CN101224779B - 自行车助力装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自行车助力装置。由底盘、棘爪、棘轮、上盖、滚珠、底盘、顶块、弹簧、顶杆、弹片、支架、卡盘、螺钉、中轴、卷簧、外壳构成。其特征是棘轮的内外侧各有一圈内齿和外齿，底盘侧面有两只棘爪，棘爪与棘轮的内齿配合，而底盘上的顶块与棘轮的外齿配合。开关由顶块、弹簧、顶杆组成，顶块上表面为斜面；顶块底部设有螺孔，顶杆穿入弹簧之后通过该螺孔与顶块配合。本发明的效果和益处是，可以在自行车行驶过程中，尤其是上坡过程中具备更充足的动力，且装置结构简单，安装方便，适应性强，成本低于市面上现有的变速器以及其他电力助力装置。

Description

自行车助力装置

技术领域

本发明属于自行车技术领域，尤其涉及一种自行车助力装置。

背景技术

自行车已经是一种普遍的交通工具，具有轻便、廉价、绿色环保等特点，因而受到大众的青睐。但是自行车的一个主要缺点是在山地行驶时十分费力，其原因是因为自行车在爬坡时需要的扭矩很大，因此给使用者带来了不便。为了适应山地行驶的需要，已经有人设计了变速自行车。变速器自行车的原理是通过变换挡位选择不同的齿数比来变速，这样在一定程度上了可以缓解使用者的疲劳。但是这种机构在省力的同时降低了车速，尤其在坡面较陡的路段，使用者骑行时仍然较费力。另外这种变速器需要链条不断的在不同轮齿间进行滑动，在磨损的同时也容易出现链条滑脱等故障。

发明内容

为了克服现有的变速自行车上坡时不能提供足够动力等缺点，本发明提供一种助力装置。该装置不仅能够在自行车行驶过程中为自行车提供更强的动力，而且可应用于普通自行车和带有变速器的自行车。

本发明的目的是这样实现的：该装置主要利用卷簧旋转时能够储存能量的特点，将不同零件组合，通过机械传动，最终使得自行车在上坡时有更充足的动力。使用者在下坡或平地滑行前进的过程中可以反向蹬踏板，使卷簧储存能量，在上坡的时候让卷簧的能量释放。由于使用了卷簧作为推力的来源，在自行车爬坡的时候可以提供人力和助推的双重动力，因此本装置在省力的同时能够保持原有车速。

本发明由底盘、棘爪、棘轮、上盖、滚珠、底盘、顶块、弹簧、顶杆、弹片、支架、卡盘、螺钉、中轴、卷簧、外壳构成。

具体工作过程如下：一、储能过程：开关处于关闭状态，使用者反向蹬踏板，踏板的反转带动中轴的反转，中轴的反转通过键的配合传递至棘轮，棘轮通过卡槽将扭矩传递至卷簧，同时底盘上的顶块会顶住棘轮外缘的齿，能够防止卷簧的反作用力引起棘轮的正转。当使用者需要正常骑车行驶时，只需要正向蹬踏板，顶块将顶住棘轮防止卷簧能量释放。二、释放过程：开始爬坡时，使用者打开车把处开关，开关拉动钢丝将顶块拉下，棘轮失去顶块的约束，卷簧在势能的作用下带动棘轮正转。此时正向的扭矩又通过棘轮传递至中轴，中轴将扭矩通过链条传递至后轮。在爬坡结束后关闭开关，这时顶块在弹簧的作用下弹起，卡住棘轮阻止卷簧能量的继续释放。又回到了储存能量的过程。循环上述储能和释放两个过程，就达到了本装置省力的目的。

在本装置中核心部件卷簧的性能参数直接影响到装置的性能。因此在此给出弹簧性能参数算例：

弹簧参数计算样例

弹簧采用合金50CrVA

硬度HV 600 HRC 55.2

抗拉强度σ_b＝2087M·pa

弹簧宽度M_max＝35mm

最大输出力矩M_max＝20000N·mm

最小输出力矩M_min＝14000N·mm

发条弹簧厚度 $h=\sqrt{\frac{M_{\max }}{0.225\·b.\·{\mathrm{\σ}}_b}}=\sqrt{\frac{20000}{0.225\×38\×2087}}=1.12\mathrm{mm}$

