HUP0202995A2

HUP0202995A2 - Bicycle drive with continuous and automatic gear

Info

Publication number: HUP0202995A2
Application number: HU0202995A
Authority: HU
Inventors: István Zakariás
Original assignee: István Zakariás
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2004-05-28
Also published as: HU0202995D0

Description

KÖZZÉTÉTELI PÉLDÁNY ····’:? =····.:· fo2o2335PUBLICATION COPY ····’:? =····.:· fo2o2335

Fokozatmentes, automata kerékpár sebességváltó működési leírásContinuously variable, automatic bicycle transmission operating instructions

A találmány egy olyan erőátviteli szerkezet, amely az alkalmazott hajtóerő és a kerékpár sebességének függvényében automatikusan és fokozatmentesen változtatja az áttételét.The invention is a power transmission device that automatically and continuously changes its gear ratio depending on the applied driving force and the speed of the bicycle.

Ez a szerkezet el van látva egy, a pedálhoz rögzített fogaskerékkel, amely lánc útján egy differenciálművet hajt meg. A differenciálmű egyik kimenő tengelye a hajtott tengely, a másik kimenő tengelyéhez csatlakozik a szabályozó kerék, amelynek kialakítása olyan, hogy tehetetlenségi nyomatéka a fordulatszámával jelentősen növekszik. Mivel a kerékpár egészének a hajtott keréken keresztül a differenciálműre redukált tehetetlenségi nyomatéka alig változik, a szabályozó kerék növekvő fordulatszámával nő a hajtott tengely relatív meghajtása, azaz azonos mértékű pedálelfordulásra a hajtott tengely (s vele a hajtott kerék) növekvő mértékű elfordulása jut, az áttétel automatikusan változik.This device is equipped with a gear attached to the pedal, which drives a differential via a chain. One output shaft of the differential is the driven shaft, and the other output shaft is connected to the regulating wheel, which is designed in such a way that its moment of inertia increases significantly with the speed of rotation. Since the moment of inertia of the entire bicycle, reduced to the differential through the driven wheel, changes little, the relative drive of the driven shaft increases with the increasing speed of the regulating wheel, i.e. for the same amount of pedal rotation, the driven shaft (and with it the driven wheel) rotates more and more, and the gear ratio changes automatically.

A kezdetben nagy áttétel - a kerékpárhajtás igényeinek megfelelően csökken.Initially high gear ratio - decreases according to the needs of the bicycle drive.

A találmány szerinti erőátviteli szerkezet előnyösen használható kerékpárokban és egyéb, pedállal hajtott eszközökben, valamint olyan motoros eszközökben, ahol az alkalmazott erők, a terhelés, valamint a fordulatszám viszonylag alacsonyak.The power transmission structure according to the invention can be advantageously used in bicycles and other pedal-driven devices, as well as in motorized devices where the applied forces, loads, and rotational speeds are relatively low.

A manapság általánosan használt kerékpár sebességváltók a hajtó láncnak az egyik fogaskerékről egy másik, eltérő fogszámú fogaskerékre történő átemelésével hajtják végre az áttétel megváltoztatását. Ez a megoldás, amellett, hogy nehézkes és a vezető figyelmét leköti, a váltás idejére a nyomaték átvitelét szünetelteti és csak adott áttételek választását teszi lehetővé. Azonkívül a lehetséges fogaskerék-kombinációk közül több azonos hatású is található, ugyanakkor egyes kombinációk nemkívánatosak a túlságosan nagyszögű lánc-fogaskerék találkozás miatt.Bicycle derailleurs commonly used today perform gear changes by shifting the drive chain from one sprocket to another with a different number of teeth. This solution, in addition to being cumbersome and distracting to the rider, also interrupts torque transmission during the shift and only allows the selection of specific gears. Furthermore, among the possible gear combinations, there are several that have the same effect, but some combinations are undesirable because of the excessively large angle of the chain-gear contact.

Ebből a szempontból fejlettebb egy, még a 19. század végén keletkezett megoldás, amely a budapesti Közlekedési Múzeumban látható. Az A.F.A. Poxendorff Stockholm gyártó Variable fantázianevű megoldása a forgó mozgás helyett alternáló mozgást előidéző taposó pedálokat és egy darabból álló folyamatos láncot alkalmaz, melyet a pedálok mozgatása feszít. A feszítés eredményeképpen a hajtott kerékre föltekert láncot tekeri le a hajtott tengelyről a két oldalon felváltva. A láncvég rögzítési pontjának változtatásával a feszítés mértéke, következésképpen az áttétel elvben folyamatosan változtatható. Hátránya azonban a változtatás nehézkessége és „de facto“ fokozatossága, a lánc és a hajtott kerék összekapcsolásának kényes volta, valamint a különlegesen kiképzett lánc iránti igény.A more advanced solution from the late 19th century, which can be seen in the Budapest Transport Museum, is the solution created by A.F.A. Poxendorff Stockholm, with the imaginative name Variable, which uses pedals that produce alternating movement instead of rotary movement, and a continuous chain made of one piece, which is tensioned by the movement of the pedals. As a result of the tensioning, the chain wound on the driven wheel is unwound from the driven axle on both sides alternately. By changing the attachment point of the chain end, the degree of tension, and consequently the gear ratio, can in principle be continuously changed. However, its disadvantage is the difficulty and “de facto” gradualness of the change, the delicate connection of the chain and the driven wheel, and the need for a specially designed chain.

