CC BY
23
УДК 629.118.3
Г.Ю. Волков, А.Г. Волков
Курганский государственный университет
АНАЛИЗ СХЕМ И ПРОБЛЕМ НОЖНОГО ПРИВОДА
Аннотация
В статье выполнен обзор сфер применения мускульных приводов. Проанализированы функциональные особенности и ограничения ножного привода. Выполнена классификация принципиальных схем устройств, реализующих ножной привод. В результате их анализа выбрана схема, наиболее полно увязывающая возможности человека и механического устройства.
Ключевые слова: ножной привод; траектория педалей; мертвые точки.
G.Y. Volkov, A.G. Volkov Kurgan State University
THE ANALYSIS OF SCHEMES AND PROBLEMS OF A FOOT DRIVE
Annotation
In article the review of spheres of application of muscular drives is executed. Functional features and restrictions of a foot drive are analysed. Classification of basic schemes of the devices realising a foot drive is executed. As a result of their analysis the scheme most full co-ordinating possibilities of the person and the mechanical device is chosen.
Key words: foot drive, rajectory of pedals, dead points.
Мускульная мощность, которую может обеспечивать один человек длительное время, составляет приблизительно 100 Вт, а кратковременно - до 1 кВт [1, 2]. Этого вполне достаточно для приведения в действие очень многих транспортных и технологических машин, а также различных приборов.
По используемым группам мышц мускульные приводы можно разделить на три вида: а) ручной; б) ножной; в) становой, в котором используются главным образом мышцы спины. Применяются также различные комбинации приводов этих видов.
1. Области применения мускульных приводов
Становой мускульный привод традиционно используется на гребных судах. Наиболее полное использование мышечной энергии человека достигается в академической гребле, когда помимо мышц спины, подключаются ноги и руки.
Ножной привод востребован в транспортных машинах. Помимо наиболее распространенных двухколесных велосипедов, существуют веломобили [2], водные велосипеды. Были созданы даже подводные лодки и летательные аппараты с велоприводом [2]. Велопривод используют для вертикального подъема человека, например, на деревья [RU 2170602; US 4602698; US 4552248; GB 2187165].
Ножной привод применяют в различных подъемных и тяговых устройствах, в лебедках [FR 2672581; RU 94037357]. Существуют воздушные и водяные [RU 2108485] насосы с ножным приводом. Периодически возникают идеи использования ножного привода для выработки электричества [CN 201226305].
С давних времен ножной привод применялся в таких технологических машинах как: гончарный станок, швейная машина, заточной станок. Нужно отметить, что в этих случаях ноги используются не потому, что силы рук не хватает, а для того, чтобы освободить руки.
Ручной привод очень широко применяется в самых разных технологических машинах и приборах, требующих небольших затрат энергии.
Преимущество ручного привода состоит в его универсальности, в разнообразии характера совершаемых движений, а недостаток - в невысокой развиваемой мощности, которая в разы уступает мощности ножного привода.
Группа мышц, приводящая в движение ноги человека, является наиболее развитой, однако ее мощность реализуется достаточно полно лишь в определенных фазах и на определенных направлениях движения.
Для эффективного применения ножного привода нужно искать рациональные сочетания его силовых характеристик с особенностями систем, потребляющих энергию.
2. Проблемы ножного привода
Можно выделить два крайних режима работы устройств, потребляющих мускульную энергию.
1. «Силовой (С)», когда момент сопротивления потребителя гораздо больше момента от сил инерции системы. В таком режиме работают лебедки, устройства вертикального подъема, веломобили в начале движения (на двухколесном велосипеде страгивание с места при помощи только педалей все равно невозможно по условиям удержания равновесия).
Для варианта «С» недопустимы «мертвые точки» и нежелательна переменная величина движущего момента в течение цикла.
