RU2008235C1

RU2008235C1 - Pedal drive for velovehicles

Info

Publication number: RU2008235C1
Authority: RU
Inventors: И.Г. Савватеев
Original assignee: Ставропольский политехнический институт
Priority date: 1991-12-06
Filing date: 1991-12-06
Publication date: 1994-02-28

Abstract

FIELD: bicycles, velomobiles, velotrainers. SUBSTANCE: drive has pedal 2, two levers of equal length connected by ends by means of cylindrical joint and lever coupling resilient member 5 and levers relative position limiters 11 and 12. In initial position levers are arranged in plane of their rotation square to each other. Second end of driving lever 1 is coupled with pedal, second end of driven lever 3, with bottom bracket shaft 4. With pressure applied to pedal, driving lever turns relative to driven lever through angle this within 0 and 90 deg. Value of arm of driving force is proportional to force and, consequently, torque on shaft is proportional to square of force which enhances adaptability of vehicle to road conditions. Resilient member of one of the following types can be used in vehicle: coil spring, spiral spring, cantilever-cam resilient pair, torsion bar, leaf spring. EFFECT: enlarged operating capabilities. 6 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к велотехнике и может применяться на велосипедах, веломобилях, велотренажерах. The invention relates to cycle equipment and can be used on bicycles, cycle cars, exercise bikes.

Известна конструкция педального привода велотехники, представляющая собой рычаг, один конец которого соединен с валом ведущей звездочки, а другой - с педалью. В ряде известных конструкций педального привода обеспечивают увеличение крутящего момента на ведущем колесе путем изменения длины рычага. Например, в конструкции [1] , позволяющей предварительно перед началом движения регулировать длину рычага, рычаг выполнен составным, где одна часть соединена с валом каретки, другая - с педалью. В удлинителе рычага выполнено несколько отверстий, что дает возможность устанавливать несколько фиксированных положений звеньев и соответственно длин рычага. A known design of the pedal drive of bicycle equipment, which is a lever, one end of which is connected to the shaft of the drive sprocket, and the other to the pedal. In a number of known designs of the pedal drive provide an increase in torque on the drive wheel by changing the length of the lever. For example, in the design [1], which allows you to adjust the length of the lever before starting the movement, the lever is made integral, where one part is connected to the carriage shaft and the other to the pedal. Several holes are made in the extension of the lever, which makes it possible to set several fixed positions of the links and, accordingly, the lengths of the lever.

Наиболее близким к изобретению является конструкция, в которой длина рычага привода изменяется автоматически в зависимости от положения педали и направления действия силы на педали [2] . В этом приводе имеется основной длинный рычаг, передающий крутящий момент на вал каретки, и дополнительный короткий крутящий момент, несущий педаль. На конце основного рычага сделана выемка, в которую вставлен подшипник для связи с коротким рычагом. Closest to the invention is a design in which the length of the drive lever changes automatically depending on the position of the pedal and the direction of the force on the pedal [2]. This drive has a main long lever that transmits torque to the carriage shaft, and an additional short torque that carries the pedal. At the end of the main lever, a recess is made in which a bearing is inserted to communicate with the short lever.

Под действием усилия ноги короткий рычаг устанавливается в наружную сторону от оси педального механизма, тем самым увеличивая плечо приложения сил к нему. В режиме холостого хода этот рычаг занимает положение в сторону оси педального привода. Соотношение длин рычагов примерно 1: 10, это определяет незначительную величину приращения крутящего момента. Кроме того, в этой конструкции увеличение плеча действия приводной силы не пропорционально величине этой силы, что ограничивает приспосабливаемость тяговых свойств велотехники к дорожным условиям. Under the action of the efforts of the legs, a short lever is installed outward from the axis of the pedal mechanism, thereby increasing the shoulder of the application of forces to it. In idle mode, this lever is positioned towards the axis of the pedal drive. The ratio of the leverage lengths is approximately 1: 10, this determines a small amount of torque increment. In addition, in this design, the increase in the shoulder of the action of the driving force is not proportional to the magnitude of this force, which limits the adaptability of the traction properties of cycle equipment to road conditions.