Közelebb jut a megoldáshoz az amerikai Marion A. Clark, aki 1984-ben szabadalmaztatott javaslatában (US-PS 4,533,152) olyan megoldást ír le, amelyben a pedál egy rugón keresztül hat a végén szintén rugóval rögzített láncra. A megoldás valóban fokozatmentes és automatikus váltást eredményez, de minden egyes pedáltaposásban a rugók ellen is munkát kell végezni, amely megengedhetetlen többletenergiát emésztene föl.The American Marion A. Clark comes closer to the solution, and in his 1984 patent proposal (US-PS 4,533,152) describes a solution in which the pedal acts on a chain that is also attached to the end by a spring. The solution does indeed result in stepless and automatic shifting, but work must also be done against the springs with each pedal stroke, which would consume an unacceptable amount of extra energy.

A szintén amerikai Jecheskel Davidovits (1985, US-PS 4,544,174) egy, a két végén a pedálokhoz rögzített egybefüggő hajtóláncot (kötelet) javasol és a lábnak a pedálhossz mentén való elcsúsztatásával gondolja változtatni a nyomatékot. A megoldás, noha folyamatos, de nem automatikus nyomatékváltoztatást tesz lehetővé, és semmiképpen sem való gyakorlati megvalósításra.Another American, Jecheskel Davidovits (1985, US-PS 4,544,174), proposes a continuous drive chain (rope) attached to the pedals at both ends and intends to vary the torque by sliding the foot along the length of the pedal. The solution, although continuous, does not allow for automatic torque changes and is by no means suitable for practical implementation.

Szíjtárcsás hajtással megvalósítható, hogy az axiális irányban eltolható kúpos tárcsakettőssel változtatható kerékátmérőt érünk el, és ezzel a hajtó és a hajtott tengely között fokozatmentes áttételváltás érhető el. Hátrány azonban a nagy csúszási és súrlódási veszteség és a kis teljesítmény (DAF - Variomatic).With a belt drive, it is possible to achieve a variable wheel diameter with a pair of conical discs that can be shifted axially, and this allows for a stepless gear change between the driving and driven axles. However, the disadvantage is the high slip and friction losses and the low power (DAF - Variomatic).

Ezek kiküszöbölésére a HS-PS 193478 B szabadalmi leírás (Baróthy Antal, 1981) szerinti megoldás a hajtott kerékagyon lévő lánckerék kerületét változtatja és lánchajtást alkalmaz. A megoldás azonban, ha egyáltalán megvalósítható, bonyolult, túl sok alkatrészt tartalmaz.To overcome these, the solution according to the patent specification HS-PS 193478 B (Baróthy Antal, 1981) changes the circumference of the sprocket on the driven wheel hub and uses a chain drive. However, the solution, if feasible at all, is complicated and contains too many parts.

A Shimano előállított egy automatikus váltót, amely a kerékpár sebességétől függően automatikusan - léptetőmotorok segítségével állítja az áttételt. Ez a megoldás sem biztosít azonban folyamatos váltást.Shimano has produced an automatic derailleur that automatically adjusts the gear ratio based on the speed of the bike using stepper motors. However, this solution does not provide continuous shifting either.

A szakirodalom tanúsága szerint mind ez ideig nem oldották meg egyszerűen és hatékonyan - mechanikus úton — azt, hogy egy pedálra ható erő, illetve a sebesség függvényében az erőátvitel áttétele folyamatosan és automatikusan változzék.According to the literature, until now, there has been no simple and effective solution - mechanically - to continuously and automatically change the transmission ratio depending on the force acting on a pedal and the speed.

A találmány célja az ismert sebességváltó szerkezetek hátrányainak kiküszöbölése és olyan mechanikus sebességváltó kialakítása, amely biztosítja az áttétel fokozatmentes, folyamatos változtatását, mégpedig az alkalmazott pedálerő és a sebesség függvényében automatikusan. A szerkezet legyen alkalmas arra is, hogy a szabályozás érzékenységét, illetve a változtatás határait is beállíthassuk.The aim of the invention is to eliminate the disadvantages of known transmission structures and to design a mechanical transmission that ensures stepless, continuous change of the gear ratio, automatically depending on the applied pedal force and speed. The structure should also be suitable for adjusting the sensitivity of the control and the limits of the change.

