ES2343971T3 - Plato ovoide para la optimizacion del pedaleo. - Google Patents
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Abstract
Un plato acoplable a las bielas de bicicletas, el plato teniendo una forma oval definida por un diámetro mayor y uno menor, su alargamiento, definido por la relación entre su diámetros primitivos mayor y menor, es 1.10, El plato comprende además: Un anillo con una pluralidad de agujeros de anclaje, Los agujeros de anclaje están adaptados para corresponder con respectivos puntos de anclaje en unos brazos de araña de una biela de bicicleta y permiten una pluralidad de orientaciones del plato con respecto a una biela de bicicleta, La pluralidad de agujeros de anclaje permite un acoplamiento del plato respecto a la biela de la bicicleta, al menos uno de dicha pluralidad de agujeros de anclaje se usa como agujero de anclaje de referencia, para posicionar la línea central de una biela de bicicleta en una orientación de referencia de 108º con respecto al eje mayor del ovoide en sentido horario, Los agujeros de anclaje adyacentes se usan para permitir una orientación de la línea central de la biela de bicicleta con un ángulo alrededor de 108º, Caracterizado en que, un perfil de la forma oval del plato se inscribe en una elipse con sus mismos diámetros mayor y menor, dicho perfil oval tiene un perímetro relativo de 0.993, el perímetro relativo está definido por el perímetro original del perfil dividido por el perímetro de la elipse correspondiente a sus diámetros mayor y menor, El agujero de anclaje de referencia está provisto de una marca de señalización y el anillo de agujeros de anclaje comprende dos agujeros de anclaje adyacentes que se encuentran opuestos y equidistantes respecto al agujero de anclaje de referencia, de forma que usando uno de los dos agujeros de anclaje adyacentes permite un ajuste fino de la orientación de la línea de centros de la biela de la bicicleta respecto a la orientación de referencia.
Description
Plato ovoide para la optimización del
pedaleo.
La presente invención, principalmente aplicable
a bicicletas y vehículos propulsados a pedal, recoge mejoras
concernientes a platos para transmisiones por pedales mediante
cadena en los que se modifica la tradicional forma circular de los
mismos basándose en la reducción del efecto de los puntos muertos
del ciclo de pedaleo, con el objeto de lograr optimizar el
pedaleo.
Desde finales del siglo XIX ha habido una gran
cantidad de intentos para aumentar la eficacia del pedaleo y
disminuir el efecto de los puntos muertos. Concretamente, es durante
la bajada del pedal cuando se realiza la práctica totalidad de la
potencia en el ciclo del pedaleo. La potencia máxima se alcanza
cuando el brazo de la biela está aproximadamente a 90º del punto
muerto superior, cuando mayor es la componente tangencial de la
fuerza aplicada; y cuando los pedales se encuentran uno arriba y
otro abajo es el momento en que se produce un vacío de potencia,
llamado comúnmente punto muerto, que es debido a la práctica
anulación de la componente tangencial de las fuerzas sobre los
pedales.
Muchos de estos intentos han venido a través del
uso de platos no circulares u "ovoides", ya sean ovales,
elípticos u otros más complejos compuestos de varios tramos de
curvas y rectas, para los que en cualquier caso se podrían definir
dos ejes principales, mayor y menor. Otros intentos varios han
venido sin embargo mediante el uso de bielas independientes a fin de
optimizar la dinámica de cada pierna por separado, y hasta hoy se
han revelado a nivel biomecánico como la forma más eficaz de lograr
optimizar el pedaleo.
De entre los primeros cabrían destacar dos
posibilidades por ser las más cercanas en el mercado y la
competición, los platos Biopace de Shimano (US4576587) y los
Osymetric (US5549314), si bien se pueden citar otros documentos más
antiguos: US513589, US515449, GB191318888, FR645447, GB327681,
DK64514C y GB449504 entre otros, y por citar uno más reciente, el
US5882025. En ellos se llega claramente a apreciar que los platos
"ovoides" llegaron a ser ampliamente conocidos. Como estado de
la técnica, debemos prestar especial atención a la patente
FR1090949, debido a su parecido con la propuesta actual, respecto a
la orientación del ovoide, el cual se puede variar.
