Мужской велосипед планетарной коробкой передач

Трансмиссия велосипеда. Из чего состоит?

Теперь разберемся в типах передач на велосипеде, их преимуществах и недостатках, а также основных принципах работы механизмов изменения передаточного числа.

Механизмы вращательного движения позволяют осуществить непрерывное и равномерное движение с наименьшими потерями энергии на преодоление трения и наименьшими инерционными нагрузками. Механические передачи вращательного движения делятся по способу передачи движения от ведущего элемента к ведомому на передачи трением (фрикционные, ременные) и зацеплением (цепные, зубчатые, червячные). В каждой передаче различают два основных вала: ведущий и ведомый. У велосипеда в роли ведущего вала выступает ось шатунов, а ведомым валом является корпус втулки велосипеда, который жестко заспицован на обод колеса.

Цепные передачи велосипеда

У подавляющего большинства велосипедов передача вращения осуществляется с помощью цепного привода. Цепная передача состоит из двух колес с зубьями (звездочек) и охватывающей их цепи. Наиболее распространены передачи с втулочно-роликовой цепью.

Преимуществами цепных передач являются:

• отсутствие проскальзывания;
• большой диапазон передаточных чисел (до 700%);
• высокий КПД;
• возможность передачи движения от одной цепи нескольким звездочкам;
• небольшая нагрузка на валы, т.к. цепная передача не нуждается в предварительном натяжении цепи необходимом для ременной передачи.

К недостаткам такой передачи можно отнести:

1. необходимость обслуживания через каждые 50-100 км;
2. небольшой ресурс;
3. цепи склонны к разрыву при пиковых нагрузках;
4. переключение скоростей возможно лишь при вращении педалей.

Весьма большой диапазон передаточного числа реализуется благодаря простоте размещения в цепном приводе большого количества звезд с разным количеством зубьев. Переключение передач происходит благодаря переключателям (переднему и заднему). Основой конструкции таких переключателей является рамка параллелограмма с внутренней пружиной, при натяжении и ослаблении пружины происходит смещение оснований параллелограмма и переключение скорости.

Ременные передачи велосипеда

Также встречаются велосипеды с зубчатым ременным приводом. Обычно это городские модели и ремень в их конструкции обеспечивает больший комфорт при катании.

Сравнивая ременную передачу с цепной можно отметить следующие преимущества:

• плавность и бесшумность работы, обусловленные эластичностью ремня и позволяющие работать при высоких скоростях;
• отсутствие смазки на ремне и звездах;
• простота обслуживания и ремонта.Основными недостатками ременной передачи являются:
• большое давление на шкивы в результате натяжения ремня;
• необходимость разборной конструкции задних перьев для одевания ремня на звезды;
• Однако изменение передаточных чисел на таком типе привода возможно только с помощью планетарной системы.

Планетарные передачи велосипеда

Планетарными называют передачи, содержащие зубчатые колеса с перемещающимися осями. Передача состоит из центрального колеса 1 с наружными зубьями, центрального колеса 3 с внутренними зубьями, водила Н и сателлитов 2. Сателлиты вращаются вокруг своих осей и вместе с осью вокруг центрального колеса, т.е. совершают движение, подобное движению планет.

Планетарные передачи имеют существенные преимущества:

• нагрузка в планетарных передачах передается одновременно несколькими сателлитами, следовательно, силы, действующие на зубья колес, соответственно уменьшаются, что позволяет использовать колеса меньших габаритных размеров и массы;
• в планетарных передачах рационально используются колеса внутреннего зацепления, обладающие большой (по сравнению с колесами наружного зацепления) нагрузочной способностью;
• планетарные передачи фактически не нуждаются в обслуживании, необходимо лишь менять масло в них через каждые 5000 км.

К недостаткам планетарных передач относятся:

• повышенные требования к точности изготовления и монтажа;
• низкий КПД ввиду большого количества трущихся деталей;
• небольшой диапазон передаточного числа 200-400 %;
• большой вес;

Зубчатые передачи велосипеда

Велосипеды имеющие зубчатую передачу в виде карданного вала выпускались в прошлом веке. Сейчас же таких велосипедов уже практически не делают. Этот тип привода отличается фактически одним значением передаточного числа, высоким ресурсом и надежностью. Но в то же время вес такой конструкции был весьма значителен.

