ЧЕТЫРЕХСТУПЕНЧАТАЯ ТРАНСМИССИЯ ВЕЛОСИПЕДА
FOUR-STAGE BICYCLE TRANSMISSION

Изобретение относится к транспортному машиностроению, к трансмиссии колесных транспортных машин.
Известны трансмиссии велосипеда:
1. http://velopiter.spb.ru/tech/articles/part1/html
2. http://velorama.ru/glossary/internal.phtml
3. http://www.cronusbike.ru/blog/skolko_peredach_doljno_byit_u_velosipeda.html.
Широкое распространение на велосипедах находят многоступенчатые трансмиссии. Наиболее часто применяют цепную передачу, переключение передач осуществляется переводом цепи по звездам («звездочкам» в отечественной технической литературе) кассеты задней втулки. Переключаемые элементы трансмиссии также могут быть встроены в педальный узел.
Такие трансмиссии сложны, недостаточно надежны, испытывают потребность в регулярном обслуживании (чистке, смазке) и периодической замене расходников: цепь, ролики переключателя, тросики и рубашки, кассета, каретка, звезды системы. У трансмиссии с внешним переключением есть понятие «запрещенных передач» (на самом деле - нерекомендуемых), на которых перекос цепи слишком большой, при этом повышается ее износ и появляется скрежет о рамку переключателя. Есть риск оторвать задний переключатель.
В трансмиссии велосипеда возможно применение зубчатых передач, в том числе сложных планетарных передач. Подобные передачи применяются в трансмиссии автомобилей. Если исключить передачи заднего хода, то их можно применить в трансмиссии велосипеда.
Известны агрегаты трансмиссии - коробки передач (КП) со ступенчатым изменением передаточных чисел, содержащие шестерни, валы, опоры, устройства переключения передач, применяемые на отечественных и зарубежных автомобилях (Проектирование трансмиссий автомобилей. Справочник / Под общ. ред. А.И. Гришкевича. - М.: Машиностроение, 1984. - 272 с.).
Эти агрегаты конструктивно сложны и металлоемки.
Наиболее близкой к предлагаемому устройству является КП по патенту RU №2173640 С2 (7 В60К 17/08, F16H 3/091, Бюл. №26 от 20.09.2001. Автор Некрасов В.И.).
Коробка передач содержит: корпус, соосно расположенные входной и выходной валы, параллельный им промежуточный вал, шестерни, расположенные на упомянутых валах, и две муфты. Одна муфта с закрепленной на ней шестерней заднего хода расположена на выходном валу. Сдвоенная муфта состоит из двух противоположно развернутых полумуфт одностороннего действия, связанных вилкой переключения. Одна полумуфта расположена на шестерне, свободно установленной на промежуточном валу, другая - на средней шестерне соосных валов. Отдельная шестерня заднего хода с муфтой переключения расположена на оси, установленной параллельно валам.
Описанная КП не предназначена для привода кривошипами от педалей, ограничивает эксплуатационные и компоновочные характеристики одноколейного транспортного средства.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в расширении эксплуатационных и компоновочных возможностей транспортного средства за счет компоновки компактного трансмиссионного агрегата на раме с приводом кривошипами от педалей.
Поставленная задача решается за счет установки на педальном узле рамы компактной КП малой металлоемкости, состоящей из трех пар шестерен и двух муфт переключения передач, обеспечивающей четыре передачи.
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что четырехступенчатая трансмиссия велосипеда содержит коробку передач, в которой соосно расположены входной и выходной валы, параллельно им расположен промежуточный вал, на которых установлены три пары шестерен внешнего зацепления, между ними расположены муфты переключения передач, при этом картер коробки передач зафиксирован на раме велосипеда, кривошипы педалей закреплены на входном валу, на промежуточном валу закреплены три шестерни, зацепленные с шестернями, установленными свободно: две на входном валу и одна на трубчатом выходном валу, свободно установленном на входном валу, между шестернями входного вала закреплен зубчатый венец с трехпозиционной муфтой переключения, второй зубчатый венец с трехпозиционной муфтой переключения закреплен на внутреннем конце трубчатого выходного вала, на наружном конце этого вала закреплена ведущая звездочка цепной передачи.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает расширение эксплуатационных и компоновочных характеристик транспортного средства при снижении габаритов и массы.
На фиг. 1 изображена кинематическая схема четырехступенчатой трехвальной соосной КП, содержащей три пары шестерен, обозначенных цифрами 1-3 в нижней части, и две муфты переключения передач, обозначенных буквами А и В. Левое положение муфт обозначено буквой «Л», правое - «П.
На фиг. 2 приведена лучевая диаграмма этой КП с таблицами положений муфт переключения на различных передачах. В верхней части таблицы обозначены включенные в работу пары шестерен (1-3). На горизонтальных шкалах приведены в логарифмическом виде величины передаточных чисел пар шестерен и передач. Нижняя горизонталь соответствует соосным валам: окружность над №3 - входной вал - прямая передача, точки 1, 2 и 4 - выходной вал; верхняя - промежуточному валу. На лучах обозначены пары шестерен. Чем значительнее наклон луча направо, тем больше передаточное число, например луч 3 по сравнению с лучом 2. Левый наклон луча указывает на ускоряющий режим работы пары шестерен - лучи 1 и 2 от т. 3 к т. 4. Наклон луча каждой пары шестерен постоянный на любом участке лучевой диаграммы.