A találmány szerinti sebességváltó azon a felismerésen alapul, hogy ha az ismert, kerékpárokon általában használt direkt hajtás helyett differenciális hajtást alakítunk ki, amelyben a hajtópedálhoz rögzített fogaskerék a pedálerőtől és a kerékpár sebességétől függően vagy a hajtott tengelyt vagy pedig egy változó ellenállású szabályozó fogaskereket (vagy mindkettőt) hajt, akkor lehetővé válik, hogy azonos sebességű pedálforgatáshoz a pedálerőtől és a kerékpár sebességétől függő változó mértékű kerékelfordulás, azaz áttétel tartozzék, méghozzá olyan módon, hogy a változás a kerékpárhajtás természetének megfelel, azaz az áttétel kezdetben nagy és növekvő sebességgel csökken.The transmission according to the invention is based on the recognition that if, instead of the known direct drive generally used on bicycles, a differential drive is formed, in which the gear attached to the drive pedal drives either the driven shaft or a variable resistance regulating gear (or both) depending on the pedal force and the bicycle speed, it becomes possible for the same pedal rotation speed to be accompanied by a variable amount of wheel rotation, i.e. gear ratio, depending on the pedal force and the bicycle speed, in such a way that the change corresponds to the nature of the bicycle drive, i.e. the gear ratio is initially high and decreases with increasing speed.

A találmány szerinti sebességváltó működését az 1. és a 2. ábra alapján magyarázzuk el.The operation of the transmission according to the invention will be explained with reference to Figures 1 and 2.

A találmány szerinti szerkezet egy vagy két pedállal hajtott eszköz, elsősorban kerékpár hajtómű, fokozatmentes és automatikus sebességváltóval, ahol a pedál (1) egy pedálfogaskereket (2) hordoz, amely lánc (3) útján hajtja meg egy differenciálmű lánckerekét (7). A 2 pedálfogaskerék és a 7 lánckerék azonos méretű, azaz l:l-es áttételt alkot. A 7 lánckerék hajtási irányban ékelt, ellenkező irányban szabadonfutó kapcsolatban van a differenciálmű külső palástjával (6). A differenciálmű 6 külső palástja a pedálerő hatására rövid úton elmozdulni képes a differenciálmű-házhoz (5) képest (az elmozdulást az 5 differenciáhnű-házon lévő ütköző korlátozza), az elmozdulást hajtási szünetekben a 21 rugók állítják vissza.The device according to the invention is a device driven by one or two pedals, primarily a bicycle transmission, with a continuously variable and automatic transmission, where the pedal (1) carries a pedal gear (2), which drives a differential sprocket (7) via a chain (3). The pedal gear 2 and the sprocket 7 have the same size, i.e. a 1:1 ratio. The sprocket 7 is wedged in the driving direction and has a freewheeling connection in the opposite direction with the outer shell of the differential (6). The outer shell 6 of the differential can move a short distance relative to the differential housing (5) under the influence of the pedal force (the movement is limited by the stop on the differential housing 5), the movement is restored by the springs 21 during driving pauses.

A differenciálműben az 5 differenciálmű-házzal együtt forog a kúpos differenciál fogaskerék (8), amelynek forgástengelye a palástra merőleges. A differenciáhnűben a 8 fogaskerékhez csatlakoznak a 9 és 10 ún. rózsa fogaskerekek, amelyek forgástengelye a 8 differenciál fogaskerék forgástengelyére merőleges, azaz a palást forgástengelyével azonos. A 9 fogaskerékkel ékelt kapcsolatban van a hajtott tengely (11), a 10 fogaskerékkel azonos tengelyű és vele ékelt kapcsolatban van egy szabályozó kerék (13). A 13 szabályozó kerékben karokon (15), rugó (16) ellenében, a kerék sugara mentén elfordítható tömegek (14) rögzülnek. A differenciálműben az 5 differenciálmű-házzal szintén együtt forog a differenciálzár, amely áll a nagy súrlódási tényezővel bíró felületű, kizárólag tengelyirányú mozgásra képes fékező lapokból (17), a 17 fékező lapokat hajtási szünetekben a 9, ill. 10 fogaskerekekhez szorító rugóból (18), valamint a 18 rugó ellen ható, a differenciálműnek hajtáskor a pedálerő hatására egymáshoz képest elmozduló 6 külső palástja és 5 differenciálmű-háza által görgőkön (20) meghúzott differenciálzár-oldó kötelekből (19).In the differential gear 5, the bevel differential gear (8) rotates together with the differential gear housing, the axis of rotation of which is perpendicular to the shell. In the differential gear 8, the so-called rose gears 9 and 10 are connected to the gear 8, the axis of rotation of which is perpendicular to the axis of rotation of the differential gear 8, i.e. the same as the axis of rotation of the shell. The driven shaft (11) is in a wedged connection with the gear 9, and a regulating wheel (13) is in a wedged connection with the same axis as the gear 10. In the regulating wheel 13, masses (14) that can be rotated along the radius of the wheel are fixed on arms (15) against a spring (16). In the differential, the differential lock also rotates together with the differential housing 5, which consists of the braking plates (17) with a high friction coefficient and capable of axial movement only, the spring (18) that presses the braking plates 17 to the gears 9 and 10 during driving pauses, and the differential lock release ropes (19) pulled on rollers (20) by the differential housing 5 and the outer shell 6 of the differential, which move relative to each other under the influence of the pedal force when driving, acting against the spring 18.

