CN102985315A - 一种通过采用弹性拉伸元件的交替对称驱动系统进行驱动的，可应用在车辆上，尤其是自行车上的轮子的轮毂装置 - Google Patents

Abstract

一种轮毂装置，应用于通过包括三个鼓单元的交替对称驱动系统进行驱动的车轮上，所述三个鼓单元各自包括具有一个有外表面的中空筒（18），安装在所述中空筒（18）内的弹性拉伸元件的线圈，以及安装在上述中空筒（18）的中空部分的偏置弹簧（22），轮毂单元（4）两侧均包括一个自由轮（36），车轮随所述自由轮中角速度最高的一个旋转。轮毂单元还包括一对置于轴线方向的驱动套管（33），并由两个驱动套管定义自身的节奏。驱动套管（33）具有朝向其中一个鼓单元的外侧并由此与鼓单元相连，用于传递扭矩。驱动套管外围环绕了中间套管（38），并在二者之间形成一个环形空间，在该环形空间中防放置了一个滚珠轴承（35）和其中一个自由轮以使其能够同时连接到驱动套管的外表面和中间套管的内表面。中间套管之间刚性地连接在一起，并至少在驱动期间连接在轮毂单元的外套管（40）上。

Description

一种通过采用弹性拉伸元件的交替对称驱动系统进行驱动的,可应用在车辆上,尤其是自行车上的轮子的轮毂装置

技术领域

本发明涉及到一种轮毂装置，该轮毂装置应用于通过采用弹性拉伸元件（比如绳子）的交替对称驱动系统进行驱动的轮子上，可以应用在车辆上，尤其是自行车上，该轮毂装置可拆卸的安装在支撑该车轮的支架上。该轮毂装置包括第一鼓单元、轮毂单元和第二鼓单元，上述单元沿轴线方向并行安装在同一个轮轴上，并均设置了一个中心轴向孔。该轮毂装置还可以包括一个贯穿所述中心轴向孔、并能可拆卸的安装在所述支架上的安装轴，每个鼓单元包括：一个有外表面的中空筒，安装在中空筒内的弹性拉伸元件的线圈，在所述交替对称驱动系统运行时，所述弹性拉伸元件从所述线圈交替卷绕升降。鼓单元包括一个可以以轮轴为中心轴旋转的外套管，该外套管包括一个可以连接在支撑所述车轮的部件上的连接部件（比如，链齿轮等）。所述轮毂装置的两侧均包括一个自由轮，这些自由轮能够使所述外套管随两个鼓单元中拥有更高瞬时角速度的一个旋转，从而使车轮在车轮的角速度高于任一鼓单元的角速度时能够自由正向旋转。

背景技术

美国专利申请号5833257的专利申请文件中公开的具有上述特性的交替对称驱动系统和由该系统驱动的自行车，其中，自行车的摇臂由脚踏板驱动，反向曲轴置于自行车的两侧。在后车轮的轮毂的两侧置有鼓，当摇臂借助于坚硬的或者弹性的拉伸元件摇动时，所述鼓沿正方向旋转。在交替运动的方向运动区间内，各个拉伸元件迫使摇臂和鼓做反向运动。上述所引用的专利中，描述了几种拉伸元件的设计方案，但是，上述方案以该专利图7中具有相关联的后轮毂设计的一种为参考。其中，在靠近轮毂的各个鼓的内侧置有一个第二鼓，在第二鼓中置有一个用于将摇臂元件拉回的盘簧。在鼓的旁边包括一个盘簧的防护外壳并在所述外壳的两侧各自刚性地连接着一个自由轮。自由轮的一个环连接在轮毂装置的外管套上，所述外管套通过滚珠轴承连接在静止的中心轴上。

这样的设计会造成几个问题。其中之一是，轴向空间的利用率不足，这样会导致轴向的尺寸过大，因为两侧的空间必须提供给缠绳筒，并且在其侧面需要提供给盘簧的保护外壳和自由轮的环。上述尺寸还会因为对轮胎的宽度和齿轮篮的中心宽度的要求而增加，而不能将其减少到一定的尺寸以保证车轮具有足够的强度。这是一种比较合理的推断，因为齿轮的内端是安装在轮毂的侧面的轮箍上，轮箍在轴向的间距决定了齿轮所支撑的车轮的强度。

