CN101962063B - 齿条驱动的自行车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种齿条驱动的自行车，为实现倒车时飞轮(11)具有自由转动的区域，设置了齿条架(7)和齿条无齿区(10)，或者设置开口齿条架(18)；为使齿啮合精密，所述齿条架(7)或开口齿条架(18)连接圆弧内齿条(9)，该齿条架还连接摆杆(1)或者从动摆杆(15)，上述连接还可以是通过调整件(8)相连，以进一步提高啮合精度；它还增设了交替滑道(5)，骑行时左右交替杆的端头(6-1)与交替滑道(5)相接触滑行，使踏板(4)自动复位，改善骑行舒适度。采用这种结构的齿条驱动的自行车，不仅骑行省力，进退自如，而且结构简单制造成本低。

Description

齿条驱动的自行车

技术领域

本发明涉及一种自行车，尤其是以齿轮或齿条形式传递动力的自行车。 

背景技术

现有公知领域的普通自行车，采用链条传动，一般后轮装有习惯称为飞轮的超越离合器。驱动的速比由脚蹬的链轮与飞轮的齿数比决定，通常在2.4左右，也就是脚蹬一圈轮转2.4圈左右。它的技术已相当成熟且生产规模大成本低廉，适当维护其工作亦可靠耐用。但是，机构上有如下缺点：全链条罩的自行车难维护且易发异响，而半链条罩或无罩的易钩裤脚；其二是日久不维护链条拉长松动易掉链，三，相对于齿轮传动，链传动的效率较低。故，不断有无链自行车开发出来。而且，普通自行车骑行时人腿相当于机械的摇臂连杆的方式作圆周运动，蹬动时，人腿肌肉的生理特征决定了单腿只作半圈功，另半圈不做功，而且小腿过度屈曲而费劲。人腿膝关节曲伸的标准最佳角度75～180°，在角度150～165°时，同样的体能出力最大，见《人机工程学》朱序璋编，西安电子科技大学出版社，2006版。普通自行车在施力的下半圈，在人腿能出最大力的位置，与脚蹬杆平行或接近平行，力臂接近于零，力大而驱动扭矩输出却不高，故人体舒适度低。 

美国专利号620929Chainless Bicycle Gearing无链自行车传动装置；以及美国专利号5482306 Chainless Transmission Mechanism for Bicycles无链自行车传动机构，公开了以伞齿轮、轮轴杆所组成的齿轮传动变速机构，以外齿啮合。其不足之处是零部件加工精度和强度要求高，否则工作中易磨损、高噪声和发生断齿，生产成本也高，人腿仍以圆周运动施力。该类自行车已在商业市场出现。 

美国专利号616067 Chainless Bicycle无链自行车，公开了两侧上下运动的脚蹬沿回形槽活动，连杆通过短摇杆支承在车架上，另一端联有弧状回形内齿轮与小齿轮啮合。每蹬行一次，小齿轮相对在回形内齿轮内走一圈。其不足之处是结构较复杂，可靠性难料。 

中国专利公开号CN2356930的双侧驱动无链高效自行车，公开了踏板上下运动，扇形圆弧齿条与飞轮啮合传动的结构。其不足之处是各部件必须保证高的尺寸和形位制造精度才能使它的齿正常啮合。对这些通常需焊接工艺的大尺部件来说该要求是过高的，很难做到，而且也是不经济的。该结构的自行车向后倒退时，飞轮受扇齿框的限位影响车轮会被止住，造成使用不便。 

中国专利公开号为CN2214348无链自行车传动装置和公开号为CN2752145三骑无链 自行车，公开了更改内齿齿条为扇形圆弧外齿齿条，在它与飞轮间加中间齿轮的结构，由于它不存在限制飞轮的边框，倒退时飞轮走完齿条全部齿数时可摆脱啮合，解决了不能倒退的问题。但它失去了内齿条传动的结构简捷、齿啮合数和面积高的特性，仍未解决零件需要高精度的尺寸和形位公差来制造的问题。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术存在的不足，提供一种齿条驱动的自行车，不仅它的脚蹬运行的轨迹和施力角度更符合人体工学，使人骑行省力舒适，而且齿轮啮合面大、啮合精度高，使齿表面应力下降，做到非高强材料也摩损小。它更可以无障碍倒车。改进的构造使生产成本低，加工方便，安装精度高，从而提升产品质量。 

