CN1006772B - 杆驱动式自行车的驱动机构和变速机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于杆驱动式自行车的驱动机构。一个由踏板、一对臂、一个枢轴和一对杆组成的部件，安装在主轴上，链条安装在链轮上，该链轮由一对单向离合器与装在后轮轴上的轮毂连接。链条和臂连接，当乘车者踏动踏板，杆臂作上下摆动时，链条作往复运动。

Description

本发明涉及杆驱动式自行车的驱动机构和变速机构。

本发明尤其适用于将驱动杆的上下运动产生的力通过链条和链轮传输到后轮来驱动的自行车，而自行车的变速是由改变连接链条和变速臂的连接杆的位置来获得的。应该理解到“自行车”一词还包括其他以同样方式驱动和具有不同数量的轮子的车辆，例如三轮车等。

传统的自行车大部分是由曲柄脚蹬的环形运动来驱动的。然而，曲柄的360°旋转只有很少一部分用来推动自行车，而转动的其余部分则被浪费掉了。因此骑车者在相同的行车条件下要消耗更多的能量并很快感觉到疲倦。由于驾驶传统的自行车时，脚蹬的行程不能调节非转一整圈不可，如果骑车者的体力条件不适合于曲柄脚蹬的环形转动行程就会感到不舒服。另外，传统自行车的变速要采用安装在同一轴上的各种尺寸的链轮，结构复杂、笨重，需要较大的运动能量。因为行走时链条会与变速轮脱开，所以经常需要停车重装链条。

虽然有人建议过由驱动杆的上下运动来驱动的杆驱动式自行车，但是把运动能量传输到后轴的机构还不能令人满意。经常把扇形齿轮（fantype    gear）或者齿条连接到驱动杆上并和安装在后轮的转轴上的传动齿轮啮合。自行车由齿条或扇形齿轮的重复前后运动或上下运动来驱动。当运动在驱动杆的最顶位置或最底位置停止时，齿条或扇形齿轮的动量以冲击的形式传输到后轮的齿轮上。这样，驱动就伴随着重复的严重冲击，并且容易出现不稳定的现象。特别是，驱动机构中活轮的卡爪和棘 爪由于严重的重复冲击接合和分离而迅速的磨损甚至损坏。另外，由改变变速杆的长度来获得变速，使后轮传动的扇形齿轮或齿条的连接杆上的连接销插入到变速杆上一排槽孔中的一个槽孔内，该变速杆由变速钢丝带动上下移动，而变速钢丝又是由上下驱动速度控制杆来操纵的。然而连接销在运行时承受相当大的负荷，该负荷在速度控制杆作拉引运动时会加重，在此重载之下，很难用手来操纵小的速度控制杆以移动连接销。骑车者在进行变速时要把车停下，自行车行进时要变速是困难的。尽管驱动这种自行车所需的能量远比由曲柄脚蹬的环形转动驱动的传统自行车所需的能量要小得多。上述的问题不利于杆驱动式自行车的实际应用。

本发明的目的是提供一种改进的杆驱动式自行车的驱动机构及变速机构以提高自行车的实用性。

根据本发明的一种实施例，两个与链轮相联的单向离合器（滚筒式活轮）安装在自行车后轮两端。链条啮合在链轮上，使用一对链条时，链条的一端最好和缠绕支撑在导轮上的往复钢丝绳连接在一起，链条的另一端最好用带有连接销的连接杆连接到驱动杆臂总成的变速臂上，变速臂和驱动杆为一整体部件，可转动地安装在主轴部分上做摆动运动。每一个变速臂上装有转动构件，它可以是用枢轴固定的三角块。这些枢轴转动构件卡住连接杆的连接销。带有凸块的控制杆可以用速度控制装置来调节，并有选择地使任一件转动构件绕枢轴转动到变速臂外面。链条连接杆上的连接销被夹持在从变速臂伸出的转动构件上。驱动杆的上下运动（摆动）使链条作往复运动。后轮就这样被链轮向前推动。变速时，变速臂上任一个转动构件被控制杆推出变速臂外面，而连接销自动的卡在伸出的转动构件的凹槽内。因此变速臂在不同的位置上和链条连接。这样，甚至自行车在行走时也可以随时变速。同时，链条的柔软性也可以减少驱动杆的上下运动停止在最高位置或最低位置时的动量所引 起的冲击。这也避免了对驱动装置（后轮上的离合器和其他机构）的严重冲击。因此，可减少这些装置出故障和损坏的可能性。用驱动杆来驱动自行车，腿部的运动能量没有浪费，驱动杆的上下运动被充分用来驱动自行车。本发明的特点是提供一种自行车，和传统自行车相比，骑车者能够更舒适更轻松地骑更长的时间。

