ЧЕТЫРЕХСТУПЕНЧАТАЯ ТРАНСМИССИЯ КОЛЕСА
FOUR-STAGE WHEEL TRANSMISSION

Изобретение относится к транспортному машиностроению, к трансмиссии транспортных машин.
Известны трансмиссии колеса велосипеда:
1. http://velopiter.spb.ru/tech/articles/partl/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 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 №2173640 С2 (7 B60K 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 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 четыре передачи и состоящей из трех пар шестерен и двух муфт переключения передач.
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что четырехступенчатая трансмиссия колеса, содержащая 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 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 промежуточного вала, средняя шестерня этого вала зацеплена с шестерней, имеющей зубчатые венцы и свободно установленной на трубчатой оси; вилки 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.
На фиг. 1 изображено упрощенное сечение - 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», 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 (1-3). На горизонтальных шкалах приведены в логарифмическом виде величины передаточных чисел пар шестерен и передач. Верхняя горизонталь соответствует соосным валам: окружность под №3 - входной вал, точки 1, 2 и 4 - выходной вал; нижняя - промежуточному валу. 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.
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). Промежуточный вал 6 установлен параллельно соосным валам в опорах картера 7 четырехступенчатой КП, который 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 (В). На выходном валу 5 может быть закреплен тормозной диск 14 (тормозной механизм не показан). На промежуточном валу 6 закреплены три шестерни 15, 16 и 17, зацепленные соответственно с шестернями 18, 19 и 20, свободно установленными: 18 - на трубчатом входном валу 4; 19 - на трубчатой оси 2; 20 - на трубчатом выходном валу 5. Вилка 21 муфты переключения 11 (А) закреплена на рычаге 22, а вилка 23 муфты переключения 13 (В) закреплена на рычаге 24. Вилки 21 и 23 расположены в пазах трубчатой оси 2, а наконечники рычагов могут быть 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 в левом положении (Л) (фиг. 2, табл. справа над т. 1).
В работу включены 2-я и 3-я пары шестерен.
Крутящий момент (фиг. 1) от входного вала 4 зубчатым венцом 10, муфтой переключения 11 (А) передается на шестерню 19, от нее на шестерню 16 и на промежуточный вал 6, далее парой шестерен 17-20 и муфтой 13 (В) на зубчатый венец 12, на выходной вал 5 и ступицу 3 колеса.
На лучевой диаграмме (фиг. 2) эта передача представлена двумя лучами: луч 2 выходит из т. 3 на верхней горизонтали и направлен направо вниз к нижней горизонтали, далее луч 3 к т. 1 справа на верхней горизонтали.
Вторая передача
Переключаем муфту А в правое положение (П) - выключаем из работы 2-ю пару шестерен 19-16 и включаем 1-ю пару шестерен 18-15.
Крутящий момент от входного вала 4 муфтой 11 (А) передается по паре шестерен 18-15 на промежуточный вал 6 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
Перемещаем муфту А в левое положение, муфту В переключаем в правое положение. Выключаем из работы пары шестерен.
Крутящий момент от входного вала 4 муфтой 11 (А) передается по шестерне 19 и по муфте 13 (B) на зубчатый венец 12, выходной вал 5 и ступицу 3 колеса.
На лучевой диаграмме эта передача представлена т. 3 на верхней горизонтали.
Четвертая передача - ускоряющая
Перемещаем муфту А из левого в правое положение - включаем в работу 1-ю и 2-ю пары шестерен.
Крутящий момент от входного вала 4 передается муфтой 11 (А) по паре шестерен 18-15 на промежуточный вал 6, далее парой шестерен 16-19, муфтой 13 (В) на зубчатый венец 12, на выходной вал 5 и ступицу 3 колеса. На лучевой диаграмме эта передача представлена лучами 1 и 2 от т. 3 к т. 4.
Движение накатом - свободный ход
Муфта 13 (В) 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;
5 - трубчатый выходной вал КП;
6 - промежуточный вал КП;
7 - картер четырехступенчатой 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 (В) - трехпозиционная муфта переключения зубчатого венца 12;
14 - тормозной диск;
15, 16 и 17 - шестерни, закрепленные на промежуточном валу 6;
18 - шестерня, свободно установленная на трубчатом входном валу 4;
19 - шестерня, свободно установленная на трубчатой оси 2;
20 - шестерня, свободно установленная на трубчатом выходном валу 5;
21 - вилка муфты переключения 11 (А);
22 - рычаг вилки 21 муфты переключения 11 (А);
23 - вилка муфты переключения 13 (В);
24 - рычаг вилки 23 муфты переключения 13 (В).