Велосипедная втулка с внутренним переключением передач

 

Изобретение относится к планетарным передачам, встроенным во втулку колеса велосипеда. В велосипедной втулке (10) в процессе переключения передач в сторону повышенной передачи мощность передается от ведущего элемента (22) на обойму (43) через вторую одностороннюю муфту (51) без участия муфты (45) сцепления. В процессе переключения передач в сторону пониженной передачи переключатель (49), установленный с возможностью поворота на оси (21) втулки, упирается в кулачковую поверхность (47) муфты (45) сцепления. При этом передаваемое муфте (45) сцепления приводное вращающее усилие преобразуется во вспомогательное усилие в осевом направлении муфты (45) сцепления для смещения муфты (45) сцепления даже при наличии большого сопротивления отключению первой односторонней муфты (50) или муфты (45) сцепления. Предлагаемое техническое решение обеспечивает легкость переключения передач даже при передаче приводного усилия во время движения. 18 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к велосипедной втулке, и в частности к втулке с внутренним переключением передач, которая может быть смонтирована на раме велосипеда для передачи мощности от входного элемента выходному элементу с определенным выбранным передаточным отношением зубчатой передачи.

Велосипеды, и особенно прогулочные велосипеды, которые называют также городскими, недороги и легки в управлении и поэтому широко используются для поездок на работу, в школу, за покупками. В велосипедах такого типа на заднем колесе иногда монтируется велосипедная втулка с внутренним переключением передач для того, чтобы ездить с большой скоростью по ровной местности или подниматься по склону с минимальной затратой усилий.

Велосипедная втулка с внутренним переключением передач обычно включает укрепленную на раме велосипеда ось втулки, корпус втулки, который может вращаться вокруг оси втулки, механизм планетарной передачи (планетарный механизм), размещенный внутри корпуса втулки, механизм переключения для выбора одного из множества трактов силовой передачи с введенным в него планетарным механизмом, и коленчатый рычаг для перемещения муфты сцепления (см. например, патент РФ 2019467, опубл. 15.04.94, МПК В 62 М 11/16). Эта конструкция является наиболее близкой и принята в качестве прототипа. Механизм переключения содержит муфту сцепления для переключения трактов силовой передачи посредством перемещения в осевом направлении и толкающий шток, который толкает муфту сцепления. Для управления переключением передач коленчатый рычаг связан, например, посредством тягового троса управления с рычагом переключения, смонтированным на руле.

В такой велосипедной втулке с внутренним переключением передач приведение в действие рычага переключения вызывает намотку и натяжение внутреннего троса тягового троса управления, что вызывает воздействие коленчатого рычага на толкающий шток, смещение муфты сцепления в одном осевом направлении и переключение передачи от более высокой на более низкую ступень скорости. Однако, когда внутренний трос ослабляется, муфта сцепления не может быть смещена в другую сторону одним только толкающим штоком. Соответственно, используется смещающее усилие возвратной пружины или т.п. для смещения муфты сцепления в другом осевом направлении и переключения зубчатой передачи, например, с более низкой на более высокую ступень скорости.

В описанной выше известной велосипедной втулке с внутренним переключением передач во время движения, когда велосипед приводится в движение педалями с приложением большого приводного усилия, между муфтой сцепления и частями, образующими планетарный механизм, создается большое сопротивление. В частности, когда прикладывается приводное усилие, увеличивается фрикционное усилие во взаимодействующих частях муфты сцепления и планетарного механизма, что затрудняет переключение зубчатых элементов посредством смещения муфты сцепления.

Для предотвращения этого муфта сцепления должна быть продвинута с достаточной силой, чтобы преодолеть фрикционные силы, когда внутренний трос натягивается и муфта сцепления подталкивается толкающим штоком, и это означает, что при намотке троса управления требуется более высокое усилие. Упругое усилие возвратной пружины также должно быть достаточно большим, чтобы преодолеть фрикционные силы, когда трос управления ослабляется, и муфта сцепления смещается обратно возвратной пружиной. Однако, если увеличить усилие возвратной пружины, то на толкающий шток нужно будет передавать усилие больше, чем усилие возвратной пружины, так что более высокое усилие потребуется при намотке внутреннего троса рычагом переключения.

Следовательно, необходимо повышенное усилие воздействия на рычаг переключения для того, чтобы обеспечить переключение передач независимо от направления переключения в положении, когда во время движения передается приводное усилие. По этой причине применительно к втулке с внутренним переключением передач трудно осуществлять переключение передач с небольшим рабочим усилием при работе педалями, когда передается приводное усилие.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является обеспечение переключения передач в любом направлении и с легким рабочим усилием во втулке, даже когда приводное усилие приложено во время движения.

Велосипедная втулка с внутренним переключением передач в соответствии с изобретением представляет собой втулку, которая может быть смонтирована на раме велосипеда и в которой мощность от входного элемента передается на выходной элемент с определенным выбранным передаточным отношением; эта втулка включает ось втулки, ведущий элемент, трубчатый ведомый элемент, планетарный механизм, первую одностороннюю муфту, вторую и третью односторонние муфты, трубчатую муфту сцепления и элемент управления переключением. Ось втулки может быть зафиксирована на раме. Ведущий элемент установлен с возможностью вращения вокруг оси втулки и связан с входным элементом. Ведомый элемент выполнен с внутренней полостью, установлен с возможностью вращения вокруг оси втулки и связан с выходным элементом. Планетарный механизм размещен во внутренней полости ведомого элемента, передает мощность от ведущего элемента на ведомый и содержит центральную шестерню, выполненную заодно с осью втулки коаксиально ей, сателлит, входящий в зацепление с центральной шестерней, водило, на котором установлен сателлит с возможностью его вращения и которое установлено с возможностью его вращения вокруг оси втулки, и кольцевую шестерню (эпицикл или обойму), которая установлена с возможностью вращения вокруг оси втулки и зацепления с сателлитом на его внешней стороне. Первая односторонняя муфта расположена между обоймой и ведомым элементом, может передавать мощность только в одном направлении и может переключаться между состояниями передачи мощности и разрыва передачи мощности в состоянии под нагрузкой передаваемой мощности. Вторая и третья односторонние муфты расположены соответственно между ведущим элементом и обоймой и между водилом и ведомым элементом и передают мощность только в одном направлении. Муфта сцепления установлена на оси втулки с возможностью вращения и смещения в осевом направлении, и переключает посредством своего перемещения в осевом направлении ведущий элемент и водило между положением сцепления и положением расцепления, а также переключает первую одностороннюю муфту между состояниями передачи мощности и разрыва передачи мощности. Элемент управления переключением перемещает муфту сцепления в осевом направлении и взаимодействует с муфтой сцепления с возможностью преобразования вращающего приводного усилия муфты сцепления в ее перемещение в осевом направлении.

В этой втулке с внутренним переключением передач при вращении входного элемента в одном направлении и установке муфты сцепления с помощью элемента управления переключением в позицию пониженной передачи, в которой она отсоединяет ведущий элемент от водила и переводит первую одностороннюю муфту в состояние разрыва передачи мощности, вращение подается на обойму через ведущий элемент и вторую одностороннюю муфту и снимается с водила через планетарный механизм с понижением скорости на величину, определяемую отношением (число зубьев обоймы) : (число зубьев центральной шестерни + число зубьев обоймы). Это вращение с понижением передается через третью одностороннюю муфту от водила на ведомый элемент, и выходной элемент вращается в том же направлении с пониженной скоростью.

При вращении входного элемента в одном направлении и установке муфты сцепления с помощью элемента управления переключением в позицию прямой передачи, в которой она разделяет ведущий элемент и водило и переводит первую одностороннюю муфту в состояние передачи мощности, вращение передается на обойму через ведущий элемент и вторую одностороннюю муфту, при этом вращение от ведущего элемента передается на ведомый элемент через первую одностороннюю муфту, и выходной элемент вращается с той же скоростью в том же направлении.

При вращении входного элемента в одном направлении и установке муфты сцепления с помощью элемента управления переключением в позицию повышенной передачи, в которой она обеспечивает непосредственную связь ведущего элемента с водилом и переводит первую одностороннюю муфту в состояние передачи мощности, вращение передается на водило через ведущий элемент и муфту сцепления и снимается с обоймы через планетарный механизм с повышением скорости на величину, определяемую отношением (число зубьев центральной шестерни + число зубьев обоймы) : (число зубьев обоймы). Это вращение с повышением передается через первую одностороннюю муфту от обоймы на ведомый элемент, и выходной элемент вращается в том же направлении с повышенной скоростью.

При этом, когда муфта сцепления переводится из позиции пониженной передачи в позицию повышенной передачи через позицию прямой передачи, то даже если вращение подается на муфту сцепления, она будет просто свободно вращаться без передачи вращающего усилия, так что для перемещения муфты сцепления в этом направлении требуется очень небольшое усилие. В обратном случае, когда муфта сцепления переводится из позиции повышенной передачи в позицию прямой передачи, фрикционное сцепление между муфтой сцепления и водилом делает более затруднительным отсоединение муфты сцепления от водила, а когда муфта сцепления смещается из позиции прямой передачи в позицию пониженной передачи, происходит передача вращающего приводного усилия через первую одностороннюю муфту, которая соединяет водило с корпусом втулки, что делает затруднительным разрыв передачи мощности. Однако при взаимодействии элемента управления переключением с муфтой сцепления вращающее приводное усилие муфты сцепления преобразуется в смещение в осевом направлении, создается вспомогательное усилие, и вращающее приводное усилие велосипеда используется муфтой сцепления для облегчения ее перемещения в осевом направлении. Соответственно, требуется меньшее усилие для смещения муфты сцепления из позиции повышенной передачи в позицию пониженной передачи. Таким образом, переключение передач может осуществляться в любом направлении с небольшим усилием управления даже при передаче приводного усилия во время движения.

