CN101616837A - 使踩踏脚踏板最优化的椭圆形链环 - Google Patents

Abstract

一种自行车上使用的椭圆形链环，其特征在于：链环为椭圆形，带有设置的定位、延长和形状，并具备可调节性，通过降低静点的作用，从而适用于更多的骑车人。其特征还在于：链环的定位结合了向下踏板时肌肉的潜力和骑车的惯性；同时，由于其延长系数和形状特征，链环在静点处仿效了较小的常规链环的运行，从而改善对骑车人膝盖的保护。

Description

使踩踏脚踏板最优化的椭圆形链环

技术领域

本发明为一种应用于自行车和脚踏动力交通工具的脚踏动力系统的改进，其通过一条链或带实现传统传动方式中链环的改进，以在脚踏的周期中降低静点效应，成功实现脚踏动力系统的最优化。

背景技术

19世纪末以来，很多人都试图增大踏车效果并降低静点效应。具体地说，几乎所有的脚踏动力是在向下踏车时产生的。在曲柄臂与顶端静点约成90度角，脚踏动力的切线角度最大时，脚踏动力最大。当其中一个脚踏在上，而另一个在下时，由于施加于脚踏的力量几乎无切线角度，形成一个动力空白区，即通常所说的静点。

上述多种尝试都是通过使用非圆或“椭圆形的”链环，无论是椭圆形或者其它更为复杂的由各种各样或曲或直的构件组成的链环，其两条直径，主要直径及次要直径，有各种的组合。同时还有各种其他的尝试，如通过使用独立的曲柄来分别实现每条腿动力的最优化。直到今天，从生理力学的角度看，这些尝试被证实是实现脚踏系统最优化的最有效方法。

在上述几种方法中，我们可简单列举最近市场上的两种链环，Shimano Biopace链环(美国专利第4522610号)和Osymetric链环(美国专利第5549314号)。当然，还有一些更早的文献：美国专利第513589号，美国专利515449号，英国专利第191318888号，法国专利第645447号，英国专利第327681号，法国专利第1090949号，丹麦专利第64514C号和英国专利第449504号，还有一个更近期的美国专利第5882025号。通过这些专利，显然“椭圆形的”链环最终成功地被广泛运用。在先技术中，应尤其关注法国专利第1090949号，因为在多变的椭圆形链环的定位方面，它与本发明相似。

上述不同的链环的目的均在于通过利用脚踏周期最大动力的区域，藉由各种驱动半径，实现为自行车提供更大的推力。要实现该目的，要考虑三个设计系数：

定位系数：曲柄中线和椭圆形链环主要直径的角度，其与达到最大齿轮比时曲柄所处的顶端静点(TDC)的位置相关(当最大半径转化成牵引力)；

延长系数：椭圆形链环中主要的和次要的直径的比率，以及

形状系数：它取决于曲线形成的椭圆形链环的周长(椭圆，圆周弧，直线区域，等等)

在所有上述提到的椭圆形链环中，没有一种在市场上获得成功。尽管每种链环都在某一方面实现改进，但至今没有哪种链环能很好地结合所有改进，从而实现成功。

没有成功的主要原因是由于无效的定位系数。由于每个人骑车的方法都不同，因此不能说这些产品都不行，实际上有些产品还是获得不少人的欢迎。然而，定位系数是脚踏系统生理力学的关键，即便这些定位被一小部分人接受，但对大部分人来说还是无效的。

例如，Biopace链环也许对某些人有效果，但结果还是从市场上消失。该链环的延长系数和形状系数还可以接受，但定位系数太过迟钝。也就是说，曲柄臂与顶端静点(TDC)成90度角，施加最大力量于脚踏，向下运动时达到最大齿轮比太迟，几乎与踏车在底端静点(BDC)时一致。

Osymetrics链环的定位系数相当敏锐，如大多数迄今看到的椭圆形链环，~90°，曲柄在脚踏力量最大区域时，实现最大齿轮比，这样就可不利用惯性，而产生一定延迟。另外，由于其形式和延长系数的原因，速度在静点附近变化非常快，这就对膝盖健康不利，这也是许多人放弃这种链环的原因。这种链环对强壮的骑车人能产生较好的作用，尤其是在平地上，但易导致骑车人的膝部超负荷，因此无法为大多数普通骑车人所接受。