弹簧弹性部分内端在上紧之后的曲率半径ρ₀＝mh＝15×1.12＝16.81mm，其中m为弹簧的劲度系数，一般取15-16。

发条弹簧带的工作长度

$L_g=\frac{n_g\mathrm{Eh}{M}_{S\max }}{0.43{\mathrm{\σ}}_b(M_{S\max }-M_{S\min })}=\frac{30\×205800\×1.12\×20000}{0.43\×2870\×6000}=18677\mathrm{mm}$

条盒内半径 $R=\sqrt{\frac{2L_{g}h}{\mathrm{\π}}+{{\mathrm{\ρ}}_0}^2}=\sqrt{\frac{2\×18677\×1.12}{3.14}+{16.81}^2}=117\mathrm{mm}$

发条弹簧的工作圈数 $n_g=\frac{\sqrt{2(R^2+{{\mathrm{\ρ}}_0}^2)}-(R+{\mathrm{\ρ}}_0)}{h}=30$

发条弹簧退火部分长度L_a＝3πρ₀＝158mm

发条弹簧外端退火部分长度为L_w＝1.5πρ₀＝79mm

发条弹簧带总长度L＝L_g+L_a+L_w＝18914mm

发条弹簧轴半径r＝ρ₀-1.5h＝15mm

通过以上算例可知该装置在爬坡时相当于在脚蹬上提供133N的力。自行车在正常行驶时需要的力量约为100N，因此本发明可以帮助使用者轻松爬坡。

本发明的效果和益处是，可以使自行车在行驶过程中，尤其是上坡过程中具备更充足的动力，使得自行车使用范围更广，且结构简单，安装方便，适应性强，本装置结构相对简单，零件较少，因此成本低于市面上现有的变速器以及其他电力助力装置，在经济性上有其独特的优势。此外本装置与现有的自行车变速器在机构的空间位置上并不冲突，因此可以在现有的任何车型的自行车上进行改装，实现省力爬坡的目的。如果与现有变速器同时使用将会让自行车拥有更好的性能。

附图说明

图1是本发明的底盘，棘爪，棘轮，上盖。

图2是图1的A-A剖视图。

图3是图1的左视图。

图4是图3的B-B剖视图。

图5是图2的C处放大图。

图6是底壳的俯视图。

图7是图6的A-A剖视图。

图8是图7的B处放大图。

图9是图7的C处放大图。

图10是本发明的支架的俯视图。

图11是本发明的支架的右视图。

图12是本发明的装配示意图。

图中：底盘1；棘爪2；棘轮3；上盖4；滚珠5；底壳6；顶块7；弹簧8；顶杆9；弹片10；支架11；卡盘12；中轴13；卷簧14；外壳15。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

如图1、图2、图3、图4所示，底盘1上设有螺纹，用于与上盖4。棘轮3的内外侧各有一圈内齿和外齿。底盘1的侧面设有棘爪2。使用者正向蹬踏板，即正常骑车时，棘爪2处于压缩状态，故中轴13正向转动不会带动棘轮3转动。反向蹬踏板时，中轴13的转动通过键的配合传递至底盘1，则底盘1随中轴13转动，并且将扭矩通过棘爪2传递至棘轮3，棘轮3外缘的卡槽用于连接卷簧14，卷簧14卡入卡槽，因此棘轮3的转动可带动卷簧14转动，卷簧14转动时即可储存能量；释放时，用一只钢丝将顶杆9拉下，由于顶块7与顶杆9连接，则顶块7随之下降，棘轮3失去顶块7的约束，在卷簧14反力作用下开始正转，并且将扭矩通过棘爪2传递至底盘1，底盘1通过键的配合将扭矩传递至中轴13，中轴13将扭矩通过链条传递至后轮。上盖4安装在底盘1的顶端，其上设有螺纹，与底盘1的螺纹配合，起到固定棘轮3的作用。

