Привод велосипеда

Велосипедист, нажимая на педали, приводит во вращательное движение шатуны, связанное с ними ведущее зубчатое колесо (большую звездочку) и далее через цепь и ведомую (малую) звездочку заднее колесо велосипеда. Так осуществляется движение велосипеда.

Детали, начиная от педалей и кончая ведомой (малой) звездочкой, образуют привод велосипеда или его механизм передачи. Отношение числа зубьев ведущей большой звездочки к ведомой на заднем колесе называется передаточным числом. Так, если ведущая звездочка имеет 48 зубьев, а ведомая 19, то передаточное число будет равняться 48/19 = 2,5. Заднее колесо (как и переднее) мужского дорожного велосипеда имеет диаметр 28 дюймов или 710 мм. Если ведущая (большая) звездочка в 2,5 раза больше малой (ведомой) звездочки, то заднее колесо сделает 2,5 оборота за один оборот шатунов, то есть диаметр заднего колеса как бы увеличивается в 2,5 раза и становится равным 28х2,5 = 70 дюймам. Этот диаметр условного колеса, выраженный в дюймах, носит название передача велосипеда.

Длина окружности такого условного колеса (фактически пройденный велосипедистом путь за один оборот шатунов или за один оборот ведущей звездочки) называется разверткой или шагом велосипеда. В данном примере шаг равняется 70 х 3,14 = 219,8 дюйма или 5,6 м[2].

Таким образом, передача велосипеда — это произведение, полученное от умножения величины диаметра колеса на передаточное число, и выражается формулой D∙Z/z, где D — диаметр заднего колеса; Z — число зубьев ведущей звездочки; z — число зубьев ведомой звездочки. Отношение Z/z — передаточное число.

Правильный выбор ведущей и ведомой звездочек обеспечивает такую передачу, которая дает возможность велосипедисту соразмерно своим силам ехать по ровной дороге с максимальной скоростью и с меньшими усилиями преодолевать подъемы. Применение той или иной передачи зависит от типа и назначения велосипеда, то есть от того, где он будет эксплуатироваться: в гористой местности или преимущественно на ровных дорогах, предназначен для целен туризма или для разных видов спортивных состязаний.

Обычно на всех дорожных велосипедах имеется одна постоянная наиболее рациональная передача. Дорожные велосипеды отечественного производства снабжены очень удобной передачей, равной 70 дюймам (1790 мм).

Однако велосипедисту иногда приходится изменить существующую на велосипеде передачу, подобрать новую с учетом своих сил и дорожных условий. Допустим, что передачу в 70 дюймов необходимо изменить на передачу 64 дюйма (1625 мм). В таком случае новая передача будет равняться: 64 = D∙Z/z, где D — диаметр колеса, равный 28 дюймам; Z — число зубьев ведущей большой звездочки; z — число зубьев малой звездочки.

Отсюда Z/z = 64/28 = 2,28 или Z = 2,28∙z, то есть большая звездочка должна быть в 2,28 раза больше малой звездочки. Если ведущую большую звездочку взять с 48 зубьями, то ведомая малая звездочка будет иметь 48:2,28 = 21 зуб. При отсутствии большой и малой звездочек с вычисленным количеством зубьев следует брать звездочки ближайшие с большим или меньшим количеством зубьев, тогда передаточное число будет несколько меньше или больше заданного.

Кареточный механизм. Кареточный механизм является частью привода велосипеда (рис. 26).

Рис. 26. Кареточный механизм:

_{1 — левый шатун; 2 — контргайка; 3 — левая чашка; 4 — вал каретки; 5 — правая чашка; 6 — ведущая звездочка; 7 — правый шатун; 8 — гайка; 9 — шайба; 10 — клинок.}

