устройство для крепления обуви к спортивному снаряду

Формула изобретения

1. Устройство для крепления обуви к спортивному снаряду, включающее фиксатор носка и фиксатор пятки ботинка, выполненный в виде шарнирного механизма, закрепленного одним концом на пятке ботинка, а другим на спортивном снаряде, отличающееся тем, что шарнирный механизм состоит, по меньшей мере, из четырех последовательно соединенных звеньев цилиндрического шарнира, образующих, по меньшей мере, одну цепь звеньев вращательных кинематических пар.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оси вращательных кинематических пар параллельны между собой.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем что, оси вращательных кинематических пар скрещиваются под углом друг к другу.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, на одном звене цилиндрического шарнира установлен ограничитель угла поворота.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между звеньями по меньшей мере одной вращательной кинематической пары установлен упругий элемент.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между звеньями вращательной кинематической пары установлен демпфирующий элемент.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между бандажом и пяткой ботинка дополнительно установлены звенья цилиндрического шарнира, образующие цепь звеньев вращательной кинематической пары.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что на одном из звеньев вращательной кинематической пары, установленной между бандажом и ботинком, закреплен один конец цепи звеньев вращательной кинематической пары, соединенной другим концом со спортивным снарядом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к спортивному инвентарю, в частности к креплениям для лыж, лыжероллеров и коньков.

Известны конструкции креплений [А.С. СССР №1377129, кл. А 63 С 9/18, 1988 г., Патент ФРГ №3001247, кл. А 63 С 9/20, 1985 г.] для гоночных лыж, включающие узел фиксирования носка ботинка, жестко установленный на лыже, обеспечивающий жесткое и надежное закрепление носка ботинка на верхней поверхности лыжи.

В этих конструкциях предусмотрена возможность отрыва пятки ботинка от лыжи в конце фазы отталкивания, вертикального перемещения пятки ботинка относительно лыжи и возврата в исходное положение за счет упругости подошвы. Поперечному смещению пятки ботинка относительно лыжи препятствует продольный желоб на подошве ботинка, в который входит соответствующая по размерам направляющая, жестко установленная на лыже вдоль ее продольной оси. В других конструкциях эту функцию выполняют конические выступы под пяткой ботинка, подкладки из рифленой резины и др.

Однако они не обеспечивают высокой степени управляемости лыж ввиду недостаточной жесткости соединения лыжи и пятки ботинка. Такие лыжные принадлежности после отрыва пятки ботинка от лыжи и выхода из зацепления направляющей и желоба не предотвращают поперечного смещения и скручивания пятки ботинка относительно жестко зафиксированного носка ботинка и лыжи. Возможность поперечного смещения и скручивания пятки ботинка приводит к значительным напряжениям в голеностопе спортсмена и увеличивает вероятность травм. Для ограничения поперечного смещения и скручивания пятки ботинка относительно жестко зафиксированного на лыже носка ботинка увеличивают жесткость подошвы ботинка, а для уменьшения скручивающих усилий на голеностоп увеличивают высоту и жесткость голенища (сапожка) ботинка. Однако это приводит к ухудшению подвижности суставов ступни и снижению эффективности передвижения на лыжах вследствие уменьшения возможных технических приемов и стилей передвижения, к затруднению сгибания-разгибания стопы и голеностопа во время отталкивания, уменьшает силу отталкивания.

Поэтому известные конструкции креплений исходят из компромисса этих противоречий. Для различных стилей передвижения на лыжах используются разные конструкции креплений и обуви. В жертву приносится то или иное качество. Например, для классического хода на лыжах применяют низкие мягкие лыжные ботинки, что обеспечивает хорошую подвижность суставов голеностопа, но приводит к увеличению напряжений в ступне на спусках и поворотах, а для "конькового" хода высокие жесткие ботинки, что увеличивает торсионную жесткость, уменьшает скручивающие усилия, действующие на голеностоп, но ухудшает подвижность суставов ступни.

