ITMI940973A1 - Trasmissione a cinghia con variazione di rapporto di trasmissione continua automatica, in particolare per biciclette - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

L'invenzione riguarda una trasmissione a cinghia con variazione di rapporto di trasmissione continua automatica, in particolare per biciclette, con due pulegge modificabili nel loro diametro efficace, delle quali ciascuna è costituita da più segmenti, almeno tre, precaricati da molla, sfalsati uniformemente in direzione circonferenziale, supportati in maniera mobile, su una relativa mensola, supportata in maniera girevole, fra arresti radiali interni ed esterni.

Biciclette tradizionali hanno solitamente un azionamento a catena. Come cambio di marcia vi è o un cambio a catena con solitamente fino a 21 marce fisse, nel quale la catena a scelta viene posta su uno dei vari pignoni per catena, e un tendicatena provvede per la tensione della catena nel tratto vuoto; in alternativa vi sono cambi sul mozzo, che non necessitano di alcun tendicatena, solitamente con 3 fino a 7 marce fisse, nei quali corrispondenti serie di ruote dentate satelliti sono integrate nel mozzo di bicicletta per il cambio di marcia a scelta.

Una trasmissione a cinghia secondo il preambolo della rivendicazione 1 è nota dalla pubblicazione brevettuale DE-PS 93896. Lì i segmenti sia sulla puleggia motrice che sulla puleggia condotta sono supportati su una relativa mensola mobile a scorrimento radialmente e ciascuno è sottoposto all'azione della forza di una molla a spirale. Le due molle a spirale sono avvolte in senso opposto, e ciascuna agisce con il suo avvolgimento radialmente esterno sui singoli segmenti allargandoli radialmente, l'avvolgimento radialmente interno è appeso alla mensola. Con aumentata resistenza di marcia, il diametro efficace della puleggia motrice deve ridursi contro la forza di molla e quello sulla puleggia di moto deve ingrandirsi corrispondentemente .

Questa trasmissione a cinghia nota necessita di una puleggia supplementare per guidare i segmenti, che non sono in impegno di forza con la cinghia, ed ancora di un'ulteriore puleggia fissa sulla mensola, alla quale è appesa la molla a spirale. Le parti necessarie non si possono fissare senz'altro su mensole a stella convenzionali, girevoli nel telaio della bicicletta. Nella guida scorrevole dei segmenti guidati sulla puleggia si manifestano corrispondenti perdite di attrito.

Sono note trasmissioni a cinghia con variazione di rapporto di trasmissione autonomo, nelle quali i segmenti sono eseguiti in maniera elastica sulla puleggia motrice secondo la pubblicazione brevettuale FR 1188 889, ed il tratto vuoto viene teso con un rullo tenditore; secondo la pubblicazione brevettuale DE-PS 122517 i segmenti, determinanti il diametro efficace della puleggia, sono costituiti ciascuno da un doppio elemento, inflettentesi rispettivamente piegantesi ad angolo vivo nel giunto a ginocchiera, fra le cui due estremità di leva agisce una molla di trazione.

Dalla pubblicazione brevettuale DE-PS 642664 sono noti anche segmenti supportati su una mensola in modo orientabile, che non sono però sotto precarico elastico, poiché questa trasmissione a cinghia nota non è variabile nel suo rapporto di trasmissione autonomamente mediante incremento di momento torcente, bensì viene comandata a mano.

Deve venire risolto il compito di realizzare una trasmissione a cinghia a basso attrito con variazione del rapporto di trasmissione continua e autonoma, in particolare per biciclette, che sia costruita in maniera semplice e robusta, abbia il minimo numero possibile di parti singole e si possa costruire su una mensola a stella comune in commercio e girevole nel telaio.

Questo compito viene risolto secondo l'invenzione con le caratteristiche che i segmenti sono supportati sulla mensola associata in maniera orientabile alla stessa distanza radiale rispetto all'asse di rotazione, e che ogni volta una molla di compressione è disposta fra segmenti vicini.

Secondo l'invenzione pertanto ciascun segmento della puleggia è supportato sulla mensola associata in maniera orientabile in un'articolazione?a cerniera o girevole, e ciascuno è appoggiato contro il successivo segmento mediante la molla, per cui sono superflue parti di guida supplementari. I segmenti secondo l'invenzione si possono costruire senza problemi su una mensola a stella comune in commercio, sulla quale solitamente viene fissato il pignone di una trasmissione a catena per bicicletta tradizionale, eventualmente anche successivamente. A causa dell'articolazione orientabile dei segmenti in articolazioni girevoli, non sono praticamente presenti punti di attrito, cosa che provvede ad un elevato rendimento ed una bassa tendenza ai guasti. Ciascuna puleggia è costituita in un certo qual modo da soltanto un componente non normalizzato, cioè i singoli segmenti, che il numero corrispondente a seconda della mensola a stella uti~ lizzata vengono prodotti e supportati in maniera non scambiabile sulla mensola. Le restanti parti singole come molle, bussole di supporto, viti e la cinghia stessa sono parti normalizzate comuni in commercio.

