CN101100214A - 一种驱动轮式装置的方法及应用该方法驱动的自行车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轮式装置的驱动技术，特别是一种驱动轮式装置的方法及应用该方法驱动的自行车。该轮式装置包括具有棘轮的驱动轮，其特征在于：用直线运动的齿条驱动棘轮进而驱动轮式装置。该自行车的驱动轮应用如上所述的驱动方法。藉由上述发明方法和结构：在用直线运动的齿条驱动的轮式装置中，人的腿力能100％形成驱动轮式装置前进的力矩，机械效率高于传统的踏板链轮驱动的轮式装置。因此，用直线运动的齿条驱动的自行车骑行省力，前进速度快，娱乐性强，健身效果也更好。

Description

一种驱动轮式装置的方法及应用该方法驱动的自行车

技术领域

本发明涉及轮式装置的驱动技术，特别是一种驱动轮式装置的方法及应用该方法驱动的自行车。

背景技术

自行车的问世已有200多年的历史，其间经过了许多变革。1885年英国人发明了前后轮一样大的自行车，将带曲柄和踏板的链轮放置在前后轮中间。人脚蹬踏板，曲柄带动链轮，链轮通过链条带动后论转动，驱动自行车前进。人脚向下蹬踏板，踏板作圆周运动，链轮通过链条驱动白行车前进的模式至今没有改变。该驱动模式被广泛应用于自行车、人力三轮车等轮式装置中。

现在分析踏板链轮驱动系统的效率问题。请看图1，图1是踏板受力分析示意图，图中1是踏板，2是曲柄，3是链轮，踏板1作圆周运动时半径与垂线之间夹角为θ角。踏板1作圆周运动时，踏板1受到来自人腿的向下作用力F，F被分解为沿圆周切线方向的切向F₁和沿圆周法线方向指向轴心的法向力F₂。切向力F₁形成了驱动白行车前进的力矩，法向力F₂因方向指向轴心无法形成力矩而被浪费了。当从0到π区间人腿力做功，切向力F₁驱动自行车前进，从π到2π区间是回程人腿力不做功。在0到π区间自行车依靠人左右腿交替发力做功，其切向力F₁驱动车轮前进。

当θ角在从0变化到π时求F₁的平均值

从图l可知：

F₁＝FSinθ

${\stackrel{\‾}{F}}_1=\frac{F}{b-a}\underset{a}{\overset{b}{\∫}}\mathrm{Sin\θd\θ}=\frac{F}{\mathrm{\π}-0}\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}\mathrm{Sin\θd\θ}$

${\stackrel{\‾}{F}}_1=\frac{F}{\mathrm{\π}}(-\mathrm{COS}{\mathrm{\θ}|}_0^{\mathrm{\π}})=\frac{F}{\mathrm{\π}}[-(-1-1)]$

${\stackrel{\‾}{F}}_1=\frac{2}{\mathrm{\π}}F\≅0.637F$

从上式可知传统的踏板链轮驱动的轮式装置中，来自人腿的作用力F平均只有63.7％形成驱动轮式装置前进的力矩，36.3％被浪费了。

发明内容

本发明的目的是提供一种驱动轮式装置的方法及应用该方法驱动的自行车，主要解决上述现有技术中所存在的缺陷，具有骑行省力，前进速度快等优点。

为实现上述发明目的，本发明是这样实现的：

一种驱动轮式装置的方法，该轮式装置包括具有棘轮的驱动轮，其特征在于：用直线运动的齿条驱动棘轮进而驱动轮式装置；该棘轮的结构同传统自行车后轮轴固定着的棘轮(即俗称“飞”的自行车零件，由于是众所周知的自行车零件，这里不再描述其原理或内部结构)是一样的。

所述的驱动轮式装置的方法，其特征在于：该齿条啮合在棘轮一侧，并在啮合处的切线方向进行直线运动，棘轮与传统自行车棘轮规定的转动方向也是一致的：即当齿条啮合在棘轮左侧时，齿条向下运动棘轮就带动车轮转动，使车轮滚动前进，齿条向上运动棘轮不影响车轮的正常转动。

