ПРИВОД КОЛЕСА ВЕЛОСИПЕДА
BICYCLE WHEEL DRIVE

Изобретение относится к области транспортного машиностроения,  предназначено для преобразования мускульной силы человека в энергию движения и может быть использовано в велотранспортных средствах.
Известен привод велосипеда [патент RU 2329912], содержащий ведущее колесо и педальный привод с цепной передачей, недостатком которого является необходимость постоянного ухода, регулировки натяжения цепи, а также сбегание цепи со звездочек. Недостатком также является наличие постоянной кинематической связи вращающегося колеса с педалями, т.е. при движении велосипеда педали постоянно в движении, что не дает возможности для отдыха ног.
Известен также привод велосипеда, исключающий цепную передачу, а также постоянную кинематическую связь педалей с ведущим колесом [патент RU 2146632], содержащий ведущее колесо, педальный привод с педалями, шарнирно соединенными с рамой, и охватывающие подшипники качения, прикрепленные к ведущему колесу эксцентрично и диаметрально противоположно относительно оси колеса. Эффективность этого решения определяется тем, что в нем исключен цепной привод. При этом передача энергии осуществляется непосредственно на вал колеса, что значительно повышает механический КПД передачи, так зубчатые передачи со смазкой имеют КПД=0,995, тогда как цепная передача открытая имеет КПД=0,9.
Недостатком привода этого типа является сложность конструкции и недостаточно высокий КПД. Привод такого типа имеет также существенные ограничения в компоновке. Он не может, например, использоваться в одноколесных велосипедах.
Известен также приводной механизм, в особенности для одноколесных велосипедов (МПК B60B, патент на полезную модель № 58447), содержащий ведомое колесо, установленное с возможностью вращения во втулке, жестко прикрепленной к раме велосипеда,  причем ось вращения правостороннего и левостороннего кривошипов отлична от оси   вращения ведомого колеса, при этом ось вращения правостороннего и левостороннего кривошипов проходит параллельно оси вращения ведомого колеса на расстоянии от нее, равном или меньшем радиуса ведомого колеса. Ось вращения правостороннего и левостороннего кривошипов имеет фиксируемое относительно оси вращения ведомого колеса положение. Приводной механизм содержит правостороннюю трансмиссию, связанную с правосторонним кривошипом и ведомым колесом, и левостороннюю трансмиссию, связанную с левосторонним кривошипом и ведомым колесом, при этом правосторонняя трансмиссия и левосторонняя трансмиссия выполнены в виде силовой кинематической связи, проходящей через ведомое колесо. Привод этого типа содержит большое количество звеньев, что предопределяет недостаточные надежность и КПД. Кроме того, существенно увеличивается высота, что уменьшает устойчивость седока и увеличение аэросопротивления при движении. Кроме того, в приводе этого типа исключена возможность регулирования передаточного отношения. Известны приводы, содержащие для достижения регулирования передаточного отношения планетарные втулки. Но эти приводы кроме планетарной втулки содержат привод, состоящий из цепи, передней звездочки и задней звездочки, установленной с правой стороны планетарной втулки. Этот привод при желании можно обернуть защитой цепи (например, Hebie Chainglider), которая защитит от грязи цепь, заднюю и переднюю звездочки. Защиту цепи невозможно установить на обычные переключатели скоростей из-за изменения линии цепи при переключении между передними и задними звездочками. Наиболее близким по сущности к предлагаемому является педальный привод (RU №2493999, B62M), содержащий первую ступень привода, выполненную из двух планетарных механизмов, имеющих водила и жестко соединенных с валом каретки, со свободно установленными на выступающих концах сателлитами, зацепленными с передаточным отношением, равным единице, с солнечными зубчатыми, установленными концентрично валу каретки с двух боковых сторон и неподвижно относительно корпуса транспортного средства, и педали, установленные на радиальных концах горизонтальных рычагов, всегда направленных вперед, причем осевые концы горизонтальных рычагов имеют жесткое соединение с сателлитами, при этом водила изготовлены в виде дисков и вместе с валом каретки составляют маховик, а вторая ступень выполнена зубчатой передачей, колесо которой неподвижно закреплено на ободе водила и шестерня установлена на приводной оси одного из исполнительных механизмов транспортного средства. Привод этого типа имеет малый кпд. Известен также привод (RU №2215666), включающий ведущий элемент, установленный с возможностью вращения относительно оси втулки, механизм силовой передачи, размещенный