БЕССТУПЕНЧАТАЯ ВЕЛОТРАНСМИССИЯ
BICYCLE STEPLESS TRANSMISSION

Изобретение относится к трансмиссиям велосипедов, велоповозок, велоколясок, веломобилей и других транспортных средств с цепным приводом на мускульной тяге, и может быть использовано для преобразования (в том числе автоматического) крутящего момента, передаваемого от привода на ведущее колесо.
Известно устройство, представляющее собой велотрансмиссию, содержащую приводную цепь, звездочку, втулку ведущего колеса, установленную на опорной оси, и обгонную муфту (муфту свободного хода), закрепленную на конце втулки (например: Фред Милсон, Ваш велосипед, - СПб: «Геза Ком», 1998; Современный велосипед (под редакцией И. Гуревича, А. Вишневского, Ю. Разина), - СПб: «Игра света», 2009).
В этом устройстве крутящий момент преобразуется в зависимости от числа зубьев звездочки, с которой соединена цепь. Если звездочек несколько, передаточное отношение трансмиссии может быть изменено переключением цепи с одной звездочки на другую ступенчато. Тем самым набор передаточных отношений не покрывает весь диапазон режимов движения. Вследствие этого, либо мускульные усилия излишне возрастают, а каденс падает, либо наоборот - неоправданно возрастает каденс, а мускульные усилия становятся слишком малы.
Известны устройства - вариаторы (например: Иванов М.Н., Финогенов В.А. Детали машин. - М.: Высшая школа, 2008; Есипенко Я.И. Механические вариаторы скорости. - Киев: Гос. Изд-во технической литературы УССР, 1961), - которые обеспечивают бесступенчатое изменение передаточного отношения, вручную или автоматически.
Известны многочисленные изобретения - аналоги (например: Патент РФ, 2199465, B62M 11/06, B62M 9/04, 2003; Патент США №7762919 B2, 476/36, 476/8, 476/38, 2010; Патент США №5626354, 280/236, 1997; Патент США №5061224, 474/84, 1991; Патент США №7914029 B2, 280/261, 2011; Патент США №5632702, 475/170, 1997; Патент США №7032914 B2, 280/260, 2006; Патент РФ, 2177091, F16H 29/22, 1999), в которых велотрансмиссия снабжается вариатором для устранения описанных выше недостатков. Все известные изобретения, в которых велотрансмиссия снабжается вариатором, вне зависимости от типа вариатора, имеют следующие недостатки: во-первых, существенное (на 2 и более кг) увеличение массы велотрансмиссии, что приводит к дополнительным затратам мускульной энергии при движении; во-вторых, их монтаж требует, либо замены втулки, либо создания дополнительных узлов крепления с проведением сварных и (или) слесарных работ, в-третьих, заметное (иногда на порядок) увеличение стоимости велотрансмиссии.
Таким образом, наиболее близким аналогом к изобретению является велотрансмиссия, содержащая приводную цепь, вращающую звездочку, втулку ведущего колеса, установленную на опорной оси, и обгонную муфту, закрепленную на конце втулки.
Задачей изобретения является создание снабженной вариатором велотрансмиссии, близкой по массе и стоимости к прототипу, при этом вариатор должен обеспечивать бесступенчатое преобразование крутящего момента, как в ручном, так и в автоматическом режиме, и не требовать специального оборудования и особых навыков при монтаже. Предел допустимого превышения массы над прототипом оценивается в 0.8 кг, определяемым как естественная (обычная) нагрузка. Такой же нагрузкой является разность масс экипировок велосипедиста, которые он вынужден использовать для разных погодных условий в пределах одного сезона. Для решения поставленной задачи используется тип дискового вариатора с непосредственным касанием рабочих тел, у которых образующая катков является прямой линией (Есипенко Я.И., Механические вариаторы скорости, - Киев: Гос. Изд-во технической литературы УССР, 1961). Вариатор выполнен с внутренним фрикционным контактом двух дисков (ведущего и ведомого), один из которых конический. Плоскости ведущего и ведомого дисков сходятся под острым углом. Изобретение конструктивно оформлено в 2-х исполнениях: с ведущим коническим диском и с ведущим плоским диском.
