АВТОМАТИЧЕСКАЯ ТРАНСМИССИЯ СИСТЕМЫ АЛЁШИНА Российский патент 2004 года по МПК B62M25/00 

Изобретение относится к транспорту, а именно к велосипедам для спорта и прогулок.

Известен велосипед "Аннушка" с автоматическим переключением передач, 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 В 62 М 11/16, 1993 г. - аналог/.

Однако многоступенчатые зубчатые передачи в силу своих физических свойств уступают цепной передаче по такому параметру, как коэффициент полезного действия /КПД/. Если для механических передач с электротягой или бензиновым двигателем низким КПД пренебрегают, то применительно к велосипеду, где используется энергия мышц, суммарные потери в многоступенчатых зубчатых передачах и как следствие - пониженный КПД - критерий не в пользу известного велосипеда. Известна автоматическая трансмиссия для велосипеда, содержащая масляный бачок, полую ось, подвижное зубчатое колесо с турбинными лопатками и плунжеры с тросом переключения передач /см. заявка WО 99/20519, В 62 М 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 усилие на трос, достаточное для переключения передач, проблематично. Трение в системе уплотнений между масляным бачком и плунжерами сводит на нет усилие, возникающее при вращении турбинных лопаток. По этой причине реализовать автоматическое переключение невозможно.

Наиболее близким к предложенному техническому решению относится автоматическая трансмиссия для велосипеда - прототип, содержащая размещенный во втулке вал с осевым отверстием, исполнительное звено которого связано с тросом переключения передач, пропущенным через отверстие вала, управляющее звено с гибкими связями, роликами и грузами, и внутренняя деталь, в которой грузы размещены. Трос переключения передач связан с кареткой направления цепи и пружиной возврата /см. заявка WO 99/21752, МКИ В 62 М 25/02, 9/04, 9/12, 1997 г./.

Однако при тщательном рассмотрении известного технического решения выбранного в качестве прототипа, выясняется следующее. В автоматической трансмиссии для велосипеда на трос переключения передач действует центробежная сила от груза через гибкую связь. Чем больше центробежная сила, тем больше натяжение троса переключения передач. Если пренебречь трением, то центробежная сила равна силе натяжения троса. Чтобы произошло переключение, необходимо преодолеть усилие достаточно жесткой пружины возврата, которая размещена в каретке. Каретка перебрасывает цепь с одной звездочки на другую. Дополнительно необходимо преодолеть усилие пружины в полом управляющем звене и преодолеть все трения. Произведем расчет динамики движения груза. Например, груз находится выше вала с осевым отверстием. На груз действует центробежная сила F, вектор которой направлен вверх, и вес Р, вектор которого направлен вниз.

P=mg. Равновесие между силами, когда F=P наступает при условии ,

где v - линейная скорость груза,

R - расстояние груза от оси вращения, м;

g - ускорение свободного падения, .

Из формулы находим число оборотов n, при котором груз оказывается в равновесии и не смещается. До начала переключения груз находится в крайнем положении ближе к валу с осевым отверстием, т.е. R=001 м, при этом , где .

Отсюда вывод, что при 300 оборотов в минуту натяжение троса от груза полностью отсутствует. Для начала действия центробежной силы на трос необходимо условие: F>P, то есть колесо велосипеда должно совершать более 300 оборотов в минуту. Если величину центробежной силы от вращения груза с массой, которую возможно поместить во внутреннюю деталь, сравнить с величиной силы, необходимой для преодоления жесткой пружины возврата, пружины в управляющем элементе и силы трения, то необходимо вращать колесо с огромной скоростью, что для любого спортсмена физически невозможно. В случае вращения колеса более 300 оборотов в минуту, например 400 или 500 оборотов, то центробежная сила столь незначительна по величине, что поглотится трением и не произведет никакого действия. Ожидать реального сжатия жесткой пружины возврата не стоит.

