CN100404365C - 人力车单边摆动式外限位踏杆驱动机构 - Google Patents

Abstract

人力车单边摆动武外限位踏杆驱动机构。缩短现行车曲柄中心距，在中轴曲柄外端设曲柄肖，滚轮通过轴承固定在曲柄肖上，当踏动具有单工作边的摆动式踏杆时，滚轮带动曲柄，使中轴旋转驱动，而下位曲柄上的滚轮由下向上带动低位踏杆上行实现曲柄联动。本发明专设了踏杆终位的强制限位装置，踏杆空程控制在总踏距5%之内，和对踏杆滚轮采取了定位连接措施，有效提高了驱动效率。本发明结构简单，零件少，重量轻(平均单重2.5公斤)、成本低，使人力的有效利用率比现行车提高50%，最高速度为现行车的1.2倍，在传动比相同时省力三分之一，适用于各种方向蹬踏的自行车等人力车辆，并可用于电动自行车的人力驱动，而不使车速下降。

Description

人力车单边摆动式外限位踏杆驱动机构

一、所属技术领域

本发明属于运输工具，B62M1/04类，人力车单边摆动式外限位踏杆驱动机构。

二、背景技术

当前，人们普遍使用的自行车是由脚踏曲柄圆周旋转启动和运行的。这种动力发动方式使人力的有效利用率不足百分之七十，且在当曲柄与地面接近垂直时形成死角，使启动困难，传递功率降至零。为克服这个缺点，已出现了许多方案，其中专利号为ZL02229919·X名称为人力脚踏车踏杆式驱动装置的实用新型专利，其脚踏力通过摆动式踏杆的直线边和滚轮对设于中轴曲柄外端的曲柄销施压，驱动中轴旋转和实现踏杆联动。该对比文件的技术方案存在如下缺陷：一是踏杆的空程大，有效踏距减小，使曲柄的有效输入功减小，由于空程大小与踏杆轴心和中轴轴心的距离成反比，为减小踏杆空程，对比文件采用了加大轴心距离，把踏杆旋心设在后轴轴心的措施，虽然相对减小了空程，提高了曲柄有效输入功，但却加大了机构尺寸，增加了踏杆重量，另外由于普通车的后轴较细(一般仅为10毫米)显然难以承受踏杆驱动时的反力。如果此处采用特殊结构来解决，又因后轴需经常调整(调档、调链、拆卸后车轮等)，故这种设置存在一定问题，难以实现。二是该方案在踏杆下踏的过程中，由于踏杆与滚轮之间没有定位或连接措施，时常发生瞬时脱开现象，使骑行者有脚的踏动跟不上滚轮旋转的直觉，在行驶阻力小时，这种现象更为明显，试验表明这种踏杆和滚轮无定位连接措施，将使曲柄的有效输入功平均下降百分之八。

三、发明内容

1、发明目的

本发明的目的是提供一种能使人力的有效利用率比现行车提高50％，人力作功的功率是现行车1.5倍而又相对简单实用，成本低廉的人力车单边摆动式外限位踏杆驱动机构。

2、发明的技术方案

本发明人力车单边摆动式外限位踏杆驱动机构其特征在于含有：中轴1、下平叉三角架2、固连组件3、左、右踏杆轴或踏杆套4、4′，左、右曲柄5、5′，左、右曲柄销6、6′，轴承7、7′，滚轮8、8′，左、右踏杆9、9′，左右限位装置10、10′，左、右脚蹬11、11′，左、右加固杆12、12′，弹性元件13、13′，左、右曲柄5、5′固定在中轴1两外端，互为对称，其外端设固定的左、右曲柄销6、6′，轴承7、7′内孔固定在曲柄销6、6′上，外圆固定在滚轮8、8′的内孔中，当人力踏动摆动式踏杆9、9′时，脚踏力经单工作边作用设在由轴承7、7′固定于曲柄销6、6′上的滚轮8、8′，使曲柄5、5′旋转，实现中轴驱动，本发明人力车单边摆动式外限位踏杆驱动机构的特征是曲柄的铅垂位置是由设在踏杆和车体之间的限位装置10、10′对终位踏杆实行强制限位而实现，曲柄启动角γ_o＞15°，曲柄终位传动角γ_t＝φ-γ_o，φ为踏杆有效摆角。

