CONJUNTO DE BIELAS Y PEPALIER PARA BICICLETAS

La presente invención, principalmente aplicable a bicicletas, afecta a las bielas, el eje de pedalier y al soporte de estos en Ia bicicleta, recogiendo una serie de mejoras encaminadas a Ia ligereza y Ia fiabilidad de estos elementos de transmisión de potencia en Ia bicicleta.

ESTADO DE LA TéCNICA

En el mundo del ciclismo se da una permanente evolución en cuanto a Ia ligereza de todos los componentes, siempre que no se vean afectadas Ia rigidez y Ia fiabilidad, lógicamente impulsada por Ia mejora del rendimiento que permitiría un menor esfuerzo o una mayor velocidad para el ciclista.

En concreto, en Io referente a bielas, se da en Ia actualidad el uso generalizado de bielas huecas, normalmente de aluminio (US6755095, US6612033, US6508002, US6314834, US6227070, EP1120336, US5988016), y de bielas construidas en material compuesto de fibra de carbono, que suelen ir rellenas con insertos de aluminio y espuma (US7013753, US6899402, EP1571075), que si bien son más costosas y normalmente menos fiables, desde luego sí pueden llegar a ser tan ligeras como las bielas huecas de aluminio, teniendo además un reclamo especial posiblemente por tratarse de tecnologías de origen aerospacial, o simplemente por moda. En cualquier caso, puede decirse que las de aluminio, las forjadas y huecas, conllevan una mayor inversión tecnológica, asociada sólo a Ia producción de series muy altas, mientras que las de carbono están normalmente asociadas a trabajos más artesanales y series más cortas, Io cual ha abierto el mercado a más fabricantes, aunque por supuesto también haya ejemplos de altísima tecnología que ha ido llegado a Ia industria de Ia bicicleta con Ia moda del carbono, fabricando series bastante grandes.

En cuanto al pedalier, en los últimos años se ha generalizado el uso de rodamientos exteriores a Ia caja de pedalier (US6755095, DE19751879) posicionados mediante sendas cazoletas a ambos lados del tubo de Ia bicicleta que conforma dicha caja. Esto se justifica pues alivia a los rodamientos, que

pudiendo ser más grandes, están de por sí menos solicitados, y que estando más separados soportan mucho mejor el momento flexor en el eje; y además permite usar ejes de mayor diámetro, generalmente muy huecos y ligeros, pues para una resistencia a torsión dada, a mayor diámetro, menor será Ia sección de eje necesaria (y por tanto menor el peso del eje).

Esta construcción del pedalier mediante rodamientos exteriores se combina normalmente con el uso de ejes pasantes (US6755095, US2005011304), esto es, que no disponen de restricciones en su desplazamiento axial, siendo en este caso las bielas las que soportan Ia fijación axial del eje. Por tratarse de ejes pasantes, se ensamblan en su respectivos soportes de rodamientos una vez estos han sido instalados en Ia bicicleta, Io cual aporta una gran facilidad de uso a Ia hora del montaje y mantenimiento.

Puesto que el eje puede entrar siempre por uno de los lados, se suelen presentar con una configuración llamada de "eje integrado", de forma que el eje es solidario a una de las bielas, formando así una única pieza "biela-eje" de cara al usuario. En el mercado se encuentran ejes de esta forma, integrados, unos solidarios con Ia biela del lado de los platos y otros con Ia biela opuesta.

Para todos estos ejes pasantes, Ia fijación axial del eje queda determinada por Ia distancia entre bielas, que encajonan el conjunto [cazoleta]-[caja de pedalier]-[cazoleta]. Dado que dicha caja de pedalier, que es parte de Ia bicicleta, es normalmente una pieza de poca precisión, en general dicha fijación axial es una fijación incierta, que para ser resuelta se procede de dos formas diferentes:

1. Distancia entre bielas variable: que se resuelve mediante el anclaje deslizante de Ia biela no solidaria. El eje dispone en su extremo libre de un perfil de arrastre de generación cilindrica que permite desplazar Ia biela mediante un tornillo que Ia empuja para conseguir el posicionamiento axial de Ia biela, y ésta dispone de una apertura en forma de ranura para poder entrar con holgura y posteriormente abrazarse al eje mediante tornillos que dan cierre a esa ranura

(US6755095) materializando la fijación radial a Ia vez que asegurando Ia posición axial.

