велосипед "спорт-автомат"

Формула изобретения

1. Велосипед с автоматическим переключением скоростей, содержащий раму (1), на которой неподвижно закреплена ось (2) втулки (5) колеса, сквозь которую проходит трос (3) управления задним переключателем (4) скоростей,

причем автоматическое переключение скоростей обеспечивается посредством центробежных грузов (10), которые имеют гибкую связь с подпружиненным кольцом (9), которое связано со втулкой (5) колеса посредством шпонки (12) с возможностью перемещения по шпонке (12),

при этом подпружиненное кольцо (9) расположено внутри втулки (5) колеса между первой полумуфтой (8) и второй полумуфтой (7) с возможностью взаимодействия с этими полумуфтами (7, 8) при увеличении или уменьшении центробежной силы грузов (10) для натяжения или ослабления троса (3) управления задним переключателем (4) скоростей,

при взаимодействии подпружиненного кольца (9) с первой полумуфтой (8) обеспечивается передача вращения первой полумуфте (8) с ее смещением по резьбовому участку оси (2) втулки (5) колеса в одну сторону,

а при взаимодействии подпружиненного кольца (9) со второй полумуфтой (7) обеспечивается передача вращения второй полумуфте (7), которая через сателлиты обеспечивает вращение первой полумуфты (8) с ее смещением по резьбовому участку оси (2) втулки (5) колеса в противоположную сторону,

в равновесном положении подпружиненного кольца (9), которое обеспечивается пружиной и гибкой связью от грузов (10), подпружиненное кольцо (9) имеет возможность свободного вращения между торцами полумуфт (7, 8),

отличающийся тем, что шпонка (12) выполнена составной, содержит упругую часть (13) и жесткую часть (14),

причем упругая часть (13) выполнена с возможностью проминания до уровня жесткой части (14) для обеспечения препятствия перемещению по шпонке (12) подпружиненного кольца (9) при его взаимодействии с полумуфтами (7, 8).

2. Велосипед по п.1, отличающийся тем, что втулка (5) содержит два сквозных паза, сквозь которые проходят кнопки опорного кольца, которое обеспечивает регулировку усилия пружины, в которую упирается подпружиненное кольцо (9).

3. Велосипед по п.1 или 2, отличающийся тем, что резьбовой участок оси (2) втулки (5) колеса, обеспечивающий возможность смещения первой полумуфты (8), выполнен с мелким шагом резьбы,

причем втулка с крупным шагом резьбы напрессована на ось (2) втулки (5) колеса и обеспечивает возможность смещения гайки (11) с тросом (3) управления задним переключателем (4) скоростей,

при этом первая полумуфта (8) имеет возможность взаимодействия через шлиц с гайкой (11).

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к транспорту, а именно к велосипедам для спорта.

Известен велосипед "Аннушка" с автоматическим переключением скоростей, содержащий привод с переменным передаточным отношением, в осях которого установлены внутренние и внешние пары зацепления ведущих и ведомых элементов, центробежный элемент и гибкая связь /см. патент России №2059507, МКИ 6 В62М 11/16, 1993 г./ - аналог.

Однако многоступенчатые зубчатые передачи в силу физических свойств уступают цепной передаче по коэффициенту полезного действия. Велосипед тяжел на ходу.

Известна автоматическая трансмиссия для велосипеда, содержащая масляный бачок, полую ось, подвижное зубчатое колесо с турбинными лопатками и плунжеры с тросом переключения передач /см. заявка WO 99/20519, МКИ В62М 25/08, 19/00, 9/12, 1997 г./ - аналог.

Однако подвижное зубчатое колесо создает давление масла от турбинных лопаток при фактической скорости вращения полой оси столь незначительное, что ожидать достаточное для переключения скоростей усилие проблематично. Трение в системе уплотнений между масляным бачком и плунжерами сводит на нет усилие, которое возникает при вращении турбинных лопаток. По этой причине реализовать известное решение невозможно.

Также известна автоматическая трансмиссия, содержащая размещенный во втулке вал с осевым отверстием, исполнительное звено которое связано с тросом переключения передач, пропущенным через отверстие вала, управляющее звено с гибкими связями, роликами и грузами. Трос переключения передач связан с кареткой направления цепи и пружиной возврата /см. заявку WO 99/21752, МКИ В62М 25/02, 9/04, 9/12, 1997 г./ - аналог.