Con estos platos distintos siempre se ha
buscado, de una u otra forma, que por medio de un radio de
transmisión variable se aprovecharan las zonas donde más fuerza se
da durante el ciclo para dar más impulso a la bicicleta, recurriendo
para ello a tres factores de diseño primordiales:
- \bullet
- el factor de orientación: el ángulo que forma la dirección de las bielas con el eje mayor del ovoide, y que está relacionado con la posición respecto al PMS que ocupa el pedal en el momento de máximo desarrollo (cuando da tracción el máximo radio primitivo);
- \bullet
- el factor alargamiento: la relación de proporción entre los ejes primitivos mayor y menor del ovoide; y
- \bullet
- el factor forma: que depende de las curvas que conforman el perímetro de dicho ovoide (elipses, arcos de circunferencia, tramos rectos, etc.)
De todos estos platos ovoides mencionados
previamente ninguno ha tenido éxito en el mercado. A pesar del hecho
de que muchos concibieron bien alguno de los diferentes factores,
hasta la fecha ninguno ha combinado suficientemente bien estos
factores para lograr su objetivo de éxito.
La razón principal para esta falta de éxito
fueron sus orientaciones ineficaces. Como no todas las personas
pedalean igual, no se puede decir que fueran malos productos, de
hecho algunos tienen todavía unos pocos seguidores. En cualquier
caso, el factor orientación es vital para la biomecánica del
pedaleo, y aunque esas orientaciones fueran aceptadas por un pequeño
porcentaje ciclistas, son ineficaces para la inmensa mayoría.
De esta forma, por ejemplo, aunque los platos
Biopace probablemente funcionaban bien para algunos, acabaron
desapareciendo del mercado. En mi humilde opinión, aunque fuesen
aceptables respecto a su alargamiento y forma, el factor de
orientación era excesivamente obtuso, esto es, si la máxima fuerza
se da con la biela a 90º del punto muerto superior (PMS), el máximo
desarrollo estaba produciéndose demasiado tarde durante la bajada de
pedaleo, casi coincidiendo con el pedal en el punto muerto inferior
(PMI).
En cuanto a los Osymetric, su factor de
orientación es demasiado agudo, como la mayoría de platos ovoides
vistos hasta la fecha, \sim 90º, lo cual hace coincidir el
instante de máximo desarrollo con la biela en el punto en que más
fuerza se dispone, por lo que no se aprovechan de la acción de la
inercia, que exige cierto retardo. Además, por sus factores de forma
y elongación, las variaciones de velocidad son muy altas entorno a
los puntos muertos, lo que va en contra de la salud de las rodillas
y la razón por la que muchos abandonaron el uso de este tipo de
platos. Por ello, podrán funcionar relativamente bien para ciclistas
de mucha fuerza, en concreto en terreno llano, pero podrían
fácilmente sobrecargar las rodillas, haciendo este sistema
inaceptable para la mayoría de los ciclistas, en un uso normal.
En cuanto a platos ajustables como en la patente
FR1090949, la orientación recomendada nunca fue lo suficientemente
precisa, y/o la combinación de los factores de elongación y forma
eran tan variables, que fue imposible encontrar una combinación
ventajosa de los factores.
En relación a los otros intentos de optimización
del pedaleo, los que hacen uso de bielas independientes, cada biela
conduce el plato, el cual está descentrado, por medio de una bieleta
y así el desarrollo de transmisión efectivo, según varía la
distancia efectiva de palanca, pasa en cada ciclo desde un máximo
hasta un mínimo en partes opuestas del ciclo. Por esto varía la
velocidad de cada biela, de forma que, cuando una va más despacio
(en la extensión de la pierna sacando así más partido a la zona más
potente del ciclo), la otra biela va más deprisa y se haya
adelantado al PMS para cuando la otra llega al PMI.
De estos cabe destacar sobre todo una primera
patente DE76215 de 1893 que establece la configuración básica y en
la actualidad el Rotor RS4 (US 2005/0022626 A1) del mismo inventor
al que corresponde el presente documento, tratándose de un producto
que se comercializa actualmente (bajo las denominaciones de RS4 y
RS4X), los cuales son utilizados en competición con brillantes
resultados.
