Nowe układy napędowe roweru

W referacie przestawiono konstrukcję oraz opis działania dwóch układów napędowych roweru umożliwiających użytkowania jego dwom dorosłym osobom, czyniąc go zarazem rowerem o konstrukcji poziomej. Istotą pierwszego jest zastosowanie osi umożliwiających ułożyskowanie na nich po dwa pedały. Przez to z zamocowanego na tylnym bagażniku, lub zamiast niego fotela, druga osoba może napędzać wspólnie, lub samodzielnie, rower swoimi piętami. W drugim układzie napędowym zamiast siodełka w ramie damskiego roweru, lub podobnej ramie, zamocowano nad suportem kanapę z oparciem, a na wysięgniku przed kierownicą dwa wahadła z pedałami połączonymi cięgnami z pedałami w suporcie.

1. Wprowadzenie

Największe zatrucie atmosfery w skupiskach ludzkich powodują silniki spalinowe samochodów, które są używane masowo głównie z powodu niedomagań miejskiej komunikacji zbiorowej. Duża ilość wypadków i zatłoczenie dróg powodują spadek komfortu posługiwania się tymi pojazdami oraz obniżania się średniej prędkości ich jazdy. Samochody z napędem elektrycznym są kłopotliwe w eksploatacji z powodu małych przyspieszeń, a przede wszystkim z powodu konieczności częstego ładowania akumulatorów, co też zatruwa nieraz atmosferę. Znaczna masa tych akumulatorów utrudnia ich wymianę oraz ogranicza nośność pojazdów.
Najkorzystniejszym napędem pod względem ekologicznym są ludzkie mięśnie, których używanie dodatnio wpływa na zdrowie. Ważnym problemem w czasie użytkowania pojazdów o napędzie mięśniowym w osiedlach jest częste ich zatrzymywanie oraz rozpędzanie, które wymaga znacznego wysiłku człowieka. Od początku historii roweru, konstruktorzy usiłowali stworzyć jak najbardziej efektywny sposób przekazywania napędu taki, który ułatwiałby ruszanie czy pokonywanie przeszkód. Stosowane rozwiązania muszą być proste, niezawodne, tanie i trwałe w użytkowaniu. Jednym z pierwszych rozwiązań, stosowanych do dziś jest wykorzystanie owalnych kół czynnych w przekładni łańcuchowej. Jednym z prekursorów tej myśli był A. Sharp [1], który w 1896 roku przeprowadził analizę tego rozwiązania i stwierdził, że najefektywniejsze jest takie ustawienie korb w stosunku do czynnego koła łańcuchowego, gdy mała oś owalu pokrywa się z osią korb. Dalsze analizy zastosowania kół owalnych opierają się na poznaniu biomechanicznych aspektów tego rozwiązania. Jedną z nich przeprowadzili w 1991 roku R. P. S. Han, M. A. Thomlinsona i Y. S. Tua. [2]. Wszelkie dane, takie jak: długości odcinków kończyn (udo, podudzie, stopa), ich masy i momenty bezwładności zaczerpnięto z prac Hulla [3, 4], który wyznaczył je na podstawie pomiarów antropometrycznych. W trakcie badań opracowano algorytm projektowania kształtu koła napędowego. Obiektem wyjściowym było klasyczne zębate koło łańcuchowe. Po dokonaniu optymalizacji otrzymano nieregularny profil koła łańcuchowego, który poddany "wygładzeniu" przybrał postać zarysu zbliżonego do elipsy, jednakże ustawienie korb nie pokrywało się ani z dużą, ani z małą osią otrzymanego profilu. Takie zaprojektowanie układu korba - koło łańcuchowe sprawiło, że w lepszy sposób wykorzystano siłę, z jaką pedałuje rowerzysta. Korby ustawione są w taki sposób, że o kąt 30° wyprzedzają małą oś profilu. Gdy korby zajmują położenie od 30° do 100°, w stosunku do pionu, wówczas dla ułatwienia jazdy koło łańcuchowe pracuje na części gdzie promień