В известном педальном приводе в виде шарнирно сочлененных двух рычагов с педалью на конце одного из них (ведущего) применен упругий элемент связи рычагов, причем рычаги равной длины и в исходном положении располагаются в плоскости вращения перпендикулярно друг другу, а при силовом воздействии на педаль угол между ними может увеличиваться и достигать 180^о. Исходное и конечное взаимное расположение рычагов предопределяется наличием специальных ограничителей относительно положения рычагов. Упругий элемент обеспечивает изменение расстояния между осью вала ведущей звездочки (вала каретки) пропорционально приложенной к педали силе, а это приводит к пропорциональному увеличению плеча действия этой силы.In the known pedal drive in the form of articulated two levers with a pedal at the end of one of them (the lead), an elastic linkage element is used, the levers of equal length and in the initial position are perpendicular to each other in the plane of rotation, and when the pedal is exposed to force, the angle between They can increase and reach 180 ^about . The initial and final relative position of the levers is determined by the presence of special stops relative to the position of the levers. The elastic element provides a change in the distance between the axis of the drive sprocket shaft (carriage shaft) in proportion to the force applied to the pedal, and this leads to a proportional increase in the shoulder action of this force.

Поскольку крутящий момент на валу каретки равен произведению приводной силы на плечо действия этой силы, то данная конструкция при изменении (например, при увеличении) приводной силы обеспечивает изменение (например, увеличение) крутящего момента не по линейной, а по квадратичной зависимости от этой силы. Это облегчает преодоление и изменяющихся сил сопротивления движению велотехники. Применение рычагов равной длины, расположенных в исходном положении в плоскости вращения перпендикулярно друг другу, обеспечивает максимальное изменение плеча действия приводной силы, которое может увеличиться в 20,5 раз. Since the torque on the carriage shaft is equal to the product of the driving force by the shoulder of the action of this force, this design, when changing (for example, increasing) the driving force, provides a change (for example, increasing) of the torque not in linear but in quadratic dependence on this force. This makes it easier to overcome the changing forces of resistance to the movement of cycle equipment. The use of levers of equal length, located in the initial position in the plane of rotation perpendicular to each other, provides the maximum change in the shoulder action of the driving force, which can increase by 20.5 times.

На фиг. 1 показан вариант конструкции данного педального привода с цилиндрической пружиной; на фиг. 2 - привод со спиральной пружиной; на фиг. 3 - привод с парой кулачок-упругая консоль; на фиг. 4 - графики изменения параметров рабочего процесса привода в зависимости от угла поворота вала каретки; на фиг. 5 - графики изменения параметров в функции от величины приводной силы. In FIG. 1 shows a design variant of this pedal actuator with a coil spring; in FIG. 2 - a drive with a spiral spring; in FIG. 3 - drive with a pair of cam-elastic console; in FIG. 4 - graphs of changes in the parameters of the drive workflow depending on the angle of rotation of the carriage shaft; in FIG. 5 is a graph of parameter changes as a function of drive force.

Предлагаемый привод состоит (фиг. 1) из ведущего рычага 1, на котором закреплена педаль 2, ведомого рычага 3, соединенного с валом 4 каретки, цилиндрической пружины 5, размещенной в кольцевой канавке шарнирного соединения рычагов 1 и 3, крышки 6, втулки 7, шайб 8 скольжения и винта 9. The proposed actuator consists (Fig. 1) of a leading lever 1, on which a pedal 2 is mounted, a driven lever 3 connected to the shaft 4 of the carriage, a coil spring 5 located in the annular groove of the articulation of the levers 1 and 3, the cover 6, the sleeve 7, washer 8 slip and screw 9.

