Велосипед с автоматическим переключением передач

Изобретение относится к управлению автоматическим переключением передач велосипеда посредством центробежной силы вращающихся грузов с последующим подключением вспомогательного усилия от втулки вращающегося колеса для срабатывания заднего переключателя передач. Кассета (6) из звездочек разнесена относительно центробежных грузов по разным втулкам колес. Трос (7) управления задним переключателем (3) передач проходит сквозь неподвижную ось (8) крепления втулки переднего колеса и вдоль (1) рамы велосипеда. При этом полумуфта, передающая вспомогательное усилие от втулки вращающегося колеса, непосредственно связана с тросом (7) переключателя (3). Техническое решение направлено на снятие взаимного ограничения габаритов звездочек и грузов, что обеспечивает больший ход центробежных грузов и большее количество звездочек в кассете. Таким образом обеспечиваются как упрощение конструкции, так и расширение возможных значений передаточных отношений в цепной передаче и повышение чувствительности к изменению скорости. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к транспорту, а именно к велосипедам для спорта.

Известен велосипед АННУШКА с автоматическим переключением скоростей, содержащий планетарные редукторы, которые управляются центробежными элементами (см. патент России №2059507, МКИ 6 В62М 11/16, 1993 г.) - аналог.

Однако многоступенчатые зубчатые передачи в силу физических свойств уступают цепной передаче по коэффициенту полезного действия. Велосипед тяжел на ходу.

Известные всему миру фирмы SIMANO, MERSEDES и др. выпускают велосипедную автоматику на основе планетарной редукции. Например "Мерин" педальный /см. публикацию в газете "Комсомольская ПРАВДА" от 2 июля 2005 года №22/1210/ - аналог.

Однако известная автоматика на базе планетарных редукторов отнимает не один процент мышечной энергии на трение в редукции и для Большого спорта не годится. Для Большого спорта допустима только одна ступень передачи со звездочки в зоне ступицы на звездочку в зоне заднего колеса. При любом изменении передаточного отношения одноступенчатость должна сохраняться. Дополнительные передачи к уже имеющимся, например планетарные, недопустимы.

Наиболее близко к предложенному техническому решению относится ВЕЛОСИПЕД БЫСТРОГО СТАРТА /см. патент России №2278056, МКИ 6 В62М 11/16, 2003 г. и публикацию в журнале «Моделист Конструктор» №9 за 2007 год/ - прототип. ВЕЛОСИПЕД БЫСТРОГО СТАРТА состоит из рамы. На раме установлен задний переключатель и трос управления задним переключателем, проходящий сквозь ось заднего колеса, которая неподвижна относительно рамы. На оси заднего колеса подвижно смонтирована втулка. Внутри втулки установлено подпружиненное кольцо, соединенное гибкой связью с центробежными грузами и выполненное с возможностью поочередного сцепления с полумуфтами, реверсивной и резьбовой, мелкого шага. Кольцо подвижно в осевом направлении, однако ограничено от вращения относительно втулки. Резьбовая полумуфта с мелким шагом подвижно соединена с гайкой крупного шага. Гайка крупного шага соединена с тросом управления задним переключателем. Центробежные грузы размещены внутри кассеты из комплекта звездочек.

