляется в экономичном «толкательном» режиме. Такой режим работы позволяет без излишних усилий и длительное время поддерживать высокую скорость, что подобно поддержанию вращения маховика прерывистым касательным усилием. Задержка вращения шатунов способствует компенсации инерционных сил, действующих на ноги велосипедиста в области «мёртвых точек» при их быстром вращательном перемещении.

На экономичность и стабильность работы привода влияет усилие аккумулирования пружины, которое подбирается в зависимости от массы и физической подготовки самого велосипедиста. Если после рабочего хода шатуны не отводятся от ведущей звёздочки — то надо установить более упругую пружину. И наоборот, если для свободного перехода педали верхнего положения к ней прикладывается заметное мускульное усилие и при рабочем ходе отсутствует рабочее взаимодействие шатунов с ведущей звёздочкой — то упругость пружины необходимо снизить.

Это можно сделать путём подбора диаметра пружинной проволоки. Для нормальной работы привода величина обратного перемещения кривошипов должна быть меньше их начального углового смещения. При таких условиях в переходных процессах работы поддерживается начальный крутящий момент на ведущей звёздочке, что дополнительно усиливает демпфирующие свойства пружины для сглаживания пиковых нагрузок при толкательном вращении ведущей звёздочки.

При освоении поездок на велосипеде с таким приводом от велосипедиста требуется определённое внимание за контролем равномерности вращения ведущей звёздочки со свободным ходом шатунов. При получении определённых навыков равномерность вращения ведущей звёздочки и величина обратного перемещения шатунов поддерживаются автоматически и не представляют каких-либо затруднений и дискомфорта.

Экспериментальные ходовые испытания в пределах 3500 км подтвердили экономичность и надёжность работы привода. По сравнению с обычным велосипедом заметно снижается утомляемость при дальних поездках, что расширяет возможности велосипедиста. Возможно, подпружинивание педалей относительно ведущей звёздочки также может занять своё место в большом спорте, как и подпружинивание задней части лезвия относительно пятки ботинок беговых коньков.

(Автор: В.ЗЕЛЕНОВ, г. Воронеж)



«Экономичный» велопривод: 1—доработанный правый шатун с педалью; 2 — вал каретки; 3—доработанная ведущая звёздочка цепной передачи; 4 — втулка (сталь ЗОХГСА, круг 55); 5 — пружина кручения (углеродистая проволока 05); 6 — ограничитель пружины (мягкая проволока диаметром 4); 7—приводная цепь; 8—приводная звёздочка; 9 — клин крепления шатуна на валу; 10—направляющая шайба (сталь, лист s3); 11 —крепёж шайбы к втулке (винт М4, 3 шт.); 12 — кареточный узел