Разработки

МНОГОСКОРОСТНОЙ ВЕЛОАВТОМАТ

09.12.2014
МНОГОСКОРОСТНОЙ  ВЕЛОАВТОМАТНа нашем рынке появилось сейчас множество импортных велосипедов с большим (свыше десятка) количеством скоростей. Но завораживают такие машины, пожалуй, только юнцов. Знатоки понимают, что воспользоваться всеми скоростями в полной мере все равно невозможно: непросто даже правильно выбрать нужную передачу, а часто переключать их на ходу не только утомительно, но и небезопасно. Ведь переключение требуется обычно в сложных условиях движения или на поворотах, когда руки должны надежно удерживать руль, а одной из них в это время приходится манипулировать манеткой. Как известно, у автомобилей всего 4 — 5 скоростей,,и то водители предпочитают перейти на автоматику.
 
За рубежом выпускают многоскоростные втулки заднего ведущего колеса (например, с планетарным редуктором или гидромеханические), обеспечивающие автоматическое и плавное изменение передаточного отношения. Но их кпд значительно ниже, чем у обычной цепной передачи. Безусловно, катание и прогулки на велосипеде с такой втулкой беззаботны и приятны, однако в туристических поездках или спортивных состязаниях значительные потери мышечной энергии нежелательны, то есть втулки с такой автоматикой неприемлемы.
 
Я сконструировал многоскоростную втулку заднего колеса с автоматическим переключением передач, практически имеющую тот же кпд, что и стандартные втулки туристских и спортивных велосипедов с ручным переключением.
 
По габаритным и монтажным размерам разработанная втулка примерно такая же, как и втулки дорожных велосипедов с ножным тормозом, поэтому ее без проблем можно вставить в стандартное колесо. А вот привод ручного переключения скоростей (длинные тросики, рычажки и манетки) можно выбросить за ненадобностью. При этом велосипед не только чуть полегчает, но и превратится в велосипед-автомат без излишней потери энергии. Переключение скоростей происходит хотя и автоматически, но классически—перебросом цепи со звездочки на звездочку. Управляет же перебросом сама втулка. Задача велосипедиста при этом—лишь крутить педали с приемлемой и удобной частотой.
 
Рис. 1. Многоскоростная втулка автоматического переключения скоростей
 
Рис. 1. Многоскоростная втулка автоматического переключения скоростей:
 
1 —задняя вилка велосипеда; 2—цепной привод (цепь t = 12,7); 3—каретка переключения скоростей (стандартная); 4—трос; 5—блок звездочек; 6 — втулка автоматического переключения скоростей; 7—спицы заднего ведущего колеса
 
Рис. 2. Многоскоростная втулка с автоматическим переключением передач
 
Рис. 2. Многоскоростная втулка с автоматическим переключением передач
 
Рис. 2. Многоскоростная втулка с автоматическим переключением передач
 
Рис. 2. Многоскоростная втулка с автоматическим переключением передач:
 
