Велосипед: Устройство, эксплуатации, ремонт
Велосипед представляет собой средство передвижения, приводимое в действие мускульной силой человека. Основные конструктивные особенности современных велосипедов определились еще в конце прошлого века. Благодаря присущим велоси — Іпеду положительным качествам интерес самых широких слоев населения к нему не ослабевает, о чем ✓ ‘
свидетельствует стойкая тенденция постоянного увеличения выпуска велосипедов во всем мире.
Отсутствие двигателя делает велосипед экологически чистым и бес — шумным средством передвижения, не требующим затрат на топливо. Низкая стоимость, простота в изготовлении и эксплуатации, наименьшая масса из всех колесных средств передвижения — таковы основные Здостоинства’ велосипеда. По отношению к массе пассажира (75 кг) масса велосипеда (15 кг) составляет 20%. При движении но дороге с гладким твердым покрытием велосипедист затрачивает примерно в 5 раз меньше энергии, чем пешеход на преодоление такого же расстояния, а скорость его передвижения в среднем в 4 раза выше. На багажнике велосипеда можно перевозить грузы, масса которых превышает массу самого велосипеда.
Для движении двухколесного велосипеда достаточно неширокой велосипедной дорожки. Низкая нагрузка на колесо велосипеда обеспечивает сохраность дорожного покрытия. На велосипеде возможно передвижение по дорогам без покрытий и преодоление таких участков пути, которые являются непроезжими для других колесных транспортных средств. Кроме того, благодаря небольшой массе через единичные препятствия велосипед можно перемещать вручную. Таким образом, передвижение на велосипеде в большинстве случаев оказывается вполне осуществимым там. где может пройти пешеход.
Езда на велосипеде способствует общему физическому развитию человека, может служить оздоровитель ным средством. Эти особенности определяют использование велосипеда как спортивного снаряда.
К достои и с т в а м велосипеда можно отнести и то. что при хранении он занимает сравнительно мало места (не требуется специальных сооружений. и п случае необходимости его можно хранить в жилище). Особенно удобны при хранении складные велосипеды. Срок службы велосипеда может составлять не один
десяток лет, уход за ним необременителен.
К недостаткам велосипеда следует отнести неустойчивость его на дороге, незащищенность велосипедиста от неблагоприятных погодных условий — холода, ветра, атмосферных осадков и т. д. Движение велосипеда затруднено по заснеженным и обледенелым дорогам. Эти обстоятельства в большинстве регионов нашей страны ограничивают использование велосипеда в холодное время года, вследствие чего его эксплуатация носит сезонный характер. Однако, как показывает практика, эти недостатки не препятствуют повсеместному широкому распространению велосипеда.
Немного об истории развития велосипеда. Ранними предшественниками его были деревянные самокаты на двух колесах, расположенных одно за другим. Время их возникновения точно не известно. Изображения таких самокатов встречаются уже на древних фресках (рис. 1).
Первые конкретные сведения об изготовлении самокатов, на которых можно было передвигаться, си-
й) |
Рис. I. Первые двухколесные экипажи —предшественники велосипеда: а — двухколесная тележка с настенной фрески XVII века; 6 — «Селярифер» графа де Сиврака (1791 г.); в — тележка Бланшера (1808 г.) |
Ь) |
в
»’
дя; верхом и отталкиваясь ногами от земли, относятся к 1761 г. В Германии каретный мастер М. Касслер.. построил такой самокат из дерева. Во Франции в 1791 г. граф де Сив- рак изготовил свой «Селярифер», кочень похожий на самокат М. Касс — лера.
Самокаты, очевидно, строили тогда и в России. В «Словаре Верхо — • турского уезда Пермской губернии», изданном в Перми в 1910 г., написано, что мастеровой Уральских заводов Артамонов в 1801 г. во время коронации бегал на изобретенном им велосипеде. Более подробных сведений об этом событии и о конструкции самоката-велосипеда не сохранилось.
Более достоверные данные о конструкции самокатов имеются во Франции и Германии. Один из них, названный впоследствии тележкой Бланшера, был построен в Париже в 1808 г. Примечательно, что. у всех этих самокатов не было уп — . равляемого колеса и двигаться они могли только прямо.