本发明人力车单边摆动式外限位踏杆驱动机构，其特征是踏杆的终位限位装置10、10′有两种限位方式，一种是限位装置固定在车体或踏杆9、9′上，靠外伸的限位突缘实现限位，另一种是限位装置由二可伸缩且具有限位凸缘的中间零件构成，其外端分别与车体和踏杆9、9′铰接固定，以凸缘相互接触实现限位。

本发明人力车单边摆动式外限位踏杆驱动机构，其特征是踏杆与滚轮有两种连接方式，一种是踏杆的下部既为工作边，并在踏杆9、9′和车体之间外设弹性元件13、13′，另一种是在踏杆下部设与滚轮成动配合的封闭环形槽。

四、附图说明

附图1：为现行车开式踏杆组成的驱动机构示意图

附图2：为本发明与背景技术的工作对比示意图

附图3：为本发明的受力求功图

附图4：为摆动式踏杆工作过程示意图

附图5：为现行车闭式踏杆组成的驱动机构示意图

附图6：为开式踏杆组成的倾斜踏动自行车示意图

附图7：为闭式踏杆组成的倾斜踏动自行车示意图

五、具体实施方式

从附图1可见限位装置10、10′设在下平叉2上，其限位凸缘从平叉管外伸，其顶面与下位踏杆后端下部接触，实现踏杆限位。开式踏杆由其下部外伸杆杆端和货架立管间设的拉力弹簧13、13′实现踏杆和滚轮的弹性压力接触连接。

附图6是把图1中的开式踏杆驱动机构以中轴轴心为轴机构整体旋动α度后直接构成，其限位装置10、10′由设在前端加固杆12、12′上的外伸凸缘构成，由其顶面与下位踏杆后端下部接触实现下位踏杆的限位。

附图5的限位装置与图1中相同，闭式踏杆封闭的环形槽上边为直线工作边，槽的两端为圆弧，其半径为d/2，槽的长度A′＝2R+d+(3～5)，槽的下边两端为直线，中间为上凹的圆弧，其半径为 $R^{\′}=R+\frac{d}{2}+(0.3~0.5),$ 圆弧下顶点到上直线工作边距离为B′＝R+d-Rcos_γt+(0.3～0.5)，上下直线部分的距离为B″＝d+(0.3～0.5)。(单位：毫米)

附图7是图5中的闭式踏杆组成的驱动机构，以中轴轴心为轴机构整体旋转α度后而构成，其限位装置及其设置与图6相同，而闭式踏杆组成及各部份尺寸与图5中示出的相同。

图2是本发明与背景技术工作对比示意图，图中的有关参数如下：(长度单位：毫米，角度单位：度，力的单位：公斤)

L-本发明踏杆长            L_o-对比技术踏杆长

h-本发明有效踏距          h_o-对比技术有效踏距

Δh-本发明踏杆空程        Δh_o-对比技术踏杆空程

ψ-本发明踏杆有效摆角     ψ_o-对比技术踏杆有效摆角

δ-本发明踏杆空程角       δ_o-对比技术踏杆空程角

h_总-踏杆总踏程            R-曲柄中心距

A-踏杆和曲柄旋心距        d-滚轮直径

S-本发明踏杆有效弧长      S_o-对比技术踏杆有效弧长

β-踏杆高位时曲柄与铅垂线交角

φ-本发明下位曲柄空程角、 φ＝2γ_t

γ_o-本发明踏杆在工作始位时对曲柄的力的传动角(启动角)

