Шестнадцатиступенчатая трансмиссия велосипеда
BICYCLE SIXTEEN SPEED TRANSMISSION

Изобретение относится к транспортному машиностроению, к трансмиссии колесных транспортных машин. Известны трансмиссии велосипеда:
1. http: //velopiter.spb.ru/tech/articles/part1/htm1
2. http://velorama.ru/glossary/intemal.phtml
3. http://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. (4. 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 авт.свидетельству RU №1717419 A1 (B60K 17/08. Бюл. №9 от 07.03.1992. Автор Некрасов В.И.).
Коробка передач содержит корпус, соосно расположенные входной и выходной валы, параллельный им промежуточный вал, шестерни, расположенные на упомянутых валах, и четыре муфты. Одна муфта, с закрепленной на ней шестерней заднего хода, расположена на выходном валу. Две сдвоенные муфты состоят каждая из двух противоположно развернутых полумуфт одностороннего действия, связанных вилками переключения. Отдельная шестерня заднего хода с муфтой переключения расположена на оси, установленной параллельно валам.
Описанная КП не предназначена для привода кривошипами от педалей, она 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 четырехходовой (четыре ползуна) КП малой металлоемкости, обеспечивающей 16-ть передач, состоящей из пяти пар шестерен, двух трехпозиционных муфт переключения, между тремя рядами средних шестерен установлены по две противоположно развернутые двухпозиционные муфты, взаимосвязанные общими вилками переключения.
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что шестнадцатиступенчатая трансмиссия велосипеда содержит коробку передач, в которой соосно расположены входной и выходной валы, параллельно им расположен промежуточный вал, на которых установлены пять пар шестерен внешнего зацепления, между ними расположены муфты переключения передач, отличающаяся тем, что картер коробки передач зафиксирован на раме велосипеда, кривошипы педалей закреплены на входном валу, на промежуточном валу свободно установлены блок из двух шестерен и одна отдельная шестерня, две шестерни закреплены, они зацеплены с шестернями, установленными свободно: четыре на входном валу и одна на трубчатом выходном валу, свободно установленном на входном валу, между крайними шестернями входного вала закреплен зубчатый венец с трехпозиционной муфтой переключения, между тремя рядами средних шестерен установлены по две противоположно развернутые двухпозиционные муфты, взаимосвязанные общими вилками 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 четырехходовой 16-тиступенчатой трехвальной соосной КП, содержащей пять пар шестерен, обозначенных цифрами 1-5 в нижней части, и четыре муфты переключения передач, обозначенных буквами А, В, С и D (две из них В и С сдвоенные).
На фиг. 2 приведена лучевая диаграмма этой КП с таблицами положений муфт переключения А, В, С и D на различных передачах. Левое положение муфт обозначено буквой «Л», правое - «П». В верхней части таблицы обозначены включенные в работу пары шестерен (1-5). На горизонтальных шкалах приведены в логарифмическом виде величины передаточных чисел пар шестерен и передач. Верхняя горизонталь соответствует промежуточному валу, нижняя - соосным валам: окружность над №14 - входной вал - прямая передача, точки 1-13 и 15, 16 - выходной вал. На лучах обозначены номера пар шестерен. Чем значительнее наклон луча направо, тем больше передаточное число, например, лучи 1 и 5 по сравнению с другими лучами. Левый наклон луча указывает на ускоряющий режим работы пары шестерен - лучи 3 и 4 от т.14 к т.16. Наклон луча каждой пары шестерен постоянный на любом участке лучевой диаграммы.
На раме 1 велосипеда зафиксирован картер 2 шестнадцатиступенчатой 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 (D). На промежуточном валу 5 закреплены две шестерни 12 и 13, отдельная шестерня 14 установлена на валу свободно, две шестерни 15 и 16 образуют блок трубчатым валом 17, свободно установленным на промежуточном валу 5. Эти шестерни зацеплены соответственно с шестернями 18-22, свободно установленными: 18 - на трубчатом выходном валу 6, 19-22 - на входном валу 3. Между тремя рядами средних шестерен 13-15 промежуточного вала 5 и шестернями 19-21 входного вала 3 установлены по две противоположно развернутые двухпозиционные муфты 23 и 24 (В), взаимосвязанные общей вилкой переключения 25 с ползуном, а также муфты 26 и 27 (С), взаимосвязанные общей вилкой переключения 28 с ползуном. Вилки муфт переключения 9 (А) и 11 (D), а также ползуны всех муфт не показаны.
Работа КП осуществляется следующим образом (фиг. 1 и 2) - при переключении передач муфты В срабатывают при каждом переключении (Л-П-Л…); муфты С - через два переключения (П-П-Л-Л…), муфта А - через четыре и муфта D - через восемь переключений.
Первая передача
Муфты А и С находятся в левом положении (Л), муфты В и D - в правом (П). В работу включены четыре пары шестерен: 1-3-4-5 (фиг. 2, табл. справа под т.1).
