ВЕЛОВТУЛКА ПЕРЕКЛЮЧАЕТ СКОРОСТИ

В 2007 году в № 9 нашего журнала была опубликована статья москвича В. Алёшина об изобретённой им велосипедной втулке заднего колеса, способной при движении выбирать оптимальный крутящий момент и своевременно автоматически переключать скорости в зависимости от ускорения.

Но жизнь не стоит на месте, и разработчик постоянно стремится улучшить своё изделие. Сегодня конструктор предлагает вниманию читателей усовершенствованный вариант втулки того же назначения (а главное, более простой и надёжной — в ней вдвое меньше деталей), но установленной теперь на место оси переднего колеса.

Велосипеды становятся всё популярнее в нашей стране. А за рубежом эти транспортные средства по количеству уже давно «теснят» автомобили: даже в больших городах на автодорогах общего пользования для педальных машин выделяют специальные дорожки. Сейчас, выпускают в основном «многоскоротные» велосипеды, как с механическими, так и с электронными переключателями. Но у первых — низкий кпд и неудобное пользование, а вторые — дорогие.

А вот разработанный механизм превращает любой велосипед в велоавтомат: для этого достаточно заменить штатную втулку переднего колеса на предложенную и сделать «переспицовку». Выходящий из новой втулки тросик, протянутый вдоль рамы до заднего переключателя, при изменении скорости сам выберет момент и включит нужную передачу без участия велосипедиста.

Втулка в сборе

Механизм автоматического переключения скоростей на оси переднего колеса (пружины отсутствуют)

Преимущество предложенной втулки над автоматикой известных фирм Shimano и Marcedes — отсутствие планетарной передачи и, как следствие — минимизация потерь на трение в трансмиссии. По этой причине предложенный велоавтомат лёгок на ходу. Фирма Shimano, рекламируя свою автоматику NEXUS AUTO-D признаётся; «да, это удобно для прогулок», однако, в туризме и спорте подобная автоматика практически неприемлема из-за значительных потерь мышечной энергии.

Перейдём непосредственно к нашему механизму.

При всей «раскрученности» брендовой автоматики простота предлагаемого механизма очевидна, достаточно взглянуть на чертёж. Она не нуждается в компьютерном сопровождении, в гальванических элементах питания и даже после длительного зимнего простоя мгновенно готова к «полёту». Стоимость же — на порядок ниже.

Как и в предыдущей втулке, весь механизм автоматического переключения скоростей (изменения вращающего момента заднего ведущего колеса) состоит из нескольких деталей вращения и небольшой группы стальных шариков, размещённых в цилиндрическом корпусе втулки со спицевыми фланцами. По габаритным и монтажным размерам разработанная втулка примерно такая же, как и на дорожных велосипедах, а резьбовые концевики неподвижной оси вообще идентичны, поэтому её без проблем можно вмонтировать в стандартное переднее (управляемое не ведущее) колесо, даже не меняя спиц.

Внутри вращающейся втулки, к её стенкам припаяна шпонка (на фотографии втулка для наглядности выполнена из прозрачного оргстекла и шпонка прикреплена к ней парой винтиков), а упорное кольцо устанавливается просто враспор. Все остальные детали смонтированы на неподвижной оси, кроме крышек подшипников, которые тоже вворачиваются во втулку с её боков.

Отмечу, что на фотографии механизма в сборе отсутствуют малая и большая пружины 7 и 19 и гибкие связи 30. Но на сборочном чертеже (а пружины — и на деталировочных чертежах) они есть.

КАК ЖЕ РАБОТАЕТ МЕХАНИЗМ?

Условно весь механизм можно разделить на несколько узлов: задающее, управляющее, регулирующее, исполняющее и переключающее, хотя последнее находится уже за пределами втулки. Но не будем подробно разбираться в этих узлах, так как некоторые смежные детали непросто отнести к какому-то одному из них. Лучше рассмотрим непосредственно работу механизма.

С началом движения переднее колесо, то есть втулка 1, через шпонку вращает звено 22. Однако звено 22 вращается свободно, так как находится с зазором между торцами полумуфт 21 и 24. В исходном левом положении звено 22 упирается в торец кольца 8 на втулке 1, что предотвращает смыкание полу-муфты 24 со звеном 22. Равновесие звена 22 между полумуфтами 24 и 21 обеспечивается пружиной 19 и связями 30. Звено 22, пружина 19 и шайба 18 вращаются. Связи 30 соединены с буртиком 13 и проходят сквозь пазы втулки 20. Ролик 11 обеспечивает перегиб связи между звеном 22 и втулкой 13, которая вращается в среде вазелина. Свойство вазелина таково, что сила трения и натяжение связей 30 зависят от скорости движения велосипеда. Выше скорость — больше смещение звена 22 в направлении полумуфты резьбовой 21. Зубья торца полумуфты резьбовой 21 и звена 22 смыкаются. С этого момента вращение втулки 1 через шпонку и звено 22 передаётся полумуфте 21, которая по резьбовому участку оси 4 смещается и ослабляет подпружиненный трос 29. Трос 29 управляет задним переключателем и при ослаблении натяжения троса 29 велосипедная цепь сбрасывается с самой большой звёздочки кассеты на меньшую звёздочку. Частота вращения педалей не увеличивается, однако велосипедист едет быстрее. При дальнейшем увеличении скорости процесс повторяется аналогичным образом, однако частота вращения педалей остаётся прежней, которая удовлетворяет конкретного велосипедиста. В крайне правом положении звено 22 упирается в торец втулки 20 и размыкает зубья полумуфты резьбовой 21 и звена 22. Таким образом, корпусная втулка 1 исключает замыкание механизма переключения в крайнем положении.

