БЕССТУПЕНЧАТЫЙ ВАРИАТОР КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ЧУРИКОВА Российский патент 1997 года по МПК B62M9/12 

Изобретение относится к трансмиссиям с бесконечными цепями и может быть использовано преимущественно в велостроении.

В настоящее время существует техническая проблема обеспечения при неизменном передаточном отношении передачи значительного уменьшения нагрузки на приводном валу (в частном случае нагрузку на педали велосипеда).

Известны различные варианты решения этой технической проблемы. В настоящее время запатентованы как ступенчатые, так и бесступенчатые устройства, облегчающие процесс педалирования.

Так, в патенте Великобритании (N 2062142 A, 1981) описано устройство, размещенное в каретке с педалями на ведущей звездочке велосипеда. Устройство является автоматическим вариатором как крутящего момента, так и передаточного отношения в зависимости от нагрузки на ведомую звездочку, т.е. на ведущее колесо велосипеда.

Конструкция позволяет реализовать ее на практике, если учесть следующие особенности:
регулировка передаточного отношения и крутящего момента производится автоматически, что не всегда необходимо для велосипедистов, имеющих разные физические данные;
вследствие именно такого конструктивного решения существенно увеличивается расстояние между педалями велосипеда, уменьшая тем самым эргономичность, т. е. возникает определенное неудобство процесса педалирования;
отличительной особенностью данной конструкции является большая неравномерность хода цепи велосипеда, вызванная тем, что на ведущей звездочке шаг цепи искусственно увеличивается по сравнению с шагом самой приводной цепи велосипеда;
конструкция состоит из большого числа деталей, имеющих значительный вес, не защищена от окружающей среды, сложна в изготовлении.

Попытка решить эту техническую проблему была предпринята другим путем. Так, в патенте ФРГ (N 3610482, 1989) вариатор размещен в задней втулке велосипеда. Разница в длине рычага приложения усилия на ведущее колесо равна величине эксцентриситета внутренней втулки с подпружиненными собачками. Во втором случае (патент ФРГ N 2938013, 1983) разница в длине рычага приложения усилия на ведущее колесо обеспечивается также эксцентриситетом внутренней втулки, но уже имеющей рычаги с собачками, которые управляются звездочкой с фигурными пазами.

В обоих случаях конструкции имеют одинаковые особенности, не позволяющие широко применить их на практике, а именно:
невозможность установки блока звездочек;
в силу таких технических решений применяется ведущая звездочка с большим числом зубьев, что не всегда удобно:
технологическая сложность изготовления большого числа трудоемких входящих деталей;
малая разница в длине рычага приложения усилиями следовательно, небольшой эффект от данного конструкторского решения;
большое количество подшипниковых узлов, требующих регулировки.

Несколько выше результат может быть получен в запатентованном устройстве, размещенном в задней втулке велосипеда и представляющем собой миниатюрную трехступенчатую планетарную коробку передач (патент Великобритании N 2099523 A, 1982). Эту конструкцию сравнительно легко реализовать на практике при современном уровне технологии, если принять во внимание следующие особенности:
ступенчатое, а не плавное изменение крутящего момента;
сравнительно небольшой диапазон изменения длины рычага приложения усилия, вызванный как самой конструкцией планетарной коробки передач, так и резким увеличением массы и габаритов при увеличении числа передач, что неприемлемо на велосипеде.

Поиск решения существенного увеличения диапазона работы вариатора крутящего момента, а также резкого снижения его массы при этом, за счет применения меньшего числа входящих деталей был предпринят и удачно реализован в предлагаемом изобретении.

В предлагаемом устройстве, размещенном в задней втулке велосипеда, главным элементом является зубчатый конус, размещенный в корпусе, а также обойма с собачками и водило.

Устройство работает бесступенчато и имеет большой диапазон регулировки длины рычага приложения усилия к ведущему колесу.

Устройство приводится в действие гибким тросом и рычагом, закрепленном на руле велосипеда, и позволяет, не меняя передаточного отношения (ведущая/ведомая звездочки), добиться существенного снижения усилия на педалях велосипеда.