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 22, от нее на шестерню 16, по трубчатому валу 17, верхней муфте 24, паре шестерен 14-20, нижней муфте 26, парой шестерен 19-13, на промежуточный вал 5, далее парой шестерен 12-18 и муфтой 11 (D) 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) четыре луча представляют эту передачу: пологий луч 1 выходит из т.14 на нижней горизонтали и направлен направо вверх к верхней горизонтали, затем крутой луч 3 направо вниз, далее луч 4 направо вверх и пологий луч 5 направо вниз к т.1 на нижней горизонтали.
Вторая передача
Переключаем муфту B в левое положение (Л) - заменяем 3-ю пару на 2-ю пару шестерен.
Крутящий момент от входного вала 3 до трубчатого вала 17 передается как на 1-й передаче, затем парой шестерен 15-21, нижней муфтой 23 на шестерню 20 и далее, как на первой передаче.
На лучевой диаграмме четыре луча представляют эту передачу: пологий луч 1 выходит из т.14 на нижней горизонтали и направлен направо вверх, затем крутой луч 2 налево вниз, далее луч 4 направо вверх и пологий луч 5 направо вниз к т.2 на нижней горизонтали.
Третья передача
Переключаем муфты В и С из левого в правое положение. Включены 1-я и 5-я пары шестерен.
Крутящий момент от входного вала 3 до шестерни 15 передается как на первой передаче, далее верхней муфтой 24 на шестерню 14, верхней муфтой 27 на промежуточный вал 5, затем как на предыдущих передачах.
На лучевой диаграмме эта передача представлена пологими лучами 1 и 5 от т.14 до т.3 на нижней горизонтали.
Четвертая передача
Перемещаем муфту В из правого в левое положение - включены в работу 1-я, 2-я, 3-я и 5-я пары шестерен.
Крутящий момент от входного вала 3 до шестерни 20 передается как на 2-й передаче, далее парой шестерен 20-14, муфтой 27 на шестерню 13 и промежуточный вал 5, затем как на предыдущих передачах.
На лучевой диаграмме четыре луча представляют эту передачу: пологий луч 1 выходит из т.14 на нижней горизонтали и направлен направо вверх, затем крутой луч 2 налево вниз, далее луч 3 налево вверх и пологий луч 5 направо вниз к т.4 на нижней горизонтали.
Пятая передача
Переключаем муфты А и B в правое положение, муфты С - в левое, включены 2-я, 3-я, 4-я и 5-я пары шестерен. По сравнению с 1-й передачей вместо 1-й пары включена 2-я пара шестерен.
Крутящий момент от входного вала 3, зубчатым венцом 8, муфтой переключения 9 (А) передается на шестерню 21, от нее на шестерню 15, затем как на 1-й передаче.
На лучевой диаграмме эта передача представлена лучами, направленными направо от т.14 к т.5: 2 вверх, 3 вниз, 4 вверх и пологий луч 5 вниз.
Шестая передача
Переключаем муфту B в левое положение - оставляем в работе два зубчатых зацепления: 4 и 5.
Крутящий момент от входного вала 3, зубчатым венцом 8, муфтой переключения 9 (А) передается на шестерню 21, муфтой 23 на шестерню 20, муфтой 26 на шестерню 19, далее как на 1-й, 2-й и 5-й передачах.
На лучевой диаграмме эта передача представлена лучами 4 и 5 от т.14 до т.6 на нижней горизонтали.
Седьмая передача
Все муфты в правом положении. Включены 2-я и 5-я пары шестерен.
Крутящий момент от входного вала 3 до шестерни 14 передается как на пятой передаче, далее верхней муфтой 27 на шестерню 13 и на промежуточный вал 5, затем как на предыдущих передачах.
На лучевой диаграмме эта передача представлена лучами 2 и 5 от т.14 до т.7 на нижней горизонтали.
Восьмая передача
Переключаем муфты B в левое положение, включены 3-я и 5-я пары шестерен. По сравнению с предыдущей передачей 2-я пара заменена на 3-ю пару шестерен.
Крутящий момент от входного вала 3, зубчатым венцом 8, муфтой переключения 9 (А) передается на шестерню 21, далее нижней муфтой 23 на пару шестерен 20-14, затем как на предыдущих передачах.
На лучевой диаграмме эта передача представлена лучами 3 и 5 от т.14 до т.8 на нижней горизонтали.
Девятая передача
Изменяем положения всех четырех муфт - в работе 1-я и 3-я пары шестерен.
До шестерни 19 крутящий момент передается как на 1-й передаче, затем муфтой 11 (D) на зубчатый венец 10, на трубчатый выходной вал 6 и на ведущую звездочку 7 цепной передачи.
На лучевой диаграмме эта передача представлена лучами 1 и 3 от т.14 до т.9 на нижней горизонтали.
