Односторонній механізм зчеплення для двоколісного засобу пересування

Реферат: Винахід належить до машинобудування. Односторонній механізм зчеплення для двоколісного засобу пересування містить два циліндричних елементи, ведучий та ведений, що розміщені впритул один до одного та мають поверхні контакту, вісь обертання, привід обертання, привідний елемент, пружні елементи. Вісь проходить через центри циліндричних елементів. Останні виконанні з можливістю обертання навколо осі та мають певну свободу руху вздовж осі. Ведучий циліндричний елемент жорстко зв'язаний з приводом обертання, а ведений елемент з привідним елементом. Кожна з поверхонь контакту циліндричних елементів містить зубці рівної кількості. Загальна поверхня контакту циліндричних елементів в ортогональній проекції утворює лінію, що проходить під кутом відносно осі. Зубці поверхонь контакту циліндричних елементів виконані закругленої форми по всій довжині. Технічним результатом є зменшення кута вільного ходу. UA 107233 C2 (12) UA 107233 C2 UA 107233 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до машинобудування, а саме до конструкцій з'єднувальних муфт для передавання обертального руху, та може бути застосований у виробництві двоколісних засобів пересування, таких як велосипеди, для яких характерне використання механізму зчеплення, що забезпечує вільний хід приводного колеса, тобто тимчасового роз'єднання передачі крутного моменту від педалей до колеса (або коліс), іншими словами одностороннього зчеплення. Вільний хід привідного колеса є відмінною особливістю сучасних велосипедів. Наявність вільного ходу дозволяє забезпечити, на розсуд велосипедиста, різні швидкості обертання приводу (шатунів) й заднього колеса велосипеда. У випадку, якщо швидкість обертання шатунів стає менше поточної швидкості обертання колеса, механізм переводиться автономно в режим вільного ходу, при якому крутний момент не передається з шатунів на колесо. Подібна конструкція приводу дозволяє велосипедисту повністю контролювати ті моменти, коли зусилля від обертання педалей має передаватися на колесо, а коли не має. Це сприяє кращому керуванню, комфорту руху та розширенню умов застосування велосипеда, що використовує подібний механізм. Останнім часом існують тенденції по зменшенню ваги велосипедів, це безумовно належить до ваги кожної окремої частини та кожного елемента. Однак, також, стає популярним рух екстремального використання велосипедів, такий як "freeride" (фрірайд) та "downhill" (даунхіл), в яких, важливими вимогами до велосипеда є не тільки легкість конструкції, а й висока міцність елементів, через певні умови експлуатації. Оскільки умови використання велосипедів надзвичайно різноманітні, й часто обумовлені використанням в умовах бруду, піску й води, механізми мають забезпечувати можливість обслуговування в так званих "польових" умовах з використанням простих інструментів. Одним з найважливіших технічних параметрів механізму, є швидкість зчеплення, яка для велосипедиста означає відстань вільного ходу, яку мають пройти педалі до того моменту, поки зусилля від їхнього обертання почне передаватися на колесо. При використанні гірських велосипедів, коли велосипедисту доводиться маневрувати й керувати в складних умовах, як наприклад при спуску з гори, то саме те, як швидко механізм зчеплення дозволяє перейти з руху "накатом" в режим розгону є суттєвим фактором. Також потреба в подоланні різноманітного рельєфу, призвела до збільшення діапазону трансмісії, й зокрема до використання зірочок на задньому колесі з великою кількістю зубців, що дозволяють велосипедисту здолати великі підйоми. Це в свою чергу означає значні збільшення крутного моменту, який має витримувати механізм зчеплення та передавати його на колесо. Існують декілька відомих механізмів зчеплення, що близькі до запропонованого рішення, а саме: "Втулка з вільним ходом для велосипеда" (патент США № 5,676,227, власник патенту "DTBike Technology AG", патент опублікований 14.10.1997). Втулка складається з циліндричного корпусу, всередині якого проходить вісь. З однієї із зовнішніх сторін корпусу розміщений барабан, також розміщений на осі. Барабан може вільно обертатися відносно осі, на встановлених в ньому підшипниках. Барабан з'єднаний з втулкою шляхом одностороннього зчеплення, елементи якого розміщенні на прилеглих торцях корпуса втулки й барабана. Безпосередньо зчеплення забезпечує пара кілець, що мають зубці спеціальної форми, розміщені в площині, перпендикулярній повздовжньому перерізу втулки. Зубці, виконані таким чином, що в одному напряму руху вони зчіплювались й обертались як єдине ціле, а в протилежному русі взаємно відштовхуються. При цьому одне або обидва кільця можуть рухатись відносно осі. В звичайному стані кільця