между ведущим элементом и выходным элементом для передачи вращающего усилия от ведущего элемента через множество трактов силовой передачи, приводной механизм, предназначенный для перемещения в осевом направлении вдоль оси втулки для выбора одного из множества трактов силовой передачи, и исполнительный механизм для перемещения приводного механизма в осевом направлении оси втулки, отличающийся тем, что приводной механизм размещен по меньшей мере частично внутри оси втулки, а элементы исполнительного механизма установлены на несущем кронштейне, который установлен на оси втулки между задним упором каркаса рамы велосипеда и втулкой без возможности поворота и смещения вдоль оси втулки. Недостаток привода этого типа - низкий КПД, обусловленный последовательным прохождением силового потока через цепную передачу и втулку с внутренним переключением. Кроме того, сохраняются все недостатки цепной передачи. Оказываются также очень значительными суммарный вес привода, его сложность и стоимость.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является привод колеса, содержащий опору качения и тарельчатую опору качения, внутри которой смонтированы вал колеса с закрепленными на нем шатунами с педалями, а также ведущее звено со свободным ходом, включающее в себя втулку колеса с трещоткой на подшипниках качения и солнечную шестерню на подшипниках качения. (Номера патентов: RU  1979797,  RU 2051833, Класс(ы) патента В62М 9/08).
Кроме этого во внутренней полости тарельчатой опоры качения смонтирована планетарная передача, содержащая корончатое колесо, фиксированное от вращения, сателлиты, взаимодействующие через подшипники качения с водилом, а также с корончатым колесом и солнечной шестерней. Водило своим наружным диаметром сочленено с тарельчатой опорой качения, а внутренним диаметром с валом колеса, а также своим боковым выступом с шатунами. Недостатки устройства этого типа - недостаточно большой КПД в связи с большим количеством кинематических пар, значительная сложность и большие габариты, особенно в осевом направлении, что создает неудобности для пользователя. Цель изобретения - упрощение конструкции и повышение КПД.
1. Цель достигается тем, что водило планетарной передачи жестко связано с ведущим колесом велосипеда, перья вилки колеса жестко связаны с валом центрального звена планетарной передачи, вал кривошипов педалей жестко связан с валом сателлита, кинематически связанного с центральным звеном планетарной передачи таким образом, что начальная окружность сателлита охватывает начальную окружность центрального звена планетарной передачи.
2. Упрощение привода колеса велосипеда, представленного формулой изобретения в п. 1, достигается за счет того, что центральное звено планетарной передачи выполнено в виде двух труб, прижимаемых торцевыми поверхностями к торцевым поверхностям фрикционного катка, исполняющего роль сателлита.
3. Ступенчатое регулирование скорости велосипеда достигается за счет того, что сателлит выполнен в виде ряда жестко закрепленных на валу сателлита зубчатых колес с отличающимися друг от друга числами зубьев, каждое из которых связано зацеплением с соответствующим ему зубчатым колесом, установленным с возможностью вращения на трубчатом валу центрального звена планетарной передачи, выполненного с радиальными отверстиями, в каждом из которых размешен якорь электромагнита, закрепленного внутри трубчатого вала центрального звена планетарной передачи, при условии, что в каждом из зубчатых колес, установленных на этом валу, также выполнено радиальное отверстие соосно оси радиального отверстия на трубчатом валу центрального звена планетарной передачи.
4. Бесступенчатое регулирование скорости велосипеда по п. 2 достигается за счет того, что на эксцентриковую втулку напрессовано внутреннее кольцо многослойного резинометаллического шарнира, на внешнее кольцо которого впрессована вторая эксцентриковая втулка, закрепленная на втулке колеса велосипеда.
5. Уменьшение габаритов при бесступенчатом регулировании достигается за счет того, что сателлит выполнен виде пакетов конических тонких дисков, установленных по внутренней цилиндрической шлицевой поверхности трубы, на внешнюю цилиндрическую поверхность которой установлены подшипники, на внешние кольца которых установлены эксцентриковая втулка, связанная со втулкой велосипеда через многослойный резинометаллический шарнир и вторую эксцентриковую втулку, а конические тонкие диски сателлита находятся во фрикционном контакте с коническими дисками, посаженными на шлицевых поверхностях внешних цилиндрических поверхностей цилиндров, исполняющих роль вала центрального звена планетарной передачи.