上述设计的另一个问题是普通的自由轮严格要求自身轴处于正确的角位置，否则将会锁死。缠绳筒卷起时拉伸绳产生的、在正方向作用于轴上的拉力会拉弯轮毂的中心轴，并且在相应的被拉弯的时刻在沿与自由轮运动方向垂直的方向增加自由轮的负载。由于上述原因，个人不得不运用为超负荷设计的大尺寸元件，导致这些元件的重量、尺寸和费用过大。

另外一个缺点是，个人只能在拆卸拉伸元件之后才能卸掉后轮。在所述专利实施例中，安装在自行车后叉上的两个相反的外壳，需要严格的相互平行，否则将导致角位置的偏差，进而导致摩擦力的增大甚至滚珠轴承的锁死。

上述设计的另外一个特点是自由轮的作用仅能允许后车轮向前进的方向旋转。尽管，自行车只能向前行驶，但是在一些特殊情况下，将自行车向后倒也是不可避免的。不解决这个问题，这样的自行车不能取得商业上的应用。

发明内容

本发明实施例提供了一种应用于通过交替对称驱动系统进行驱动的车轮上的轮毂装置，能够解决上述列举的大部分或者全部的缺点，即，本专利中能够将施压在自由轮上的轴向的负载减少到最小，并提高轴向空间的利用率，允许后车轮的快速拆卸和安装，并具有一定程度的自我调节特性，最后一点同样重要，即允许后车轮的反向运动。

上述问题能够通过权利要求中所表述的轮毂装置得到解决。

相比于上述所要解决的问题的复杂程度，本申请实施例提供的后车轮轮毂装置的结构设计要简单的多。通过解决上述问题，车轮能够简便的拆卸和安装，保养也十分简单，并且紧凑的内部设计能够在恶劣的环境中保护敏感元件。

附图说明

下面结合附图详细描述本发明实施例提供的轮毂装置的一些优选的实施例，其中：

图1是本发明实施例提供的轮毂装置的截面正视图；

图2是本发明实施例提供的轮毂装置的截面正视图的局部放大图；

图3是示意轴安装在支架上的截面图的放大图；

图4是图3的局部放大图；

图5是鼓弹簧安装于管状轴上的示意图，该图中没有显示缠绳筒和弹簧；

图6是图1中的立面坡面图的截面放大图；

图7是车轮中间区域的透视图；

图8是平衡杠杆的透视图的放大图；

图9是发射环的透视图的放大图；

图10与图7相似，为装置在正常行驶时的状态图；

图11与图10相似，为装置在后车轮沿相反方向旋转时的状态图。

具体实施方式

图1是整个轮毂装置的立面剖面图，该轮毂装置可以安装在自行车支架的左后叉臂1和右后叉臂2底端的孔内（支架未在图中显示）。该轮毂装置包括三个独立的部分，诸如：左鼓单元3、轮毂单元4和右鼓单元5，上述左鼓单元3和右鼓单元5对称地设置于装置的中心横截面的两侧，二者采用相同的设计，跨坐在可拆卸的安装在二者之间的轮毂单元4上，其中，轮毂单元4本身也关于中心横截面对称。

三个管状轴即左管状轴6，右管状轴7和中央管状轴8穿过所述装置的中心部分，上述的各管状轴分别与前述装置的三个部分相连。在轮毂装置处于组装状态下时，这些管状轴组成一个单独的刚性管状轴9，使所述装置看起来只有一个管状轴。安装轴10贯穿管状轴9，其直径小于管状轴9的内孔，安装轴10是整个装置中最长的部分。上述安装轴10的直径小于管状轴的中心孔的直径的程度在于，当该装置处于完全松开状态，叉臂1和叉臂2的开口增大时，安装轴10能够自由的引入和贯穿管状轴9的内孔。比如，安装轴10的直径可以设为8mm，管状轴9的直径内孔的直径只需高出1mm即可实现这种自由引入。