2. Distancia entre bielas fija: en este caso Ia biela no solidaria dispone de un anclaje fijo, apretándose mediante un tornillo de empuje contra un tope que conforma el propio eje o simplemente un anclaje cónico. Al no poderse variar Ia distancia entre bielas, Ia forma de compensar dicha incertidumbre pasa por el uso de aros toncos, arandelas de goma y arandelas onduladas (que hacen de muelle).

La primera opción es Ia solución mecánicamente más lógica y eficaz, pero hay bielas cuya construcción impide esa apertura, como ocurre por ejemplo con Ia mayoría de las bielas de fibra de carbono. También el uso de tornillos para hacer que Ia biela abrace solidariamente al eje (cerrando dicha ranura) está visto en el mercado como un exceso de peso a considerar. Lo que lleva entonces a Ia segunda opción. Entonces, dichos elementos elásticos sirven en general para absorber Ia citada incertidumbre axial, pero a veces creando una nueva incertidumbre en Io que se refiere a Ia fuerza axial o precarga sobre los rodamientos, Io cual puede ser un factor clave que limite Ia vida de dichos rodamientos.

Cabe destacar una opción que hoy sale a Ia luz: el fabricante Shimano para su modelo superior de mountainbike, el XTR, que en su versión 2003 fue el precursor de las bielas abrazadas para mountainbike (que ya se venían usando en general en las bielas de BMX), anuncia para el modelo 2007 prescindir de Ia biela abrazada con Ia excusa de eliminar peso, pasándose ahora a una distancia fija entre bielas, pero en este caso salvando Ia citada incertidumbre mediante el uso de una tuerca ranurada con tornillo de freno, similar al anillo ranurado que muestra Ia patente US2006101941 en su FIG4.

Por último también cabe hablar del sistema de cazoletas y rodamientos que dan soporte a los sistemas de bielas con eje integrado. En general los rodamientos exteriores aportan una serie de ventajas importantes ya comentadas, sin embargo las imprecisiones que aportan muchas cajas de pedalier, limitan enormemente Ia vida de dichos rodamientos. Esto es, a Ia incertidumbre de longitud axial, se unen Ia de paralelismo entre ambas caras

del tubo o caja de pedalier, donde van a apoyar las cazoletas una vez apretadas, y Ia incertidumbre de alineación de las roscas de ambos lados. Ambas ¡ncertidumbres son mucho peores que Ia de longitud, puesto que el eje se estaría soportando por dos rodamientos que no están alineados, afectando por tanto, no sólo a Ia vida útil de dichos rodamientos, sino también aumentando el rozamiento y Ia eficacia en Ia transmisión de potencia.

SUMARIO DE LA INVENCIóN

A continuación se proponen una serie de mejoras sobre los elementos anteriormente descritos, en concreto en Ia construcción de las bielas, en su anclaje al eje, en el tipo de eje, y en su ensamblaje en Ia bicicleta.

Referente a las bielas, aquí se propone una biela metálica, preferentemente de aluminio de alta resistencia a tracción y a Ia fatiga, que a fin de ser ligera y barata en su construcción, está provista de un agujero practicado en Ia cabeza de Ia biela - extremo de Ia biela opuesto al que corresponde el anclaje del pedal - y que se prolonga a Io largo del brazo de biela de forma que define una biela hueca. A fin de soportar los esfuerzos en torno a Ia entrada a dicho agujero, Ia cabeza de biela dispondrá de una protuberancia o exceso de material en su extremo, de forma que una vez practicado dicho agujero, dicha protuberancia conformará un anillo de refuerzo - perpendicular al brazo de Ia biela - capaz de transmitir correctamente los esfuerzos tangenciales que se producen al pedalear en Ia cabeza de biela en su interfase con el eje, además de los propios esfuerzos de tracción que corresponden a Ia fuerza expansiva que genera el empotramiento del eje en Ia biela.