Кольцевая канавка образована поверхностями специальной выемки в расширенном конце ведущего рычага, головки ведомого рычага и крышки. Пружина 5 опирается одним концом на выступ 10 головки рычага 3, а другим - на выступ 11 в выемке рычага, являющийся одновременно ограничителем "складывания" рычагов 1 и 3. Выступ 12 ограничивает относительный поворот рычагов при раскладывании. An annular groove is formed by the surfaces of a special recess in the widened end of the driving lever, the head of the driven lever and the cover. The spring 5 rests at one end on the protrusion 10 of the head of the lever 3, and the other on the protrusion 11 in the recess of the lever, which is at the same time a limiter for “folding” the levers 1 and 3. The protrusion 12 limits the relative rotation of the levers when unfolding.

Вместо цилиндрической пружины в устройстве может быть применен иной упругий элемент: спиральная пружина, торсион, пара кулачок-упругая консоль гибкий рычаг и др. Instead of a coil spring, another elastic element can be used in the device: a coil spring, a torsion bar, a pair of cam-elastic console, a flexible lever, etc.

Например, привод со спиральной пружиной имеет спиральную пружину 13, закрепленную наружным концом в пазу соединительной головки 14 ведущего рычага, а внутренним - в пазу центрального выступа 15 корпуса 16 шарнира, соединенного с ведомым рычагом 3. В корпусе 16 выполнена прорезь 17 для обеспечения поворота рычага относительно рычага 3. Прорезь 17 выполнена между ограничителем 18 исходного положения рычага 1 и ограничителем 19 максимального хода. For example, a drive with a coil spring has a coil spring 13, fixed with its outer end in the groove of the connecting head 14 of the drive arm, and the inner end in the groove of the central protrusion 15 of the hinge body 16 connected to the driven lever 3. A slot 17 is made in the housing 16 to allow the lever to rotate relative to the lever 3. The slot 17 is made between the limiter 18 of the initial position of the lever 1 and the limiter 19 of the maximum stroke.

Привод с парой кулачок-упругая консоль (фиг. 3) содержит ось 20 соединительного шарнира, кулачок 21 с роликом 22, закрепленные на рычаге 1, и упругую консоль 23, правый (на чертеже), конец которой жестко связан с рычагом 3, а левый свободен в исходном положении (фиг. 3а). The drive with a pair of cam-elastic console (Fig. 3) contains the axis 20 of the connecting hinge, cam 21 with roller 22, mounted on the lever 1, and an elastic console 23, right (in the drawing), the end of which is rigidly connected to the lever 3, and the left free in the initial position (Fig. 3A).

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Сила, приложенная к педали 2 в тяговом режиме, создает крутящий момент на валу 4 каретки (вращение против часовой стрелки). Составляющая приложенного усилия, параллельная продольной оси рычага 3, обуславливает появление крутящего момента, являющегося частью общего момента на валу 4, на рычаге 1 относительно оси шарнирного соединения рычагов 1 и 3. Этот частный момент передается дна рычаг 3 за счет силы, действующей через выступ 11, пружину 5, которая при этом деформируется, и выступ 10 на головке рычага 3. Сжатие пружины приводит к повороту (на фиг. 1 против часовой стрелки) рычага 1 относительно рычага 3. Расстояние между осью педали 2 и осью вала 4 каретки увеличивается, обеспечивая возрастание плеча действия приводной силы и дополнительное приращение крутящего момента на валу 4. Причем, чем больше приводная сила, тем больше и плечо ее действия. Максимальная деформация пружины 5 ограничивается перемещением выступа 12 до соприкосновения с рычагом 13. Втулка 7 и шайба 8 выполняют роль подшипников скольжения, уменьшая трение и износ сопряженных поверхностей головок рычагов этом шарнире. The proposed device operates as follows. The force applied to the pedal 2 in the traction mode creates a torque on the shaft 4 of the carriage (counterclockwise rotation). The component of the applied force parallel to the longitudinal axis of the lever 3 causes the appearance of torque, which is part of the total moment on the shaft 4, on the lever 1 relative to the axis of articulation of the levers 1 and 3. This particular moment is transmitted to the bottom of the lever 3 due to the force acting through the protrusion 11 , a spring 5, which is deformed in this case, and a protrusion 10 on the head of the lever 3. Compression of the spring leads to rotation (in Fig. 1 counterclockwise) of the lever 1 relative to the lever 3. The distance between the axis of the pedal 2 and the axis of the shaft 4 of the carriage increases, providing an increase in the shoulder action of the driving force and an additional increment of torque on the shaft 4. Moreover, the greater the driving force, the greater the shoulder of its action. The maximum deformation of the spring 5 is limited by the movement of the protrusion 12 until it touches the lever 13. The sleeve 7 and the washer 8 act as sliding bearings, reducing friction and wear of the mating surfaces of the lever heads of this hinge.