1 —спица колеса (36 шт.); 2—корпус втулки (сталь 45); 3—упругая часть шпонки (резина); 4—заклепка (Ст3, Ø2, L5,2 шт.); 5—шпонка (сталь 45, лист s1); 6—управляющее кольцо (сталь 45); 7—резьбовая полумуфта z=34, m = 0,5 (сталь 45); 8—пружина (проволока Ø1); 9—шпенек с резьбой М3 стакана (сталь 45,2 шт.); 10—стакан(Ст3); 11—тяга (кордовая нить Ø1, 2 шт.); 12—блочок (Ст3, 2 шт.); 13—ось блочка (проволока Ø1, 2 шт.); 14—шарик большого подшипника Ø4 (12 шт.); 15—сепаратор большого подшипника (Ст3); 16—собачка (сталь 40Х, 3шт.); 17—пружина собачки (проволока Ø0,4,3 шт.); 18—перо вилки велосипеда; 19—крепления тяги на грузике (винт М2х4,2 шт.); 20—ведущий грузик с пазиком (сталь 45); 21 —ведущий грузик с бобышкой (сталь 45); 22—ведомый грузик с пазиком (сталь 45); 23—ведомый грузик с бобышкой (сталь 45); 24—ступица с блоком звездочек; 25—ось заднего колеса (сталь 45); 26—гайка М 10x1,25 (сталь 40Х, 2 шт.); 27—гайка крепления оплетки троса М10х1,25 (сталь 40Х, рифленая поверхность); 28—трос Ø2,5 в боуденовской оплетке; 29—внутренний конус малого подшипника (ШХ15, 2 шт.); 30—шарик малого подшипника (8x2 шт.); 31 —сепаратор малого подшипника (Ст3, 2 шт.); 32—гайка затяжения внутреннего конуса среднего подшипника (сталь 45, круг 35); 33—внутренний конус среднего подшипника (ШХ15, круг 34); 34—шарик среднего подшипника 04 (8 шт.); 35—сепаратор среднего подшипника (Ст3, круг 38,5); 36—ось поворота грузиков (сталь 40Х, 4 шт.); 37—винт М3 крепления храповика к ступице блока звездочек (12 шт.); 38—храповик (сталь 45, круг 80); 39—ступица (сталь 45); 40—штифт (сталь 40Х, круг 4,2 шт.); 41 —планка (сталь 45); 42—сухарь (Ст3, круг 16) с запорным кольцом (проволока Ø1); 43—гильза исполнительного звена (сталь 45); 44—резьбовая втулка Tr16x6(p2)L исполнительного звена (сталь 45); 45 —гайка Tr16x6(p2)L исполнительного звена (сталь 45); 46—упорное кольцо реверсивной полумуфты; 47—упорное кольцо сателлита; 48—полумуфта реверсивная z = 62, m = 0,5 (сталь 45); 49—сателлит z = 14, m = 0,5 (сталь 45); 50—ось сателлита (сталь 45,04, 2 шт.); 51 —крышка втулки (сталь 45, круг 60); 52—наружный конус малого подшипника; 53—гайка М10х1,25, левая (сталь 40Х, круг 25, 2 шт.)
 
Звенья механизма автоматического переключения скоростей, смонтированные на оси заднего колеса
 
 
Звенья механизма автоматического переключения скоростей, смонтированные на оси заднего колеса:
 
а — кольцо находится в нейтральном положении; б — кольцо находится в зацеплении с резьбовой полумуфтой
 
Весь механизм автоматического переключения скоростей (изменения вращающего момента) размещен в корпусе втулки на неподвижной оси ведущего заднего колеса. Условно механизм можно разделить на несколько звеньев: задающее, управляющее, регулирующее, исполняющее и переключающее, хотя последнее находится уже за пределами втулки. Об условности деления приходится оговориться потому, что это все-таки цельный механизм и пограничные детали соседствующих звеньев с полным правом можно отнести и к предыдущему, и к последующему звену.
 
Задающее звено состоит из ступицы 39, четырех полукольцевых грузиков 20,21,22, 23, двух гибких тяг 11 (связывающих грузики с управляющим кольцом 6), нормально разжатой пружины возврата 8 и стакана 10, в который упирается пружина, и еще шпонки. Шпонка составная: содержит упругую часть — резиновую 3 и жесткую—стальную 5. Закреплена шпонка на корпусе втулки 2 двумя заклепками 4.
 
Грузики условно можно подразделить на пары: ведущие 20, 21 и ведомые 22, 23. Каждый из грузиков навешивается на свою ось 36. Оси впрессованы в ступицу 39 с диаметрально противоположных от центра сторон по две штуки. При этом ведомый и ведущий грузики (тоже попарно) объединены штифтом 40, каждый из которых тоже впрессован в отверстие ведущего грузика. В ведомом грузике для штифта выполнен овальный паз. Вращаясь вместе с втулкой 2 и ступицей 39, грузики раздвигаются под действием центробежной силы или опять сдвигаются под действием пружины возврата 8 при уменьшении скорости вращения колеса.
 