γ_t-本发明踏杆在工作终位时对曲柄的力的传动角

F-垂直地面的脚踏恒力

A0K-过曲柄旋心的水平线

00t-过曲柄旋心的铅垂线

虚直线：BZ-方案2的下曲柄滚轮与止位踏杆BF恢复接触时的上位踏杆位置

BN-方案1的踏杆在高位BC时，下位踏杆位置

BM-方案2的踏杆在高位BH时，下位踏杆位置

线段：BH-方案2踏杆高位

BC-方案1踏杆高位

BD-方案1踏杆始位(开始工作)

BG-方案2踏杆始位(开始工作)

BE-方案1踏杆终位

BF-方案2踏杆终位

在附图2中，为简化起见以通过踏杆旋心B的线段表示踏杆，且踏杆的直线工作段与之重合(在踏杆中部)，并以三角块K表示本发明的踏杆限位装置。本图示出了背景技术方案(方案1)和本发明技术方案(方案2)在具有相同中心距A，曲柄半径R，滚轮直径d和踏杆总踏程h_总的情况下各自的踏杆和曲柄滚轮位置及踏杆不同的运行轨迹。

下表示出了踏杆、曲柄、滚轮在图2中的相互位置及与过曲柄旋心的铅垂线的位置关系，以便工作过程的分析：

踏杆-曲柄-滚轮对应位置表：

从上表可见：1、方案1和2踏杆的高位具有相同的曲柄参数，事实上二者是一条重合直线段(BC和BH)，既二方案具有共同的高位。(只是L＞L_o而已)。

2、方案2的踏杆终位(BF)在曲柄与铅垂线00t的交角0°～φ°内不变，(φ＝2γ_t)这说明当下位曲柄滚轮从铅垂线顺时针转动到φ角时，踏杆开始从止位上行，这从图2中的虚线圆3′的滚轮与止位踏杆BF相切，(切点3_o′)而在小于φ角的其它位置滚轮与踏杆脱离，这说明方案2的下位踏杆在到达终位后并不立即上行返回，而是有曲柄旋转φ角的停顿时间，这将造成两端踏杆此段时间内不能同步运动(联动)，这段时间就是始位踏杆从BH位转到BZ(虚线位)位的时间(此位的滚轮在3点位上，其切点为3_o)止位踏杆在此段时间内的停止，则是方案2即本发明与方案1相比较存在的唯一缺点。只要掌握和适应了这一特点并不会影响实际实施。

综观方案1和方案2可以看到二方案的工作原理均是以摆动式踏杆的单工作边压迫曲柄外端设于曲柄销上的滚轮，从而驱动中轴旋转，同时依靠另一侧曲柄上的滚轮带动处于终位的踏杆上行，而实现两侧曲柄的联动，即它们具有相同的工作原理。但二者利用曲柄工作的区域却不同，方案1是取101′线位置上的曲柄滚轮实现踏杆的始位和终位。而方案2却是取000′线位置上的曲柄滚轮实现踏杆的工作始位和终位，二者的曲柄设置成γ_t角。从图可见在踏杆总踏距相同的情况下，方案2的有效踏距明显大于方案1，单程有效踏距越大则其单程人力作功的数值将越大，则人力的有效输入功越高。如果把图中二者的有效踏距与总踏距相比较则可看到二者的明显差距。现设踏杆总踏程为350毫米(28型普通车参数)则可按图上比例量出方案1和2的有效踏距分别为：

h_o＝303·7   h＝339

则：

和

即方案1的有效踏距为总踏程的87％

方案2的有效踏距为总踏程的97％

即方案2比方案1大10个百分点。这说明本发明的技术方案在总踏程相同的条件下，单程人力有效输入功比背景技术的方案大十分之一。

另外由于方案1的空程Δh＝13％×350＝45.5(毫米)实施时，这么大的空程也使人难以适应，故从有效踏距和舒适度两方面的比较本发明技术方案均具有明显的优越性。而上述由踏杆的有效踏距取得的人力的有效功，要通过中间零件-滚轮才能传到曲柄上，形成对中轴的驱动转矩，因此保证踏杆和滚轮的正确工作位置就十分重要，这从本人在普通28单速车上实施本发明的过程中得到验证，其试验条件为：