Цель предложенного технического решения:

- обеспечение надежности автоматического многоступенчатого переключения передач при каждом изменении скорости;

- повышение чувствительности отслеживания скорости в широких пределах для выбора момента переключения каждой из скоростей;

- простота изменения пределов скорости для каждого переключения индивидуально по желанию велосипедиста, например перед каждой из поездок.

Поставленные цели достигаются автоматической трансмиссией системы Алешина, содержащей встроенный во втулку вал с осевым отверстием, в котором установлено исполнительное звено и трос переключения передач, идущий от каретки направления цепи. В каретку встроена пружина. Управляющее звено с пружиной посредством гибких связей и роликов соединено с грузами, вмонтированными во внутреннюю деталь.

Автоматическая трансмиссия системы Алешина согласно изобретению по первому пункту, т.е. с целью обеспечения надежности автоматического многоступенчатого переключения передач при каждом изменении скорости без вмешательства велосипедиста, снабжена полумуфтой резьбовой, полумуфтой реверсивной и гайкой шлицевой. Полумуфта реверсивная выполнена с возможностью вращения относительно полумуфты резьбовой в противоположную сторону. Торцы управляющего звена выполнены с возможностью периодического сцепления либо с полумуфтой резьбовой, либо с полумуфтой реверсивной. Полумуфта резьбовая соединена с валом ходовой резьбой с мелким шагом, гайка шлицевая соединена с валом ходовой резьбой с крупным шагом, полумуфта резьбовая соединена с гайкой шлицевой способом, исключающим вращение относительно друг друга. Исполнительное звено подвижно соединено с гайкой шлицевой, т.е. не препятствует вращению последней, а управляющее звено подвижно соединено со втулкой, т.е. не препятствует продольному перемещению вдоль оси последней.

Автоматическая трансмиссия системы Алешина согласно изобретению по второму пункту, т.е. с целью повышения чувствительности отслеживания скорости в широких пределах для выбора момента переключения каждой из скоростей грузы снабжены зубчатыми секторами, штифтом или пазом. Каждый груз выполнен в виде полукольца. Грузы в паре взаимодействуют между собой зубчатыми секторами, а пары повернуты относительно друг друга на 180° и взаимодействуют между собой штифтами, подвижно входящими в пазы.

Автоматическая трансмиссия системы Алешина согласно изобретению по третьему пункту, т.е. с целью обеспечения простой установки предела скорости и изменения предела скорости для каждого переключения индивидуально по желанию велосипедиста, снабжена хомутом и опорным кольцом, притом хомут установлен на втулке и связан с опорным кольцом, а опорное кольцо выполнено с возможностью взаимодействия с пружиной.

Предложенная конструкция поясняется чертежами где на фиг.1 представлена автоматическая трансмиссия системы Алешина в продольном сечении. На фиг.2 представлены пары грузов в исходном состоянии, т.е. до начала переключения передач. На фиг.3 представлены пары грузов в конечном положении при максимальной скорости движения. На фиг.4 представлено исходное состояние грузов в другом угловом положении. На фиг.5 представлено конечное состояние грузов в другом угловом положении. На фиг.6 представлен фрагмент автоматической трансмиссии системы Алешина в увеличенном виде.

