На нашому ринку з’явилося зараз безліч імпортних велосипедів з великою (понад десятка) кількістю швидкостей. Але заворожують такі машини, мабуть, лише юнаків. Знавці розуміють, що скористатися всіма швидкостями в повній мірі все одно неможливо: непросто навіть правильно вибрати потрібну передачу, а часто перемикати їх на ходу не тільки втомливо, але й небезпечно. Адже перемикання потрібне зазвичай у складних умовах руху або на поворотах, коли руки повинні надійно утримувати кермо, а однією з них у цей час доводиться маніпулювати манеткою. Як відомо, у автомобілів всього 4 — 5 швидкостей, і то водії віддають перевагу перейти на автоматику.
За кордоном випускають багатошвидкісні втулки заднього ведучого колеса (наприклад, з планетарним редуктором або гідромеханічні), що забезпечують автоматичне та плавне змінення передавального відношення. Але їх ккд значно нижчий, ніж у звичайної ланцюгової передачі. Безперечно, катанія та прогулянки на велосипеді з такою втулкою безтурботні та приємні, однак у туристичних поїздках або спортивних змаганнях значні втрати м’язової енергії небажані, тобто втулки з такою автоматикою неприйнятні.
Я сконструював багатошвидкісну втулку заднього колеса з автоматичним перемиканням передач, практично має той самий ккд, що й стандартні втулки туристичних та спортивних велосипедів з ручним перемиканням.
1 — задня вилка велосипеда; 2 — ланцюговий привід (ланцюг t = 12,7); 3 — каретка перемикання швидкостей (стандартна); 4 — трос; 5 — блок зірочок; 6 — втулка автоматичного перемикання швидкостей; 7 — спиці заднього ведучого колеса
За габаритними та монтажними розмірами розроблена втулка приблизно така сама, як і втулки дорожніх велосипедів з ножним гальмом, тому її без проблем можна вставити в стандартне колесо. А ось привід ручного перемикання швидкостей (довгі тросики, важелі та манетки) можна викинути за непотрібністю. При цьому велосипед не тільки трохи полегшає, але й перетвориться на велосипед-автомат без зайвої втрати енергії. Перемикання швидкостей відбувається хоча й автоматично, але класично — перекиданням ланцюга зі зірочки на зірочку. Керує ж перекиданням сама втулка. Завдання велосипедиста при цьому — лише крутити педалі з прийнятною та зручною частотою.
Весь механізм автоматичного перемикання швидкостей (зміни обертового моменту) розміщений в корпусі втулки на нерухомій осі ведучого заднього колеса. Умовно механізм можна розділити на кілька ланок: задаюче, керуюче, регулююче, виконуюче та перемикаюче, хоча останнє знаходиться вже за межами втулки. Про умовність поділу доводиться зауважити тому, що це все-таки цілісний механізм і прикордонні деталі сусідніх ланок з повним правом можна віднести і до попереднього, і до наступного ланки.
а — кільце знаходиться в нейтральному положенні; б — кільце знаходиться в зачепленні з різьбовою напівмуфтою
Задаюче ланка складається з маточини 39, чотирьох напівкільцевих вантажів 20, 21, 22, 23, двох гнучких тяг 11 (що з’єднують вантажі з керуючим кільцем 6), нормально розжатої пружини повернення 8 та стакана 10, в який упирається пружина, і ще шпонки. Шпонка складна: містить пружну частину — гумову 3 та жорстку — сталеву 5. Закріплена шпонка на корпусі втулки 2 двома заклепками 4.
Вантажі умовно можна підрозділити на пари: ведучі 20, 21 та ведені 22, 23. Кожен з вантажів навішується на свою вісь 36. Осі впресовані в маточину 39 з діаметрально протилежних від центру сторін по дві штуки. При цьому ведений і ведучий вантажі (теж попарно) об’єднані штифтом 40, кожен з яких теж впресований в отвір ведучого вантажа. У веденому вантажі для штифта виконаний овальний паз. Обертаючись разом з втулкою 2 та маточиною 39, вантажі розсуваються під дією відцентрової сили або знову зсуваються під дією пружини повернення 8 при зменшенні швидкості обертання колеса.
Керуюче ланка складається з керуючого кільця 6 з прорізом для шпонки та двох напівмуфт: різьбової 7 та реверсивної 48 з сателітами 49. Різьбова напівмуфта в правій своїй частині (зі сторони блоку зірочок) має форму двурогої вилки, а ліва частина — циліндрична. У цій частині напівмуфта має внутрішню ліву різьбу М12×0,5 та навинчена на ділянку осі з такою самою зовнішньою різьбою.
