Мускульный привод - RU2557921C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к машиностроению, может быть использовано в мускульных приводах медтехники, транспорта и стационарных потребителях вращательного движения.

В соответствии с эргономикой мускульный привод следует рассматривать как систему «человек - машина», взаимно оказывающих влияние друг на друга на друга. Поэтому эффективность этой системы характеризуется не только КПД машины, но и такими, как ритмичность работы, утомляемость, продолжительность периода работы без утомления. «Механическая работа мышцы, так же как и работа в механизме, измеряется произведением веса поднятого груза на величину укорочения мышцы» [1, с.217]. А это уже биология, физика, антропология, анатомия, физиология мышечной и нервной системы, химия.

Для усовершенствования мускульного привода необходимо выявить, правильно оценить и учесть влияющие факторы этих наук на мышцы человека, чтобы определить постановку и путь решения задачи. При этом обнаружилась «недостаточность наших знаний на то, как на самом деле работают мостики» в мышцах. А… «биология, физика и химия настолько слиты воедино, что между ними нет границ - для специалистов, изучающих различные аспекты преобразования биологическими системами химической энергии в механическую работу» [2, с.6].

Но в литературе даны и полезные выводы, которые целесообразно использовать при создании более эффективного мускульного привода. «Работоспособность зависит прежде всего от величины самой мышечной деятельности. Когда мышцы сокращаются максимально, она утомляется скорее, чем в случае субмаксимальных сокращений. При субмаксимальной деятельности мышцы могут работать продолжительное время без утомления». «Работа мышцы оптимальна, когда подобран соответствующий груз, не слишком большой и не слишком малый.»…» Количество работы мышц в значительной мере зависит от ритма работы» [1, с.223].

Понятие ритма работы в рассматриваемом вопросе - это своевременное изменение по величине, времени и местоположению мускульной силы (P) от незначительной в зоне «отдыха» до субмаксимальной в зоне «рабочей».

Примеров, подтверждающих вышеизложенное, в биологии множество. Это кратковременная атака гепарда и бег стайера, это продолжительный многокилометровый бег волка и марафонца, это волнообразный полет птицы с чередующимися циклами работы крыльев и отдыха (ритм полета). Предоставление мускульному приводу периодически создавать или удлинять интервал отдыха мускульной силе (P) увеличит продолжительность периода работы без утомления.

Аналогом выбран мускульный привод на заднее колесо коляски цепной с ручной кареткой [3]. Сходными признаками аналога и изобретения является устройство в узле (1) на приводном валу (7) через обгонную муфту (8) приводной звездочки (6) с цепной передачей. КПД узла порядка 98%.

Недостатком этого привода является потеря части КПД при вращении каретки из-за уменьшения тягового усилия по кривой зависимости около условных мертвых точек. «Активно изменять свою длину мышцы могут только в сторону укорочения» [2, с.6].

Работа мускульных мышц по кругу каретки малоэффективна, ведет к сбою ритма работы мышц, подключению работе других маломощных мышц, которые будут испытывать интенсивность работы выше средней. «Это ведет к повышенному кислородному запросу мышцами, повышенному запросу мышцами гликогена - основного энергетического субстрата, повышенному накоплению в мышечной ткани лактата с выделением его в кровь. Т.е. приводит к уменьшению работоспособности мышц, к их утомлению. А мышечное утомление - это уменьшение силы сокращения мышц, что обуславливает последующие витки более выраженного утомления работающих мышц» [4, с.73-78].

Из медицинской литературы [5, с.81-88] по физиологии человека известно, что для развития силы сокращения мышцы необходимо определенное время. Нарастание силы сокращения мышцы происходит сначала по крутой, а затем плавной кривой. Достигнув субмаксимальной интенсивности и произведя работу (зона работы), мышце требуется отдых (зона отдыха). Это, по-видимому, обуславливается внутримышечными законами преобразования химического топлива в мускульную силу.

КПД мышцы, работающей на химическом топливе, до 50%. Это выше, чем у паровой машины - 15%, бензинового двигателя - 20%, двигателя Дизеля - 37% [1, с.219].

Сам факт такого высокого энергосодержания в химическом топливе мускульных мышц предопределяет поиск путей их эффективного использования и, в первую очередь, в усовершенствованных для этой цели мускульных приводах.