В конструкции с размещением на подошве ботинка продольного желоба требуется толстая (высокая) подошва ботинка, однако это ухудшает устойчивость лыжника, увеличивает вероятность травм, особенно при прохождении поворотов.

Известна другая конструкция лыжных креплений [Патент Франции №2655870, кл. А 63 С 9/00, 1991 г.], имеющая узел фиксирования носка ботинка и узел фиксирования его пятки. Узел фиксирования пятки включает жестко установленные на лыже цилиндры и входящие в них одним концом подвижные штоки, установленные крест накрест между собой и диагонально к продольной и поперечной осям лыжи, а другим концом закрепленные сзади на бандаже, опоясывающем голень.

Такая конструкция обеспечивает перемещение пятки ботинка только в вертикальной плоскости по радиусу вверх-вниз. Однако на диагонально установленные штоки действуют не только продольные, но и поперечные силы. Это приводит к деформированию штоков и заеданию их в цилиндрах, а следовательно, к прекращению нормального функционирования устройства.

Известно устройство для крепления обуви к спортивному снаряжению [Патент России №2229916, кл. А 63 С 9/084, 2001 г., прототип], включающее фиксатор носка ботинка и фиксатор пятки с шарнирным механизмом, выполненным в виде кривошипно-ползунного узла, установленным одним концом на спортивном снаряде, а другим на пятке ботинка.

Такое выполнение шарнирного механизма обеспечивает перемещение пятки ботинка только в вертикальной продольной плоскости лыжи по радиусу вверх-вниз без поперечного смещения и скручивания, обеспечивает приложение усилий к ползунам только вдоль продольных осей их направляющих, исключает деформацию направляющих и заедание ползунов.

Однако ползуны и направляющие изготавливают из высококачественных дорогостоящих материалов, и для обеспечения их нормальной работы требуется высокая точность изготовления. При эксплуатации необходима надежная защита ползунов и направляющих от инородных абразивных частиц, от влажного снега, который может смерзнуться, что приведет к поломке механизма.

Кроме того, при значительном перемещении пятки ботинка по радиусу вверх - вперед каблук ботинка может задевать и деформировать силовые рычаги кривошипно-ползунного механизма и препятствовать их нормальной работе.

Еще одним недостатком данной конструкции является низкая торсионная жесткость пяточной части ботинка, расположенной между подошвой ботинка и бандажом, опоясывающим голень. Эта жесткость зависит от жесткости сапожка и жесткости подошвы ботинка. Попытка увеличить торсионную жесткость приводит к затруднению сгибания - разгибания голеностопа.

Размещение кривошипно-ползунного механизма сзади ботинка обуславливает возникновение момента сил вокруг вертикальной оси, который вызывает поворот спортивного снаряда в горизонтальной плоскости при поперечном наклоне голени (момент - поперечная сила, приложенная к бандажу, на горизонтальное плечо между бандажом и точкой крепления кривошипно-ползунного механизма к спортивному снаряду). Возникновение такого момента сил с вынужденным горизонтальным поворотом спортивного снаряда при выполнении фазы отталкивания может быть рационально, например, при движении лыжника в подъем коньковым ходом, но на равнинных участках и на спусках, более рационален поворот спортивного снаряда в противоположном направлении.

Целью изобретения является повышение эффективности устройства для крепления обуви к спортивному снаряжению и повышение надежности его работы за счет упрощения конструкции и исключения ползунов и направляющих, ограничения свободы поперечного перемещения и скручивания пятки ботинка относительно бандажа, закрепленного на голени, - увеличение торсионной жесткости пятки ботинка, увеличения возможного сектора перемещения пятки ботинка по радиусу вверх-вперед.

Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве для крепления обуви к спортивному снаряду, включающем жестко установленные на спортивном снаряде фиксатор носка ботинка и фиксатор его пятки в виде звеньев, шарнирно установленных одним концом на спортивном снаряде, а другим на пятке ботинка, фиксатор пятки выполнен, по меньшей мере, из четырех последовательно соединенных звеньев цилиндрического шарнира, образующих, по меньшей мере, одну цепь звеньев вращательных кинематических пар, по меньшей мере, на одном звене цилиндрического шарнира установлен ограничитель угла поворота, между звеньями, по меньшей мере, одной вращательной кинематической пары установлен упругий элемент, а также между звеньями вращательной кинематической пары установлен демпфирующий элемент, при этом оси вращательных кинематических элементов могут быть параллельны или скрещиваться под углом друг к другу, а по меньшей мере, одна цепь звеньев вращательных кинематических пар, которая шарнирно закреплена одним концом на спортивном снаряде, другим концом закреплена на звене дополнительной вращательной кинематической пары, шарнирно установленной между ботинком и бандажом, охватывающим голень.

Такое выполнение фиксатора пятки повышает эффективность работы устройства для крепления обуви к спортивному снаряду, увеличивает торсионную жесткость пятки ботинка относительно бандажа голени, упрощает конструкцию и уменьшает количество элементов, повышает надежность работы, расширяет диапазон возможного применения спортивного снаряда.

В условиях, когда в конце фазы отталкивания упругости подошвы ботинка недостаточно для возврата пятки ботинка в исходное положение, упругий элемент, установленный между звеньями вращательных пар, обеспечивает необходимую силу и скорость возврата пятки ботинка в исходное положение. Наличие демпфера снижает вертикальные ударные нагрузки на голеностоп при приземлении на жесткую трассу.

Возможно изготовление осей вращательных кинематических звеньев параллельно друг другу и скрещивающимися под углом друг к другу. Такая конструкция обеспечивает встречные компенсирующие скручивающие усилия, возникающие в конце фазы отталкивания "коньковым" ходом в системе "голеностоп - цилиндрический шарнир - спортивный снаряд", и обеспечивает положение спортивного снаряда под рациональным углом относительно трассы.

На фиг.1 показана структурная кинематическая схема устройства для крепления обуви к спортивному снаряду с четырехзвенным цилиндрическим шарниром, образующим одну цепь звеньев вращательной кинематической пары, закрепленной одним концом на бандаже голени, а другим на спортивном снаряде.

На фиг.2 показана структурная кинематическая схема устройства для крепления обуви к спортивному снаряду с многозвенным цилиндрическим шарниром, образующим одну цепь звеньев вращательных кинематических пар, закрепленную одним концом на бандаже голени, а другим на спортивном снаряде.

На фиг.3 показана структурная кинематическая схема устройства для крепления обуви к спортивному снаряду с четырехзвенным цилиндрическим шарниром, образующим цепь звеньев вращательной кинематической пары, установленных между бандажом и спортивным снарядом спереди ботинка.

На фиг.4 показана структурная кинематическая схема устройства для крепления обуви к спортивному снаряду с четырехзвенным цилиндрическим шарниром, образующим цепь звеньев вращательной кинематической пары, установленных между пяткой ботинка и спортивным снарядом спереди ботинка.

На фиг.5 показана структурная кинематическая схема устройства для крепления обуви к спортивному снаряду с двумя четырехзвенными цилиндрическими шарнирами, образующими две цепи звеньев вращательной кинематической пары, установленных между бандажом и спортивным снарядом спереди и сзади ботинка.

На фиг.6 показана структурная кинематическая схема устройства для крепления обуви к спортивному снаряду с четырехзвенным цилиндрическим шарниром и многозвенным цилиндрическим шарниром, образующими две цепи звеньев вращательной кинематической пары, установленными между бандажом и спортивным снарядом спереди и сзади ботинка.

На фиг.7 показана структурная кинематическая схема устройства для крепления обуви к спортивному снаряду с двумя цилиндрическими шарнирами, образующими две цепи звеньев вращательных кинематических пар, одна из которых шарнирно закреплена одним концом сзади ботинка на спортивном снаряде и другим концом на звене вращательной кинематической пары, шарнирно установленной между ботинком и бандажом, а вторая цепь закреплена спереди ботинка между бандажом и ботинком.