A 13 szabályozó kerék tehetetlenségi nyomatéka a kerék nyugalmi helyzetében kicsi, a 4 hajtott kerék álló helyzetében az 1 hajtópedál elfordításakor a 10 fogaskeréken keresztül a 8 differenciál fogaskerékre kis ellenállást gyakorol. A 4 hajtott kerék álló helyzetben (a 2 pedálfogaskerék és a 7 lánckerék kis áttétele következtében) a 9 fogaskeréken keresztül nagy ellenállást fejt ki a 8 differenciál fogaskerékre. A két különböző ellenállásnak megfelelően a 8 differenciál fogaskerék nagy mértékben hajtja a 10 fogaskereket, s kis mértékben a 9 fogaskereket, tehát nagy pedálelmozduláshoz all hajtott tengely kismértékű elfordulása tartozik, az áttétel tehát kezdetben nagy.The moment of inertia of the regulating wheel 13 is small in the rest position of the wheel, and when the driven wheel 4 is stationary, when the driving pedal 1 is turned, it exerts a small resistance on the differential gear 8 through the gear 10. When the driven wheel 4 is stationary (due to the small gear ratio of the pedal gear 2 and the chain wheel 7), it exerts a large resistance on the differential gear 8 through the gear 9. In accordance with the two different resistances, the differential gear 8 drives the gear 10 to a large extent and the gear 9 to a small extent, so that a large pedal displacement is accompanied by a small rotation of the driven shaft, so that the gear ratio is initially large.

Mivel a 8 differenciál fogaskerék nagy mértékben hajtja a 10 fogaskereket, a 10 fogaskerék, s vele együtt a 13 szabályozó kerék növekvő sebességgel forog. A 13 szabályozó kerék növekvő sebességű forgásához - állandó pedálerő mellett is - a benne lévő 14 tömegeknek a növekvő centrifugális erő hatására történő kilendülése (nagyobb sugarú körön történő forgása), a kerék össztehetetlenségi nyomatékának növekedése, a forgatással szemben kifejtett, a 10 fogaskerékre ható, ill. a 10 fogaskeréknek a 8 differenciál fogaskerékre ható ellenállásának a növekedése tartozik.Since the differential gear 8 drives the gear 10 to a large extent, the gear 10, and with it the regulating wheel 13, rotates at an increasing speed. The increasing speed of the regulating wheel 13 - even with constant pedal force - involves the swinging out of the masses 14 contained therein under the influence of the increasing centrifugal force (rotation on a circle of larger radius), an increase in the total moment of inertia of the wheel, and an increase in the resistance exerted against the rotation, acting on the gear 10, or the resistance of the gear 10 to the differential gear 8.

Ugyanakkor a kis mértékben hajtott 9 fogaskeréken keresztül all hajtott tengely, ha kis mértékben is, de szintén gyorsul. All hajtott tengely (s vele a 4 hajtott kerék) növekvő ütemű forgásához - azonos pedálerő mellett - nem növekvő láncerő, ill. a 9 fogaskeréknek a 8 differenciál fogaskerékre ható nem növekvő ellenállása tartozik.At the same time, the driven axle also accelerates, albeit slightly, through the slightly driven gear 9. The increasing rotation of the driven axle (and with it the 4 driven wheels) - with the same pedal force - is accompanied by a non-increasing chain force, or by the non-increasing resistance of the gear 9 acting on the differential gear 8.

A hajtópedál egyenletes erővel történő forgatásához tehát a 10 fogaskeréknek növekvő, a 9 fogaskeréknek nem növekvő - a 8 differenciál fogaskerékre kifejtett - ellenállása, azaz a hajtott tengely növekvő sebességű forgása, tehát áttétel-csökkenés tartozik.Therefore, the rotation of the drive pedal with a uniform force involves the increasing resistance of the gear wheel 10 and the non-increasing resistance of the gear wheel 9 - exerted on the differential gear wheel 8 -, i.e. the rotation of the driven shaft at an increasing speed, i.e. a reduction in gear ratio.