Наглядно закономерности ритма мускульного привода, особенно его недостатки, просматриваются на примере гребли на лодке. Субмаксимальное усилие гребцов достигается в конце гребка веслами, а максимальное КПД гребка - при перпендикулярном положении весла по отношению к лодке. Подобное несоответствие проявляется в мускульном приводе при наличии в его узлах кривошипно-шатунного механизма или каретки. Устранить такое несоответствие в мускульном приводе ставится задачей при разработке узла (4).

Прототипом выбран мускульный привод, выпускаемый промышленностью для кресла колясного [6]. Сходными признаками прототипа и изобретения является узел (2), воспринимающий мускульную силу через рукоятку (13), рычаг (12) и шатун (14). При правильной геометрии построения этого узла КПД его высок. Для достижения максимального КПД в узле необходимо, чтобы перемещение шатуна (14) происходило параллельно действующей силе (P), а приложение силы (P) к рычагу (12) в середине его положения было перпендикулярным.

Неэффективным в прототипе является передача мускульного усилия (P) на приводной вал кривошипно-шатунным механизмом. Этот недостаток подобен недостатку аналога, хотя и в разных узлах - изменение тягового усилия от максимума до нуля около условных мертвых точек по кривой зависимости.

В основу изобретения поставлена задача увеличить КПД и продолжительность периода работы без утомления мускульного привода путем разработки новой конструкции эффективного узла с прямоугольной эпюрой КПД.

Поставленная задача решается мускульным приводом, который содержит (сходные существенные признаки изобретения с прототипом) раму (5) и укрепленные на ней, по крайней мере, одну приводную звездочку (6) или шкив, соединенную с приводным валом (7) через обгонную муфту (8) и другую опорную (16), огибаемых противолежащими ветвями гибкой тяги, например цепи (9, 10), с расположенным между ними совершающем возвратно-поступательные движения шатуном (14), установленным на рычаге (12) с рукояткой (13). На шатуне (14) укреплены (отличительные существенные признаки изобретения, достаточные во всех случаях) консоли (19), а на них установлены охватывающие противолежащие ветви цепи (9, 10) по одному ограничителю (20, 21) и по одной звездочке (22, 23) с трещоткой (24, 25) (она же обгонная муфта), попеременно замыкающимися при изменении направления хода шатуна (14).

Такой вывод основывается на нижеизложенном.

Введем понятие «субмертвая зона» мускульного привода. Зона неопределенной величины, примыкающая к мертвой точке механизма, узла, обладающая специфическими свойствами, качествами, обычно отрицательными.

На практике широко используются кривошипно-шатунные механизмы или ручные каретки. В первом случае в субмертвой зоне КПД падает до нуля. Возросшее сопротивление частично воспринимается человеком возрастанием сопротивления внешней среды, которое он пытается преодолеть увеличением интенсивности работы мускульной силы. Это ведет к неоправданному затратному увеличению прилагаемого усилия.

Во втором случае уменьшается КПД работы основных, самых сильных сократительных мышц из-за их непредназначения выполнять круговые рабочие движения и подключению к работе других групп мышц, более слабых, чем основные, что ведет к утомлению. А «в состоянии утомления человек не способен поддерживать требуемый уровень интенсивности или вынужден отказаться от ее продолжения [1, с.223]. В любом случае попадание в субмертвую зону нежелательно. Наилучший выход - исключить ее из общей схемы мускульного привода.

Теперь обозначился следующий этап нахождения решения задачи - в мускульный привод, содержащий эффективные узлы (1, 2, 3), добавить недостающий узел (4), соединить совершающий движение взад-вперед шатун (14) с противолежащими ветвями цепи (9, 10) от узла (1) так, чтобы:

1) крутящий момент на приводном валу (7) не менял своего направления;

2) не было холостого хода у рукоятки (13) «на себя» или «от себя»;

3) сохранить «прохождение заднего колеса»;

4) создать благоприятное условие для более эффективного использования химической энергии мускульных мышц путем:

а) исключения из амплитуды движения шатуна (14) субмертвых зон;

б) обеспечение постоянства КПД на всем пути движения шатуна (14);

в) возможного размещения зон «отдыха» и «работы» мускульных мышц по всей длине хода шатуна (14) с переменным ритмом чередования их продолжительности.