В соответствии со вторым исполнением изобретения в велосипедной втулке с внутренним переключением передач, как она описана в первом исполнении, элемент управления переключением выполнен в виде примыкающей к оси втулки направляющей поверхности, переключателя для перемещения муфты сцепления в осевом направлении посредством его перемещения по направляющей поверхности, и толкающего элемента для передачи давления на переключатель, а муфта сцепления установлена с возможностью ударного контакта с переключателем и снабжена расположенной наклонно к оси втулки кулачковой поверхностью для преобразования вращающего приводного усилия в перемещение в осевом направлении при вращении в одном направлении при ударном контакте с переключателем.

В данном случае, когда переключатель вступает в ударный контакт с кулачковой поверхностью муфты сцепления, вследствие ее вращения в одном направлении он следует по кулачковой поверхности, и вращающее приводное усилие преобразуется в перемещение муфты сцепления в осевом направлении. Соответственно, с помощью простой конструкции достигается преобразование вращающего приводного усилия в перемещение в осевом направлении.

В соответствии с третьим исполнением изобретения в велосипедной втулке с внутренним переключением передач, как она описана во втором исполнении, ось втулки снабжена прорезью, выполненной насквозь через ось втулки и закрученной по спирали в противоположном направлении относительно первого направления, а направляющая поверхность образована частью поверхности сквозной прорези и наклонена под определенным углом к оси втулки.

В данном исполнении, поскольку направляющая поверхность сквозной прорези имеет наклон относительно оси и закручена по спирали в направлении, противоположном первому направлению, то когда муфта сцепления вращается в первом направлении, а переключатель следует вверх по кулачковой поверхности, он прижимается кулачковой поверхностью к направляющей поверхности по всей длине своей части контакта с последней, и отойти в осевом направлении переключателю труднее, чем муфте сцепления. Далее, когда передается особенно большое приводное усилие, в осевом направлении скорее сместится переключатель, а не муфта сцепления, так что в этом положении, когда приводное усилие слишком велико, переключения передачи не произойдет, и это снижает ударные нагрузки при переключении передач и предотвращает повреждения частей механизма силовой трансмиссии вследствие повышенного приводного усилия.

В соответствии с четвертым исполнением изобретения в велосипедной втулке с внутренним переключением передач, как она описана в третьем исполнении, прорезь с направляющей поверхностью наклонена к оси втулки под углом, лежащим в пределах от 10 до 50^o. Если угол наклона будет меньше 10^o, то переключатель будет иметь тенденцию к отходу в осевом направлении при прижиме к кулачковой поверхности. Однако, если угол будет больше 50^o, то при передаче давления на переключатель толкающим элементом сопротивление будет велико, и потребуется более высокое усилие управления для переключения передач.

В соответствии с пятым исполнением изобретения в велосипедной втулке с внутренним переключением передач, как она описана в третьем или четвертом исполнении, угол наклона кулачковой поверхности муфты сцепления относительно оси втулки больше угла наклона прорези и заключен в пределах от 20 до 70^o. В результате того, что угол наклона кулачковой поверхности больше угла наклона прорези, угол направляющей поверхности, по которой перемещается переключатель, оказывается меньше угла наклона кулачковой поверхности при ударном контакте переключателя с муфтой сцепления, так что переключатель может отойти назад от кулачковой поверхности. Если угол наклона будет меньше 20^o, то наклон будет слишком крутым, и вращающее приводное усилие не может быть эффективно преобразовано в перемещение в осевом направлении, но если угол будет превышать 70^o, то наклон будет слишком пологим, и не будет достигнуто достаточное смещение в осевом направлении, и даже если вращающее приводное усилие будет преобразовано в перемещение в осевом направлении, муфту сцепления будет трудно отделить от водила, а следовательно, трудно будет перевести первую одностороннюю муфту из состояния передачи мощности в состояние разрыва передачи мощности.

В соответствии с шестым исполнением изобретения в велосипедной втулке с внутренним переключением передач, как она описана в четвертом или пятом исполнении, переключатель выполнен с треугольным поперечным сечением и расположен в сквозной прорези таким образом, что его продольное направление перпендикулярно оси втулки. В данном случае обеспечивается возможность перемещения переключателя простой формы в закрученной по спирали сквозной прорези, и это перемещение может быть ограничено фрикционными силами. В частности, когда кулачковая поверхность вступает в ударный контакт с одной из треугольных поверхностей переключателя и прижимает его, другая его поверхность контактирует с направляющей поверхностью, и фрикционные силы затрудняют перемещение переключателя в осевом направлении. Во время смещения переключателя под действием толкающего элемента только одна его поверхность находится в контакте, а другая свободна, и это снижает сопротивление во время перемещения.

В соответствии с седьмым исполнением изобретения велосипедная втулка с внутренним переключением передач, как она описана в любом из исполнений со второго по шестое, снабжена первым смещающим элементом (первой винтовой пружиной) для смещения (прижима) муфты сцепления в сторону водила, вторым смещающим элементом (второй винтовой пружиной) для смещения (прижима) переключателя в сторону муфты сцепления и третьим смещающим элементом (третьей винтовой пружиной), расположенным между переключателем и муфтой сцепления и предназначенным для отжима этих двух элементов в противоположных направлениях посредством упругой силы до ударного контакта переключателя с муфтой сцепления при толкающем воздействии на них.

Здесь, поскольку муфта сцепления прижимается в сторону водила первым смещающим элементом, когда муфта сцепления вводится в зацепление с водилом во время своего движения в сторону повышенной передачи, даже если они не находятся в положении кинематической связи, они легко могут войти в зацепление с помощью вращения муфты сцепления. Далее, поскольку переключатель прижимается в сторону муфты сцепления вторым смещающим элементом, муфта сцепления может быть надежно смещена в сторону пониженной передачи, когда она движется в ее сторону. Кроме того, поскольку переключатель и муфта сцепления отжимаются друг от друга третьим смещающим элементом, то даже если переключатель упирается в кулачковую поверхность во время переключения на пониженную передачу, переключатель и кулачковая поверхность отделятся друг от друга, если муфта сцепления отделится от водила. Соответственно, кулачковая поверхность не будет ударять по переключателю в процессе движения, и шум не будет возникать.

В соответствии с восьмым исполнением изобретения в велосипедной втулке с внутренним переключением передач, как она описана в седьмом исполнении, третий смещающий элемент выполнен в виде винтовой пружины, ограниченной до определенной общей длины. В этом случае может быть отрегулировано смещающее прижимное усилие на момент ударного контакта переключателя с муфтой сцепления. Это означает, что когда сопротивление отделению невелико, зазор между переключателем и муфтой сцепления будет равен установленной длине данного смещающего элемента, так что муфта сцепления будет позиционирована более точно.

В соответствии с девятым исполнением изобретения в велосипедной втулке с внутренним переключением передач, как она описана в седьмом или восьмом исполнении, толкающий элемент передает на переключатель давление, прижимая его к водилу. В этом случае, когда переключатель не находится под давлением, муфта сцепления находится в позиции пониженной передачи, а когда на него передается давление, она смещается из позиции прямой передачи в позицию повышенной передачи.

В соответствии с десятым исполнением изобретения в велосипедной втулке с внутренним переключением передач, как она описана в девятом исполнении, этот толкающий элемент выполнен в виде стержнеобразного элемента, а смещающие прижимные усилия трех смещающих элементов таковы, что второй смещающий элемент выполнен самым сильным, третий смещающий элемент слабее, а первый смещающий элемент слабее всех. В этом случае, когда толкающий элемент отступает в сторону, противоположную направлению его толкающего усилия, смещающее прижимное усилие второго смещающего элемента больше, чем усилия других смещающих элементов, так что муфта сцепления может быть смещена вторым смещающим элементом. Далее, поскольку смещающее усилие третьего смещающего элемента больше, чем усилие первого смещающего элемента, переключатель не так легко передаст ударное воздействие упорного усилия на муфту сцепления, когда на него давит толкающий элемент, так что муфта сцепления перемещается в сторону повышенной передачи первым смещающим элементом.

В соответствии с одиннадцатым исполнением изобретения в велосипедной втулке с внутренним переключением передач, как она описана в девятом исполнении, толкающий элемент выполнен в виде управляющего элемента, представляющего стержень определенной длины, исполнительного элемента, имеющего возможность относительного перемещения в осевом направлении на удаленном конце управляющего элемента, и смещающего элемента, расположенного между управляющим и исполнительным элементами с возможностью их отжима в противоположных направлениях, причем переключатель установлен с возможностью передачи давления на муфту сцепления в обоих осевых направлениях, смещающий элемент является первым смещающим элементом, а смещающие усилия установлены такими, что первый смещающий элемент выполнен самым сильным, второй смещающий элемент слабее, а третий смещающий элемент слабее всех.