При уменьшении усилия, действующего на пружину 5, она восстанавливает первоначальное относительное положение рычагов, обеспечивая при прохождении педалью нижней мертвой точки наименьшее расстояние от оси педали до оси вала каретки. При осуществлении реверса (в тормозном режиме) выступ 11 препятствует складыванию рычагов, обеспечивая передачу на вал 4 тормозного момента, при этом пружина 5 не участвует в передаче приводных сил. With a decrease in the force acting on the spring 5, it restores the original relative position of the levers, ensuring that the pedal passes the bottom dead center to the smallest distance from the pedal axis to the axis of the carriage shaft. When reversing (in the braking mode), the protrusion 11 prevents folding of the levers, providing transmission of the braking torque to the shaft 4, while the spring 5 is not involved in the transmission of drive forces.

В приводе со спиральной пружиной (фиг. 2) при воздействии усилия ноги на педаль 2 происходит поворот рычага 1 относительно рычага 3 в пределах углового размера прорези 17 корпуса 16 соединительного шарнира. Плечо действия приложенного усилия, определяемое расстоянием от оси педали 2 до оси вала 4 каретки, увеличивается. Пружина 13 закручивается и создает реактивный момент, обеспечивающий возврат рычага 1 в исходное положение при уменьшении усилия. In the drive with a spiral spring (Fig. 2), when the foot exerts a force on the pedal 2, the lever 1 rotates relative to the lever 3 within the angular size of the slot 17 of the housing 16 of the connecting joint. The leverage of the applied force, determined by the distance from the axis of the pedal 2 to the axis of the shaft 4 of the carriage, increases. The spring 13 is twisted and creates a reactive moment, ensuring the return of the lever 1 to its original position with a decrease in effort.

В приводе с парой кулачок-упругая консоль (фиг. 3) воздействие усилия F_n на педаль приводит к повороту рычага 1 с кулачком 21 относительно рычага 3. Ролик 22 кулачка воздействует на свободный конец упругой консоли 23, которая изгибается, создавая реактивный момент на рычаге 1. Раскладывание рычагов 1 и 3 увеличивает плечо действия приводного усилия относительно оси вала 4.In the drive with a pair of cam-elastic console (Fig. 3), the action of the force F _n on the pedal leads to the rotation of the lever 1 with the cam 21 relative to the lever 3. The roller 22 of the cam acts on the free end of the elastic console 23, which bends, creating a reactive moment on the lever 1. Unfolding the levers 1 and 3 increases the shoulder action of the drive force relative to the axis of the shaft 4.

