PL244586B1 - Układ napędowy do pojazdu zasilanego siłą ludzkich mięśni - Google Patents

Abstract

Ujawniony jest układ napędowy do pojazdu zasilanego siłą ludzkich mięśni od użytkownika zawierający zamocowane na ramie (2) oraz zorientowane zasadniczo naprzeciwko siebie fotel (1) użytkownika oraz napęd nożny obejmujący płytę naciskową (3) połączoną z wózkiem (5), który jest przesuwny wzdłuż układu prowadnicy (6), przy czym napęd nożny sprzężony jest z układem odbioru energii. Płyta naciskowa (3) jest osadzona obrotowo na wózku (5), przy czym wózek (5) połączony jest z elementem (7) odbierającym energię mechaniczną od użytkownika w układzie odbioru energii.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ napędowy do pojazdu zasilanego siłą ludzkich mięśni, bazujący na mechanizmie suwnicowym. W szczególności wynalazek przeznaczony jest do stosowania w transporcie lądowym, zwłaszcza w układach rowerów poziomych oraz motorowerów, ale także w transporcie wodnym, w układach rowerów wodnych, łódek czy kajaków, jak również w pojazdach latających.

Siła ludzkich mięśni jest powszechnie stosowana do napędu różnego rodzaju pojazdów. W przypadku napędu rowerów dwu-, trzy- i czterokołowych powszechnie korzysta się z tzw. okorbowania obejmującego dwie korby, na końcach których umocowane są pedały do oddziaływania na nie siłą nóg. Podobny układ realizowany jest w przypadku rowerów poziomych, obsługiwanych siłą ludzkich rąk.

Jako alternatywę napędu korbowego stosowane mogą być również napędy suwnicowe, w których ruch posuwisto-zwrotny zmieniany jest na ruch obrotowy. Jak pokazują wstępne badania - mechanizm suwnicowy zapewniać może znacznie zwiększoną sprawność napędu aniżeli ma to miejsce w przypadku tradycyjnych układów korbowych.

Przykładowo, w opisie polskiego zgłoszenia wynalazku nr P.429502 A ujawniony jest układ napędowy do rowerów trzy- i czterokołowych, w którym zakończony płytą naciskową wózek wykonuje ruchy posuwisto-zwrotne, wymuszane przez oddziaływanie siłą nóg użytkownika opartego o siedzenie fotela. Wózek, sprzężony jest z przekładnią zębatą do przekazania ruchu obrotowego na koło jezdne roweru. Podobne rozwiązanie znane jest również z dokumentu GB654743 A. W obydwu układach według przytoczonych dokumentów ze stanu techniki, płyta naciskowa, o którą opierają się stopy użytkownika jest nieruchoma względem przesuwnego wzdłuż prowadnicy i wykonującego ruchy posuwisto zwrotne wózka.

Celem wynalazku jest opracowanie nowego i bazującego na mechanizmie suwnicowym układu napędowego do pojazdów zasilanych siłą ludzkich mięśni, w którym możliwe jest uzyskanie maksymalnych sił nacisku przy równoczesnym zapewnieniu optymalnej i możliwie w minimalnym stopniu obciążającej pozycji użytkownika.

Zgodnie z wynalazkiem układ napędowy do pojazdu zasilanego siłą ludzkich mięśni użytkownika zawiera zamocowane na ramie oraz zorientowane zasadniczo naprzeciwko siebie fotel użytkownika oraz napęd nożny obejmujący płytę naciskową połączoną z wózkiem, który jest przesuwny wzdłuż układu prowadnicy. Napęd nożny sprzężony jest z układem odbioru energii. Układ napędowy charakteryzuje się tym, że płyta naciskowa jest osadzona obrotowo na wózku oraz tym, że wózek połączony jest z elementem odbierającym energię od użytkownika w układzie odbioru energii.