Внутреннее переключение передач (многоскоростные планетарные втулки)

В настоящее время большая часть велосипедов оборудована многоскоростными трансмиссиями. Существует два принципиально различных типа механизмов переключения передач, используемых на велосипедах: внешнего и внутреннего переключения передач. Различия заключаются в расположении деталей механизма, которые могут находиться снаружи или внутри задней втулки велосипеда. Узлы внешнего переключения передач вполне привычны для нас. Это блоки ведущих и ведомых звездочек, цепь и переключатели передач, перекидывающих цепь между звездочками с разным количеством зубьев. В этой же статье речь пойдет о механизмах внутреннего переключения передач – internal gears hub, то есть многоскоростных втулках с планетарным механизмом, спрятанным внутри, и лишь оной цепной звездочкой.

Внутреннее переключение передач намного старше внешнего. Пионером в области создания многоскоростных втулок стала английская компания Sturmey-Archer (несколько лет назад она была куплена тайваньской корпорацией SunRace). Первые 2- и 3-скоростные втулки Sturmey-Archer выпустила в 1902 году. В настоящее время выпускаются 3-, 5-, 8-скоростные втулки. Всего на несколько лет отстала немецкая компания Sachs (ныне велосипедное производство продано компании SRAM), выпустившая подобные втулки в 1904 году. Сейчас в производстве находятся 3-, 5-, 7-скоростные втулки (SRAM Spectro). Третий крупный производитель подобной техники – корпорация Shimano с 3-, 7- и 8-скоростными втулками серии Nexus.

Максимальное количество передач, которое достигнуто во втулках с внутренним переключением передач, насколько мне известно – 14 во втулках Speedhub 500/14 фирмы Rohloff. При этом общий диапазон втулки составляет около 600% – показатель хорошего горного велосипеда.

Многоскоростные планетарные втулки часто комбинируются с роллерными или барабанными втулочными тормозами, но есть модификации и без тормозов, рассчитанные на использование с ободными тормозами. У Rohloff есть даже модификация для дисковых тормозов.

Еще один интересный факт – возможность замены цепного привода карданным, что возможно только для односкоростных велосипедов или велосипедов с планетарной втулкой. Несколько компаний уже производят байки с такими, фактически полностью закрытыми и необслуживаемыми, трансмиссиями. Правда, широкого применения они пока не получили.

Преимущества

К преимуществам планетарных втулок можно отнести следующие их свойства:

• Механизм переключения передач полностью спрятан внутри корпуса втулки заднего колеса, что позволяет защитить его от попадания грязи. За счет этого долговечность деталей существенно повышается.
• Возможно переключение передач даже тогда, когда вы стоите на месте.
• Используются цепи и звездочки обычной ширины (для односкоростных велосипедов). Цепь постоянно идет прямо. Используются звездочки с высоким профилем зубьев. Все это сказывается на увеличении ресурса цепей и звездочек.
• Механизм переключения передач и встроенный тормоз в таких системах необслуживаемый, что упрощает эксплуатацию велосипеда.
• Высокий ресурс втулок, детали которых работают в масляной ванне.

Недостатки

• Самый большой недостаток многоскоростных втулок с планетарным механизмом – это их большой вес: такие втулки в два-четыре раза тяжелее обычных задних втулок горного велосипеда. Правда, нужно отметить тот факт, что отпадает необходимость в ряде деталей трансмиссии, например переключателях передач, так что реальная разница в весе не столь велика.
• Сложный шестеренный механизм имеет достаточно высокое трение, что обуславливает пониженный КПД. Эти свойства стали определяющими для отказа от использования таких втулок на спортивных велосипедах.
• Планетарные втулки все же не предназначены для работы в экстремальных условиях и, к тому же, они почти неремонтопригодны нигде кроме специализированного велосервиса.