为解决上述技术问题，本发明的基本构思是：左右交替杆通过专门的开放式滑道机构来传递复位的力量，使摆杆左右交替施力。摆杆可以是直的、弯的或折的，甚至是多根用连杆来铰支连接，便于设置踏力的传动距离和角度，使踏板的运行轨迹符合人腿曲伸舒适尺寸，施力方向与力臂尽量接近垂直扭矩输出大，同时传动速比适当，实现骑行省力舒适。采用啮合重合度和啮合的面积较外圆齿更高的圆弧内齿条与飞轮啮合传动和变速，该圆弧内齿条的方位可调整，即便车体、摆杆等零件制造精度不高的情况下，通过这些零件间的连接整定也可保证齿副平行正直和设计顶隙下的良好啮合，从而摩损小。为实现无障碍倒车，设置飞轮自由转动区：内齿齿条上设无齿区，在自行车倒退时可终止齿条与飞轮的齿的啮合，飞轮自由转动，避免连续倒驱动摆杆。还可设使飞轮无障碍移出内齿条框架的结构，飞轮啮合完圆弧内齿条所有的齿后，移出齿条摆脱索束缚而自由转动，终止倒驱动。 

作为实现本发明的基本构思的第一种技术方案是：一种齿条驱动的自行车，包括车体、车轮、踏板、摆杆、飞轮、圆弧内齿条及左右交替杆，摆杆和左右交替杆分别铰支连接在车体上，其特征在于：它还设置了交替滑道、齿条架和齿条无齿区，该齿条架连接圆弧内齿条，圆弧内齿条上设有齿条无齿区，齿条架还连接摆杆，骑行时左右交替杆的端头与交替滑道相接触。 

作为实现本发明的基本构思的第二种技术方案是：一种齿条驱动的自行车，包括车体、车轮、踏板、飞轮、圆弧内齿条及左右交替杆，左右交替杆铰支连接在车体上，其特征在于：它还设置了主动摆杆、从动摆杆、连杆、交替滑道、齿条架和齿条无齿区，该齿条架连接圆弧内齿条，圆弧内齿条上设有齿条无齿区，齿条架还连接从动摆杆，主动摆杆和从动摆杆分别铰支连接在车体上，它们之间用连杆以铰支连接，骑行时左右交替杆的端头与交替滑道相接触。 

为解决上述技术问题的技术方案可以是：一种齿条驱动的自行车，包括车体、车轮、踏板、摆杆、飞轮、圆弧内齿条及左右交替杆，摆杆和左右交替杆分别铰支连接在车体上，它还设置了交替滑道、开口齿条架，该开口齿条架连接圆弧内齿条，开口齿条架还连接摆杆，骑行时左右交替杆的端头与交替滑道相接触。 

为解决上述技术问题的技术方案还可以是：一种齿条驱动的自行车，包括车体、车轮、踏板、飞轮、圆弧内齿条及左右交替杆，左右交替杆铰支连接在车体上，它还设置了主动摆杆、从动摆杆、连杆、交替滑道、开口齿条架，该开口齿条架连接圆弧内齿条，开口齿条架还连接从动摆杆，主动摆杆、从动摆杆分别铰支连接在车体上，它们之间用连杆铰支连接，骑行时左右交替杆的端头与交替滑道相接触。 

本发明所述的齿条架与圆弧内齿条的连接可以是通过调整件来连接。齿条架与其对应摆杆或从动摆杆的连接也可以是通过调整件来连接。所述的调整件可以是调整垫片和或螺丝、螺销，也可以是弹性片它根据齿面的力分布自行调整齿副平行正直，以及其它整定装置。齿条架与圆弧内齿条结为一体、齿条架与摆杆结为一体也是本发明连接的一种方式。 

本发明技术方案所述的它们之间用连杆铰支连接，是指连杆用铰支连接主动摆杆和从动摆杆，或者连杆用铰支连接主动摆杆和齿条架。连杆在主动摆杆、从动摆杆或齿条架上可设多个铰支位或可锁紧铰支的空槽，在不同的铰支位圆弧内齿条摆动的幅度不同，可以满足调整驱动速比的需要。变速后为保持摆动的姿态不变，对应不同的铰支位，连杆的长度可调。 