Он размещен в кареточном узле рамы (каретке) и состоит из вала каретки 4, сделанного за одно целое с конусами шарикоподшипников, который вращается на шариках диаметром 6 мм в сепараторе или без него, опирающихся на завинченные в каретку чашки — правую 5 и левую 3 (с контргайкой 2). На валу каретки с помощью клинков 10 закреплены шатуны — левый 1 и правый 7 вместе с ведущей звездочкой 6. Кареточные шарикоподшипники с чашками, расположенными снаружи относительно конусов, являются наружными конусными подшипниками, которыми снабжены кареточные механизмы большинства дорожных велосипедов отечественного производства. Такими же подшипниками оснащены кареточные механизмы всех спортивных велосипедов. Правая чашка с бортом 5 имеет левую метрическую резьбу СПМ 35x1 и завинчивается в каретку до упора. Левая чашка 3 имеет правую метрическую резьбу СПМ 35х1 и завинчивается в каретку до устранения люфта или заедания в подшипниках, а затем затягивается контргайкой 2. Разные резьбы на чашках делают для того, чтобы предотвратить их самоотвинчивание при вращении кареточного вала во время рабочего хода. Кареточные чашки делают из легированной хромистой стали (15х) и так же, как кареточный вал, подвергают цементации для получения твердой поверхности на шариковых дорожках по месту катания шариков. Правый конец вала, на который насаживается правый шатун, делают длиннее левого, так как головка правого шатуна больше головки левого.

Применяют также кареточный механизм с внутренними конусными подшипниками (чашки расположены внутри относительно конусов), с безрезьбовым креплением чашек в каретке. Такой кареточный механизм (рис. 27) имеют велосипеды, изготовляемые Минским и Шяуляйским велосипедными заводами.

Рис. 27. Кареточный механизм с безрезьбовым креплением чашек:

_{1 — левый шатун; 2 — крышка левого шатуна; 3 — контргайка; 4 — безрезьбовая кареточная чашка; 5 — гайка; 6 — шайба; 7 — клинок; 8 — крышка правого шатуна; 9 — ведущая звездочка; 10 — правый шатун; 11, 13 — конусы, 12 — вал каретки; 14 — шпоночная шайба.}

Безрезьбовые кареточные чашки 4 располагают неподвижно внутри кареточного узла рамы прессовой посадкой. Вал каретки 12 с навинченными конусами 11 и 13 вращается на шариках. Правый конус навинчен на вал до упора и является неподвижным. Регулируются подшипники левым конусом, навинченным на левый удлиненный с резьбой конец вала и закрепленным шпоночной шайбой 14 и контргайкой 3. Резьба на обоих концах вала левая метрическая диаметром 18 мм с шагом 1 мм (М18х1).

Левый шатун 1 и правый 10 крепятся на валу клинками 7 с гайками 5 и шайбами 6. Крышки левого шатуна 2 и правого 8 защищают подшипники от пыли и грязи. Вал каретки изготовляют из твердой стали марки 45 без термической обработки.

Шатун. Шатун представляет собой рычаг овального или прямоугольного поперечного сечения с утолщениями на обоих концах, называемыми головками (рис. 28).

Рис. 28. Крепление ведущих звездочек на правом шатуне:

_{а — неразъемным шлицевым соединением; б — разъемным соединением на 5 винтах; в — разъемным соединением на трех винтах.}

В малой головке делается отверстие с резьбой, в которую завинчивается педальная ось, в большой головке — отверстие для кареточного вала, на который надевается шатун. Шатуны должны быть прочными и в то же время легкими, поэтому их изготовляют из стальных (марки 45) кованых или нагорячо штампованных заготовок с последующей чеканкой. Шатуны для спортивно-гоночных велосипедов, к которым предъявляются более высокие требования, изготовляют из легированных сталей с высокими механическими свойствами. Для уменьшения массы на них вдоль стержня фрезеруют канавки. Для спортивных трековых велосипедов шатуны делают из алюминиевого сплава, чем достигается требуемая прочность при сравнительно малой массе. Шатуны имеют разную длину в зависимости от типа велосипеда, с учетом лучшего использования сил велосипедиста при меньшей утомляемости его. Длина между центрами отверстий большой и малой головок составляет для велосипедов:

— мужских — 170–180 мм

— женских — 158–165 мм

— подростковых — 125–150 мм

Стальные шатуны крепят на концах кареточного вала (см. рис. 11) клинковым соединением, которое имеет большое распространение как простое и надежное средство, допускающее довольно быструю разборку и сборку узла самим велосипедистом. Клинок — это стальной стержень диаметром 9,5 мм из стали марки 45 с метрической резьбой М6х1, на котором в сторону нарезки сделан скос с уклоном ¹/₁₃ — 15 (см. рис. 26). При креплении шатунов клинок вставляют в клинковое отверстие шатуна так чтобы своим скосом он входил в паз кареточного вала.