Комбинированный привод

Американская компания SRAM помимо оборудования внешнего переключения передач (группы 3.0-X.0 для горных велосипедов) и внутреннего (группы Spectro S7, P5, T3 для городских) выпускает и комбинированные приводы. SRAM DualDrive сочетает в себе внутренний и внешний приводы. Суть его состоит в том, что с трехскоростной планетарной втулкой комбинируется 8- или 9-скоростная кассета и обычный задний переключатель передач. Вся система управляется одной рукой при помощи комбинированной манетки: вращающаяся ручка (gripshift) управляет внешним переключением, а дополнительный рычаг внутренним. В 2006 году подобная система появилась и у Shimano – Nexave Intego.

Область применения

Многоскоростные втулки с внутренним переключением передач сейчас используются исключительно на городских (прогулочных) велосипедах, где не так важен малый вес, низкие потери и надежность привода при интенсивных нагрузках, но желательно простое и редкое обслуживание велосипеда. В Европе планетарные втулки очень популярны, так как велосипеды там активно используются, как транспортные средства для ежедневных поездок. В России количество велосипедов, оборудованных планетарными втулками очень незначительно. Сказывается высокая цена, невозможность ремонта в домашних условиях и даже во многих мастерских и, конечно же, нацеленность многих велосипедистов на модный ныне горный велосипед. Тем не менее, компания Rohloff позиционирует свою четырнадцатискоростную втулку Speedhub 500/14, как альтернатвный вариант трансмиссии для спортивных кросскантрийных велосипедов.

Что такое трансмиссия велосипеда?

Многие начинающие велосипедисты ошибочно считают, что трансмиссия — это всегда цепь и звездочки, но это не так. Существует много видов:

• Прямой, когда ведущее колесо с педалями скреплено напрямую, без применения системы с цепью. Такая трансмиссия встречается на пенни-фартингах, моноциклах (с одним колесом), трехколесных детских велосипедах.
• Зубчатой, в которой используются шестеренки с зубьями.
• Вальной, в которой используются валы для передачи крутящего момента.
• Ременной. Здесь используются ремни, которые, в отличие от цепей, не требуют смазки.
• Гидравлической. Используется гидравлическая система, а не механическая.
• В виде планетарной втулки, состоящей из большого числа деталей и напоминающей коробку передач автомобиля.
• Комбинированной, являющейся гибридом сразу двух видов трансмиссий для велосипеда: внешней и внутренней (планетарной).

Каждый из перечисленных типов имеет свои преимущества и недостатки, а также целевое назначение.

Составные части трансмиссии

Классические вариант трансмиссии велосипеда имеет много частей. Рассмотрим каждую из них.

Система ведущих звёзд

Это передний набор звёзд велосипеда, расположенный на валу каретки. Служит для преобразования поступательного движения ног велосипедиста во вращательное и изменения передаточного отношения (при наличии переключателя передач).

Кривошипы (шатуны) соединяют оси педалей с осью каретки. Звёзды прикрепляются, как правило, к правому шатуну. Существуют системы как с несъемными звёздами, так и поставляемые отдельно от звёзд.

Систему можно разделить на группы:

• MTB системы для горных велосипедов
• DH (англ. DownHill) системы
• Шоссейные системы
• Системы для дорожных велосипедов
• Системы с несколькими звёздами
• Планетарные системы
• С одной звездой
• С двумя звёздами («двойники»)
• С тремя звёздами («тройники»)

Этой информации достаточно, чтобы получить общее представление о системе.

Каретка

Каретка велосипеда — это подшипниковый узел, который соединяет шатуны с рамой и обеспечивает функцию крутящего момента шатунов велосипеда.

Каретка расположена в кареточном стакане рамы, который расположен между нижней трубой и на пересечении нижних перьев велосипеда.

Система задних звёзд

Система задних звёзд — находится на заднем колесе и крепится к втулке. Состоит она из ряда различных по размеру шестерен — звезд, которые обеспечивают широкий спектр передач в зависимости от количества зубцов звезды. Благодаря кассете можно с легкостью преодолевать подъемы и быстро ехать по прямой.

Существует 2 типа систем: кассета и трещотка. Вторая считается устаревшей и ненадёжной, зато дешевой.

Задняя втулка

Это центральная деталь колеса, которая вращается вокруг неподвижной оси на подшипниках. В трансмиссии велосипеда участвует только задняя втулка.