В исполнении с ведущим коническим диском поставленная задача решается тем, что в отличие от наиболее близкого аналога велотрансмиссия снабжена дисковым вариатором, в котором ведомый диск соосно установлен на обгонной муфте, а его торцевая поверхность находится в постоянном фрикционном контакте с выполненной в виде усеченного конуса торцевой поверхностью ведущего диска. Ступица ведущего диска выполнена со спиральными вырезами. В ступицу вставлен один конец полого вала, который снабжен на своей внешней цилиндрической поверхности радиальными направляющими выступами, входящими в спиральные вырезы ступицы для передачи крутящего момента и осевого усилия на ведущий диск. На другом конце полого вала соосно закреплена звездочка, а сам полый вал установлен на внешней обойме подшипника. Этот подшипник своей внутренней обоймой установлен на цилиндрическую поверхность диска-ползуна. В диске-ползуне по диаметру выполнена прорезь, а его торцы скошены под углом схождения плоскостей ведущего и ведомого дисков и параллельны плоскости ведомого диска. Диск-ползун подвижно установлен своей прорезью на направляющую двугранную гайку, так, что грани прорези наложены на грани направляющей гайки. Эта гайка закреплена на опорной оси и установлена между двумя фасонными шайбами, которые одновременно наложены и на торцы направляющей гайки, и на скосы торцов диска-ползуна. Со стороны звездочки на диске ползуне закреплены две гибкие тяги, сообщающие ему возвратно-поступательное движение, и (или) упругий элемент (например, пружина) для движения диска-ползуна: возвратного, когда усилие в упругом элементе превышает усилие натяжения цепи, и поступательного, в обратном случае. Для защиты от воздействия внешней среды вариатор может быть помещен в кожух.
В исполнении с ведущим плоским диском поставленная задача решается тем, что в отличие от наиболее близкого аналога велотрансмиссия снабжена дисковым вариатором, в котором ведомый диск соосно установлен на обгонной муфте, а его торцевая поверхность выполнена в виде усеченного конуса и находится в постоянном фрикционном контакте с торцевой поверхностью ведущего диска. Ступица ведущего диска выполнена со спиральными вырезами, при этом в ступицу вставлен один конец полого вала. Полый вал снабжен на своей внешней цилиндрической поверхности радиальными направляющими выступами, входящими в спиральные вырезы ступицы для передачи крутящего момента и осевого усилия на ведущий диск. На другом конце полого вала соосно закреплена звездочка, а сам полый вал установлен на внешней обойме подшипника. Этот подшипник своей внутренней обоймой установлен на цилиндрическую поверхность диска-ползуна. В диске-ползуне по диаметру выполнена прорезь, которой диск-ползун подвижно установлен на направляющую двугранную гайку, так, что грани прорези наложены на грани направляющей гайки. Эта гайка закреплена на опорной оси и установлена между двумя фасонными шайбами. Торцы фасонных шайб, прилегающие к направляющей гайке, равно, как и торцы направляющей гайки, скошены под углом схождения плоскостей ведущего и ведомого дисков и параллельны плоскости ведущего диска. При этом фасонные шайбы наложены одновременно и на торцы направляющей гайки, и на торцы диска-ползуна. Со стороны звездочки на диске ползуне закреплены две гибкие тяги, сообщающие ему возвратно-поступательное движение, и (или) упругий элемент (например, пружина) для движения диска-ползуна: возвратного, когда усилие в упругом элементе превышает усилие натяжения цепи, и поступательного, в обратном случае. Для защиты от воздействия внешней среды вариатор может быть помещен в кожух.
На Фиг.1 изображен эскиз бесступенчатой велотрансмиссии с ведущим коническим диском.
На Фиг.2 изображена иллюстрация работы бесступенчатой велотрансмиссии с ведущим коническим диском.
На Фиг.3 изображен эскиз бесступенчатой велотрансмиссии с коническим ведущим диском в защитном кожухе.
На Фиг.4 изображен эскиз бесступенчатой велотрансмиссии с ведущим плоским диском.
На Фиг.5 изображена иллюстрация работы бесступенчатой велотрансмиссии с ведущим плоским диском.
На Фиг.6 изображен эскиз бесступенчатой велотрансмиссии с ведущим плоским диском в защитном кожухе.