Para estos se pueden definir también dos
parámetros o factores de diseño:
- \bullet
- el factor de orientación: es el ángulo que respecto al PMS forma la biela que baja en el instante en que la relación de transmisión es máxima, y puede considerarse equivalente al de los platos ovoides,
- \bullet
- el factor excentricidad: supone la relación entre máxima y mínima relación transmisión, y por ello está relacionado con el anteriormente mencionado factor de alargamiento, que corresponde a los platos ovoides.
La experiencia con este citado sistema Rotor
RS4, que si bien aún no puede considerarse de uso popular ya supone
miles de ciclistas usándolo por todo el mundo, claramente refleja la
importancia que tiene el factor de orientación en la biomecánica del
pedaleo: la posición óptima del máximo desarrollo -el factor óptimo
de orientación- está retrasado en relación a donde se entrega la
máxima potencia. Por ello, incluso aunque la orientación óptima no
es un valor fijo, siendo dependiente de tanto factores geométricos
como dinámicos, se puede ver el porqué los intentos previos en la
orientación de los platos ovoides fueron infructuosos.
Los citados factores geométricos definen la
posición donde cada ciclista realiza la máxima entrega de par. Estos
son la geometría de la bicicleta, la posición del sillín en ella, la
longitud de las bielas, así como el hecho de pedalear sentado o de
pie. También, las medidas del cuerpo del usuario juegan un papel
importante.
Los citados factores dinámicos principalmente
conllevan variaciones de inercia en el pedaleo, que marcarán el
desfase que debe haber entre la posición de la biela en donde la
pierna realiza la mayor entrega de par y la posición donde el
desarrollo es máximo. Lógicamente no se trata de un valor fijo, sino
que dependen de las distintas condiciones de pedaleo, como es Nanear
o escalar, pedalear sentado o de pie, o la preferencia de pedalear
con mayor o menor cadencia.
Todo ello afecta al factor de orientación
óptimo. Por tanto su uso requerirá una guía general, solución de
compromiso, que pueda adaptarse para cada usuario.
Para el citado Rotor, el factor general de
orientación recomendado es de 115º desde el PMS, pero la regulación
final del usuario varía normalmente entre 103º y 127º. La situación
del PMS y PMI están en función de la situación de las caderas de los
ciclistas respecto a los pedalieres de las bicicletas.
Esto confirma que difícilmente podría funcionar
bien cualquiera de los diseños de platos ovoides anteriores, debido
inicialmente a una incorrecta elección de los factores de
orientación. También, aunque un factor dado sea bueno para algunos
ciclistas, bicicletas o tipos de uso, no lo será para otros. Por lo
tanto, si hiciésemos un plato usando el compromiso perfecto de
orientación que definamos nosotros, sería efectivo para la mayor
parte de los ciclistas, pero este ajuste no sería efectivo para una
minoría. Por este motivo, posibles ajustes alrededor de la posición
óptima media, mejorarán a la la posición óptima media para uso
individual. El documento BE855299 revela un plato acorde con el
preámbulo de la reivindicación 1, el cual permite ajustar la
orientación de la biela al que va conectado.
El problema a resolver mediante la presente
invención es proporcionar un plato oval diseñado para ser usado con
bielas tradicionales el cual elimine los picos de tensión y los
consecuentes daños en las rodillas y que permita un ajuste fino en
la orientación de la biela. Este problema se resuelve mediante un
plato como el definido en la reivindicación 1.
Su principal innovación viene dada por el factor
de orientación: de la imitación al Rotor RS4 tenemos una primera
aproximación bastante acertada para un uso medio, apuntando entre el
entorno de 100º-120º desde el PMS (dependiendo del tamaño del plato
y su aplicación, BTT -bicicleta todo terreno- o carretera, por
ejemplo). Además, como ya se ha mencionado, el factor de orientación
del Rotor es un parámetro a elección del usuario, puesto que es
regulable. Esto se consigue en el diseño de este plato ovoide
mediante la inclusión de múltiples puntos de anclajes dentro de un
pequeño ángulo de desfase alrededor de la configuración óptima, que
permitirán posicionar el plato con distintas posibilidades de
orientación en el entorno de la posición media definida.
