Велосипед с импульсным приводом

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 вращение 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 4-5 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.

Автор: В.Зеленов, г.Воронеж
http://patlah.ru

© "Энциклопедия Технологий и Методик" Патлах В.В. 1993-2007 гг.