2. «Инерционный (И)», когда потребитель накапливает кинетическую энергию. В таком режиме работают, например, ножной привод двухколесного велосипеда, электрогенератора, ножной швейной машины.
Для варианта «И» «мертвые точки» приемлемы, а периодичность ускоряющего воздействия привода не мешает процессу работы машины. Однако, с другой стороны, непостоянство движущего момента вредно для кост-но-мышечного аппарата человека. Если часть времени движущий момент не передается, то в другую часть времени силы, развиваемые мышцами, и их реакции в суставах должны быть больше. Излишняя, неоправданная нагруженность костно-мышечного аппарата возникает и в тех случаях, когда неправильно подобраны углы давления в шарнирно-рычажной системе, образуемой костями и суставами человека. Плохо, когда мышцы ног включены в непроизводительное движение; когда недогружены мощные мышцы, но перегружены слабые; когда амплитуда движений не соответствует возможностям организма.
Далее с учетом высказанных соображений проанализируем различные схемы ножного привода.
3. Схемы ножного привода
3.1. Круговая траектория движения педалей. «Классическая» цикловая [3] схема ножного привода (рис. 1 а,б), когда педальные рычаги связаны в единое звено - сдвоенный кривошип, а на ведомое звено идет передача с постоянным передаточным отношением ^ например, цепная.
3.1.1. В простейшем случае ноги только опираются на педали сверху (рис. 1а). При этом полезная работа передается порциями (см. рис.2а). В цикле есть «мертвые точки», вблизи них имеют место неблагоприятные углы давления. Помимо выполняющих основную работу мышц-разгибателей (большой ягодичной мышцы, четы-
рехглавой мышцы бедра и др.), в процесс вовлечены мышцы, сгибающие (главным образом, двуглавая мышца бедра) и поднимающие (портняжная мышца и прямая мышца бедра) ногу. Энергия, затрачиваемая на подъем ноги, практически целиком превращается в полезную работу. Эта схема широко используется в системах, функционирующих в режиме «И», но очень плохо подходит для эксплуатации в режиме «С» (хотя такие попытки постоянно повторяются).
) (н \)
Рис.1. Схемы ножного привода
3.1.2. То же, но ноги зафиксированы относительно педалей. Для этого используются туплексы [1] или «коленные педали» ^09321058]. Усиливается вовлечение сгибателей и мышц, поднимающих ногу. Дополнительно используется сила мышц, выдвигающих ногу вперед (портняжной и подвздошной мышцы). Туплексы реально применяется только на спортивных велосипедах, так как снижают удобство и безопасность движения. Система «коленных педалей» практического применения пока не нашла из-за громоздкости конструкции.
3.1.3. Известны механизмы [Б11 0285858; Еи 0143140; Ри 2170685; Ри 2026229; Ри 2166452; Эи 1497101; ОЕ 3743593; РР 2701246; РР 2547786], обеспечивающие переменное в течение цикла передаточное отношение I трансмиссии. Использование такого привода позволяет несколько улучшить характеристику 1(ф) (рис. 2б). К сожалению, большинство подобных механизмов излишне громоздки. Практически применяется только эллиптическая ведущая звездочка [1], использование которой позволяет несколько увеличить полезную мощность ножного привода в режиме «И», что можно почувствовать, например, при подъеме на гору на велосипеде. В приводе, работающем в режиме «С», упомянутая модификация трансмиссии бесполезна.
3.1.4. Известны многочисленные предложения, которые сводятся к созданию запаса потенциальной [Эи 1355539; Ри 2026229; РР 2698066; Эи 1562218; иР 21719; РР 2645825; Эи 1703542] или кинетической [ОЕ 3912947] энергии, используемого в мертвых точках педалей. Подобные устройства полезны как в режиме «И», так и в режиме «С». Эта тема заслуживает дальнейшего развития. Большинство же существующих технических решений излишне громоздки.