现在参考图2中所示的连接，对鼓单元3的结构进行描述如下。在左管状轴6的外端部分有螺纹，可以安装鼓安装螺母11，安装鼓安装螺母11的内侧表面被压紧到第一定位垫圈对12上，定位垫圈对12的内侧表面压在左叉臂1的外侧表面上，在左叉臂1的内侧表面一侧有第二定位垫圈对13，定位垫圈对13的内侧表面压在第一鼓支撑滚珠轴承14的内环上。该内环的内表面由左管状轴6（见图3）上的垫肩15支撑。安装轴10具有带螺纹的端部，其左端沿纵向伸出左管状轴6的外端，在该端部配有一个标准的车轮安装螺母16。优选的，鼓安装螺母11的外形可采用特别设计，仅允许经过训练的机修工借助于配套的工具调整。安装轴10可以像安装普通自行车的前轮一样利用串固定组件压紧。

图3是装置的这个部分的放大视图，图4是第一定位垫圈对12示意图的放大图。优选的，后叉应以以下方式制作，即在初始状态时（比如焊接完成时），左叉臂1和右叉臂2在该区域包括两个互相平行并且平行于支架的垂直面的车轮支撑孔。此后，优选的，两个叉臂的下端可以在外力的作用下偏离对端，以保证叉臂可以有轻微的变形，其中这些叉臂偏离的角度应在3-5°之间。在这个位置，轮毂单元4能够从左鼓单元3和右鼓单元5之间移出。当然，也可以在焊接时就保留所需的3-5°的偏离。

如图3所示，当鼓安装螺母11向内旋向静止的左管状轴6时，螺母11的内侧表面压紧定位垫圈对12，并且压力通过叉臂1传递到第二定位垫圈对13上，然后传递到支撑第一鼓支撑滚珠轴承14的内环上，贴在内环上的垫肩15的存在阻止了沿轴线方向的进一步的位移。通过压紧鼓安装螺母11，能够将上述元件压紧在一起。在放大后的视图图4中可以看到，定位垫圈对12包括两个凸-凹一致垫圈12a和12b，垫圈的弧面形像帽子，能够在大概3-5°的角度内有角度的相对滑动。里面的定位垫圈对13也能产生相似的角位移。在任意角位置，垫圈之间能够相互高强度的啮合、压紧。

由于初始时叉臂1和2处于相互背离的位置，因此两对定位垫圈对是必要的，通过调整车轮安装螺母16以及位于另外一侧的相同的螺母挤压车轮安装轴10时，叉臂1和2相向移动并在螺母旋到最大程度时到达理想（平行）的角位置。只能在车轮安装螺母16调整后的位置之后才能对鼓安装螺母11做最终的调整，因为在将叉臂压紧到一起的过程中，将鼓安装螺母11轻微的松动会导致左管状轴6的面与叉臂1内壁的之间的角度发生轻微的改变。当紧固轮子的操作迫使叉臂1,2达到最终的位置时，左管状轴6（由其和其他两个管状轴一起组成一个坚固的整体）也会达到最佳的位置。此时，鼓安装螺母11个在另外一侧对应的螺母应该是拧紧的，由此左管状轴6能够安装并被压紧到相关联的叉臂1，然后固定鼓单元3的位置。此后，车轮安装螺母16可以被松开，并且当车轮安装螺母16完全拿掉时，能够在完全抽掉车轮安装轴10之后完全拆下后车轮。当车轮安装螺母16松动时，叉臂的角位置会发生改变，并且产生偏离，然而当车轮安装轴插入并旋紧后，叉臂1和2会再一次达到最佳角位置。这就是为什么鼓安装螺母11要设计成特殊的外形，并仅能由专业服务人员调整的原因。