Zastosowane zgodnie z wynalazkiem obrotowe umocowanie płyty naciskowej w wózku powoduje, że podczas wyciskania mechanizmu suwnicy tworzy się zasadniczo zamknięty układ re akcji występujących na powierzchniach oparcia i siedziska fotela użytkownika oraz powierzchni płyty naciskowej. Obrotowo zainstalowana płyta umożliwia wygenerowanie większych sił niż w przypadku płyty naciskowej utwierdzonej względem wózka oraz powoduje, że szkielet człowieka może układać się zgodnie z zasadą minimum energii, co - zgodnie z założeniami - będzie powodowało mniejsze obciążenie stawów, mięśni i ścięgien użytkownika podczas korzystania z suwnicowego układu napędowego. Zwiększenie sił nacisku bez zasadniczego zwiększenia obciążenia człowieka powoduje wzrost sprawności układu napędowego.

Korzystnie, gdy wózek posiada podstawę oraz dwie ściany boczne, na których obrotowo zawieszona jest płyta naciskowa, przy czym punkty zawieszenia definiują położenie osi obrotu płyty naciskowej.

Korzystnie jest, gdy oś obrotu płyty naciskowej jest przesunięta liniowo względem powierzchni płyty naciskowej o wymiar a. Takie odsunięcie powoduje łatwe utrzymanie płyty naciskowej w stanie równowagi podczas jej wyciskania oddziaływaniem siły mięśni nóg użytkownika.

Korzystnie również, gdy pomiędzy płytą naciskową oraz wózkiem zamocowane są elementy sprężyste, które utrzymują powierzchnię płyty naciskowej w położeniu zasadniczo równoległym do powierzchni oparcia fotela użytkownika. Utrzymywanie płyty naciskowej w położeniu zasadniczo równoległym do powierzchni oparcia fotela użytkownika umożliwia generowanie dużych sił nacisku. Elementy sprężyste umożliwiają pochylanie się płyty względem wózka, co również powoduje, że generowane siły nacisku są wyższe niż w przypadku gdyby płyta naciskowa była nieruchoma.

Korzystnie, gdy elementy sprężyste stanowią płaskie elementy sprężyste zakończone rolkami.

Ponadto, korzystnie jest, gdy element odbierający energię mechaniczną od użytkownika stanowi koło zębate.

Korzystnie, gdy wózek jest trwale połączony z listwą zębatą, która jest kinematycznie związana z kołem zębatym.

W korzystnym ukształtowaniu koło zębate jest osadzone na wałku odbiorczym, który jest połączony ze sprzęgłem jednokierunkowym. Sprzęgło jednokierunkowe umożliwia rozłączenie napędu i swobodne wycofanie wózka. Zainstalowanie sprzęgła jednokierunkowego w kole zębatym powoduje, że układ odbioru energii ma zwartą konstrukcję i występują niskie opory podczas wycofywania wózka.

W zakresie ukształtowania sprzęgła jednokierunkowego korzystnie również jest, gdy zainstalowane jest ono w kole zębatym, przy czym sprzęgło jednokierunkowe osadzone jest na wałku odbioru mocy.

Ponadto korzystnie jest, gdy wózek jest połączony z elementem ustalającym, który przy braku oddziaływania siłą na płytę naciskową przywraca jej pozycję neutralną. Zastosowanie takiego elementu zasadniczo ułatwia użytkowanie bazującego na mechanizmie suwnicy układu napędu. Wózek wraz z płytą naciskową są wycofywane bez konieczności przyciągania suwnicy nogami użytkownika.

Korzystnie, gdy element ustalający połączony jest z wózkiem za pośrednictwem sprężyny taśmowej.

Również korzystnie, gdy element ustalający połączony jest z wózkiem za pośrednictwem linki.

Korzystnie jest także, gdy układ prowadnicy stanowią dwie prowadnice, do których przesuwnie zamocowana jest podstawa wózka.