/ Важным усовершенствованием было изобретение, запатентованное немецким лесничим бароном Кар — . лом фон Драйзом. Он построил в 1813… 1817 гг. несколько самокатов с управляемым поворотным ; передним колесом, позволяющим на ходу изменять направление движения (рис. 2). Принцип передвижения оставался прежним — нужно было отталкиваться ногами от земли. Известно, что Карл фон Драйз использовал самокаты в практических целях — объезжал вверенные ему участки.
Самокаты с управляемым колесом приобрели популярность в Германии и Англии, в большинстве случаев их использовали теперь для спортивных целей. Английские самокаты, в отличие от немецких, имели не деревянную, а железную кованую раму.
. Историческое значение изобретения Карла фон Драйза заключается
Рис. 2. Самокат Карла фон Драйза |
в юм, что он создал управляемое двухколесное средство передвижения, элементы управления которого были в дальнейшем использованы для велосипеда. Окончательно велосипед сформировался после возникновения педального привода, позволяющего передвигаться, не касаясь ногами земли.
Сам принцип приведения в движение повозки при помощи мускульной силы человека, находящегося в этой повозке, был известен значительно раньше. При помощи педального привода, например, приводились в движение знаменитая «самобеглая коляска» (1752 г.) талантливого крестьянина самоучки Нижегородской губернии Леонтия Шамшурен — кова или самодвижущаяся коляска (1791 г.) известного русского механика Ивана Кулибина. Однако прошло около пятидесяти лет, прежде чем педальный привод появился на двухколесном самокате. Первым в этой связи упоминается имя шотландца Мак-Миллона, приспособившего в 1839 г. к самокату две педали, посредством передвижения которых вперед и назад можно было через систему тяг и рычагов вращать заднее колесо. Немецкие механики
Рис. 3. Велосипеды, приводимые в движение при помощи педалей: а — велосипед Мак-Мнллона (1839 г.); б—велосипед Фишера (1850 г.); в — велосипед Мишо и Лальмана (1853 г.) |
fi) |
Г. Миллиус (1845 г.) и Ф. Фишер (1850 г.) предложили несколько иную систему привода. Они поставили шатуны с педалями непосредственно на ось переднего колеса, впервые использовав таким образом круговое движение педалей. Конструкция существенно у прости-
лась, но пострадало удобство управления велосипедом. так как, переднее колесо совместимо теперь сразу две функции — приведение движение велосипеда л управле — ІИЄ им.
Машины Г, Миллиуса и Ф. Фишера, построенные в единичных экземплярах. были вскоре забыты, но осу шествл е нн Ы И ИМИ ]] ростей 11111 й привод на переднее колесо продолжал привлекать внимание изобретателей. Во Франции в 1853 г. каретный мастер П. Мишо и его помощник П. Лальман организовали целое производство велосипедов также с педальным приводом на переднее колесо. Кстати, тогда же и укоренилось французское слово велосипед (от латинского велокс — быстрый и лед — нога), перешедшее затем и в русский язык. Велосипеды Мишо содержали еще два важных новшества: тормоз, воздействующий на металлическую шину заднего колеса, и подпружиненное седло (рис. 3).
Вскоре оказалось, что передвигаться на таких велосипедах труд — ю даже по ровной дороге: частота іращения педалей должна была •ыть непомерно высокой, гак как Г. за один оборот колесо проходило іишком малый отрезок пути, определяемый его периметром. Дальнейшим совершенствованием конструкции велосипеда является увеличе — ; ние диаметра переднего приводного колеса. В Англии появились велосипеды с передним колесом очень р большого диамет ра 1,6…1.8 м и ма — , леньким, в 4…5 раз меньшим, сво — : бодно катящимся задним колесом, у ДЛЯ обеспечения прочности боль- шого переднего колеса спицы и ободья начали изготовлять из стали. Из стали делали и увеличившуюся Раму «гриф». Шины из сплошной резины должны были смягчать толчки и удары, возникающие при качении колес по неровной дороге. На этих велосипедах можно было развивать скорость до 30 км/ч, но передвижение на велосипеде было досгтшо лишь хорошо тренированным спортсменам, так как в результате высокого расположения седла над передним колесом посадка и удержание равновесия во время днижения были затруднительны. Кроме того, тенденция к опрокидыванию вперед при наезде переднего колеса даже на незначительное препятствие создавала опасность серьезной травмы. Несмотря на эти недостатки, «высокие» велосипеды получили большое распространение в Нвроне и Америке, и их продолжали выпускать в течение примерно 20 лет.