jest najmniejszy, gdy korby zajmują położenie od 110° do 180°, a rowerzysta przykłada największą siłę, koło pracuje w zakresie większych promieni. Uzyskano w ten sposób najefektywniejsze wykorzystanie siły nóg rowerzysty [5, 6 i 7]. Stosowane układy przerzutek, czy przekładni zębatych mają pewne wady. Należą do nich w przypadku przerzutek, brak możliwości zmiany biegu na postoju, wcześniejsze ustawienie biegu w przypadku ruszania z miejsca, jeśli ma się to odbyć na mniejszym przełożeniu kinematycznym. W przypadku przekładni zębatych, wadami są znaczne opory ruchu oraz niewielka ilość biegów. W przypadku obydwóch systemów zmiany przełożenia, konieczne jest również stosowanie manetek, a więc ręczna zmiana przełożenia oraz co najistotniejsze skokowa zmiana przełożenia. Dla racjonalnego wydatkowania energii najlepsza jest zmiana ciągła przełożenia między źródłem energii a kołami napędzanego pojazdu. Znane przekładnie o ciągłej regulacji przełożenia nie nadają się do napędu w rowerach z powodu ich niskiej sprawności oraz znacznych rozmiarów. Dla ułatwienia rozpędzania za pomocą mięśni, została opracowana przekładnia łańcuchowa o ciągłej regulacji przełożenia, która zdała praktyczne próby w rowerze [8]. Na bazie tej przekładni opracowano rozwiązanie pozwalające na pokonanie prawie każdej przeszkody. Opracowano też rozłączną przekładnię zębatą o dużym przełożeniu na jednym stopniu, która pozwala na stosowanie silników elektrycznych o dużej prędkości obrotowej, zapewniając przy tym dużą sprawność przekazywania energii [9, 10].
Dla zmniejszenia wysiłku rowerzysty stosowane są rowery wieloosobowe, najczęściej dwuosobowe, nazywane tandemami, które z kolei zwiększają wysiłek, gdy są używane indywidualnie. Większa jest nie tylko masa tych rowerów, ale też zajmują więcej miejsca oraz trudniej nimi manewrować. Rowery o konstrukcji poziomej umożliwiają rozwijanie większej mocy rowerzystom oraz zwiększają komfort jazdy, ale utrudniają manewry i przechowywanie, przez co są rzadko używane. Dla umożliwienia stosowania rowerów o konstrukcji klasycznej jako dwuosobowych oraz zwiększenia komfortu jazdy nimi opracowano nowe układy napędzania ich mięśniami rowerzysty jak i pasażera. W pierwszym z nich zamocowano do tylnego bagażnika lub zamiast niego fotela a do korb osie z dwoma pedałami na każdej z ich. W drugim natomiast, w ramie z roweru damskiego lub o podobnej konstrukcji, zamocowano nad suportem kanapę z oparciem, a dodatkowe pedały na wahadłach zamocowanych drugimi końcami na wsporniku przed kierownicą. Pedały te połączone są cięgnami z pedałami na korbach w suporcie. Układy te, zastosowane w rowerach, w znacznym stopniu powinny zwiększyć możliwość ich wykorzystania. Zapewniając w sumie, z nowymi przekładniami, możliwość dorównywania rowerom w sprawności poruszania się nie tylko po osiedlach samochodom, unikając przy tym ich wad.

2. Rower z fotelem i czterema pedałami

Dla umożliwienia dwom dorosłym osobom jazdy na rowerze o konwencjonalnej konstrukcji, z możliwością napędzania go przez obie te osoby, zastosowano w nim przedstawiony na rys. 1 układ dwóch pedałów. Składa się on z osi 1, która może być dzielona, stożka 2, na którym poprzez kulki 3 łożyskowany jest pedał 4. Drugi pedał 5 z zapiętką 7, łożyskowany jest z jednej strony na osi 1 za pomocą kulek 6 a z drugiej na stożku 8 zabezpieczonym podkładką 9 i nakrętką 10.