Однако при тщательном изучении известного технического решения выясняется следующее. Центробежная сила от сравнительно небольшого груза, который размещен в ограниченном втулкой пространстве, относительно мала и недостаточна для преодоления пружины возврата, плюс усилия жесткой пружины управляющего элемента и сил трения. Иначе колесо необходимо вращать с огромной частотой, что практически невозможно.

К известному техническому решению относится "АВТОМАТИЧЕСКАЯ ТРАНСМИССИЯ СИСТЕМЫ АЛЕШИНА", содержащая встроенное во втулку заднего колеса велосипеда подпружиненное управляющее звено, соединенное гибкой связью с грузами и выполненное с возможностью поочередного сцепления то с полумуфтой реверсивной, то с полумуфтой резьбовой, которая взаимодействует с гайкой привода троса перевода цепи /см. патент России 2229407, 7 В62М 25/00 от 17.05.2002 г./ - аналог.

Трансмиссия наилучшим образом распределит мышечную энергию по трассе заезда любой сложности. При этом не требуется вмешательства велосипедиста, так как необходимое переключение произойдет мгновенно и в самый нужный момент автоматически. Механизм обладает высокой чувствительностью к изменению скорости. Относительно слабые центробежные силы и незначительное перемещение грузов генерируются в достаточно большое перемещение и большое усилие троса перевода цепи. Обеспечивается строгая пропорциональность между величинами. Однако при внедрении предложенного технического решения выявилась нестабильность в переключении скоростей. При сцеплении торца управляющего звена с соответствующей полумуфтой происходит как бы прилипание, и по завершении переключения скорости полумуфта вовремя не расцепляется. Вместо перехода на одну ступень передачи происходит перескок на две ступени. Например, с 1-й передачи переключится не на 2-ю, а на 3-ю, так как полумуфта после переключения на 2-ю передачу не разомкнулась. Или с 5-й передачи переключается на 3-ю передачу, и только затем происходит возврат на 4-ю передачу. Периодически возникающий перескок при переключении скоростей объясняет физика. Контакт управляющего звена с соответствующей полумуфтой происходит по плоскости с уклоном 15 градусов, что для стали соответствует термину НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ, иначе "не заклинивает" и "не соскальзывает". Однако трение покоя больше, чем трение движения, отсюда эффект прилипания. Сила трения, удерживающая в контакте полумуфты, превосходит силу размыкания, и только тряска, сопровождающая движение велосипеда, прилипание устраняет.

Наиболее близким к предложенному техническому решению относится "ВЕЛОСИПЕД БЫСТРОГО СТАРТА" /см. патент России 2278056, МКИ 6 В62М 11/16, 2003 г. - прототип.

"ВЕЛОСИПЕД БЫСТРОГО СТАРТА" состоит из рамы. На раме установлена втулка заднего колеса и задний переключатель. Сквозь неподвижную относительно рамы ось втулки проходит трос управления задним переключателем. Внутри втулки установлено подпружиненное кольцо, которое соединено гибкой связью с грузами и выполнено с возможностью поочередного сцепления с полумуфтами. Полумуфта подвижно соединена с гайкой. Гайка соединена с тросом. Кольцо выполнено с выступом. Выступ входит в пропил ограничительного кольца. Попарно симметрично относительно ограничительного кольца размещены упоры, которые подпружинены пружинами и замыкаются упорными кольцами. Ограничительные кольца от разворота удерживаются шпонкой, а упорные кольца фиксируются от осевого смещения кольцами запорными.

Прототип в отличие от предыдущего аналога обеспечивает четкость и надежность управления тросом заднего переключателя. Обеспечивается строгая автоматическая последовательность переключения скоростей. Исключается перескок цепи через звездочку при очередном изменении скорости движения. Однако обеспечивается необходимая четкость и надежность управления тросом заднего переключателя слишком большим количеством элементов, таких как ограничительные кольца, парные комплекты относительно сложных упоров, каждый из которых индивидуально подпружинен и удерживается шпонкой, упорными и запорными кольцами. Также большую сложность представляет монтаж в определенной последовательности входящих элементов в зону кольца с выступом. Сложность выполнения большого количества конструктивных элементов и сложность монтажа последних является существенным препятствием для серийного производства исключительно интересного и востребованного автоматического велосипеда для спорта.

Целью предложенного технического решения является сокращение количества конструктивных элементов и упрощение сборки без снижения четкости и надежности работы механизмов, которые обеспечивают автоматическое переключение скоростей и поддержание заранее установленной частоты педалирования в комфортных пределах.