В России «высокий» велосипед из-за своего огромного переднего колеса с тонкими как паутина спицами получил прозвище «паук», в Англии, по-видимому, из-за разницы в размерах переднего и заднего колес назывался «пенни-фар — тинг» — по названию имевшихся в обращении монет, сильно различавшихся по размеру (рис. 4).
Рис. 4. Велосипед «пенни-фартинг» (1875 г.) 9 |
Дальнейшее повышение предельной скорости за счет увеличения диаметра переднего приподно^о колеса стало невозможным, так как это неизбежно привело бы к увеличению расстояния между педалями и седлом, естественно ограниченного длиной ног велосипедиста. Стремление сблизить педали и седло стало причиной применения на велосипеде изобретенной незадолго до этого цепной передачи. Кроме расположения педалей в более удобном для велосипедиста месте цепная передача позволяла с целью повышения скорости движения увеличить частоту вращения приводного колеса по отношению к частоте вращения педалей. Однако все преимущества цепной передачи были освоены не сразу. Примером может служить английский велосипед «Кенгуру», имеющий переднее приводное колесо все еще значительно большего диаметра, чем заднее, и две цепные передачи, симметрично расположенные по обе стороны переднего колеса таким образом, что каждая педаль имеет свой собственный привод (рис. 5). Обойтись одной цепной передачей при такой схеме невозможно, так как спицы колеса между педалями не позволяли расположить оба шатуна на одном валу. Но уже в 1868 г, французская фирма «Мейер» начинает выпускать велосипеды с цепным приводом на заднее колесо. Переднее колесо перестало быть приводным, было освобождено от педалей и управление велосипедом стало более удобным. Отпала необходимость в двух цепях, так как оба шатуна располагались на одном валу.
С этого времени цепная передача в конструкции велосипеда применяется почти без каких-либо принципиальных изменений до настоящего времени. Практика использования велосипеда во многих областях человеческой деятельности, в том числе и в спорте, показала достаточную эффективность такой системы передачи. Однако и этой системе с самого начала присущи были недостатки, основным из которых является наличие так называемых «мертвых зон», когда шатуны при вращении педалей оказываются в вертикальном положении, и становится невозможным рациональным образом прикладывать усилия к педалям. Попытки конструкторов снова применить рычажный привод для ликвидации указанного недостатка из-за сложности конструкции и увеличенной массы привода не дают положительных результатов. Не получили широкого распространения частично устраняющие вредное влияние «мертвых зон» цепные передачи с эллиптическими звездочками или специальными кулачковыми механизмами, принцип действия которых основан на автоматическом изменении передаточного отношения цепной передачи в зависимости от углового положения шатунов.
Не получила массового применения на велосипедах и передача с горизонтально расположенным валом и двумя парами конических зубчатых колес. КПД такой передачи ниже, чем у цепной, она значительно сложнее в изготовлении и стоимость ее намного дороже.
В последнее время в связи с прогрессом в области производства полимерных материалов наметилась тенденция использования ременной передачи с зубчатым ремнем. Однако по принципу действия такая передача мало чем отличается от цепной.
Важные усовершенствования в конструкцию велосипеда внес англичанин Лоусон (1874 г.). Самым существенным было то, что цепной привод на заднее колесо позволил ему уменьшить диаметр приводного колеса, сделав велосипед не таким высоким; уменьшить массу переднего управляемого колеса, что в свою очередь облегчило управление велосипедом; перенести седло
Ранние велосипеды с цепкой передачей;
&у ^«Кенгуру»; б — «Бицнклет рудж> (1877 г.); в —«Хамбер сейфти» (1884 г.)
на середину рамы, а шатуны с педалями поместить между передним и задним колесами.
Несмотря на то, что Лоусон предложил делать колеса одинакового размера, другие велосипедные фирмы. перейдя на заднее приводное колесо, еще долгое время выпускали «разноколесные» велосипеды. Так, английский «Вицнклет руд ж» (1877 г.) имел, очевидно, по традиции, большое переднее колесо, а «Хамбер сейфти» (1884 г.), наоборот, очевидно из-за стремления повысить скорость передвижения приводился в движение большим задним колесом. К схеме велосипеда с увеличенным задним приводным колесом и в наше время обращаются конструкторы при проектировании опытных моделей перспективных спортивных велосипедов, для которых первостепенное значение имеет скорость.
