ВЕЛОСИПЕД И РЫЧАЖНО-ХРАПОВОЙ МЕХАНИЗМ Российский патент 2000 года по МПК B62M25/08 B62M9/12 

Изобретение относится к транспортному машиностроению, а именно к многоскоростным колесным транспортным средствам, приводимым в движение мускульной силой человека, например велосипедам, и к устройствам, обеспечивающим возможность дискретного перемещения ведомого элемента, в частности к конструкциям переключателей скоростей.

Известны велосипеды, в которых не предусмотрены системы переключения скоростей. Эти конструкции просты, но недостаточно удобны в эксплуатации, т. к. они не обеспечивают возможности изменения передаточного отношения (см. Политехнический словарь.- М.: Советская энциклопедия, 1989, с. 74).

Известна конструкция колесного транспортного средства, приводимого в движение мускульной силой человека, в частности веломобиля, содержащего раму с колесами, руль с управляющим элементом, узел ножного привода с педалями и ведущей осью со звездочкой, комплектом ведомых звездочек (большой и маленькой) на осях задних колес и замкнутой цепью, а также храповую обгонную муфту, зубья которой подпружинены относительно втулки одного из задних колес и установлены с возможностью вхождения в пазы, выполненные на ней (см. патент России N 2009943, заявлен 26.06.91, опубликован 30.03.94, B 62 M 01/12).

Такая конструкция неприменима для двухколесных многоскоростных велосипедов.

Известны выбранные в качестве прототипа велосипеды, содержащие раму с колесами, руль, узел ножного привода с педалями и ведущей осью со звездочкой, комплектом ведомых звездочек на оси заднего колеса и замкнутой цепью, узел перевода цепи при переключении скоростей, приводимый от специальной рукоятки (управляющего элемента), перемещающей гибкую тягу - тросик, обеспечивающие наиболее рациональный режим езды в зависимости от дорожных, погодных условий и физических возможностей велосипедиста (см. Инструкция по эксплуатации 153-421.00.00 ИЭ "Велосипеды спортивно-туристские 153-411, 153-421, 153-412, 153-411, 153-414, 153-424 и спортивные 155-411, 156-421", Министерство автомобильной промышленности. Харьковский велосипедный завод имени Г.И. Петровскoго, 1982 г.).

К недостаткам указанной конструкции велосипеда относятся неудобство переключения и низкая надежность. На практике часто, особенно при эксплуатации велосипеда неопытным (начинающим) велосипедистом, при переключении скоростей возникают случаи неточного перемещения цепи, соскальзывания цепи с ведомой звездочки или соединения не тех звездочек, которые должны были соединиться, в результате чего возникает опасность для велосипедиста, при этом гибкая тяга (тросик) вытягивается, что в дальнейшем также отрицательно сказывается на надежности переключения. Кроме того, для перевода цепи на заданную ведомую звездочку посредством смещения гибкой тяги велосипедисту необходимо приложить достаточно большие усилия.

Задачей настоящего изобретения, относящегося к конструкциям многоскоростных велосипедов, является создание простого и надежно функционирующего механизма, преобразующего вращательное движение ведущей оси велосипеда в дискретное шаговое смещение гибкой тяги, связанной с узлом перевода цепи на заданную пару звездочек для улучшения потребительских свойств велосипеда: повышения надежности и удобства управления переключением, облегчения обслуживания.

Известен храповой переключатель скоростей для мотоцикла, содержащий вал переключения с поводком, связанным с корпусом храпового механизма. Ведущая и ведомая собачки храпового механизма установлены с возможностью вхождения в окна диска, связанного с вилками переключения скоростей. В данном переключателе вал переключения, поворачиваясь вместе с поводком, поворачивает корпус храпового механизма. При этом ведущая собачка зацепляется с окном диска, обеспечивая поворот диска и вилок переключения при помощи криволинейных пазов в положение, соответствующее включенной передаче. Одновременно ведомая звездочка скользит по выступу отбрасывателя и выходит из зацепления с соответствующим окном диска. При возврате корпуса в исходное положение под действием возвратной пружины ведущая собачка выводится из зацепления с окном диска своим скосом и в дальнейшем попадает в соседнее окно диска.

