ХРАПОВАЯ ВЕЛОСИПЕДНАЯ МУФТА С АМОРТИЗАЦИЕЙ УДАРОВ ВРАЩАТЕЛЬНОГО МОМЕНТА
RATCHET BICYCLE CLUTCH WITH SHOCK ABSORPTION OF TORQUE

Изобретение относится к общему машиностроению, и в частности к устройствам трансмиссии велосипеда, и предназначено для передачи крутящего момента со звезд (звезды) кассеты на ступицу заднего колеса в одном направлении для обеспечения возможности езды без постоянного кручения педалей.
Известная велосипедная храповая муфта (трещотка) состоит из внешней ведущей полумуфты с шлицевым зацеплением кассеты со звездами и с храповыми зубьями на внутренней поверхности, подпружинных собачек в пазах внутренней ведомой полумуфты, сосной с внешней, и шарикоподшипниковой опоры между полумуфтами для обеспечения свободного вращения при холостом ходе. Ведомая полумуфта имеет внутреннюю шлицевую поверхность для крепления к ступице.
В данной трещотке возникают ударные нагрузки при контакте собачек с зубьями храпового колеса, когда велосипедист начинает вращать педали для ускорения: при смене холостого хода на рабочий, полумуфты поворачиваются относительно друг друга на угол срабатывания, после чего носик собачек ударяется в крутой выступ зуба. При частых сильных ударах поверхность зубцов и собачек изнашивается, в результате чего трещотка выходит из строя. Для продления срока службы в современных трещотках собачки выполнены массивными и широкими, из прочной и износоустойчивой стали. Шаг зубьев сделан небольшим. Однако недостатком такой конструкции является неизбежность ударных воздействий в храповых элементах, которые вызывают к тому же неприятную вибрацию, воздействующую на ноги велосипедиста. Стоит отметить, что проблема ударов в храповой муфте стоит наиболее остро для кроссовых велосипедов, поскольку при эксплуатации на сильнопересеченной местности трещотка воспринимает наиболее значительные моменты вращения (т.к. езда проходит при большом передаточном числе) с частой сменой холостого хода на рабочий.
Из-за наличия угла срабатывания трещотки происходит удар собачек по зубьям, который ослабляют уменьшением угла срабатывания, а также использованием фрикционной связи между полумуфтами. Первый путь не применим для велосипедов, поскольку уменьшение шага между зубьями требует уменьшения габаритов собачек, а значит ослабляет их прочность. Второй путь (RU 2181856) также сложен в приложении к велосипеду, поскольку требует увеличения габаритов муфты и усложняет использование шарикоподшипниковой опоры между полумуфтами. Эффективность компенсации удара в такой муфте зависит от момента силы трения между фрикционными поверхностями, который характеризуется довольно большой изменчивостью, так как он резко зависит от характеристик шероховатости и силы сжатия фрикционных конических поверхностей, которые сложно контролировать при изготовлении и сборке. Более того, непостоянство влажности, коррозия, случайное попадание масел, которые типичны для уличных условий эксплуатации, делают подобную конструкцию неприменимой для велосипеда.
Цель изобретения - увеличение надежности храповой велосипедной муфты за счет уменьшения ударных нагрузок и снижение связанных с ними вредных вибраций.
Данная цель решается установкой собачек, воспринимающих удар, на дисковую деталь, которая поворачивается вокруг внутренней полумуфты на небольшой угол и имеет в направлении воздействия момента силы вращения крутильную жесткость, создаваемую пружинами, вставленными в тангенциальные отверстия кулачков внутренней полумуфты и упирающимися с начальной силой в грани пазов дисковой детали. Упругие свойства муфты уменьшают мгновенные нагрузки на собачки и зубья, снижая их износ.
На фиг.1 изображена велосипедная муфта в собранном виде, продольный разрез с видом и поперечный разрез А-А; на фиг 2 - та же муфта в разобранном виде, внутренняя полумуфта и снятая с нее дисковой детали с собачками.
Муфта состоит из внешней ведущей полумуфты 1, имеющей форму полого цилиндра с зубьями для зацепления собачек 12 на внутренней поверхности, с внешней шлицевой поверхностью 2 для крепления велосипедной кассеты и пояском 3. Внутренняя ведомая полумуфта 4 снабжена диском на торце с дорожкой, на которой катятся шарики 5, служащие опорой для ведущей полумуфты 1. Ведомая полумуфта 4 снабжена пазами 6 для крепления к ступице колеса с помощью шлицевого соединения.
кул
Внутренняя полумуфта 4 с цилиндрической поверхностью, покрытой слоем антифрикционного сплава 7, снабжена несколькими (2-5) симметрично расположенными кулачками 8 в форме цилиндрических секторов радиусом Rкул и дугой φ, имеющих общий центр с цилиндрической поверхностью полумуфты 4.
паз,
кул
Цилиндр ведомой полумуфты к тому же служит опорой скольжения диска -держателя 9 собачек 12 с центральным посадочным отверстием и внутренними пазами, соответствующими кулачкам полумуфты, имеющими форму цилиндрического сектора радиусом Rпаз=1,05 Rкул и с дугой φ равной 1,2-1,3 φ между цилиндрическими поверхностями пазов и кулачков создается зазор.