Ha a pedált leállítjuk, azaz megszűnik a pedálerő, a 21 rugók a differenciálmű 5 belső és 6 külső palástjának elmozdulását helyreállítják, ezáltal elengedik az addig meghúzva tartott 19 differenciálzár-oldó köteleket. Ennek következtében a 18 rugó a 17 fékezőlapokat hozzányomják a 9 és 10 fogaskerekek erre kiképzett felületéhez, s rövid fékezési (10 fogaskerék), ill. gyorsítási (9 fogaskerék) periódust követően a két fogaskereket együttforgásra kényszerítik, a differenciálműben tehát bekapcsoljuk a differenciálzárat. A sebességek kiegyenlítődése során a 13 szabályozókerékben a kisebb szögsebesség és az ennek következtében kisebb centrifugális erő ellenében ható rugóerő hatására létrejövő kisebb sugarú forgás is az impulzusnyomatékot csökkenti. A 10, 8, 9 fogaskerekeken, valamint all hajtott tengelyen keresztül azonban ez a veszteség átadódik, s ugyanennyivel nő a 4 hajtott kerék impulzusnyomatéka, azaz a 13 szabályozókerék fölgyorsítására induláskor befektetett energiát visszanyerjük, azt is a hajtott kerék gyorsítására fordítjuk.When the pedal is stopped, i.e. the pedal force is removed, the springs 21 restore the movement of the inner and outer shells 5 and 6 of the differential gear, thereby releasing the differential lock release ropes 19 that were held taut until then. As a result, the spring 18 presses the brake plates 17 against the specially designed surfaces of the gears 9 and 10, and after a short braking (gear 10) or acceleration (gear 9) period, the two gears are forced to rotate together, thus the differential lock is engaged in the differential gear. During the equalization of the speeds, the smaller angular velocity in the control wheel 13 and the smaller radius of rotation created by the spring force acting against the smaller centrifugal force also reduce the impulse torque. However, this loss is transferred through the gears 10, 8, 9, and the driven axle, and the impulse torque of the driven wheel 4 increases by the same amount, i.e. the energy invested in accelerating the regulating wheel 13 at the start is recovered and is also used to accelerate the driven wheel.

A szabályozás érzékenységére hatással van aló rugók előfeszítettsége, hiszen nagyobb előfeszítéshez egy adott szögsebesség esetén kisebb kitérés tartozik, az pedig kisebb tehetetlenségi nyomatéket eredményez. A következmény az, hogy az áttétel magasabb értékről indul, az áttételcsökkenés lassabban, nagyobb sebességnél következik be, vagy úgy is fogalmazhatunk, hogy adott sebességekhez nagyobb rugóelőfeszítések esetén nagyobb áttételek tartoznak. A rugók előfeszítésének az állítása egyszerűen megoldható, ha a 13 szabályozókerék két részből áll, amelyek egymáshoz képest elfordíthatok, s a rugók egyik vége az egyik, másik vége pedig a másik részen rögzül.The sensitivity of the control is affected by the preload of the springs, since a higher preload corresponds to a smaller deflection at a given angular velocity, which in turn results in smaller inertial pressures. The consequence is that the gear ratio starts from a higher value, the gear ratio reduction occurs more slowly at higher speeds, or we can also put it this way, that given speeds correspond to higher gear ratios at higher spring preloads. Adjusting the spring preload can be done simply if the control wheel 13 consists of two parts that can be rotated relative to each other, and one end of the springs is fixed to one part and the other end to the other part.

PeremfeltételekBoundary conditions

l.Az áttétel-átfogásnak nagyjából a szokásos értéknek kell lennie, azaz legalább 4-szeresnek.l. The gear ratio should be roughly the usual value, i.e. at least 4 times.

2.A legnagyobb pedál-fordulatszámnál (nagyjából 60/perc, azaz 1/mp) az egyensúlyi állapot (azaz a 9 és a 10 fogaskerék azonos, kb. 1/mp fordulatszámú forgása) be kell, hogy tudjon állni (hogy a 8, 9 és 10 fogaskerekek egymáshoz képest álljanak, azaz a legördülési veszteségük a minimális legyen).2. At the highest pedal speed (approximately 60/minute, i.e. 1/second), the equilibrium state (i.e. the rotation of gears 9 and 10 at the same speed, approximately 1/second) must be established (so that gears 8, 9 and 10 are in line with each other, i.e. their rolling loss is minimal).

3. Az egyensúlyi állapotot a kiindulási állapotból úgy kell elérni, hogy eközben a 10 fogaskerék folyamatosan gyorsuljon, vagy legalábbis ne lassuljon. (Ha nem így volna, nem tudna folyamatosan csökkenni az áttétel.)3. The equilibrium state must be reached from the initial state in such a way that the gear 10 is continuously accelerating, or at least not decelerating. (If this were not the case, the gear ratio could not continuously decrease.)

Kvantitatív megfontolásokQuantitative considerations

1. Ha a 9 fogaskerék áll, egy pedálkor alatt a 10 fogaskerék két fordulatot tesz (a pedál a differenciál fogaskerék sugara mentén, míg a 10 fogaskerék az átmérője mentén gördül le), általában szólva a 10 fogaskerék fordulatszáma:1. If gear 9 is stationary, gear 10 makes two revolutions during one pedal stroke (the pedal rolls along the radius of the differential gear, while gear 10 rolls along its diameter), generally speaking, the number of revolutions of gear 10 is:

fίο = Í9⁺ 2 (f_P - f₉) 1 /mp, (1) (ahol f_n az n fogaskerék, ill. pedál fordulatszáma).fίο = Í9 ⁺ 2 (f _P - f ₉ ) 1 /sec, (1) (where f _n is the number of revolutions of the nth gear or pedal).