结果如下表：

序号	有无措施	驱动方式	最短时间(分)	行驶速度(公里/小时)	与普通现行车的速度V<sub>0</sub>比较
						1		现行圆周旋转驱动	32	V<sub>0</sub>＝18.75	V <sub>0</sub>
2	无	本发明驱动	29	V<sub>无</sub>＝20.69	V<sub>无</sub>＝1.1V<sub>0</sub>
						3	有	本发明驱动	26.6	V<sub>有</sub>＝22.5	V<sub>有</sub>＝1.2V<sub>0</sub>

从表中可见无定位连接措施时的车速仅是有措施时车速的：

即有无措施车速相差达8％

已知定轴转动刚体的功率P：

又∵V＝Rω

$\stackrel{\·}{\·\·}\mathrm{\ω}=\frac{V}{R}$

从而：

$P=M\frac{V}{R}$ 其中

即功率与速度成正比变化，因而上述有无定位连接措施产生的车速变化将与其输出功率的大小成正比变化，如此则有：

∴P_无＝92％P_有

则对比文件曲柄可能取得的最大输入功率为：

P_对入＝(87％×92％)  P_人＝0.8P人  P_人-人力作功的功率

而从上述已求出的本发明作功的效率η＝98％知本发明的输入功率P_本入＝98％P_人，则本发明的输入功率是对比文件输入功率的：

这就是本发明与对比文件比较在技术上的先进性。

图3是本发明的受力求功图，出于方便的原因，图中的有关参数及其含义一律采用图2，即把图2中长度为L、摆角为φ、曲柄半径为R、滚轮直径为d，并把踏杆旋心与曲柄旋心距离BO定义为中心距，以A表示，在实测各有关尺寸的数值后，按踏距h_总＝350毫米的相同比例取得各有关参数尺寸的值如下：

L＝468.5       R＝116

A＝296         d＝42

φ＝42.3°    δ＝1.4°

γ_o＝17.5°   γ_t＝24.8°

图中的M_曲阻为作用在旋转曲柄上的阻力矩，AO为水平线。oot为其垂线，二者交点为O，F为垂直于水平线AO的恒定外力，作用在踏杆的外端点，(脚蹬中心)为简化图面及便于分析计算仅以F力作用在B2_o2′线的2′点为例对踏杆-滚轮-曲柄系统的受力进行分析，求出作用于曲柄滚轮上的外力的一般分析式，然后分别求出作用在其它踏杆各切点上的外力，以便求出踏杆单程踏动使曲柄旋转180°所作的功和功率。

现把R为半径的曲柄圆周右侧180°的半圆周六等分，各等分点分别为0、1、2、3、4、5、6并以各点为圆心d为直径作出各点位处的压力圆，然后分别从B点向各压力圆上端作圆的切线并止于以B为中心L为半径的弧

上，分别交于0′、1′、2′、3′、4′、5′、6′点，则上述各点即为与曲柄各等分点对应的踏杆外端点，如图中2′点的踏杆外端点与其对应的曲柄为02位，滚轮从2点向B2′线作垂线其交点既切点为2_o，同样可作出其它各位踏杆与压力圆的切点0_o、1_o、3_o、4_o、5_o、6_o，如设各切点至踏杆外端点的距离为K_i则有：

K_o＝0′0_o、K₂＝2′2_o、K₄＝4′4_o、K₆＝6′6_o、

K₁＝1′1_o、K₃＝3′3_o、K₅＝5′5_o、

现从曲柄旋心O分别向各压力圆的切点与圆心连线的延长线作垂线，并设各垂线长为e_i，则有：e_o、e₁、e₂、e₃、e₄、e₅、e₆(见图)