两个过程可以表达为：储能过程：中轴13转动→底盘1转动→棘轮3转动→卷簧14转动→动能转化为弹性势能；释放过程：卷簧14转动→棘轮3转动→底盘1转动→中轴13转动→弹性势能转化为动能。

如图5所示，滚珠5用于减小棘轮3在转动时与上盖4之间的摩擦。滚珠5呈圆形阵列布置，共50个，构成圆周上的滚珠阵列，以减小摩擦。

如图6和图7所示，底壳6的作用是承载其他零件。顶块7、弹簧8、顶杆9的作用是控制整个装置在储能和释放两个工况之间转换。如图8所示，顶块7底部有螺纹，顶杆9是一颗螺钉，穿过弹簧8与顶块7连接。图中状态为装置的关闭状态，此时卷簧14只能反转储能，而不能正转释放。原理：弹簧顶住顶块7使其凸起，由于顶块7表面设计为斜面，使得棘轮3的外齿只能向斜面较高的一侧运动，若反向运动则会被斜面的背面阻挡，故卷簧14不能正转释放能量。释放时，用钢丝将顶杆9拉下，弹簧8被压缩，顶块7随顶杆9下降，棘轮3由于没有顶块7的阻力，开始正转，并通过棘爪2带动底盘1转动，继而带动中轴13转动。释放结束后关闭车把处开关，则钢丝放松，弹簧8伸长，顶块7及顶杆9重新上移。

如图9所示，本发明的优化机构，作用是调节卷簧14的性能。主要由弹片10实现其功能。其具体原理如下：在储能过程的初期，由于卷簧14收缩幅度较大，会出现卷簧14的反力不稳定的情况，影响其性能和寿命。为了避免这一情况，设置弹片10，弹片10用螺钉固定在底壳6上。弹片10尖端为梯形，其坡面与弹簧接触。如果卷簧14反力过小，则不能压下弹片10，只能在弹片10以内的较小范围内收缩；当卷簧14反力较大时，可以将弹片10压下，而在整个范围内收缩，以此调节卷簧14的性能。

如图10和图11所示，支架11通过螺钉与底壳6连接，且支架11通过螺钉与卡盘12连接。卡盘12通过螺钉固定在自行车车架上。

图12说明本发明的装配情况，外壳15通过螺钉固定在底壳6上，以固定和保护其他零件。

Claims (2)

1.一种自行车助力装置，由底盘(1)、棘爪(2)、棘轮(3)、上盖(4)、滚珠(5)、底壳(6)、顶块(7)、弹簧(8)、顶杆(9)、弹片(10)、支架(11)、卡盘(12)、中轴(13)、卷簧(14)、外壳(15)构成，其特征在于：棘轮(3)的内外侧各有一圈内齿和外齿，棘轮(3)外缘的卡槽用于连接卷簧(14)，底盘(1)通过键的配合与中轴(13)连接，底盘(1)侧面有两只棘爪(2)，棘爪(2)与棘轮(3)的内齿配合，而底盘上的顶块(7)与棘轮(3)的外齿配合，上盖(4)通过螺纹安装在底盘(1)的顶端，并通过滚珠(5)减小与棘轮(3)的摩擦，顶块(7)底部有螺纹，顶杆(9)是一颗螺钉，穿过弹簧(8)与顶块(7)连接，弹片(10)用螺钉固定在底壳(6)上，支架(11)通过螺钉与底壳(6)连接，且支架(11)通过螺钉与卡盘(12)连接，卡盘(12)通过螺钉固定在自行车车架上，外壳(15)通过螺钉固定在底壳(6)上，以固定和保护其他零件。

2.根据权利要求1所述的一种自行车助力装置，其特征在于：底盘(1)上有开关，开关由顶块(7)、弹簧(8)、顶杆(9)组成，顶块(7)上表面为斜面，且顶块(7)底部设有螺孔，顶杆(9)穿入弹簧(8)之后通过该螺孔与顶块(7)配合。

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