法国专利第1090949号的可调节链环涉及的定位总是不够精确，同时其延长系数和形状系数的结合非常不稳定，因此无法实现具备优势的各系数结合。

其他通过使用独立曲柄实现踏车最优化的方法中每个曲柄驱动一个链环，其以连杆相接，两侧有效的齿轮比从最大到最小的过程是不同步的，其偏移的程度取决于有效杠杆距。每个曲柄的速度也不相同，当一个曲柄慢下来时(即腿部伸展，脚趾周期中施加力量较大时)，另一个曲柄就移动得更快并且在第一个到了底部静点(BDC)时超过顶部静点(TDC)。

关于这种方法，能列举的第一个专利是1893年的德国专利第76215号，它确定了这种链环的基本构造。本专利发明人的另一项发明RS4链环(美国专利第2005/0022626A1号)正在以RS4和RS4的名称在市场上销售，取得了显赫的销售成绩。

对于这种链环，需要考虑两个参数或者设计系数：

定位系数：当齿轮比最大时，下降的曲柄臂和顶部静点形成的角度，或者也可理解为椭圆形链环同样的定位系数；

离心系数：最大和最小驱动比之间的关系，与上述椭圆形链环的延长系数有关。

上述RS4链环虽然还未广泛应用，但已经为世界上数千名骑车人使用。其经验清楚表明定位系数在踏车的生理力学中的重要作用：最大齿轮比的最佳位置-最佳定位系数-在施加最大力量时被延迟。因此，即使最佳定位系数不是固定值，其取决于几何学数据和动力学数据，我们也能理解为什么先前椭圆形链环定位的尝试都以失败告终。

上述几何学数据确定每个骑者实行最大力矩传递的位置。几何学数据包括自行车几何学数据，车座的位置，曲柄臂的长度，以及骑车人是坐着还是站着踏车。同时，骑车人的身高和体重也起相当重要的作用。

上述动力学数据主要包括踏车时惯性的变化，其影响腿传递最大力矩时曲柄位置和齿轮比达到最大值之间的偏移。当然不存在一个固定值，因为这个值取决于不同的踏车情况，例如平地或爬坡，坐着骑或站着骑，或者骑车人快蹬或慢蹬的偏好。

上述所有因素都会影响最优的定位系数。要实现广泛使用，就需要普遍性的原则，折衷的解决方案，并满足不同的骑车人的需要。

上述Rotor链环，一般建议定位系数是距顶部静点(TDC)115度，但最终不同骑车人设定的范围通常是在103到127度之间。顶部静点(TDC)和底部静点(BDC)的位置是骑车人臀部位置与自行车底架间的函数。

这进一步证实了之前几种椭圆形的链环设计都不够理想，因为它们选择了不正确的定位系数。同时，虽然某一系数适合于某些骑车人、自行车或使用类型，但不一定适合于其他的骑车人、自行车或使用类型。因此，如果我们能制造一种采用完美的折衷定位系数的链环，它就会对大多数骑车人都有效了，但是这种单一的设定对一小部分骑车人来说仍旧不够有效。因此，对最佳平均位置进行调节将改善个体使用的最佳平均位置。

发明内容

为实现踏车的最优化，本发明并不试图改进上述Rotor链环的生理力学，而是设计一个采用传统曲柄的椭圆形链环，它仿效Rotor的作业，主要是曲柄的转动与最大踏车力量的产生保持一致，即，在下踏时离顶部静点(TDC)45至135度之间。此外，在静点区域时，这些链环会仿效稍小的圆链环：采用一个稍小的半径，以减少传统踏车给骑车人造成膝部损伤的机会；并在静点区域采用统一的曲线形状以避免其它椭圆形设计造成的压力阻碍和相应的膝部损伤。

利用本发明所述的链环，原则上通过在最大力量产生阶段模仿ROTOR的力学可以实现与其相近的力量源，虽然其还达不到ROTOR曲柄的程度。这是因为有必要选择小一点的相同的延长，以防止腿在静点时速度的突然变化，因为在这个区域尽可能保持匀速才是理想的结果。为了做到这点，骑车过程中，驱动半径的变化尽可能小是必须的：一个53齿的Rotor链环的即时齿轮比从最小47.6到最大58.8(在越野场地或上下坡时，变化可能更大)，而新的53齿的椭圆形链环的变化在50.9至55.9之间。

其主要的创新由定位系数决定：通过模仿Rotor链环，我们找到了平均使用可靠的初始近似值，离顶部静点(TDC)100到120度之间的区域(这取决于链环尺寸和应用，例如是山地比赛还是公路比赛)。此外，正如前面所述，ROTOR的定位系数由骑车人选择，因为它是可调节的。这种椭圆形链环在一个最佳设置附近设计有其他一些小角度转动的固定点，使得链环的设置能够在设定的中心位置附近进行调节。