Реверсивна напівмуфта 48 виконана у формі двоступеневого циліндра. Права частина напівмуфти насаджена на різьбову напівмуфту вільно, а ліва — через два сателіти. Для цього у обох напівмуфт нарізані відповідні зубці з модулем m = 0,5 мм: у різьбової — ззовні, а у реверсивної — зсередини. Сателіти забезпечують можливість зворотного обертання реверсивної напівмуфти по відношенню до різьбової, що дає можливість перемикати швидкість з більш високої на знижену. Керуюче ланка забезпечує послідовне перемикання швидкостей як з нижчої до вищої, так і назад, а також чітку роботу механізму.
Виконуюче ланка складається з різьбової втулки 44, напресованої на ділянку осі 25 діаметром 10 мм, гайки 45 та посадженої на неї з натягом по діаметру 20 мм (у процесі збирання втулки) гільзи 43.
Втулка та гайка мають різьбу Tr16x6(P2)L — трапецеїдальну ліву тризаходну з кроком 2 мм, тільки втулка — зовнішню, а гайка — внутрішню. При цьому виконуюче ланка має постійний рухомий зв’язок з керуючим ланкою через вилку різьбової напівмуфти 7, що входить у пази обідка гільзи.
Перемикаюче ланка складається з троса 28 та звичайної каретки багатошвидкісного велосипеда. Трос пов’язаний з гільзою виконуючого ланки за допомогою планки 41 та сухаря 42 з запірним кільцем. Планка переміщується в пазі осі, у той час коли гільза 43 ковзає по її поверхні.
1 — спиця колеса (36 шт.); 2 — корпус втулки (сталь 45); 3 — пружна частина шпонки (гума); 4 — заклепка (Ст3, Ø2, L5, 2 шт.); 5 — шпонка (сталь 45, лист s1); 6 — керуюче кільце (сталь 45); 7 — різьбова напівмуфта z = 34, m = 0,5 (сталь 45); 8 — пружина (дріт Ø1); 9 — шпеньок з різьбою М3 стакана (сталь 45, 2 шт); 10 — стакан (Ст3); 11 — тяга (кордова нитка Ø1, 2 шт); 12 — блочок (Ст3, 2 шт); 13 — вісь блочка (дріт Ø1, 2 шт); 14 — кулька великого підшипника Ø4 (12 шт); 15 — сепаратор великого підшипника (Ст3); 16 — собачка (сталь 40Х, 3 шт); 17 — пружина собачки (дріт Ø0,4, 3 шт); 18 — перо вилки велосипеда; 19 — кріплення тяги на вантажі (гвинт М2х4, 2 шт); 20 — ведучий вантаж з пазиком (сталь 45); 21 — ведучий вантаж з бобишкою (сталь 45); 22 — ведений вантаж з пазиком (сталь 45); 23 — ведений вантаж з бобишкою (сталь 45); 24 — маточина з блоком зірочок; 25 — вісь заднього колеса (сталь 45); 26 — гайка М10х1,25 (сталь 40Х, 2 шт); 27 — гайка кріплення оплетки троса M10х1,25 (сталь 40Х, рифлена поверхня); 28 — трос Ø2,5 в боуденівській оплетці; 29 — внутрішній конус малого підшипника (ШХ15, 2 шт); 30 — кулька малого підшипника (8×2 шт); 31 — сепаратор малого підшипника (Ст3, 2 шт); 32 — гайка затягування внутрішнього конуса середнього підшипника (сталь 45, круг 35); 33 — внутрішній конус середнього підшипника (ШХ15, круг 34); 34 — кулька середнього підшипника Ø4 (8 шт.); 35 — сепаратор середнього підшипника (Ст3, круг 38,5); 36 — вісь повороту вантажів (сталь 40Х, 4 шт); 37 — гвинт М3 кріплення храповика до маточини блоку зірочок (12 шт); 38 — храповик (сталь 45, круг 80); 39 — маточина (сталь 45); 40 — штифт (сталь 40Х, круг 4, 2 шт); 41 — планка (сталь 45); 42 — сухар (Ст3, круг 16) з запірним кільцем (дріт Ø1); 43 — гільза виконуючого ланки (сталь 45); 44 — різьбова втулка Trl6x6(p2)L виконуючого ланки (сталь 45); 45 — гайка Trl6x6(p2)L виконуючого ланки (сталь 45); 46 — упорне кільце реверсивної напівмуфти; 47 — упорне кільце сателіта; 48 — напівмуфта реверсивна z = 62, m = 0,5 (сталь 45); 49 — сателіт z = 14, m = 0,5 (сталь 45); 50 — вісь сателіта (сталь 45, Ø4, 2 шт); 51 — кришка втулки (сталь 45, круг 60); 52 — зовнішній конус малого підшипника; 53 — гайка M10х1,25, ліва (сталь 40Х, круг 25, 2 шт.)