В этом случае, поскольку смещающее усилие первого смещающего элемента больше усилия второго смещающего элемента, переключатель может быть смещен толкающим элементом в сторону повышенной передачи против действия второго смещающего элемента, так что муфта сцепления перемещается со стороны пониженной передачи в сторону повышенной передачи. В результате переключатель передает давление на муфту сцепления, и она смещается в сторону повышенной передачи. Когда толкающий элемент отступает в противоположную толкающему усилию сторону, смещающее усилие второго смещающего элемента больше усилия третьего смещающего элемента, так что муфта сцепления может быть смещена вторым смещающим элементом.

Далее, поскольку первый смещающий элемент, который имеет наибольшее усилие, вставлен в толкающий элемент, число его витков может быть увеличено, и жесткость пружины будет снижена. В результате жесткость других смещающих элементов может быть также снижена, что дает возможность снизить усилие управления в общем процессе переключения передач. Кроме того, поскольку смещающее прижимное усилие второго смещающего элемента больше усилия третьего смещающего элемента, переключатель надежно передает толкающее усилие муфте сцепления в тот момент, когда требуется вспомогательное усилие во время ее перемещения первым смещающим элементом в сторону пониженной передачи.

В соответствии с двенадцатым исполнением изобретения в велосипедной втулке с внутренним переключением передач, как она описана в седьмом или восьмом исполнении, толкающий элемент передает на переключатель давление, прижимая его к муфте сцепления. В этом случае, когда переключатель не находится под давлением, муфта сцепления находится в позиции повышенной передачи, а когда на него передается давление, она перемещается из позиции прямой передачи в позицию пониженной передачи.

В соответствии с тринадцатым исполнением изобретения в велосипедной втулке с внутренним переключением передач, как она описана в двенадцатом исполнении, толкающий элемент выполнен в виде управляющего элемента, представляющего стержень определенной длины, исполнительного элемента, имеющего возможность относительного перемещения в осевом направлении на удаленном конце управляющего элемента, и смещающего элемента, расположенного между управляющим и исполнительным элементами с возможностью их отжима в противоположных направлениях, причем переключатель установлен с возможностью передачи давления на муфту сцепления в обоих осевых направлениях, смещающий элемент является вторым смещающим элементом, а смещающие усилия установлены такими, что второй смещающий элемент выполнен самым сильным, третий смещающий элемент слабее, а первый смещающий элемент слабее всех.

В этом случае, поскольку смещающее усилие второго смещающего элемента больше усилия первого смещающего элемента, переключатель может быть смещен толкающим элементом в сторону пониженной передачи против действия второго смещающего элемента, так что муфта сцепления перемещается со стороны повышенной передачи в сторону пониженной передачи. В результате переключатель передает давление на муфту сцепления, и она смещается в сторону пониженной передачи. Кроме того, поскольку смещающее усилие второго смещающего элемента больше усилия третьего смещающего элемента, переключатель надежно передает толкающее усилие муфте сцепления в тот момент, когда требуется вспомогательное усилие во время перемещения в сторону пониженной передачи. Когда же толкающий элемент отступает в противоположную толкающему усилию сторону, и на муфту сцепления действует смещающее усилие первого смещающего элемента, смещающее усилие третьего смещающего элемента больше усилия первого смещающего элемента, так что муфта сцепления может быть смещена в сторону повышенной передачи в положении, когда муфта сцепления и переключатель удалены друг от друга третьим смещающим элементом.

Далее изобретение будет описано подробно со ссылками на чертежи, на которых изображено: на фиг.1 - вид сбоку велосипеда с втулкой согласно изобретению; на фиг.2 - конструкция втулки с внутренним переключением передач в вертикальном поперечном сечении; на фиг. 3 - показанный с увеличением вид втулки с внутренним переключением передач в позиции включения пониженной передачи; на фиг.4 - вид в перспективе приводного механизма; на фиг. 5 - схематичное изображение относительного положения переключателя и кулачковой поверхности; на фиг.6 - продольное сечение толкающего штока; на фиг.7 - вид, соответствующий фиг.3 и представляющий втулку с внутренним переключением передач в позиции прямой передачи; на фиг.8 - вид, соответствующий фиг.3 и представляющий втулку с внутренним переключением передач в позиции повышенной передачи; на фиг.9 - вид, соответствующий фиг.3 и представляющий второй пример выполнения;
на фиг.10 - вид, соответствующий фиг, 3 и представляющий третий пр имер выполнения.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Первый пример выполнения
Общая компоновка
Велосипед, в котором применено изобретение, показан на фиг.1 в виде прогулочного велосипеда, который содержит раму 1, включающую каркас 2 из двух элементов и переднюю вилку 3, рулевой узел 4, узел привода 5, переднее колесо 6, заднее колесо 7, на котором смонтирована трехскоростная втулка 10 с внутренним переключением передач, переднее тормозное устройство 8 и устройство 9 управления переключением передач для удобного ручного дистанционного управления втулкой с внутренним переключением.

На раме 1 смонтированы различные узлы, включая седло 11, рулевой узел 4, переднее колесо 6 и заднее колесо 7.

Рулевой узел 4 имеет стойку 14, закрепленную в верхней части передней вилки 3, и рулевую поперечину 15, зафиксированную на стойке 14. Тормозной рычаг 16, который составляет часть переднего тормозного устройства 8, ручка 17 и устройство 9 управления переключением передач смонтированы на правом конце рулевой поперечины 15. Устройство 9 управления переключением передач смонтировано на тормозном рычаге 16 с его внутренней стороны и связано со втулкой 10 с внутренним переключением с помощью троса 73 управления переключением, состоящего из внутреннего троса и внешней оболочки. Устройство 9 управления переключением передач имеет обычную конструкцию, включающую рычаг намотки для наматывания внутреннего троса и рычаг освобождения, который освобождает намотку, выполненную рычагом намотки, и отпускает внутренний трос; устройство как таковое не описывается здесь подробно.

Узел привода 5 включает зубчатый рычаг (звездочку) 18 с педалями, установленную в нижней части (на нижнем кронштейне) каркаса 2 рамы, цепь 19, которая огибает звездочку с педалями, и втулку 10 с внутренним переключением передач.

Конструкция втулки с внутренним переключением передач.

Втулка 10 с внутренним переключением передач представляет собой снабженную тормозом инерционного движения втулку с трехступенчатой трансмиссией, включающей тракты силовой передачи для пониженной передачи, прямого привода и повышенной передачи. Как показано на фиг.2, втулка 10 с внутренним переключением передач имеет ось 21 втулки, зафиксированную на задней собачке 2а каркаса 2 рамы велосипеда, ведущий элемент 22, охватывающий внешнюю поверхность одного конца оси 21 втулки, корпус 23 втулки, также охватывающий внешнюю поверхность оси 21 втулки и ведущий элемент 22, механизм планетарной передачи (планетарный механизм) 24, приводной механизм 25 для выбора тракта силовой передачи, коленчатый рычаг 26 для приведения в действие приводного механизма 25, и тормоз 27 инерционного движения.

Как показано на фиг.2 и 3, ось 21 втулки представляет собой элемент в форме круглого стержня, имеющего больший диаметр в средней части и два конца меньшего диаметра с нанесенной на них резьбой. В оси 21 втулки выполнен внутренний осевой рабочий канал 21а, который проходит от ее правого конца до середины, как показано на фиг.2. Сквозная прорезь 21b, которая проходит через ось 21 втулки, выполнена вблизи от глухого конца внутреннего рабочего канала 21а. Сквозная прорезь 21Ь проходит насквозь через ось 21 втулки наклонно под определенным углом β к ее оси (см. фиг.5) и выполнена по спирали с ходом спирали в сторону, противоположную прямому направлению вращения, то есть справа налево на фиг.5. Эту сквозную прорезь 21b выполняют путем применения сверла определенного диаметра для сверления через ось сквозных отверстий, а затем сверло подают к центру в осевом направлении, одновременно медленно поворачивая ось 21 втулки в прямом направлении вращения. В результате сквозная прорезь 21b имеет форму непрерывной спирали, в которой пересекающиеся на обоих концах сквозные отверстия постепенно поворачиваются по мере смещения в осевом направлении. Угол β наклона прорези должен лежать в пределах от 10 до 50^o.

Один конец ведущего элемента 22 поворотно установлен на оси 21 втулки посредством шариков 30 и внутреннего конуса 31 втулки, а звездочка 32 втулки укреплена на одном конце ведущего элемента. На другом конце ведущего элемента 22 на его внутренней поверхности выполнено множество проходящих в осевом направлении внутренних пилообразных зубьев 22а.

Корпус 23 втулки выполнен в виде трубчатого элемента, и в его внутренней полости 23а размещены ведущий элемент 22 и планетарный механизм 24. Корпус 23 втулки установлен с возможностью вращения вокруг оси 21 втулки с опорой на шарики 33 и 34 и внутренний конус 35. Фланцы 36 и 37 для крепления спиц 7а (см. фиг.1) укреплены вблизи обоих концов наружной поверхности корпуса 23 втулки.

Конструкция планетарного механизма
Планетарный механизм 24 содержит центральную шестерню 40, которая выполнена заодно с осью 21 втулки коаксиально ей, водило 41, установленное на оси 21 втулки, три сателлита 42 (только один из них показан на чертеже), входящие в зацепление с центральной шестерней 40, и обойму 43.

Водило 41 представляет собой трубчатый элемент и установлено на оси 21 втулки с возможностью вращения. В водиле 41 выполнены три гнезда 41а, расположенных по окружности, и в них на пальцах 44 установлены с возможностью вращения сателлиты 42. На одном конце водила 41 на его внутренней поверхности выполнены внутренние пилообразные зубья 41b, а на другом конце на наружной поверхности выполнены наружные пилообразные зубья 41с (см. фиг.1).