摆杆、主动摆杆、从动摆杆、或左右交替杆的铰支可通过铰支杆连接在车体上，绞支杆连接在车体上成为一体是车体的一部分；也可以连接在各杆上成为一体是各杆的一部分。摆杆、主动摆杆、从动摆杆、或左右交替杆在车体的铰支连接，在固定前可作方位的调整，这种调整也作为圆弧内齿条方位的初始整定。 

圆弧内齿条上的无齿区设在预备施力的一端，当车轮后退初始，飞轮的与圆弧内齿条的齿啮合，推动圆弧内齿条向车轮后退转动方向移动，摆杆或主动摆杆的踏板也会上抬。当圆弧内齿条移动到无齿区与飞轮外齿相对时，圆弧内齿条不再移动，而飞轮空转，自行车可连续后退。 

本发明所述的开口齿条架指，其构造能使飞轮自由进出圆弧内齿条齿区，尤其重要的是，不能与车体和车轮轴相干涉和碰触。它连接圆弧内齿条，和或在非齿顶方向连接圆弧内齿条。非齿顶方向是指，除齿顶方向以外的圆弧内齿条的侧面、顶面和或背面。当车轮后退初始，飞轮与圆弧内齿条的齿啮合，推动圆弧内齿条向车轮后退转动方向移动，摆杆或主动摆杆的 踏板也会上抬。当飞轮跑完整条圆弧内齿条时，圆弧内齿条不再移动，飞轮从开口齿条架的开口滚出而空转，自行车可连续后退。 

本发明所述的开口齿条架与圆弧内齿条的连接可以是通过调整件来连接。开口齿条架与其对应的摆杆或从动摆杆连接也可以是通过调整件来连接。所述的调整件可以是调整垫片和或螺丝、螺销，也可以是弹性片它根据齿面的力分布自行调整齿副平行正直，以及其它整定装置。开口齿条架与圆弧内齿条结为一体、齿条架与摆杆结为一体也是本连接的一种方式。 

本发明所述的交替滑道可以设内侧和顶侧挡板，以形成摆动死点，防止正常工作时摆动过度飞轮撞击齿条架或飞轮滑出齿条齿区。摆动死点也可以在车体、摆杆、左右交替杆、齿条架、圆弧内齿条、连杆等部件在所需的方位上设阻挡件来获得。也就是说交替滑道可以不具备产生死点的功能。死点处可设弹性、软性物以降噪。 

交替滑道设置在摆杆、主动摆杆或从动摆杆上，也可设置在齿条架等运动部件上，只要能传递左右交替杆复位力，令踏板复位即可。左右交替杆的端头在滑道内滑动或滚动，交替滑道的作用是与左右交替杆配合，使两边的摆杆的摆动错位能自动交替，也可产生运动死点使各摆杆限位。在摆杆复位摆动的反方向滑道是开放的，左右交替杆的端头只是在一侧的各摆杆施力摆动时才有能力使另一侧各摆杆复位，当另有复位方向外力作用该摆杆时，左右交替杆的端头由于交替滑道的开放可以与其脱开，这有便于车轮后退时，齿条有脱离与飞轮啮合的转动空间。左右交替杆的端头所占据的空间区域总是可以被交替滑道面所扫过的空域所覆盖。由于端头与滑道不需要很高的配合精度，正常行驶时，各铰支的精度和人脚的重力与姿态足以保证左右交替杆的端头在交替滑道内滑动而不脱离。为减少损耗，左右交替杆的端头可设置滑轮。交替滑道不限形式，只要具有上述功能和起到相应作用即可。 

本发明车体是指可安装车轮和驱动装置等其它部件的自行车基体部件。 

本发明的各特征部件不局限于单一零件构成，也不限形状。 

为自行车尺寸合理安排，各杆件形式可曲可直，各铰支的位置按需要设定，以便脚蹬运行的轨迹和角度使人体肌肉施力效率最高，出力最大。 

飞轮可以是千斤弹簧等组成的棘轮棘爪超越离合器，或者是用钢珠作棘爪的无声飞轮，也可以是其它结构超越离合器，它单向联动。广泛用于电动自行车的无声飞轮目前市场价仅数圆人民币每个，且回倒转时无哒哒声能量损失更小。本发明每踏一步，飞轮需回倒转一次，采用无声飞轮会更好。飞轮的外齿可改造为与圆弧内齿条同模量的普通内齿啮合的齿形。 

