Узел каретки велосипеда
BICYCLE CARRIAGE ASSEMBLY

Изобретение относится к области велостроения, в частности, к производству шоссейных велосипедов.
Для шоссейных велосипедов основным требованием является передача мускульных усилий ног велосипедиста на заднее колесо с максимальным коэффициентом полезного действия (КПД). Максимальный КПД обеспечивается как оптимизацией конструкции каретки велосипеда, состоящей из шарикоподшипникового узла и кривошипной системы с педалями, так и способом посадки гонщика, обеспечивающим его эффективное и долговременное педалирование, при котором расстояние между плоскостями вращения правой и левой педалей, обусловленное расположением тазобедренных суставов гонщика, позволяет производить давление на педали в строго вертикальном направлении. Степень вертикальности определяется, так называемым, Q-фактором.
Что касается оптимизации конструкции узла каретки, то здесь можно сказать следующее. Известно, что, если опора расположена по линии действия силы, то реакция опоры равна величине этой силы. Если же нагрузка воздействует на опору через плечо (плечо действия силы), то появляется дополнительный момент силы и реакция опоры увеличивается. Для узла каретки велосипеда этот момент определяется произведением силы педалирования F на расстояние от точки приложения этой силы до поперечной оси подшипника каретки L
M=F*L
Очевидно, что для уменьшения нагрузок, действующих на подшипники узла каретки, и увеличения его КПД и ресурса, величину L необходимо уменьшать.
Известен традиционный узел каретки велосипеда (см., напр., В.П. Любовицкий. Гоночные велосипеды. - Л. Машиностроение, 1989, стр. 64-69). Он содержит втулку длиной 70 мм и внутренним диаметром 33 мм. В ранней конструкции на концах втулки устанавливались две внутренние резьбовые чашки с насыпными шарикоподшипниками, в которых закреплялся вал каретки. В более поздней конструкции используются картриджи с промышленными подшипниками.
Однако этот узел имеет существенные недостатки. Он сложен в изготовлении и эксплуатации, кроме того, значение плеча L у него велико, вследствие чего на подшипники действуют большие нагрузки, что увеличивает потери энергии в них и тем самым снижает ресурс и КПД узла.
Из девяти наиболее популярных в настоящее время моделей узлов каретки  пять имеют внешние чашки для установки промышленных подшипников, при этом все они имеют увеличенные диаметры и ширину стакана.
С учетом ширины внешних чашек длина вала каретки у некоторых из них превышает 130 мм, что ухудшает значение Q-фактора. Однако главный недостаток всех этих моделей состоит в их несовместимости с ранее выпущенными велосипедами. А их в мире насчитывается больше миллиарда!
Известен узел каретки велосипеда с качающимися рычагами (см. Заявка DE 102014003625, МПК В62К 19/34, 2014). В нем вал каретки состоит из двух полувалов, соединенных между собой шлицевым соединением, причем полувалы выполнены заодно с левым и правым кривошипами и запрессованы во внутренние кольца промышленных подшипников, внешние кольца которых запрессованы во втулку каретки.
Однако этот узел имеет существенные недостатки. Во-первых, он не совместим с традиционными рамами и системами. Во-вторых, в нем подшипники закреплены на полувалах с зазором (через шайбы) относительно внутренних граней кривошипов и потому значение плеча L у него довольно велико, а КПД не высок.
Известен узел каретки, снабженный двумя внешними чашками, закрепленными резьбовым соединением с двух сторон втулки каретки (см. http://www.birota.Ru/texts/2008 april/bb30.Php). В чашках запрессованы промышленные шарикоподшипники, во внутренних кольцах которых закреплен вал каретки увеличенного диаметра, соединенный с кривошипами. Достоинства конструкции: полная совместимость со старыми рамами, простота установки и обслуживания, а также уменьшенное значение плеча L, а значит, и уменьшенные нагрузки на подшипники.