Данная конструкция довольно сложна и разработана для переключения коробки передач мотоцикла. Ее использование для переключения скоростей велосипеда невозможно из-за громоздкости конструкции.

Известны переключатели, обеспечивающие дискретное (шаговое) смещение или вращательное движение элементов, которые можно было бы использовать для заданного перемещения тягового тросика при переводе цепи с одной ведомой звездочки на другую в традиционных конструкциях велосипедов. Например, известен рычажно-храповой механизм с кулачковым приводом, который мог бы обеспечить дискретный поворот поводка для гибкой тяги без приложения больших усилий за счет установки кулачкового диска на оси ведущей звездочки. Данный механизм содержит дисковый кулачковый привод, подпружиненный копир, установленный с возможностью поворота на неподвижной оси и связанный посредством собачки с поворотным поводком. Кулачковый диск, вращаясь вокруг оси, воздействует на подпружиненный копир, вращающийся вокруг другой неподвижной оси. С копиром шарнирно связана собачка, входящая в зацепление с храповым (зубчатым) элементом дискретно вращаемого объекта, в качестве которого может выступать, например, поводок, связанный с тяговым тросиком, осуществляющим перевод цепи (см. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике. Том III, с. 107). Конструкция указанного рычажно-храпового механизма выбрана в качестве прототипа переключателя.

Недостатком указанного переключателя является наличие постоянной связи между кулачковым диском и копиром. Применение такого устройства в велосипедах привело бы к значительным потерям энергии на трение, а следовательно, потребовало резкого увеличения энергетических затрат велосипедиста. Введение же в рычажно-храповой переключатель известных механизмов, обеспечивающих дискретность контакта между кулачковым диском и копиром, значительно усложняет конструкцию, снижает еe надежность.

Кроме того, описанная конструкция рычажно-храпового переключателя не обеспечивает надежного переключения, т.к. возможны сбои при введении во взаимодействие собачки и храпового элемента. Переключение или не совершается совсем, или происходит срыв в переключении, который может привести к неправильной установке цепи.

Задачей настоящего изобретения, относящегося к переключателям, является создание простого и надежно функционирующего рычажно-храпового механизма, преобразующего вращательное движение ведущей оси велосипеда в дискретное шаговое смещение гибкой тяги, связанной с узлом перевода цепи на заданную пару звездочек, в котором отсутствует постоянный контакт между кулачковым диском и копиром, что обеспечивало бы облегчение обслуживания велосипеда, снижало бы затрачиваемые велосипедистом усилия на движение.

Указанная задача решается за счет того, что в велосипеде, содержащем раму с колесами, руль с управляющим переключением скоростей элементом, узел ножного привода с педалями на ведущей оси со звездочкой, комплектом ведомых звездочек на оси заднего колеса и замкнутой цепью, узел перевода цепи с гибкой тягой, согласно изобретению дополнительно предусмотрены дисковый кулачковый привод, размещенный на ведущей оси, и рычажно-храповой механизм, связанный с гибкой тягой узла перевода цепи, при этом кинематическая пара кулачковый диск - копир рычажно-храпового механизма является постоянно разомкнутой.

Указанная задача решается также за счет того, что в велосипеде управляющий переключением скоростей элемент может быть выполнен в виде двух жестко связанных друг другу кнопок, расположенных оппозитно в корпусе, разделенном мембраной на две полости, одна из которых посредством пневмопривода связана с аналогичной мембраной для замыкания кинематической цепи между кулачковым диском и копиром при переключении скоростей.

Указанная задача решается также за счет того, то в рычажно-храповом механизме с дисковым кулачковым приводом, содержащем копир, установленный с возможностью поворота на оси и связанный посредством собачки с поворотным поводком, согласно изобретению заходный участок кулачкового диска выполнен в виде разделяющего лезвия, а на рабочей части копира размещен элемент, выполненный в виде иглы, установленной с возможностью перемещения вдоль острия лезвия кулачка до соскальзывания по одной из его граней для приведения копира в рабочий контакт с кулачком.