Втулка автоматического переключения передач велосипеда:

1 — втулка; 2 — крышка (2 шт.); 3 — гайка (2 шт.); 4 — ось; 5 — наружное кольцо; 6 — внутреннее кольцо; 7 — пружина; 8 — упорное кольцо; 9 — распорное кольцо; 10 — сухарь; 11 — ролик (3 шт.); 12 — ось ролика (3 шт.); 13 — втулка с буртиком; 14 — стопорная шайба; 15 — наружное кольцо (5 шт.); 16 — внутреннее кольцо (5 шт.); 17 — резьбовое кольцо; 18 — шайба; 19 — пружина; 20 — кольцо; 21 — правая резьбовая полумуфта; 22 — звено; 23 — левая резьбовая полумуфта; 24 — реверсивная полумуфта; 25 — неподвижная вилка; 26 — винт М2,5 (3 шт.); 27 — винт М2,5 (3 шт.); 28 — шарик Ø4,8 (25 шт.); 29 — трос; 30 — связующая тяга (кордовая нить Ø1)

Скорость движения велосипеда уменьшается, например, в случае подъёма трассы или увеличения вязкости грунтов. Уменьшается сила вязкого трения в вазелине, создающая момент вращения втулки 1 относительно оси 4. Пружина 19, преодолевая уменьшенную силу, смещает звено 22 до смыкания с зубьями реверсивной полумуфты 24. Реверсивная полумуфта 24 взаимодействует с резьбовой полумуфтой 23 через шарики 28. Резьбовая полумуфта 23 выполнена составной и содержит цилиндрический корпус, на цилиндрической шейке которого вращается реверсивная полумуфта 24. Подпружиненное кольцо обеспечивает качение шариков 28 без скольжения по дорожке, образуемой запорным кольцом 6. Вилка 25 исключает круговое качение шариков 28. Шарики 28 вращаются без скольжения и могут смещаться только вдоль пазов относительно неподвижной вилки 25. Шарики 28 передают вращение полумуфте резьбовой 23 в противоположном направлении относительно полумуфты реверсивной 23. Полумуфта резьбовая 23 смещается по резьбе и натягивает трос 29 управления задним переключателем. Велосипедная цепь переводится с меньшей звёздочки на соседнюю большую звёздочку блока. К заднему колесу подводится больший момент силы, и велосипедист, не меняя усилия приложения на педали, преодолевает трудный участок трассы. При этом же ему не надо отвлекаться на переключение скоростей: снимать руку с руля (что особенно нежелательно, и даже опасно, на поворотах), производить манипуляции с «монеткой». К тому же, выбор скорости на велосипеде с обычным переключением передач — процесс субъективный, а с предлагаемой втулкой — объективный, производится независимый от велосипедиста.

Переключение скоростей происходит строго последовательно, с одной звёздочки на соседнюю, но очень быстро, в зависимости от изменения ускорения (как положительного, так и отрицательного).

При установившемся режиме зазор между звеном 22 и торцами полумуфт 21 и 24 сохраняется. При дальнейшем уменьшении скорости велосипеда процесс повторяется аналогичным образом, однако частота вращения педалей остаётся в комфортном для велосипедиста пределе.

В заключение — несколько рекомендаций по технологии изготовления и сборки втулки: заготовки деталей из стали 45 (из которой и сделаны почти все детали механизма и сама втулка) следует подвергнуть улучшению — закалке и отпуску до 28 — 32 HRC; в процессе сборки механизма трущиеся поверхности деталей необходимо покрывать консистентной смазкой.

Мальчишки на импортных многоскоростных велосипедах просто не могут скрыть зависти, когда моя дочь без особых усилий обгоняет их на крутых подъёмах на своём стареньком «Сатурне» с втулкой-автоматом: ведь ей не приходится самой переключать скорости — пиковое (максимальное) значение крутящего момента выбирает сам автомат, а его кпд при передаче «втулка-автомат — ступица (заднего колеса)» — более 95 процентов.

В. АЛЁШИН