尽管已经实现了近乎完美的定位系数，我们还考虑了最合适的延长系数和形式系数，使得腿的速度尽可能的统一，以保证在高速蹬踏时不造成身体上的伤害。

椭圆形链环的角速度函数为一个周期性函数，取决于链环的形状即其形状系数，在一定程度上与正弦曲线类似。然而，链环的延长系数会影响该函数最大和最小变量的变化程度，其根据正弦函数的变量的大小取决于形状系数。这些变量将体现在自行车的加速度上，骑车人的腿也许可以或不能接受这样的加速度变化。

为了考虑与链环形状系数相关的参数，我们会顾及设计周长和实际椭圆形链环的长、短直径之间的最终关系。

在这方面，建议延长系数为1.075到1.125之间，这就意味着链环的长直径比短直径长大约7.5％到12.5％，以便踏车速度最大值和最小值之间有了合理的变化，周长关系也将保持在0.98到1之间，这意味着椭圆形链环的轮廓将与具有相同长短直径的椭圆相对应。上述设计使加速度的变化在生理力学的层面达到最优化，保证了踝关节的活动，当腿尽可能以匀速高速蹬踏时，膝盖也不会受伤。弯曲辐条需要尽可能地短，大约与短直径相同，使链环尽可能模拟传统圆形链环的运动，以实现人体健康的考虑。

这种链环优于ROTOR链环之处在于其与传统的曲柄兼容，使用者不需要更换曲柄或是底架，因此价格能为大众所接受。另外，相对于普通的踏板来说，这种链环仅稍稍增加了一点重量。由于摩擦力，缺少可移动部分也不会导致力量的损失，这种链环不需要特别的保养。

另一方面，与ROTOR相比，这种链环失去了部分潜在的生理力学改进能力，更重要的是，其无法达到ROTOR实现的膝盖舒适健康的程度，这两点是rotor链环相比其他保守踏板最突出的两个优点。为弥补这方面的缺陷，我们不得不放弃一部分潜在的性能优点，选择较为适当的延长系数。

综上所述，本发明旨在不更换传统底架和曲柄而实现传统踏车系统的优化。在主动力阶段采用一个模拟rotor椭圆形链环，但比后者偏心率更小，且在静点处转周更小。

附图说明

图1所示为本发明描述的传统曲柄安装了一套共两个椭圆形链环。链条由虚线表示，当齿轮速率达到最大时，链条与链环啮合。角a1是椭圆形链环调整到中心位置时的定位系数，它是设计周长。角2是以顶部静点(TDC)为参照的定位系数。对于同一个链环，根据链条的来源不同(例如，来自能在任何时候使用的卡式扣链齿轮)以及自行车的几何构造的不同(连接底座与后轮的支撑的长度与角度)，有可能会有细微的变化。

图2为前面所示的曲柄装置并显示出定位系数发生的变化，描述了应用的链环各独立链环主轴的区别。

图3为本发明一个53齿的椭圆形链环的等值即时齿轮比。这就是说，每一点旁边写的数字就是其相应的齿轮速率，当踏板上连接曲柄的孔到达图中标记位置时，则相应的数据生效。需要记住的是，由于定位系数是由使用者自行调节并决定是否向上或是向下调节，与曲柄臂位置有关的附图需进行顺时针或逆时针转动。同时还要考虑到在使用最大或最小的扣齿链轮，导致的链条和链环咬合矢量的变化也会对相同齿轮转速图的定位系数产生细微的影响。

图4所示为“RotorRS4”带有一个53齿的链环的即时相应链环尺寸，以进行比较。需要记住的是，由于定位系数是由使用者自行调节并决定是否向上或是向下调节，与曲柄臂位置有关的附图需进行顺时针或逆时针转动。

图5是根据本发明的一个椭圆形链环，其定位系数标记在接近应用孔的位置，以便能将链环准确地固定在曲柄上。这个链环适用于五臂曲柄。

图6所示为一个用虚线表示的延长系数为1.105的椭圆，还有一个根据本发明的椭圆，与虚线表示的椭圆的周长比为0.993。

图7描述了以脚踏周期所需时间函数表示的速度和加速度。

图8所示为根据本发明的一个可供选择的椭圆形链环，其定位系数标记在接近应用孔的位置。这种链环适用于四臂曲柄。在这个链环上可以看到，定位设置孔安置得十分接近以至于它们相互交叉并在链环上制造出一个延长孔。