Обойма 43 имеет форму, близкую к цилиндрической и размещена от сателлитов 42 до наружной поверхности ведущего элемента 22. Внутренние зубья 43b выполнены на внутренней поверхности обоймы на ее конце, удаленном от ведущего элемента 22. Сателлиты 42 входят в зацепление с центральной шестерней 40, как уже было упомянуто, а также с внутренними зубьями 43b обоймы 43.

У одного конца обоймы 43 выполнено гнездо 43а, и в этом гнезде 43а на пальце 54 установлена с возможностью поворота собачка 53, которая образует часть первой односторонней муфты 50, как показано на фиг.4. Собачка 53 прижимается в поднятую позицию спиральной пружиной 55 кручения. Первая односторонняя муфта 50 передает приводное усилие вращения от обоймы планетарного механизма 24 на корпус 23 втулки только при прямом направлении вращения. Собачка 53 входит в зацепление с зубьями 23b храповика, расположенными на внутренней поверхности корпуса 23 втулки, только тогда, когда обойма планетарного механизма 24 вращается в прямом направлении. Даже в положении передачи приводного усилия, при котором обойма планетарного механизма 24 вращается в прямом направлении, эта первая односторонняя муфта 50 может переключаться из положения замыкания трансмиссии, при котором собачка 53 введена в зацепление с зубьями 23b храповика, в положение размыкания трансмиссии с отведением от зубьев 23b храповика путем смещения муфты, как будет описано далее.

Вторая односторонняя муфта 51, которая передает приводное усилие вращения от ведущего элемента 22 на обойму планетарного механизма 24 только в переднем направлении вращения, установлена между ведущим элементом 22 и обоймой планетарного механизма 24. Третья односторонняя муфта 52, которая передает приводное усилие вращения от водила 41 на корпус 23 втулки только в прямом направлении вращения, расположена между водилом 41 и корпусом 23 втулки. Третья односторонняя муфта 52 имеет трубчатый охватывающий корпус 56 с внутренними пилообразными зубьями 56а, расположенными на внутренней поверхности с одного конца. Эти внутренние пилообразные зубья 56а входят в зацепление с наружными пилообразными зубьями 41с на водило 41, и охватывающий корпус 56 муфты вращается вместе с водилом 41 как одно целое. Две указанные односторонние муфты 51 и 52, в отличие от первой односторонней муфты 50, не могут переключаться в положении замыкания трансмиссии (передачи приводного усилия).

Конструкция приводного механизма
Приводной механизм 25 используется для выбора тракта силовой передачи и включает муфту 45 сцепления и элемент 46 управления переключением.

Муфта 45 сцепления переключает ведущий элемент 22 и водило 41 между позициями взаимного зацепления и расцепления, а также переключает первую одностороннюю муфту 50 между положениями передачи мощности и разрыва тракта передачи мощности. Муфта 45 сцепления установлена на наружной поверхности оси 21 втулки с возможностью вращения и смещения в осевом направлении.

Как показано на фиг.4, муфта 45 сцепления выполнена в виде трубчатого элемента, имеющего на одном конце наружные пилообразные зубья 45а, которые могут входить в зацепление с внутренними пилообразными зубьями 22а. На другом конце муфты 45 сцепления выполнена часть 45b увеличенного диаметра с наружными пилообразными зубьями 45с на наружной поверхности. Наружные пилообразные зубья 45с выполнены с возможностью введения в зацепление с внутренними пилообразными зубьями 41b на водиле 41. Между одним концом муфты 45 и частью 45b увеличенного диаметра выполнена конусная поверхность 45d. Эта конусная поверхность 45d предусмотрена для того, чтобы опускать собачку 53 первой односторонней муфты 50 из поднятой позиции (позиции передачи мощности), показанной на фиг.4 сплошными линиями, в отведенную (нерабочую) позицию, т. е. позицию разрыва тракта передачи мощности, показанную штрих-пунктиром. Когда муфта 45 сцепления смещается слева направо в позицию пониженной передачи, собачка 53 следует по конусной поверхности 45d вверх на часть 45b увеличенного диаметра и опускается (разворачивается) в нерабочую позицию,
Как показано на фиг.3, на внутренней поверхности муфты 45 сцепления выполнены два уступа 45е и 45f, отстоящих друг от друга в осевом направлении. Как показано на фиг.4, на левом уступе 45f выполнены несколько кулачковых поверхностей 47, разнесенных по окружности. Как показано на фиг.5, кулачковые поверхности 47 имеют плоскую поверхность 47а, понижающуюся на одном конце, криволинейную поверхность 47b, идущую вниз в прямом направлении А от плоской поверхности 47а, и наклонную поверхность 47с, идущую вверх к плоской поверхности 47а в том же направлении. Угол α наклона наклонной поверхности 47с к оси составляет от 20 до 70^o и должен быть больше угла β наклона сквозной прорези 21b.

Элемент 46 управления смещает муфту 45 сцепления вдоль оси 21 втулки и взаимодействует с муфтой 45 сцепления для преобразования вращающего усилия муфты 45 сцепления в смещение в осевом направлении. Элемент 46 управления содержит толкающий шток 48, который смещается в рабочем канале 21а вдоль его оси, и переключатель 49, который прижимается толкающим штоком 48 к боковой стороне водила 41, как показано на фиг.3.

Как показано на фиг.6, толкающий шток 48 имеет управляющий элемент 65 определенной длины, исполнительный элемент 66, установленный на удаленном конце управляющего элемента 65 таким образом, что может смещаться в осевом направлении, и первую винтовую пружину (первый смещающий элемент) 60 между управляющим элементом 65 и исполнительным элементом 66. Управляющий элемент 65 содержит стержень 68 и толкатель 69, установленный с помощью резьбового соединения на стержень 68. Резьбовой хвостовик 68а образован на основном конце стержня 68, а на другом его конце выполнена головка 68b увеличенного диаметра. Резьбовой хвостовик 68а соединен с толкателем 69 с помощью резьбового соединения. Головка 68b размещена с возможностью скольжения в направляющей проточке 66а внутри исполнительного элемента 66. Направляющая проточка 66а выполнена с уменьшенным диаметром в торце исполнительного элемента 66, что препятствует его соскальзыванию. Первая винтовая пружина 60 установлена в напряженном состоянии между торцевыми поверхностями исполнительного элемента 66 и толкателя 69 и передает на исполнительный элемент 66 и управляющий элемент 65 смещающее (раздвигающее) усилие, так что когда исполнительный элемент 66 передает давление на переключатель 49, муфта 45 сцепления прижимается к боковой стороне торца водила 41.

Как показано на фиг.4, переключатель 49 выполнен в виде стержня треугольного поперечного сечения, и когда на него передается давление, он перемещается через сквозную прорезь 21b с одновременным поворотом в направлении, противоположном прямому направлению вращения, то есть с кручением. Контактная поверхность 49b переключателя 49 в прорези 21b выполнена под углом, соответствующим прорези 21b. Так, например, если угол β наклона сквозной прорези 21b равен 30^o, то угол наклона контактной поверхности 49b к оси тоже будет около 30^o. Движение переключателя 49 наружу ограничено внутренней полостью муфты 45 сцепления с помощью упорного кольца 63, установленного на внутренней поверхности другого конца муфты 45 сцепления. Соответственно, переключатель 49 не может выйти наружу из муфты 45 сцепления, как это показано на фиг.4. В результате этого переключатель 49 под действием толкающего штока 48 перемещает муфту 45 сцепления влево на фиг.3.

Переключатель 49 может также упираться в кулачковые поверхности 47 внутри муфты 45 сцепления. Когда муфта 45 сцепления вращается в прямом направлении в положении, при котором переключатель 49 упирается в плоскую поверхность 47а кулачковой поверхности 47, то при этом переключатель 49 прижимается наклонной поверхностью 47с кулачковой поверхности 47 к направляющей поверхности 21с со стороны сквозной прорези 21b, и его движение влево в осевом направлении ограничивается, что вызывает смещение муфты 45 сцепления вправо в осевом направлении. Таким образом, вращающее усилие муфты 45 сцепления преобразуется в перемещение в осевом направлении для осуществления управления переключением.

На обоих концах переключателя 49 выполнены канавки 49а для упора второй винтовой пружины (второго смещающего элемента) 61, которая другим своим концом опирается на ось 21 втулки. Эта вторая винтовая пружина 61 постоянно прижимает переключатель 49 к боковой стороне муфты 45 сцепления. Третья винтовая пружина (третий смещающий элемент) 62 размещена между переключателем 49 и муфтой 45 сцепления. Третья винтовая пружина 62 ограничена до определенной длины и при сжатии отодвигает переключатель 49 и муфту 45 сцепления друг от друга до того, как первый ударит по второй. За счет этого муфта 45 сцепления остается на постоянном расстоянии от переключателя 49 во время перемещения и имеет точную позиционную установку.

В данном примере смещающие усилия винтовых пружин 60, 61 и 62 от первой до третьей не равны и уменьшаются в указанном порядке. Следует подчеркнуть, что упругие усилия пружин уменьшаются именно в этом порядке. Так, если усилие первой винтовой пружины 60 будет меньше, чем усилие второй винтовой пружины 61, то даже если на переключатель 49 будет передаваться давление толкающего штока 48, первая винтовая пружина 60 согнется, и переключатель 49 не сдвинется. Если усилие второй винтовой пружины 61 будет меньше усилия третьей винтовой пружины 62, то даже если переключатель 49 будет прижиматься второй винтовой пружиной 61, он не попадет на кулачковую поверхность 47, и управление переключением не получит вспомогательного воздействия.