Так как пазы для клинков, расположенные на противоположных сторонах вала, делают параллельными между собой, то, чтобы шатуны находились в одной плоскости и были противоположно направлены, клинки ставят навстречу друг другу. Применяют также другие виды соединения шатунов с валом каретки. Так, на спортивных велосипедах из алюминиевого сплава шатуны напрессовывают на квадратные концы вала и крепят с торца специальными болтами.

На правом шатуне крепится большая ведущая звездочка, передающая цепью вращение малой ведомой звездочке на заднем колесе. Способы крепления большой звездочки самые разнообразные. Большое распространение получило на дорожных велосипедах крепление ведущей звездочки на шатуне неразъемным шлицевым соединением (рис. 28, а). Практикой подтверждено, что это соединение является вполне прочным и надежным; вместе с этим при необходимости замены, в данном случае, ведущей звездочки надо менять и правый шатун.

К разъемным соединениям большой звездочки с фланцем правого шатуна относится хорошо известное крепление на 5 винтах (рис. 28, б), применяемое в настоящее время на спортивно-туристских велосипедах. Спортивно-гоночные машины, как правило, имеют также разъемные соединения на пяти или трех винтах (рис. 28, в) для возможно быстрой смены ведущих звездочек.

Ведущая (большая) и ведомая (малая) звездочки. Как ведущие большие, так и ведомые малые звездочки изготовляют из листовой стали в виде дисков с расположенными по наружной окружности зубьями. Узорчатые вырезы в диске большой звездочки делают для уменьшения ее массы.

Для создания большей жесткости дискам большой звездочки придают штамповкой тарельчатую форму. Наибольшую жесткость имеют вальцованные большие звездочки, сделанные из дисков с навальцованными бортом и гребнем (рис. 28, а). Такие звездочки изготовляет на специальном оборудовании Харьковский велосипедный завод для своих велосипедов всех моделей. Твердость зубьев вальцованной звездочки благодаря нагартовке вальцеванием значительно превосходит твердость исходного металла. В некоторых случаях ведущие звездочки изготовляют вальцовкой из дисков алюминиевого сплава.

Находясь в зацеплении с велосипедной втулочно-роликовой цепью с шагом 12,7 мм (¹/₂") и шириной 3,3 мм (¹/₈"), зубья большой и малой звездочек по размерам и форме изготовляют в соответствии с требованиями ГОСТ 591—69. Детали кареточного механизма изображены на рис. 29.

Рис. 29. Детали кареточного механизма:

_{1 — левый шатун; 2 — контргайка; 3 — левая чашка; 4 — вал каретки; 5 — правая чашка; 6 — ведущая звездочка; 7 — правый шатун; 8 — гайка; 9 — шайба; 10 — клинок} 

Педаль. Являясь частью велосипедного привода, педали служат опорой для ног, которыми велосипедист приводит в движение велосипед. Педаль представляет собой вращающуюся опорную рамку, смонтированную на педальной оси на двух шарикоподшипниках (рис. 30).

Рис. 30. Педали дорожные с резиновыми колодками:

_{а, б — со штампованными деталями; 1 — гайка; 2 — конус; 3 — резиновая колодка; 4 — шпилька; 5 — гайка; 6 — ось педали; в — педаль с литым корпусом.}

Педалям предъявляют определенные требования: они должны легко вращаться, быть прочными и в то же время легкими; нога должна располагаться на педали удобно, устойчиво и не соскальзывать; иметь достаточную опорную поверхность, чтобы не вызывать болевые ощущения в ступне ноги. Соответственно назначению велосипедов педали делятся на дорожные (мужские, женские и подростковые) и спортивные. Существуют разные виды конструкций педалей, из них два основных: металлические и металлические с резиновыми опорными колодками. Дорожные велосипеды мужские и женские имеют педали преимущественно с резиновыми опорными колодками (рис. 30); у них достаточно широкая опора, они эластичны и предохраняют ноги от соскальзывания. Резиновые колодки делают цельными или составными (из двух частей каждая) с рифлением самых различных рисунков; они могут быть черными и цветными. По мере износа резиновые колодки могут легко заменяться новыми. На рис. 30 показана распространенная конструкция таких педалей.