Mediante l'utilizzo ogni volta di una molla per segmento, si può adattare individualmente la trasmissione a cinghia secondo l'invenzione, per esempio in una bicicletta, facilmente a differenti rapporti di forza del guidatore. Quando l'azionamento viene utilizzato da una persona con forza più elevata, senza smontaggio della puleggia si possono inserire senza problemi molle con indice di rigidezza più elevato, per avviare la variazione del rapporto di trasmissione soltanto con una forza di pedale maggiore.

In un perfezionamento vantaggioso dell'invenzione, sulla puleggia motrice ciascun segmento è eseguito come leva a un braccio, che è supportata sulla mensola nell'articolazione girevole con la sua estremità posta davanti nella direzione di rotazione, e con la sua estremità posta dietro in direzione di rotazione mediante la molla si sorregge sul successivo segmento a distanza dal suo supporto fra le sue estremità di leva. Quest'esecuzione secondo l'invenzione della puleggia motrice consente una dipendenza condizionata dei segmenti l'uno rispetto all’altro, nella quale l’azione di una forza normale rivolta verso l'interno, come si manifesta attraverso la forza periferica di puleggia, su soltanto uno di questi segmenti è sufficiente per guidare tutti gli altri segmenti, in particolare quelli che non sono momentaneamente in impegno con la cinghia, in modo tale che sulla base di forze centrifughe o altre azioni non avvenga alcun movimento non orientato, cosa che altrimenti può provocare rumori a causa di oscillazioni.

Nonostante questa guida, ciascun segmento può effettuare un movimento di orientamento indipendente, avviato sul perimetro efficace dalla forza normale modificata, e quindi può impostare una corrispondente modifica del diametro efficace della puleggia contro forze di molla, corrispondente allo stato di carico dell'azionamento.

Secondo l'invenzione, sulla puleggia di moto ciascun segmento è eseguito come leva a due bracci, che è supportata sulla mensola nell'articolazione girevole fra le sue estremità di leva e nello stato normale, cioè in marcia priva di accelerazione su strada piana, rispetto alla sua linea radiale, estendentesi attraverso il suo supporto, in direzione di rotazione davanti come braccio di leva presenta un pezzo di arco più corto che in direzione di rotazione dietro, e che il raggio efficace rispetto al suo supporto si ingrandisce dalla linea estendentesi radialmente in entrambe le direzioni circonferenziali. La progettazione secondo l'invenzione dei rapporti di leva su ciascun segmento della puleggia condotta rende possibile un'espansione crescente del suo diametro efficace all*incirca proporzionalmente all'incremento della forza periferica; nella direzione di rotazione preferenziale il braccio di leva più lungo, che è in impegno con la cinghia, provoca l'espansione dei segmenti sulla puleggia condotta, all'inversione della direzione di rotazione il braccio di leva più corto agisce nello stesso modo. Perciò la variazione del rapporto di trasmissione, avviata sulla puleggia di motrice, viene trasmessa autonomamente alla puleggia condotta grazie all'impegno di cinghia, e la cinghia viene pretensionata automaticamente in modo che la potenza ogni volta necessaria sia trasmissibile senza slittamento.

Utilizzando insieme le caratteristiche delle rivendicazioni 2 e 3 si può quindi eseguire completamente senza molle la puleggia condotta senz'altro comparativamente piccola secondo l'invenzione.

Prove hanno mostrato che l'esecuzione più idonea della superficie efficace, prevista per l'impegno con la cinghia, su ciascun segmento della puleggia motrice rispettivamente puleggia condotta è un'evolvente. Mediante la configurazione a forma di evolvente delle superfici efficaci viene minimizzato l’effetto di poligono in ciascun intervallo di carico. La prova ha mostrato che l'effetto residuo manifestantesi nel funzionamento a pieno carico viene assorbito dall'azione smorzante della cinghia.

La trasmissione a cinghia secondo l'invenzione si può combinare, in una bicicletta, senza problemi con un freno a contropedale. All'inversione della direzione di rotazione infatti provoca un'espansione un po' minore del diametro della puleggia condotta. Perciò la tensione di cinghia, provocata dalla puleggia motrice all'inversione di direzione di rotazione, viene incrementata ulteriormente nel funzionamento in frenata.