Устройство возможно монтировать на любой велосипед с любым количеством ведомых звездочек, что существенно повышает потребительские свойства данной конструкции по сравнению с уже имеющимися. В результате применения малого числа деталей вариатор весит меньше, чем известные конструкции.

На фиг. 1 изображен продольный разрез вариатора по A A; на фиг. 2, второй вариант компоновки вариатора с конусом, обращенным в противоположную сторону от описываемого; на фиг. 3 вид Б вариатора (крышка 5 снята); на фиг. 4 вид Е и разрез по A A водила (7); на фиг. 5 разрез по B B оси (14).

Бесступенчатый вариатор крутящего момента размещен на месте задней втулки велосипеда между перьями задней вилки 1 и закреплен с двух сторон при помощи гаек 2. Вариатор содержит корпус 3 в виде тела вращения с колоколообразной внутренней полостью 4, образующая которой может быть выполнена в виде конуса, параболы, бочки или любой другой произвольного вида кривой. Корпус 3 закрыт с одной стороны резьбовой крышкой 5, являющейся и опорой подшипника 6, поддерживающего корпус 3. Внутри корпуса 3 размещено водило 7, представляющее собой колоколообразную юбку 8, сопряженную со ступицей 9, причем на ступицу навернут блок звездочек 10. Форма юбки 8 такая же, как и форма внутренней полости корпуса 4, и, кроме того, внутренняя полость корпуса снабжена вдоль образующей храповыми зубьями 11. Между наружной поверхностью юбки 8 и вершинами храповых зубьев 11 существует гарантированный зазор "c" для свободного вращения корпуса 3 и водила 7, причем зазор может быть непостоянным, т.е. необязательно чтобы образующая внутренней полости корпуса 3 была параллельна образующей наружной поверхности юбки водила 8. В юбке водила 8 вдоль образующей выполнены сквозные окна 12, а ступица 9 опирается через подшипник 13 на базовую ось 14 и закреплена на ней с помощью конуса 15 и контргайки (16), в то же время на ступицу 9 опирается через подшипник 17 корпус 3. Таким образом, корпус 3 может свободно вращаться вокруг базовой оси 14 на подшипниках 6 и 17, причем подшипник 6 поджат крышкой-конусом 18 и законтрен контргайкой 19, а подшипник 17 поджат конусом 20, навернутым на ступицу 9, и законтрен контргайкой 21. Сама же базовая ось 14 снабжена с обеих концов резьбой для крепления как крышек подшипников, так и собственно самого вариатора к раме велосипеда, и, кроме того, выполнена с внутренним сквозным отверстием 22 и имеет прорезь 23, а также конус 24 для подшипника 13. На оси 14 с возможностью вращения на ней, а также перемещения вдоль оси размещена каретка 25, имеющая два глухих отверстия 26, в которых размещены две пустотелые собачки храповика 27, подпружиненные пружинами 28, рабочий зуб которых 29 пропущен через окна водила 12 и находится в зацеплении с рабочими зубьями храпового колеса 11. Кроме того, каретка 25 с двух сторон снабжена упорными шайбами 30 и 31, причем в шайбу 31 упирается конусная пружина 32, а шайба 30 имеет усик, проходящий через прорезь 23, на котором крепится гибкий трос привода каретки 33, проходящий внутри отверстия 22 оси 14. Таким образом, каретка 25, перемещаясь вдоль оси 14, позволяет собачкам 27 передвигаться вдоль образующей храпового зуба 11, изменяя тем самым длину рычага приложения усилия к корпусу 3 на величину "д".

Второй вариант компоновки вариатора отличается от описываемого главным образом тем, что торцовая крышка корпуса 5 размещена со стороны блока звездочек 10, а конус корпуса 3 направлен в противоположную сторону. Оба варианта имеют свои преимущества и особенности. Так, в описываемой конструкции более технологично выполнено водило 7, а во втором случае торцовая крышка 5; кроме того, во втором случае наибольшая длина рычага приложения усилия ("р" + "д") находиться ближе к блоку звездочек 10 и водило 7 менее нагружено. В весовом отношении обе конструкции примерно одинаковы.