В рычажно-храповом механизме копир может быть кинематически связан с ведомой мембраной пневмопереключателя, при этом точка крепления связи смещена относительно оси поворота копира.

Введение в конструкцию многоскоростного велосипеда дополнительного механизма, обеспечивающего при подаче на него слабого пневмосигнала простой и надежный дискретный поворот поводка, с которым связан гибкий тяговый орган, перемещающий элементы механизма перевода цепи, обеспечивает решение поставленной задачи.

Проведенные патентные исследования подтвердили отсутствие в изученном уровне техники аналогичных технических решений, что позволяет предположить соответствие предлагаемого изобретения критерию "новизна".

Использование рычажно-храповых механизмов переключения в технике широко известно, но новыми и не следующим явным образом из изученного уровня техники являются форма выполнения заходной части дискового копира и снабжение копира дополнительным направляющим и фиксирующим элементом - иглой. Снабжение кулачкового диска такого механизма заходным лезвием, к которому при подаче управляющего сигнала на переключение скоростей подводится острие иглы, неподвижно установленной на копире, приводит к тому, что игла начинает скользить вдоль острия лезвия, а затем и из-за линейности контакта и невозможности обеспечения в таких механизмах высокой точности траектории быстро соскальзывает в него вдоль одной из его граней, становясь своего рода направляющей, обеспечивающей надежный контакт рабочей части копира с рабочим профилем кулачкового диска. Это и обеспечивает исключение сбоев в работе переключателя, т.к. возможно только два устойчивых положения копира по отношению к кулачковому диску: рабочее (когда рабочая часть копира введена в контакт с рабочим профилем кулачка, и отрыв предотвращен наличием дополнительного фиксирующего элемента - тела иглы) и холостое (когда острие иглы расположится с противоположной от рабочего профиля кулачка стороны, и копир не вошел в контакт с рабочим профилем кулачка). Промежуточное положение копира, когда возможна неправильная подача цепи, ее соскальзывание с ведомой звездочки и др. , практически исключенo, т.к. в этом случае игла копира должна была бы достаточно длительно скользить вдоль острия лезвия, не смещаясь ни в ту ни в другую сторону от него.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен внешний вид велосипеда; на фиг. 2 - конструкция кнопки пневмопереключателя; на фиг. 3 - внешний вид рычажно-храпового механизма; на фиг. 4 - поперечный разрез рычажно-храпового механизма переключателя; на фиг. 5 - кулачковый диск.

Заявляемый велосипед сдержит раму 1 с передним 2 и задним 3 колесами, руль 4 с управляющим переключением элементом 5 - кнопочным пневмопереключателем. Привод велосипеда - ножной от педалей 6, связанных с ведущей осью 7, на которой установлены ведущие звездочки 8. На оси заднего колеса 3 установлен комплект ведомых звездочек 9. Пара "ведущая 8 и ведомая 9 звездочки" связаны посредством непрерывной цепи 10. Для перевода цепи 10 на заданную звездочку предусмотрен специальный механизм 11. Переключатель скоростей включает обособленные блоки:
кнопочный пневмопереключатель с пневмоприводом;
кулачковый диск;
рычажно-храповой механизм;
гибкую тягу для привода механизма перевода цепи.