Puesto que dicha biela dispone de tal anillo de refuerzo, no podrá tomar

Ia solución de anclaje al eje mediante una apertura en forma de ranura y tornillos que al ser apretados Ie permitirían abrazar al eje. Sin embargo por considerarse muy conveniente un anclaje deslizante para Ia fijación axial del eje, Io que aquí se propone es abandonar el concepto de eje integrado, solidario a una de las bielas, para pasar al concepto de eje "semi-integrado": una de las bielas será desmontable con anclaje convencional "a tope" o de apriete cónico, y Ia otra biela será parte conjunta del eje, pero ensamblada

mediante anclaje deslizante a fin de permitir variar Ia distancia final entre bielas, pudiendo así eliminar holguras en el conjunto de pedalier y regular Ia precarga axial de los rodamientos.

Por tanto el eje será de construcción asimétrica, y en su extremo destinado a acoplar Ia biela deslizante, se realizará preferentemente un montaje de fábrica de dicha biela, puesto que no hay necesidad de desmontaje y montaje por el usuario. Así podrá tratarse de un acoplamiento de alto apriete y poder de fijación, por ejemplo un montaje con dilatación de

Ia biela por elevación de temperatura, o mediante el uso de liquido retenedor del tipo resina anaeróbica de alta resistencia residual.

Por último, en cuanto al sistema de cazoletas y rodamientos, Ia solución que aquí se propone es dotar a cada cazoleta de una cavidad hemisférica que de asiento a un anillo de sección esférica que dé a su vez soporte al rodamiento. Dicho anillo tendrá Ia superficie interior cilindrica ajustándose al rodamiento, y Ia superficie exterior esférica pues así permite orientar el rodamiento en cualquier dirección. Ello permitirá que sea cual sea el posicionamiento entre ambas cazoletas, condicionado por las irregularidades de Ia caja de pedalier del cuadro de Ia bicicleta, los rodamientos podrán siempre quedar perfectamente alineados. Una vez alineados, Ia propia precarga de las bielas sobre los rodamientos asegurará el posicionamiento de sendos soportes.

DESCRIPCIóN BREVE DE LAS FIGURAS

• FIG.1 es una vista en perspectiva del conjunto de bielas y pedalier objetos de esta patente, ensamblados en Ia parte de Ia bicicleta que comprende Ia caja de pedalier.

• FIG. 2 muestra el conjunto anterior que ha sido retirado de Ia bicicleta, Ia biela del lado de Ia transmisión queda suelta y Ia opuesta sale solidaria al eje.

• FIG. 3 muestra desacopladas, las piezas que intervienen en Ia unión deslizante que hace solidarios en Ia FIG. 2 al conjunto eje-biela.

• FIG. 4a y 4b corresponden a una vista en sección de dicha unión deslizante en dos diferentes posiciones de regulación.

• FIG. 5 corresponde a Ia vista en planta de Ia biela contraria al lado de los platos.

^m FIG. 6 muestra los dos pasos básicos en Ia producción de esta biela cuando se mecaniza partiendo de una barra: torno y fresado.

• FIG. 7 muestra desmontadas las tres piezas que componen Ia biela del lado de Ia transmisión: brazo de biela, araña y tuerca.

• FIG. 8 en una vista en planta inferior de esta biela, muestra cómo es el perfil de arrastre para Ia araña.

• FIG. 9 muestra una cazoleta y sus correspondientes anillo esférico portador y rodamiento.