参考图2可以看出，支撑鼓的第二滚珠轴承17的内环安装在左管状轴6的另一端（内端）上并且内环在轴线方向略微伸出所述左管状轴6。第一鼓支撑滚珠轴承14和第二鼓支撑滚珠轴承17的设计是为了能够承受足够大的轴向负载。第二鼓支撑滚珠轴承17的外环支撑喇叭状的、中空的左缠绳筒18，左缠绳筒18能够解决多种技术问题。在缠绳筒的开口一端和支撑鼓的第一鼓支撑滚珠轴承14的外环之间置有塑料材质的定距盘19，用于封盖开口端。

优选的，缠绳筒18采用铝合金制作，其两侧斗篷状的外壳上分别刻有绳槽20、21，螺纹装的凹槽能够收纳驱动车轮的绳索。绳槽的圈数比行驶时卷绕升降所需要的圈数高出1.5-3圈。预留的圈数用于为施加在绳上的力提供分担，同时降低施加在安装于缠绳筒上的绳索的两端的负载。优选的，绳槽20、21可以采用如下设计：绳索的两端分别固定在缠绳筒18的两侧，绳索从中间区域向两侧缠绕。在运行期间，绳索周期性的在中间区域卷绕升降，绳索在缠绳筒两端的运动也和在中央区域一样，但是卷绕下降发生在绳槽20从右向左和绳槽21从左向右时（卷绕上升时方向相反），即两个绳槽的缠绕方向相反。在缠绳筒18的两侧，各有一个外缘，所述外缘具有圆形的上端，用于使绳索贴在缠绳筒18斗篷状的外壳上。绳子的两端分别固定在外缘的缺口处（图中未显示）。

缠绳筒18中空的内部为用于放置偏置弹簧22，偏置弹簧22用于将驱动系统的摇臂元件拉回，并为绳索本身提供适合的偏置。偏置弹簧22是由一个合适的条状弹性材料弯曲而成、具有多匝的盘簧，其最里面的一匝的端部固定在管状轴6上，外端附在缠绳筒18上位于绳槽21和22之间的中间部分。盘簧22的线圈拥有这样的一个特性，即其偏置力总是趋向于将缠绳筒18向后的方向转动，即与传动的方向相反。

图5中显示了偏置弹簧22是如何安装在缠绳筒18的中空内部的，该图中展示的装置未显示弹簧22和缠绳筒18。在管状轴6的外壳上有一个宽度与缠绳筒18的中空内部的宽度相对应的平面，在该缠绳筒18上能够放置一个比较窄的矩形盘23，矩形盘23上定义了一个径向方向伸展、宽度略微大于盘簧22的宽度的长槽。盘23的位置可以被一对能够接纳盘23的圆环可释放的固定。盘簧22的内端有一个高度与盘簧23的厚度向对应弯曲部分。当弹簧22安装在管状轴6是上时，盘23被固定在其平面部分，以使盘簧22内端的弯曲部分能够装配到盘23的长槽内。然后环24、25套在管状轴上用于固定盘23。此时喇叭状的缠绳筒18能够被固定在其所在的位置，盘簧22的外面的一匝能够通过合适的连接件被固定在缠绳筒18的中间部分。该装置可以按如图2所示进行装配。盘簧22能够在位于上述描述的位置时被偏置，该步骤中缠绳筒在正方向旋转了数周。可以在缠绳筒18外部的中央区域设置一个箭头，指示其正确的旋转方向。

缠绳筒18的第三个功能是将拉伸缠绕在斗篷状的外壳上的绳索所产生的扭矩传递到轮毂单元4上。为了实现这个目的，朝向轮毂单元4的缠绳筒18的内表面上等角度地分布有多对径向相对的针槽26，针槽26的对数可以在2-6之间。在组装状态下，顶针26，27至少插入其中的一对针槽，顶针26，27由轮毂4的两侧沿侧面向外伸出，图中未显示两侧的情况，但是形成针槽26的缺口应有轻微的朝外张开的侧壁，以使顶针27，28能够插入。在装配状态下，顶针的大部分表面整齐的嵌入对应的针槽，由此，由缠绳筒18产生的扭矩被传递到轮毂单元4上。

