«Наука и Техника» No.10, октябрь, 2013 г.
ЭВРИКА-ВЕЛОСИПЕД
Юрий Донченко
Данная статья посвящается одному из последних изобретений в области велосипедостроения, а именно — велосипедной ступенчатой механической трансмиссии. Почему люди до сих пор продолжают изобретать велосипед и стоит ли тратить свое драгоценное время на знакомство с инновацией в такой, на первый взгляд, незначительной сфере как велоиндустрия? Давайте, в начале статьи, попытаемся приоткрыть масштаб поднимаемого вопроса.
Как-то уже так сложилось, что практически во всем мире, кроме стран бывшего СССР, велосипед прочно вошел в жизнь современного человека как один из наиболее важных предметов повседневного обихода. В развитых странах велосипед являет собой наиболее оптимальное сочетание общеразвивающего спортивного снаряда и универсального туристического транспортного средства, в развивающихся странах велосипед — это, главным образом, эффективное транспортное средство. Причем в последнее десятилетие наметилась тенденция географической универсализации в применении различных видов велосипедов. В Западной Европе появились «велорикши» и целые велосипедные районы с ограниченным автомобильным движением, а в Азии стал интенсивно развиваться велосипедный туризм. Рынок велосипедов различных модификаций неуклонно растет и, как это не выглядит парадоксально, но мировые экономические неурядицы только подстегивают его рост.
По самым осторожным оценкам, во всем мире используется более миллиарда велосипедов. Благодаря ценовой доступности, легкости, малым размерам, отсутствию потребности в топливе, относительной безопасности и хорошему соотношению прикладываемых усилий к развиваемой на нем скорости, он стал самым распространенным транспортным средствам. Приблизительно 70% всех велосипедов служат средствам передвижения, 29% используются для отдыха и только 1% — для спортивных соревнований.
В некоторых странах велосипед является основным средством передвижения на небольшие расстояния, например, в Китае регулировщики дорожного движения на самых оживленных городских маршрутах наблюдают в среднем 10 тысяч велосипедистов в час.
В 2005 году, по итогам опроса общественного мнения в Великобритании, велосипед был признан величайшим техническим изобретением с 1800 года.
Среди промышленно развитых стран наибольшей популярностью велосипеды пользуются у жителей Западной Европы: велосипеды там есть у 115 миллионов человек, причем многие любители пользуются несколькими велосипедами различного назначения. Благодаря специально созданным условиям — велосипедным дорожкам и местам парковки, наряду с эффективной организацией транспортных потоков и грузовых перевозок, — велосипеды для передвижения по городу используются до 50% случаев. Весьма популярны велосипеды и в США, хотя там они больше используются для отдыха в выходные дни и туризма.
Само понимание назревшей необходимости усовершенствовать основную, из находящихся в эксплуатации на данный момент, так называемую «внешнюю» ступенчатую велосипедную трансмиссию, произошло в солнечном и пыльном Крыму. Именно крымские полевые условия, с их комплексом неблагоприятных факторов влияния на открытую систему переключения, заставили задуматься над вариантами ее усовершенствования.
Упомянутая конструкция велосипедной трансмиссии имеет уже вполне почтенный технический возраст, ведь ома изобретена еще в 1950 г. известным итальянским велосипедистом Туллио Кампаньоло (еn:Tullio Campagnolo). За более чем полстолетия, прошедшие с момента ее появления, человечество успело освоить ближайший космос, создать и сменить несколько поколений гораздо более сложных технических устройств, а эта конструкция трансмиссии остается просто невероятным долгожителем.
Для корректности изложения и допуская то, что не каждый читатель полностью владеет предметом, кратко опишем внешнюю трансмиссию.
В этой трансмиссии звезды (как сзади, так и спереди) смонтированы в блоки. Передний блок звезд называется системой, задний блок звезд — кассетой. Переключение осуществляется с помощью бокового смещения цепи направлением ее на нужную звезду. Чтобы обеспечить равномерное натяжение цепи при разных передаточных отношениях, задний переключатель оборудован специальным устройством натяжения. Велосипед может иметь от 3 до 11 ведомых звездочек и 1—З передних, что позволяет таким образом обеспечить до 33 передач.
Впрочем, передачи зачастую частично пересекаются (например, положения 32/16 и 22/11 эквивалентны); но такое пересечение необходимо для более удобного и плавного переключения. Переключатели управляются с помощью натяжения тросиков, которое регулируется специальными ручками переключения, как правило, расположенными на руле велосипеда.
Основное преимущество ставшей уже классической внешней ступенчатой механической трансмиссии заключается в там, что она обеспечивает изменение передаточного отношения в трансмиссии в широком диапазоне и для большинства любителей велосипедистов вполне приемлема по соотношению цена/качество.
Недостатков у этой системы значительно больше. Начнем с того, что для правильного управления таким велосипедом нужна обрести определенные навыки, которые у разных людей развиваются по-разному.