- FIG. 10 es una vista en sección del conjunto soporte de pedalier, mostrando ambas cazoletas enfrentadas y desalineadas, donde se aprecia como los rodamientos permanecen alineados.

• FIG. 11 es una vista de perfil del conjunto de Ia FIG-I, mostrando una línea de corte que corresponde a Ia sección de Ia FIG-12.

• FIG. 12 es una vista en sección del conjunto anterior según esa línea de corte.

" FIG. 13 muestra un tornillo de fijación eje-biela que incorpora un seguro de fijación.

EXPOSICIóN DETALLADA DE UN MODO PREFERENTE DE REALIZACIóN

La realización que se propone es en realidad Ia suma de varias soluciones mecánicas que afectan a las bielas y el pedalier de Ia bicicleta.

El eje de pedalier (3) dispone en su extremo izquierdo de un estriado de generación cilindrica (38), sin límites cercanos que impidan el deslizamiento de su correspondiente biela (1) en ambos sentidos, para su

posterior ajuste a Ia medida real de Ia caja de pedalier (0), de forma que evite tanto una posible holgura axial, como una excesiva carga axial sobre los rodamientos. En su extremo derecho sin embargo, dispondrá de un encastre sin tal grado de libertad, que en este caso es cónico (39) para un menor sufrimiento por desgaste - o incluso arranque de viruta como ocurre en muchos encastres cilindricos - en cada operación de desmontaje y montaje de su correspondiente biela (2).

Para el ajuste axial entre Ia biela izquierda y el eje, que permite variar Ia distancia final entre bielas, se propone el uso de un único tornillo (8) de doble rosca. Dicho tornillo puede definirse como un cuerpo roscado con cabeza también roscada, siendo Ia rosca (83) del cuerpo del tornillo de paso notablemente mayor que Ia rosca (82) de dicha cabeza. En concreto, en Ia figura 4, siendo Ia rosca del cuerpo de paso 1'5 mm y Ia de Ia cabeza de 0'5 mm, por cada dos vueltas a izquierdas del tornillo (8), el eje (3) se distanciará 2 mm de Ia biela (1), mientras el tornillo, en sentido opuesto, Io hará sólo 1 mm. Ambas roscas tienen el mismo sentido de giro, entrando el tornillo en el eje y en Ia biela desde el exterior, pues es conveniente que el diámetro de Ia cabeza sea de diámetro sensiblemente mayor al del cuerpo al tener menor longitud.

Con todo esto el conjunto de bielas y eje se presentará en configuración de eje "semi-integrado". Esto es, una biela desmontada del eje - que es algo generalizado - en este caso Ia biela derecha (2), y Ia otra, Ia izquierda (1), se presentará solidaria al eje pero con un empotramiento de avance regulable mediante dicho tornillo (8) de doble rosca. De ese modo, se puede manipular Ia distancia entre bielas sin renunciar a un ajuste eje-biela de alto apriete y se evita que el encastre deslizante se degenere durante Ia operaciones de desmontaje-montaje.

Referente a las bielas (1 y 2) se propone una solución en Ia que se parte de aleación de aluminio de alta resistencia en barra redonda de extrusión, pues presenta excelentes propiedades mecánicas gracias a Ia orientación de las fibras. Dicha barra se mecaniza en el torno para lograr Ia preforma (la) cuyo perfil de revolución es el perfil exterior de Ia biela, y se taladra para conseguir Ia oquedad deseada (10) - sin llegar a recorrer este

agujero toda Ia pieza -. Como toda Ia pieza queda paralela a Ia dirección de Ia fibra del metal, orientada en Ia dirección de extrusión, se aseguran las altas propiedades del metal de origen. Dicha preforma dispone en su único extremo a perforar de una protuberancia que una vez practicado el agujero conforma un anillo (11), imprescindible refuerzo para esta apertura. Se trata pues de una biela recta en su forma primitiva.