In un perfezionamento particolarmente vantaggioso e idoneo la trasmissione a cinghia secondo l'invenzione sulla bicicletta viene combinata con un cambio sul mozzo. Il rapporto di trasmissione continuo della trasmissione a cinghia viene adattato al salto di marcia del cambio sul mozzo, all'interno del quale è quindi disponibile la variazione del rapporto di trasmissione autonoma mediante forza di pedale comandata.

La trasmissione a catena come azionamento di bicicletta si è diffusa stabilmente nella pratica nonostante i suoi svantaggi (lubrificante necessario, peso costruttivo ridotto soltanto con utilizzo di materiali costosi, variazione del rapporto di trasmissione non continua), poiché tutti i tentativi di sostituire la trasmissione a catena mediante una trasmissione a cinghia finora sono chiaramente falliti per la bassa efficienza rispettivamente per il sistema costruttivo complicato delle trasmissioni a cinghia con rapporto di trasmissione continuo finora note.

Riassumendo, l'invenzione presenta i seguenti vantaggi:

a) Nonostante la possibilità della variazione del rapporto di trasmissione continua, per il prototipo è stato misurato un andamento dell'efficienza, che nell'intervallo di carico parziale era soltanto il 4% al di sotto di quello della trasmissione a catena e uguagliava quest'ultimo incrementando la potenza.

b) E’ stata eseguita una misura, nella quale una trasmissione a catena riguardo all'accelerazione è stata confrontata direttamente con il prototipo con una forza di pedale determinata. Dopo il tempo di accelerazione fissato, la velocità finale della trasmissione a cinghia regolabile in maniera continua era del 10% maggiore e di conseguenza il percorso compiuto in questo tempo era anch'esso maggiore di circa il 10%.

c) La trasmissione a cinghia secondo l’invenzione è costituita da complessivamente tre nuovi componenti differenti non normalizzati. Tutte le altre parti piccole, nonché la cinghia stessa, che sono necessarie per la sua messa in marcia, sono parti comuni in commercio.

d) Il montaggio si può inserire senza problemi nel ciclo di produzione, poiché la trasmissione a cinghia secondo l'invenzione, al posto della trasmissione a catena, è applicabile su mensole a stella tradizionali di produttori noti, senza modifiche costruttive dei componenti circostanti come telaio, supporto per pedali o supporto della ruota posteriore. E1 anche possibile in ogni momento senza grande dispendio un montaggio successivo su biciclette con trasmissione a catena.

e) La trasmissione a cinghia secondo l'invenzione si può combinare con un freno a contropedale e/o un cambio sul mozzo senza modifica di questi componenti.

f) L'adattamento a differenti condizioni di carico può venire effettuato in qualunque momento, anche per strada, mediante semplice sostituzione delle molle.

g) Al montaggio della trasmissione a cinghia secondo l'invenzione su una mensola a stella tradizionale con cinque fori di alloggiamento, anche mediante l'utilizzo di diverse molle con indice di rigidezza differenti fra segmenti susseguentisi della puleggia motrice si può ottenere l'effetto della riduzione dei picchi di forza nelle posizioni di punto morto delle due pedivelle, come avviene per esempio in pignoni ovali.

Un esempio di esecuzione preferenziale secondo l'invenzione viene spiegato più in dettaglio di seguito con riferimento al disegno:

la figura 1 è una vista della trasmissione a cinghia secondo l'invenzione con impostazione del rapporto di trasmissione massimo sulle pulegge.

La figura 2 è una vista della trasmissione a cinghia secondo l'invenzione con impostazione del rapporto di trasmissione minimo sulle pulegge. Secondo le figure 1 e 2, sia sulla puleggia motrice 1 sia anche sulla puleggia condotta 2 è supportata ogni volta una mensola a stella 3 rispettivamente 4 a cinque bracci in maniera girevole intorno all'asse A fisso sul telaio. Sulla mensola 3 della puleggia motrice 1 sono applicate in modo fisso opposte l'una all'altra due pedivelle non rappresentate. La direzione di rotazione per la marcia in avanti è indicata con V. Rispetto all'asse di rotazione A, su ciascuna puleggia 1 rispettivamente 2 ogni volta cinque segmenti 5 rispettivamente 6 interagenti con le loro superfici efficaci 9 formano una puleggia 1 rispettivamente 2, variabile in maniera continua nel diametro efficace. I segmenti 5 rispettivamente 6 su ciascuna puleggia 1 rispettivamente 2 sul lato in direzione di rotazione V sono supportati sulla mensola 3 rispettivamente 4 associata in modo orientabile nell'articolazione girevole 7 con distanza radiale uguale rispetto all'asse di rotazione A. Entrambe le pulegge 1 e 2 sono avvolte da una cinghia dentata, che s'impegna in una scanalatura a cuneo corrispondente lavorata nei singoli segmenti 5 rispettivamente 6. Le scanalature a cuneo di tutti i segmenti 5 rispettivamente 6, come superfici efficaci 9, per il loro impegno con la cinghia dentata hanno evolventi.