Управляющее звено состоит из управляющего кольца 6 с прорезью для шпонки и двух полумуфт: резьбовой 7 и реверсивной 48 с сателлитами 49. Резьбовая полу-муфта в правой своей части (со стороны блока звездочек) имеет форму двурогой вилки, а левая часть—цилиндрическая. В этой части полумуфта имеет внутреннюю левую резьбу М 12x0,5 и навинчена на участок оси с такой же наружной резьбой.
 
Реверсивная полумуфта 48 выполнена в форме двухступенчатого цилиндра. Правая часть полумуфты насажена на резьбовую полумуфту свободно, а левая—через два сателлита. Для этого у обеих полумуфт нарезаны соответствующие зубья с модулем т = 0,5 мм: у резьбовой—снаружи, а у реверсивной — изнутри. Сателлиты обеспечивают возможность обратного вращения реверсивной полумуфты по отношению к резьбовой, что дает возможность переключать скорость с более высокой на пониженную. Управляющее звено обеспечивает последовательное переключение скоростей как с низшей до высшей, так и обратно, а также четкую работу механизма.
 
Исполнительное звено состоит из резьбовой втулки 44, напрессованной на участок оси 25 диаметром 10 мм, гайки 45 и посаженной на нее с натягом по диаметру 20 мм (в процессе сборки втулки) гильзы 43.
 
Втулка и гайка имеют резьбу Tr16х6(Р2)L—трапецеидальную левую трехзаходную с шагом 2 мм, только втулка—наружную, а гайка—внутреннюю. При этом исполнительное звено имеет постоянную подвижную связь с управляющим звеном через вилку резьбовой полумуфты 7, входящую в пазы ободка гильзы.
 
Переключающее звено состоит из троса 28 и обычной каретки многоскоростного велосипеда. Трос связан с гильзой исполнительного звена посредством планки 41 и сухаря 42 с запорным кольцом. Планка перемещается в пазе оси, в то время когда гильза 43 скользит по ее поверхности.
 
Рис. 3. Схема перемещений управляющего кольца 6 относительно шпонки 3,5 при переключении скоростей
 
 
Рис. 3. Схема перемещений управляющего кольца 6 относительно шпонки 3,5 при переключении скоростей (номера позиций совпадают с рис.2):
 
а—нейтральное положение (зубчики управляющего кольца 6 и полумуфт 7 и 48 не зацеплены и имеют зазор); б—зубчик управляющего кольца 6 находится в зацеплении с зубчиком резьбовой полумуфты 7—происходит переключение на повышенную скорость; в—зубчик управляющего кольца 6 находится в зацеплении с зубчиком реверсивной полумуфты 48—происходит переключение на пониженную скорость
 
 
Каретка перебрасывает приводную цепь как и на обычном многоскоростном велосипеде, но только строго последовательно с одной звездочки на соседнюю.
 
К началу движения элементы втулки находятся в положении, представленном на рисунке 2. Цепь при этом накинута на самую большую звездочку, а между зубцами управляющего кольца 6, резьбовой полумуфты 7 и реверсивной полумуфты 48 имеются небольшие зазоры (порядка 0,5 мм).
 
С началом движения корпус втулки 2, а заодно с ней ступица 39 и грузики 20—23 начинают вращаться вместе с колесом. Корпус 2 через шпонку 5 заставляет вращаться и управляющее кольцо 6.
 
С увеличением скорости под действием центробежной силы грузики 20—23 начинают раздвигаться и через тяги 11 воздействуют на управляющее кольцо 6, вынуждая его переместиться вправо (в сторону блока звездочек). При этом зазор между зубцами управляющего кольца 6 и резьбовой полумуфты 7 выбирается, зубцы входят в зацепление (буквально на 0,5 мм) и резьбовая полумуфта 7 поворачивается на один оборот и перемещается на один виток по резьбе (шаг 0,5 мм) оси 25. Само же управляющее кольцо в это время стенкой паза упирается в упругую резиновую часть 3 шпонки (рис. 3б) и за счет трения о нее перестает перемещаться вдоль оси. Зубчики кольца 6 и полумуфты 7 после ее поворота на один оборот выходят из зацепления, прекращая вращение резьбовой полумуфты (это происходит в конце цикла переключения скорости).
 