2. A négyszeres áttétel azt jelenti, hogy a 9 fogaskerék egyet fordul, mialatt a pedál négyet, ill. a 9 fogaskerék egynegyedet fordul, mialatt a pedál egyet, ekkora 10 fogaskerék fordulatszáma (l)-ből:2. A four-fold gear ratio means that the 9th gear rotates once while the pedal rotates four times, or the 9th gear rotates a quarter while the pedal rotates one time, so the number of revolutions of the 10th gear (l) is:

fio = 1/4 + 2(1- 1/4) = 7/4 [1/mp]fio = 1/4 + 2(1- 1/4) = 7/4 [1/sec]

Esetünkben előnyösebb úgy vizsgálódni, hogy mekkora pedálfordulatszámot enged meg a különböző áttételek esetében az a (3-ik) peremfeltétel, hogy a 10 fogaskerék fordulatszáma ne haladja meg az 1et. (l)-et átalakítva:In our case, it is more advantageous to examine what pedal speed is allowed for different gears by the (3rd) boundary condition that the speed of gear 10 does not exceed 1. Transforming (l):

f_P = (f₁₀-f₉)/2 + f₉= (f₉ + fj₀ ) / 2, ha fiomax = tfpmax =+ ’/2 az áttétel:f _P = (f ₁₀ -f ₉ )/2 + f ₉ = (f ₉ + fj ₀ ) / 2, if fiomax = tfpmax =+ '/2 the ratio is:

A = f_P / f₉ = (f₉ + fio ) / 2f₉ A = f _P / f ₉ = (f ₉ + fio ) / 2f ₉

A = 1/ 2f₉ + /2A = 1/ 2f ₉ + /2

Táblázatban:In table:

f₉ 0,05 0,10 0,16 0,25 0,33 0,50 0,66 0,751 fpmax 0,52 0,54 0,58 0,62 0,67 0,75 0,85 0,871f ₉ 0.05 0.10 0.16 0.25 0.33 0.50 0.66 0.751 fpmax 0.52 0.54 0.58 0.62 0.67 0.75 0.85 0.871

A 10,5 5,5 3,5 2,5 2,0 1,5 1,25 1,161A 10.5 5.5 3.5 2.5 2.0 1.5 1.25 1.161

Ez vízszintes terepen - a súrlódással egyáltalán nem számolva - érvényes. A valóság egy kicsit más lesz, de az látható a táblázatból, hogy a fenti geometriai elrendezéssel lehetséges az áttétel jelentős változtatása a pedálsebesség sokkal kisebb mértékű változása mellett. A valós viszonyok mellett a 10 fogaskerék sebessége időnként meg fogja haladni az 1-et, de ha ellenállása éppen e fordulatszám környékén növekszik meg jelentősen, az a működésben jól közelíti a táblázatban számolt értékeket.This is valid on level ground - without taking into account friction at all. The reality will be a little different, but it can be seen from the table that with the above geometric arrangement it is possible to change the gear ratio significantly with a much smaller change in pedal speed. Under real conditions, the speed of the 10th gear will sometimes exceed 1, but if its resistance increases significantly around this speed, it will in operation closely approximate the values calculated in the table.

3. A szabályozó kerékben szükséges centripetális erő a szögsebesség négyzetével arányos:3. The centripetal force required in the regulating wheel is proportional to the square of the angular velocity:

F_c=m r ω² , (2) ezt a rugóerő biztosítja (F_R = k (r -1₀), ahol k a rugóállandó, lo a rugó nyugalmi hossza, és r > l₀).F _c =mr ω ² , (2) this is provided by the spring force (F _R = k (r -1 ₀ ), where ka is the spring constant, lo is the rest length of the spring, and r > l ₀ ).

A rugóállandó határozza meg tehát az r sugarat, amelyen egy adott szögsebességnél az m tömegek forognak.The spring constant therefore determines the radius r around which the masses m rotate at a given angular velocity.

m r ω - k (r -1₀), ebből r = k l₀/(k-m ω²) (3)mr ω - k (r -1 ₀ ), from which r = kl ₀ /(km ω ² ) (3)

Az m tömegek tehetetlenségi nyomatéka I = m r². Ha figyelembe vesszük a forgatónyomaték M = F r₀ (ahol r₀ a 10 fogaskerék sugara) és az Μ = I a képleteket, (ahol a a 10 fogaskerék szöggyorsulása), akkor azThe moment of inertia of the masses m is I = mr ² . If we consider the formulas for the torque M = F r ₀ (where r ₀ is the radius of gear 10) and Μ = I a (where aa is the angular acceleration of gear 10), then

F = m r²/r₀ a (4) kifejezést kapjuk, tehát a 10 fogaskerék (és vele a 13 szabályozó kerék) szöggyorsításához szükséges erő az r sugár négyzetével arányos.We obtain the expression (4) F = mr ² /r ₀ , so the force required to accelerate the gear 10 (and with it the regulating wheel 13) is proportional to the square of the radius r.