При исследовании патентных материалов нам не удалось обнаружить приводов с заявленной совокупностью признаков.
Изобретение поясняется чертежами 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. На фигуре 1 представлен общий вид ведущего колеса велосипеда; на фигуре 2 - вид по А-А; на фигуре 3 - вид Б-Б; на фигуре 4 - схема привода колеса велосипеда; на фигуре 5 - схема привода колеса велосипеда со ступенчатым регулированием скорости; на фигуре 6 - схема управления переключением скоростей ступенчатого регулирования привода колеса велосипеда; на фигуре 7 - схема привода колеса велосипеда с бесступенчатым регулированием скорости; на фигуре 8 - вид Ε-Ε; на фигуре 9 - схема привода колеса велосипеда с бесступенчатым регулированием скорости с многодисковым взаимодействием фрикционных дисков.
Привод колеса велосипеда содержит водило 1, выполненное в виде эксцентриковой втулки, в которой две крайние внутренние цилиндрические поверхности 2 соосны внешней цилиндрической поверхности эксцентриковой втулки, а внутренняя цилиндрическая поверхность смещена относительно внешней цилиндрической поверхности на величину эксцентриситета «е». В средней части эксцентриковой втулки 1, смещенной относительно внешней цилиндрической поверхности на величину эксцентриситета «е». установлен подшипник 3. По внутренней поверхности подшипника 3 установлен сателлит 4, закрепленный на валу 5, на краях которого закреплены кривошипы 6, несущие педали 7. На одной из крайних внутренних цилиндрических поверхностей 2 установлен подшипник 8. Эксцентриковая втулка 1 закреплена внутри втулки колеса 9. По внутреннему кольцу подшипника 8 установлен диск 10, который вместе с центральным звеном планетарной передачи 11 закреплен на барабане 12. Сателлит 4 входит в зацепление с центральным звеном планетарной передачи 11. Аналогично подшипнику 8 на втором конце эксцентриковой втулки 2 установлен подшипник 13, по внутреннему кольцу которого установлен диск 14. закрепленный на барабане 15. На барабанах 12 и 15 закреплены перья 16 и 17 вилки велосипеда.
В приводе колеса велосипеда с фрикционным взаимодействием сателлита с центральным звеном планетарной передачи (фиг. 4) сателлит выполнен в виде фрикционного катка 18, закрепленного на валу 5. Центральное звено планетарной передачи выполнено в виде труб 19, по внутреннему диаметру которых закреплены диски 20 и установлены пружины 21, контактирующие с торцами дисков 20. Трубы 19 установлены на шлицах на трубах 22, на концах которых крепятся перья вилок 16. В трубы 19 установлены также диски 23, контактирующие с гайками 24, ввернутыми по внутренней резьбе труб 22. Гайки 24 воздействуют на диски 23 и тем самым поджимают через пружины 21 и диски 22 трубы 19 к фрикционному катку 18. На трубах 22 крепятся перья вилок 16 и 17. На фрикционный каток 18 установлен подшипник 3, на который установлена эксцентриковая втулка 25. На наружных цилиндрических поверхностях труб 19 установлены втулки 26, на которых установлены подшипники 27. Эксцентриковая втулка 25 и подшипники 27 установлены во втулке колеса велосипеда 9. В приводе колеса велосипеда со ступенчатым регулированием скорости (фиг. 5) сателлит выполнен в виде трубы 28 с зубчатыми колесами 29, 30, 31, 32, 33, 34, входящими в зацепление соответственно с зубчатыми колесами 35, 36, 37, 38, 39, 40, установленными с возможностью вращения на наружной цилиндрической поверхности трубчатого вала центрального звена планетарной передачи 41, на котором закреплены также перья 16 и 17 вилки велосипеда. На трубчатом валу центрального звена планетарной передачи 41 выполнены радиальные отверстия 42 