鼓单元3和轮毂单元4之间的连接关系可以参考图6中所示的放大视图。靠近左管状轴6的内端有一个第二垫肩29，一个窄距环30套在左管状轴6的一端，紧靠垫肩的一端和支撑鼓的第二鼓支撑滚珠轴承17的内环。该内环伸出左管状轴6的内端并接纳中央管状轴8朝向左鼓单元3的左端部分。这样的设计能够保证左管状轴6和中央管状轴8的轴线在同一条线上。左管状轴6和中央管状轴8之间存在一个较窄的间隙用于避免超定，和仅允许在这些管状轴之间传递有限的轴向力。第二鼓支撑滚珠轴承17的内环的内表面靠在轮毂单元4最外端的滚珠轴承31的内环的外表面上，滚轴轴承31的内环的内表面靠在中央管状轴8上的垫肩32上。

鉴于整个结构是关于中心平面对称的，因此通过描述左管状轴6与中央管状轴8之间的连接关系，整个管状轴6、7、8的设计以及管状轴安装在支架和缠绳筒的方式就明确了，因为结构的右半侧和之前描述的左半侧的一样。特别的，在通过拧紧左安装螺母16（以及在另外一侧的另一个螺母）将叉臂1和叉臂2相向移动时，轴向力会从叉臂1的内壁通过定位垫圈对13和支撑鼓的第一鼓支撑滚珠轴承14的内环传递到左管状轴6。左管状轴6将力通过支撑鼓的第二鼓支撑滚珠轴承17和滚珠轴承31的内环传递到中央管状轴8，在另外一侧作用于叉臂2的内侧上的力也以同样的方式传递到中央管状轴8。鉴于在轴向力的方向上插入前面提到的滚珠轴承的内环，就形成了这样一条精准的、能够保证刚度的力的传递链条，并且如果力直接在相邻的管状轴之间传递上述方式更为可靠。这样，由于连接面的直径更高，滚珠轴承的面是淬火过的，这些力也能对滚珠轴承的位置产生影响。另外，各个轴能够通过将各自的端头固定在同一个环内形成一个统一的轴（之间没有径向跳动），因此，各个轴之间甚至不需要相互接触。通过这种方式，这个装置变成一个包括三个管状轴的单一刚性单元，其直径和刚度都远远超过仅使用一个传统的中间轴10（直径通常是8mm），鉴于该单一单元能够在益处中间轴10之后拆成三个独立的部分。针槽26和装插在其中的顶针27、28仅能传递扭矩而不能传递任何轴向力或者其他力。

参考图6还可以看出，驱动顶针27为组成驱动套管33的主要部分。驱动套管33的左端由能够允许其自由旋转的中央管状轴8上的滚珠轴承33支撑，内端连接在中央管状轴8的另外一个滚珠轴承34。在驱动套管上由顶针27向内的方向有一个圆柱形的外表面，在该外表面上有一个直径略大的截面，这个界面用于支撑为过大负载而设计的滚珠轴承35的内环。驱动套管33的圆柱形表面超出直径略小的滚珠轴承的内环，其外侧的表面构成自由轮36内侧的表面。自由轮36包括多个型材元件，所述多个型材元件被一个环状弹簧连接在一起构成一个环绕在其外围的扣带，中间套管38置于所述多个型材元件的外围。由于采用了这种特殊设计，型材元件使得内套管和外套管向一个方向自由旋转，型材元件在内套管和外套管朝向相反方向旋转时锁死。在图6这个截面图中，自由轮36用一个三角符号表示。中间套管38环绕在自由轮36上的圆柱形的内部有一个阶梯式的设计，该圆柱形的内部的最大直径在左侧，其中安装了滚珠轴承35的外环，该滚珠轴承35承载了施加在中间套管38上的大部分径向力。第二部分的直径略小，构成自由轮36的外侧表面。向中间方向，中间套管38的内部进一步缩小，且其内端向内伸出驱动套管33的内端，并具有一个圆柱形的端头部分，在该端头部分有一个隔距环37。隔距环37的内径略大于中央管状轴8的外径，在环37和滚珠轴承34的内侧的端头之间有很小的空隙。