Кнопочный пневмопереключатель. На рукоятке руля 4 велосипеда закреплен составной корпус 12, внутри которого размещена мембрана 13 из эластичного материала, например резины, образующая замкнутую полость 14. С разных сторон мембраны 13 в отверстиях корпуса 12 размещены кнопки 15, жестко связанные между собой металлической пластиной 16. Одна из кнопок 15 связана с мембраной 13. Одна из кнопок 15 служит для перехода на следующую, более повышенную передачу, другая - для обратного перехода. Если держать кнопку, то передачи будут последовательно переключаться. К выходному отверстию полости 14 подсоединен один из концов пластмассовой трубки 17 пневмопровода. Второй конец трубки 17 связан с аналогичной полостью рычажно-храпового переключателя. Перемещение любой из кнопок 15 приводит к созданию в полости 14 небольшого разрежения или избыточного давления ±P. Аналогичное разрежение или избыточное давление создаются в соответствующей полости переключателя. Строгая герметизация воздушной системы не требуется. Для исключения отрицательного влияния изменения атмосферного давления на надежность работы системы замкнутая воздушная полость 14 имеет микроотверстие для постоянной связи с атмосферой.

Кулачковый диск. Кулачковый диск 18 жестко закреплен на ведущей оси 7 параллельно ведущим звездочкам 8. Он выполнен из достаточно прочной инструментальной стали. Рабочая поверхность кулачкового диска имеет два рабочих профиля, образующая каждого из которых перпендикулярна плоскости кулачкового диска (см. фиг. 5). Перед началом каждого рабочего профиля имеется небольшой заходный участок 19 (a-b), имеющий форму лезвия.

Рычажно-храповый механизм. Данный механизм содержит закрепленную на раме 1 стойку 20. В стойке 20 установлен с возможностью фиксированного поворота поводок-фиксатор 22, внутри которого соосно расположен валик 21. На связанной с валиком 21 оси 23 с возможностью поворота установлен двуплечий копир 24. Двуплечий копир 24 снабжен двумя жестко связанными с ним иглами 25 для взаимодействия с кулачковым диском 18 и зацепами 26 для взаимодействия с соответствующими зубьями 27, выполненными на поводке 22. Копир 24 связан с ведомой мембраной 28 пневмопереключателя толкателем 29 из нержавеющей проволоки диаметром 0,5 мм. Точка крепления толкателя 29 к копиру 24 смещена относительно оси симметрии копира. Длина толкателя 29 подобрана так, что в нерабочем положении (когда осуществляется переключение передач) двуплечий копир 24 не касается кулачкового диска 18. Жесткость мембраны 28 и зазор между иглами 25 двуплечего копира 24 и кулачковым диском 18 должны быть достаточными для поддержания двуплечего копира 14 в исходном (нейтральном) положении. Копир 24 не должен захватываться кулачковым диском 18 при его случайных колебаниях, иначе возможно самопроизвольное переключение передач без подачи сигнала от кнопок 15.

Гибкая тяга для привода механизма перевода цепи. На внешней поверхности поводка-фиксатора 22 выполнена канавка для гибкой тяги (тросика) 30, прикрепленной к поводку 22, охватывающей его и идущей к механизму 11 перемещения цепи.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

При нажатии на одну из кнопок 15 в полости 14 переключателя создается очень слабое избыточное давление или разрежение, в результате чего мембрана 28 рычажно-храпового механизма приближает посредством эксцентрично прикрепленного толкателя 29 один из двух рабочих рычагов двуплечего копира 24 к кулачковому диску 18. Одна из игл 25 касается диска 18. Как только ее острие попадает за ребро лезвия 19, которое служит только для захвата копира 24, игла 25 сама заводит двуплечий копир 24 на рабочую часть кулачка 18, и в действии мембраны 28 уже нет необходимости. В процессе начавшегося переключения кнопки 15 не управляют этим процессом, но и не мешают ему, даже если одна из кнопок нажата, а в период, когда игла 25 заводит копир 24 в работу, последний еще не оказывает силового воздействия на переключатель. Практически иглы 25 не участвуют в силовой работе, и нагрузки на них отсутствуют. Далее рабочая часть копира 24 заходит на рабочий профиль диска 18, а зацеп 26 входит в зацепление с зубьями 27 поводка-фиксатора 22. С этого момента начинается силовое переключение: копир 24 перемещается профилем диска 18 от центра последнего, то есть поворачивается на заданный угол на оси 23, поводок 22 совершает соответствующее перемещение на угловой шаг, который больше углового шага фиксирования, но меньше двух таких шагов, при этом одно плечо прикрепленной к поводку-фиксатору и охватывающей его гибкой тяги 30 укорачивается на заданную величину, а другое плечо удлиняется, обеспечивая тем самым приведение в действие механизма 11 перемещения цепи, и последний перемещает цепь на следующую звездочку с некоторым "перехлестом", но описываемый механизм возвращает цепь в нужное положение, то есть обеспечивается 100%-ное переключение.

