Майже всі конструкції приводу велосипедів мають спільний недолік, що знижує їхній ККД. Цей недолік полягає в неекономному витрачанні м’язової енергії при зміні зусиль з однієї ноги на іншу під час проходження педалями «мертвих точок» (вертикального положення шатунів). Більша частина м’язового зусилля в цей момент спрямована до осі обертання педалей і не стільки виконує корисну роботу, скільки підвищує знос підшипників каретки. Недарма велосипедисти перед початком руху виводять шатуни з вертикального положення. В результаті робочий хід починається при частковій втраті м’язової енергії, що викликає передчасну втому велосипедиста.
Запропоноване вдосконалення велосипедного приводу усуває цей недолік, дозволяючи любителям далеких поїздок їхати в економному режимі, раціонально використовуючи м’язову енергію, витрачаючи її майже як при звичайній ходьбі.
Для цього в конструкції приводу використовується пристрій переривання взаємодії шатунів з ведучою зірочкою, що забезпечує вільне та швидке проходження шатунів з педалями секторів біля «мертвих точок» за рахунок інерції.
Загальний вигляд конструкції приводу велосипеда з інерційним переривним пристроєм показано на рисунку 1, де шатуни 1 (з педалями), закріплені на кареточному валу 2, мають рухоме (ковзне) з’єднання з ведучою зірочкою 3 за рахунок взаємодії шипів, виконаних на втулці 4, закріпленій на правому шатуні, та діаметральних пазів — на ведучій зірочці 3. Пазі дозволяють шатунам швидко проходити неефективну зону, а спіральна пружина вигину 5 — пом’якшує удар в кінці їхнього вільного ходу.
Як видно з рисунка приводу, конструктивній зміні піддається лише з’єднання ведучої зірочки з правим шатуном, тому подібний привід можна виготовити на будь-якій моделі велосипеда.
Для цього зі сталі 30ХГСА виготовляється втулка з виступами згідно з кресленням поз.4, яка приварюється до шатуна, знятого з кареточного валу та доопрацьованого відповідно до креслення поз.1. Ведуча зірочка також доопрацьовується — у ній виконуються пази під виступи втулки. Пружина виготовляється «на холодну» з вуглецевої дротяної проволоки діаметром 4–5 мм і містить один неповний виток. Кінці пружини можна загнути в домашніх умовах після нагріву місця вигину проволоки над газовою пальником. Напрямна шайба 10 виготовляється згідно з кресленням з будь-якої сталі.
При встановленні ведучої зірочки в її пази вставляються шипи втулки 4, на яких кріпиться шайба 10 трьома гвинтами М4. Обмежник 6, виконаний з м’якого дроту та закріплений на ведучій зірочці шляхом загину кінців на її перемичках-променях, перешкоджає відходу від площини зірочки пружини при її напруженому стані під час роботи. Далі правий шатун 1 з ведучою зірочкою звичайним способом кріпиться на валу 2 кареточного вузла велосипеда за допомогою клину 9. При встановленні пружини один її кінець встановлюється в відповідний отвір на ведучій зірочці, а інший загнутий кінець охоплює шатун біля педалі.
Для розширення регулювання зусилля пружини 5 на ведучій зірочці додатково сверлиться ряд отворів по діаметру проволоки для встановлення в них відігнутого кінця пружини.
1 — доопрацьований правий шатун з педаллю; 2 — вал каретки; 3 — доопрацьована ведуча зірочка ланцюгової передачі; 4 — втулка (сталь 30ХГСА, круг 55); 5 — пружина кручення (вуглецева проволока Ø5); 6 — обмежник пружини (м’який дріт Ø4); 7 — приводний ланцюг; 8 — приводна зірочка; 9 — клин кріплення шатуна на валу; 10 — напрямна шайба (сталь, лист s3); 11 — кріплення шайби до втулки (гвинт М4, 3 шт.); 12 — кареточний вузол
Працює привід наступним чином. В початковий період, наприклад при встановленні правої ноги на праву педаль, що знаходиться в верхньому положенні, шатуни 1 разом з валом 2 та втулкою 4 повертаються до робочої взаємодії шипа втулки з ведучою зірочкою 3, при цьому пружина 5 стискається та створює крутний момент на ведучій зірочці. Після прикладення м’язового зусилля до правої педалі ведуча зірочка приводиться в обертання — і велосипед розганяється. При наближенні правої педалі до крайнього нижнього положення відбувається переривання робочої взаємодії шатунів (шипа втулки) з ведучою зірочкою шляхом затримки обертання шатунів відносно ведучої зірочки після зниження зусилля на педаль за рахунок зворотної дії пружини та інерційного руху велосипеда. При цьому пружина підтримує обертання зірочки та відводить її від взаємодії з шатунами. В результаті на початку наступного робочого циклу шатуни переходять область вертикального положення з деяким зворотним кутовим зміщенням відносно ведучої зірочки, що забезпечує вільний перехід вертикального положення та чергове акумулювання пружини вже для лівого кривошипа. Далі процес роботи приводу повторюється.
Вільний перехід педалями крайніх верхніх та нижніх положень виключає втрати м’язової енергії при зміні циклів їхньої роботи, що підвищує ККД приводу. В установленому режимі роботи відбувається затримка обертання шатунів, а потім вони ефективно підштовхують ведучу зірочку. В результаті обертання педалей здійснюється в економному «штовхальному» режимі. Такий режим роботи дозволяє без зайвих зусиль і тривалий час підтримувати високу швидкість, що подібно до підтримання обертання маховика переривчастим дотичним зусиллям. Затримка обертання шатунів сприяє компенсації інерційних сил, що діють на ноги велосипедиста в області «мертвих точок» при їхньому швидкому обертальному переміщенні.
На економічність та стабільність роботи приводу впливає зусилля акумулювання пружини, яке підбирається залежно від маси та фізичної підготовки самого велосипедиста. Якщо після робочого ходу шатуни не відводяться від ведучої зірочки — треба встановити більш пружну пружину. І навпаки, якщо для вільного переходу педалі верхнього положення до неї прикладається помітне м’язове зусилля і при робочому ході відсутня робоча взаємодія шатунів з ведучою зірочкою — то пружність пружини необхідно знизити. Це можна зробити шляхом підбору діаметра пружинного дроту.
Для нормальної роботи приводу величина зворотного переміщення кривошипів повинна бути меншою за їхній початковий кутовий зміщення. За таких умов у перехідних процесах роботи підтримується початковий крутний момент на ведучій зірочці, що додатково посилює демпфуючі властивості пружини для згладжування пікових навантажень при штовхальному обертанні ведучої зірочки.
При освоєнні поїздок на велосипеді з таким приводом від велосипедиста потрібна певна увага до контролю рівномірності обертання ведучої зірочки з вільним ходом шатунів. При набутті певних навичок рівномірність обертання ведучої зірочки та величина зворотного переміщення шатунів підтримуються автоматично і не становлять жодних труднощів та дискомфорту.
Експериментальні ходові випробування в межах 3500 км підтвердили економічність та надійність роботи приводу. Порівняно зі звичайним велосипедом помітно знижується втомлюваність при далеких поїздках, що розширює можливості велосипедиста.
Можливо, підпружинювання педалей відносно ведучої зірочки також може знайти своє місце у великому спорті, як і підпружинювання задньої частини леза відносно п’ятки черевиків бігових ковзанів.
«Моделіст-конструктор» № 2’2009, В. ЗЕЛЕНОВ