Техническое решение поясняется графическим материалом, где на фиг.1 представлен общий вид велосипеда с автоматическим переключением скоростей. На фиг.2 представлена втулка заднего колеса в сборе с задним переключателем. На фиг.3 представлено сечение втулки заднего колеса в зоне установки составной шпонки. На фиг.4 представлена кинематическая схема поэтапного взаимодействия кольца с вновь введенным элементом.

Поставленная цель достигается велосипедом с автоматическим переключением скоростей, который состоит из закрепленной неподвижно на раме 1 оси 2. Сквозь ось 2 проходит трос 3 управления задним переключателем 4. На оси 2 неподвижно установлена втулка 5 заднего колеса 6. Во втулку 5 вмонтированы две полумуфты 7 и 8. Между полумуфтами 7 и 8 установлено подпружиненное кольцо 9, соединенное гибкой связью с грузами 10. Втулка 5 содержит два сквозных паза, сквозь которые проходят кнопки опорного кольца. Опорное кольцо регулирует усилие пружины, в которую упирается кольцо 9. Сдвигая опорное кольцо кнопками вправо, уменьшается сжатие пружины. При этом нагрузка на педали также уменьшается. Сдвигом опорного кольца влево увеличивается сила сжатия пружины, следовательно, при той же частоте вращения педалей велосипедист едет с большей скоростью. Одна из полумуфт 8 связана неподвижно с гайкой 11, соединенной с тросом 3. Кольцо 9 удерживается от поворота шпонкой 12, выполнено с возможностью осевого перемещения в пределах зазора между полумуфтами 7 и 8. В отличие от известного решения шпонка 12 выполнена составной, содержит упругую часть 13 и жесткую направляющую 14. Притом упругая часть 13 выполнена таким образом, что при силовом взаимодействии кольца 9 на жесткую направляющую 14 упругая часть 13 в зоне контакта проминается и утапливается до уровня с жесткой направляющей 14 и препятствует продольному перемещению кольца 9 вдоль оси 2. Все это происходит потому, что упругая часть 13 и жесткая часть 14 расположены последовательно в радиальном направлении. При этом упругая часть 13 выступает относительно жесткой части 14 в тангенциальном направлении, в котором стенки выреза подпружиненного кольца 9 воздействуют на выступ упругой части 13. На фиг.3 видно, что жесткая часть 14 содержит фаски, обеспечивающие пустоту, достаточную для заполнения краями упругой части при деформации последней. На фиг.2 видно, что составная шпонка 12 приклепана к втулке 5, а упругая часть 13 расположена между втулкой 5 и жесткой частью 14.

Велосипед с автоматическим переключением скоростей работает следующим образом. Ось 2 с напрессованной на нее дополнительно резьбовой втулкой с крупным шагом жестко закреплена в раме 1 велосипеда. Заднее колесо 6 велосипеда и втулка 5 через шпонку составную 12 постоянно вращает кольцо 9. Однако кольцо 9 вращается совершенно свободно на цилиндрической шейке полумуфты 7, так как находится в уравновешенном положении с постоянным зазором между торцами полумуфт 7 и 8. Равновесное положение кольца 9 обеспечивается пружиной и гибкой связью от грузов 10.

В случае увеличения скорости движения велосипеда увеличивается центробежная сила, разводит грузы 10, которые выполнены в виде полуколец. Движение от грузов 10 передается через гибкую связь и блок кольцу 9. Кольцо 9 подпружинено, однако пружина сжимается, а кольцо 9 смещается вправо в направлении торца полумуфты 8. Выбирается зазор между кольцом 9 и полумуфтой 8. Кольцо 9 сцепилось с полумуфтой 8. Момент вращения заднего колеса 6 через шпонку составную 11 и кольцо 9 передается полумуфте 8, которая по резьбовому участку оси 2 смещается вправо. Резьбовой участок оси 2, на котором сидит полумуфта 8, выполнен с мелким шагом левой резьбы. Шаг резьбы может быть равен, например, 0,5 мм. Полумуфта 8 взаимодействует через шлиц с гайкой 11, которая выполнена составной и содержит участок левой резьбы с крупным шагом, цилиндрический участок и сухарик, который связан с тросом 3 заднего переключателя 4. С целью исключения скручивания троса 3 гайка выполнена составной. Гайка 11 смещается вправо по резьбовой втулке с крупным шагом, которая напрессована на ось 2. Крупный шаг левой резьбы, например трехзаходной, по которой движется гайка 11, может быть равен 2 мм. За каждый оборот полумуфта 8 смещается вправо, например, на 0,5 мм, а составная гайка 11 смещается вправо на 6 мм. При этом ослабляется конец троса 3 и также сдвигается вправо на 6 мм. Натяжение троса 3 обеспечивается конструкцией заднего переключателя 4, которая известна. Задний переключатель 4 срабатывает таким образом, что велосипедная цепь переводится с большей звездочки на меньшую. Частота вращения педалей не увеличивается, однако велосипедист едет быстрее. При передаче момента вращения от заднего колеса 6 через шпонку составную 11 и кольцо 9 к полумуфте 8 упругая часть 13 шпонки проминается и утапливается в зоне контакта до уровня с жесткой направляющей 14, препятствуя продольному перемещению кольца 9 вдоль оси 2. Трение между упругой частью с кольцом и непромятые участки упругой части 13, которые выходят за зону контакта и, работая как бы на срез, исключают перемещение кольца 9, однако полумуфта 8 продолжает смещаться по резьбе до тех пор, пока не восстановится зазор. Иначе кольцо от трения в шпонке составной 12 тормознулось, а полумуфта 8 по резьбе сдвинулась вправо, то есть восстановился гарантированный зазор между кольцом и полумуфтой, а велосипедист едет с установившейся, но более высокой скоростью. При дальнейшем увеличении скорости велосипедиста процесс повторяется, однако частота вращения педалей остается прежней в предварительно выбранном пределе, который определяется положением опорного кольца.