Автоматическая трансмиссия системы Алешина состоит из втулки 1, которая является базой крепления обода колеса посредством спиц и местом установки всех элементов трансмиссии. Со стороны торца во втулку 1 ввернута внутренняя деталь 2. На внутренней детали 2 подвижно установлены грузы 3. Грузы 3 выполнены в виде полуколец и содержат зубчатые сектора 4, а также штифты 5 или пазы 6. Гибкие связи 7, идущие от штифтов 5, соединяют грузы 3 с управляющим звеном 8. Ролики 9 установлены на внутренней детали 2, исключают перетирание гибких связей 7 и изменяют направление передачи сил. Управляющее звено 8 подвижно в осевом перемещении относительно втулки 1, с которой находится в шлицевом соединении. Управляющее звено 8 выполнено составным из двух элементов. Первый элемент в виде тонкостенного стакана с функцией направляющей для пружины 10. Пружина 10 установлена между управляющим звеном 8 и опорным кольцом 11, которое обращено в направлении внутренней детали 2. Пружина 10 обеспечивает незначительное натяжение гибкой связи 7. Второй элемент управляющего звена 8 содержит зубчатые торцы с возможностью поочередного взаимодействия с зубчатым торцом полумуфты резьбовой 12 или с зубчатым торцом полумуфты реверсивной 13. Полумуфта реверсивная 13 выполнена с возможностью вращения относительно полумуфты резьбовой 12 в противоположную сторону за счет зубчатой передачи. Втулка 1 посредством подшипников зафиксирована от осевого смещения на валу 14. Полумуфта резьбовая 12 ходовой резьбой с мелким шагом соединена с валом 14. Также на валу 14 подвижно на резьбе с крупным шагом установлена гaйкa шлицевая 15. Полумуфта резьбовая 12 сцеплена с гайкой шлицевой 15 любым способом, исключающим вращение относительно друг друга, например шлицами. Гайка шлицевая 15 состоит из двух частей, внутренней резьбовой и внешней шлицевой, которые соединены между собой неподвижно. Этим обеспечивается безпрепятственная сборка узла. Вал 14 содержит осевое отверстие, в которое вставлено исполнительное звено 16. Исполнительное звено 16 подведено колпачковой гайкой к торцу гайки шлицевой 15, однако не препятствует вращению последней, так как присутствует необходимый зазор. В оси зала 14 между исполнительным звеном 16 и кареткой 17 проходит трос 18. Каретка 17 выполняет известную функцию ориентации велосипедной цепи против звездочки, которой соответствует определенное передаточное отношение автоматической трансмиссии. Каретка 17 содержит пружину возврата 19. Блок со звездочками подвижно смонтирован на внешней стороне внутренней детали 2, с которой взаимодействует посредством обгонной муфты. Кольцо 11, например, посредством гибкой связи соединено с хомутом 20. Хомут 20 размещен на внешней цилиндрической поверхности втулки 1 и удерживается от смещения силой трения. На внешней цилиндрической поверхности втулки 1 нанесена шкала пределов скоростей, в которых происходит переключение на каждую из передач.

Автоматическая трансмиссия системы Алешина обеспечивает многоступенчатое переключение передач без вмешательства велосипедиста исключительно в нужный момент. Обеспечивается высокая чувствительность механизма при незначительном изменении скорости движения следующим образом. Рассмотрим два исходных состояния грузов 3, т.е. два состояния до начала переключения передач. На фиг.2 представлено состояние, соответствующее продольному сечению, представленному на фиг.1. Грузы 3 каждой из двух пар расположены один над другим. Грузы 3, которые находятся выше оси, под собственным весом стремятся отклониться в сторону оси вращения, а нижние грузы 3 стремятся отклониться от оси. Но так как грузы 3 взаимодействуют между собой зубчатыми секторами и идентичны по весу, то находятся в равновесии. Второе исходное состояние, когда подвижная втулка повернута в плоскости вращения на угол 90°, см. фиг.4. Зубчатые сектора 4 первой пары грузов 3 находятся над осью вращения. При этом каждый из грузов 3 под собственным весом стремится отклониться к оси вращения. Одновременно зубчатые сектора 4 второй пары грузов 3 находятся под осью вращения, а грузы под собственным весом стремятся откинуться от оси вращения. Но так как грузы 3 первой пары посредством штифтов 5 и пазов 6 взаимодействуют с грузами второй пары, то полностью уравновешиваются. Таким образом при любом угловом положении в плоскости вращения вес грузов 3 не оказывает влияния на отклонение.