ВЕЛОСИПЕД БЫСТРОГО СТАРТА при его изготовлении по чертежам автора, которые выполнены в полном соответствии с ЕСКД /Единая Система Конструкторской Документации/, действительно реализовал все задуманные параметры. Однако изготовление множества деталей, например гайки с крупным шагом, резьба которой левая многозаходная и состоит из двух элементов для обеспечения собираемости, увеличивает стоимость изготовления изделия в целом. Изготовление кассеты, которая содержит комплект оригинальных звездочек, усложняет конструкцию, а центробежные грузы внутри кассеты ограничены в своей массе, так как внешний диаметр полуколец грузов должен быть меньше внутреннего диаметра малой звездочки, а также центробежные грузы ограничены по величине расхождения от центробежных сил. Для увеличения скорости велосипеда, то есть для увеличения передаточного отношения между звездочкой ступицы и звездочкой кассеты, необходимо уменьшать диаметр звездочки кассеты. Но реально значимый вес центробежного груза ограничивает уменьшение диаметра звездочки. Реальный ход центробежного механизма от одного крайнего положения до другого также ограничен размерами звездочек. Ограниченный полный ход уменьшает чувствительность центробежного механизма к изменению скорости. Например, смещение центробежного механизма для переключения на следующую ступень должно быть в пределах 0,5 мм. Однако незначительный сдвиг от вибрации может привести к неоправданному переключению скорости и наоборот сдвигу центробежного механизма, не последует переключение скорости по причине равенства суммарного размера люфтов в размерной цепочке задействованных элементов. Испытания пионерского образца показали следующее: изменение скорости сопровождается автоматическим переключением цепной передачи как в одну, так и в другую сторону, однако трудность сборки и большое количество оригинальных и конструктивно сложных деталей препятствует массовому тиражированию востребованного изделия. Востребованное изделие массового производства по возможности должно состоять из минимального числа конструктивно простых элементов.

Целью предложенного технического решения является упрощение конструкции, упрощение сборки, расширение возможных значений передаточных отношений в цепной передаче и повышение чувствительности к изменению скорости.

Техническое решение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид ВЕЛОСИПЕДА С АВТОМАТИЧЕСКИМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ ПЕРЕДАЧ. На фиг.2 представлено сечение по оси переднего колеса велосипеда.

Поставленная цель достигается ВЕЛОСИПЕДОМ С АВТОМАТИЧЕСКИМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ ПЕРЕДАЧ, который содержит раму 1 с вилкой 2 переднего колеса. На раме 1 установлен задний переключатель 3 и неподвижная ось 4 крепления втулки 5 заднего колеса. На втулке 5 через обгонную муфту установлена кассета 6 с комплектом разных звездочек. Вдоль рамы проходит трос 7 управления задним переключателем 3. В вилке 2 переднего колеса смонтирована неподвижно ось 8 крепления втулки переднего колеса. В отличие от известного решения трос 7 проходит сквозь ось 8, которая неподвижно смонтирована в вилке 2. Ось 8 в средней своей части содержит резьбовой участок. Резьбовой участок выполнен из резьбы правой нарезки с нормальным шагом по ходовой посадке. На оси 8 подвижно установлена втулка 9. Внутри втулки 9 вмонтировано подпружиненное кольцо 10, которое постоянно взаимодействует через гибкие связи с центробежными грузами 11, которые размещены на втулке 9 переднего колеса. Кольцо 10 расположено между полумуфтой реверсивной 12 и полумуфтой резьбовой 13 и выполнено с возможностью периодического взаимодействия с зубчатыми торцами полумуфт. Полумуфта резьбовая 13 подвижна на резьбовом участке оси 8 с возможностью перемещения вдоль оси 8 на величину, равную перемещению троса 7, которая достаточна для нормальной работы заднего переключателя 3. Отличается предложенное решение от известного технического решения и тем, что полумуфта резьбовая 13 непосредственно взаимодействует с тросом 7. Трос 7 выходит из оси 8 налево по ходу движения велосипеда, в то время как кассета 6 и задний переключатель 3 смонтированы справа. Это обосновано тем, что правостороннее расположение кассет, приводной цепи и педалей принято для производителей велосипедов во всем мире. Притом задняя ось в сборе с кассетой конструктивно известна и может быть применима для предложенного технического решения в исполнении любой из известных фирм. Ось 8 в средней своей части содержит резьбовой участок, на котором подвижно установлена полумуфта резьбовая 13. Резьба имеет правую навивку. Правая навивка резьбы также общепринята и выполняется стандартным резьбовым инструментом. Направление вращения переднего колеса относительно оси 8 постоянно и совпадает с направлением вращения полумуфты резьбовой 13. По этой причине для обеспечения нужного направления перемещения трос 7 должен выходить из оси 8 налево по ходу движения велосипеда, т.е. в противоположную сторону по ходу движения от расположения кассеты 6 и заднего переключателя 3. Подпружиненное кольцо 10 ограничено от вращения относительно втулки 9 известным способом. Кассета 6 с комплектом звездочек установлена на втулке 5 заднего колеса, в то время как центробежные грузы 11 установлены на втулке 9 переднего колеса. Разнесение кассеты 6 относительно грузов 11 по разным базовым втулкам обеспечило повышение чувствительности. Кассета 6 в отличие от прототипа не ограничена в конструктивных параметрах габаритами центробежных грузов 11, следовательно, передаточные отношения в цепной передаче могут быть любыми, которые необходимы для выполнения спортивных задач.