Педальная ось 6 представляет собой стержень, на утолщенном конце которого имеется конусная поверхность с дорожкой для катания шариков и метрическая резьба М14х1,25, предназначенная для завинчивания оси в малую головку шатуна. Правая ось имеет правую резьбу, левая левую. Разные резьбы в осях делают для предохранения их от самоотвинчивания во время вращения педалей при рабочем ходе. Другой конец педальной оси заканчивается метрической резьбой М8х1 для дорожных педалей и резьбой М7х1, для спортивных педалей; на него навинчивают педальный конус 2, надевают шпоночную шайбу и закрепляют гайкой 1. Педальные оси делают из стали 10 или 15 холодной или горячей высадкой. Механически обработанную ось подвергают термической обработке — цементации и калке для получения твердой поверхности по месту катания шариков.

Полностью металлические педали легче, чем резиновые, но зубчатые металлические пластинки, образующие рамку (рис. 31), требуют применения обуви с твердой подошвой.

Для спортивных велосипедов употребляют только полностью металлические педали с зубчатыми пластинками, снабженные специальными держателями ног, называемыми туклипсами. Спортивные шоссейные машины имеют пластинчатые (рис. 31, б) или челночные металлические педали (рис. 31, в), а трековые — только челночные металлические (рис. 31, в) как наиболее пригодные для езды с большим наклоном на виражах трека. На спортивно-туристских велосипедах, используемых для спортивных целей, применяют также металлические педали с туклипсами (рис. 31, б), а в других случаях — комбинированные с резиновой накладкой (рис. 31, а) и педали, имеющие световозвращатели (рис. 31, г).

Для установки на комбинированных педалях туристских велосипедов туклипсов отвертывают винты и снимают резиновые колодки, после чего теми же винтами закрепляют туклипсы. Шарикоподшипники педалей имеют по 7 шариков в сепараторе или по 10 без сепаратора, диаметром 4 мм.

Рис. 31. Педали металлические:

_{а — комбинированная с резиновыми колодками; б — пластинчатая с туклипсом; в — челночная с туклипсами; г — комбинированная со световозвращателями.}

Велосипедная цепь. В приводе велосипеда цепь вместе с ведущей и ведомой звездочками дает велосипедисту возможность приводить в движение машину и двигаться на ней с необходимой скоростью. Велосипедная цепь очень проста по устройству и не сложна в обслуживании, хотя и состоит из большого количества точно сделанных движущихся деталей, передающих усилие. По конструкции — это втулочно-роликовая цепь с шагом ¹/₂" (12,7 мм), шириной 3,3 мм для дорожных и спортивно-трековых велосипедов (ГОСТ 10947 — 69) и шириной 2,4 мм для спортивно-шоссейных и туристских велосипедов. Цепь состоит из блоков (рис. 32), шарнирно связанных между собой двумя наружными пластинками 4 с запрессованными в них двумя осями 5. Каждый блок образован двумя внутренними пластинками 5, в которые запрессованы две гильзы (втулки) 1 с надетыми на них свободно вращающимися роликами 2.

Рис. 32. Втулочно-роликовая цепь:

_{1 — гильза (втулка); 2 — ролик; 3 — внутренняя пластинка; 4 — наружная пластинка; 5 — ось; 6 — пружинная пластинка; 7 — наружная пластинка замка; 8 — ось с кольцевой проточкой; 9 — наружная пластинка замка.}

Запрессованные в наружные пластинки оси после сборки цепи с обоих торцов развальцовываются или осаживаются, образуя с ними прочное соединение.