因此，本发明提供一种用于杆驱动式自行车的驱动机构。该自行车有一带有主轴部分的车架和位于上述车架上的主轴部分后面的后轴部分。该驱动机构包括有一对装有踏板的驱动杆，一对臂，枢轴套，装在后轴部分上的后轴，装在后轴上的轮毂，一对相互间隔一定距离，装在后轴上的链轮，绕在链轮上的链条，和一对单向离合器;驱动杆，臂和枢轴套为一整体部件，一对驱动杆之一和一对臂之一与另一个杆和另一个臂之间间隔一定距离，该整体部件可摆动地装在主轴部分上;该驱动装置还包括有连接链条和臂的装置，链条的另一端与绕在一导轮上的往复钢丝绳连接，当驱动杆和臂由于加到踏板的力作用向上和向下摆动时，实现其往交运动;该单向离合器把链轮和轮毂连在一起。

另外，根据本发明的链条有两部分，各安装在上述链轮之一上，每一根链条有相对的两端，上述链条之一和上述臂之一连接，上述链条的另一根和上述另一臂连接，用一根钢丝绳把上述两链条的另一相对端连接起来。一导轮装置安装在上述车架上，可以转动用以引导上述钢丝绳。

通过变型，上述单向离合器包括有一对活轮装置，安装在上述后轴上靠近其两端的地方，可以转动并和上述轮毂及上述链轮之一啮合或分离。

上述内容和本发明的其他目的、特征、优点以及这里所推荐的实施例从下面结合附图的叙述中将会更加显而易见。

图1为按照本发明装配的自行车的整体视图。

图2为按照本发明，如图1中所示自行车的主要部分-驱动机构和 变速机构的透视图。

图3是按照本发明的轮毂和包含有滚筒式活轮的单向离合器机构的部件分解图。

图3（A）是活轮装置的侧视图。

图4（B）是活轮向前运动时的侧视图。

图4（C）是活轮向后运动时的侧视图。

图5是后轮毂和活轮装配在一起时的局部剖视图。

图6是按照本发明的实施例的变速机构的断开透视图。

图7（D、E和F）分别为变速机构在第一速、第二速和第三速时的示意图。

现参考表示本发明的实施例的附图，对本发明作一详细介绍，图1表示了一个包括有驱动杆4和变速臂3的自行车。这些驱动杆和变速臂为一整体部件，安装在自行车的前车架1底部的主轴部分2上。驱动杆4和变速臂3的部件总成可转动地安装在轴2上，以使驱动杆4通过踏板4′作上下交替运动（摆动）。驱动杆4相对于变速臂3保持一定的角度。变速臂稍微有点弯曲，其弯曲量取决于车架、和链条7″和连接杆14的尺寸。因此，连接杆沿着特定的弯曲轨迹运动，链条7″通过连接杆14与变速臂3连接。导轮13支撑着往复钢丝绳7′。单向离合器机构的活轮11a和链轮7一起安装在后车架1′底部的后轴部分2′上。如图3中的右上角所示，后轴部分2′的后轮总成是由轴5和轮毂6组成的。凸轮平板8具有若干个沿着圆柱表面等距离布置的倾斜凹槽8′。凸轮平板8与链轮7相连。每一个倾斜凹槽安装有硬滚子9和弹簧9′。凸轮平板8装置在带有卡爪10和棘爪10′的圆筒11内，卡爪10和棘爪10′组成希腊字母入的形状。活轮总成11a还装配有棘轮12。两个棘轮被装配在轴的两端。卡爪10的凸端在弹簧10″的推力下卡入轮毂6上的凹槽6′内（见图3和图4）。棘爪10′在向后运动时被棘轮12锁住。这就使卡爪10从凹槽6′内 脱开。自行车向前运动时，滚子9被压缩在圆筒11的内圆柱表面下的倾斜凹槽的狭窄部分上。这样就把链轮7上的动力通过圆筒11传输到轮毂6上（见图3、4和5）。可以多设几个凹槽6′以便在继续向前运动时能够更快速地重新啮合。