За время контакта зубьев полумуфта 7 через свою вилку, вставленную в пазы гильзы 43, заставляет ее вместе с запрессованной в нее гайкой 45 повернуться также на один оборот. При этом происходит перемещение исполнительного звена вдоль оси вправо по трапецеидальной резьбе на один ход (для трехзаходной резьбы—на 3 шага, то есть на 6 мм).
 
В этот момент натянутый трос 28 воздействует на механизм переключения скоростей (он штатный и на рисунке не показан), а тот, в свою очередь, перекидывает цепь на соседнюю (меньшую) звездочку. При дальнейшем увеличении скорости циклы повторяются до тех пор, пока цепь не окажется на самой маленькой звездочке—при этом велосипедист будет двигаться с максимальной скоростью.
 
При снижении скорости грузики начнут сходиться, тяги ослабляться, а управляющее кольцо 6 под действием пружины 8 начнет смещаться влево до зацепления с реверсивной полумуфтой 48, заставляя ее повернуться. При этом реверсивная полумуфта повернет резьбовую полумуфту 7 (но уже в противоположную сторону, чем при ускорении), которая, в свою очередь, заставит повернуться также в обратную сторону и переместиться влево гильзу 43 с гайкой 45. Последние детали потянут через планку 41 за собой трос и заставят механизм переключения перебросить цепь на большую звездочку. Велосипедист при этом может преодолевать подъемы, не увеличивая усилий на педали и скорости их вращения. Циклы переключения на пониженные скорости будут повторяться вплоть до остановки велосипеда.
 
Каждое переключение скорости происходит в строгой последовательности, что поясняется графическим материалом, представленным на рисунке 3.
 
В заключение несколько рекомендаций по технологии изготовления и сборки.
 
Заготовки деталей из стали 45 следует подвергнуть улучшению (закалке и отпуску) до 35—42 HRC.
 
В процессе сборки механизма трущиеся поверхности деталей необходимо смазывать консистентной смазкой.
 
Положение стакана 10 (а следовательно, предварительное натяжение пружины) задающего звена регулируется перед поездкой с помощью шпеньков 9 в зависимости от физических возможностей велосипедиста. Для этого надо нажать одновременно на оба шпенька пальцами и передвинуть стакан в нужное положение. При отпускании шпеньков стакан опять самозаклинивается в корпусе втулки. Если велосипедист молод и полон сил, то стакан смещается дальше от блока звездочек, и наоборот.
 
В. АЛЕШИН, инженер-конструктор




Рекомендуем почитать
  • ШКОЛЬНОЕ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСТВО: ОТ ЗАМЫСЛА К РЕАЛЬНОСТИ
    ШКОЛЬНОЕ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСТВО: ОТ ЗАМЫСЛА К РЕАЛЬНОСТИО творческих находках юных техников, об успешном решении ими оригинальных конструкторских задач наш журнал рассказывал неоднократно. Примеров поисковой, исследовательской рационализаторской деятельности школьников сегодня можно привести немало. Однако для того, чтобы движение юных новаторов стало еще более массовым и эффективным, им нужно грамотно и умело управлять. Об этом часто пишут к нам в редакцию руководители кружков, клубов, станций юных техников, энтузиасты-общественники — непосредственные организаторы технического творчества детей и подростков.
     
    Методическая литература на данную тему крайне малочисленна, а та, которая есть, зачастую не отвечает требованиям сегодняшнего дня. Пытаясь в какой-то мере восполнить этот пробел, журнал предлагает читателям материалы, дающие некоторое представление о логике и структуре процесса технического творчества школьников, подготовленные кандидатом педагогических наук Ю. С. Столяровым. Редакция надеется, что содержащиеся в них советы и рекомендации помогут организаторам и руководителям технического творчества детей и подростков более рационально, «по науке» строить поисково-конструкторскую работу своих питомцев.

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить

ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ VK FB


Нашли ошибку? Выделите слово и нажмите Ctrl+Enter.