и закреплены стойки 43, несущие полки 44 и 45, на которых закреплены электромагниты 46, 47, 48, 49, 50, 51. Оси якорей 52 электромагнитов расположены соосно радиальным отверстиям 42 на трубчатом валу центрального звена планетарной передачи 41. На каждом из зубчатых колес, установленных на трубчатом валу центрального звена планетарной передачи 41, также выполнено радиальное отверстие 53, ось которого лежит в той же поперечной к оси вращения плоскости, что и ось радиального отверстия 42 (фиг. 6). Привод колеса велосипеда с бесступенчатым регулированием скорости (фиг. 7) аналогичен приводу колеса велосипеда с фрикционным взаимодействием сателлита с центральным звеном планетарной передачи (фиг. 4), за  исключением того, что между подшипником 3 и втулкой колеса велосипеда 9 устанавливается не одна эксцентриковая втулка, а на эксцентриковую втулку 54, установленную на подшипнике 3, напрессовано внутреннее кольцо многослойного резинометаллического шарнира 55, на внешнее кольцо которого напрессована вторая эксцентриковая втулка 56, закрепленная на втулке колеса велосипеда 9. Сателлит привода колеса велосипеда с бесступенчатым регулированием скорости, с пакетом конических тонких дисков (фиг. 9) выполнен в виде пакета конических тонких дисков 57, установленных по внутренней цилиндрической поверхности шлицевой поверхности трубы 58, исполняющей роль вала сателлита. Конические тонкие диски 57 сателлита находятся во фрикционном контакте с коническими дисками 59, посаженными вместе с упругими втулками 60 на внешние цилиндрические поверхности цилиндров 61, исполняющих роль вала центрального звена планетарной передачи. На внешние цилиндрические поверхности цилиндров 61 установлены подшипники 62, на внешние кольца которых установлена эксцентриковая втулка 63, связанная со втулкой велосипеда 9 через многослойный резинометаллический шарнир 64 и вторую эксцентриковую втулку 65.
Привод колеса велосипеда работает следующим образом: велосипедист, воздействуя на педали 8 велосипеда, приводя во вращение вал 5 и закрепленный на нем сателлит 4. Сателлит 4 обкатывается при этом по центральному звену планетарной передачи 11, которое, будучи связанным через барабан 12 с перьями вилки велосипеда 16, остается неподвижным. Таким образом сателлит 4 совершает сложное движение вокруг своей оси и оси центрального звена планетарной передачи 11, совпадающей с осью колеса велосипеда и осью наружной цилиндрической поверхности эксцентриковой втулки, играющей роль водила 1, поскольку сателлит 4 установлен через подшипник 3 по средней части эксцентриковой втулки 1, смещенной относительно внешней цилиндрической поверхности на величину эксцентриситета «е».
По уравнению Виллиса для планетарной передачи имеем
в
h
11
4
Uк-пед=1/1Uв-пед=1/1-(r/r)
где  - передаточное отношение от колеса велосипеда до вала педалей при неподвижной вилке велосипеда;
11
r - радиус начальной окружности центрального звена планетарной передачи;
4
r- радиус начальной окружности сателлита;
- скорость колеса велосипеда при неподвижном вале, связанном с вилкой;
в
ωпед - скорость вала, связанного с педалями велосипеда, при неподвижном вале, связанном с вилкой;
h
h
h
11
4
Uв-пед=ωв/ωпед=r/r - передаточное отношение от вала, связанного с вилкой до вала кривошипа педалей при неподвижном водиле;
- скорость колеса велосипеда при неподвижном вале, связанном с вилкой;
в
ωпед - скорость вала, связанного с педалями велосипеда, при неподвижном вале, связанном с вилкой;
h
ωв - скорость вала, связанного с вилкой, при неподвижном водиле;
h
ωпед - скорость вала, связанного с педалями велосипеда, при неподвижном водиле.