在中间套管38的外端部分有一个向外即向鼓单元3的方向变窄的圆锥段39，所述圆锥段39具有轴向支撑轮毂单元4上的部件的作用。

在中间套管38径向的外侧有一个由两个半套管40a和40b轴向安装在一起组成的外套管40，外套管40和38之间有一定的间隙，并且二者之间可相对转动。外套管40构成轮毂单元4的外侧，在外套管40的两端各有一个外缘41、42（参见图1和2），在外缘41、42上环绕分布者多个用于收纳后车轮齿轮的轮齿的孔43（参见图2），在套管40的两个横向端头部分的内部均设有内螺纹，如图6所示，带螺纹的支撑环40卷入套管40中，支撑环40的端部朝向鼓单元3。支撑环44的内表面为圆锥形，与中间套管38的圆锥形部分39相适应。当支撑环44插入时，两个圆锥形的表面能够相对转动，支撑环44的作用是进行横向的定位。为了使上述表面能够相对转动，可以在两个接触的圆锥表面之间加入一些合适的润滑剂。在环44朝外的表面上有一些轴向孔，将合适的工具插入轴向孔内可以不费力地转动并旋紧支撑环44。在轮毂单元的另外一端（图中没有显示）也置有一个采用同样设计的支撑环。图6中所示的在左端的支撑环的带螺纹的外端比在右端的略长，一个带螺纹的固定圈45用于锁紧装置调整后的位置。可以通过在固定圈45的轴向孔和能够插入这些轴向孔中的合适的工具实现固定圈45的固定作用。

套管38的内端部分采用特殊的设计，参见透视图图7、示意图图10和图11。套管38的内端部分一直延伸到轮毂单元4的中心对称平面处，但是在表面区域磨出一个凹坑，其他部分由一对径向相对的支撑表面46、47，支撑表面46、47有一个外侧轮廓为弧形（参见图7）、基本上为矩形的轮廓。在这些支撑表面46、47上各有一个轴向孔48、49，在这些孔中各自安装了一个连接顶针（图中未显示）。当轮毂单元4的两个半截部分在轴线方向被挤在一起时，连接顶针将两个相反的中间套管38连接以组成一个装配单元。在中间套管上垂直于孔49的轴的连接线的方向还有一对轴向孔，其中安装有顶针50、51，这些共同为平衡杠杆52、53提供支撑和转动轴。优选的，顶针51、52可以以同样的方式分别连接到两个相反的中间套管38上。顶针50、51可以参考图1，顶针50还可以参考截面放大图图6。

如图8所示为平衡杠杆52的等角投影图。优选的，平衡杠杆52包括多个通过铆钉（图中未显示）相连的压型钢板，平衡杠杆52基本是一个双臂杠杆，且在两臂的外端区域分别安装了滚轮轴54、55，滚轮轴54、55分别支撑一个坚固的、能够绕滚轮轴54、55自由旋转的滚轮56、57。在顶针50、51还分别提供有环58、59（参见图7），环58、59压在相连的平衡杠杆上以使外滚轮57向外偏置，内滚轮向内偏置。

图6中可以看出，两个半截的套管40a和40b结合在一起形成外套管40的中间区域沿径向方向向外伸出，并由此形成一个径向方向的、用于放置锁紧环60的空腔。该锁紧环60有6个穿插着顶针61的轴向孔，顶针60伸入半套管40a和40b上相应的轴向孔中，连接并固定半套管40a、40b与锁紧环60。锁紧环60的内侧表面有多个弧形的槽，其中弧的半径与外滚轮57的半径相对应。

同样参考图6，具体描述轮毂单元4的中间部分。在中央管状轴8的外围有一个隔距环37，在隔距环37和另外半个轮毂上的相同的隔距环之间有一个第二自由轮62，并且第二自由轮62的内支撑面是由中央管状轴8的位于中间部分的外表面构成的，外侧部分与发射环63的内表面相连。发射环63的外形如透视图图9所示，其外表面大体上为圆柱形，在外表面上有一对在径向相反方向伸出的突起部分，各形成一个具有与平衡杠杆52、53上的内滚轮56的外径相契合的V形弧轮廓的发射槽64、65。图10和11展示了两种该结构的可能的稳定位置。