притискаються одне до одного під дією пружини. Кільця мають спеціальні пази на зовнішній поверхні, кожне з кілець при обертанні жорстко закріплюється відносно корпусу втулки або барабана відповідно, що дозволяє при зчепленні кілець передавати крутний момент з барабана на корпус втулки. Недоліками втулки з вільним ходом для велосипеда, є великий показник вільного ходу (в градусах) до моменту зчеплення, що пов'язаний з використанням малої кількості зубців великого розміру. Також недоліком є необхідність використання спеціальної системи захисту механізму від потрапляння бруду та вологи, через конструктивні властивості, а саме розміщення зчеплення на стику двох основних вузлів. "Привідний механізм задньої втулки" (патент США № 5,964,332, власник Christopher D. King, патент опубліковано 12.10.2007), механізм зчеплення утворений парою зубчатих кілець, зубці яких мають пилоподібну форму. Одне з кілець - ведуче, зафіксоване разом з барабаном, на якому встановлена касета з зірочками. Барабан і відповідно кільце вільно обертаються на осі втулки. Друге кільце, ведене, може переміщуватись повздовж осі втулки всередині її корпусу. Рух веденого кільця відбувається по спеціальних спіралеподібних канавках, виконаних на внутрішній стороні корпусу втулки. Ведуче кільце зафіксоване відносно корпусу втулки таким 1 UA 107233 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 чином, що обертання кільця передається на корпус втулки. Ведене кільце, притискається до ведучого під дією легкої пружини. Форма зубців забезпечує їх щільне з'єднання при обертанні механізму, й призводить до роз'єднання зчеплення при обертанні в зворотному руху. Спіралеподібні канавки забезпечують додаткову стискувальну силу та надійно утримують кільця разом при замиканні механізму. Недоліками привідного механізму задньої втулки є складна конструкція кілець, що збільшує кінцеву вартість продукту, також конструкція має велику вагу. Найбільш близьким рішенням до запропонованої даним винаходом конструкції, є "Втулка заднього колеса, зокрема для велосипеда" (патент США № 7,562,755, власник патенту "DT Swiss", патент опубліковано 21.07.2009), який є вдосконаленням втулки з вільним ходом для велосипеда (патент США № 5,676,227, власник патенту "DT-Bike Technology AG", патент опублікований 14.10.1997) та відрізняється вдосконаленням конструкції одного (або двох) кілець, що утворюють передаточну пару. Кільце виконане таким чином, що всередині кільця існує спеціальна порожнина, порожнина утворена внутрішньою стороною робочої поверхні кільця й внутрішньою площиною протилежної до робочої поверхні стінки. В горизонтальному перерізі площина обмежена внутрішнім й зовнішнім діаметрами кільця. Порожнина дозволяє зменшити вагу та може бути заповнена певним матеріалом, що поглинає коливання певного діапазону з метою зменшити шумність роботи. До недоліків найбільш близького до запропонованого рішення належить відносно великий показник вільного ходу, велика вага виробу та висока вартість виконання подібного рішення через складність конструкції. Також недоліком є необхідність використання спеціальної системи захисту механізму від потрапляння бруду та вологи, через конструктивні властивості, а саме розміщення зчеплення на стику двох основних вузлів. Задачею винаходу є вдосконалення конструкції механізму зчеплення з метою створення такого механізму, який би забезпечував зменшення кута вільного ходу механізму до замикання, зменшив вагу конструкції та додатково дозволяв би забезпечити можливість обслуговування та ремонту в будь-яких умовах за допомогою простих інструментів. Поставлена задача вирішується завдяки запропонованій конструкції, а саме: односторонній механізм зчеплення містіть два циліндричних елементи, ведучий та ведений, що розміщені впритул один до одного та мають поверхні контакту, вісь обертання, привід обертання, привідний елемент, пружні елементи, при цьому вісь проходить через центри циліндричних елементів, циліндричні елементи, в свою чергу, виконанні з можливістю обертання навколо осі та мають певну свободу руху вздовж осі, при цьому ведучий циліндричний елемент жорстко зв'язаний з приводом обертання, а ведений елемент з привідним елементом, кожна з поверхонь контакту циліндричних елементів містить зубці рівної кількості, згідно з винаходом, загальна поверхня контакту циліндричних елементів в ортогональній проекціїутворює лінію, що проходить під кутом відносно осі, а зубці поверхонь контакту циліндричних елементів виконані закругленої форми по всій довжині. Механізм розміщений в корпусі втулки засобу пересування. Корпус обертається навколо осі за допомогою підшипників корпуса. Приводом обертання є барабан, що обертається навколо осі за допомогою підшипників, встановлених між барабаном