A viszonyok egyszerű érzékeltetése végett vegyük most a k/m és az l₀értékét is 1-nek, akkor (3)-ból r = 1/(1-ω²⁾, tehát az ω értékének változása függvényében az r - a tömegek forgási sugara - és az F - a szabályozó kerék forgatásához szükséges erő - értékének változása a következőképpen néz ki:For a simple understanding of the relationships, let us now take the values of k/m and l ₀ as 1, then from (3) r = 1/(1-ω ²⁾ , so the change in the value of r - the radius of rotation of the masses - and F - the force required to rotate the regulating wheel - as a function of the change in the value of ω looks as follows:

ω 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,80,9 r 1,00 1,01 1,04 1,09 1,19 1,33 1,56 1,96 2,775,26ω 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80.9 r 1.00 1.01 1.04 1.09 1.19 1.33 1.56 1.96 2.775.26

F 1,00 1,02 1,08 1,19 1,41 1,77 2,43 3,84 7,6727,66F 1.00 1.02 1.08 1.19 1.41 1.77 2.43 3.84 7.6727.66

Ebből a táblázatból az tűnik ki, hogy megválaszthatjuk a fenti paramétereket úgy, hogy a 10 fogaskeréknek az 1-es fordulatszámhoz közelítve jelentősen növekedjék az ellenállása.It is clear from this table that we can choose the above parameters so that the resistance of gear 10 increases significantly as it approaches speed 1.

ElőnyökAdvantages

A találmány szerinti sebességváltó egyik előnye, hogy az általa biztosított áttétel-váltás folyamatos, mindig a kerékpár sebességének megfelelő arány áll be, ugyanakkor a váltási folyamat automatikusan megy végbe, a kerékpár sebességének és a pedálerőnek a függvényében.One of the advantages of the transmission according to the invention is that the gear change it provides is continuous, always in a ratio corresponding to the speed of the bicycle, and at the same time the shifting process takes place automatically, depending on the speed of the bicycle and the pedal force.

A találmány szerinti sebességváltó másik előnye, hogy a váltás terhelés alatt megy végbe, nem kell tehát a váltás idejére a hajtást szüneteltetni.Another advantage of the transmission according to the invention is that the shift takes place under load, so the drive does not have to be paused during the shift.

A találmány szerinti sebességváltó harmadik előnye, hogy meglévő kerékpárokra egyszerűen alkalmazható.A third advantage of the transmission according to the invention is that it can be easily applied to existing bicycles.

A találmány szerinti sebességváltó negyedik előnye, hogy a váltási tartománya egyszerűen átállítható.The fourth advantage of the transmission according to the invention is that its shift range can be easily adjusted.

Claims

Patent claims

1. The device according to the invention is a device driven by one or two pedals, primarily a bicycle transmission, with a continuously variable and automatic transmission, where the pedal (1) carries a pedal gear (2), which drives a differential sprocket (7) via a chain (3); the sprocket 7 is wedged in the driving direction and has a freewheeling connection in the opposite direction with the outer shell of the differential (6); the outer shell of the differential 6 can move a short distance relative to the differential housing (5) under the influence of the pedal force (the movement is limited by the stop on the differential housing 5), the movement is restored by the springs 21 during driving pauses; in the differential, the bevel differential gear (8) rotates together with the differential housing 5, the axis of rotation of which is perpendicular to the shell; in the differential gear 8, the so-called rose gears 9 and 10 are connected to the differential gear 8, the axis of rotation of which is perpendicular to the axis of rotation of the differential gear 8, i.e. identical to the axis of rotation of the shell; the driven shaft (11) is in a wedged connection with the gear 9, and a regulating wheel (13) is in a wedged connection with the same axis as the gear 10 (12); in the regulating wheel 13, masses (14) that can be rotated along the radius of the wheel are fixed on an arm (15) against a spring (16); in the differential gear, the differential lock also rotates together with the differential gear housing 5, which consists of the braking plates (17) with a high friction coefficient and capable of axial movement only, the spring (18) that presses the braking plates 17 to the gears 9 and 10 during driving pauses, and the differential lock release ropes (19) pulled on rollers (20) by the outer shell 6 of the differential gear and the differential gear housing 5, which act against the spring 18 and move relative to each other under the influence of the pedal force during driving, characterized in that when the pedal 1 is moved in the driving direction, the differential gear 8 can rotate the gear 9 (and with it the driven axle 11 and the driven wheel) and the gear 10 in a variable ratio.

