МНОГОСКОРОСТНОЙ ВЕЛОАВТОМАТ

На 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:

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:

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 10×1,25 (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 (8×2 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:

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 12×0,5 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 (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