На фиг. 3 приведена лучевая диаграмма 16-ти ступенчатой трансмиссии велосипеда, которая дополнительно оснащена 4-х ступенчатой КП непосредственно в ступице колеса. Верхняя часть соответствует фиг. 2, от обозначений номеров передач 1-4, приведенных на второй горизонтали сверху, между средними горизонталями проведены пунктирные линии, которые характеризуют передаточное число цепной передачи. От каждого такого луча между нижними горизонталями показаны лучи дополнительной КП, обозначенные 4-6, высшая передача этой КП прямая. 16 передач, которые можно получить в этом случае, обозначены 1′- 16′.
На раме 1 велосипеда зафиксирован картер 2 четырехступенчатой КП (фиг. 1). В опорах качения картера 2 установлен входной вал 3, на торцах этого вала закреплены кривошипы 4 педалей велосипеда (педали не показаны). Параллельно входному валу 3 в опорах качения картера 2 расположен промежуточный вал 5. Выходной трубчатый вал 6 свободно установлен на входном валу 3. Ведущая звездочка 7 цепной передачи зафиксирована на выходном трубчатом валу 6. На внутреннем конце входного вала 3 закреплен зубчатый венец 8, на котором расположена трехпозиционная муфта переключения 9(А). Аналогично на внутреннем конце выходного вала 6 закреплен зубчатый венец 10, на котором расположена трехпозиционная муфта переключения 11(В). На промежуточном валу 5 закреплены три шестерни 12, 13 и 14, зацепленные соответственно с шестернями 15, 16 и 17, свободно установленными: 15 и 16 - на входном валу 3, 17 - на трубчатом выходном валу 6. Вилки муфт переключения 9(А) и 11(В) не показаны.
Работа КП осуществляется следующим образом (фиг. 1 и 2).
Первая передача
Муфты А и B в правом положении (П) (фиг. 2, табл. справа под т. 1).
В работу включены 2-я и 3-я пары шестерен.
Усилия велосипедиста от педалей передаются кривошипами 4 на входной вал 3. Крутящий момент (фиг. 1) от входного вала 3 зубчатым венцом 8, муфтой переключения 9(А) передается на шестерню 16, от нее на шестерню 13 и на промежуточный вал 5, далее парой шестерен 14-17 и муфтой 11(В) на зубчатый венец 10, на трубчатый выходной вал 6 и на ведущую звездочку 7 цепной передачи. Цепной передачей усилие передается на ведомую звездочку и ступицу колеса (не показаны).
На лучевой диаграмме (фиг. 2) эта передача представлена двумя лучами: луч 2 выходит из т. 3 на нижней горизонтали и направлен направо вверх к верхней горизонтали, далее луч 3 к т. 1 справа на нижней горизонтали.
1
Если в ступице колеса установить 4-х ступенчатую КП, то крутящий момент будет увеличен 4-й и 6-й парами шестерен (фиг. 3 справа 1).
Вторая передача
Переключаем муфту А в левое положение (Л) - выключаем из работы 2-ю пару шестерен 16-13 и включаем 1-ю пару шестерен 15-12.
Крутящий момент от входного вала 3 муфтой 9(А) передается по паре шестерен 15-12 на промежуточный вал 5 и далее, как на первой передаче.
На лучевой диаграмме эта передача представлена двумя лучами: 1 и 3 от т. 3 к т. 2.
Третья передача - прямая
Возвращаем муфту А в правое положение, муфту В переключаем в левое положение. Выключаем из работы пары шестерен.
Крутящий момент от входного вала 3 муфтой 9(А) передается по шестерне 16 и по муфте 11(B) на зубчатый венец 10, выходной вал 6 и на ведущую звездочку 7 цепной передачи.
На лучевой диаграмме эта передача представлена т. 3 на нижней горизонтали.
Четвертая передача - ускоряющая
Перемещаем муфту А из правого в левое положение - включаем в работу 1-ю и 2-ю пары шестерен.
Крутящий момент от входного вала 3 передается муфтой 9(А) на пару шестерен 15-12, на промежуточный вал 5, далее парой шестерен 13-16, муфтой 11(В) на зубчатый венец 10, на выходной вал 6 и на ведущую звездочку 7 цепной передачи.
На лучевой диаграмме эта передача представлена лучами 1 и 2 от т. 3 к т. 4.
Движение накатом - свободный ход
Муфта 11(В) в нейтральном (среднем) положении, при этом ведущая звездочка 7 цепной передачи и трубчатый выходной вал 6 с зубчатым венцом 10 отсоединены от шестерен КП. Как правило, движение накатом осуществляется за счет МСХ (муфты свободного хода), установленной в ступице колеса. Если в ступице установлена КП, то включаем нейтральное состояние.
Обозначения:
1 - рама велосипеда;
2 - картер четырехступенчатой КП;
3 - входной вал КП;
4 - кривошипы педалей (педали не показаны);
5 - промежуточный вал КП;
6 - трубчатый выходной вал КП;
7 - ведущая звездочка цепной передачи;
8 - зубчатый венец входного вала 4;
9(А) - трехпозиционная муфта переключения зубчатого венца 8;
10 - зубчатый венец трубчатого выходного вала 6;
11(В) - трехпозиционная муфта переключения зубчатого венца 10;
12-14 - шестерни, закрепленные на промежуточном валу 5;
15 и 16 - шестерни, свободно установленные на входном валу 3 и зацепленные соответственно с шестернями 12 и 13;
17 - шестерня, свободно установленная на трубчатом выходном валу 6 и зацепленная с шестерней 14.