та поверхнею осі. Привідним елементом є корпус втулки засобу пересування. Пружним елементом є пружина або магніт. Кут між віссю та лінією, утвореною в ортогональній проекції поверхнею контакту циліндричних елементів, виконаний в межах від 30 до 60 градусів. Кількість зубців на кожній з поверхонь контакту кожного з циліндричних елементів становить в діапазоні від 20 до 120 штук, зубці в поперечному перерізі мають форму трапеції або трикутника. Ведений елемент розміщений повністю всередині привідного елемента та закріплений за допомогою штифтів, які розміщені паралельно осі та проходять через отвори в опуклостях зовнішньої та внутрішньої поверхонь веденого елемента, причому штифтів щонайменше три. Винахід пояснюється фігурами, на яких зображено: Фіг. 1: односторонній механізм зчеплення в корпусі втулки засобу пересування, вигляд збоку, переріз. Фіг. 2: односторонній механізм зчеплення, циліндричні елементи, загальний вигляд. Фіг. 3: односторонній механізм зчеплення, циліндричні елементи, вигляд збоку. Односторонній механізм зчеплення містить два циліндричних елементи, ведучий 1 та ведений 2, що розміщені впритул один до одного та мають поверхню контакту ведучого 3 та поверхню контакту веденого 4, вісь 5 обертання, привід обертання, привідний елемент, пружні елементи, при цьому вісь 5 проходить через центри циліндричних елементів 1 та 2, циліндричні елементи 1 та 2, в свою чергу, виконанні з можливістю обертання навколо осі 5 та мають певну свободу руху вздовж осі 5, при цьому ведучий циліндричний елемент 1 жорстко зв'язаний з 2 UA 107233 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 приводом обертання, а ведений елемент 2 з привідним елементом, кожна з поверхонь контакту 3 та 4 циліндричних елементів 1 та 2 містить зубці 7 рівної кількості, згідно з винаходом, загальна поверхня контакту 8 циліндричних елементів 1 та 2 в ортогональній проекції утворює лінію, що проходить під кутом 18 відносно осі 5, а зубці 7 поверхонь 3 та 4 контакту циліндричних елементів 1 та 2 виконані закругленої форми по всій довжині. Механізм зчеплення 6 розміщений в корпусі 9 втулки 10 засобу пересування. Приводом обертання є барабан 11, що обертається навколо осі 5 за допомогою підшипників 16 встановлених між барабаном 11 та поверхнею осі 5. Привідним елементом є корпус 9 втулки 10 засобу пересування. Корпус 9 обертається навколо осі 5 за допомогою підшипників 17 корпуса. Пружним елементом є пружина 12 або магніт. Кут 18 між віссю 5 та лінією, утвореною в ортогональній проекції загальною поверхнею контакту 8 циліндричних елементів 1 та 2 виконаний в межах від 30 до 60 градусів. Кількість зубців 7 на кожній з поверхонь контакту 3 та 4 кожного з циліндричних елементів 1 та 2 становить в діапазоні від 20 до 120 штук, зубці 7 в поперечному перерізі мають форму трапеції або трикутника. Ведений циліндричний елемент 2 розміщений повністю всередині привідного елемента, а саме в корпусі 9 та закріплений за допомогою штифтів 13, які розміщені паралельно осі 5 та проходять через отвори 14 в опуклостях 15 зовнішньої та внутрішньої поверхонь веденого циліндричного елемента 2, причому штифтів 13 щонайменше три. Винахід працює наступним чином: За допомогою зусиль, направлених на обертання педалей (не вказано на фігурах) двоколісного засобу пересування, обертається елемент (зірочка), не вказано на фігурах), що щільно пов'язаний з барабаном 11. Обертання барабана навколо осі 5 завдяки підшипникам 16 барабана 11, призводить до обертання ведучого циліндричного елемента 1. Ведений циліндричний елемент 2, розміщений впритул до ведучого циліндричного елемента 1, виконаний з можливістю певного вільного руху вздовж осі 5, притискається до ведучого циліндричного елементу 1 завдяки пружині 12, що створює зусилля вздовж вісі 5. При обертанні ведучого циліндричного елемента 1, його зубці зближуються з зубцями веденого циліндричного елемента та зчіплюються з ними завдяки формі виконання зубців. При повному контакті зубців 7 обох циліндричних елементів, здійснюється їх остаточне зчеплення та ведений циліндричний елемент 2 починає обертатись в тому ж самому напрямку та з такою ж самою швидкістю, що й ведучий циліндричний елемент 1 обертаючи за собою корпус 9 втулки 10. Таким чином крутний момент з барабана 11 передається на корпус 9 втулки 10. При обертанні барабана 11, й відповідно ведучого циліндричного елемента 1 в протилежну сторону, або у випадку, коли швидкість обертання ведучого циліндричного елемента 1 стає меншою за поточну швидкості обертання веденого циліндричного елемента - зубці 7 завдяки своїй формі розчіплюються та відштовхуються один від одного. Далі ведений циліндричний елемент 2 переміщується вздовж осі 5 в напрямку, протилежному розміщенню ведучого циліндричного