ВОСЬМИСТУПЕНЧАТАЯ ТРАНСМИССИЯ КОЛЕСА
EIGHT-SPEED TRANSMISSION WHEEL

Изобретение относится к транспортному машиностроению, к трансмиссии транспортных машин.
Известны трансмиссии колеса 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 - не рекомендуемых), 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 планетарных передач. Подобные передачи применяются в трансмиссии автомобилей. Если исключить передачи заднего хода, то их можно применить в трансмиссии колеса 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 патенту RU №2162419 C1 (7 В60К 17/08, F16H 3/091. Бюл. №3 от 27.01.2001. Автор Некрасов В.И.).
Коробка передач содержит корпус, соосно расположенные входной и выходной валы, параллельный им промежуточный вал, шестерни, расположенные на упомянутых валах, одну трехпозиционную муфту, расположенную между шестернями на ступице выходного вала, и две двухпозиционные сдвоенные муфты, состоящие из двух противоположно развернутых полумуфт одностороннего действия, связанных вилкой переключения. Одна из сдвоенных муфт расположена между вторым и третьим рядами шестерен, при этом ее полумуфта установлена на венце шестерни выходного вала, а другая полумуфта - напротив первой полумуфты на венце шестерни промежуточного вала. Вторая сдвоенная муфта расположена между первым и вторым рядами шестерен, при этом одна ее полумуфта установлена на венце шестерни входного вала или на рядом расположенной шестерне выходного вала, а вторая полумуфта - напротив первой полумуфты на венце шестерни, свободно установленной на промежуточном валу. КП содержит четыре пары шестерен внешнего зацепления и ряд шестерен заднего хода, при этом дополнительная шестерня заднего хода с муфтой переключения расположена на отдельной оси.
Описанная КП ограничивает эксплуатационные и компоновочные характеристики одноколейного транспортного средства, так как не предназначена для трансмиссии колеса, установленного на оси.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в расширении эксплуатационных и компоновочных возможностей транспортного средства за счет компоновки трансмиссионного агрегата на оси колеса.
Поставленная задача решается за счет установки на оси колеса компактной КП малой металлоемкости, обеспечивающей восемь передач и состоящей из четырех пар шестерен и трех муфт переключения передач.
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что восьмиступенчатая трансмиссия колеса, содержащая коробку передач, в которой соосно расположены входной и выходной валы, параллельно им расположен промежуточный вал, на которых установлены четыре пары шестерен внешнего зацепления, между ними расположены три муфты переключения передач, причем между средними парами шестерен расположена сдвоенная муфта, состоящая из двух противоположно развернутых полумуфт одностороннего действия, взаимосвязанных вилкой переключения, при этом на трубчатой оси, зафиксированной к вилке направляющего устройства подвески колеса, свободно установлены трубчатые входной и выходной валы, на них закреплены зубчатые венцы с трехпозиционными муфтами переключения и свободно установлены шестерни, зацепленные с крайними шестернями блоков шестерен, установленных на промежуточной оси и образующих промежуточный вал, внутренние шестерни этих блоков зацеплены с шестернями, имеющими зубчатые венцы и свободно установленными на трубчатой оси, вилки муфт переключения расположены в пазах, а рычаги переключения - внутри трубчатой оси; ступица колеса закреплена к трубчатому выходному валу, внутри ступицы расположен картер коробки передач, который промежуточным крепежным узлом закреплен к вилке направляющего устройства подвески колеса, в этом крепежном узле расположена звездочка цепной передачи, закрепленная на входном трубчатом валу.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает расширение эксплуатационных и компоновочных характеристик транспортного средства при снижении габаритов и массы трансмиссии колеса.
На фиг. 1 изображено упрощенное сечение - кинематическая схема восьмиступенчатой трехвальной соосной КП, содержащей четыре пары шестерен, обозначенных цифрами 1-4 в нижней части, и три муфты переключения передач, обозначенных буквами А, В и С. Левое положение муфт обозначено буквой «Л», правое - «П», нейтральное - «Н».
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 (1-4). На горизонтальных шкалах приведены в логарифмическом виде величины передаточных чисел пар шестерен и передач. Верхняя горизонталь соответствует соосным валам: окружность под №6 - входной вал, остальные точки от 1 до 8 - выходной вал; нижняя - промежуточному валу. Чем значительнее наклон луча направо, тем больше передаточное число, например луч 4 по сравнению с лучом 2. Левый наклон луча указывает на ускоряющий режим работы пары шестерен - луч 2 от т. 6 налево к нижней горизонтали и два луча 3 от нижней горизонтали к т.7 и 8. Наклон луча каждой пары шестерен постоянный на любом участке лучевой диаграммы.