所述的驱动轮式装置的方法，其特征在于：该齿条上连接有踏板。

所述的驱动轮式装置的方法，其特征在于：该齿条的直线运动方向与地面垂直。

一种自行车，其特征在于，其驱动轮应用如上所述的驱动方法。

所述的自行车，其特征在于：它包括车架、龙头把手、前轮、后轮、后轮叉和车座，在后轮叉左右臂的内侧各固定一套齿条驱动装置；该齿条驱动装置包括一安装在金属管内的能在金属管内部上下运动的齿条、安装在后轮上的棘轮和连接齿条的踏板；该金属管在与棘轮相交处开有弧形口子，让金属管内部的齿条与棘轮啮合。

所述的自行车，其特征在于：该金属管内设置一弹簧，该弹簧上端固定在金属管顶端，下端与齿条上端连接。

所述的自行车，其特征在于：该金属管下半部的外侧开有长条口，使踏板可以向下运动。

藉由上述发明方法和结构：在用直线运动的齿条驱动的轮式装置中，人的腿力能100％形成驱动轮式装置前进的力矩，机械效率高于传统的踏板链轮驱动的轮式装置。因此，用直线运动的齿条驱动的自行车骑行省力，前进速度快，娱乐性强，健身效果也更好。

另外，如果轮式装置驱动车轮的直径足够大，为使重心降低，行驶稳定，踏板也可以安装在齿条的下端。人腿发力使踏板向下运动，踏板通过齿条拉动棘轮转动，带动车轮转动使轮式装置前进。

附图说明

图1是踏板受力分析图。图中1是踏板，2是曲柄，3是链轮。F是人的腿力，F₁是F的切向分力，F₂是F的法向分力。θ是半径与垂线之间夹角。

图2是直线运动的齿条驱动轮式装置的示意图。图中1是踏板，4是齿条，5是棘轮，6是车轮。人脚向下蹬踏板1，带动齿条4向下运动，棘轮5驱动车轮6转动，轮式装置向前运动。

图3是齿条驱动自行车的示意图。图中7是龙头把手，8是车座，9是后轮叉左臂，6是后车轮，1是踏板，10是齿条驱动装置，11是前轮。齿条驱动装置10位于后轮叉左臂9的内侧。

图4是齿条驱动装置10与棘轮5的示意图。图中12是金属管，13是弹簧，4是齿条，5是棘轮，1是踏板。

图5是金属管12和齿条4的A-A剖面图。图中14是金属管12剖面，15是齿条4剖面，16是齿条4的齿。

具体实施方式

请看图2，图2表示了直线运动的齿条驱动轮式装置的方法，图中1是踏板，4是齿条，5是棘轮，6是车轮。其中棘轮5的结构同传统自行车后轮轴固定着的棘轮是一样的，棘轮5与传统自行车棘轮规定的转动方向也是一致的：即当齿条4啮合在棘轮5左侧时，齿条4向下运动棘轮5就带动车轮转动，使车轮6滚动前进，齿条4向上运动棘轮5不影响车轮6的正常转动。

图2所表示的齿条驱动轮式装置中，齿条4安装方向垂直于地面，齿条4上端固定有踏板1，齿条4啮合于棘轮5左侧。人的腿力通过脚作用在踏板1上，使踏板1向下运动，人的腿力通过齿条4作用在棘轮5的切线方向100％形成驱动车轮前进的力矩。

如果轮式装置驱动车轮6的直径足够大，为使重心降低，行驶稳定，踏板1也可以安装在齿条4的下端。人腿发力使踏板1向下运动，踏板1通过齿条4拉动棘轮5转动，带动车轮6转动使轮式装置前进。