Десятая передача
Все муфты в левом положении - в работе 1-я и 2-я пары шестерен.
До шестерни 20 крутящий момент передается как на 2-й передаче, затем муфтой 26 на шестерню 19, муфтой 11 (D) на зубчатый венец 10, на трубчатый выходной вал 6 и на ведущую звездочку 7 цепной передачи.
На лучевой диаграмме эта передача представлена лучами 1 и 2 от т.14 до т.10 на нижней горизонтали.
Одиннадцатая передача
Переключаем муфты В и С в правое положение, включены 1-я и 4-я пары шестерен. По сравнению с предыдущей передачей 2-я пара заменена на 4-ю пару шестерен.
До шестерни 15 крутящий момент передается как на 2-й передаче, далее муфтой 24 на шестерню 14, затем муфтой 27 на пару шестерен 13-19, муфтой 11 (D) на зубчатый венец 10, на трубчатый выходной вал 6 и на ведущую звездочку 7 цепной передачи.
На лучевой диаграмме эта передача представлена лучами 1 и 4 от т.14 до т.11 на нижней горизонтали.
Двенадцатая передача
Переключаем муфты B в левое положение, включены четыре пары шестерен: 1-2-3-4. По сравнению с 4-й передачей вместо 5-й пары включена 4-я пара шестерен.
Крутящий момент от входного вала 3 до шестерни 13 передается как на 4-й передаче, далее на шестерню 19 и как на предыдущих передачах.
На лучевой диаграмме эта передача представлена лучами 1, 2, 3 и 4 от т.14 до т.12 на нижней горизонтали.
Тринадцатая передача
Переключаем муфты А и B в правое положение, муфты С в левое - включены 2-я и 3-я пары шестерен. По сравнению с 7-й передачей вместо 5-й пары включена 3-я пара шестерен.
Крутящий момент от входного вала 3 до шестерни 14 передается как на 7-й передаче, далее на шестерню 20, по муфте 26 на шестерню 19, затем как на предыдущих передачах.
На лучевой диаграмме эта передача представлена лучами 2 и 3 от т.14 до т.13 на нижней горизонтали.
Четырнадцатая передача - прямая
Переключаем муфты B в левое положение, зубчатые зацепления выключены.
Крутящий момент от входного вала 3 передается муфтой 9, шестерней 21, муфтой 23, шестерней 20, муфтой 26, шестерней 19 и муфтой 11 на выходной вал 6.
На лучевой диаграмме эта передача отмечена т.14 на нижней горизонтали.
Пятнадцатая передача - первая ускоряющая
Переключаем муфты В и С в правое положение - включены 2-я и 4-я пары шестерен. По сравнению с 13-й передачей 3-я пара заменена на 4-ю пару шестерен.
Крутящий момент от входного вала 3 до шестерни 14 передается как на 7-й и 13-й передачах, далее по муфте 27 на пару шестерен 13-19, затем как на предыдущих передачах.
На лучевой диаграмме эта передача представлена лучами 2 и 4 от т.14 до т.15 на нижней горизонтали.
Шестнадцатая передача - вторая ускоряющая
Переключаем муфты B в левое положение, включены 3-я и 4-я пары шестерен. По сравнению с предыдущей передачей 2-я пара заменена на 3-ю пару шестерен.
Крутящий момент от входного вала 3 до шестерни 13 передается как на 8-й передаче, далее парой шестерен 13-19, затем как на предыдущих передачах.
На лучевой диаграмме эта передача представлена лучами 3 и 4 от т.14 до т.16 на нижней горизонтали.
Движение накатом - свободный ход
Муфта 11 (D) 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 колеса установлена КП, то включаем нейтральное состояние.
Обозначения:
1 - рама велосипеда;
2 - картер восьмиступенчатой 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(D) - трехпозиционная муфта переключения зубчатого венца 10;
12, 13 - шестерни, закрепленные на промежуточном валу 5;
14 - шестерня, свободно установленная на промежуточном валу 5;
15 и 16 - шестерни блока, закрепленные на трубчатом валу 17;
17 - трубчатый вал блока шестерен;
18 - шестерня, свободно установленная на трубчатом выходном валу 6 и зацепленная с шестерней 12.
19-22 - шестерни, свободно установленные на входном валу 3 и зацепленные соответственно с шестернями 13, 14, 15 и 16;
23 - двухпозиционная муфта одностороннего действия между шестернями 20 и 21 входного вала 3;
24 - двухпозиционная муфта одностороннего действия между шестернями 14 и 15 промежуточного вала 5;
25 - вилка переключения противоположно развернутых муфт В (23 и 24);
26 - двухпозиционная муфта одностороннего действия между шестернями 19 и 20 входного вала 3;
27 - двухпозиционная муфта одностороннего действия между шестернями 13 и 14 промежуточного вала 5;
28 - вилка переключения противоположно развернутых муфт С (26 и 27).