图9所示为根据本发明的一个可供选择的椭圆形链环，其定位系数标记在接近应用孔的位置。这种链环适用于五臂一体式曲柄。已标记的一体三孔表示链环的1#，3#和5#位置，其间隔为8度，已标记的曲柄臂孔固定于此。一体两孔表示链环的2#和4#位置，其间隔也是8度。这些偶数位置使调节设定1#和3#或者3#和5#之间的有效角度减小了一半。

图10所示为根据本发明的一个可供选择的椭圆形链环，它带有一个可拆卸、可调节的曲柄，从而扩大了定位调节的范围。同时改变链环和曲柄臂数设置就可以进行角度更小的调节。

具体实施方式

图1、2、3、5、6、7中所示的椭圆链环为理想的实施例之一。

这一设计显示初始定位系数位于离曲柄臂108度的位置。此外，此项设计特别提供了定位系数调节的可能性，设计了一些与传统曲柄臂相连接的孔。具体地说，它有35个各相邻10.286°(＝35/360°)的孔，这意味着这一曲柄定位系数可以5.143°为最小单位进行调节。所以，如果这个曲柄转动17个孔，即174.857°，其效果和安装一个5.143°斜度装置是一样的。孔还可更近地排列，甚至使它们相互重叠，以达到更好的调节效果，但在那种情况下，它们不能在整个链环周围均匀排列，会造成结构不可承受的受损。如图9所示，甚至可将孔的里外周长相隔开，形成两个洞。

为实现调节，链环上有五个标有参考数字的孔用以显示锚点。中间的一个，三号孔，表示选取的原始方向。其他孔是使用者更有效地调节定位的标示。

对于较大的公路自行车链环的标准调节，建议将确定曲柄方向的曲柄锚接孔定位于链条与链环的最大直径相交叉的位置，曲柄与顶端静点的距离约为105°(图1中的a1)。对于53齿的链环，上述角度约为108°(图1中的a2)。初始调节中的顶部静点(TDC)和曲柄中线之间的实际角度取决于链条与链环的啮合矢量。

通常，标准的定位值调节范围在100°到120°之间。较大的公路链环接近于100°，其内链环的调节角度约为110°。山地自行车链环的方向调节值在110°到120°之间。这取决于链条与链环的啮合矢量，以及链环一般使用条件下的运动学数据。

53齿链环的延长系数为1.10，允许踏板最大和最小速度之间的合理变化。与公路路自行车(赛车)不同，以山地或休闲自行车为例，这个值可能由于踏板静点较大的消极影响而稍微大些。为解决动力传动系统或变速器兼容性问题，延长系数也可以降低。它的变化值在1.075到1.125之间。

最后，链环的形状是椭圆形，其四个周长弧中心点形成的菱形，有一个为40°的锐角(见图6)。对于这个椭圆形，其相应的椭圆形的周长系数为0.993。

图7描述了这种链环运动学设计。可以看出，当速度大于平均值时，自行车转一周的时间多了约50％。这样，在静点速度的变化最小化，而最大地提高了膝盖舒适度。同样，当速度小于平均值时，自行车转一周的时间少了约50％，但是与脚踏过程中脚踝呈角度的运动相结合，这种方法实现了腿踏板的匀速。腿踏板的速度的变化也是采用椭圆形链环的最大缺陷。

其他实施例

形状系数允许初始周长的微小变化，尽管理想上不应出现导致加速度峰值的直截面或其他大半径的曲率。其中最可取的是所提到的椭圆周长或混合周长，即在第一和第三四分区为设定的椭圆，而在在第二和第四四分区为其他不同椭圆，通过这种方式，负重腿的减速与未负重腿的加速可能会发生明显的变化。

上述椭圆形链环将使用在传统曲柄上，其通常装配几种不同型号的链环。每一种都符合本发明的描述，只是在设计系数上稍有变化，尤其是定位系数，因为使用大型和小型链环时，脚踏条件可能不同。例如，站立踏车达到最大扭矩的时间会比坐着踏车达到最大扭矩要延迟，站立踏车通常作用在更小的链环上。

就定位系数而言，如果曲柄是可拆卸的，则可供选择的调节方式可以指曲柄和内圈之间锚点的设计。在这种情况下，曲柄和内圈之间的定位点就不止一个(见图10)。尽管最佳的选择是将多个锚接点与内圈相结合，从而提供更多的组合选择，实现更精确的调节，但也可能只有一个传统锚接点。在这种情况下，采用传统四臂曲柄则非常有用(见图8)，因为曲柄的调节变化被限制在到孔或锚接点之间的全角距离。