В разработке изобретения с использованием Интернета и макетирования было множество узлов с использованием разных видов гибкой связи, захватов, переключателей. Большинство узлов было отклонено из-за невозможности конструктивной стыковки между узлами (1) и (2) из-за ненадежности в работе, выявившейся при испытании моделей узлов (заклинивания, утыкание зубьев звездочек и др.).

В конечном итоге из осколков идей в разных пробных узлах был разработан узел (4), удовлетворяющий все ранее предъявляемые требования.

На фиг.1 изображена схема мускульного привода, на фиг.2 - сечение А-А фиг.1, на фиг.3 - эпюры КПД, на фиг.4 - расчетная схема узла (2).

На фиг.1 изображена схема мускульного привода из 4 узлов (1, 2, 3, 4), укрепленных на раме (5). Узел (1) содержит, по крайней мере, одну приводную звездочку (6), соединенную с приводным валом (7), через обгонную муфту (8), огибаемые противолежащими ветвями цепи (9, 10).

Узел (2) содержит укрепленный на оси (11) совершающий обратно-поступательные движения рычаг (12) с рукояткой (13) и ползун (14), соединенный с рычагом (12) осью (15).

Узел (3) содержит опорную звездочку (16) на оси (17), укрепленную на планке (18) для натяжения противолежащих ветвей цепи (9, 10).

Узел (4) содержит прикрепленные к шатуну (14) консоли (19), на которых укреплены, охватывая противолежащие ветви цепи (9, 10), по одному ограничителю (20, 21) и по одной звездочке (22, 23) с трещоткой (24, 25) или обгонной муфтой, попеременно замыкающимися и размыкающимися при изменении направления хода шатуна (14).

Подтягивая (или нажимая) рукоятку (13) рычага (12), мускульное усилие (P) передается на шатун (14), придавая ему, а также консолям (19) с укрепленными на них ограничителями (20, 21) и звездочками (22, 23), возвратно-поступательные движения вдоль противолежащих ветвей цепи (9, 10).

При движении шатуна (14) влево замыкается звездочка (22) с трещоткой (24) и передвигает противолежащую ветвь цепи (9) влево, создавая на приводной звездочке (6) крутящий момент (M) против часовой стрелки.

При движении шатуна (14) вправо звездочка (22) размыкается с трещоткой (24), а замыкается звездочка (23) с трещоткой (25) и передвигает противолежащую ветвь цепи (10) вправо, а через опорную звездочку (16) опять же передвигает ветвь цепи (9) влево, создавая на приводной звездочке (6) крутящий момент (M) также против часовой стрелки.

Так мускульная сила (P) при возвратно-поступательном движении шатуна (14) преобразуется в крутящий момент (M) постоянного направления на звездочке (6) против часовой стрелки и передается через обгонную муфту (8) на приводной вал (7).

На фиг.3 изображены эпюры КПД прототипа и изобретения. При равенстве радиусов OC=5 см кривошипно-шатунного механизма прототипа и ведущей звездочки (6) изобретения сравниваемые максимальные ординаты эпюр КПД равны: OC=AB=DE

HCG - эпюра КПД прототипа

ACE - развернутая эпюра HCG

AE=0,5пHG

ABDE - эпюра КПД узла (4) изобретения.

Эпюра ABDE в любом случае перекрывает эпюру прототипа HCG. И чем ближе к субмертвой зоне (к мертвым точкам A и E) будет прилагаться субмаксимальное усилие, тем больше будет проявляться эффект увеличения КПД изобретения по отношению к прототипу. А из наблюдений в природе - на лодке максимальное усилие гребцов, высшая часть траектории полета птицы и др. - можно заключить, что в мускульном приводе максимальное усилие, регулируемое ритмом работы, достигается мышцей и наступает по времени во второй половине хода шатуна (14).

Следовательно, мускульное усилие (P) в изобретении в узле (4) (ордината AB) всегда будет полностью преобразована во вращательный момент на ведомой звездочке (6), тогда как в субмертвой зоне (около точек A и E) прототипа КПД падает до нуля.

К техническому результату изобретения можно отнести эффект функционально-удобной смены движения рук на противоположное в любой точке цикла работы и без в мертвых точек A и E.