кул
паз
кул
В боковых гранях кулачков 8 просверлены глухие тангенциальные отверстия 10 в направлении рабочего вращения ведущей полумуфты (по часовой стрелке) и глубиной 0,5-0,7 φ. В отверстия вставлены цилиндрические пружины сжатия 11 с внешним диаметром, равным диаметру отверстий 10. Пружины в отверстиях кулачков сжаты и упираются в толкающую поверхность пазов детали 9, а между кулачками и пазами со стороны толкающей поверхности пазов имеется подвижный секторный зазор, раскрытый с максимальным углом, равным φ-φ.
наж
шатуна
пруж
наж
шатуна
пруж
Сжатие пружин после их упора в поверхность пазов не более чем на 10% от первоначальной длины должно вызывать силу упругости пружин, равную средней силе, передающейся от педалей велосипеда к кулачкам полумуфты во время спокойной езды, отнесенной к числу пружин. Эта сила определяется по формуле: F=F R U/(R N), где F - сила нажатия на педали при равномерной езде, R - плечо шатуна, U - среднее передаточное число велосипеда, R - расстояние от оси колеса до центра пружин, N-число пружин.
Зазор между витками пружин не должен быть меньше толщины проволоки пружины. Пружина должна сжиматься на 40-50% без просадки. В каждом кулачке может быть выполнено от одного до четырех отверстий для пружин.
Дисковая деталь 9 имеет посадочные места для собачек 12, которые расположены симметрично относительно внутренних секторных пазов. Собачки 12 прижаты в посадочных нишах с помощью кольцеобразной разомкнутой пружины 13, которая закреплена в пазу во внешней поверхности детали. Пружина 13 прижимает носики собачек к зубчатой внутренней поверхности 14 ведущей полумуфты.
На цилиндрический хвост внутренний полумуфты навинчивается гайка 15 с дорожкой, по которой катятся шарики, служащие опорой для внешней полумуфты, соединенной с гайкой-конусом 16 резьбой. Снаружи гайка-конус является опорой шарикоподшипникам оси колеса велосипеда. Гайка 15 и торцевой диск внутренней полумуфты с дорожкой ограничивают аксиальное смещение дисковой детали 9 с двух сторон.
паз
кул
Муфта работает следующим образом. При кручении педалей велосипеда через цепную передачу вращение передается на кассету со звездами и через шлицевое соединение - на внешнюю полумуфту 1, которая вращается на шарикоподшипниках, опирающихся на внутреннюю полумуфту 2 и гайку 15. Если колесо велосипеда неподвижно или вращается, то зацепление собачек 12 произойдет не мгновенно при выравнивании угловых скоростей полумуфт, а после поворота ведущей полумуфты но часовой стрелке на некоторый угол, определяемый отношением 360/n, где n - число зубьев храповика. За время между началом вращения педалей под силой ног или моментом выравнивания частот вращения и моментом зацепления полумуфта наберет некоторую угловую скорость, за счет которой собачки ударят о зубья храповика. Однако когда мгновенный момент силы удара, действующий на диск 9 с собачками 12, превысит противодействующий крутящий момент, создаваемый пружинами 11, диск с собачками начнет смещаться на угол, не больший φ -φ, смещение будет продолжаться до компенсации ударного воздействия пружинами либо до удара грани паза о грань кулачка. Так или иначе, сила амортизированного удара будет иметь величину, мало превышающую суммарную силу сжатых пружин, что много меньше, чем сила удара собачки, посаженной жестко на внутреннюю полумуфту. После компенсации удара диск 9 возвратиться до начального положения и муфта будет передавать крутящий момент при спокойном режиме езды без смещения. Жесткость и начальное сжатие пружин рассчитаны так. чтобы амортизация муфты срабатывала лишь при сильных и неаккуратных рывках.
Реализация изобретения. Предлагаемая муфта собирается из изготовленных заранее деталей следующим образом. В тангенциальные глухие отверстия в кулачках ведомой полумуфты вставляются пружины, после чего последние сжимают и насаживают сверху дисковый держатель собачек 9. Затем устанавливают подпружинные собачки, их носик прижимают к поверхности ниш диска 9, в дорожки для подшипников набирают вплотную ряд шариков, на хвост ведомой полумуфты навинчивают гайку 15 с дорожкой. Сверху на подготовленную шариковую опору устанавливают ведущую полумуфту, отпускают носики собачек, а на дорожку гайки 15 укладывают шарики, после чего завинчивают па внутреннюю резьбу гайку-конус 16, которая служит опорой для шариков на дорожке шайбы.
Пример велосипедной трещотки. Трещотка имеет диаметр цилиндра внутренней полумуфты 30 мм, высоту цилиндра 70 мм, радиус сектора кулачка 25 мм, а угол сектора 30 градусов. Полумуфта имеет три кулачка, расположенных под углом 120 градусов. В боковых гранях каждого кулачка сделаны в ряд 3 отверстия, в которые посажены пружины жесткостью 50 кгс/см. При установке пружины сжаты на 10% и создают начальный крутящий момент 100 кгс/см. Дисковой держатель внешним диаметром 60 мм имеет три собачки. Его внутренние секторные пазы имеют угол 40 градусов и радиус 26 мм. Дисковый держатель насажен на цилиндрическую поверхность внутренней муфты. Коаксиально расположена на двух шариковых опорах внешняя полумуфта. имеющая диаметр 70 мм. Предлагаемая конструкция значительно уменьшает износ зубьев и собачек, снижает вибрационное воздействие и улучшает комфортность езды па велосипеде.