Бесступенчатая велотрансмиссия в исполнении с ведущим коническим диском (Фиг.1) содержит установленную на опорной оси 1, с возможностью вращения вокруг нее, втулку ведущего колеса 2, и закрепленную на конце втулки 2 обгонную муфту 3, на которой закреплен ведомый диск 4, находящийся в постоянном фрикционном зацеплении с ведущим диском 5, плоскости ведущего 5 и ведомого 4 дисков сходятся под острым углом (Фиг.2), а ступица 6 ведущего диска 5 выполнена со спиральными вырезами 7, при этом в ступицу 6 вставлен один конец полого вала 8, который снабжен на своей внешней цилиндрической поверхности радиальными направляющими выступами 9, входящими в спиральные вырезы 7 ступицы 6, при этом на другом конце полого вала 8 соосно закреплена звездочка 10, вращаемая приводной цепью 11, а сам полый вал 8 установлен на внешней обойме подшипника 12, который, в свою очередь, своей внутренней обоймой 13 установлен на цилиндрическую поверхность диска-ползуна 14, в котором по диаметру выполнена прорезь 15, а торцы 16 диска-ползуна 14 скошены под углом схождения плоскостей ведущего и ведомого дисков (Фиг.2) и параллельны плоскости ведомого диска 4, при этом диск-ползун 14 подвижно установлен на направляющую двугранную гайку 17 своей прорезью 15, так, что ее грани наложены на грани 18 направляющей гайки 17, закрепленной на опорной оси 1 и установленной между двумя фасонными шайбами 19, которые одновременно наложены и на торцы направляющей гайки 17, и на скосы торцов 16 диска-ползуна 14, на котором, со стороны звездочки 10, закреплены - две гибкие тяги 20 - и (или) упругий элемент (например, пружина) 21, при этом, для защиты от воздействия внешней среды устройство может быть помещено в кожух 22 (Фиг.3). Устройство работает следующим образом. Крутящий момент приводной цепью 11 передается на звездочку 10, которая, вращая полый вал 8, посредством радиальных направляющих выступов 9, входящих в спиральные вырезы 7 ступицы 6 ведущего диска 5 передает на ведущий диск 5, как крутящий момент, так и осевое усилие, прижимающее ведущий диск 5 к ведомому диску 4. За счет трения между дисками 4 и 5 крутящий момент передается на ведомый диск 4. Ведомый диск 4 через обгонную муфту 3 вращает втулку ведущего колеса 2. При этом:
T=tR/r,
где T - крутящий момент на ведомом диске 4, t - крутящий момент на ведущем диске 5, R - рабочий радиус ведомого диска 4 (расстояние от центра вращения ведомого диска 4 до пятна контакта), r - рабочий радиус ведущего диска 5 (расстояние от центра вращения ведущего диска 5 до пятна контакта). Варьирование крутящего момента Т происходит за счет изменения рабочего радиуса R. Это изменение обеспечивается смещением ведущего диска 5 в плоскости ведомого диска 4 при возвратно-поступательном движении диска-ползуна 14. В ручном режиме управления диск-ползун 14 движется под действием тяг 20, а в автоматическом - под действием силы натяжения цепи 11 и силы растяжения пружины 21. На Фиг.2 представлены два крайних положения ведущего диска 5: «а» - соответствует минимальному передаточному отношению (минимальному значению T) и «б» - соответствует максимальному передаточному отношению (максимальному значению T). В ручном режиме управления велосипедист натяжением тяг 20 произвольно выбирает передаточное отношение в диапазоне между максимальным и минимальным. В автоматическом режиме выбор передаточного отношения определяется балансом сил по следующей схеме: если усилие в пружине 21 превышает силы натяжения цепи 11 и трения между дисками 4 и 5 - ведущий диск 5 стремится занять положение «а» на Фиг.2; если сила натяжения цепи 11 превышает силы растяжения пружины 21 и трения между дисками 4 и 5 - ведущий диск 5 стремится занять положение «б» на Фиг.2; в других случаях ведущий диск 5 остается в текущем положении.