Расчеты показывают, что если предположить изменение приводной силы F_n на педали от угла φ поворота вала каретки (рычаг 3) по кусочно-линейному закону (фиг. 2, кривая 24, где угол φ отсчитывается от положения рычага 3, соответствующего положению педали в верхней мертвой точке), то изменение расстояния R от оси педали до оси вала каретки будет характеризоваться зависимостью от угла φ , представленной графиком 25, где х= R/R_о; R_о - расстояние R при отсутствии силового воздействия на привод. Величина х увеличивается от 1 до 1,4. Соответственно возрастает крутящий момент на валу (график 26).The calculations show that if we assume a change in the driving force F _n on the pedal from the angle φ of rotation of the carriage shaft (lever 3) according to a piecewise linear law (Fig. 2, curve 24, where the angle φ is counted from the position of the lever 3 corresponding to the position of the pedal in the upper dead point), then the change in the distance R from the axis of the pedal to the axis of the shaft of the carriage will be characterized by a dependence on the angle φ represented by graph 25, where x = R / R _о ; R _about - the distance R in the absence of force on the drive. The value of x increases from 1 to 1.4. Accordingly, the torque on the shaft increases (graph 26).

Кривая 27 характеризует изменение крутящего момента для привода, имеющего "жесткий" рычаг, длина которого равна при прочих равных условиях. Приведенные количественные оценки получены при следующих значениях: жесткость пружины 3750 Н/м; расстояние от оси пружины до оси шарнира 0,066 м; начальное расстояние от оси педали от оси вала 0,18 м; длина рычагов 0,128 м. Curve 27 characterizes the change in torque for a drive having a "rigid" lever, the length of which is equal, all other things being equal. The given quantitative estimates are obtained at the following values: spring stiffness 3750 N / m; the distance from the axis of the spring to the axis of the hinge is 0.066 m; the initial distance from the axis of the pedal from the axis of the shaft is 0.18 m; leverage 0.128 m.

На фиг. 5 представлено сравнение максимальных крутящих моментов, создаваемых с помощью предлагаемого привода (график 28) и жестко однорычажного (график 29) в зависимости от максимальной силы на педали. Это свидетельствует о том, что предлагаемый привод обеспечивает больший крутящий момент, который плавно возрастает по квадратичной зависимости от приводной силы. Если представить предлагаемый педальный привод как механизм с бесступенчатым изменением передаточного числа, то диапазон изменения передаточного числа варьируется по зависимости от максимального усилия, показанной на графике 30. Максимальное его значение равно 1,4. In FIG. 5 shows a comparison of the maximum torques created using the proposed drive (graph 28) and a rigid single lever (graph 29) depending on the maximum pedal force. This indicates that the proposed drive provides more torque, which gradually increases in quadratic dependence on the drive force. If we present the proposed pedal drive as a mechanism with stepless gear ratio change, the range of gear ratio changes varies depending on the maximum effort shown in graph 30. Its maximum value is 1.4.

(56) Патент США N 14850245, кл. G 05 G 1/14, 1989. (56) U.S. Patent No. 14,850,245, cl. G 05 G 1/14, 1989.

Заявка Франции N 2623769, кл. В 62 М 3/04, 1989. Application of France N 2623769, cl. B 62 M 3/04, 1989.

Claims

1. PEDAL DRIVE OF VEHICLES, consisting of a pedal and two levers connected at one end by means of a cylindrical hinge, one of the levers with its free end connected to the carriage shaft and the drive sprocket, and the free end of the other lever to the pedal axis, characterized in that it is equipped elastic linkage of the levers and the constraints of the relative position of the levers, while the levers are made of equal length and in the initial position are perpendicular to each other in the plane of their rotation.

2. The drive according to claim 1, characterized in that the elastic element is made in the form of an elastic console.

3. The drive according to claim 1, characterized in that the elastic element is made in the form of a spiral spring.

4. The drive according to claim 1, characterized in that the elastic element is made in the form of an elastic console placed on the driven lever, the free end of which is installed with the possibility of interaction with the cam mounted on the connecting head of the driving lever.

5. The drive according to claim 1, characterized in that the elastic element is made in the form of a torsion bar.

6. The drive according to claim 1, characterized in that the elastic element is made in the form of a leaf spring.