2. The gear according to claim 1, with a continuously variable and automatic transmission, characterized in that the pedal gear 2 and the sprocket 7 are of the same size, i.e. form a 1:1 ratio.

3. The transmission according to claim 1-2, with a continuously variable and automatic transmission, characterized in that the centripetal force, which increases in the case of accelerated rotation, forces the masses 14 in the control wheel 13 to an orbit of increasing radius, the moment of inertia of the wheel 13 (and with it the resistance it exerts on the differential gear 8 through the gear 10) increases proportionally to the square of the radius.

4. The transmission according to claims 1-3, with a continuously variable and automatic transmission, characterized in that with constant pedal force, in the case of a stationary driven wheel, the differential gear 8 senses high resistance from the direction of the driven wheel through the gear 9, while in the rest position, through the gear 10, it senses low resistance from the direction of the regulating wheel 13 with a low moment of inertia, therefore it drives the gear 10 in proportion to the resistances, so that a large pedal rotation is accompanied by a small rotation of the driven wheel, so the gear ratio is high at start-up.

5. The transmission according to claims 1-4, with a continuously variable and automatic transmission, characterized in that at a constant pedal force, in the case of an increasing low speed of the driven wheel, the moment of inertia of the regulating wheel 13 (and with it the resistance it exerts on the differential gear 8 via the gear 10) increases, while the resistance of the driven wheel 4 (and with it the resistance it exerts on the differential gear 8 via the gear 9) remains essentially unchanged, the differential gear 8 rotates the gear 9 at an increasingly greater rate compared to the gear 10, so that the same amount of pedal rotation is accompanied by an increasingly greater rotation of the driven wheel, the gear ratio decreases.

6. The transmission according to claims 1-5, with a continuously variable and automatic transmission, characterized in that when the pedal is stationary, the braking plates 17 are pressed against the surface of the gear wheel 9 or 10 designed for this purpose by the effect of the spring 18, the speed of the driven wheel 4 and the regulating wheel 13, which are thus braked together, is equalized, during the equalization, part of the energy of the braking regulating wheel 13 is taken over by the driven wheel, thus part of the energy spent on accelerating the regulating wheel 13 is absorbed back.

7. A transmission according to claims 1-6, with a continuously variable and automatic transmission, characterized in that the preload of the springs, and with it the gear ratios, can be adjusted if the control wheel 13 consists of two parts that can be rotated relative to each other, and one end of the springs is fixed to one part and the other end to the other; the consequence of the adjustability is that higher gear ratios are associated with given speeds in the case of higher spring preloads.

Extract

The device according to the invention is a device driven by one or two pedals, primarily a bicycle transmission, with a continuously variable and automatic transmission, where the pedal drives a differential housing via a chain. One output shaft of the differential is the driven shaft, the other output shaft is wedged with a regulating wheel, the moment of inertia of which increases with increasing speed (in the regulating wheel, masses are fixed on an arm, against a spring, and can be rotated along the radius of the wheel).

When the drive wheel is stationary and the pedal is turned, the regulating wheel exerts a small resistance on the differential gear (its moment of inertia is small at low speeds), while the driven wheel exerts a large resistance. According to the two different resistances, the differential gear drives the regulating wheel to a large extent and the driven shaft to a small extent, so a large pedal movement is accompanied by a small rotation of the driven shaft, so the gear ratio is initially large.

The increasing speed of the regulating wheel involves the swinging out of the masses inside it due to the increasing centrifugal force (rotation in a circle with a larger radius), an increase in the total moment of inertia of the wheel, and an increase in the resistance acting on the differential gear.

At the same time, the driven axle also accelerates, albeit slightly. The increasing rotation rate of the driven axle is accompanied by a non-increasing chain force with the same pedal force, and a non-increasing resistance of the driven axle to the differential gear.

The rotation of the drive pedal with a constant force (and slowly increasing speed) is therefore accompanied by an increasing resistance of the regulating wheel, and a non-increasing resistance of the driven shaft - exerted on the differential gear. In accordance with the two different resistances, the differential gear drives the regulating wheel to a decreasing extent and the driven shaft to an increasing extent, so that a given pedal displacement is accompanied by an increasing rotation of the driven shaft, i.e. a reduction in gear ratio.

This process continues until the speed of the driven shaft and the regulating wheel are the same, at which point direct drive is achieved.

During driving pauses (when pedal force ceases), the differential lock is activated, which brakes the regulating wheel with the driven axle rotating at a lower speed, thus allowing us to recover part of the energy invested in accelerating the regulating wheel when starting off, and to use it to accelerate the driven wheel.

The sensitivity of the control is affected by the preload of the regulating wheel springs. Higher spring preloads correspond to higher ratios for given speeds. Adjusting the preload of the springs can be easily done if the regulating wheel consists of two parts that can be rotated relative to each other, and one end of the springs is fixed to one part and the other end to the other.