下面以踏杆处于B2_o2′位，并在2′点处施以恒外力F对踏杆、滚轮、曲柄系统的受力状态分析如下：

在曲柄旋转阻力矩M_曲阻的作用下，滚轮2将对踏杆产生-由2指向2_o的支承反力N₂，并垂直于B2′，同样踏杆也要对滚轮2沿同线施以反力F₂(虚线矢表示)F₂即为踏杆在该位作用于曲柄的主动力，它将驱动该位置曲柄克服曲柄阻力矩M_曲阻，使曲柄旋转驱动。取踏杆为隔离体，则由于踏杆左端B点固定，在踏杆上2_o点有一垂直于踏杆的支承反力N₂和外端2′点处有垂直于地面(即平行于oot线)的恒力F作用，在二力联合作用下，使踏杆处于平衡状态。现从踏杆旋心B作水平直线BM(虚线示)并与恒力F的延长线相交于P₂点，并设BP₂长为l₂，即l₂＝BP₂，如普遍的设B至交点p_i的距离为l_i。

这时力F和N₂分别对旋心B点取力矩则等式：

Fl₂＝N₂(L-K₂)成立

则 $N_2=F\frac{l_2}{L-K_2}$

普遍的有： $N_1=F\frac{l_1}{L-K_1}=-F_1...\left(4\right)$ (负号示二力反向)

上式求出了滚轮对踏杆的支承反力，而如果设曲柄-滚轮为隔离体，则踏杆将对其外施方向与N₂相反，大小为F₂的主动力，这时曲柄-滚轮系统将在曲柄旋转阻力矩M_曲阻和由F₂力对曲柄旋心O的主转矩M_2曲主的共同作用下保持平衡，由于M_2曲主＝F₂·e₂则：

普遍的则有：

上式是当踏杆在脚踏恒力F的作用下，摆动至任意位置时，作用在曲柄上的曲柄主力矩的一般公式，这样就可分别求出曲柄各等分点位置时的曲柄主转矩(M_i曲主)现分别从图上按比例量取曲柄各点位处时的K_i、e_i、和l_i的值(其中l_i图中未标注，可把对应的踏杆外端恒外力F延长并与BM虚线相交于P_i点，则量取BP_i长度既为l_i)汇总如下：

下面应用公式(6)求出曲柄在各点位处的主转矩为：

M_o曲主＝52.5F   M_1曲主＝100.2F M_2曲主＝124.5F

M_3曲主＝131.2F  M_4曲主＝127.7F M_5曲主＝102.2F

M_6曲主＝59.7F

由于曲柄各点位把曲柄半圆周分为六个等分区段既点0-1为第①区段点1-2为第②区段，......点5-6为第⑥区段，则可由已求出的二相邻点位的曲柄主转矩求得各区段的平均转矩为：

把曲柄各相邻点位的主动转矩代入上式则可求出曲柄半圆周六等分区段的各区段的平均主转矩其值如下：

M_①CP＝76.35F    M_②CP＝112.4F    M_③CP＝127.9F

M_④CP＝129.5F    M_⑤CP＝115F      M_⑥CP＝81F

因为外力作用于定轴转动刚体的功等于转矩与转角的积即：

W＝M·φ......(8)

这样即可应用上式求得曲柄各区段的功为：(式中 $\mathrm{\φ}=\frac{\mathrm{\π}}{6}$ )

W_①＝40F      W_②＝58.9F    W_③＝67F

W_④＝67.8F    W_⑤＝60.2F    W_⑥＝42.4F

则曲柄旋转半周从踏杆总踏距h＝350毫米取得的有效功为：

W_曲半＝∑W_i＝40F+58.9F+67F+67.8F+60.2F+42.4F＝336.3F(公斤·毫米)

则本发明实施例作功的效率η为：

从上述踏杆输入功的效率为98％知本发明传动损失为2％。

已知现行车圆周踏动曲柄的作功效率为η＝0.637则本发明作功的效率是现行车的倍数为：

(倍)