Вариатор работает следующим образом.

Через педали велосипеда и цепной привод крутящий момент передается на водило 7, в окнах 12 которого находятся собачки 27. Храповые зубья собачек 29, взаимодействуя с храповыми зубьями 11 корпуса 3, вращают последний, передавая крутящий момент на ведущее колесо велосипеда, которое крепится к корпусу 3 при помощи спиц.

Для ослабления усилия на педаль велосипеда при неизменном передаточном отношении необходимо увеличить длину рычага приложения усилия (в данном случае "р"). При этом необходимо тросом 33 переместить с помощью шайбы 30 каретки 25 вдоль оси 14 влево по чертежу, при этом собачки 27 отслеживают образующую конуса корпуса 4 по храповым зубьям 11 и увеличивают таким образом длину рычага приложения усилия на величина "р" + "д". В этом случае достигается значительное ослабление усилия на педалях велосипеда при неизменном передаточном отношении (ведущая/ведомая звездочки). Конструкция формы храповых зубьев корпуса 11 и собачек 29, а также конструкция каретки 25 позволяет вариатору работать как обгонная храповая муфта.

Использование: велосипедные трансмиссии. Сущность изобретения: вариатор крутящего момента состоит из корпуса в виде тела вращения с колоколообразной внутренней полостью, вдоль образующей которой расположены храповые зубья. С последними взаимодействует подпружиненная собачка храпового механизма, размещенная в каретке, которая может свободно перемещаться вдоль закрепленной оси. Внутри корпуса размещено водило в виде тела вращения, повторяющее наружной поверхностью форму внутренней полости корпуса и имеющее прорези вдоль образующей для собачки храпового механизма. Крутящий момент передается непосредственно через водило и собачки на корпус. Свободно перемещаясь вдоль образующей внутренней полости корпуса, собачка уменьшает или увеличивает длину рычага приложения силы. Таким образом, происходит уменьшение силы давления на педали велосипеда. 2 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Бесступенчатый вариатор крутящего момента, содержащий корпус в виде тела вращения с внутренней полостью, закрытый с обеих сторон торцевыми стенками, и водило в виде тела вращения со ступицей, размещенное во внутренней полости корпуса, а также базовую ось и каретку, снабженную приводом, при этом передняя торцевая стенка снабжена подшипником, отличающийся тем, что внутренняя полость корпуса выполнена колоколообразной, а водило выполнено в виде юбки, сопряженной с упомянутой ступицей, причем наружная поверхность юбки выполнена такой же колоколообразной формы, что и форма внутренней полости корпуса, и установлена с образованием зазора между вышеуказанной наружной поверхностью юбки и внутренней полостью корпуса, при этом поверхность внутренней полости корпуса снабжена вдоль образующей храповыми зубьями, а в юбке водила выполнено по крайней мере одно окно вдоль ее образующей и, кроме того, ступица водила опирается через подшипник на один конец базовой оси, а на другой конец базовой оси опирается через подшипник упомянутая передняя торцевая стенка корпуса, при этом корпус своей задней торцовой стенкой через подшипник опирается на ступицу водила, причем упомянутая каретка размещена на базовой оси с возможностью вращения вокруг нее и возвратно-поступательного перемещения по ней и снабжена по крайней мере одной полостью, в которой размещена подпружиненная собачка храповика, рабочий конец которой размещен в упомянутом окне юбки водила и своим храповым зубом находится в зацеплении с храповыми зубьями на поверхности внутренней полости корпуса, а каретка снабжена приводом изменения ее положения на базовой оси и средствами ее фиксации на ней. 2. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что юбка водила имеет два противолежащих окна, а каретка имеет две полости с двумя подпружиненными собачками храповика, выполненных преимущественно в виде плунжеров, направленных в противоположные стороны, рабочие концы которой размещены в упомянутых окнах юбки водила. 3. Вариатор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что через каретку пропущена гибкая тяга, размещенная в осевом отверстии базовой оси, при этом между кареткой и торцевой стенкой корпуса установлена пружина сжатия.