A las innovaciones previamente mencionadas,
también consideramos el factor de alargamiento y forma más
apropiados, de forma que la velocidad en las piernas sean lo más
uniformes posible y no lleguen a perjudicar cuando se pedalea a alta
cadencia, pese a haberse logrado un factor de orientación cuasi
perfecto.
La función de velocidad angular a lo largo del
ciclo para un plato ovoide supone una función periódica, que
dependiendo del factor de forma y de la forma del plato, se
aproximará en mayor o menor grado a una sinusoide. No obstante, del
alargamiento del plato resultará la variación del ángulo entre picos
y valles de dicha función; y el grado en que varíe respecto a la
función seno provendrá del factor de forma. Estas variaciones se
traducirían entonces en aceleraciones las cuales pueden o no ser
asumibles para las piernas de los ciclistas.
Por ello vamos a considerar como parámetro
relativo al factor de forma del plato, la relación resultante entre
el perímetro de diseño y el de la elipse correspondiente al mismo
factor de alargamiento, que es la que corresponde a sus mismos
diámetros mayor y menor.
En este sentido, resulta aconsejable un factor
de alargamiento de 1.10, lo que significa que el eje mayor sea un
10% más grande que el eje menor, lo cual permite unas variaciones
razonables entre la velocidad máxima y mínima de pedaleo; y una
relación perimetral de 0.993. Esto significa que el perfil del
ovoide estará inscrito por la elipse de los mismos diámetros mayor y
menor - lo cual posibilitará que las transiciones de aceleración
sean optimizadas a nivel biomecánico, por lo que, permitiendo el
juego angular, se consigue un movimiento para las piernas tan
uniforme como sea posible para facilitar una alta cadencia de
pedaleo sin dañar las rodillas. Esto hará que el radio de curvatura
sea tan pequeño como sea posible, alrededor del diámetro menor,
permitiendo al plato imitar un plato redondo clásico tanto como sea
posible para obtener los beneficios para la salud deseados.
Estos platos tendrían una ventaja respecto al
Rotor en que, al ser compatibles con las bielas tradicionales, no
obligan a los usuarios a sustituir ni bielas ni pedalieres, con lo
que serían asequibles por precio para cualquier público. Además,
apenas supondría un aumento de peso respecto al pedaleo
convencional, y no causa ninguna pérdida de potencia por fricción y
no necesita ningún mantenimiento específico al no tener partes
móviles.
Por otro lado, comparado con el Rotor, se pierde
parte de la potencial mejora biomecánica y más en concreto, en
comodidad y salud para las rodillas, que son dos puntos fuertes del
sistema Rotor respecto al pedaleo convencional, y por esta razón,
para no causar perjuicio en este punto, hay sin duda que renunciar a
parte de los beneficios potenciales de rendimiento, eligiendo un
alargamiento más moderado.
Así lo que se pretende puede resumirse en:
optimizar el pedaleo convencional sin que requiera el cambio del
mecanismo tradicional de pedalier y bielas, haciendo uso de un plato
ovoide que imite en la fase principal de potencia, a un Rotor -pero
de excentricidad moderada-, y alrededor de los puntos muertos, a un
plato circular más pequeño.
\sqbullet La figura 1 muestra unas bielas
tradicionales que montan un conjunto de dos platos ovoides que
corresponden a la invención propuesta. La cadena, que se representa
por una línea discontinua, conecta con el plato actuando en el
instante de máximo desarrollo. El ángulo a1 es la orientación
del plato ovoide en la regulación media, y es un parámetro de
diseño. El ángulo a2 es la orientación referente al PMS, y
para ese mismo plato variará ligeramente dependiendo de donde venga
la cadena, esto es, del piñón del casete que se esté usando en cada
momento y de la geometría de la bicicleta (longitud y ángulo de las
vainas que unen el pedalier con la rueda trasera).
\sqbullet La figura 2 muestra la biela
descrita anteriormente e indica la discrepancia en la orientación,
describiendo la diferencia entre los ejes mayores de los distintos
platos, inherente a la pretendida aplicación de estos platos.