Задняя втулка велосипеда

Если с правой стороны имеется резьба, то такая втулка предназначена для установки трещотки. Втулка под установку кассеты имеет прикреплённую полым болтом трещотку в виде шлицевого барабана, на который надеваются задние звёзды.

Задний и передний переключатели скоростей

Переключатель скоростей (передач) задний. Выполняет не только функцию переключения передач, но и регулирует натяжение цепи (поддерживает ее во время переключений). Изменение передачи осуществляется путем перевода цепи с одной звездочки на другую.

Задний и передний переключатели

Передний переключатель — переводит цепь с одной звезды на другую, как и задний переключатель, но при этом не регулирует натяжение цепи. Он есть только у велосипедов с 2 и 3 передними звездами.

Велосипедная цепь

Цепь – составляющая ходовой велосипеда, которая передает энергию от педалей, через шатуны и звезды к заднему колесу. Цепь состоит из звеньев, которые могут быть соединены между собой пином или замочком. Цепи могут быть разной ширины и иметь большее или меньшее расстояние между узлами (спинами).

Именно благодаря цепи вся трансмиссия велосипеда работает как единое целое.

Шифтеры или же манетки

Шифтеры — рычаги которые находятся на руле, и работают как коробка передач в автомобиле. С помощью тросов они соединяются с задним и передним переключателями передач. Нажимаете на рычаг — цепь перекидывается на нужную звездочку спереди или сзади.

На этом перечень компонентов классической велосипедной трансмиссии подходит к концу.

Планетарная коробка передач подробно

Планетарная механическая коробка передач (МКП) — разновидность коробки передач, в которой используются планетарные механизмы. Была распространена в начале ХХ столетия (автомобиль Ford T), в наше время получила достаточно широкое распространение в гусеничной технике — военной и гражданской, а также на велосипедах и в автомобилях с гибридной трансмиссией.

Содержание

Устройство и принцип работы

В планетарной МКП используется система шестерен-сателлитов, вращающихся вокруг центральной солнечной шестерни. Чаще всего сателлиты размещены внутри большой коронной шестерни (эпицикла), с которой находятся в постоянном зацеплении. В свою очередь сателлиты закреплены на водиле.
Изменение передаточного отношения планетарной МКП зависит от того, какой из трех основных элементов — солнечная шестерня, сателлиты с водилом и коронная шестерня — закреплен неподвижно, на какой подается крутящий момент и с какого элемента снимается трансмиссией. В любом случае один из трех основных элементов планетарной коробки (а сателлиты рассматриваются как одно целое с водилом) будет неподвижен, два других будут вращаться. Для остановки и блокировки одного из элементов КП используется система ленточных тормозов и блокировочных муфт. Но есть планетарные механизмы, в которых тормоза и муфты отсутствуют — речь идет о дифференциалах, которые тоже относятся к планетарным механизмам, построенным с применением конических шестерен.
Вариантов планетарных систем, применяемых в МКП, достаточно много. Описание принципа работы касается простейшей системы с тремя сателлитами, закрепленными на водиле под углом в 120 градусов.
Понижающая передача. Первый вариант. Если остановить эпицикл, крутящий момент от двигателя подавать на вал солнечной шестерни, а снимать крутящий момент с водила, то в результате частота вращения вала водила будет меньше, чем частота вращения солнечной шестерни.
Второй вариант. Если подать вращающий момент вала двигателя на эпицикл, заблокировать солнечную шестерню, а крутящий момент снимать с водила, получится тот же эффект (но с передаточным числом близким к единице).
Повышающая передача. Первый вариант. Эпицикл заблокирован, крутящий момент подается на водило с сателлитами, а снимается с центральной солнечной шестерни. В результате КП работает в качестве повышающего редуктора.
Второй вариант. Солнечная шестерня блокирована, крутящий момент подается на водило, снимается с большой коронной шестерни. Эффект получается такой же, КП работает в режиме повышающей передачи.
Задний ход. Первый вариант. Крутящий момент подается на солнечную шестерню, снимается с эпицикла, водило закреплено неподвижно. С этом случае КП работает в качестве редуктора с отрицательным передаточным отношением, то есть включен режим реверса крутящего момента.
Второй вариант. Крутящий момент подается на эпицикл, снимается с вала солнечной шестерни, водило, опять же, закреплено неподвижно. КП работает в реверсивном режиме с отрицательным передаточным отношением.