В вилке 1 направляющего устройства подвески колеса зафиксирована трубчатая ось 2 ступицы 3 колеса (фиг. 1). На трубчатой оси 2 свободно установлены соосные трубчатые входной 4 и выходной 5 валы КП (коробки передач). Промежуточная ось 6 блоков шестерен, образующих промежуточный вал, установлена параллельно соосным валам 4 и 5 в опорах картера 7 восьмиступенчатой КП. Картер 7 промежуточным крепежным узлом 8 зафиксирован относительно вилки 1. Пунктирной линией обозначен проем для карданного вала или цепи к шестерне (звездочке) 9, закрепленной на наружном конце входного вала 4. На внутреннем конце входного вала 4 закреплен зубчатый венец 10, на котором расположена трехпозиционная муфта переключения 11 (А). Аналогично на внутреннем конце выходного вала 5 закреплен зубчатый венец 12, на котором расположена трехпозиционная муфта переключения 13 (С). На выходном валу 5 может быть закреплен тормозной диск 14 (тормозной механизм не показан). На оси 6 свободно установлены два блока 15 и 16 шестерен 17-20, зацепленные соответственно с шестернями 21-24, имеющими зубчатые венцы для муфт переключения, свободно установленными на соосных валах и оси: 21 - на входном валу 4; 22 и 23 - на оси 2; 24 - на выходном валу 5. Между средними шестернями 22, 23 и блоками шестерен оси 6 расположена сдвоенная муфта, состоящая из двух противоположно развернутых полумуфт 25 и 26 (В), взаимосвязанных вилкой переключения 27. Вилки муфт переключения расположены в пазах трубчатой оси 2, вилка 28 муфты переключения 11 (А) закреплена на рычаге 29, вилка 30 муфты переключения 25 (В) закреплена на рычаге 31, а вилка 32 муфты переключения 13 (С) закреплена на рычаге 33. Наконечники рычагов выведены наружу к механизму переключения передач (на фиг. 1 не показан). В основном применяют тросовый привод, тросы могут быть расположены внутри трубчатой оси 2.
Работа КП осуществляется следующим образом (фиг. 1 и 2):
Первая передача
Муфты А и В находятся в правом положении (П), а муфта С - в левом (Л) - (фиг. 2, табл. справа над т. 1).
В работу включены все четыре пары шестерен.
Крутящий момент (фиг. 1) от входного вала 4 зубчатым венцом 10, муфтой переключения 11 (А) передается на шестерню 21, от нее на шестерню 17 правого блока 16, далее парой шестерен 18-22 и нижней полумуфтой 25 (В) на шестерню 23 (верхняя полумуфта 26 не соединяет шестерни 18 и 19), далее на шестерню 19 левого блока шестерен 15, парой шестерен 20-24, муфтой 13 (С) на зубчатый венец 12, на выходной вал 5 и ступицу 3 колеса.
На лучевой диаграмме (фиг. 2) эта передача представлена четырьмя лучами: луч 1 выходит из т. 6 на верхней горизонтали и направлен направо вниз к нижней горизонтали, далее луч 2 к т. 5, затем луч 3 вниз, затем луч 4 к т. 1 справа на верхней горизонтали.
Вторая передача
Переключаем муфту А в левое положение (Л) - выключаем из работы 1-ю и 2-ю пару шестерен и оставляем 3-ю и 4-ю пары шестерен 23-19 и 20-24.
Крутящий момент от входного вала 4 муфтой 11 (А) передается на зубчатый венец шестерни 22, нижней полумуфтой 25 (В) на шестерню 23 и далее как на первой передаче.
На лучевой диаграмме эта передача представлена двумя лучами: 3 и 4 от т. 6 к т. 2.
Третья передача
Перемещаем муфту А в правое положение, муфту В переключаем в левое положение - заменяем 3-ю пару на 1-ю пару шестерен.
Крутящий момент от входного вала 4 зубчатым венцом 10, муфтой переключения 11 (А) передается на шестерню 21, от нее на шестерню 17 правого блока 16, далее верхней полумуфтой 26 (В) на левый блок шестерен 15, парой шестерен 20-24, муфтой 13 (С) на зубчатый венец 12, на выходной вал 5 и ступицу 3 колеса.
На лучевой диаграмме эта передача представлена двумя лучами: луч 1 из т. 6 на верхней горизонтали направо вниз, затем луч 4 к т. 3.