链条7″与轴5两端的链轮7啮合。这些链条的一端与绕在导轮13上的往复钢丝绳7′连接。链条的另一端即自由端和连接杆14连接。每一根连接杆各用连接销14′和变速臂3连接，如图2所示。

每个变速臂3安装有几个沿长度方向成排配置的枢轴转动构件，这些转动构件为三角块15的形状，安装在固定支点上。每个三角块在其三角形两条边的顶点上开有“U”形槽15′。用支撑销16来形成枢轴连接。弹簧16′把三角形构件15向下推移到臂的底部去（见图6和7）。在每个臂里配置有凸轮条17在三角形构件15下面作长度方向移动。凸轮条17的凸块17′的数目和三角形构件15的数目一样多。凸轮条和钢丝绳19′连接。钢丝绳绕过卷筒18′由速度控制旋钮18所转动。旋钮18装配在圆筒上，该圆筒安装有被弹簧18′′′′所推移的圆珠18″′，圆珠被推移压靠到卷筒18′的孔18″上。通过转动速度控制旋钮18，凸轮条17向左或向右移动，如图6和7所示。三角形构件15的任一件被凸轮条17上的凸块17′推起并伸出到变速臂3的边缘外，连接销14′可在该边缘上移动。这样，连接杆14自动的卡入伸出的三角形构件15的“U”形槽15′内。通过连接杆14在变速臂3的不同位置上的连接实现了速度的改变。

图3中，一组滚珠20装在座21内并且由滚珠座圈23托住，再用螺母23将其装在轴5上。

骑自行车时，骑车者坐在座鞍上，握住车把，把脚放在左右踏板4′上。骑车者作重复上下运动（摆动）。变速臂3按照其和推动杆4构成的角度作重复的向前和向后移动。两根变速臂交替牵引连接杆14使链条7″作前后往复运动。链轮7以两个方向交替转动。如果链轮7顺时针转 动，凸轮平板也以相同方向转动，滚子9向上滚入到邻近槽8′的倾斜面的狭窄空间中去，紧紧的卡在活轮11a的圆筒11的内圆柱表面上。这样迫使圆筒11和活轮11a转动。这时，由于圆筒11内的卡爪10的凸端卡在轮毂6的凹槽6′内，如图4（B）所示，因此轮毂6也以相同方向转动带动自行车向前移动。

如果链轮7被链条7″反向转动，或者当自行车滑动时链轮7静止不动，在凸轮平板凹槽内的滚子9向下滚到凹槽的较宽部分并脱离开活轮11a的圆筒11。因此链轮7的反向转动没有传到圆筒上，轮毂6由于旋转动量仍然向前转动，而不受链轮7反向转动的影响。当链轮7重新向推进方向转动时，凸轮平板8和圆筒11又夹持在一起把力传输到轮毂6上。因此，推动杆4作上下运动时，所产生的力被传输到链轮7和安装在后轴5两端的活轮11a去，自行车就连续地向前行驶。

需要变速时，转动速度控制旋钮18，凸轮条17被移动，推动变速臂3中配置成行的许多三角形构件15中最靠近轴2的第一个三角形构件15，如图7（D）所示。这样，连接杆14上的连接销14′就由连接杆自身的重量和变速臂3的运动面自动的卡入第一三角形构件15的“U”形槽15′内，结果形成最低速的第一速。如图7（E）所示，第二个三角形构件15被推出，连接杆14上的连接销卡入到第二个三角形构件15上，获得了稍微快些的第二速。如果第三个三角形构件15被推出而连接销14卡入到第三个三角形构件上，如图7（F）所示，就获得了更快些的第三速。按这种方式，变速旋钮被转动，卡在变速臂上的连接销14′的位置被改变以改变变速臂的有效长度，从而获得了所需要的变速。

当自行车向后运动，其轮子反向转动时，棘爪10′卡入棘轮12的一个齿上并把卡爪10向上推从轮毂6的方凹槽6′中脱离开，如图4（C）所示。这样，只有轮毂6转动而活轮11a和链轮7不转。因此自行车和传统自行车一样，能够向后行驶的滑行而不引起驱动杆的上下移动。