I segmenti 5 della puleggia motrice 1 sono eseguiti ciascuno come leva 5^ monobraccio, che è supportata alla sua estremità anteriore in direzione di rotazione V nell'articolazione girevole 7, e all'estremità posteriore, è sotto l'azione di forza di una molla di compressione 8. La molla di compressione 8 si sorregge sul segmento 52 seguente fra le sue estremità di leva a distanza a dal suo supporto 7. L'angolo di orientamento di ciascun segmento 5 radialmente verso l’interno è limitato dal suo arresto sul relativo segmento seguente, mentre l'angolo di orientamento radialmente verso l'esterno è limitato dal pretensionamento della cinghia.

I segmenti 6 della puleggia condotta 2 sono supportati in maniera orientabile liberamente sulla mensola 4 associata e sono eseguiti ciascuno come leva 61 a due bracci rispetto al loro supporto 7. Essi hanno come braccio di leva efficace, estendentesi attraverso il centro di rotazione 7 e l'asse di rotazione A, linea indicata con S in figura 1, nella direzione di rotazione V davanti, un pezzo di arco più corto che nella direzione di rotazione V indietro. Il raggio efficace sulla superficie efficace 9 rispetto il suo centro di rotazione 7 è minimo lungo la linea 5; esso aumenta in entrambe le direzioni circonferenziali.

Nella,posizione di partenza secondo la figura 1, che corrisponde alla marcia normale su strada piana senza accelerazione, la forza normale N agisce in maniera corrispondente alla forza periferica U sul tratto di trazione Z sui segmenti 51 e 62 della puleggia motrice 1 rispettivamente puleggia condotta 2. Sulla puleggia motrice 1 il segmento 52, che si trova esattamente fra uscita di puleggia 11 ed ingresso di puleggia 10, viene mantenuto nello stato di equilibrio dalla forza di molla Fa della molla 8, agente a distanza a dal centro di rotazione 7, che assorbe la forza antagonista alla forza normale N, nella posizione rappresentata in figura 1 con la forza di ritenuta Fb, che risulta da Fa. Sulla puleggia condotta 2 i segmenti 6 sulla mensola 4, sotto l'influenza della forza normale N, formano il perimetro efficace minimo possibile, quando la forza periferica U secondo la figura 1 è di uguale grandezza nel tratto di trazione e nel tratto vuoto, quindi l'azionamento non è sottoposto ad alcuna accelerazione. Secondo la figura 2, mediante l'azione di un momento torcente M rinforzato sulla mensola 3 della puleggia motrice 1 aumenta la forza periferica U nel tratto di trazione 2 e quindi la forza normale N, e mediante orientamento dei segmenti 5 radialmente verso l'interno aumenta anche la forza di molla Fa, nonché, risultante da ciò, la forza di ritenuta Fb. Mediante la rotazione V intorno all'asse A si manifesta una forza centrifuga Ff, che è opposta alla forza di ritenuta Fb. La forza di ritenuta Fb in ciascuno stato di funzionamento è maggiore della forza centrifuga Ff, e ostacola un movimento radiale del segmento 52 che è fuori impegno.

La forza normale N incrementata provoca una rotazione rivolta radialmente verso l'interno dei segmenti 5 intorno alle articolazioni girevoli 7. Questo provoca una riduzione del diametro efficace sulla puleggia motrice 1. Il conseguente allentamento della cinghia nel tratto vuoto L consente quindi una rotazione dei segmenti 6 della puleggia condotta 2 intorno alle articolazioni girevoli 7 nella direzione di rotazione V, cosa che viene provocata anch'essa dalla forza periferica U aumentata nel tratto di trazione 2. Mediante l'esecuzione precedentemente descritta dei segmenti 6, ciascuno come leva a due bracci con raggio alimentante in entrambe le direzioni circonferenziali, aumenta autonomamente il raggio efficace di ciascun segmento 6, che è in accoppiamento di forza con la cinghia, e quindi il diametro efficace complessivo della puleggia condotta 2. L'impegno ad accoppiamento di attrito della cinghia avviene quindi, come rappresentato in figura 2, in direzione di rotazione V dietro sul pezzo di arco più lungo di ciascun segmento 6, mentre l'arco più corto posto in direzione di rotazione V davanti va ogni volta fuori impegno sul segmento 6.