所有铰支均可设轴承以提高回转精度减少摩擦损失。 

飞轮和圆弧内齿条啮合区位上可以加防护罩以防异物溅入。 

本发明可用于独轮、两轮、三轮或多轮自行车，也可用于滑板车、电动车等人力自行驱动的场合。 

本发明对于自行车的驱动常为两套轮杆部件共同驱动，当然不排除可用一套。被驱动轮也可为车前轮。 

当人脚踩动任一侧的踏板或两侧一起踩动时，自行车起动，左右交替杆的端头进入交替滑道，由于交替滑道和左右交替杆各自在所处的空间方位作圆弧摆动，故左右交替杆的端头在交替滑道表面的轨迹是斜向的重复曲线，而各摆杆被约束为只允许左右交替地摆动。双脚踏板的轨迹为适合人腿蹬进方向的大半径圆弧，蹬力方向与摆杆的夹角是90°或接近的大夹角，扭矩输出大，故较省力。在装配时调整并紧定的圆弧内齿条与飞轮外齿高精度啮合，自行车骑行时无声高效。倒车推行时，踏板将升高，使飞轮进入自由转动区空转不受阻碍。踏板在最高位有利于自行车的快速起步，它也可以人为抬升。 

本发明的技术方案已列出了为解决本案技术问题相关的各必要技术特征和主题名称，作为主题为一种齿条驱动的自行车，本发明的技术方案在具体产品中实施用入时，所需的现有技术可自行加入。 

本发明的有益效果：保留了内齿条与飞轮的多齿大面积啮合驱动方式，专设的齿条架及调整件使齿的啮合精度高噪声低，故摩损小故障少使用寿命长。同时，飞轮自由转动区的存在，使自行车即可前行又可后退，便捷性与普通有链自行车无异。设置的交替滑道和可自由安排的驱动距离，其施力可实现人体工学的最优化，较普通自行车骑行更省力。使用中，工作更可靠。本发明使得无链自行车不仅能充分利用现有的普通有链自行车的产业链采购零部件如车体材料部件、车轮和飞轮等等，而且专用件制造简单，现有的产业设备即可完成，使得生产成本大为下降，可以与普通自行车相当。 