Готовые цепи должны иметь шаг и ширину строго выдержанными по ГОСТ 10947 — 69 во всех звеньях; они должны быть прочными и выдерживать разрывное усилие не менее 900 кг; быть износоустойчивыми, эластичными и не иметь тугих звеньев в шарнирах. Внутренние пластинки цепи делают более толстыми (1,2 мм), чем наружные (1 мм), учитывая их ослабление большим отверстием под гильзу (втулку). Все детали цепи термически обрабатываются, а пластинки кроме того оксидируются для защиты от коррозии и придания хорошего внешнего вида. Концы цепи соединяются в замкнутое кольцо специальным замком (соединительным звеном), который имеет разные устройства. Наиболее употребительный цепной замок (рис. 32) состоит из наружной пластинки 9, в которую запрессованы и развальцовкой закреплены две оси 8, имеющие на свободных концах кольцевые проточки; наружной пластинки 7, свободно надеваемой на оси замка, и тонкой разжимной пружинной пластинки 6, которая, надеваясь на оси, входит в кольцевые проточки и тем удерживается на них.

Чтобы снять замок и разъединить цепь, надо прежде всего снять пружинную пластинку 6, разведя ее отверткой (рис. 33).

Когда ставят замок, чтобы соединить цепь, пользуются также отверткой для разжима пружинной пластинки. Пластинка эта делается из пружинной марганцевистой стали и имеет форму, показанную на рис. 32.

Рис. 33. Снятие замка цепи.

Многоступенчатая передача. Для облегчения езды в различных дорожных условиях и лучшего использования сил велосипедиста в длительных поездках или гонках в приводе велосипеда применяют механизмы, которые позволяют в определенных пределах изменять передачу велосипеда: уменьшать скорость на подъемах и увеличивать на ровной дороге и небольших уклонах, не изменяя расходования сил велосипедистом.

Механизмы многоступенчатых переменных передач изготовляют вмонтированными в каретку или в заднюю втулку, а также расположенными на трещотке заднего колеса с переключением на разные ступени передачи с помощью цепи.

Широкое распространение получили многоступенчатые переменные передачи с механизмом, устанавливаемым на втулках-трещотках заднего колеса, в котором переключение на разные ступени осуществляется перебрасыванием цепи с одной звездочки на другую. Механизмы эти отличаются простотой устройства, малой массой и несложным изготовленном. Многоступенчатыми передачами такого рода оснащены туристские и шоссейные спортивные велосипеды отечественного производства. Весь механизм переключения принято называть переключателем передач.

Переключатель передач должен удовлетворять определенным требованиям: четко перебрасывать цепь с одной ведомой звездочки на другую, обеспечивать необходимое натяжение цепи, быть прочным и надежным в эксплуатации. По существующей конструкции многоступенчатых передач один переключатель на трещотке задней втулки допускает переключение (переброску цепи) не более чем на 5 ступеней (звездочек). Поэтому увеличение количества передач (ступеней) на современных спортивных велосипедах до 8 и 10 вызвало необходимость применения дополнительного переключателя, разместить который представилось возможным на блоке ведущих звездочек каретки.

Таким образом, современные спортивные велосипеды, имеющие 8 — 10 передач, оборудуются двумя переключателями передач, передним — на блок ведущих звездочек каретки и задним — на втулку (трещотку) заднего колеса.

На велосипедах отечественного производства устанавливают наиболее распространенные переключатели передач, как передние, так и задние, параллелограммного действия.

Передний переключатель — параллелограммного типа (рис. 34), служит для перебрасывания цепи на блоке двух ведущих звездочек каретки разных диаметров, изменяя таким образом передачу. Передний переключатель состоит из корпуса 4, с которым шарнирно связан наружный рычаг 5 с закрепленной на его нижнем конце вилкой 2, охватывающей перебрасываемую цепь. К другому верхнему концу рычага прикреплен трос 1, связанный с манеткой переключателя, расположенной на руле или нижней трубе рамы. Малый рычаг 8, замыкая систему, образует действующий параллелограмм.

Переключение передач осуществляется манеткой, которая установлена на кронштейне вместе с выпуклой пружинящей шайбой с наружной стороны, закрепленной специальным барашком. Если повернуть рукоятку манетки снизу вверх (на себя), трос потянет рычаг 5 с вилкой и цепь переместится с меньшей звездочки на большую.