елемента, як тільки зубці повністю розчіплюються, завдяки пружині 12 починається рух в зворотному напрямку на зближення. При цьому самі циліндричні елементи 1 та 2 при повторному зчепленні, радіально зміщуються на відстань, що дорівнює ширині одного зубця. Після чого весь цикл повторюється знов. Дослідним шляхом було встановлено, що величина вільного ходу до замикання запропонованої конструкції, при вибраній кількості зубців 45 штук, становить 8°, загальна вага дослідного зразка становить 315 г., та підтверджено можливість обслуговування та ремонту механізму за допомогою базових інструментів. Дані досліду для порівняння занесені в Таблицю разом з даними найбільш близького до запропонованого рішення (патент США № 7,562,755). Таблиця Загальна вага, г 50 20 315 Механізм представлений в патенті США № 7,562,755 (прототип) Дослідний зразок Кут вільного ходу до замикання, ° 372 Зразок 8 Таким чином, проаналізувавши результати, занесені в Таблицю 1, можливо побачити, що запропонована конструкція зменшує кут вільного ходу до замикання, більше ніж вдвічі, зменшує загальну вагу на 18 %, що значно покращує показники існуючих механізмів. 3 UA 107233 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 30 35 40 45 1. Односторонній механізм зчеплення для двоколісного засобу пересування, який містить два циліндричних елементи, ведучий та ведений, що розміщені впритул один до одного та мають поверхні контакту, вісь обертання, привід обертання, привідний елемент, пружні елементи, при цьому вісь проходить через центри циліндричних елементів, циліндричні елементи, в свою чергу, виконанні з можливістю обертання навколо осі та мають певну свободу руху вздовж осі, при цьому ведучий циліндричний елемент жорстко зв'язаний з приводом обертання, а ведений елемент з привідним елементом, кожна з поверхонь контакту циліндричних елементів містить зубці рівної кількості, який відрізняється тим, що загальна поверхня контакту циліндричних елементів в ортогональній проекції утворює лінію, що проходить під кутом відносно осі, а зубці поверхонь контакту циліндричних елементів виконані закругленої форми по всій довжині. 2. Односторонній механізм зчеплення для двоколісного засобу пересування за п. 1, який відрізняється тим, що механізм розміщений в корпусі втулки засобу пересування. 3. Односторонній механізм зчеплення для двоколесого засобу пересування за п. 1, який відрізняється тим, що корпус обертається навколо вісі за допомогою підшипників корпуса. 4. Односторонній механізм зчеплення для двоколісного засобу пересування за п. 1, який відрізняється тим, що приводом обертання є барабан. 5. Односторонній механізм зчеплення для двоколісного засобу пересування за п. 1, який відрізняється тим, що привідним елементом є корпус втулки засобу пересування. 6. Односторонній механізм зчеплення для двоколісного засобу пересування за п. 4, який відрізняється тим, що барабан обертається навколо осі за допомогою підшипників, встановлених між барабаном та поверхнею осі. 7. Односторонній механізм зчеплення для двоколісного засобу пересування за п. 1, який відрізняється тим, що пружним елементом є пружина. 8. Односторонній механізм зчеплення для двоколісного засобу пересування за п. 1, який відрізняється тим, що пружним елементом є магніт. 9. Односторонній механізм зчеплення для двоколісного засобу пересування за п. 1, який відрізняється тим, що кут між віссю та лінією, утвореною в ортогональній проекції поверхнею контакту циліндричних елементів, виконаний в межах від 30 до 60 градусів. 10. Односторонній механізм зчеплення для двоколісного засобу пересування за п. 1, який відрізняється тим, що кількість зубців на кожній з поверхонь контакту кожного з циліндричних елементів становить в діапазоні від 20 до 120 штук. 11. Односторонній механізм зчеплення для двоколісного засобу пересування за п. 1, який відрізняється тим, що зубці в поперечному перерізі мають форму трапеції. 12. Односторонній механізм зчеплення для двоколісного засобу пересування за п. 1, який відрізняється тим, що зубці в поперечному перерізі мають форму трикутника. 13. Односторонній механізм зчеплення для двоколісного засобу пересування за п. 1, який відрізняється тим, що ведений елемент розміщений повністю всередині привідного елемента та закріплений за допомогою штифтів. 14. Односторонній механізм зчеплення для двоколісного засобу пересування за п. 13, який відрізняється тим, що штифти розміщені паралельно осі та проходять через отвори в опуклостях зовнішньої та внутрішньої поверхонь веденого елемента. 15. Односторонній механізм зчеплення для двоколісного засобу пересування за п. 13, який відрізняється тим, що штифтів щонайменше три. 4 UA 107233 C2 5 UA 107233 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6