Четвертая передача
Перемещаем муфту А из правого в левое положение - заменяем 1-ю пару на 2-ю пару шестерен.
Крутящий момент от входного вала 4 передается муфтой 11 (А) по паре шестерен 22-18, затем, как на предыдущей передаче.
На лучевой диаграмме эта передача представлена лучами 2 и 4 от т. 6 к т. 4.
Пятая передача
Все три муфты в правом положении (П) - в работу включены 1-я и 2-я пары шестерен.
Крутящий момент от входного вала 4 до шестерни 22 передается, как на 1-й передаче, далее нижней полумуфтой 25 (В) на шестерню 23 (верхняя полумуфта 26 не соединяет шестерни 18 и 19), затем муфтой 13 (С) на зубчатый венец 12, на выходной вал 5 и ступицу 3 колеса.
На лучевой диаграмме (фиг. 2) эта передача представлена двумя лучами: луч 1 выходит из т. 6 на верхней горизонтали и направлен направо вниз к нижней горизонтали, далее луч 2 к т. 5 на верхней горизонтали.
Шестая передача - прямая
Переключаем муфту А в левое положение (Л) - выключаем из работы все пары шестерен.
Крутящий момент от входного вала 4 муфтой 11 (А) передается на шестерню 22, далее нижней полумуфтой 25 (В) на шестерню 23, затем, как на предыдущей передаче.
На лучевой диаграмме эта передача представлена т. 6.
Седьмая передача - 1-я ускоряющая
Перемещаем муфту А в правое положение, муфту В переключаем в левое положение - включаем в работу 1-ю и 3-ю пары шестерен.
Крутящий момент от входного вала 4, зубчатым венцом 10, муфтой переключения 11 (А) передается на шестерню 21, от нее на шестерню 17 правого блока 16, далее верхней полумуфтой 26 (В) на левый блок шестерен 15, парой шестерен 19-23, муфтой 13 (С) на зубчатый венец 12, на выходной вал 5 и ступицу 3 колеса.
На лучевой диаграмме (фиг. 2) эта передача представлена двумя лучами: луч 1 выходит из т. 6 на верхней горизонтали и направлен направо вниз к нижней горизонтали, далее луч 3 налево вверх к т. 7 на верхней горизонтали.
Восьмая передача - 2-я ускоряющая
Перемещаем муфту А из правого в левое положение - включаем в работу 2-ю и 3-ю пары шестерен.
Крутящий момент от входного вала 4 передается муфтой 11 (А) по паре шестерен 22-18, затем, как на предыдущей передаче.
На лучевой диаграмме эта передача представлена лучами 2 и 3 от т. 6 к т. 8.
Движение накатом - свободный ход
Муфта 13 (С) в нейтральном (среднем) положении, при этом ступица 3 колеса и трубчатый выходной вал 5 с зубчатым венцом 12 отсоединены от шестерен КП.
Обозначения:
1 - вилка направляющего устройства подвески колеса;
2 - трубчатая ось ступицы колеса 3;
3 - ступица колеса транспортного средства;
4 - трубчатый входной вал КП (коробки передач);
5 - трубчатый выходной вал КП;
6 - промежуточная ось блоков шестерен, образующих промежуточный вал КП;
7 - картер восьмиступенчатой КП;
8 - промежуточный крепежный узел фиксации картера 7 к вилке 1;
10 - зубчатый венец входного вала 4;
11 (А) - трехпозиционная муфта переключения зубчатого венца 10;
12 - зубчатый венец выходного вала 5;
13 (С) - трехпозиционная муфта переключения зубчатого венца 12;
14 - тормозной диск;
15 - левый блок шестерен;
16 - правый блок шестерен;
17, 18 - шестерни правого блока;
19, 20 - шестерни левого блока;
21 - шестерня, свободно установленная на трубчатом входном валу 4;
22 и 23 - шестерни, свободно установленные на трубчатой оси 2;
24 - шестерня, свободно установленная на трубчатом выходном валу 5;
25 (В) и 26 - сдвоенная двухпозиционная муфта, состоящая их двух противоположно развернутых полумуфт одностороннего действия;
27 - вилка переключения между полумуфтами 25 и 26;
28 - вилка трехпозиционной муфты переключения 11 (А);
29 - рычаг вилки 28 муфты переключения 11 (А);
30 - вилка сдвоенной муфты переключения 25 (В) и 26;
31 - рычаг вилки 30 муфты переключения 25 (В);
32 - вилка трехпозиционной муфты переключения 13 (С);
33 - рычаг вилки 32 муфты переключения 13 (С).