Однако этот узел имеет существенные недостатки. Во-первых, изменилась (сместилась наружу) линия цепи, вследствие чего при максимальном передаточном отношении ведомая и ведущая шестерни уже не находятся в одной плоскости, что уменьшает КПД цепной передачи. Во-вторых, нагрузки на подшипники (а значит, КПД и ресурс узла) хотя и уменьшились, но все-таки незначительно. И, в-третьих, увеличилось значение Q-фактора, поскольку расстояние между точками крепления педалей к кривошипам увеличилось. Поэтому некоторые профессиональные спортсмены жаловались на появившиеся боли в коленях.
Задача и технический результат предлагаемого решения - создание узла каретки велосипеда с увеличенными ресурсом и КПД при полной совместимости с традиционными рамами и сохранении оптимального значения Q-фактора.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что узел каретки, включающий закрепленную на раме велосипеда втулку, на концах которой с помощью резьбовых соединений закреплены две внешние чашки с запрессованными в них промышленными подшипниками, вал, соединяющий два кривошипа с закрепленными на их свободных концах педалями, а также, как минимум, одну ведущую шестерню, закрепленную на правом кривошипе, имеет вал, состоящий из двух полувалов, скрепленных между собой шлицевым соединением и стяжным болтом, причем полувалы выполнены заодно с левым и правым кривошипами и запрессованы во внутренние кольца подшипников, а в местах запрессовки полувалов в кривошипах выполнены кольцевые проточки, меньшие диаметры которых равны диаметрам полувалов, а большие - превышают размеры наружных диаметров внешних чашек.
Сущность изобретения поясняется чертежом на фиг. 1. Узел каретки включает в себя втулку 1, закрепленную в раме 2, две внешние чашки 3 и 4, промышленные подшипники 5 и 6, левый 7 и правый 8 кривошипы с кольцевыми проточками 9 и 10, левым 11 и правым 12 полувалами с пазом 13 и шлицом 14, стяжной болт 15, ведущую шестерню 16, а также левую 17 и правую 18 педали.
Внешние чашки 3 и 4 с помощью резьбовых соединений закреплены на втулке 1. В чашки запрессованы подшипники 5 и 6. Диаметры полувалов 11 и 12 выбраны (с допусками для их запрессовки) равными диаметрам внутренних колец подшипников 5 и 6. При сборке узла каретки кривошипы 7 и 8 своими проточками 9 и 10 надвигаются на внешние чашки 3 и 4, полувалы 11 и 12 жестко фиксируются шлицом 14 и стяжным болтом 15. При этом между торцами внешних чашек и внутренними стенками проточек должен оставаться минимальный зазор. Усилия педалирования, прикладываемые к педалям 17 и 18, через закрепленную на правом кривошипе 8 ведущую шестерню 16 с помощью цепной передачи передаются на заднее колесо велосипеда.
В данной конструкции достигается существенное уменьшение плеча L благодаря тому, что в кривошипах выполнены кольцевые проточки, в которые помещены промышленные подшипники.
Это оказалось возможным сделать, во-первых, вследствие увеличения диаметра вала (с 17 до 30 мм), а, во-вторых, из-за заменысплошного вала двумя полувалами и их жесткого соединения не по краям, а в центре конструкции, в результате чего нагрузки в местах выполнения проточек существенно снизились. Уменьшение плеча L позволяет уменьшить нагрузки на подшипники, тем самым увеличить ресурс и КПД узла каретки при сохранении оптимального значения Q-фактора и полной совместимости с традиционными рамами. По сравнению с прототипом нагрузки на левый и правый подшипники уменьшаются на ~ 20% и 70%, а по сравнению с традиционной конструкцией каретки (в зависимости от размеров вала и ведущей шестерни) - до 1,7 и 2,8 раза.
Реализация данного устройства технических трудностей не представляет.
Таким образом, поставленная задача выполнена и технический результат достигнут.