3.1.5. При полугоризонтальном расположении человека (рис.1 б - веломобиль) условия педалирования
во всех рассмотренных выше схемах несколько ухудшаются. Энергия сгибателей используется неэффективно, так как ноги в целом сильно вытянуты вперед. При этом для их поднятия необходимы большие усилия мышц, поднимающих ногу (портняжной и подвздошной мышцы), и брюшных мышц (прямой мышцы живота, пирамидальной мышцы, наружной и внутренней косых мышц живота). Существенное облегчение педалирования в такой схеме дает увеличение длин педальных рычагов (до 0,25 м). Тогда нога идет вверх более согнутой, поэтому меньше нагрузка на брюшной пресс. При полугоризонтальном расположении ног увеличивается целесообразность закрепления ног относительно педалей, а также применение эллиптической звездочки.
Рис.2. Пульсация полезного момента в ножном приводе
3.2. Варьирование траектории движения педалей в цикловом механизме привода. Известны устройства педального привода, специально разработанные для изменения движения траектории педалей с круговой на более «вертикальную» [иЭ 5172926; Эи 1418176; Эи 1768436] и линейную [ЭШ216072] , которые заведомо сложнее традиционных схем. По результатам испытаний эти изменения траектории не дают преимуществ, а напротив, неблагоприятны для работы коленных суставов в верхней мертвой точке педали. Об этом говорят болевые ощущения, появляющиеся в коленных суставах. Лучше, когда «перекладка» нагрузки на этот сустав происходит, не в фазе его неподвижности, а в фазе движения. Возможно, здесь играет роль гидродинамический режим смазки сустава.
3.3. Импульсный привод (рис. 1в), в частности хра-повый [иЭ 987455; Ри 2119439], в сочетании с линейной траекторией движения педалей, - это простое и эффективное решение проблем «С» режима. Но остаются эргономические проблемы: ударные приложения нагрузки в верхней мертвой точке и паузы, возникающие между импульсами полезного момента (см. рис.2в). Причина этих пауз заключается не в механизме привода, а в инерции масс человеческого организма и в заложенном в подсознание «привычном» ритме.
3.4. Беличье колесо. Для работ в режиме «С» в устройствах для вертикального подъема и лебедках вместо педальных рычагов может быть использовано колесо
6
ВЕСТНИК КГУ, 2010. №1
(беличье) с тремя [Р11 98120580] (рис. 1г) и более [Р11 2093454] ступеньками, на которые человек наступает ногами. «Мертвых точек» нет, но пользоваться таким приводом неудобно. Нужно находить ногами педаль-ступеньку и поддерживать определенный ритм движения. На практике, вместо соответствующей данной схеме благоприятной характеристики (рис. 2г) будет получаться характеристика, подобная показанной на рис. 2в. Устройство громоздко и работает медленно.
4.Заключение Проведенный анализ позволяет сделать некоторые принципиальные выводы:
• в машинах, требующих высокой мобилизации физических возможностей человека, круговую или близкую ей траекторию движения педалей целесообразно сохранить;
• дальнейшее совершенствование ножного привода будет происходить за счет повышения равномерности прилагаемого полезного момента.
В связи со сказанным, перспективным представляется использование циклового механизма привода, обеспечивающего ускоренное движение ноги на ее холостом ходе. Получаемая при этом диаграмма Т(ф) показана на рис. 2г. Подобная техническая задача решается за счет использования кулисного или двухкривошипного механизмов.
Список литературы
1. Любовицкий В.П. Гоночные велосипеды. - Л.: Машиностроение, 1989.
- 319с.
2. Довиденас В.И. Веломобили. - Л.: Машиностроение, 1986. - 112с.
3. Волков Г.Ю., Тютрина Л.Н. Обобщенные структуры циклового и
импульсного биоприводов транспортных средств // Механика и процессы управления моторно-трансмиссионных систем транспортных машин: Сб. кратких научных сообщений Всероссийской научно-технической конференции. - Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2003. - С.74 - 77.