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明： 

图1为本发明第一种技术方案用于齿条驱动自行车的优选实施结构剖面图； 

图2为本发明第二种技术方案用于齿条驱动自行车的优选实施结构剖面图； 

图3为本发明第一种技术方案驱动部分的结构示意图； 

图4为本发明第二种技术方案驱动部分的结构示意图； 

图5为一种具有开口齿条架的驱动结构示意图； 

图6为另一种具有开口齿条架的驱动结构示意图； 

图7为本发明齿传动与调整部件结构示意图； 

图8为本发明第一种技术方案自行车倒退过程中一侧飞轮空转的齿位示意图； 

图9为本发明第一种技术方案自行车长距离倒退时两侧飞轮空转的齿位示意图。 

具体实施方式

图1为本发明第一种技术方案用于齿条驱动自行车的优选实施结构剖面图。结合图3，在这里的摆杆1为具有三角叉的曲折杆，在曲折处设铰支连接在属于车体2的突出件铰支杆3上，摆杆1的长端安装有踏板4，并设有具内侧和顶侧挡板5-1的交替滑道5，左右交替杆的端头6-1配合在该滑道5内，左右交替杆6的中间设铰支连接在车体2相应位置。摆杆1的短端连有U形齿条架7它用属于调整件8的螺销或螺丝8-1和调整片8-2锁定。齿条架7的外端也装有由调整垫8-3和调节螺丝8-4组成的调整件8，它们将圆弧内齿条9连接，圆弧内齿条9上设有齿条无齿区10。由于摆杆1为曲折杆，踏板4的轨迹为大圆弧斜向运动，见图3，即能全部利用人腿曲屈至伸直的最大有效施力行程。当人骑行时，踩下一侧踏板4左右交替杆6就将另一侧摆杆1抬起，使该侧的圆弧内齿条9回退至预备施力位置。交替滑道5的内侧和顶侧挡板5-1限制了左右交替杆6最大摆动角度，也就规范了摆杆1在设定角度内运动。摆杆1和齿条架7的尺寸使得力矩的长臂与短臂比一般在2左右，两圆弧内齿条9的齿数与飞轮11齿数比在2.4左右，左右侧蹬踩一次被驱动轮转动约2.4圈，也可以其它适合的速比，使骑行轻快。不断左右踩动踏板4，两边的圆弧内齿条9轮流驱动各自的飞轮11，使自行车连续受力驱动前进。当停止入库需倒车时，自行车后车轮12倒转带动飞轮11倒转，使得圆弧内齿条9下移。图8中一侧的圆弧内齿条9移入齿条无齿区10，使该侧飞轮11空转，而另一侧的圆弧内齿条9后移至中部啮合位。图9继续倒车，则所有圆弧内齿条9移入齿条无齿区10，使所有飞轮11空转，自行车此后便无阻碍倒车。自行车退行时，踏板4将翘高，交替滑道5与左右交替杆端头6-1可以脱离接触。作好各部件的配重，除非人为脚踩踏板4，飞轮11一但脱离不会自动进入啮合位。 

图2为本发明第二种技术方案用于齿条驱动自行车的优选实施结构剖面图。结合图4，在这里连杆13将主动摆杆14和从动摆杆15连在一起，主动摆杆14和从动摆杆15分别铰支连接在车体2的各自的铰支杆3上，主动摆杆14上安装有踏板4，并设有具内侧和顶侧挡板5-1的交替滑道5，左右交替杆的端头6-1配合在该滑道5内，左右交替杆6的中间设铰支连接在车体2相应位置。从动摆杆15上连有U形齿条架7它用属于调整件8的螺销8-1和螺丝调整片8-2锁定。齿条架7的外端装有调整垫8-3和调节螺丝螺母8-4组成的调整件 8，它们将齿条架7与圆弧内齿条9连接，圆弧内齿条9上设有齿条无齿区10。由于适宜的连杆13、主动摆杆14和从动摆杆15的长度和连接的位置，踏板4的轨迹更趋向水平的方向运动，见图4，可以完全利用人腿曲屈至伸直的最大有效施力行程。如此，自行车的座凳可放低使人脚可完全平踩地上保持稳定，根据使用人的腿长身高，座凳也可前后调节。带腰靠的座凳可使人施力更大。而且，由于踏板4位置、连杆13铰支点在各摆杆的位置可按需要安排，自行车尺寸设计的余地大。座凳还可以安置在前后车轮12的靠中间位置，便利于后书报架载物。在从动摆杆15上设多个铰支安放孔16，连杆13铰支向下安装铰支可增速反之减速，与此同时将连杆13调整到与此相应的长度刻度上。当人骑行时，踩下一侧踏板4左右交替杆6就将另一侧主动摆杆14抬起，使该侧的圆弧内齿条9回退至预备施力位置。左右交替杆的端头6-1与交替滑道5的内侧和顶侧挡板5-1组合和齿条架7上的阻挡件17共同规范了各杆件在设定幅度内运动。不停左右踩动踏板4，两边的圆弧内齿条9轮流驱动各自的飞轮11，使自行车连续受力驱动前进。当停止入库需倒车时，自行车后车轮12倒转带动飞轮11倒转，使得圆弧内齿条9上移，圆弧内齿条9的齿条无齿区10与飞轮11相对，使飞轮11空转。自行车便无阻碍倒车。自行车退行时，踏板4将翘起，交替滑道5与左右交替杆端头6-1可脱离接触。作好各部件的配重，除非人为脚踩踏板4，飞轮11一但脱离不会自动进入啮合位。 

图5为一种具有开口齿条架的驱动结构示意图，图中可以看出，图5的开口齿条架18具有侧撑式开口20，允许飞轮11滚出圆弧内齿条9进入自由空间，使飞轮11空转，也没有任何部件与后车轮12轴和车体2的后叉相干涉和触碰。图1的车体2构造比较适用图5的侧撑式开口齿条架18。 