ВЕЛОСИПЕД С АВТОМАТИЧЕСКИМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ ПЕРЕДАЧ работает следующим образом. Ось 8 жестко закреплена в вилке 2. Переднее колесо велосипеда и втулка 9 через шпонку постоянно вращает подпружиненное кольцо 10. Однако кольцо 10 вращается совершенно свободно на цилиндрической шейке полумуфты реверсивной 12, так как находится в уравновешенном состоянии с постоянным зазором между торцами полумуфт 12 и 13. Равновесное состояние кольца 10 обеспечивается пружиной и гибкой связью, идущей от центробежных грузов 11.

В случае увеличения скорости движения велосипеда увеличивается центробежная сила и разводит грузы 11, которые выполнены в виде полуколец. Движение от грузов 11 передается через гибкую связь и блок кольцу 10. Кольцо 10 подпружинено, однако равновесие нарушено и пружина сжимается. Кольцо 10 смещается в направлении зубчатого торца полумуфты 13. Выбирается зазор между кольцом 10 и полумуфтой 13. Кольцо 10 также содержит зубчатые торцы. Кольцо 10 сцепилось с полумуфтой 13. Момент от вращения втулки через шпонку и кольцо передается полумуфте 13, которая по резьбовому участку оси 8 смещается и ослабляет трос 7. Однако натяжение троса 7 восстанавливается пружиной, которая является принадлежностью заднего переключателя 3. Конструкция заднего переключателя 3 известна, он срабатывает таким образом, что велосипедная цепь переводится с большей звездочки на звездочку меньшего диаметра, при этом частота вращения педалей не увеличивается, однако велосипедист едет быстрее. Величина перемещения троса 7, полумуфты 13 по резьбовому участку оси 8, кольца 10 по цилиндрической шейке полумуфты реверсивной 12 и величина расхождения грузов 11 равны между собой. Например, кассета 6 содержит семь звездочек разного диаметра, следовательно, между звездочками шесть равных шагов. Для перехода заднего переключателя 3 из одного крайнего положения в другое необходимо перемещение троса 7 на восемнадцать миллиметров. Для переключения на соседнюю звездочку перемещение троса 7 должно составлять три миллиметра (восемнадцать миллиметров максимального хода троса 7, если разделить на шесть шагов, то одному шагу соответствует три миллиметра перемещения троса). Относительно большой ход грузов 11, которые выполнены в виде полуколец и составляют центробежный механизм, увеличивает чувствительность к изменению скорости. Даже сильные вибрации не могут привести к неоправданному переключению скорости, так как возможный суммарный размер люфтов в размерной цепочке задействованных элементов, которых немного, будет на порядок ниже величины шага, который соответствует переключению на соседнюю ступень передачи. Переключение завершается в момент, когда наступает равновесие между усилием пружины кольца 10 и центробежными силами от грузов 11. При дальнейшем увеличении скорости велосипеда процесс повторяется аналогичным образом, однако частота вращения педалей остается прежней в предварительно заданном пределе.