В момент начала движения все элементы находятся в положении, представленном на фиг.1. При нарастании скорости втулка 1 и внутренняя деталь 2 с грузами 3 вращаются все быстрее. Под действием центробежных сил грузы 3 начинают отклоняться от оси вращения. Возникшая центробежная сила от грузов 3 через гибкую связь 7 и ролики 9 передается управляющему звену 8. Пружина 10 сжимается. Если пружина 10 сжалась незначительно и остановилась, то управляющее звено 8 вошло в зацепление с полумуфтой резьбовой 12. Вращающий момент от втулки 1 через шлицевое соединение с управляющим звеном 8 мгновенно передался полумуфте резьбовой 12. Полумуфта резьбовая 12 по резьбе с мелким шагом переместилась в направлении внутренней детали 2 и вышла из зацепления с управляющим звеном 8. Однако полумуфта резьбовая 12 постоянно находится в подвижном зацеплении с гайкой шлицевой 15. При незначительном по величине перемещении полумуфты резьбовой 12 гайка шлицевая 15 по резьбе с крупным шагом переместится в направлении внутренней детали 2 на значительную величину, достаточную для перемещения исполнительного звена 16 и троса 18, чтобы каретка 17 сместилась и перебросила велосипедную цепь на меньшую звездочку. При дальнейшем возрастании скорости и центробежных сил грузы 3 разойдутся еще больше. Вторично управляющее звено 8 сцепится с полумуфтой резьбовой 12. Незначительное перемещение полумуфты резьбовой 12 при ее вращении передается в еще большее перемещение гайки шлицевой 15. Произойдет дополнительное перемещение исполнительного звена 16, с которым связан трос 17. Многократное переключение будет происходить до тех пор, пока каретка 17 не встанет напротив самой маленькой звездочки, а грузы 3 не займут своего конечного положения, представленного на фиг.3 и фиг.4.

График скоростей, при которых происходит автоматическое переключение, нанесен на внешней цилиндрической поверхности втулки 1. Однако по желанию велосипедиста имеющийся график можно менять перемещением хомута 20. Например, сдвинув хомут 20 в направлении от внутренней детали 2, перемещается также опорное кольцо 11. Пружина 10 сожмется дополнительно, следовательно, для смещения управляющего звена 8 в направлении внутренней детали 2 необходима большая центробежная сила, генерируемая грузами 3, и большая скорость. То есть график переключения скоростей изменится в сторону увеличения. Каждому положению хомута 20 соответствует свой график скоростей. Пружина 10 подбирается следующим образом. Более жесткая пружина увеличивает интервалы скоростей между переключениями. У мягкой пружины 10 промежутки скоростей между переключениями сокращены. Чем тоньше проволока и больше диаметр пружины, тем ее характеристика мягче.

Велосипедист едет с неизменной скоростью. Управляющее звено 8 с зазором вращается между полумуфтой резьбовой 12 и полумуфтой реверсивной 13. Однако с падением скорости движения, например, при подъеме центробежная сила грузов 3 уменьшается. Управляющее звено 8 мгновенно сцепляется с полумуфтой реверсивной 13 и через паразитные зубчатые шестерни разворачивает полумуфту резьбовую 12 в противоположную сторону. Полумуфта резьбовая 12 смещается в сторону от внутренней детали 2, при этом полумуфта реверсивная 13 и управляющее звено 8 размыкаются. Однако гайка шлицевая 15 вслед за полумуфтой резьбовой 12 также развернулась и сместилась по резьбе с крупным шагом в сторону от внутренней детали 2. Исполнительное звено 16 натянуло трос 18, преодолев усилие пружины возврата 19. Каретка 17 перебросила велосипедную цепь с меньшей звездочки на большую. При дальнейшем снижении скорости переключение происходит в том же порядке и цепь перебрасывается с большой звездочки на более крупную. Таким образом, незначительное осевое перемещение управляющего звена 8 в одну и противоположную сторону от действия относительно слабых центробежных сил вращающихся грузов 3 генерируется в большое перемещение исполнительного звена 16 с большим усилием. При этом обеспечивается четкая пропорция между величинами перемещений.