按照本发明的自行车和传统的自行车以及其他杆式驱动的自行车相比具有下面的优点，因为自行车的设计使得滚筒式活轮和链轮连接在一起，安装在后轴的两端，链条安装在链轮上提供往复运动。和链条相连的连接杆与和驱动杆组成一体的变速臂连在一起。自行车由踏板的上下运动来驱动。该运动的角度可以按照骑车者的体力条件和方便情况来确定。这样，骑车者就可以更加舒服和轻松。同时，由驱动杆上下运动所传递的力可以通过链轮和活轮充分地传输到轮毂去。这样，能量没有浪费，骑自行车时只需很小的力。此外，使驱动杆上下运动的腿部运动和人平常行走的动作相似。因此，甚至初学者都可以不用任何特殊的训练，而以和行走相同的方式来操作自行车。由于链条的柔性可以减少变速臂向前向后运动停止在前、后极限位置时其动量所引起的冲击，可以避免对后轴部分的驱动装置的严重冲击。通过滚筒式活轮可平滑地传输动力。驱动装置的可靠性和寿命提高了，自行车运行的时间可以加长。

另外，很多三角形构件用枢轴成排安装在变速臂上，其任何一个可由速度控制旋钮操纵的凸轮条有选择的推出变速臂外，连接杆端部上的连接销卡入到伸出的三角形构件上，因此甚至自行车在行走时，也可获得所需要的变速。车速取决于路面情况，例如上坡和下坡，以保证骑车时更舒适和更方便。

Claims (11)

1、一种用于杆驱动式自行车的驱动机构，该自行车有带有一个主轴部分(2)的车架和位于主轴部分(2)后面的后轴部分(2′)，该驱动机构包括有一对装有踏板(4′)的驱动杆(4)，一对臂(3)，枢轴套，装在后轴部分(2′)上的后轴(5)，装在后轴(5)上的轮毂(16)，一对相互间隔一定距离装在后轴(5)上的链轮(7)，绕在链轮(7)上的链条(7″)，和一对单向离合器，其特征是驱动杆(4)，臂(3)和枢轴套为一整体部件，一对驱动杆(4)之一和一对臂(3)之一与另一个杆和另一个臂之间间隔一定距离，所述整体部件可摆动地装在的主轴部分(2)上；该驱动机构还包括有连接链条(7″)和臂(3)的装置；链条(7″)的另一端与绕在一导轮(13)上的往复钢丝绳连接，当驱动杆(4)和臂(3)由于加到踏板(4′)的力作用向上和向下摆动时，实现其往复运动；所述单向离合器把链轮(7)和轮毂(6)连在一起，使后轴(5)可作自由的逆时针方向转动，每个单向离合器包括有一个装有如希腊字母

形状的卡爪(10)和棘爪(10′)的圆筒(11)，在所述轮毂(6)上有一个凹槽(6′)，卡爪(10)可以插入或脱出该凹槽6′和一个带有装在圆筒(11)内的滚子(9)的活轮装置(11a)，活轮装置(11a)可转动地安装在后轴(5)上并可以和轮毂(6)啮合和松开。

2、根据权利要求1的驱动装置，其特征是所述单向离合器包括一对活轮装置（11a），其中至少有一个滚子（9），活轮装置（11a）可转动地安装在后轴（5）上并可以和轮毂（6）及链轮（7）之一啮合和松开，每一个活轮装置还包括有一个凸轮平板（8），活轮装置（11a）之一和链轮（7）之一也互相连接在一起，每一个活轮装置（11a）的平板形凸板（8）放置在圆筒（11）内部，至少有一个面向圆筒（11）内周表面的凹槽（8′），滚子（9）放置在凹槽（8′）内，圆筒（11）内有一个棘轮（12），该棘轮（12）固定在后轴（5）上，用驱轴将卡爪（10）安装在圆筒（11）上，卡爪可绕枢轴在圆筒（11）径向方向上转动，轮毂（6）上的凹槽（6′）用来卡住卡爪（10），并可松开卡爪（10），棘爪（10′）和棘轮（12）啮合，并用枢轴安装在卡爪（10）上，当自行车向前和向后运动时，根据后轮（5）和轮毂（6）的转动方向，分别使得卡爪（10）绕枢轴转动，卡入或离开凹槽（6′）。