Posteriormente se mecaniza por fresado para llegar a su forma final (1 ó 2 en cada caso).

En el inicio del agujero (10) se propone practicar un roscado que permita Ia colocación de un tapón (11), que además de tapar el agujero, por limpieza y estética, podría servir para reforzar Ia fijación eje-biela-tornillo (3- 1-8, ó ,3-2-9).

En el caso de Ia biela derecha (2), esta dispondrá de un rebaje mecanizado conformando así un engranaje (222) de arrastre para acoplar Ia araña correspondiente (22), encargada de acoplar platos para Ia transmisión por cadena, y también dispondrá de Ia rosca necesaria para Ia tuerca de cierre (23) de Ia araña. Dicho perfil de engrane afectará sólo a los flancos laterales de Ia biela (2), para no interferir con el agujero que Ia atraviesa.

También se propone el uso de un tornillo de doble rosca para el montaje de Ia biela derecha, más bien por mantener una simetría de comprensión para el usuario de Io que ocurre en Ia biela opuesta, aunque también permite ahorrar algo de peso, aportando mayor finura de manipulación y mayor seguridad para impedir que se afloje el tornillo, gracias a Ia desmultiplicación del paso de roscas. En el diseño, Ia rosca del cuerpo del tornillo es de paso 1 mm y Ia de Ia cabeza de paso 0/5 mm, Io que da un avance por vuelta de 0'5 mm entre el eje y Ia biela.

En cuanto al conjunto soporte de pedalier que incluye los rodamientos, se propone un sistema de rodamientos exteriores compatible con los sistemas de bielas integradas existentes, pero con Ia particularidad de que cada rodamiento (43) asienta sobre un anillo portador (42) con superficie exterior esférica que hace las veces de rótula con una cavidad también esférica

practicada en Ia cazoleta (41). Ello permitirá que sea cual sea el posicionamiento entre ambas cazoletas (41 y 41'), condicionado por las irregularidades de Ia caja de pedalier (0), los rodamientos (43 y 43') podrán siempre quedar perfectamente alineados. Una vez alineados, Ia propia precarga en el montaje de las bielas sobre los rodamientos, asegurará el posicionamiento de sendos anillos esféricos portadores.

OTRAS POSIBILIDADES

Cada una de las soluciones anteriores es válida por separado. En concreto el uso de un eje semi-integrado puede ser una solución muy efectiva para el caso de las bielas de fibra de carbono, que hasta ahora mantienen una distancia fija entre bielas; las bielas ahuecadas mediante taladro con anillo de refuerzo en Ia cabeza de biela son una solución simple por sí solas para ahorrar peso; y las cazoletas auto-alineantes son válidas para cualquier otras bielas del mercado con rodamientos exteriores.

Como seguro de fijación para los tornillos de doble roscas (8) o (9), se puede hacer uso de un tornillo de seguridad (88 en FIG-13) alojado su cabeza y atravesándola, de forma que pudiera apretarse para hacer de freno una vez el tornillo de doble rosca alcanzara Ia posición deseada. Este tornillo de seguridad podría además colocarse en distintas posiciones angulares de dicha cabeza, por ejemplo 8 alojamientos posibles regularmente espaciados, que combinando con las nueve estrías (18-38) para el anclaje del eje, permitieran un fino ajuste donde el tornillo de seguridad podría fácilmente - cada 2'5° - combinar uno de sus posibles alojamientos con una de las ranuras haciendo entonces una función de pestillo y no de freno. Con esta solución, los tornillos de doble roscas pueden ser una solución ideal para todo tipo de anclajes deslizantes eje-biela incluso aunque no se trate de un montaje de alto apriete.

Otra biela correspondiente a esta invención se construiría también a partir de una biela ahuecada mediante el taladro descrito anteriormente, a Ia cual se enfunda el brazo de biela con una manga de fibra de carbono y resina, resultando finalmente una biela hueca de aluminio, con un revestimiento de material compuesto.