Геометрические аспекты посадки велогонщика

Рис. 2.18. Расчетная схема голеностопного сустава, учитывающая кон­структивные параметры обуви и педали, а также строение ступни велогонщика: I е» голень; 2 — обувь; 3 — кривошип; 4 — педаль; 5 — шип; 6 — подошва обуви

2

а

К

Рассмотренная кинематическая цепь, если включить в нее неподвижное звено — велосипед, образует два независимых друг от друга механизма. Первый и наиболее важный в функциональном отношении механизм—нижние конечности гонщика и кривошипно-педальная система; второй — корпус и верхние конечности велогонщика. Но прежде чем перейти к детальному рассмотрению условного шарнирно-стержневого механизма, моделирую­щего механизм нижних конечностей гонщика, необходимо сделать дополнительный анализ положения стопы на педали. Расчетная схема, учитывающая конструктивные параметры велотуфель, педали и строение ступни велогон­щика, представлена на рис. 2.18. Ось сустава большого пальца 04 находится на расстоянии А8 от подошвы туф-

Схема посадки велогонщика, являющаяся геометриче­ским аналогом реального гонщика, представлена на рис. 2.7, б. В упрощенном варианте схема представляет
собой шарнирно-стержневую многозвенную плоскую ки­нематическую цепь, образованную составными звеньями— аналогами частей человеческого тела: корпусом Аг и углом его наклона к горизонту плечом Аъ и углом ^„5, предплечьем Лв И углом 1>5_в, бедром А2 и углом его наклона к горизонту jj0_2, голенью А3 и углом р2_3, сто­пой А4 и углами %_4 и г|?0_4. Точкой привязки положения тела гонщика относительно рамы велосипеда является точка 01г совпадающая с осью тазобедренного сустава.

ли 6. С учетом толщины подошвы Л10, половины высоты педальной рамки Ап и толщины шипа Л8 ось 04 смещена относительно оси педали 08 на величину Л4_7. Таким об­разом, создаются два треугольника: 040s03, образованный стержнями Л4, Л, и Л4_7, и 04080, образованный стерж­нями 1, 1 И Л4 7. Первый треугольник жесткий и изменяет

свое положение в плоскости педалирования в зависимости от угла поворота кривошипа /4 и разворота ступни от­носительно голени на угол г|гя_4. Второй треугольник содержит стержень переменной длины /|, которая зависит от угла поворота кривошипа /ь параметров посадки гон­щика и педалирования.

Механизм, образованный с учетом нижних конечностей гонщика и кривошипно-педальной системы, включающий кривошип 1и аналоги стопы Л4, голени А3 и бедра_ Л.2,

имеет число степеней свободы, равное двум:

N = 3 (п — 1) — 2 (g + h + k) — с = 2, (2.4)

где п = 5 — число звеньев механизма, включая непод­

вижное звено OOj, являющееся рамой велосипеда; g = = 5 — число шарниров механизма, обеспечивающих вра­щательное движение; h — k — с = 0 — число поступа­тельных и высших пар с чистым качением и скольже­нием.

Следовательно, этот механизм не способен работать без введения одного ограничения, исключающего одну из двух степеней свободы. Таким ограничением чаще всего является угол между стопой и голенью, который не оста­ется фиксированным, а изменяется в цикле педалирования по характерному для каждого гонщика в определенных условиях езды закону, при этом основная подвижность приходится на два звена: бедро Л2 и голень Аа — наиболее способные к передаче энергии и обеспечивающие провора — чиваемость кривошипа. Введение независимого ограни­чения на подвижность других звеньев может привести к разрыву кинематической цепи, непроворачиваемости кривошипа или к неэффективной в энергетическом отно­шении работе отдельных мышц.

В целях приведения рассматриваемого механизма к четырехзвенному введем дополнительные ограничения, вытекающие из расчетной схемы, представленной на рис. 2.19. Вместо реальных звеньев А3, Л4 и размера Л4_7 может быть использовано звено 12 с переменным парамет-

ром — ДЛИ НОИ, h

+ arcsin

(2.5)

изменяющейся согласно уравнению ^3—4 (al) “Ь

[А’і + А-7 — 2’44Л4~7 C0S (% + Я/2)]1;2 J j

~ — QA^A^ cos А4_7 sin (if>„ 4- я/2)

где аг — угол поворота кривошипа; f0 — угол наклона к горизонтали линии, соединяющей ось тазобедренного сустава С*! гонщика и ось каретки велосипеда О (см. рис. 2.20).