Dodatkowo korzystnie jest, gdy fotel użytkownika ma powierzchnię oparcia w położeniu 90° względem siedziska. Jak wykazały testy, w przypadku występowania zasadniczo zamkniętego układu reakcji użytkownik jest w stanie wygenerować największe siły nacisku oddziałujące na płytę naciskową. Ponadto okazało się, że znaczne pochylenie oparcia fotela (np. o kąt 135° względem poziomego siedziska) i wyciskanie płyty powoduje, że człowiek może się ślizgać względem fotela, więc ograniczeniem w takim przypadku jest częściowo siła tarcia statycznego pomiędzy oparciem fotela, a plecami człowieka. Następnie testy pokazały, że duże pochylenie oparcia fotela powoduje, że na powierzchni skóry pleców pojawia się znaczna siła ścinająca, która w długim użytkowaniu suwnicy może powodować ból. Ponadto badania wykazały, że odchylanie oparcia fotela powoduje przesunięcie linii największych sił w obszary znacznie odsunięte w kierunku prostopadłym do powierzchni siedziska fotelu. Takie przeniesienie linii największych sił niekorzystnie wpływa na przestrzeń jaką zajmuje układ napędowy. Co istotne również, usytuowanie suwnicy w znacznej odległości od siedziska powoduje, że człowiek pracując na suwnicy wykonuje niepotrzebną pracę nogami, które poruszają się w polu grawitacyjnym. Finalnie można powiedzieć, że najkorzystniejsze ułożenie fotela to takie, w którym siedzisko jest ustawione poziomo, a oparcie fotela jest prostopadłe do powierzchni siedziska.

Przedmiot wynalazku wskazany został w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok aksonometryczny układu napędowego według wynalazku, fig. 2 przedstawia widok z boku układu napędowego według wynalazku, fig. 3 przedstawia schematyczny widok z boku współpracujących ze sobą napędu nożnego oraz układu odbioru energii, fig. 4 przedstawia widok aksonometryczny na płytę naciskową i wózek według fig. 1, fig. 5 przedstawia powiększony widok układu odbioru energii według pierwszego przykładu wykonania, fig. 6 przedstawia powiększony widok układu odbioru energii według drugiego przykładu wykonania, oraz fig. 7 przedstawia widok z boku na położenie płyty naciskowej, które zapewnia wygenerowanie maksymalnych sił według badań Twórców.

Zgodnie z fig. 1 i 2, układ napędowy do pojazdu zasilanego siłą ludzkich mięśni zawiera ramę 2, na której umocowany jest fotel 1 użytkownika z siedziskiem 1.3 oraz powierzchnią 1.2 oparcia 1.1. Naprzeciwko fotela 1 użytkownika osadzony jest na ramie 2 napęd nożny współpracujący z układem odbioru energii, tworząc - jak pokazano na fig. 3 - mechanizm suwnicowy.

Napęd nożny zawiera płytę naciskową 3, obrotowo zamocowaną w wózku 5. Miejsca umocowania płyty naciskowej 3 na wózku 5 stanowią położenie osi obrotu I płyty naciskowej 3. Zgodnie z wynalazkiem położenie osi obrotu I jest przesunięta względem powierzchni 3.1 płyty naciskowej 3 o liniowy wymiar a, co zwiększa stabilność napędu nożnego oraz pozwala na utrzymanie płyty naciskowej 3 w stanie równowagi podczas jej wyciskania oddziaływaniem siły mięśni nóg użytkownika 4.