图6为另一种具有开口齿条架的驱动结构示意图。图6的开口齿条架18具有骑跨式开口19，在图中当飞轮11倒转，圆弧内齿条9将上移，上移的开口齿条架18不仅允许飞轮11滚出圆弧内齿条9进入自由空间，使飞轮11空转，而且它可骑跨过后车轮12轴和车体2的后叉。图2的车体2构造比较适用图6的骑跨式开口齿条架18。 

作好各部件的配重，除非人为脚踩踏板4，飞轮11一但脱离不会自动进入啮合位。 

图7为本发明齿传动与调整部件结构示意图。在装配和维修实施本发明的自行车时，若圆弧内齿条9的齿与飞轮11的齿未对齐或者啮合过紧、过松时，可整定调整件8的各零件来使其达到高精度啮合。方法是拧松螺丝螺母8-1、8-4更换或添加调整垫8-2、8-4和拧松螺销8-1微转齿条架7或圆弧内齿条9，最后紧定各螺丝螺销。 

本发明并不仅仅局限于上述的实施方式。与本发明属同一基本构思的其它形式，也属于 本发明的保护范围。 

本发明所述的技术方案是为解决本发明所要解决的技术问题而设，相对于所要解决的技术问题建立了其技术内容的完整性。将它实施于具体的自行车产品或其它产品中时，实现该产品所必需的技术特征可以多于本发明技术方案的技术特征。 

本发明各技术特征的含义按照说明书中各专有名词的定义；没有专门定义的，引入本技术领域的公知常识和技术，但该知识的范畴受限于本发明所要解决的技术问题、基本构思、技术方案，结合它在本发明所具备的功能、所起的作用及产生的效果，及参考说明书及其附图的内容进行理解，该特征名称的文字措辞不是其含义的限制，以免产生对本发明的歧义。 

本发明进一步作说明，本发明的说明书及其附图所表达的所有内容仅用作权利要求的解释和理解，它不得积极、主动地介入确定权利要求保护范围，即不可作为限制，尤其是跟本发明所要解决的技术问题无关联的内容部分，更是如此。本条为说明书之内容。 

Claims (6)

1.一种齿条驱动的自行车，包括车体(2)、车轮(12)、踏板(4)、摆杆(1)、飞轮(11)、圆弧内齿条(9)及左右交替杆(6)，摆杆(1)和左右交替杆(6)分别铰支连接在车体(2)上，其特征在于：它还设置了交替滑道(5)、齿条架(7)和齿条无齿区(10)，该齿条架(7)连接圆弧内齿条(9)，圆弧内齿条(9)在预备施力的一端设有齿条无齿区(10)，齿条架(7)还连接摆杆(1)，骑行时左右交替杆的端头(6-1)与交替滑道(5)相接触。

2.一种齿条驱动的自行车，包括车体(2)、车轮(12)、踏板(4)、飞轮(11)、圆弧内齿条(9)及左右交替杆(6)，左右交替杆(6)铰支连接在车体(2)上，其特征在于：它还设置了主动摆杆(14)、从动摆杆(15)、连杆(13)、交替滑道(5)、齿条架(7)和齿条无齿区(10)，该齿条架(7)连接圆弧内齿条(9)，圆弧内齿条(9)在预备施力的一端设有齿条无齿区(10)，齿条架(7)还连接从动摆杆(15)，主动摆杆(14)和从动摆杆(15)分别铰支连接在车体(2)上，它们之间用连杆(13)以铰支连接，骑行时左右交替杆的端头(6-1)与交替滑道(5)相接触。

3.如权利要求1所述的齿条驱动的自行车，其特征还在于：齿条架(7)与圆弧内齿条(9)的连接是通过调整件(8)来连接。

4.如权利要求1所述的齿条驱动的自行车，其特征还在于：齿条架(7)与圆弧内齿条(9)的连接是通过调整件(8)来连接，齿条架(7)与摆杆(1)的连接也是通过调整件(8)来连接。

5.如权利要求2所述的齿条驱动的自行车，其特征还在于：齿条架(7)与圆弧内齿条(9)的连接是通过调整件(8)来连接。

6.如权利要求2所述的齿条驱动的自行车，其特征还在于：齿条架(7)与圆弧内齿条(9)的连接是通过调整件(8)来连接，齿条架(7)与从动摆杆(15)的连接也是通过调整件(8)来连接。

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