Применение планетарных МКП

В автомобильном транспорте МКП с ручным (а точнее, с ножным) управлением вышли из употребления еще в 1928 году — с прекращением выпуска легендарного автомобиля марки Ford T. В этой машине применялась планетарная механическая двухступенчатая коробка передач. При этом переключение передач производилось педалями, которые включали ленточные тормоза коробки. Первая передача включалась нажатием на правую педаль, вторая — на среднюю и задний ход — на левую педаль (всего было три педали, вместо педали «газа» использовался подрулевой рычаг).
В 30-е и последующие годы МКП была вытеснена полуавтоматическими и автоматическими планетарными КП. В полуавтоматах вместо сцепления использовались гидромуфты, в автоматах — гидротрансформаторы.

Планетарный редуктор

Сегодня планетарные МКП широко используются в гусеничной технике, в том числе и военной — в танках, тягачах, транспортерах. В авиационных турбинах, в металлорежущих станках — в качестве редукторов.

Очень популярны планетарные механический коробки передач, встроенные в заднюю втулку велосипедного колеса. Эти коробки легки, долговечны, эффективны и просты в эксплуатации, поскольку не требуют какого-либо обслуживания. В то же время они повышают стоимость велосипедов и не применяются в спортивных моделях — из-за большой массы (порядка 1,5-2 кг) и меньшей ремонтопригодности по сравнению с открытыми устройствами перевода цепи параллелограммного типа.

Достоинства и недостатки планетарных КП

К достоинствам планетарных коробок следует отнести компактность. Все детали планетарной КП вращаются вокруг одной оси. В них нет валов, ползунов и последовательно расположенных шестерен. В результате такая коробка занимает примерно столько же места, сколько одно-двухдисковое сцепление.
В то же время планетарные коробки способны передавать очень большой крутящий момент, что обуславливает их применение в тяжелой (в частности, танковой) технике. Эта особенность объясняется тем, что крутящий момент равномерно распределяется на сателлиты (которых может быть больше трех), зубья которых испытывают меньшие по сравнению с двух-трехвальными КП механические нагрузки. Планетарные коробки отличаются повышенным ресурсом и простотой обслуживания.
Конструкция планетарных коробок позволяет легко организовать систему управления — оснастить элементы КП ленточными тормозами и блокировочными муфтами (поясним: первые нужны для плавной остановки вращения шестерен, вторые — для окончательной блокировки и, соответственно, переключения передачи).
Наконец, правильно спроектированная планетарная КП с верно подобранным передаточным отношением шестерен имеет более высокий коэффициент полезного действия, чем двух-трехвальные механические КП.
Но вместе с тем есть у планетарных коробок и недостатки. Главный из них — сложность с проектирования и производства многоступенчатых КП. В автоматических коробках для получения трех и более ступеней переключения приходится прибегать к каскадным планетарным системами. Это усложняет КП и, соответственно, снижает ее КПД и надежность.
В наши дни наработки в области планетарных автомобильных коробок передач используются в производстве автоматических планетарных коробок, которые полностью вытеснили механические КП этого типа. Вместе с полуавтоматическими и бесступенчатыми трансмиссиями (прежде всего, с вариаторными системами) АКП широко используются в легковых автомобилях среднего и высокого класса. Благодаря эксплуатационным удобствам АКП пользуются повышенной популярностью и постепенно вытесняют механические КП с ручным управлением из автомобилей бюджетного класса.

Источники:

https://velohack.com/komponenty/transmissija-velosipeda-iz-chego-sostoit/
http://agbike.spb.ru/technics/internal_gears.html
http://velomozg.com/chto-takoe-transmissiya-velosipeda
https://wiki.zr.ru/%D0%9F%D0%BB%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B0%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BA%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B1%D0%BA%D0%B0_%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%B0%D1%87_%D0%BF%D0%BE%D0%B4%D1%80%D0%BE%D0%B1%D0%BD%D0%BE