На фиг.8 показана структурная кинематическая схема устройства для крепления обуви к спортивному снаряду с двумя цепями цилиндрических шарниров, образующих две цепи звеньев вращательных кинематических пар, одна из которых многозвенная и одним концом закреплена на спортивном снаряде сзади ботинка и другим концом на звене вращательной кинематической пары, шарнирно установленной между ботинком и бандажом, а другая цепь установлена спереди ботинка, между бандажом и спортивным снарядом.

На фиг.9 показана структурная кинематическая схема устройства для крепления обуви к спортивному снаряду с цилиндрическим шарниром, образующим цепь звеньев вращательной кинематической пары, шарнирно закрепленную с внутренней и внешней стороны ботинка между пяткой ботинка и спортивным снарядом.

На фиг.10 показана структурная кинематическая схема устройства для крепления обуви к спортивному снаряду с двумя цепями звеньев вращательных кинематических пар, шарнирно установленных между бандажом, спортивным снарядом и ботинком спереди и сзади ботинка.

На фиг.11 показан общий вид устройства для крепления обуви к спортивному снаряду, выполненного по структурной кинематической схеме, представленной на фиг.2, в поднятом положении пятки ботинка.

На фиг.12 показан общий вид устройства для крепления обуви к спортивному снаряду, выполненного по структурной кинематической схеме, представленной на фиг.2, в положении пятки ботинка на спортивном снаряде.

На фиг.13 показан общий вид устройства для крепления обуви к спортивному снаряду, выполненного по структурной кинематической схеме, представленной на фиг.8, в поднятом положении пятки ботинка.

На фиг.14 показан общий вид устройства для крепления обуви к спортивному снаряду, выполненного по структурной кинематической схеме, представленной на фиг.8, в положении пятки ботинка на спортивном снаряде.

Устройство для крепления обуви к спортивному снаряду включает (фиг.1) фиксатор 1 носка ботинка 2 и цепь звеньев цилиндрического шарнира: 3 - входное звено, закрепленное на бандаже 4, охватывающем голень 4а, звено 5 - коромысло; звено 6 - коромысло; выходное звено 7, установленное на спортивном снаряде 8. При этом выходное звено 7 может быть установлено на спортивном снаряде 8 сзади ботинка 2 (фиг.1.) Оси кинематических пар цилиндрического шарнира могут быть параллельны между собой или скрещиваться под углом друг к другу. Кинематические пары цилиндрического шарнира снабжены (фиг.11) ограничителями угла поворота 16, между ними может быть установлен упругий элемент 17, и может быть установлен демпфирующий элемент 18 или элемент, способный совмещать все эти функции одновременно.

Вариантом выполнения (фиг.2) цилиндрического шарнира является последовательное соединение нескольких кинематических пар в одну цепь - 4-3-5-6...6-7-8, связывающих бандаж 4 и спортивный снаряд 8.

Другим вариантом выполнения (фиг.3) цилиндрического шарнира является установка выходного звена 11 спереди ботинка 2.

Такой же вариант (фиг.4) установки цилиндрического шарнира, но с закреплением входного звена к пятке 15 ботинка 2.

Вариантом выполнения (фиг.5) является применение, например, двух цепей звеньев цилиндрических шарниров 4-3-5-6-7-8 и 4-9-10-11-1-8, связывающих бандаж 4 и спортивный снаряд 8.

Вариантом выполнения (фиг.6) является применение, например, двух цепей звеньев цилиндрических шарниров 4-3-5-6...6-7-8 и 4-9-10-11-12-8, соединяющих бандаж 4 и спортивный снаряд 8.

Еще одним вариантом (фиг.7) выполнения цилиндрического шарнира является размещение цепи звеньев 13-14 между бандажом 4 и пяткой 15 ботинка 2. При этом на шатуне 14 закреплено звено 5 цепи звеньев 5-6-7-8.

Другие варианты, представленные на фиг.8-10, являются примерами комбинаций вышеперечисленных вариантов выполнения шарнирного механизма, связывающего бандаж 4, ботинок 2 и спортивный снаряд 8.