Mediante quest'espansione, la forza periferica U nel tratto vuoto L viene aumentata fin quando non è nuovamente stabilito l'equilibrio delle forze fra la forza di espansione sui segmenti 6 della puleggia condotta 2 e le forze di molla Fa sulla puleggia motrice 1, che ogni volta entrambe sono dipendenti dalla forza periferica U nel tratto di trazione Z e proporzionali ad essa.

Alla riduzione del momento torcente M sulla mensola 3 della puleggia motrice 1 avviene il processo inverso.

Quando viene avviata un'inversione di direzione di rotazione (direzione di rotazione V negativa) ad una frenatura a contropedale, allora sulla puleggia motrice 1 i segmenti 5, sulla base dell'azione precedentemente descritta, assumono il loro diametro efficace massimo possibile. Sulla puleggia condotta 2, analogamente a quanto avveniva nella direzione di rotazione V positiva, a causa della parte di arco più corta, quindi in impegno di forza, che si trova nella direzione di rotazione V davanti, dei segmenti 6, avviene un'espansione del diametro efficace. Le forze necessarie per l’espansione sono qui minori, poiché il raggio efficace rispetto al centro di rotazione 7 aumenta soltanto leggermente. L'espansione del diametro efficace, provocata contemporaneamente all'inversione della direzione di rotazione sulle pulegge 1 e 2, provoca una tensione massima della cinghia e ostacola il suo slittamento alla frenatura a contropedale.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Trasmissione a cinghia con variazione del rapporto di trasmissione continua autonoma, in particolare per biciclette, con due pulegge (puleggia motrice 1, puleggia condotta 2), modificabili nel loro diametro efficace, delle quali ciascuna è costituita da più, almeno tre segmenti (5 rispettivamente 6) precaricati da molla (molle 8) sfalsati uniformemente in direzione circonferenziale, supportati in maniera mobile su una mensola (3 rispettivamente 4) associata, supportata in maniera girevole sul telaio (asse A), fra arresti radialmente interni ed esterni, caratterizzata dal fatto che i segmenti (5 e 6) sono supportati in maniera orientabile (articolazione girevole 7) sulla mensola associata (3 rispettivamente 4) alla stessa distanza radiale dall'asse di rotazione (A), e che a ciascuno è associata una molla di compressione (8) fra segmenti vicini (5 rispettivamente 6).
2. 2. Trasmissione a cinghia secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che sulla puleggia motrice (1) ciascun segmento (51) è eseguito come leva a un braccio, che con la sua estremità posta in direzione di rotazione (V) davanti è supportata nell'articolazione girevole (7) sulla mensola (3), e con la sua estremità posta in direzione di rotazione (V) dietro si appoggia tramite la molla (8) sul segmento (52) successivo a distanza (a) dal suo supporto (articolazione girevole 7) fra le estremità di leva.
3. 3. Trasmissione a cinghia secondo la rivendicazione 1 oppure 2, caratterizzata dal fatto che sulla puleggia condotta (2) ciascun segmento (61) è eseguito come leva a due bracci, che è supportata fra le sue estremità di leva nell'articolazione girevole (7) sulla mensola (4), e rispetto ad una linea (S secondo la figura 1) radiale, estendentesi attraverso il suo supporto (articolazione girevole 7) in direzione di rotazione (V) davanti come braccio di leva presenta un pezzo di arco più corto che in direzione di rotazione (V) dietro, e che il raggio efficace rispetto al suo supporto (articolazione girevole 7) aumenta in entrambe le direzioni circonferenziali dalla linea (S) estendentesi radialmente.
4. 4. Trasmissione a cinghia secondo le rivendicazioni 2 e 3, caratterizzata dal fatto che la puleggia condotta (2) è eseguita senza molle.
5. 5. Trasmissione a cinghia secondo una delle rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzata dal fatto che su ciascun segmento (5 e 6) della puleggia motrice (1) rispettivamente condotta (2), la superficie efficace (9) prevista per l'impegno con la cinghia è un'evolvente.
6. 6. Trasmissione a cinghia per biciclette secondo una delle rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzata dalla combinazione con un freno a contropedale.
7. 7. Trasmissione a cinghia per biciclette secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzata dalla combinazione con un cambio sul mozzo.