Кроме того, открытое расположение достаточно широких кассет звездочек в данной трансмиссии допускает воздействие на них всего комплекса неблагоприятных внешних факторов, самые неприятные из которых механические удары. Активные велосипедисты довольно много времени тратят на обслуживание, настройку, поддержание в рабочем состоянии и ремонт сложных систем переключения. К сожалению большинство обычных велолюбителей не обладают простейшими навыками по ремонту и обслуживанию велосипедных механизмов.
Работа цепи под постоянным перекосом и воздействием неблагоприятных внешних факторов совсем не способствует ее долговечности. Определенное распространение получили и размещенные на оси заднего колеса планетарный редуктор или вариаторные передачи. Данные трансмиссии, главным образом, получили распространение среди велосипедистов-любителей западноевропейцев и американцев. По сравнению с «внешней», эти трансмиссии размещены в герметичном корпусе и более удобны в управлении.
Ведущими производителями планетарных переключателей скоростей являются фирмы: Shimano, SRAM и Rohloff.
Основным недостатком планетарных механизмов является то, что при относительна высокой стоимости они требуют бережного отношения, не допускают длительного воздействия высоких нагрузок и повышения температуры внутри герметичного корпуса редуктора. Из-за сравнительно большого веса втулки и ее расположения на месте неподрессоренной оси заднего колеса, при соскакивании колеса с препятствий или наезде на них, на шестерни редуктора воздействуют ударные динамические нагрузки, приводящие к разрушению подшипников м зубьев шестерен. Поэтому велолюбители используют их для неспешных поездок по не сильно пересеченной местности. Самостоятельное обслуживание доступно только для простейших трехступенчатых планетарных редукторов. Из-за этих недостатков сталь сложная и дорогая конструкция трансмиссии не смогла получить широкое распространение.
Вариаторным трансмиссиям в еще большей степени присущи все недостатки планетарных, и, кроме того, добавляются свои — относительно малый ресурс эксплуатации и потери КПД при трении фрикционных поверхностей.
Также нам известны несколько запатентованных вариантов размещения планетарного редуктора в области педально-кривошипного устройства велосипеда. Судить о недостатках или преимуществах этих конструкций сложно, поскольку они пока не выпускались в металле, однако и из описания заметна их конструктивная сложность. Вот, к примеру, патент американской фирмы SRAM CORP. ЕР1980484 (А1) 2008-10-15 только в описании конструкции содержит более ста тридцати кинематических элементов, при организации производства это число может и утроиться, что никак не способствует конкурентоспособности по цене и долговечности.
Простота управления и эксплуатационная долговечность, отсутствие потребности в регулярном обслуживании обычных дорожных велосипедов приводит к тому, что даже в странах с развитой велосипедной культурой подавляющее числа велолюбителей ездит именно на них.
■Ставшая уже привычной внешняя велосипедная трансмиссия
■Вариаторная трансмиссия, устанавливаемая в герметичном корпусе задней втулки
■Горный бойк HОNDA RN01
Несмотря на действительно огромный рынок разнообразных по конструкции и назначению велосипедов, в части применяемых на них трансмиссий он весьма узок, а большинство производимых велосипедов вообще имеют простейшую одноступенчатую трансмиссию, Значит, присутствует потребность в велосипеде с долговечной и надежной многоступенчатой трансмиссией, сравнительно простой в обслуживании и ремонте и размещенной в закрытом корпусе.
В данном месте необходимо подчеркнуть, что первыми по подобному Т3 попытались спроектировать велосипед специалисты мотоциклетного подразделения «Хонда».
В своем горном байке HОNDA RN01 они также поместили механизм трансформации крутящего момента в защищенном корпусе, который, в свою очередь, закреплен в пространственной раме в центре тяжести велосипеда. Нет смысла детально анализировать эту превосходную конструкцию, отметим лишь ее прекрасные геометрические параметры и то, что инженеры не попытались изменить сам тип трансмиссии, вставив в корпус традиционный кассетный механизм.
В нашей конструкции интегрированный в основание рамы корпус редуктора усиливает ее жесткость, а на оси заднего колеса становится возможным применение обычной тормозной втулки типа «торпедо». Комфортное одномоментное переключение передач осуществляется на велосипедном руле.
■Кинематическая схема изобретения
Суть изобретения поясняется приведенной ниже кинематической схемой.