本发明实施例提供的轮毂装置的操作和运用可如下文所示。如果轮毂装置组装在上述的自行车后叉臂1和2之间，首先从骑行者正常骑在自行车上转动曲臂和脚踏板的情况说起。在交替对称驱动系统内部，驱动绳总是在鼓单元3和5中的至少一个上正向旋转，其角速度总是在其中一侧上旋转时更高。实际的驱动是由正向角速度更高的一侧提供。假设这个鼓是左鼓单元3。缠绳筒18的正向旋转会通过插入缠绳筒18上相应的针槽26中的驱动顶针27、28正向转动驱动套管33。驱动套管33能以管状轴8为中心轴旋转并能围绕其自由旋转。在这样一种情形时，即，当自由轮36内表面的正向角速度大于车轮和连接在车轮上的外套管40的角速度时，自由轮36会处于锁死状态，转动会传递到环绕在自由轮36外侧的中间套管38。中间套管38和图7、图21中显示的两个平衡杠杆52、53形成一个刚性连接。平衡杠杆52、53被弹簧58、59固定在图7和图10中的位置。平衡杠杆52、53的外滚轮57嵌入锁紧环60的内槽中，当压到这些槽上时，能够使锁紧环60、外套管40和后车轮一起正向转动。这个驱动过程对应于自行车的正常应用，即，驱动套管33和中间套管38以及车轮一起转动。

在右鼓单元5的正向角速度大于在左侧的鼓单元3的正向角速度的情况下，在右侧的自由轮会使中间套管38（两个驱动套管38刚性相连）在这种更高角速度下做相同的旋转。当中间套管38的转动速度大于驱动套管33时，在左侧自由轮36处于打开状态，这样，在左侧的绳索可以无障碍的在左侧卷起。

假设另外一种情形，自行车沿斜坡向下滚，骑行者根本没有转动脚踏板。这样的情形下，车轮的正向角速度大于在任意一侧的驱动套管的正向角速度，此时自由轮会处于打开状态因此不会影响这种转动，外套管40和两个与之相连的中间套管38一起旋转。

需要指出的是，在中间套管38正向旋转期间，在平衡杠杆52、53上的内滚轮56嵌入发射环63上的发射槽64、65中，并使发射环63与其一起转动。在轮毂中心部分的第二自由轮62不会阻止这种转动。

当将自行车向后推时，情况会有所不同，此时后车轮会试图向后转。这种情形如图11所示。这种情况下，第二自由轮将会起到特殊的作用，由于其不允许相对于静止的中央管状轴8的反向转动，其会锁死并阻止由后车轮通过平衡杠杆带动的发射环63的转动。这样由内滚轮56传向发射环63上的发射槽64、65的反向力会造成内滚轮56逆着偏置弹簧58、59在发射槽64、65的后坡面上沿径向向外的方向上运动。这样，平衡杠杆52、53上的外滚轮57会向内转动并脱离锁紧环60上的槽到达如图11中所述的位置，由此，锁紧环60、外套管40以及后车轮脱离中间套管38并独立于中间套管38运动。此时后车轮能够自由的向后旋转。向后的这种转动可能受到中间套管38上的锥形部分39与旋紧其中的支撑环44上的相应的锥形表面之间的摩擦力的阻碍，但这种阻碍作用可以忽略不计。另外，中间套管38的反向旋转还会受到其中一个自由轮36的阻碍，这会轻微地转动与其连接的缠绳筒，但是绳的弹力足够大能够允许中间套管38的轻微的反向旋转，并允许第二自由轮62锁死和上述平衡杠杆从锁紧环60处脱离。