\sqbullet La figura 3 muestra el desarrollo
instantáneo equivalente para un plato ovoide de 53 dientes según la
invención propuesta. Esto es, el número junto a cada punto es el
número de dientes equivalentes, justo en el momento en que el
agujero del pedal de la biela está en la posición de la marca. Hay
que recordar que la orientación es un factor a elección del usuario,
y dependiendo de que varíe incrementándose o reduciéndose, el
diagrama representado girará en sentido horario o anti horario en
relación a la posición del brazo de la biela. Se debe tener en
cuenta que la discrepancias en el vector de entrada de la cadena en
relación con los platos, entre el piñón más grande y el más pequeño
del casete trasero, también tendrá un ligero efecto en la
orientación del diagrama del número de dientes equivalente.
\sqbullet La figura 4 muestra a modo
comparativo el desarrollo instantáneo equivalente para un conocido
"Rotor RS4" con plato de 53 dientes. Hay que recordar que la
orientación es un factor a elección del usuario, y dependiendo de
que varíe incrementándose o reduciéndose, el diagrama representado
girará en sentido horario o anti horario.
\sqbullet La figura 5 muestra un plato ovoide
según la invención propuesta con las marcas indicadoras de
orientación visibles cerca de los agujeros correspondientes, a fin
de orientar el plato en la biela correctamente. Este plato está
previsto para bielas con arañas de cinco brazos.
\sqbullet La figura 6 muestra una elipse con
factor de alargamiento de 1.10, representada en trazo discontinuo y
un óvalo que representa la invención propuesta y cuya relación de
perímetros respecto a la elipse es 0.993.
\sqbullet En figura 7 están representadas la
velocidad y la aceleración en función del tiempo para un ciclo de
pedaleo según dicho óvalo.
\sqbullet La figura 8 muestra otro plato
ovoide con marcas indicadoras del orientación visibles cerca de los
agujeros usados. Este plato está previsto para bielas con arañas de
cuatro brazos y no es una realización correspondiente a la
invención. En este plato ese puede ver la opción de poner la
configuración de los agujeros tan próximos que se solapan unos con
otros, creando un agujero más alargado en el plato.
\sqbullet La figura 9 muestra otro plato
alternativo acorde a la invención propuesta, con visibles marcas
indicadoras de orientación cerca de los agujeros correspondientes.
Este plato está previsto para bielas con araña "compact" de
cinco brazos. Los agujeros en grupos de tres representan las
orientaciones #1, #3 y #5 de este plato, separadas 8 grados cuando
el agujero indicado del brazo de la araña se acopla en ellos. Los
agujeros en grupos de dos representan las orientaciones #2 y #4,
también separados por 8 grados la una de la otra. Estas
configuraciones pares, ofrecen orientaciones efectivas intermedias a
las impares #1 y #3 ó #3 y #5.
\sqbullet La figura 10 muestra un plato oval
alternativo de acuerdo con la invención propuesta junto con una
araña desmontable, ajustable, la cual permite un amplio rango de
ajustes de orientación. Cambiando ambas configuraciones del plato y
de la araña permite hacer pequeñas variaciones angulares.
Un modo de realización preferente es el plato
oval correspondiente a las figuras de la 1, 2, 3, 5, 6 y 7.
Este diseño indica la orientación inicial a 108
grados desde el brazo de la biela. Adicionalmente, en este diseño
queda particularizada la posibilidad de elección del factor de
orientación, gracias a que dispone de múltiples agujeros para poder
acoplarse a los brazos de la araña de las bielas convencionales. En
concreto, dispone de 35 agujeros equiespaciados a \sim10.286º ( =
35/360º), lo cual supone que para dicho plato el factor de
orientación puede regularse cada \sim5.143º. Es así ya que si se
gira el plato 17 agujeros, esto es \sim174.857º, resulta lo mismo
que regularlo con \sim5.143º de desfase. Se podría afinar aún más
en regulación acercando aún más los agujeros, de forma que incluso
se solapen unos con otros, pero en ese caso, no podrían ser
equiespaciados a lo largo de todo el plato, pues debilitaría la
estructura inaceptablemente, e incluso separaría el perímetro
interno y externo del anillo de los agujeros creando dos anillos
(ver figura 9).