Первая винтовая пружина 60 размещена в относительно большом пространстве между управляющим элементом 65 и исполнительным элементом 66 внутри рабочего канала 21а, так что можно увеличить число витков пружины и таким образом снизить упругое усилие и упругую жесткость пружины. Соответственно, усилие и жесткость второй и третьей винтовых пружин 61 и 62 могут быть последовательно снижены, что позволит уменьшить усилие давления на толкающий шток 48 во время повышенной передачи, то есть рабочее усилие на рычаг намотки в устройстве 9 управления переключением передач. В результате натяжение внутреннего троса будет меньше, и он реже будет рваться.

Конструкция коленчатого рычага
Коленчатый рычаг 26 смонтирован на торцевом конце оси 21 втулки (как показано на фиг.2). Коленчатый рычаг 26 включает несущий кронштейн 70, установленный на конце оси, и звено 71, установленное на несущем кронштейне 70 с возможностью поворота. Внешняя оболочка 73а троса 73 управления установлена с упором на несущий кронштейн 70, а внутренний трос 73b установлен с упором на звено 71. Удаленный конец звена 71 ударяет по основному концу толкающего штока 48. Таким образом, при натяжении внутреннего троса 73b с помощью устройства 9 управления переключением звено 71 поворачивается, передает давление на толкающий шток 48 и производит переключение передач в сторону повышенной передачи. Когда внутренний трос освобождают от натяжения, муфта 45 сцепления прижимается второй винтовой пружиной 61 через посредство переключателя 49 и осуществляется переключение в сторону пониженной передачи.

Конструкция тормоза инерционного движения
Тормоз 27 инерционного движения смонтирован на корпусе 56 тормоза, как показано на фиг.2. Тормоз 27 инерционного движения включает установленный на корпусе 56 тормозной ролик 57, наружную кулачковую поверхность 41d на другом конце водила 41 и тормозную колодку 58, которая передает торможение на внутреннюю поверхность на другом конце корпуса 23 втулки. Конструкция устройства такова, что при вращении ведущего элемента 22 в обратном направлении тормозной ролик 57 смещается радиально наружу кулачковой поверхностью 41d. В результате этого смещения тормозная колодка 58 прижимается к внутренней поверхности корпуса 23 втулки и осуществляет торможение.

При затягивании тормоза 27 инерционного движения возникает тенденция его заклинивания. Это явление вызывается тем, что когда первая односторонняя муфта 50 находится в состоянии передачи мощности, а велосипедист вращает педали назад, чтобы затормозить, приводное усилие будет передаваться в том режиме, который вызывает срабатывание тормоза, и он не может быть отпущен. В данном примере выполнения для предотвращения этого явления на первой односторонней муфте 50 смонтирован корпус 59 для собачки.

Корпус 59 для собачки обеспечивает создание определенного угла свободного хода между зубьями 23b храповика на корпусе 23 втулки и собачкой 53 первой односторонней муфты 50 и позволяет отпустить тормоз, пока обойма 43 поворачивается на этот угол свободного хода. В частности, корпус 59 собачки либо препятствует подъему собачки 53 в течение поворота на определенный угол, либо, даже если она поднимается, допускает ее подъем в позицию, где она не может заблокировать зубья 23b храповика в течение поворота на определенный угол, и при первоначальном включении привода обеспечивает выдержку времени до момента, когда собачка 53 упрется в зубья 23b храповика в начальный момент привода.

Переключение передач
Благодаря наличию планетарного механизма 24 и односторонних муфт 50, 51 и 52 велосипедная втулка 10 с внутренним переключением передач имеет:
- тракт пониженной силовой передачи, включающий ведущий элемент 22, обойму 43, планетарный механизм 24, водило 41 и корпус 23 втулки;
- тракт прямой силовой передачи, включающий ведущий элемент 22, обойму 43 и корпус 23 втулки; и
- тракт повышенной силовой передачи, включающий ведущий элемент 22, муфту 45 сцепления, водило 41, планетарный механизм 24, обойму 43 и корпус 23 втулки.

Переключение передач производится приведением в действие толкающего штока 48 тросом 73 управления переключением через посредство коленчатого рычага 26.

Переключение передач от пониженной до повышенной передачи
В позиции, показанной на фиг.3, в которой толкающий шток 48 не сдвинут внутрь, муфта 45 сцепления находится в правом крайнем положении пониженной передачи, и вращение передается от ведущего элемента 22 на корпус 23 втулки после понижения скорости через тракт пониженной силовой передачи. В частности, подаваемое на ведущий элемент 22 вращение передается на обойму 43 через вторую одностороннюю муфту 51. Для этого собачка 53 первой односторонней муфты 50 разворачивается муфтой 45 сцепления в нерабочее положение, показанное на фиг.4 штрих-пунктиром, и первая односторонняя муфта 50 находится в отключенном состоянии. Соответственно, передаваемое на обойму 43 вращение передается на корпус 23 втулки через планетарный механизм 24, водило 41 и третью одностороннюю муфту 52. В данном случае входная скорость вращения понижается в соответствии с передаточным отношением, которое определяется числом зубьев центральной шестерни, сателлитов 42 и обоймы 43.

Когда приводится в действие рычаг намотки устройства 9 управления переключением, звено 71 коленчатого рычага 26 поворачивается и толкает толкающий шток 48 на один шаг (ступень). В результате этого действия, поскольку усилие первой винтовой пружины 60 больше усилия второй винтовой пружины 61, переключатель 49 под действием толкающего усилия от звена 71 через толкающий шток 48 направляется в сквозную прорезь 21b и смещается влево, как показано на фиг. 3, одновременно поворачиваясь вокруг оси втулки, и при этом муфта 45 сцепления также смещается к позиции прямой передачи под действием толкающего усилия через упорное кольцо 63. Как только муфта 45 сцепления устанавливается в позицию прямой передачи, показанную на фиг.7, собачка 53 первой односторонней муфты 50, которая была переведена в нерабочее положение конусной поверхностью 45d, возвращается спиральной пружиной 55 в поднятое положение, показанное на фиг.4 сплошными линиями. В этом состоянии первая односторонняя муфта 50 способна передавать вращение от обоймы 43 на корпус 23 втулки только в прямом направлении. Таким образом, вращение от ведущего элемента 22 передается на корпус 23 втулки по тракту прямой силовой передачи. В частности, передаваемое на ведущий элемент 22 вращение передается на обойму 43 через вторую одностороннюю муфту 51, а затем на корпус 23 втулки через первую одностороннюю муфту 50, то есть вращение ведущего элемента 22 передается прямо на корпус 23 втулки через обойму 43. При этом вращение от обоймы 43 передается также и на водило 41 через планетарный механизм 24, и водило 41 вращается с пониженной скоростью, но ввиду того, что корпус 23 втулки вращается быстрее, чем водило 41, передачи вращения от водила 41 на корпус 23 втулки через третью одностороннюю муфту 52 не происходит.

Когда рычаг намотки приводится в действие из позиции прямой передачи и толкающий шток 48 продвигается дальше, переключатель 49 передвигается дальше влево, и муфта 45 сцепления соответственно переводится в позицию повышенной передачи. В этой позиции, показанной на фиг.8, наружные пилообразные зубья 45с муфты 45 сцепления вводятся в зацепление с внутренними пилообразными зубьями 41b водила 41. В процессе этого перевода муфты 45 сцепления в позицию повышенной передачи, когда наружные зубья 45с и внутренние зубья 41b оказываются в таком относительном положении, что могут войти в зацепление, то муфта 45 сцепления перемещается прямо к позиции повышенной передачи влево после того, как эта муфта 45 ударяет по водилу 41. Однако, если эти зубья находятся в таком положении, что не могут войти в зацепление, то в момент контакта муфты 45 сцепления с водилом 41 переключатель 49 и муфта 45 сцепления временно останавливают свое движение влево. Когда это происходит, исполнительный элемент 66 толкающего штока 48 смещается назад, сжимая первую винтовую пружину 60 и передавая давление на переключатель 49. После того, как муфта 45 сцепления повернется до положения, когда зубья 45с и 41b могут войти в зацепление, упругое (смещающее) усилие первой винтовой пружины 60 посредством переключателя 49 продвигает муфту 45 сцепления дальше, и зубья 45с и 41b входят в зацепление.

В этой позиции передаваемое на ведущий элемент 22 вращение передается на корпус 23 втулки по тракту повышенной силовой передачи. В частности, оно передается от ведущего элемента 22 через муфту 45 сцепления на водило 41 и далее от него на корпус 23 втулки через планетарный механизм 24, обойму 43 и первую одностороннюю муфту 50. В данном случае входная скорость вращения повышается на выходе в соответствии с передаточным отношением, которое определяется числом зубьев центральной шестерни 40, сателлитов 42 и обоймы 43. При этом имеется попытка передать вращение от ведущего элемента 22 на обойму 43 через вторую одностороннюю муфту 51, однако ввиду того, что обойма 43 вращается быстрее, чем ведущий элемент 22, через вторую одностороннюю муфту 51 вращение не передается.