Скорость движения велосипедиста уменьшается, например, в случае подъема трассы заезда или изменения грунтов. Уменьшается центробежная сила, действующая на грузы 10. Грузы от действия пружины через кольцо 9 и гибкую связь сходятся. Кольцо под действием той же пружины смещается влево. Выбирается зазор между кольцом 9 и полумуфтой 7. Кольцо 9 сцепляется с полумуфтой 7. Через сателлиты полумуфта 7 вращает полумуфту 8 в противоположную сторону. Полумуфта 8 смещается по резьбе влево и вращает гайку 11 также в противоположную сторону, то есть гайка 11 смещается влево и натягивает трос 3 управления задним переключателем 4. Велосипедная цепь переводится с меньшей звездочки на большую, и велосипедист, не меняя частоты педалирования и не увеличивая нагрузки на педали, легко преодолевает трудный участок трассы. При передаче момента вращения от заднего колеса 6 через шпонку составную 11 и кольцо к полумуфте 7 упругая часть 13 шпонки проминается и утапливается в зоне контакта до уровня с жесткой направляющей 14, препятствуя продольному перемещению кольца 9 вдоль оси 2. Трение между упругой частью с кольцом и непромятые участки упругой части 13, которые выходят за зону контакта и работают как бы на срез, исключают перемещение кольца 9, однако полумуфта 8 продолжает смещаться по резьбе влево. Полумуфты 7 и 8 соединены в один узел, обеспечивающий взаимное вращение относительно общей оси и исключающий взаимное перемещение вдоль общей оси, так как имеют общую направляющую цилиндрическую поверхность, на которой удерживаются стопорным кольцом. Таким образом, при смещении полумуфты 8 влево смещается влево полумуфта 7. Смещение влево полумуфты 7 продолжается до тех пор, пока не восстановится зазор с кольцом 9. При установившемся режиме зазор между кольцом 9 и торцами полумуфт 7 и 8 сохраняется. При дальнейшем уменьшении скорости велосипеда процесс повторяется аналогичным образом, однако частота вращения педалей остается в предварительно выбранном пределе.

Частота вращения педалей задается по желанию велосипедиста. Втулка 5 содержит два сквозных паза, сквозь которые проходят кнопки опорного кольца. Опорное кольцо регулирует усилие пружины, в которую упирается кольцо 9. Сдвигая опорное кольцо кнопками вправо, уменьшают сжатие пружины. При этом нагрузка на педали также уменьшается. Сдвигом опорного кольца влево увеличивается сила сжатия пружины, следовательно, при той же частоте вращения педалей велосипедист едет с большей скоростью. Любое изменение скорости сопровождается соответствующим переключением, которое поддерживает заранее установленную частоту педалирования. Предложенная автоматика идеально распределит мышечную энергию на трассе любой сложности, и при меньших физических затратах велосипедист добьется лучшего результата, так как автоматика не подвержена эмоциям, и момент переключения выберет исключительно точно. Велосипедисту нет надобности отвлекаться от красот природы, даже на думу о каких-либо переключениях, при этом четкость и надежность переключения гарантирована конструкцией шпонки составной 12.