Таким образом, заявляемые технические решения обеспечивают:
высокую комфортность управления велосипедом за счет использования мягкого кнопочного переключения, не требующего приложения больших усилий;
высокую надежность переключения даже в случае управления велосипедом неопытным велосипедистом за счет применения специального промежуточного механизма переключения, преобразующего под действием слабого управляющего сигнала от кнопочного переключателя вращательное движение кулачкового диска, размещенного на ведущей оси велосипеда, в дискретное поворотное движение поводка-фиксатора, перемещающего гибкий тяговый орган, осуществляющий перевод цепи на заданные звездочки посредством механизма перевода;
исключение постоянного контакта между постоянно вращающимися при движении велосипеда кулачковым диском и копиром обеспечивает легкость управления велосипедом, снижение затрачиваемых велосипедистом усилий.

Изобретение относится к области транспортного машиностроения. Велосипед дополнительно снабжен дисковым кулачковым приводом, размещенным на ведущей оси, и рычажно-храповым механизмом, связанным с гибкой тягой узла перевода цепи, при этом кинематическая пара кулачковый диск - копир рычажно-храпового механизма является постоянно разомкнутой. Управляющий переключением скоростей элемент выполнен в виде двух жестко связанных друг с другом кнопок, расположенных оппозитно в корпусе, разделенном мембраной на две полости, одна из которых посредством пневмопривода связана с аналогичной мембраной для замыкания кинематической цепи между кулачковым диском и копиром при переключении скоростей. Рычажно-храповой механизм содержит копир, установленный с возможностью поворота на оси и вхождения при этом во взаимодействие с кулачковым диском и с поводком-фиксатором. Ведомая мембрана пневмопереключателя жестко связана с копиром. В результате повышается надежность и удобство управления переключением скоростей. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Велосипед, содержащий раму с колесами, руль с управляющим переключением скоростей элементом, узел ножного привода с педалями и ведущей осью со звездочкой, комплектом ведомых звездочек на оси заднего колеса и замкнутой цепью, узел перевода цепи посредством гибкой тяги при переключении скоростей, отличающийся тем, что снабжен дисковым кулачковым приводом, размещенным на ведущей оси, и рычажно-храповым механизмом, связанным с гибкой тягой узла перевода цепи, при этом кинематическая пара кулачковый диск - копир рычажно-храпового механизма является постоянно разомкнутой. 2. Велосипед по п. 1, отличающийся тем, что управляющий переключением скоростей элемент выполнен в виде двух жестко связанных друг с другом кнопок, расположенных оппозитно в корпусе, разделенном мембраной на две полости, одна из которых посредством пневмопривода связана с аналогичной мембраной для размыкания кинематической цепи между кулачковым диском и копиром при переключении скоростей. 3. Рычажно-храповой механизм с дисковым приводом для дискретного поворота поводка, содержащий копир, установленный с возможностью поворота на оси и связанный посредством собачки с поворотным поводком, отличающийся тем, что заходный участок кулачкового диска выполнен в виде разделяющего лезвия, а на рабочей части копира неподвижно установлен разделяющий элемент, выполненный в виде иглы, установленной с возможностью перемещения при движении копира вдоль острия лезвия кулачка до соскальзывания по одной из его граней для приведения копира в рабочий контакт с кулачком. 4. Рычажно-храповой механизм по п.3, отличающийся тем, что ведомая мембрана пневмовыключателя жестко связана с копиром, при этом точка крепления связи смещена относительно оси поворота копира.