Поскольку в процессе переключения с пониженной на повышенную передачу вращение передается прямо от ведущего элемента 22 на обойму 43, лучше всего обеспечить смещение муфты 45 сцепления в ненагруженном состоянии. Соответственно, усилие первой винтовой пружины 60, толкающей муфту 45 сцепления, может быть снижено, и кроме того, поскольку усилие второй винтовой пружины 61 еще меньше, может быть достигнуто переключение с небольшим усилием.

Переключение передачи с повышенной на пониженную со вспомогательным воздействием
Когда рычаг освобождения устройства управления 9 приводится в действие в позиции повышенной передачи, показанной на фиг.8, смещающее усилие первой винтовой пружины 60 снимается, и вторая винтовая пружина 61 давит на переключатель 49, вызывая отход толкающего штока 48 на один шаг (ступень) вправо. При этом переключатель 49 передает давление на муфту 45 сцепления через третью винтовую пружину 62 и пытается сдвинуть муфту 45 сцепления в позицию прямой передачи. Если велосипедист не нажимает на педали и приводное усилие не передается, то муфта 45 отделяется от водила 41 и сдвигается в позицию прямой передачи. Однако, если велосипедист работает педалями, то вследствие передачи приводного усилия от муфты 45 сцепления на водило 41 фрикционные силы могут оставить в зацеплении пилообразные внутренние зубья 41b и наружные зубья 45с. В этом случае одного усилия второй винтовой пружины 61 недостаточно, чтобы сдвинуть муфту 45 вправо на фиг.8. В этом состоянии, когда переключатель 49 упирается в плоскую поверхность 47а кулачковой поверхности 47 муфты 45 сцепления, как показано на фиг.5, переключатель 49 прижимается к направляющей поверхности 21с по всей длине своей части, входящей в прорезь 21b, и удерживается фрикционным усилием от выхода в осевом направлении. В результате этого, когда переключатель 49 следует вверх по наклонной поверхности 47с, муфта 45 сцепления сдвигается вправо. После того, как пилообразные внутренние зубья 41b и наружные зубья 45с выйдут из зацепления, муфта 45 сцепления под действием давления второй винтовой пружины 61 через переключатель 49 смещается в позицию прямой передачи. Таким образом, контакт между кулачковой поверхностью 47 муфты 45 сцепления и переключателем 49 способствует переключению путем преобразования вращательного движения муфты 45 сцепления в смещение вдоль оси.

Таким образом, как было упомянуто, переключатель 49 не может легко отклониться влево в осевом направлении, так как он прижимается второй винтовой пружиной 61, а сквозная прорезь 21b наклонена и проходит по спирали относительно оси. Поэтому переключатель 49 не отойдет вдоль оси при условии, что приводное усилие будет меньше смещающего прижимного усилия второй винтовой пружины 61 и фрикционного усилия между переключателем 49 и направляющей поверхностью 21с. Однако в том случае, когда приводное усилие выше, чем упомянутые силы, переключатель 49 может преодолеть смещающее усилие второй винтовой пружины 61 и фрикционное усилие контакта с направляющей поверхностью 21с и отойти влево в осевом направлении без смещения муфты 45 сцепления. Упомянутое фрикционное усилие задается здесь углом β наклона прорези. Если этот угол β задать слишком большим, то переключателю 49 будет трудно передвинуться влево под давлением толкающего штока 48. Если же угол β задать слишком малым, то меньше будет сопротивление смещению толкающим штоком 48, однако уменьшится также фрикционное усилие. Соответственно, угол β наклона прорези должен лежать в пределах от 10 до 50^o. Предельное приводное усилие, при котором переключатель 49 отклоняется во время указанного вспомогательного воздействия, можно отрегулировать путем подбора угла β наклона прорези, угла α наклона наклонной поверхности 47с кулачковой поверхности 47 и усилий трех винтовых пружин 60, 61 и 62.

Далее, даже в том случае, когда приводное усилие больше установленного предела, и переключатель 49 отклоняется в осевом направлении без смещения муфты 45 сцепления, как только звездочка 18 с педалями достигнет области верхней или нижней мертвой точки, и приводное усилие уменьшится, муфта 45 сцепления сдвинется вправо под действием вспомогательного давления переключателя 49. Таким образом, переключение не произойдет при передаче излишне высокого приводного усилия, например, на крутом подъеме, что снижает ударную нагрузку при переключении и помогает предотвратить поломки силовых элементов трансмиссии, таких как пилообразные зубья и односторонние муфты.

Когда муфта 45 сцепления перемещается, переключатель 49 удерживается от контакта с кулачковой поверхностью 47 с помощью третьей винтовой пружины 62. Соответственно, не будет шума от контакта с переключателем 49, даже если муфта 45 сцепления вращается. В позиции прямой передачи, показанной на фиг.7, вращение передается от ведущего элемента 22 на корпус 23 втулки через тракт прямой силовой передачи описанным выше образом.

При приведении в действие рычага освобождения (устройства 9 управления переключением) в позиции прямой передачи муфты 45 сцепления толкающий шток 48 перемещается дальше, и переключатель 49 передает давление на муфту 45 сцепления. При этом конусная поверхность 45d муфты 45 сцепления входит в контакт с собачкой 53 первой односторонней муфты 50 и стремится опустить собачку из поднятой рабочей позиции в отведенную нерабочую. Однако, поскольку собачка 53 передает усилие от обоймы 43 на корпус 23 втулки, ее не так легко опустить в нерабочую позицию одним усилием второй винтовой пружины 61. И здесь также при ударном контакте переключателя 49 с кулачковой поверхностью 47 муфты 45 сцепления создается вспомогательное воздействие, как это было описано выше, так что муфта 45 сцепления смещается в осевом направлении, и собачка 53 может быть опущена.

При этом следует отметить, что поскольку вращение передается прямо на обойму 43 без участия муфты 45 сцепления, требуется меньшее усилие воздействия при переключении на повышенную передачу со стороны пониженной передачи. Далее, поскольку вращающее усилие муфты 45 сцепления оказывает вспомогательное воздействие посредством преобразования в смещение в осевом направлении при переключении из позиции повышенной передачи в позицию пониженной передачи, велосипедист может переключать передачи с небольшим усилием, работая педалями, даже на повышенную передачу.

Второй пример выполнения
В описанном первом примере выполнения снижение упругого усилия достигалось в процессе переключения на повышенную передачу посредством установки первой винтовой пружины 60 на толкающем штоке, однако взамен толкающего штока 48 по первому исполнению может использоваться шток 48а, выполненный в виде стержнеобразного элемента, показанного на фиг.9. В этом случае первая винтовая пружина 60 размещена в напряженном состоянии между муфтой 45 сцепления и внутренним конусом 31 втулки. Упругие усилия трех винтовых пружин 60, 61 и 62 снижаются в следующем порядке: вторая винтовая пружина 61, затем третья винтовая пружина 62 и затем первая винтовая пружина 60. Так, если смещающее усилие второй винтовой пружины 61 будет меньше, чем усилие третьей винтовой пружины 62, то даже если на переключатель 49 будет передаваться давление при отводе толкающего штока 48а в сторону пониженной передачи, переключатель 49 не окажет ударного воздействия на муфту 45 сцепления, и вспомогательное усилие не будет получено. Далее, если смещающее усилие третьей винтовой пружины 62 будет меньше усилия первой винтовой пружины 60, то когда толкающий шток 48а отведен в сторону пониженной передачи и вторая винтовая пружина 61 передает давление на переключатель 49, третья винтовая пружина 62 изогнется, будет смещаться только переключатель 49, и переключатель 49 и муфта 45 сцепления не смогут раздвинуться друг от друга, так что муфта 45 сцепления не сможет быть позиционирована. Переключатель 49 смещает муфту 45 сцепления только в сторону пониженной передачи, а в сторону повышенной передачи они смещаются независимо. Другими словами, на муфте 45 сцепления не предусмотрено упорное кольцо. Общая длина третьей винтовой пружины 62 ограничена до определенной длины ограничительным элементом (не показан), а расстояние между муфтой 45 сцепления и переключателем
49 всегда выдерживается одинаковым даже при их независимом движении. В остальном конструкция не отличается от первого примера выполнения и не описывается.

Переключение передач с пониженной на повышенную
Во втором примере выполнения в позиции, показанной на фиг.9, когда толкающий шток 48а не находится под давлением, муфта 45 сцепления расположена в правом крайнем положении в позиции пониженной передачи, и вращение от ведущего элемента 22 передается на корпус 23 втулки с понижением скорости через тракт пониженной силовой передачи, как и в первом примере выполнения. В частности, вращение, подаваемое на ведущий элемент 22, передается далее на обойму 43 через вторую одностороннюю муфту 51.

Когда приводится в действие рычаг намотки устройства 9 управления переключением, звено 71 коленчатого рычага 26 поворачивается, и толкающий шток 48а продвигается на один шаг (ступень). В результате этого действия на переключатель 49 передается давление толкающего штока 48а, и он смещается влево, одновременно поворачиваясь вокруг оси втулки, и при этом муфта 45 сцепления, которая находится под действием первой винтовой пружины 60, следует за переключателем 49 и перемещается в позицию прямой передачи. Как только муфта 45 сцепления установится в позицию прямой передачи, собачка 53 первой односторонней муфты 50, которая была переведена в нерабочее положение конусной поверхностью 45d, возвращается спиральной пружиной 55 в поднятое положение, показанное на фиг. 4 сплошными линиями, и вращение от ведущего элемента 22 передается прямо на корпус 23 втулки, как и в первом примере.