h
в
11
4
Так как мы имеем внутренний кинематический контакт сателлита с центральным звеном планетарной передачи (сателлит охватывает центральное звено планетарной передачи), то передаточное отношение Uв-пед имеет положительный знак и числовое значение, меньшее единицы. Так, принимая, например, r=15 мм, а r=18 мм, получим передаточное отношение Uк-пед=6. Другими словами, достижение скорости колеса велосипеда, равной шестикратной, по сравнению со скоростью вала, связанного с педалями велосипеда, достигается очень просто с использованием лишь одного кинематического контакта. Аналогично работает привод колеса велосипеда с фрикционным взаимодействием сателлита с центральным звеном планетарной передачи. Здесь роль сателлита играет фрикционный каток 18, который гайками 24 через пружины 21 и диски 22 прижимают к торцам труб 19. При вращении вала 5 с помощью педалей 6 фрикционный каток 18 совершает сложное движение вокруг своей оси и оси труб 19. Так как трубы 19 неподвижны относительно рамы велосипеда, то это сложное движение трансформируется во вращение эксцентриковой втулки 25, которое передается через втулку велосипеда 9 на колесо велосипеда. Так как минимальный диаметр рабочей поверхности фрикционного катка 18 принят большой по сравнению с диаметром труб 19, то колесо велосипеда будет вращаться с большей скоростью, но в том же направлении, что и ось вала педалей. В приводе колеса велосипеда со ступенчатым регулированием скорости (фиг. 5) достижение требуемого передаточного отношения от вала педалей до вала колеса велосипеда из существующей гаммы обеспечивается включением соответствующего магнита из совокупности 46, 47, 48, 49, 50, 51. Якорь 52 этого электромагнита проходит через выбранное радиальное отверстие 42 на трубчатом валу центрального звена планетарной передачи 41 и попадает в радиальное отверстие 53 выбранного зубчатого колеса из гаммы 35, 36, 37, 38. 39, 40, установленных с возможностью вращения на наружной цилиндрической поверхности трубчатого вала центрального звена планетарной передачи 41. Тем самым обеспечивается неподвижность колеса из указанной гаммы и определенное соотношение между начальными окружностями колеса сателлита и колеса центрального звена планетарной передачи 41. Все остальные колеса из гаммы продолжают свободно вращаться на своем валу, не оказывая влияние на передаточное отношение привода.
4
11
4
Привод колеса велосипеда с бесступенчатым регулированием скорости (фиг. 7) работает аналогично приводу колеса велосипеда с фрикционным взаимодействием сателлита с центральным звеном планетарной передачи (фиг. 4) за  исключением того, что величина эксцентриситета определяется взаимным расположением между эксцентриковой втулкой 54 и эксцентриковой втулкой 56. Но между этими втулками установлен многослойный резинометаллический шарнир 55, который легко деформируется в окружном направлении, сохраняя жесткость в радиальном. Увеличение момента сопротивления на валу колеса велосипеда означает увеличение момента, передаваемого между эксцентриковыми втулками 54 и 56 посредством резинометаллического шарнира 55, приводя к повороту эксцентриковых втулок 54 и 56 относительно друг друга. Но этот поворот приводит к увеличению общего (суммарного) эксцентриситета, сопровождаемого перемещением фрикционного катка от оси колеса велосипеда. Такое перемещение приводит к перемещению точки контакта фрикционного катка с трубами 19 с увеличением радиуса начальной окружности r. (уменьшению отношения (r/r)). Уменьшение этого отношения приводит к уменьшению передаточного отношения (к уменьшению скорости велосипеда, т.е. к изменению в нужном направлении).
Работа устройства (вариант на фиг. 9) осуществляется следующим образом. При увеличении момента сопротивления на валу колеса велосипеда увеличивается момент, передаваемый между эксцентриковыми втулками 63 и 65 посредством резинометаллического шарнира 64, приводя к повороту эксцентриковых втулок 63 и 65 относительно друг друга. Три этих звена в совокупности представляют собой водило с переменным расстоянием от оси вращения колеса велосипеда до оси сателлита, представленного пакетом конических тонких дисков 57, установленных по внутренней цилиндрической поверхности шлицевой поверхности трубы 58. Изменение расстояния от оси вращения колеса велосипеда до оси сателлита, вызванное поворотом втулок 63 и 65 относительно друг друга, приводит к перемещению пакета конических тонких дисков 57 в радиальном направлении, которое приводит к перемещению точки контакта конических тонких дисков 57 с коническими дисками 59. Сохранение контакта конических тонких дисков 57 с коническими дисками 59 обеспечивается упругостью конических дисков 59 и упругих втулок 60. При этом радиусы начальных окружностей конических тонких дисков 57 изменяются таким образом, что увеличение момента сопротивления на валу колеса велосипеда сопровождается уменьшением его скорости.