Para facilitar su regulación, el plato tiene
cinco agujeros marcados con números de referencia representados por
hoyuelos para indicar los puntos de anclaje. El del medio, número
tres, representa la citada orientación inicial. Las otras marcas son
una guía mediante las cuales el consumidor puede regular eficazmente
la orientación.
Como regulación estándar para este plato grande
de carretera, se sugiere que el agujero para el anclaje a la biela
que defina la dirección de ésta, debería estar posicionado de tal
forma que cuando la cadena engrane el punto de mayor diámetro del
plato, la biela se encuentre aproximadamente a 105º del punto muerto
superior (al en figura 1). Para un plato de 53 dientes, esto
coincide con un ángulo de 108º (a2 en figura 1). El ángulo real
entre el punto muerto superior y la línea central de la biela para
el ajuste inicial se define por el rango del vector de entrada de la
cadena sobre el plato.
El factor de alargamiento para este plato de 53
dientes tiene un valor de 1.10, que permite variaciones razonables
entre las velocidades de pedal máxima y mínima.
Por último, la forma del plato es la de un
óvalo, tal que el rombo descrito por los cuatro puntos centrales de
los arcos del perímetro, tienen ángulos agudos de 40º (ver figura
6). Par este ovalo la relación de perímetros respecto a la elipse es
de 0.993.
La cinemática para este diseño de plato es la
representada en la figura 7, donde puede apreciarse cómo el tiempo
en el que la velocidad es mayor que la media es mayor del 50% del
ciclo. De esa forma, se minimizan las variaciones de velocidad en
los puntos muertos buscando para las rodillas la máxima comodidad.
Por tanto, el tiempo en el que la velocidad es menor que la media es
menor del 50% del ciclo, pero eso combinado con el juego angular en
el tobillo durante el ciclo de pedaleo, hace que se consiga un
pedaleo uniforme para las piernas, que es uno de los puntos débiles
en el uso de platos ovoides.
El plato no tiene porqué estar provisto de
puntos de anclaje repartidos en todos los ángulos posibles, sino que
también valdrían pequeñas variaciones para la regulación de
orientación, como ocurre en el plato de la figura 9.
Claims (1)
1. Un plato acoplable a las bielas de
bicicletas,
el plato teniendo una forma oval definida por un
diámetro mayor y uno menor, su alargamiento, definido por la
relación entre su diámetros primitivos mayor y menor, es 1.10,
El plato comprende además:
Un anillo con una pluralidad de agujeros de
anclaje,
Los agujeros de anclaje están adaptados para
corresponder con respectivos puntos de anclaje en unos brazos de
araña de una biela de bicicleta y permiten una pluralidad de
orientaciones del plato con respecto a una biela de bicicleta,
La pluralidad de agujeros de anclaje permite un
acoplamiento del plato respecto a la biela de la bicicleta,
al menos uno de dicha pluralidad de agujeros de
anclaje se usa como agujero de anclaje de referencia, para
posicionar la línea central de una biela de bicicleta en una
orientación de referencia de 108º con respecto al eje mayor del
ovoide en sentido horario,
Los agujeros de anclaje adyacentes se usan para
permitir una orientación de la línea central de la biela de
bicicleta con un ángulo alrededor de 108º,
Caracterizado en que,
un perfil de la forma oval del plato se inscribe
en una elipse con sus mismos diámetros mayor y menor, dicho perfil
oval tiene un perímetro relativo de 0.993, el perímetro relativo
está definido por el perímetro original del perfil dividido por el
perímetro de la elipse correspondiente a sus diámetros mayor y
menor,
El agujero de anclaje de referencia está
provisto de una marca de señalización y el anillo de agujeros de
anclaje comprende dos agujeros de anclaje adyacentes que se
encuentran opuestos y equidistantes respecto al agujero de anclaje
de referencia,
de forma que usando uno de los dos agujeros de
anclaje adyacentes permite un ajuste fino de la orientación de la
línea de centros de la biela de la bicicleta respecto a la
orientación de referencia.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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