После того как переднее и заднее колеса велосипеда стали делать одинакового размера, начал вырабатываться гот тип велосипедной рамы, который можно назвать традиционным. Стержни рамы перестали быть изогнутыми. С целью уменьшения массы начали устанавливать трубчатые стержни. Форма рамы стала напоминать трапецию; появилась подседельная труба, упиравшаяся в каретку и предававшая жесткость раме в вертикальной плоскости. Еще раньше головную грубу, в которой поворачивается управляемая вилка переднего колеса, делали с небольшим наклоном назад. Это способствовало стабилизации прямолинейного движения не- rn оси под а и вместе с изогнутой вперед передней вилкой помогало велосипедисту сохранять устойчивое положение велосипеда посредством небольших поворотов руля.
Большинство современных велосипедов имеет раму трапециевидного вида, основные черты которой сохранилисть с тех пор. Конструкция рамы наиболее рациональна с точки зрения прочности и легкости. Поэтому, не случайно/ что именно такая рама применяется на спортивных велосипедах.
Отдельно следует остановиться на рамах открытого тигіа. Эти рамы появились несколько позже, в них использовались элементы трапециевидных рам, одна или две трубы могли быть изогнутыми. Поскольку трубы в них не образовы вали замкнутую систему, они были менее прочными, и для их укрепления внутрь труб вставлялись специальные усилители, что увеличивало их массу. Первоначально такие рамы предназначались для женских велосипедов. При этом значительно облегчались посадка и можно было ездить на велосипеде в длинной одежде.
К началу XX века велосипед внешне приобрел все основные черты современных велосипедов (рис. 6). Примером может служил» английский велосипед Рэллей «Ом стилл» (1900 г.). К этому времени велосипеды имели рамы п рулі; и.* стальных труб, основные узлы из стали, во втулках колес и узла* че — редачи применялись нодпшш. пки качения. Параллельно с развитием конструкции велосипеда шло совершенствование его узлов. Топкие проволочные спицы велосипедного колеса начали располагать не про — го по радиусу, а с некоторым смещением почти по касательной к окружности втулки. При таком расположении спицы работают только на растяжение, что придает колесу особую прочность. Колеса такого типа называли «тангентними».
Особо нужно отметить изобретение в 1888 г. англичанином Дж. Да н л опо м велосипел ной п нев мати — ческой шины, которая хорошо амортизировала толчки и удары, возникающие при наезде колеса на мелкие неровности дороги. Передвижение на велосипеде стало более плавным, резкое снижение динамических
6. Велосипеды на «низких» колесах: |
cf) |
а) у |
б) |
. . • |
Рис. 7. Трехколесные велосипеды XIX века: тпехкопеснкй а — тпрхколесный двухместный велосипед «Социабль» (1Ь73 г.), о — трехколеишл велосипед с ручным рычажным приводом (движения, имитирующие греблю), 0 трех — колесный велосипед (1888 г.) |
.*ч;аЧ£ ; |
нагрузок позволило уменьшить мао сы силовых детален велосипеда. Кроме того, при установке пневматических шин снижается сопротивление качению колеса на неровных Дорогах. Все это позволило еще повысить скорость передвижения.
В 1898 іг. во Франции изобрели механизм свободного хода (так называемую «трещотку»), устанавливаемый на втулке заднего колеса и позволяющий велосипедисту не вращать педали при движении велосипеда по инерции и иод уклон. Примерно в то же время были изобре — Тены и другие типы механизмов свободного хода, используемые на различных моделях велосипедов до настоящего времени. Совершенствовались конструкции ручных тормозов. Был также изобретен тормозной механизм, встраиваемый в заднюю втулку и приводимый в действие обратным вращением педалей. Многие из конструкций были настолько хорошо отработаны, что некоторые из них, например задняя втулка с механизмом свободного хода и встроенным тормозным механизмом (тормозная втулка заднего колеса типа «Торпедо»), спроектированная в 1898 г. немецкой фирмой «Фнхтель и Закс», применяется на многих моделях совре
менных велосипедов без существенных изменений.