Велосипедная ступенчатая механическая трансмиссия интегрирована в нижнюю часть велосипедной рамы. Для этого она имеет корпус 1, интегрированный в нижнюю часть рамы, в корпусе размещен первичный вал 2, который одновременно является валом кривошипно-педального механизма велосипеда, и выходной вал 3, выполненный с возможностью соединения его с устройствам передачи крутящего момента на ведущий вал велосипеда через размещенную на нем ведущую звездочку 4 велосипедного цепного механизма 5. Выходной вал 3 выполнен трубчатым, а первичный вал 2 установлен соосно ему в его полости. С одной стороны, первичный вал 2 трансмиссии через подшипник опирается на корпус 1, с другой, через подшипник на внутренний диаметр выходного трубчатого вала 3. В корпусе 1 закреплен также промежуточный вал 6, который с обеих сторон через подшипники опирается на корпус 1 и установлен параллельно первичному и выходному валам. На валах 2,3,6 установлены четыре блока пар зубчатых шестерен (7-16) внешнего зацепления, которые образуют редуктор. Блоки шестерен имеют передаточные отношения необходимой величины, из которых шестерни 7, 8 одного блока жестко закреплены, соответственно, на первичном и промежуточном валах и постоянна скреплены между собой. Четыре шестерни 9, 11, 13, 15 с каждой из пар шестерен других блоков жестко закреплены на выходном валу 3, они выполнены с нарастанием величины диаметров, противоположным к величине диаметров шестерен промежуточного вала 6. Шестерни 10, 12, 14, 16, установлены на промежуточном валу 6 и свободно вращаются на нем. Сцепляясь с соответствующими шестернями 9, 11, 13, 15 выходного вала 3, они образуют четыре шестеренчатые передачи внешнего зацепления с заданными передаточными отношениями. Трансмиссия содержит устройство для переключения передач, установленное в корпусе 1 и выполненное в виде управляемых шлицевых ползунковых муфт 17, с проделанными в них кольцевыми проточками, в которые вводятся вильчастые водила 18, имеющие заданный угол ведения вокруг своей оси, на другом конце которой прикреплены коромысла 19, которые приводятся во вращение гибкими тросами от кондуктора выбора передач, размещенного на руле и условно не показанного. Муфты шлицами жестко соединены с промежуточным валом 6 в направлении вращения, но способны перемещаться по ним вдоль оси вращения до вхождения в зацепление с одной из четырех шестерен 10, 12, 14, 16, которые имеют встречные шлицевые пазы, выполненные с возможностью жесткого закрепления шестерен 10, 12,14,16 на промежуточном валу. Велосипедная ступенчатая механическая трансмиссия работает следующим образом. Велосипедист, вращая кривошипно-педальный механизм с валом 3, через зубчатую передачу 7, 8 приводит во вращение промежуточный вал 6 трансмиссии. С промежуточного вала трансмиссии крутящий момент может передаваться на выходной трубчатый вал 3 трансмиссии одной из четырех возможных шестеренчатых передач (10-9, 12-11, 14-13, 16-15) с различным передаточным отношением. Переводя в соответствующее положение кондуктор выбора передач, через гибкие троса и водила 18, велосипедист вводит в зацепление одну из двух муфт 17 скольжения с одной из четырех шестерен 10, 12, 14, 16, которые до этого свободно вращались на промежуточном валу 6. Таким образом, с промежуточного вала, через шлицы, крутящий момент передается на ползунковую муфту 17, далее через шлицевое соединение между палзунковой муфтой и соответствующей шестерней — на одну из шестерен промежуточного вала, далее через шестеренчатую передачу крутящий момент передается на выходной трубчатый вал 3, из него на ведущую звездочку 4, которая через велосипедную цепь 5 приводит во вращение ведущее колесо велосипеда.
С целью недопущения самопроизвольного выключения передач, водила 18 устройства переключения передач оснащены трехходовым пружинным замком, который с заданным пружиной усилием фиксирует ползунковую муфту в одном из трех положений: двух крайних — при включении передач и среднем — нейтральном.
Таким образом, мы получаем велосипед:
— комфортный в управлении, благодаря возможности без каких-либо особых навыков мгновенно переключать передачи и совершать торможение, прилагая обратное усилие к педалям (как в обычном дорожном велосипеде);
— расположение трансмиссии в герметичном корпусе и наличие системы смазки защищает ее от воздействия внешних разрушающих факторов;
— технологически простой, позволяющий быстро наладить его массовое производства по доступной цене;
— надежный и долговечный, как обычный дорожный велосипед, но с тягово-скоростными возможностями, предоставляемыми многоступенчатыми трансмиссиями;
— имеющий коэффициент трансформации крутящего момента, достигающий 700%.
Это первая велосипедная трансмиссия, которую возможно применить на грузовых трехколесных велосипедах типа «велорикша». Авторское право на данную трансмиссию уже защищено государственным патентом Украины и международным патентом по системе РСТ.
P.S. Вот адреса двух видеороликов, на которых показан демонстрационный образец. К сожалению, на первом этапе не было технологических возможностей изготовить его презентабельнее.
http://youtu.be/IUhdxj6uUeshttp://youtu.be/KQar1erDd_AТакже вы можете в поиске youtube набрать слова «Вiсусiе revolution transmission», чтобы найти наши ролики.
■Фото революционной трансмиссии
Предлагается несколько кадров из демонстрационного ролика, который можно посмотреть па указанным выше ссылкам на youtube.com:
Исходя из вышесказанного можно предположить, что велосипед, обладающий трансмиссией с заявленными эксплуатационными свойствами, будет пользоваться спросом у велолюбителей самых разных направлений н займет достойное место на мировом рынке велопродукции.
Мы открыты для взаимовыгодного сотрудничества со всеми заинтересовавшимися организациями.