Скорость движения велосипедиста уменьшается, например, в случае подъема трассы или изменения грунтов. Уменьшается действующая на грузы 11 центробежная сила. Грузы 11 от действия пружины через кольцо 10 и гибкую связь сходятся. Кольцо 10 под действием той же пружины смещается и выбирает зазор между полумуфтой реверсивной 12. Кольцо 10 сцепляется с полумуфтой реверсивной 12. Через сателлиты полумуфта реверсивная 12 вращает полумуфту резьбовую 13 в противоположную сторону. Полумуфта резьбовая 13 смещается по резьбе и натягивает трос 7 управления задним переключателем 4. Велосипедная цепь переводится с меньшей звездочки на большую звездочку. Велосипедист, не меняя частоты педалирования, легко преодолевает трудный участок трассы. Полумуфты 12 и 13 соединены в один узел, который обеспечивает взаимное вращение относительно общей оси и исключает взаимное перемещение вдоль общей оси, так как имеют общую направляющую цилиндрическую поверхность и удерживаются стопорным кольцом. Таким образом, при смещении полумуфты 12 смещается полумуфта 13. Смещение полумуфты 12 продолжается до тех пор, пока не восстановится зазор с кольцом 10. При установившемся режиме зазор между кольцом 10 и торцами полумуфт 12 и 13 сохраняется. При дальнейшем уменьшении скорости велосипеда процесс повторяется аналогичным образом, однако частота вращения педалей остается в заданном пределе, который считается комфортным.

Любое изменение скорости сопровождается соответствующим переключением, которое поддерживает заранее установленную частоту педалирования. Предложенный велосипед идеально распределит мышечную энергию на трассе любой сложности и при минимально необходимых физических нагрузках велосипедист добьется лучшего результата, так как автоматика не подвержена эмоциям и момент переключения выбирается исключительно точно. Велосипедисту не надо отвлекаться на переключения, он даже не заметит момента переключения, автоматика сработает четко и надежно.

Велосипед с автоматическим переключением передач, содержащий раму (1) с вилкой (2) переднего колеса, неподвижную ось крепления втулки заднего колеса с кассетой (6) из звездочек и неподвижную ось крепления втулки переднего колеса, смонтированную в вилке (2), задний переключатель (3) передач с тросом (7) управления задним переключателем (3) передач,

при этом автоматическое переключение передач обеспечивается посредством установленных на втулке (9) колеса центробежных грузов (11), которые имеют гибкую связь с подпружиненным кольцом (10), которое связано со втулкой (9) колеса и расположено внутри втулки (9) колеса между полумуфтой реверсивной (12) и полумуфтой резьбовой (13) с возможностью взаимодействия с этими полумуфтами (12, 13) при увеличении или уменьшении центробежной силы грузов (11) для перемещения троса (7) управления задним переключателем (3) передач,

при взаимодействии подпружиненного кольца (10) с полумуфтой резьбовой (13) обеспечивается передача вращения полумуфте резьбовой (13) с ее смещением по резьбовому участку неподвижной оси крепления втулки колеса в одну сторону,

а при взаимодействии подпружиненного кольца (10) с полумуфтой реверсивной (12) обеспечивается передача вращения полумуфте реверсивной (12), которая через сателлиты обеспечивает вращение полумуфты резьбовой (13) с ее смещением по резьбовому участку неподвижной оси крепления втулки колеса в противоположную сторону,

при этом завершение переключения обеспечивается в момент наступления равновесия между усилием пружины кольца (10) и центробежными силами от грузов (11) с обеспечением возможности свободного вращения подпружиненного кольца (10) с зазором между торцами полумуфт (12, 13),

отличающийся тем, что кассета (6) из звездочек разнесена относительно центробежных грузов (11) по разным втулкам колес таким образом, что трос (7) управления задним переключателем (3) передач проходит сквозь неподвижную ось (8) крепления втулки (9) переднего колеса и вдоль (1) рамы велосипеда,

соответственно втулка (9) колеса, внутри которой расположено подпружиненное кольцо (10) между полумуфтами (12, 13), является втулкой переднего колеса, закрепленной на неподвижной оси (8) с резьбовым участком,

при этом полумуфта резьбовая (13) непосредственно связана с тросом (7) управления задним переключателем (3) передач.