Устройство для крепления обуви к спортивному снаряду работает следующим образом.

Фиксатор 1 закрепляет носок ботинка 2 на спортивном снаряде 8 и предотвращает его поперечные и продольные смещения и скручивание, обеспечивая при этом вращение ботинка в вертикальной плоскости вокруг поперечной оси фиксатора 1 во время отталкивания. При вращении ботинка (в фазе отталкивания и при подъеме пятки 15) звенья 6 и 5 вращательной кинематической пары поворачиваются вокруг своих осей с изменением угла взаимного положения, обеспечивая тем самым свободный подъем пятки 15 ботинка 2 и предотвращая его поперечные смещения и скручивание. Такой вариант шарнирного механизма (фиг.1) может быть использован для условий, в которых не требуется высокого подъема пятки 15 ботинка 2, например для прыжков на лыжах с трамплина, для конькового хода в лыжных гонках и т.д.

Для обеспечения более высокого подъема пятки 15 ботинка 2 и предотвращения его поперечных смещений и скручивания, например, в лыжных гонках классическим стилем, для телемарка и т.д., применяют последовательное соединение нескольких вращательных кинематических пар, связывающих бандаж 4 и спортивный снаряд 8 (фиг.2). Это обеспечивает большую длину шарнирного механизма в растянутом положении (фиг.11) и меньшие габариты в сжатом положении (фиг.12), в сравнении с четырехзвенным механизмом (фиг.1).

Размещение звеньев 4-3-5-6-7-8 цилиндрического шарнира в виде одной цепи сзади ботинка 2 (фиг.1, 2), обуславливает возникновение момента сил вокруг вертикальной оси, который вызывает поворот спортивного снаряда 8 в горизонтальной плоскости при поперечном наклоне голени (поперечная сила, приложенная к бандажу 4, на горизонтальное плечо между звеньями 3 и 7). Возникновение такого момента сил с горизонтальным поворотом спортивного снаряда 8 при выполнении фазы отталкивания, может быть рационально, например, при движении лыжника в подъем коньковым ходом.

Размещение звеньев 4-9-10-11-1 цилиндрического шарнира в виде одной цепи только спереди ботинка (фиг.3) вызывает поворот спортивного снаряда 5 в горизонтальной плоскости в противоположную сторону, что обеспечивает рациональные условия, например, при движении лыжника коньковым ходом на спуске и на равнинных участках трассы - увеличивает возможную длину проката на каждой лыже.

Для уменьшения или исключения момента таких горизонтальных сил возможно размещение шарниров в виде двух цепей 4-3-5-6-7-8 сзади ботинка и 4-9-10-11-1 спереди ботинка (фиг.5, 6). Такая конструкция рациональна на мягких трассах, когда важно обеспечить прямолинейное движение спортивного снаряда для уменьшения сил сопротивления движению.

Выполнение осей вращения кинематических пар параллельно друг другу обеспечивает плоскопараллельное движение бандажа 4, охватывающего голень, ботинка 2 и спортивного снаряда 8. Плоскопараллельное движение бандажа 4, ботинка 2 и спортивного снаряда 8 рационально при средней жесткости трассы. Оно обеспечивает надежный контроль движения спортивного снаряда 8 и предотвращает вредные боковые проскальзывания спортивного снаряда 8 по трассе при движении лыжника, например, коньковым ходом.

Выполнение осей вращения кинематических пар скрещивающимися под углом друг к другу обеспечивает при движении звеньев увеличение или уменьшение относительного угла наклона в поперечной плоскости бандажа 4, ботинка 2 и спортивного снаряда 8.

При наклоне голени с бандажом 4 в поперечной плоскости (выполнение фазы отталкивания при коньковом ходе) на жесткой льдистой трассе рационально увеличение угла наклона спортивного снаряда 8 в конце фазы отталкивания, так как больший угол наклона спортивного снаряда 8 к поверхности трассы предотвращает боковое соскальзывание спортивного снаряда 8 и предотвращает возможное снижение скорости его скольжения.