Каретка перекидає приводний ланцюг як і на звичайному багатошвидкісному велосипеді, але тільки строго послідовно з однієї зірочки на сусідню.
До початку руху елементи втулки сходяться в положенні, представленому на рисунку 2. Ланцюг при цьому накинута на найбільшу зірочку, а між зубцями керуючого кільця 6, різьбової напівмуфти 7 та реверсивної напівмуфти 48 є невеликі зазори (порядку 0,5 мм).
З початком руху корпус втулки 2, а разом з нею маточина 39 та вантажі 20 — 23 починають обертатися разом з колесом. Корпус 2 через шпонку 5 змушує обертатися і керуюче кільце 6.
Зі збільшенням швидкості під дією відцентрової сили вантажі 20 — 23 починають розсуватися і через тяги 11 впливають на керуюче кільце 6, змушуючи його переміститися вправо (у бік блоку зірочок). При цьому зазор між зубцями керуючого кільця 6 та різьбової напівмуфти 7 вибирається, зубці входять у зачеплення (буквально на 0,5 мм) і різьбова напівмуфта 7 повертається на один оборот і переміщується на один виток по різьбі (крок 0,5 мм) осі 25. Саме ж керуюче кільце в цей час стінкою паза упирається в пружну гумову частину 3 шпонки (рис.3б) і за рахунок тертя про неї перестає переміщуватися вздовж осі. Зубчики кільця 6 та напівмуфти 7 після її повороту на один оборот виходять із зачеплення, припиняючи обертання різьбової напівмуфти (це відбувається в кінці циклу перемикання швидкості).
За час контакту зубів напівмуфта 7 через свою вилку, вставлену в пази гільзи 43, змушує її разом з запресованою в неї гайкою 45 повернутися також на один оборот. При цьому відбувається переміщення виконуючого ланки вздовж осі вправо по трапецеїдальній різьбі на один хід (для тризаходної різьби — на 3 кроки, тобто на 6 мм).
У цей момент натягнутий трос 28 впливає на механізм перемикання швидкостей (він штатний і на рисунку не показаний), а той, у свою чергу, перекидає ланцюг на сусідню (меншу) зірочку. При подальшому збільшенні швидкості цикли повторюються до тих пір, поки ланцюг не опиниться на найменшій зірочці — при цьому велосипедист буде рухатися з максимальною швидкістю.
При зниженні швидкості вантажі почнуть сходитися, тяги послаблятися, а керуюче кільце 6 під дією пружини 8 почне зміщуватися вліво до зачеплення з реверсивною напівмуфтою 48, змушуючи її повернутися. При цьому реверсивна напівмуфта поверне різьбову напівмуфту 7 (але вже в протилежну сторону, ніж при прискоренні), яка, у свою чергу, змусить повернутися також у зворотний бік і переміститися вліво гільзу 43 з гайкою 45. Останні деталі потягнуть через планку 41 за собою трос і змусять механізм перемикання перекинути ланцюг на більшу зірочку. Велосипедист при цьому може долати підйоми, не збільшуючи зусиль на педалі та швидкості їх обертання. Цикли перемикання на знижені швидкості будуть повторюватися аж до зупинки велосипеда.
Кожне перемикання швидкості відбувається в строгій послідовності, що пояснюється графічним матеріалом, представленим на рисунку 3.
а — нейтральне положення (зубчики керуючого кільця 6 та напівмуфт 7 і 48 не зачеплені і мають зазор); б — зубчик керуючого кільця 6 знаходиться в зачепленні з зубчиком різьбової напівмуфти 7 — відбувається перемикання на підвищену швидкість; в — зубчик керуючого кільця 6 знаходиться в зачепленні з зубчиком реверсивної напівмуфти 48 — відбувається перемикання на знижену швидкість
На закінчення кілька рекомендацій щодо технології виготовлення та збирання.
Заготівлі деталей зі сталі 45 слід піддати поліпшенню (загартуванню та відпуску) до 35—42 HRC.
У процесі збирання механізму поверхні деталей, що труться, необхідно змащувати консистентним мастилом.
Положення стакана 10 (а отже, попереднє натягнення пружини) задаючого ланки регулюється перед поїздкою за допомогою шпеньків 9 залежно від фізичних можливостей велосипедиста. Для цього треба натиснути одночасно на обидва шпеньки пальцями і перемістити стакан в потрібне положення. При відпусканні шпеньків стакан знову самозаклиниться в корпусі втулки. Якщо велосипедист молодий і повний сил, то стакан зміщується далі від блоку зірочок, і навпаки.
В. АЛЬОШИН, інженер-конструктор