Предложенная трансмиссия технологична в изготовлении и не требует специального оборудования. Сборка трансмиссии не вызывает проблем. Присоединение гибких связей рекомендовано проводить в следующем порядке. Нанести метку начала сбега резьбы и подсчитать число оборотов до полной затяжки внутренней детали 2 во втулку 1. Через отверстия для гибких связей 7 нанести метки в тонкостенном стакане составного управляющего звена 8. Вывернуть внутреннюю деталь 2. Присоединить гибкие связи 7 в местах нанесения меток и пропустить сквозь отверстия внутренней детали 2. Повернуть внутреннюю деталь 2 относительно втулки 1 в сторону, противоположную нарезке, отсчитав столько же оборотов. Совместить метки начала сбега резьбы и завернуть внутреннюю деталь 2 до упора. При этом гибкие связи 7 раскручиваются и к моменту затяжки спрямляются. При сборке остальных элементов проблем нет.

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности, к велосипедам для спорта и прогулок. Автоматическая трансмиссия содержит втулку 1, вал 14, исполнительное звено 16, каретку 17 с пружиной возврата 19, трос 18 для связи исполнительного звена 16 с кареткой 17, управляющее звено 8 с пружиной 10, внутреннюю деталь 2 с гибкой связью 7, ролики 9, грузы 3, полумуфту резьбовую 12, полумуфту реверсивную 13 и гайку шлицевую 15. Полумуфта 12 и гайка 15 соединены с валом 14 резьбой. Гайка 15 подвижно соединена с полумуфтой 12 и звеном 16. Полумуфта 13 выполнена с возможностью обратного вращения на полумуфте 12. Управляющее звено 8 установлено подвижно в осевом направлении относительно втулки 1 и имеет зубчатые торцы для поочередного сцепления с полумуфтами 12 и 13. Грузы 3 выполнены в виде полуколец и попарно вмонтированы в деталь 2 таким образом, что грузы 3 в паре взаимодействуют между собой зубчатыми секторами. Пары повернуты относительно друг друга на 180° и взаимодействуют между собой посредством штифтов и пазов. Втулка 1 выполнена со связанными между собой хомутом 20 и опорным кольцом 11, взаимодействующим с пружиной 10. Технический результат - повышение надежности автоматического многоступенчатого переключения передач при каждом изменении скорости и повышение чувствительности отслеживания скорости в широких пределах для выбора момента переключения каждой из скоростей. 6 ил.

Автоматическая трансмиссия, содержащая втулку, встроенные во втулку вал, исполнительное звено, каретку с пружиной возврата и трос для связи исполнительного звена с кареткой, управляющее звено с пружиной и внутреннюю деталь с гибкой связью, роликами и грузами, отличающаяся тем, что она снабжена полумуфтой резьбовой, полумуфтой реверсивной и гайкой шлицевой, полумуфта резьбовая соединена с валом резьбой с мелким шагом, гайка шлицевая соединена с валом резьбой с крупным шагом и подвижно соединена с полумуфтой резьбовой и исполнительным звеном, которое установлено в пазу вала, полумуфта реверсивная выполнена с возможностью обратного вращения на полумуфте резьбовой, управляющее звено установлено подвижно в осевом направлении относительно втулки и имеет зубчатые торцы для поочередного сцепления с полумуфтой резьбовой и полумуфтой реверсивной, грузы выполнены в виде полуколец и попарно вмонтированы во внутреннюю деталь таким образом, что грузы в паре взаимодействуют между собой зубчатыми секторами, а пары повернуты относительно друг друга на 180° и взаимодействуют между собой штифтами, подвижно входящими в пазы, при этом втулка выполнена со связанными между собой хомутом и опорным кольцом, взаимодействующим с пружиной.