При наклоне голени с бандажом 4 в поперечной плоскости (выполнение фазы отталкивания при коньковом ходе) на мягкой трассе рационально уменьшение угла наклона спортивного снаряда 8 в конце фазы отталкивания, так как меньший угол наклона спортивного снаряда 8 обеспечивает большую площадь контакта спортивного снаряда 8 с трассой, уменьшает ее деформации и, следовательно, уменьшает силы сопротивления движению.

Для обеспечения торсионной жесткости связи пятки 15 ботинка 2 и бандажа 4, предотвращения их взаимных поперечных смещений и уменьшения сил, действующих на голеностоп, применяют дополнительный цилиндрический шарнир, образованный цепью звеньев вращательной кинематической пары 13-14, установленной между пяткой 15 ботинка 2 и бандажом 4 (фиг.7). Дополнительный цилиндрический шарнир исключает также возможность пересечения траекторий движения пятки 15 ботинка 2 и цепи звеньев 4-3-5-6-7-8 и нарушения из-за этого работоспособности устройства при большой высоте подъема пятки 15.

Для ограничения диапазона углов поворота кинематических пар при подъеме пятки 15 ботинка 2 звенья сопряженных пар снабжены ограничителями угла поворота 16, например, в виде выступов и ответных отверстий. Ограничитель диапазона углов поворота 16 необходим для надежного возврата звеньев кинематических пар в исходное положение при подъеме и опускании пятки 15 ботинка 2.

Для возврата звеньев кинематических пар в исходное положение между ними установлен упругий элемент 17, например, в виде пружины установленной на оси кинематической пары и двумя свободными концами, опирающимися на смежные звенья. Упругий элемент 17 может быть настроен на сжатие смежных звеньев между собой или, наоборот, на их растяжение-отталкивание.

Настройку упругого элемента на сжатие применяют, например, в лыжных гонках для возврата поднятой пятки ботинка к лыже. Настройку на растяжение применяют, например, в прыжках на лыжах с трамплина для использования потенциальной энергии сжатой пружины дополнительно к силе отталкивания лыжника на столе отрыва и затем для смягчения удара лыжи о трассу при приземлении.

Для смягчения удара лыжи о трассу при приземлении между звеньями кинематических пар устанавливают демпфирующий элемент, выполненный, например, в виде сильфона. Сильфон может выполнять одновременно функцию ограничителя угла поворота звеньев кинематической пары, функцию упругого элемента и функцию демпфера.

Перед началом движения, например, на лыжах спортсмен фиксирует носок ботинка 2 в фиксаторе 1 и закрепляет бандаж 4 на голени с помощью защелки. При этом лента защелки плотно облегает голень и жестко фиксирует положение бандажа 4 относительно голени.

В начальной фазе отталкивания в положении, когда каблук ботинка 2 опирается на лыжу 8, любой боковой наклон голени вызывает соответствующий наклон кронштейна 3, а с него усилия передаются через шарнирные звенья 5 и 6 на кронштейн 7 и приводят к его наклону вместе с лыжей 8 в ту же сторону. Это предотвращает скручивание голеностопа относительно жестко зафиксированного на лыже носка ботинка 1 и уменьшает нагрузки на голеностоп спортсмена.

В конце фазы отталкивания происходит отрыв каблука ботинка 2 от лыжи 8. При этом шарнирные звенья 5 и 6 поворачиваются и вытягиваются вверх. Опускание каблука 15 ботинка 2 на лыжу 8 приводит к сжатию шарнирных звеньев 5 и 6.

Упругий элемент 13 при отрыве каблука ботинка 2 от лыжи 8 деформируется и по окончании фазы отталкивания возвращает каблук в исходное положение на лыже 8.

Таким образом, предложенное устройство для крепления обуви к спортивному снаряду повышает эффективность работы, упрощает конструкцию и уменьшает количество элементов, повышает надежность работы, расширяет диапазон возможного применения спортивного снаряда.