Важное значение для развития конструкции велосипеда имеет многоступенчатая передача, позволяющая обеСПеЧИТЬ ОПТИМаЛЬНОе COOT-
ветствие передачи различным дорожным условиям. В 1906 г. во Франции де Вивье предложил цепной переключатель передач, с помощью которого изменение передачи происходит в результате перебрасывания цепи с одной звездочки на другую, имеющую иное число зубьев/Переключателями такого типа оборудуются все современные спортивные шоссейные и туристские велосипеды, причем конструкция переключателей постоянно совершенствуется.
Почти одновременно с цепными переключателями передач появились многоскоростные задние втулки с встроенными внутрь зубчатыми механизмами, позволяющими замедлять или ускорять частоту вращения цепной звездочки.
За рубежом многоскоростными задними втулками, в большинстве случаев трехскоростными, оборудуется множество моделей дорожных велосипедов.
і Неустойчивость двухколесного велосипеда, затрудненность медленного передвижения на нем, невозможность даже кратковременной остановки без опоры, связанное с этим неудобство перевозки пассажиров, а также необходимость выработки велосипедистом специфических навыков для удержания равновесия вынуждали конструкторов искать способы ликвидации этих недостатков. Особенно много попыток постройки трех — и даже четырехколесных велосипедов (рис. 7) наблюдалось в последней трети XIX в., как раз в то время, когда были распространены чрезвычайно неустойчивые «высокие» велосипеды. Однако в то время вследствие несовершенства конструкций велосипедных узлов — отсутствия пневматических шин, излишне большой массы, громоздкости, а также плохого состояния дорог — многоколесные вел ОС И’ педы дальнейшего развития не получили.
Некоторое возрождение Трех — и четырехколесных схем четко определилось в 20—30-е гг. XX в. в ограниченных областях применения велосипеда.. В то-время в Индии, Китае и некоторых других странах Восточной и Южной Азии с теплым климатом /необходимость экономичной перевозки пассажиров и багажа привела к созданию сне — циальных, чаще всего трехколес — ных, экипажей — велорикш или, как их назвали впоследствии, педике — бов. Для их постройки использовались современные велосипедные узлы: колеса, приводы, седла, части рам и т. д. Конструкции их были различны — места для пассажиров могли располагаться сзади, спереди или иногда на боковом прицепе аналогично коляске мотоцикла. По указанному принципу в европейских странах получили распространение трех — и четырехколесные грузовые велосипеды для перевозки мелких партий груза (рис. 8).
Современное состояние велосипедной техники и технологии, появление новых высокопрочных материалов, повсеместное улучшение дорожных условий, достижения эргономики (науки о функциональных возможностях человека в процессах труда) и осознанное стремление снизить загрязнение окружающей среды вызвали к жизни новое средство передвижения, называемое веломобилем (рис. 9).
Веломобиль благодаря рациональному расположению тела человека, способствующему более эффективному приложению усилий к педалям, и высоким аэродинамическим качествам корпуса имеет больший КПД, чем велосипед. Кроме того, передвижение на веломобиле не требует, как правило, дополнительных усилий на поддержание равно-
в. Современные грузовые велосипеды |
■ ‘Л W’fy/y |
Рис. 9. Веломобили:
а — открытый двухместный туристский веломобиль; 6 — веломобиль с закрытым кузовом «Педикар»
весия. Веломобили могут быть как одноместными, так и многоместными, и приведение их в движение может осуществляться как одним человеком, так и всеми находящимися в нем людьми. Для преодоления подъемов веломобиль обязательно должен быть оборудован многоступенчатой передачей. Большинство веломобилей имеют специальное место для ручного багажа. Немаловажным является то, что люди, находящиеся внутри веломобиля, могут быть защищены от непогоды крышей или тентом, что обеспечивает сравнительно комфортные условия передвижения. Указанные особенности выгодно отличают веломобиль от велосипеда. По определению, данному проф. А. В. Нар — бутом, основными признаками, определяющими это отличие, являются: наличие кузова или его части, например днища или крыши; сиденье, похожее на сиденье автомобиля, но не седло, наличие не менее трех» расположенных не на одной линии, колес. Двух любых из трех указанных признаков достаточно, чтобы экипаж считался веломобилем, а не велосипедом. Веломобили, не отвечающие третьему признаку (двухколесные), встречаются крайне редко.