请看图3，图3是采用齿条驱动装置的自行车示意图。7是龙头把手，8是车座，9是后轮叉左臂，6是后车轮，1是踏板，10是齿条驱动装置，11是前轮。齿条驱动自行车在后轮叉左右臂的内侧各固定一套齿条驱动装置，图4是位于左臂内侧的齿条驱动装置10结构示意图。图中12是金属管，13是弹簧，4是齿条，5是棘轮，1是踏板。金属管12在与棘轮5相交处开有弧形口子，让金属管12内部的齿条4与棘轮5啮合，金属管12下半部的左侧开有长条口，使踏板1可以向下运动。弹簧13上端固定在金属管12顶端，下端与齿条4连在一起，齿条4下端固定有踏板1，齿条4能灵活地在金属管12内部上下运动。图5为金属管12和齿条4的A-A剖面图，图中14是金属管12的剖面，15是齿条4的剖面，16是齿条4的齿。

由于齿条4和弹簧13被包含于齿条驱动装置10的金属管12中，而棘轮5又被后轮叉9挡住，它们在图3中均不能显出。所以在看图3所表示的齿条驱动自行车时，必须同时结合图4一起看。人腿用脚向下踩踏板1时，齿条驱动装置10中的齿条4带动棘轮5驱动后轮6转动使自行车前进。当人腿向上运动时，弹簧13带动齿条4向上运动，使踏板1贴脚上升，弹簧13的拉力在抵消齿条4的重量后向上的拉力较小。齿条驱动自行车中，人的腿力的方向垂直向下始终沿着棘轮5的切线方向，100％形成驱动自行车前进的力矩，齿条驱动自行车的驱动效率比传统自行车提高了36.3％。

在自行车正常行驶即以中等速度行驶的情况下，用同样的力，齿条驱动自行车可以获得比传统自行车更快的速度；或者在以同样速度前进的情况下，齿条驱动自行车比传统自行车省力。齿条驱动自行车还具有传统自行车没有的二个特点：其一是传统自行车只能左右腿交替发力，而齿条驱动自行车在必要时可以左右二腿同时向下发力，获得特别快的前进速度。其二是在低速度前进时，传统自行车骑者的左右脚始终要踩踏板作周长为2πR(R为踏板至链轮轴心距即曲柄长度)的圆周运动，而齿条驱动自行车骑者左右脚用很小的上下位移就可维持自行车前进速度。

由此可见无论在高速、中速还是低速行驶的情况下，齿条驱动自行车的性能全面超越了传统自行车。我们将这种用直线运动的齿条驱动的轮式装置和用齿条驱动的自行车命名为《爱赛客》英文名《iCycle》。

Claims (8)

1、一种驱动轮式装置的方法，该轮式装置包括具有棘轮的驱动轮，其特征在于：用直线运动的齿条驱动棘轮进而驱动轮式装置。

2、根据权利要求1所述的驱动轮式装置的方法，其特征在于：该齿条啮合在棘轮一侧，并在啮合处切线方向进行直线运动。

3、根据权利要求2所述的驱动轮式装置的方法，其特征在于：该齿条上连接有踏板。

4、根据权利要求1或2或3所述的驱动轮式装置的方法，其特征在于：该齿条的直线运动方向与地面垂直。

5、一种自行车，其特征在于，其驱动轮应用如权利要求1或2或3或4所述的驱动方法。

6、根据权利要求5所述的自行车，其特征在于：它包括车架、龙头把手、前轮、后轮、后轮叉和车座，在后轮叉左右臂的内侧各固定一套齿条驱动装置；该齿条驱动装置包括一安装在金属管内的能在金属管内部上下运动的齿条、安装在后轮上的棘轮和连接齿条的踏板；该金属管在与棘轮相交处开有弧形口子，让金属管内部的齿条与棘轮啮合。

7、根据权利要求6所述的自行车，其特征在于：该金属管内设置一弹簧，该弹簧上端固定在金属管顶端，下端与齿条上端连接。

8、根据权利要求6或7所述的自行车，其特征在于：该金属管下半部的外侧开有长条口，使踏板可以向下运动。

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