3、一种用于杆驱动式自行车的驱动机构，该自行车有带有一个主轴部分（2）的车架和位于主轴部分（2）后面的后轴部分（2′），该驱动机构包括有一对装有踏板（4′）的驱动杆（4），一对臂（3），枢轴套，装在后轴部分（2′）上的后轴（5），装在后轴（5）上的轮毂（16），一对相互间隔一定距离，装在后轴（5）上的链轮（7），绕在链轮（7）上的链条（7″），和一对单向离合器，其特征是驱动杆（4），臂（3）和枢轴套为一整体部件，一对驱动杆（4）之一和一对臂（3）之一与另一个杆和另一个臂之间间隔一定距离，所述整体部件可摆动地装在的主轴部分（2）上;该驱动机构还包括有连接链条（7″）和臂（3）的装置;链条（7″）的另一端与绕在一导轮（13）上的往复钢丝绳连接，当驱动杆（4）和臂（3）由于加到踏板（4′）的力作用向上和向下摆动时，实现其往复运动;所述单向离合器把链轮（7）和轮毂（6）连在一起;臂（3）是变速臂，每个变速臂（3）有长度方向的边缘，连接链条（7″）和臂（3）的装置包括有连接杆（14），其上的销子（14′）可移动地放置在臂（3）的长度方向的边缘上，每个臂（3）安装有若干个转动构件（15），沿着臂（3）的长度方向互相有一定间隔地配置，每个构件（15）可以绕枢轴在所述长度方向边缘上下转动，以卡住或松开销子（14′），每个臂有一个条（17）可在臂长度方向上移动，条（17）有若干纵向隔开凸起的可沿构件的另一侧依次和不同的构件（15）啮合的装置，所述依次啮合的装置沿着上述条（17）的长度方向间隔一段距离，用以使转动构件（15）和销（14′）啮合，来改变臂（3）的有效长度。

4、根据权利要求3的驱动机构，其特征是每一个构件（15）沿其一个边有一个凹槽（15′），销子（14′）卡在其中并可脱开，该依次啮合装置是若干个凸起（17′），每个凸起沿着构件（15）的另一侧，与不同的该构件（15）中的一件啮合，依次以凸起将各个不同的构件移至所述长度边缘之上或之下使凹槽（15′）与该销（14′）啮合，以改变变速臂（3）的有效长度。

5、根据权利要求3的驱动机构，其特征是它还包括有装在车架（1）上的速度控制装置，与条（17）连接以推动条（17）。

6、根据权利要求4的驱动机构，其特征是构件（15）通常是三角形的，具有三个边。

7、根据权利要求6的驱动机构，其特征是臂（3）具有沿长度方向延伸的长槽。三角形构件（15）的一个边是由三角形构件（15）的三侧面中的两面确定的，凹槽（15′）在两侧面的顶点上，三角形构件（15）的相对边是三角形构件的第三侧面，上述第三侧面对着上述长槽底，条（17）放置在上述第三面和上述底之间，在靠近上述第三边和上述两条边中之一边所形成的顶点的地方，用枢轴（16）安装构件（15）。

8、根据权利要求3的驱动机构，其特征是该驱动机构还包括有弹簧（16′），推移构件（15），使之和条（17）啮合，而弹簧臂（17′）推动条（17）沿着臂（3）的一个长度方向移动。

9、根据权利要求8的驱动机构，其特征是该驱动机构还包括有变速旋钮（18）和连接旋钮（18）和条（17）的钢丝绳（19）。

10、根据权利要求3的驱动机构，其特征是依次啮合装置是多个构件，其数量至少和构件（15）的数量相等。

11、根据权利要求3的驱动机构，其特征是每个臂（3）都有在其长槽内配置成一排的转动构件（15），及也放置在臂（3）内而在构件（15）下面的条（17）、控制纲丝绳（19）、通过控制纲丝绳（19）与条（17）相连的变速控制装置，当操纵所述变速控制装置时，被选择的一个构件（15）被向上推出到臂（3）的纵向边缘之外，以卡住连杆（14）的销子（14′）。

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