На фиг.4 изображена расчетная схема при применении узла (2) прототипа в изобретении. ML=34 см - общепринятое перемещение мускульной силы (P) по антропологическим соображениям.

TC=10 см - перемещение шатуна прототипа.

RN=10×0,5п=15,7 см - перемещение шатуна (14) изобретения.

a=71,4 см - размер прототипа;

b=0,5п×21=33 см = размер изобретения;

c=21 см - размер прототипа.

ML=LM=P

RN=NR=P×a/b - усилие на шатун (14) от силы (P);

P - мускульное усилие на рукоятку (13);

a, b, c - длина рычагов сил;

Q=RN×r/l;

Q - поперечная сила от звездочек (22, 23) на ветви цепи (9, 10) в их плоскости;

r - радиус приводной звездочки (6);

l - длина шатуна.

Поперечная сила Q может восприниматься ветвями цепи (9, 10) или дополнительно установленной направляющей известным способом. Если в изобретении ожидаемое увеличение продолжительности периода работы без утомления подтвердится и увеличится в пределах 120-150%, например, испытанием опытной полезной модели, то востребованность такого мускульного привода значительно возрастет. А дальнейшее более рациональное использование химического топлива мускульными мышцами будет означать увеличение земных энергетических ресурсов без дополнительных затрат.

Изготовление всех элементов узлов изобретения не представляет сложности и может быть серийным. Наиболее сложными в изготовлении можно считать трещотки (24, 25), установленные на консолях (19), но подобное решение уже серийно освоено промышленностью, например ключи накидные трещоточные разных размеров.

К техническому результату можно отнести «расширение ассортимента технических средств определенного назначения». Но они по данной заявке слишком многочисленны, чтобы изложить все. Это применимость в нескольких областях техники на территории всего земного шара. Это экология, напольный транспорт в малых и крупных городах. А также в отдаленных малонаселенных районах, где есть необходимость использования дополнительной электроэнергии, возобновляемой мускульной энергией. Использование изобретения возможно здоровым населением планеты и инвалидами.

Так как изобретение расширяет область применения оборудования медтехники, то в соответствии с Правилами [7] к новым свойствам технического результата можно отнести решение вопросов:

- вспомогательных услуг (7, правило 4);

- занятости (7, правило 7);

- поддержание доходов и социальное обеспечение (7, правило 8);

- отдыха и спорта (7, правило 11) и ряда других.

«Государствам следует поддерживать разработку, производство, распределение и обслуживание вспомогательных устройств и оборудования и распространение о них информации (7, правило 4 п.2)».

Литература

1. Беретов И.С. Общая физиология мышечной и нервной системы. - М.: Медгиз, 1959, с.219-223.

2. Бэгшоу К. Мышечные сокращения. - М:. Мир, 1985, с.6.

3. Патент RU N 2000094, кл. A61G 5, публ. 07.09.93.

4. Виноградова О.Л. и др. Расход мышечного гликогена при кратковременной работе высокой интенсивности в зависимости от его исходного содержания. Физиология человека. 1991, т.17, №3, с.73-78.

5. Коряк Ю.Л. Сократительные свойства передней большеберцовой мышцы у спортсменов разных специализаций и неспортсменов. Физиология человека. 1991, т.17, №2, с.82-88.

6. Кресло колясное ДККС-2-07. Паспорт ДАУ 2.945.062 ПС Кировоград.

7. Стандартные правила обеспечения равных возможностей для инвалидов. Резолюция 48/96 Генеральной Ассамблеи ООН. 20 декабря 1993 г.

Реферат

Изобретение относится к мускульному приводу. Мускульный привод содержит раму и укрепленные на ней, по крайней мере, одну приводную звездочку или шкив, соединенную с приводным валом через обгонную муфту, и другую опорную звездочку, огибаемые противолежащими ветвями гибкой тяги, например, цепи с расположенным между ними совершающим возвратно-поступательные движения шатуном, установленным на рычаге с рукояткой для приложения мускульной силы. Привод содержит узел, в котором на шатуне укреплены консоли, на них установлены охватывающие противолежащие ветви цепи по одному ограничителю и по одной звездочке с трещеткой как обгонной муфтой, попеременно замыкающимися при изменении направления хода шатуна. Обеспечивается более равномерное распределение мускульных усилий по ходу рукоятки и увеличение КПД привода. 4 ил.

Формула