Когда рычаг намотки приводится в действие из позиции прямой передачи и толкающий шток 48а продвигается дальше, переключатель 49 перемещается дальше влево, и муфта 45 сцепления следует за ним и также смещается к позиции повышенной передачи. В этой позиции наружные пилообразные зубья 45с муфты 45 сцепления входят в зацепление с внутренними пилообразными зубьями 41b водила 41. В процессе этого движения (муфты 45 сцепления) в позицию повышенной передачи, когда в момент ударного контакта муфты 45 с водилом 41 пилообразные наружные зубья 45с и внутренние зубья 41b оказываются в таком относительном положении, что могут войти в зацепление, то муфта 45 сцепления переводится прямо в позицию повышенной передачи влево. Однако, если эти зубья находятся в таком положении, что не могут войти в зацепление, то при ударном контакте муфты 45 сцепления с водилом 41 муфта 45 временно приостанавливает свое движение влево. Однако вследствие того, что муфта 45 сцепления прижимается усилием первой винтовой пружины 60, то после поворота муфты 45 сцепления до положения, когда зубья 45с и 41b могут войти в зацепление, она движется дальше, и зубья входят в зацепление. В этом положении подаваемое на ведущий элемент 22 вращение передается на корпус 23 втулки по тракту повышенной силовой передачи, как и в первом примере выполнения.

Поскольку в процессе переключения из позиции пониженной в позицию повышенной передачи вращение передается прямо от ведущего элемента 22 на обойму 43, лучше всего обеспечить перемещение муфты 45 сцепления в ненагруженном состоянии. Соответственно, усилие первой винтовой пружины 60, толкающей муфту 45 сцепления, может быть снижено, и переключение может осуществляться с небольшим усилием.

Переключение передач с повышенной на пониженную со вспомогательным воздействием
Когда элементы трансмиссии находятся в позиции повышенной передачи, и рычаг освобождения устройства 9 управления переключением приводится в действие, на переключатель 49 передается давление второй винтовой пружины 61, и толкающий шток 48а отодвигается на один шаг вправо. При этом переключатель 49 передает давление на муфту 45 сцепления и пытается сместить ее в позицию прямой передачи. Однако, если велосипедист работает педалями, то вследствие передачи приводного усилия от муфты 45 сцепления на водило 41, благодаря фрикционным силам пилообразные внутренние зубья 41b и наружные зубья 45с могут остаться в зацеплении. В этом случае создается вспомогательное усилие, и муфта 45 сцепления смещается в сторону пониженной передачи, как и в первом примере выполнения.

Далее, даже в том случае, когда приводное усилие больше установленного предела, и переключатель 49 сдвигается в осевом направлении без смещения муфты 45 сцепления, как только звездочка 18 с педалями достигнет области верхней или нижней мертвой точки, и приводное усилие уменьшится, муфта 45 сцепления сдвинется под действием вспомогательного усилия от переключателя 49. Таким образом, и в этом втором примере выполнения переключение не произойдет при передаче излишне большого приводного усилия, что снижает ударную нагрузку при переключении и помогает предотвратить поломки силовых элементов трансмиссии, таких как пилообразные зубья и односторонние муфты.

Когда муфта 45 сцепления перемещается вправо, переключатель 49 удерживается от контакта с кулачковой поверхностью 47 третьей винтовой пружиной 62. Соответственно, не будет шума от контакта с переключателем 49, даже если муфта 45 сцепления вращается. Когда муфта 45 сцепления занимает позицию прямой передачи, вращение передается через тракт прямой силовой передачи.

При приведении в действие рычага освобождения устройства 9 управления переключением в позиции прямой передачи муфты 45 сцепления толкающий шток 48а продвигается дальше, и переключатель 49 передает давление на муфту 45 сцепления. При этом конусная поверхность 45d муфты 45 сцепления входит в контакт с собачкой 53 первой односторонней муфты 50 и пытается опустить собачку из поднятой рабочей позиции в отведенную нерабочую. Однако ввиду того, что собачка 53 передает мощность от обоймы 43 на корпус 23 втулки, ее не так легко опустить в нерабочую позицию одним усилием второй винтовой пружины 61. И здесь также при ударном контакте переключателя 49 с кулачковой поверхностью 47 муфты 45 сцепления создается вспомогательное усилие, и муфта 45 сцепления перемещается в осевом направлении, как это было описано выше.

Здесь достигаются те же преимущества, что и в первом примере выполнения, а также дополнительно упрощается конструкция толкающего штока 48. Однако в данном случае наибольшее смещающее усилие имеет вторая винтовая пружина 61, расположенная в относительно узком пространстве, и если обеспечивается ее достаточный изгиб, то снизить жесткость второй винтовой пружины 61 затруднительно, и при ее изгибе усилие резко увеличивается. Соответственно, требуется большее рабочее усилие при переключении передач по сравнению с первым примером выполнения.

Третий пример выполнения
В описанном выше втором примере выполнения муфта сцепления находилась в позиции пониженной передачи (на фиг.9) без передачи на нее давления толкающего штока; в данном третьем примере выполнения муфта 45 сцепления показана на фиг.10 в позиции повышенной передачи.

В этом случае вторая винтовая пружина 61 установлена на толкающем штоке 48. Первая винтовая пружина 60 расположена между муфтой 45 сцепления и конусом 31 втулки. Смещающие усилия трех винтовых пружин 60, 61 и 62 также снижаются по порядку: вторая винтовая пружина 61, третья винтовая пружина 62 и затем первая винтовая пружина 60. Причины для такого порядка расположения смещающих усилий пружин те же, что и во втором примере выполнения.

Как показано на фиг.10, рабочий канал 21а выполнен вдоль оси втулки от ее левого конца, где установлен тормоз инерционного движения, до середины. Коленчатый рычаг (не показан) смонтирован на левом конце оси 21 втулки. Поскольку толкающий шток 48 передает удар на треугольную вершину переключателя 49а, в центре переключателя 49а выполнена выемка с поверхностью 49b для контакта с толкающим штоком 48. Первая винтовая пружина 60 размещена в напряженном состоянии между муфтой 45 сцепления и конусом 31 втулки, как и во втором примере выполнения. В остальном конструкция аналогична второму примеру выполнения и здесь не будет описана.

Переключение передач с повышенной на пониженную со вспомогательным воздействием
В третьем примере выполнения на фиг.10 показано состояние трансмиссии в позиции повышенной передачи, когда на толкающий шток 48 не передается давление. Когда приводится в действие рычаг намотки устройства 9 управления переключением, на переключатель 49а передается давление толкающего штока 48, и муфта 45 сцепления перемещается в сторону пониженной передачи против смещающего усилия первой винтовой пружины 60. При этом, если приводное усилие не передается, то переключатель 49а передает давление на муфту 45 сцепления через третью винтовую пружину 62, и муфта 45 сцепления перемещается к позиции прямой передачи. Когда приводное усилие передается, переключатель 49а ударяет по кулачковой поверхности 47, изгибая третью винтовую пружину 62 или вторую винтовую пружину 61, и смещает муфту 45 сцепления с помощью упомянутого выше вспомогательного усилия. Когда осуществляется перевод из позиции прямой передачи в позицию пониженной передачи, если передается приводное усилие и возникает трудность перевода собачки 53 в нерабочую отведенную позицию, то муфта 45 сцепления перемещается вспомогательным усилием, собачка 53 переводится в отведенную позицию, и муфта 45 сцепления переходит в позицию пониженной передачи.

Далее, даже в том случае, когда приводное усилие больше установленного предела, и переключатель 49а отходит в осевом направлении без смещения муфты 45 сцепления, как только звездочка 18 с педалями достигнет области верхней или нижней мертвой точки и приводное усилие уменьшится, на муфту 45 сцепления будет передаваться давление, и она сдвинется под действием вспомогательного усилия переключателя 49а. Таким образом, и в этом третьем примере выполнения переключение не произойдет при передаче излишне большого приводного усилия, что снижает ударную нагрузку при переключении и помогает предотвратить поломки силовых элементов трансмиссии, таких как пилообразные зубья и односторонние муфты.

Переключение передач с пониженной на повышенную
Когда в позиции пониженной передачи приводится в действие рычаг освобождения устройства 9 управления переключением, муфта 45 сцепления прижимается в сторону пониженной передачи смещающим усилием первой винтовой пружины 60, толкающий шток 48 перемещается, и муфта 45 сцепления переводится в позицию прямой передачи. Когда муфта 45 сцепления установится в позиции прямой передачи, собачка 53 первой односторонней муфты 50, которая была отведена в нерабочую позицию конусной поверхностью 45d, возвращается усилием спиральной пружины 55 в поднятую позицию, показанную на фиг.4 сплошными линиями, и вращение от ведущего элемента 22 передается прямо на корпус 23 втулки через тракт прямой силовой передачи, как и в первом и втором примерах выполнения.