Zgodnie z prezentowanym szczegółowo na fig. 4 przykładem wykonania wózek 5 posiada podstawę 5.1 oraz ścianki boczne 5.2, na których zawieszona jest płyta naciskowa 3. Obrót płyty naciskowej 3 realizowany jest za pomocą osiek trwale związane z wózkiem 5, przy czym płyta naciskowa 3 wyposażona w dedykowane wycięcia współpracujące z ośkami w wózku 5. Dla znawcy dziedziny w ynalazku oczywistym będzie, że - oprócz umocowania w ośkach - mieszczące się w zakresie wynalazku oraz możliwe z technicznego punktu widzenia są też inne tryby zawieszenia, przykładowo z zastosowaniem łożysk (nie pokazano na rysunku), co dodatkowo może wpłynąć na zwiększenie płynności obrotu płyty naciskowej 3 względem wózka 5. Dodatkowo, w przypadku prezentowanego przykładu wykonania na ściankach bocznych 5.2 wózka 5 mocowane są płaskie elementy sprężyste 14, 14’, które utrzymują powierzchnię płyty naciskowej 3.1 w położeniu zasadniczo równoległym do powierzchni oparcia 1.2 fotela 1. Elementy sprężyste 14, 14’ dociskane są do płyty naciskowej 3 za pomocą rolek 14’’, które korzystnie wpływają na płynność działania. Dla znawcy dziedziny wynalazku jasnym w tym przypadku również będzie, że elementami sprężystymi utrzymującymi płytę naciskową 3 w wymaganym położeniu mogą być również sprężyny skrętne lub sprężyny zegarowe (nie pokazano na rysunku), odpowiednio zainstalowane pomiędzy wózkiem 5 oraz płytą naciskową 3.

W celu zapewnienia możliwości przywracania wyjściowej pozycji płyty naciskowej 3 - przy braku oddziaływania na nią siłą - wózek 5 połączony jest z elementem ustalającym 15. Jako przykład wykonania jest przedstawiony układ wyposażony w sprężynę taśmową 16, która generuje stałą siłę bez względu na położenie wózka 5. Elementem ustalającym 15 dodatkowo i w ramach zakresu ujawnienia może być również ciężarek połączony z wózkiem 5 za pomocą linki, przy czym linka jest przerzucona przez bloczek, dzięki czemu można wykorzystać siłę ciężkości ciężarka w celu ustawiania wózka 5 w pozycji neutralnej (nie pokazano na rysunku).

Jak pokazano w przykładzie wykonania - dla zapewnienia mechanizmu suwnicowego - wózek 5 jest przesuwny wzdłuż dwóch prowadnic 6, 6’, trwale osadzonych na ramie 2. Dodatkowo, od spodniej strony podstawy 5.1 wózek 5 jest trwale połączony z listwą zębatą 8, a listwa zębata 8 jest kinematycznie związana z kołem zębatym 9 stanowiącym element odbierający 7 energię mechaniczną od użytkownika 4 w układzie odbioru energii, z którym współpracuje napęd nożny.

Koło zębate 9 jest osadzone na wałku odbiorczym 10, który - zgodnie z pierwszym przykładem wykonania układu odbioru energii kinematycznej według fig. 5 - połączony jest ze sprzęgłem jednokierunkowym 11. Napęd ze sprzęgła jednokierunkowego 11 jest przekazywany dalej na kolejny element będący kolejnym wałkiem. Zgodnie z fig. 6, na której przedstawiono drugi możliwy przykład wykonania układu odbioru energii kinematycznej, sprzęgło jednokierunkowe 12 zainstalowane jest bezpośrednio w kole zębatym 9, przy czym sprzęgło jednokierunkowe 12 osadzone jest na wałku odbiorczym 13. Oprócz omówionych w tym zakresie przykładów wykonania zgodnie z fig. 5 i 6 - również i w tym przypadku dla znawcy dziedziny wynalazku dopuszczalnym będzie, że układu odbioru energii kinematycznej realizowany może być przykładowo przez cięgno przekazujące napęd w obszar w otoczeniu mechanizmu suwnicowego, popychacz przekazujący napęd w obszar w otoczeniu mechanizmu suwnicowego, ruchoma część prądnicy elektrycznej generująca prąd elektryczny, przekładnia kątowa przekazująca napęd na śmigło pojazdu latającego, wał zakończony łopatkami w przypadku zastosowania napędu do pojazdu wodnego itp.