如取现行车驱动效率为1，则本发明的驱动效率是现行车的1.51倍。

如果设现行车的功率为1，则本发明技术方案的功率将为现行车功率的1.51倍。如果多出的功率用于提速，则可使本发明方案自行车的车速为现行车的1.2倍，即比现行车提速0.2倍(即五分之一)；如果多出的功率用于省力时，则可比现行车省力三分之一。这就是本发明的技术效果。(具体证明请查阅ZL99101685·8的发明专利说明书第14、15、16页)。

本发明采用了摆动式动力发动方式且踏杆摆角ψ≤60°，故较大提高了力的传递有效功率，形成省力快速的特点。另外由于在曲柄与地面成垂直位置时对终位踏杆实行了强制限位，减小了踏杆的空程踏距损失，由于本发明采用了开式和闭式踏杆对踏杆和滚轮采取了定位连接措施，提高了输入功效率，采用了踏杆工作始位的曲柄传力角即曲柄启动角γ₀≥15°，和曲柄终位力的传动角γ_t＝ψ-γ₀(＞＞0)，从而有效提高了驱动功率。本发明保留了现行车的传动系统和部件(仅缩短了曲柄长度)，并保留了变速车的变速系统和部件，从而最大程度的利用了已成熟的自行车现有技术，从而实现了结构简单、构件少、重量轻(平均单重2.5公斤)、成本低、继承性好和功效好。本发明适用於所有自行车和人力车、并可用於电动自行车的人力驱动，且车速可平均达到每小时16～18公里，故可明显加大其一次充电后的续行里程，而不使车速下降，当用于自行车时，最高车速可达每小时24公里，其正常车速可稳定达到每小时18～20公里，相当于电动自行车的车速，且具有车体轻、造价低、不充电、环保、节能、健身的优点。

Claims (3)

1.本发明人力车单边摆动式外限位踏杆驱动机构其特征在于含有：中轴(1)、下平叉三角架(2)、固连组件(3)、左、右踏杆轴或踏杆套(4、4′)，左、右曲柄(5、5′)，左、右曲柄销(6、6′)，轴承(7、7′)，滚轮(8、8′)，左、右踏杆(9、9′)，左右限位装置(10、10′)，左、右脚蹬(11、11′)，左、右加固杆(12、12′)，弹性元件(13、13′)，左、右曲柄(5、5′)固定在中轴(1)两外端，互为对称，其外端设固定的左、右曲柄销(6、6′)，轴承(7、7′)内孔固定在曲柄销(6、6′)上，外圆固定在滚轮(8、8′)的内孔中，当人力踏动摆动式踏杆(9、9′)时，脚踏力经单工作边作用设在由轴承(7、7′)固定于曲柄销(6、6′)上的滚轮(8、8′)，使曲柄(5、5′)旋转，实现中轴驱动，本发明人力车单边摆动式外限位踏杆驱动机构的特征是曲柄的铅垂位置是由设在踏杆和车体之间的限位装置(10、10′)对终位踏杆实行强制限位而实现，曲柄启动角γ。＞15°，曲柄终位传动角γ_t＝φ-γ。，φ为踏杆有效摆角。

2.根据权利要求1所述的人力车单边摆动式外限位踏杆驱动机构，其特征是踏杆的终位限位装置(10、10′)有两种限位方式，一种是限位装置固定在车体或踏杆(9、9′)上，靠外伸的限位突缘实现限位，另一种是限位装置由二可伸缩且具有限位凸缘的中间零件构成，其外端分别与车体和踏杆(9、9′)铰接固定，以凸缘相互接触实现限位。

3.根据权利要求1所述的人力车单边摆动式外限位踏杆驱动机构，其特征是踏杆与滚轮有两种连接方式，一种是踏杆的下部即为工作边，并在踏杆(9、9′)和车体之间外设弹性元件(13、13′)，另一种是在踏杆下部设与滚轮成动配合的封闭环形槽。

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