Конструктивно веломобили в настоящее время очень разнообразны. В нашей стране веломобили строятся в единичных экземплярах, главным образом в порядке индивидуального творчества, так как с их эксплуатацией в настоящее время связано много проблем. Не ясен вопрос об области применения веломобилей, возникают сомнения в их способности сосуществовать с моторными средствами в современном напряженном транспортном потоке. Трудно решаются вопросы, связанные с паркованием и хранением веломобилей в условиях города. Вне дорог с улучшенным покрытием передвижение веломобилей практически невозможно. Поэтому в ближайшие годы основным из средств передвижения, приводимых в действие мускульной силой человека,
видимо, по-прежнему останется велосипед-
Тем не менее, в европейских странах, где велосипед традиционно используется в качестве транспортного средства предпринимаются попытки заменить При регулярных поездках на короткие расстоя н и я легковой автомобиль веломобилем. Например, в Голландии, в городе Роттердаме Министерство путей сообщения в порядке эксперимента предоставляет своим служащим одноместные веломобили специально разработанной для этого конструкция. Целью эксперимента является выяснение возможности ч а стич ион за м с н ы
легковых автомобилей в городе на экологически чистое транс пор і иое средство, а также предотвращение транспортных загоров в часы спик».
Веломобиль представляет собой самодвижущуюся тележку на трех велосипедных колесах, два перім — них из которых } прявлгіомьіе. а заднее ведущее. В транМИї WVloMi;-
биля используется велосипеднаи
•
цепная передача с переключателем передач. В комбинации с ;ио’хскоростной Вт у л ко и зад. него ки: сх а трансмиссия НО IB’V:/te. T годущрь двенадцать передач, что да* ?• :д і — можность выбрать оити^альмх *»*> ш1- редачу для движение с гору ч против сильного в-чпа. Ik — ммойнль оборудован легким кузовом ил. пластмассы, хорошо защищающим пассажира от непогоды и Г’Ла! зэродинамическои d-ормс г‘;7п.:%гч< *- Щим сопротивление зозд>:а щ>л Движении веломобиля до va ‘on Величины. Длина ВЄЛО»Обіь; ©• — лее 2 М, ширина 0,75 м.
Предполагается, что мощность, необходимая для передвижения веломобиля, будет на 15…20% ниже затрачиваемой в досиледистом при передвижении на :;прожном велосипеде, и веломобиль будет передвигаться по велосип ;ним дорожкам СО средней скороеп.! / около 20 км/ч.
Специально для менеджеров веломобиль может бы гь дополнительно оборудован телефоном я мини- комньюгером. В дальнейшем предполагается установить па веломо — Силе вспомога тельный силовой электродвигатель, что повысит его среднюю скорость движения в не — бл а гоп р и ятны х уели в и я х.
В заключении нужно подчеркнуть значительное влияние конструкции велосипеда на развитие конструкций многих безрельсовых транспортных средств, С этой точки зрения мотоцикл является пря — М U м пр од о Л Ж Є і л е м копструкшп! велосипеда. То же самое относится
к значительному числу автомобиль-
• *
ПЫХ УЗЛОВ.
Прежде всего явтомобиль заим — с г во в ал у велосипед;» пневматические шины, назначение и конструкция которых v велосипеда и авто- мо"> А л Ч В п ) И И Ц ‘Л і I р од и и а ко в ы. b* а UHKC МО ДЄ, Г; и п в то МО бил б й имели в составе трансмиссии конную непе-
* і
д а ч v. М. е ж к о л с •: ни и м г х а и и ч е с к н и дифференциал, впервые был применен па трех колес ном. велосипеде. Наконец, зубчатая планетарная тте — р ел й ч а, і 1С П О Л Ь 3 о-5 ЗИН! а я г я в с в о? время в коробках передач автомобилей на одной из моделей фирмы «Форд», также впервые была применена в дв хсчоростчых каретках велосипедных передач фирмы «Вари а ид». Колеса с та^гентпым расположением спин, как у велосипе — ч j. дол гое в ре м я у ст а 11 а в л и в а л и с ь на автомобилях, особенно спортивных типов. Баоабачнуй колесный тормоз в принципе очень похож на тормоз задних втулок велосипеда.
ИР |