Na fig. 7 przedstawiono charakterystyczne położenia płyty naciskowej, które podczas statycznych badań umożliwiły wygenerowanie maksymalnych sił nacisku. Badania przeprowadzone na stanowisku testowym do pomiarów maksymalnych sił, jakie jest w stanie człowiek wygenerować, wykazały, że optymalne położenie kątowe płyty naciskowej jest zmienne (kąt α zmienia się podczas ruchu płyty naciskowej). Podczas badania zmieniano położenie osi obrotu I płyty naciskowej 3 w płaszczyźnie x - y. Płyta naciskowa 3 - zgodnie z wynalazkiem - była zamocowana obrotowo, a zatem przedstawione na fig. 7 położenia płyty naciskowej 3 są to położenia, przy których szkielet i mięśnie człowieka były w stanie niewymuszonej równowagi (układ nie był przesztywniony).

Jak wskazano powyżej, przedmiotowy wynalazek nie ogranicza się tylko do przedstawionych powyżej przykładów wykonania. Możliwe są różne jego modyfikacje i rozwinięcia w ramach załączonych zastrzeżeń patentowych, bez odejścia od istoty wynalazku.

Claims (14)

1. Układ napędowy do pojazdu zasilanego siłą ludzkich mięśni od użytkownika zawierający zamocowane na ramie 2 oraz zorientowane zasadniczo naprzeciwko siebie fotel 1 użytkownika oraz napęd nożny obejmujący płytę naciskową 3 połączoną z wózkiem 5, który jest przesuwny wzdłuż układu prowadnicy 6, 6’, przy czym napęd nożny sprzężony jest z układem odbioru energii, znamienny tym, że płyta naciskowa (3) jest osadzona obrotowo na wózku (5), oraz tym, że wózek (5) połączony jest z elementem (7) odbierającym energię mechaniczną od użytkownika w układzie odbioru energii.

2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że wózek (5) posiada podstawę (5.1) oraz dwie ściany boczne (5.2), na których obrotowo zawieszona jest płyta naciskowa (3), przy czym punkty zawieszenia definiują położenie osi obrotu (I) płyty naciskowej (3).

3. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że oś obrotu (I) płyty naciskowej (3) jest przesunięta liniowo względem powierzchni (3.1) płyty naciskowej (3) o wymiar (a).

4. Układ według zastrz. 2 albo 3, znamienny tym, że pomiędzy płytą naciskową (3) oraz wózkiem (5) zamocowane są elementy sprężyste (14, 14’).

5. Układ według zastrz. 4, znamienny tym, że elementy sprężyste (14, 14’) stanowią płaskie elementy sprężyste zakończone rolkami (14’’).

6. Układ według któregokolwiek z zastrzeżeń 1 do 5, znamienny tym, że element (7) odbierający energię mechaniczną od użytkownika stanowi koło zębate (9).

7. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że wózek (5) jest trwale połączony z listwą zębatą (8), która jest kinematycznie związana z kołem zębatym (9).

8. Układ według zastrz. 7, znamienny tym, że koło zębate (9) jest osadzone na wałku odbiorczym (10), który jest połączony ze sprzęgłem jednokierunkowym (11).

9. Układ według zastrz. 7, znamienny tym, że w kole zębatym (9) jest zainstalowane sprzęgło jednokierunkowe (12), przy czym sprzęgło jednokierunkowe (12) jest osadzone na wałku odbioru mocy (13).

10. Układ według któregokolwiek z powyższych zastrzeżeń, znamienny tym, że wózek (5) jest połączony z elementem ustalającym (15).

11. Układ według zastrz. 10, znamienny tym, że element ustalający (15) połączony jest z wózkiem za pośrednictwem sprężyny taśmowej.

12. Układ według zastrz. 10, znamienny tym, że element ustalający (15) połączony jest z wózkiem za pośrednictwem linki.

13. Układ według któregokolwiek z powyższych zastrzeżeń, znamienny tym, że układ prowadnicy stanowią dwie prowadnice (6’, 6’’), do których przesuwnie zamocowana jest podstawa wózka (5).

14. Układ według któregokolwiek z powyższych zastrzeżeń, znamienny tym, że fotel (1) użytkownika ma powierzchnię (1.2) oparcia (1.1) w położeniu 90° względem siedziska (1.3).