Теперь можно перейти к схеме обычного четырехзвен но го плоского кривошипно-шатунного механизма с пере­менным параметром 13, удобной для расчетов (рис. 2.20). В схеме этого механизма: О — ось каретки велосипеда; А — ось педали; В — ось коленного сустава; Ох — ось

Рис. 2.20. Расчетная схема СНКГ

Рис. 2.21. Изменение углов между звеньями приведенного механизма: г|)3_4 — угол между голенью и сто­пой; фг-з — Угол ме*ДУ голенью и бедром; г|)0_4 — угол между стопой и горизонталью; *^0_2 — угол между бедром и горизонталью; сс2 — угол поворота стержня /2 относительно горизонтали; а3 — угол поворота стержня /3 относительно горизон­тали; ц — угол передачи давления между звеньями /2 и /3 (см. рис. 2.7,6 и 2.20)

тазобедренного сустава; —•

кривошип; /2 — аналог си­стемы голень — стопа ABD, имеющей переменный размер в функции угла поворота кривошипа at; 13 — аналог бедра гонщика. Штрихами показано промежуточное по­ложение механизма 0А’В’01. Положение звеньев в пло­скости чертежа определяется соответственно углами alt а2 и а3 и углом i передачи давления между звеньями 12 и /3. Взаимное положение шарниров О и О, определяется размером / и углом 4’о-

Если линейные размеры конечностей для каждого

конкретного гонщика остаются неизменными, то их вза­имное расположение может изменяться в зависимости от особенностей работы мышечного аппарата гонщика, при­нятой и отработанной им посадки, тактико-технических приемов ведения гонки, спортивной формы, рельефа

местности, вида гонок и спортивного инвентаря.

Анализ геометрических параметров посадки можно выполнить на основе статистических наблюдений на при­мере ведущих гонщиков, добившихся высоких спортивных результатов. Такое исследование было выполнено с ис­пользованием кинограмм, одна из которых принята для детального анализа и последующего практического ис­пользования.

Расшифровка кинограммы одного из ведущих гонщиков мировой классификации позволила получить графики из­менения углов между звеньями приведенного механизма (рис. 2.21) в функции угла поворота кривошипа велоси­педа аг. Приведенные графики являются только общей

Рис. 2.22. Варианты компоновки педали: а — традиционная педаль; 6 — модернизированный вариант педали; в — оптималь­ный вариант компоновки

иллюстрацией процесса педалирования и точно могут быть реализованы только конкретным гонщиком, которому они принадлежат. Однако такая закономерность харак­терна для гонщиков высокого класса, и поэтому эти гра­фики могут быть использованы при постановке педалиро­вания и его совершенствовании.

Пути совершенствования системы привода гоночного велосипеда за счет условий педалирования весьма огра­ничены. Один из вариан­тов, предлагаемый японс­кой фирмой «Шимано», пре­дусматривает такую ком­поновку педали, в которой уменьшается расстояние Л4_, между центрами оси педали 08 и сустава боль­шого пальца стопы 04 (рис. 2.22). Велотуфля /

■Рис. 2.23. Схема искажения траектории движения оси педали при Л4_7 = 48 мм (/™ах =

= 210 мм ^= 170 мм ^

</1т1п= 130 мм):

1 — традиционная педаль; 2 — мо*

.дернизированная педаль; 3 » оп­тимальная педаль
при традиционном варианте конструкции педали 2 кре­пится с помощью шипа 3. Образующееся при этом сме­щение оси 04 относительно 08 составляет примерно А4_7= = 30-Ч-50 мм, что приводит к изменению фактической длины кривошипа от 1Х до Л и к искажению траекто­рии 2 (рис. 2.23) по сравнению с номинальной траек­торией 1.

Некоторое смещение оси педали относительно пло­скости контакта велотуфли и педали (рис. 2.22, б) умень­шает отмеченные искажения траектории движения номи­нальной оси педали (траектория 2 на рис. 2.23). Оптималь­ным решением конструктивной компоновки педали можно считать такое, когда Л4_7 = 0, что соответствует совпаде­нию номинальной и фактической длин кривошипа и сов­мещению траекторий движения оси педали 04 и оси су­става большого пальца 08 стопы (траектория 3 на рис. 2.23).