УДК 621.01
Г.Ю. Волков, Д.А. Курасов
Курганский государственный университет
СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ ПРОСТЕЙШИХ ЗАМКНУТЫХ СИСТЕМ ЗУБЧАТЫХ ТЕЛ КАЧЕНИЯ
Аннотация
Изучены структурные особенности механизмов, представляющих замкнутую систему зубчатых тел качения (ЗЗСТК). Такие механизмы способны выполнять функции планетарной передачи, подшипника качения, могут быть различными эксцентриковыми механизмами, обладающими также свойствами редуктора. Структурный синтез ЗЗСТК, подобно системам с гладкими телами качения, опирается на два основных принципа: геометрической неизменяемости системы и кинематической совместимости её элементов. Проведён формализованный структурный синтез простейших ЗЗСТК, содержащих пять и шесть звеньев.
Ключевые слова: структурный синтез, замкнутая система тел качения, геометрическая неизменяемость, кинематическая совместимость.
G.Y. Volkov, D.A. Kurasov Kurgan State University
STRUCTURAL SYNTHESIS OF THE ELEMENTARY CLOSED SYSTEMS OF GEARS ROLLING
Annotation
Structural features of the gears representing closed system of gear rolling (CSGR) are studied. Such gears are capable to carry out functions of a planetary drive, the bearing, can be various eccentric mechanisms the gears possessing also properties of a reducer. Structural synthesis CSGR, similarly systems with smooth rollings, leans against two main principles: geometrical stability of system and kinematic compatibility of its elements. The formalized structural synthesis of the elementary CSGR, containing five and six links is spent.
Key words: structural synthesis, closed system of gear rolling, geometrical stability, kinematic compatibility.
Приводы многих машин могут быть усовершенствованы за счёт использования механизмов, представляющих собой замкнутые системы тел качения (ЗСТК). Такие механизмы способны выполнять функции планетарной передачи, подшипника качения, могут быть различными эксцентриковыми механизмами, обладающими также свойствами редуктора [1, 2]. В наиболее простом случае все звенья ЗСТК являются гладкими катками - роликами или кольцами. Такие ЗСТК в значительной мере исследованы [2]. В том числе изучены закономерности и приёмы их структурного синтеза [3].
Достоинства систем с гладкими телами качения -простота и технологичность элементов, а также высокий коэффициент полезного действия (чистое качение). Недостатками упомянутых систем, применяющихся во фрикционных планетарных передачах и эксцентриковых механизмах, являются малый передаваемый момент и непостоянство передаточного отношения. Бессепараторные подшипники с гладкими телами качения громоздки и склонны к потере геометрической неизменяемости, то есть имеют низкую надёжность. Указанные недостатки исчезают, в принципе, если тела качения помимо дорожек качения содержат зубья, образуя замкнутую систему зубчатых тел качения (ЗЗСТК). Закономерности строения и правила структурного синтеза таких систем рассмотрены ниже.
В отличие от раннее изучавшихся ЗСТК [3], содержащих только кинематические пары четвёртого класса, в ЗЗСТК имеются центроидные кинематические пары пятого класса, в которых помимо нормальных связей присутствуют тангенциальные. Структурный синтез ЗЗСТК, подобно ЗСТК с гладкими телами качения, опирается на два основных принципа: кинематической совместимости элементов и геометрической неизменяемости системы центров тел качения.
Геометрическую неизменяемость системы будем оценивать, используя формулу Чебышева. Применительно к «чистым» ЗЗСТК, все звенья которых являются зубчатыми, необходимое условие геометрической неизменяемости системы: W < 0,
н — '
WH = 3 • (m -1) - 2 • p5 - p4, (1)
где Wh - номинальная подвижность системы;
m - число звеньев кинематической цепи;
p5 - число кинематических пар 5 класса;
p4 - число кинематических пар 4 класса.