Rys. 1. Oś z dwoma pedałami
Fig. 1. Two pedals axle

W przedstawionym na rys. 2 rowerze poza osiami z dwoma pedałami 1 zastosowano fotel 2, który może być mocowany do tylnego bagażnika roweru, lub zamiast niego na wspornikach 3 i 4 z otworami do mocowania 5. Otwory te umożliwiają też regulację położenia fotela, co szczególnie jest pożądane, gdy osoba na nim siedząca napędza rower piętami, w czym pomagają jej zapiętki 7 przestawione na rys. 1. Przedstawiona na tym rysunku oś 1 umożliwia stosowanie seryjnie wykonanych pedałów, a jej dzielenie używanie drugich pedałów 5 wraz z ich osiami. Zastosowano też w omawianym rowerze podłokietnik 6, który można wraz z kierownicą, do której jest przymocowany, obrócić do tyłu i za jego pomocą kierować rowerem z fotela (rys.2). Można zamiast podłokietnika użyć kierownicy z przedłużonymi rączkami takiej, jakie są stosowane i to wraz nimi, w rowerach używanych na torach wyścigowych.

Rys. 2. Rower z fotelem i czterema pedałami
Fig. 2. A bicycle with a saddle and four pedals

3. Rower z wahadłowy układem napędowym

W drugim rowerze przedstawionym na rys.3 zastosowano zamiast siodełka w ramie jednorurowej nad suportem kanapę z oparciem 1 oraz wahadłowy układ napędowy składający się z wysięgnika przed kierownicą, 2 na którym zamocowano przegubowo dwa wahadła 3 z pedałami 4 połączonymi cięgnami 5 z pedałami 6 w suporcie. Zamiast kanapy można zastosować fotel, ale zwiększa się trudność wsiadania i wysiadania z takiego roweru a przede wszystkim zmniejsza się obszar bezkolizyjnego ruchu cięgieł 5. Muszą one poruszać się nad przednim, kołem które dla ułatwienia tego warunku może mieć mniejszą średnicę od koła tylnego. Kierownica natomiast powinna mieć dłuższy wspornik, co pozwala na uniknięcia jej kolizji z nogami kierowcy. Dla ułatwienia ruszania można zastosować przekładnię, która umożliwia jazdę roweru niezależnie od kierunku ruchu pedałów suportu, a która jest opisana między innymi w [8].

Rys. 3. Rower z wahadłowy układem napędowym
Fig. 3. A bicycle with a pendulum train layout

Na rys. 4 przedstawiony jest pedał z przegubem służącym do mocowania cięgła. Składa się on z osi 1, stożka 2, pierścienia ślizgowego 5 mocowanego do korpusu pedału 3, który ślizga się w uchu przegubu 6, podkładki 4, z łącznikiem 7 oraz kulek 8.

Rys. 4. Pedał z przegubem cięgła
Fig. 4. A pedal with a link joint

Do ramy roweru z wahadłowym układem napędowym można, zastosować dodatkowo fotel, tak jak to uczyniono w rowerze przedstawionym na rys. 2, czyniąc z niego rower dwuosobowy.

LITERATURA

NEW TRANSMISSION SYSTEMS IN BICYCLES

In this paper a new design and operational description of two drive train systems for a horizontal layout bicycle was presented. Two adult occupants may operate the bicycle simultaneously. The underlying idea of the first solution is the use of axles with an option to mount two pedals onto them. By virtue of this solution the second occupant, seated on the luggage rack, may drive the bicycle using his/her heels. In the second arrangement instead of a saddle in a lady-type bicycle frame (or a similar) an elongated saddle with a back support were mounted over the pedal support. Two pendulums with pedals were mounted overhung in front of the handle bar with pedals linked to the support pedals.

Czesław Koziarski, Tomasz Trzaskacz
Wydział Mechaniczny
Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn, Zakład PKM i T
Zbigniew Ferenc
Wydział Inżynierii Środowiska
Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska, Zakład UŚ
Politechnika Wrocławska we Wrocławiu