Бесступенчатая велотрансмиссия в исполнении с ведущим плоским диском (Фиг.4) содержит установленную на опорной оси 23, с возможностью вращения вокруг нее, втулку ведущего колеса 24, и закрепленную на конце втулки 24 обгонную муфту 25, на которой закреплен ведомый диск 26, торцевая поверхность которого выполнена в виде усеченного конуса и находится в постоянном фрикционном зацеплении с ведущим диском 27, при этом плоскости ведущего 27 и ведомого 26 дисков сходятся под острым углом (Фиг.5), а ступица 28 ведущего диска 27 выполнена со спиральными вырезами 29, при этом в ступицу 28 вставлен один конец полого вала 30, который снабжен на своей внешней цилиндрической поверхности радиальными направляющими выступами 31, входящими в спиральные вырезы 29 ступицы 28, при этом на другом конце полого вала 30 соосно закреплена звездочка 32, вращаемая приводной цепью 33, а сам полый вал 30 установлен на внешней обойме подшипника 34, который, в свою очередь, своей внутренней обоймой 35 установлен на цилиндрическую поверхность диска-ползуна 36, в котором по диаметру выполнена прорезь 37, которой диск-ползун 36 подвижно установлен на направляющую двугранную гайку 38, так, что грани прорези 37 наложены на грани 39 направляющей гайки 38, закрепленной на опорной оси 23 и установленной между двумя фасонными шайбами 40, торцы 41 которых, прилегающие к направляющей гайке 38, равно, как и торцы 42 направляющей гайки 38, скошены под углом схождения плоскостей ведущего 27 и ведомого 26 дисков (Фиг.5) и параллельны плоскости ведущего диска 27, а сами фасонные шайбы 40 наложены одновременно и на торцы 42 направляющей гайки 38, и на торцы 43 диска-ползуна 36, на котором, со стороны звездочки 32, закреплены две гибкие тяги 44 и (или) упругий элемент (например, пружина) 45, для защиты от воздействия внешней среды вариатор может быть помещен в кожух 46 (Фиг.6). Устройство работает следующим образом. Крутящий момент приводной цепью 33 передается на звездочку 32, которая, вращая полый вал 30, посредством радиальных направляющих выступов 31, входящих в спиральные вырезы 29 ступицы 28 ведущего диска 27 передает на ведущий диск 27, как крутящий момент, так и осевое усилие, прижимающее ведущий диск 27 к ведомому диску 26. За счет трения между дисками 26 и 27 крутящий момент передается на ведомый диск 26. Ведомый диск 26 через обгонную муфту 25 вращает втулку ведущего колеса 24. При этом сохраняется действие вышеприведенной формулы. В ней: T - крутящий момент на ведомом диске 26, t - крутящий момент на ведущем диске 27, R - рабочий радиус ведомого диска 26 (расстояние от центра вращения ведомого диска 26 до пятна контакта), r - рабочий радиус ведущего диска 27 (расстояние от центра вращения ведущего диска 27 до пятна контакта). Варьирование крутящего момента T происходит за счет изменения рабочего радиуса r. Это изменение обеспечивается смещением плоскости ведущего диска 27 по конической поверхности ведомого диска 26 при возвратно-поступательном движении диска-ползуна 36. В ручном режиме управления диск-ползун 36 движется под действием тяг 44, а в автоматическом - под действием силы натяжения цепи 33 и силы растяжения пружины 45. На Фиг.5 представлены два крайних положения ведущего диска 27: «а» - соответствует минимальному передаточному отношению (минимальному значению T) и «б» - соответствует максимальному передаточному отношению (максимальному значению T). В ручном режиме управления велосипедист натяжением тяг 44 произвольно выбирает передаточное отношение в диапазоне между максимальным и минимальным. В автоматическом режиме выбор передаточного отношения определяется балансом сил по следующей схеме: если усилие в пружине 45 превышает силы натяжения цепи 33 и трения между дисками 26 и 27 - ведущий диск 27 стремится занять положение «а» на Фиг.5; если сила натяжения цепи 33 превышает силы растяжения пружины 45 и трения между дисками 26 и 27 - ведущий диск 27 стремится занять положение «б» на Фиг.5; во всех прочих случаях ведущий диск 27 остается в текущем положении.
По результатам предварительного проектирования, благодаря простоте конструкции, с применением обычных конструкционных материалов, масса бесступенчатой велотрансмиссии возрастет по сравнению с прототипом менее, чем на 0.7 кг, что вполне отвечает требуемому техническому результату. Применением специальных материалов можно достичь еще большего эффекта.
Источники информации.
1 Фред Милсон. Ваш велосипед. - СПб: «Геза Ком», 1998.
2 Современный велосипед (под редакцией И. Гуревича, А. Вишневского, Ю. Разина). - СПб: «Игра света», 2009.
3 Иванов М.Н., Финогенов В.А. Детали машин. - М.: Высшая школа, 2008.
4 Есипенко Я.И. Механические вариаторы скорости. - Киев: Гос. Изд-во технической литературы УССР, 1961.
5 Патент РФ 2199465, B62M 11/06, B62M 9/04, 2003.
6 Патент США №7762919 B2, 476/36, 476/8, 476/38, 2010.
7 Патент США №5626354, 280/236, 1997.
8 Патент США №5061224, 474/84, 1991.
9 Патент США №7914029 B2, 280/261, 2011.
10 Патент США №5632702,475/170, 1997.
11 Патент США №7032914 B2, 280/260, 2006.
12 Патент РФ 2177091, F16H 29/22, 1999.