在任何情况下，链环不必包括分布在所有可能角度的锚接点，但较小的变化也可满足定位调节的目的，如图7和图9中的链环所示。尤其需要提出的是，对于顶级竞争或产品的特殊应用，链环可制造成单一锚接点，以减轻重量，且应设定与骑车人相适应的链环定位。

最后，可用皮带和滑轮替代链环、链条和齿轮组件。在这种情况下，所有上述内容均适用于锚接于曲柄的椭圆形滑轮。

Claims (15)

1.一种自行车曲柄的椭圆形链环，其椭圆有两个主要原始直径，即长径及短径，其特征在于：

●定位系数由椭圆形长径与曲柄中心线在踏车方向形成的角度确定的定位，定位值在100°到120°之间；

●由长径和短径之间关系决定的延长系数的值在1.075到1.125之间；

●与长径和短径相关的椭圆形周长除以原始周长得出的相对周长的值在0.98到1。

2.如权利要求1所述的自行车曲柄的椭圆形链环，可以通过其锚接点与普通曲柄上相应的锚接点固定在普通曲柄上，其特征在于：经选择与上述定位相对应的锚接点为参照锚接点。

3.如权利要求2所述自行车曲柄的椭圆形链环，其特征在于：链环上与曲柄相连接的锚接点的数量比曲柄上与链环相连接的锚接点多，并且前者为后者的倍数，从而为曲柄和链环之间的相对定位提供多种选择，并可以调节其定位及相应的脚踏运动学数据。

4.如权利要求3所述的自行车曲柄的椭圆形链环，其特征在于：参照锚接点标记为首选安装定位，与此首选安装定位邻近的，定位值或大或小的其他锚接点也被标记出来。

5.如权利要求1所述的自行车曲柄的椭圆形链环，其特征在于：其原始周长为椭圆形。

6.如权利要求1所述的自行车曲柄的椭圆形链环，其特征在于：其原始周长在第一和第三四分区为设定的椭圆，而在在第二和第四四分区为其他不同椭圆。

7.如权利要求1所述的自行车曲柄的椭圆形链环，其特征在于：其原始周长在第一和第三四分区为设定的椭圆，而在在第二和第四四分区为其他不同椭圆。

8.一种自行车椭圆形链环，可以通过其锚接点与普通驱动侧曲柄上相应的锚接点固定在普通曲柄上，其椭圆有两个主要原始直径，即长径及短径，其特征在于：

●链环上与曲柄相连接的锚接点的数量比曲柄上与链环相连接的锚接点多，并且前者为后者的倍数，从而为曲柄和链环之间的相对定位提供多种选择，并可以调节其定位及相应的脚踏运动学数据；

●上述锚接点的定位值范围在100°到120°之间，其中至少一个锚接点被作为首选定位；

●由长径和短径之间关系决定的延长系数的值在1.075到1.125之间。

9.如权利要求8所述的自行车椭圆形链环，其特征在于：与上述首选定位相对应的锚接点被标记为为首选锚接点。

10.如权利要求9所述的自行车椭圆形链环，其特征在于：与首选锚接点邻近的，定位值或大或小的其他锚接点也被标记出来。

11.如权利要求10所述的自行车椭圆形链环，其为曲柄臂为奇数的曲柄而设计，其特征在于：可通过两个与首选锚接点相邻的锚接点实现精确调节，这些锚接点以等距形式排列成一圈。

12.一种自行车椭圆形链环，可以通过其锚接点与普通驱动侧曲柄上相应的锚接点固定在普通曲柄上，其椭圆有两个主要原始直径，即长径及短径，其特征在于：

●链环上与曲柄相连接的锚接点的数量比曲柄上与链环相连接的锚接点多，并且前者为后者的倍数，从而为曲柄和链环之间的相对定位提供多种选择，并可以调节其定位及相应的脚踏运动学数据；

●上述锚接点的定位值范围在100°到120°之间，其中至少一个锚接点被作为首选定位；

●与长径和短径相关的椭圆形周长除以原始周长得出的相对周长的值在0.98到1。

13.如权利要求12所述的自行车椭圆形链环，其特征在于：与上述首选定位相对应的锚接点被标记为为首选锚接点。

14.如权利要求13所述的自行车椭圆形链环，其特征在于：与首选锚接点邻近的，定位值或大或小的其他锚接点也被标记出来。

15.如权利要求14所述的自行车椭圆形链环，其为曲柄臂为奇数的曲柄而设计，其特征在于：可通过两个与首选锚接点相邻的锚接点实现精确调节，这些锚接点以等距形式排列成一圈。

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