Когда рычаг освобождения приводится в действие в позиции прямой передачи и муфта 45 сцепления прижимается в сторону повышенной передачи усилием первой винтовой пружины 60, толкающий шток 48 перемещается, и муфта 45 сцепления переводится в позицию повышенной передачи. В этой позиции повышенной передачи наружные пилообразные зубья 45с муфты 45 сцепления вводятся в зацепление с внутренними пилообразными зубьями 41b водила 41. В процессе этого перемещения в позицию повышенной передачи, если пилообразные наружные зубья 45с и внутренние зубья 41 b оказываются в таком относительном положении, что могут войти в зацепление, то муфта 45 перемещается прямо к позиции повышенной передачи влево после ударного контакта муфты 45 сцепления с водилом 41. Однако, если эти зубья находятся в таком положении, что не могут войти в зацепление, то в момент ударного контакта муфты 45 сцепления с водилом 41 она временно приостанавливает свое движение влево. Однако вследствие того, что к муфте 45 сцепления приложено смещающее усилие первой винтовой пружины 60, после поворота муфты 45 сцепления до положения, когда зубья 45с и 41b могут войти в зацепление, она перемещается дальше, и зубья 45с и 41b входят в зацепление. В этой позиции вращение, подаваемое на ведущий элемент 22, передается на корпус 23 втулки через тракт повышенной силовой передачи, как и в первом и втором примерах выполнения.

Поскольку в процессе этого переключения с пониженной передачи в сторону повышенной передачи вращение передается прямо от ведущего элемента 22 на обойму 43, лучше всего обеспечить смещение муфты 45 сцепления в ненагруженном состоянии. Соответственно, усилие первой винтовой пружины 60, толкающей муфту 45 сцепления, может быть снижено. Кроме того, поскольку самым большим является смещающее усилие второй винтовой пружины 61, которая имеет большое пространство для размещения, общее упругое усилие может быть снижено и переключение может осуществляться с небольшим усилием в процессе движения с передачей приводного усилия.

Другие примеры выполнения
Толкающий шток в третьем примере выполнения может представлять собой шток в виде стержнеобразного элемента, как во втором примере. В этом случае, поскольку толкающий шток ограничивает движение переключателя в сторону конца оси втулки, сквозная прорезь может быть выполнена вдоль оси. При таком выполнении переключение передач может осуществляться в любой момент, так как вспомогательное усилие будет создаваться даже при приложении большого приводного усилия. Однако здесь шток будет подвергаться большим нагрузкам, как и внутренний трос управления. Ударные нагрузки при переключении также будут значительными, так что элементы трансмиссии должны быть усилены.

В описанных примерах исполнения был предусмотрен корпус для собачки для предотвращения заклинивания тормоза инерционного движения, однако, если тормоз не устанавливается, то в этом корпусе нет необходимости.

Механизм передачи вращения не ограничивается планетарным шестеренным механизмом, вместо этого он может быть планетарным роликовым механизмом.

Преимущества изобретения
Как было описано выше, в велосипедной втулке с внутренним переключением передач в соответствии с изобретением взаимосвязь муфты сцепления с элементом управления переключением при движении муфты сцепления в позицию пониженной передачи преобразует вращающее усилие муфты сцепления в усилие смещения в осевом направлении и создает вспомогательное усилие, так что движение муфты сцепления облегчается, и она может быть смещена с меньшим усилием даже во время движения. Муфта сцепления может смещаться приложением небольшого усилия также и потому, что во время ее перемещения в позицию повышенной передачи на нее не передается никакой мощности. Соответственно, переключение передач может осуществляться в обоих направлениях с приложением небольшого рабочего усилия даже в положении передачи приводного усилия во время движения.

Формула изобретения

1. Внутренняя передача велосипедной втулки, содержащая ось (21) втулки для закрепления передачи на раме велосипеда, ведущий элемент (22), установленный с возможностью вращения относительно оси (21) втулки, выходной элемент (23), установленный с возможностью вращения относительно оси (21) втулки, планетарный механизм (24), включающий центральную шестерню (40), размещенную на оси (21) втулки, водило (41), установленное с возможностью вращения относительно оси (21) втулки, сателлит (42), установленный на водиле (41) с возможностью вращения и входящий в зацепление с центральной шестерней (40), а также обойму (43), установленную с возможностью вращения относительно оси (21) втулки и входящую в зацепление с сателлитом (42), первую одностороннюю муфту (50), расположенную в тракте силовой передачи между обоймой (43) и выходным элементом (23) и установленную с возможностью переключения между положениями передачи мощности и разрыва передачи мощности в положении под нагрузкой передаваемой мощности, муфту (45) сцепления, установленную на оси для избирательного переключения тракта силовой передачи между ведущим элементом (22) и выходным элементом (23), и элемент (46) управления переключением, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит вторую одностороннюю муфту (51), расположенную в тракте силовой передачи между ведущим элементом (22) и обоймой (43), и третью одностороннюю муфту (52), расположенную в тракте силовой передачи между водилом (41) и выходным элементом (23), причем муфта (45) сцепления установлена с возможностью поворота вокруг оси в соответствии с вращением ведущего элемента (22) и перемещения в осевом направлении относительно оси (21) втулки, а элемент (46) управления переключением выполнен с возможностью перемещения муфты (45) сцепления в направлении оси втулки и взаимодействия с муфтой (45) сцепления для преобразования вращательного движения муфты (45) сцепления в перемещение муфты (45) сцепления в осевом направлении втулки.

2. Внутренняя передача втулки по п. 1, отличающаяся тем, что элемент (46) управления переключением выполнен в виде направляющей поверхности, примыкающей к оси (21) втулки, переключателя (49), перемещаемого по направляющей поверхности для смещения муфты (45) сцепления в осевом направлении оси втулки, и элемента (48, 61, 66) смещения переключателя для перемещения переключателя (49).

3. Внутренняя передача втулки по п. 2, отличающаяся тем, что муфта (45) сцепления снабжена кулачковой поверхностью (47), расположенной в осевом направлении втулки, а переключатель (49) прижат к кулачковой поверхности (47) для преобразования вращательного движения муфты (45) сцепления в движение муфты (45) сцепления в осевом направлении оси втулки.

4. Внутренняя передача втулки по п. 2 или 3, отличающаяся тем, что ось (21) втулки снабжена спиральной прорезью (21b), причем направляющая поверхность образована этой спиральной прорезью (21b).

5. Внутренняя передача втулки по одному из пп. 2-4, отличающаяся тем, что направляющая поверхность наклонена к оси втулки под углом от 10 до 50^o.

6. Внутренняя передача втулки по одному из пп. 3-5, отличающаяся тем, что кулачковая поверхность (47) наклонена к оси втулки под углом от 20 до 70^o.

7. Внутренняя передача втулки по одному из пп. 4-6, отличающаяся тем, что спиральная прорезь (21b) выполнена насквозь через ось (21) втулки.

8. Внутренняя передача втулки по одному из пп. 4-7, отличающаяся тем, что часть переключателя (49) выполнена с треугольным поперечным сечением и размещена внутри спиральной прорези (21b) перпендикулярно оси втулки.

9. Внутренняя передача втулки по п. 8, отличающаяся тем, что часть треугольного поперечного сечения введена в контакт с направляющей поверхностью.

10. Внутренняя передача втулки по одному из пп. 2-9, отличающаяся тем, что муфта (45) сцепления избирательно введена в зацепление с водилом (41) для передачи вращательного движения ведущего элемента (22) на водило (41).

11. Внутренняя передача втулки по одному из пп. 2-10, отличающаяся тем, что элемент (48) смещения переключателя установлен с возможностью перемещения переключателя (49) к водилу (41).

12. Внутренняя передача втулки по одному из пп. 2-11, отличающаяся тем, что она снабжена первым смещающим элементом (60) для смещения муфты (45) сцепления к водилу (41), вторым смещающим элементом (61) для смещения переключателя (49) к муфте (45) сцепления и третьим смещающим элементом (62) для смещения переключателя (49) от муфты (45) сцепления.

13. Внутренняя передача втулки по одному из пп. 2-12, отличающаяся тем, что переключатель (49) установлен с возможностью давления на муфту (45) сцепления в противоположных осевых направлениях оси втулки.

14. Внутренняя передача втулки по п. 12 или 13, отличающаяся тем, что элемент смещения переключателя выполнен в виде исполнительного элемента (66), контактирующего с переключателем (49), и элемента (68b) управления, установленного с возможностью скольжения в исполнительном элементе (66), причем по меньшей мере один из упомянутых первого, второго и третьего смещающих элементов (60-62) установлен с возможностью смещения исполнительного элемента (66) и элемента (68Ь) управления в противоположных направлениях.

15. Внутренняя передача втулки по п. 14, отличающаяся тем, что исполнительный элемент (66) установлен с возможностью прижима переключателя (49) к водилу (41).

16. Внутренняя передача втулки по п. 14 или 15, отличающаяся тем, что первый смещающий элемент (60) установлен с возможностью смещения исполнительного элемента (66) и элемента (68b) управления в противоположных направлениях, причем смещающее усилие первого смещающего элемента (60) больше, чем второго смещающего элемента (61), а смещающее усилие второго смещающего элемента (61) больше, чем третьего смещающего элемента (62).

17. Внутренняя передача втулки по п. 14, отличающаяся тем, что исполнительный элемент (66) установлен с возможностью отжима переключателя (49) от водила (41).

18. Внутренняя передача втулки по п. 17, отличающаяся тем, что второй смещающий элемент (61) установлен с возможностью смещения исполнительного элемента (66) и элемента (68b) управления в противоположных направлениях, причем смещающее усилие второго смещающего элемента (61) больше, чем третьего смещающего элемента (62), а смещающее усилие третьего смещающего элемента (62) больше, чем первого смещающего элемента (60).

19. Внутренняя передача втулки по п. 12, отличающаяся тем, что смещающее усилие второго смещающего элемента (61) больше, чем третьего смещающего элемента (62), а смещающее усилие третьего смещающего элемента (62) больше, чем первого смещающего элемента (60).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10