При повороте рукоятки манетки сверху вниз (от себя) трос ослабляется и цепь под действием пружины 9 перемещается вилкой 2 на меньшую звездочку.

Передний переключатель ставят на подседельной трубе рамы так, чтобы расстояние от вершины зубьев ведущей звездочки (Z — 51) до внутренней щечки вилки 2 было не менее 2 мм.

Крепят переключатель хомутом 7 и винтом 3, ввинченным в корпус. Для ограничения перемещения вилки с цепью служат винты 6; правый определяет положение цепи на большей звездочке, левый — на меньшей.

Рис. 34. Передний переключатель передач:

_{1 — трос; 2 — вилка; 3 — винт крепления; 4 — корпус; 5 — наружный рычаг; 6 — винты-ограничители; 7 — хомут; 8 — малый рычаг; 9 — пружина.}

Задний переключатель передач — параллелограммного типа (рис. 35), отличается компактностью и малым размером. Он менее чувствителен к деформациям при падениях и более надежен в работе. Наличие двух пружин обеспечивает четкое переключение передач на всех ступенях, а также нужное натяжение цепи. В случае обрыва троса в переключателе данной конструкции, под действием пружины 14, беговые ролики отводятся от колеса, что исключает попадание их в спицы.

Переключатель состоит из кронштейна 13 и нижнего корпуса 16, шарнирно связанных на штифтах с правой щекой 15 и левой щекой 12. К нижнему корпусу 16, с помощью специального винта 20, прикреплена правая пластинка 18 в сборе с беговыми роликами 11. С другой стороны установлена левая пластина 10, закрепленная винтами 17. Правая щека 15 имеет специальный прилив с резьбовым отверстием, в которое завинчивается винт 3 для крепления троса 5. Трос с оболочкой проходит через упор 4. Натяжение цепи беговыми роликами происходит с помощью цилиндрической пружины 19, расположенной в нижнем корпусе переключателя 16.

Пружина 19 имеет два отогнутых конца, один из которых входит в отверстие корпуса, другой — в одно из шести отверстий в правой пластине 18. Натяжение пружины или ослабление ее осуществляется перестановкой конца пружины в нужное отверстие пластины 18. Для предохранения пружины от раскручивания после ее регулировки на пластине 18 имеется выступ, который упирается в другой выступ 1 корпуса 16.

Переброска цепи переключателя с меньшей звездочки на большие производится поворотом снизу вверх (на себя) рукоятки 8 манетки 7, расположенной в спортивных велосипедах на нижней трубе рамы. Сбрасывание цепи с большей звездочки на меньшие производится под действием пружины 14 при повороте рукоятки манетки сверху вниз (от себя).

Для фиксирования крайних положений переключателя служат винты 2: правый — для крайнего положения цепи на самой большой звездочке, левый — на самой малой звездочке. Необходимо помнить, что когда цепь находится на самой большой звездочке, расстояние (зазор) между левой пластиной 10 с беговыми роликами и спицами колеса должно быть не менее 3 мм. При сбрасывании цепи на вторую, третью и четвертую звездочку (при пятиступенчатой трещотке) переключатель не имеет фиксированного положения манетки и правильное переключение в этом случае достигается навыком.

Задний переключатель крепится на правом наконечнике рамы специальным винтом 6, имеющим с торца шестигранное отверстие под ключ; винт должен быть плотно затянут и давать возможность свободно вращаться на нем переключателю в сторону стрелки В.

Рис. 35. Задний переключатель передач:

_{1 — выступ в нижнем корпусе; 2 — винты-ограничители; 3 — винт крепления троса; 4 — упор; 5 — трос; 6 — специальный винт крепления переключателя; 7 — манетка; 8 — рукоятка манетки; 9 — затяжной винт-барашек манетки; 10 — левея пластина; 11 — беговой ролик; 12 — левая щека; 13 — кронштейн; 14 — пружина; 15 — правая щека; 16 — нижний корпус; 17 — пинты крепления пластины; 18 — правая пластана; 19 — цилиндрическая пружина; 20 — специальный винт крепления пластины 18 с роликами.}