在车轮向后旋转终止时，整个装置会回到最初描述的情况，并在弹簧58和59的偏置力的作用下，平衡杠杆52、53会重新将滚轮57连到锁紧环60上。

在正常行驶时，如果发生过载，外套管40、中间套管38与支撑环40一起转动，径向的负载会通过上述的支撑路径传递到中央中空轴8，由此该装置形成了一个刚性的具有承载作用的装配单元。

轮毂单元4的拆卸非常简单，只需将其最外侧的车轮安装螺母16释放，并将安装轴10抽出即可。叉臂的弹力力会使鼓单元3、5沿轴向向外移动，驱动顶针27和28会脱离向关联的针槽，从而可以将后车轮移去。对车轮的装配可以将上述顺序颠倒。由于自由轮对后车轮的反向运动有轻微的阻碍作用，将顶针27、28装进相应的针槽中足以将车轮轻微的向后旋转同时顶针27、28很容易找到相应的针槽。将车轮安装螺母16拧紧后，装置回到最初调整的同轴的、坚固状态。

如果仅需要自行车向前移动就能满足使用的话，轮毂40的结构可以简单的多，就无需第二自由轮62以及发射环63、锁紧环60，中间套管38也就可以与外套管40直接连在一起。

由于在缠绳筒单元的内部设有偏置弹簧且这些缠绳筒单元可以可释放的连接于轮毂上的，可以实现在不接触驱动绳的前提下对后车轮的快捷拆卸。对于链条驱动的自行车来说，后轮的拆卸是一件比较脏并且不太令人愉快的工作。运用从外面封闭的三个单元还会产生另外一个优点，即可以有效保护内部元件不受环境因素的影响（比如灰尘、油污、潮湿和腐蚀）。优选的，后轮毂可以采用由两个半轮毂单元组拆装的对称设计，各个半轮毂单元在链齿轮偏置力在轴方向的分力的作用下被压紧到一起，但是这些半单元也可以通过合适的粘合剂连接，在需要修理的时候拆开。

上述元件多为标准件，可以通过正常的商业途径获得，自由轮可以通过GMN Paul Müller Industrie GmBh&Co.KG（纽伦堡、德国）生产的自由轮离合器FE400Z或者FE800Z获得。

对于摇臂式的交替驱动系统来说，本发明实施例提供的后轮毂装置是非常理想的，所述交替驱动系统可以人为也可以通过合适的马达提供驱动力。本发明提供的装置的一个最基本的优点是，在缠绳筒的内部有足够的空间用于放置拉回和偏置驱动系统的拉伸元件的弹簧，然而弹簧的宽度并没有增加装置的整体宽度，因为缠绳筒的横向尺寸高于拉伸元件所需的尺寸。

虽然本申请仅描述了本发明运用于一般自行车上时的连接关系，但是本发明的应用并不局限于自行车上，也可以应用在能够运用交替驱动系统任何情形下，比如三轮脚踏车，斜躺自行车或者有电动马达或者发动机驱动的轻型车辆（比如踏板摩托赛车、特殊小型车辆等）。

根据本发明实施例还可以有多种实施方式，本发明的保护范围并不局限于上述实施例中的任何一种。

Claims (10)

1.一种轮毂装置，应用于通过采用弹性拉伸元件的交替对称驱动系统进行驱动的车轮上，该装置可应用于车辆尤其是自行车上，并可拆卸的连接在支撑车轮的支架上，包括：

第一鼓单元（3）； 轮毂单元（4）；第二鼓单元（5）；上述单元沿轴线方向并行安装在同一个轮轴上，并形成一个中心轴向孔；

一个贯穿所述中心轴向孔的安装轴（10），所述安装轴（10）可拆卸的连接在所述支架上；

鼓单元（3、5）均包括：

一个有外表面的中空筒（18）；

安装于所述中空筒（18）的弹性拉伸元件的线圈，在所述交替对称驱动系统运行时，所述弹性拉伸元件卷绕升降；

轮毂单元（4）包括一个可以轮轴为中心轴旋转的外套管（40），所述外套管（40）包括一个可以连接在支撑所述车轮的部件上的连接部件，在所述轮毂装置的两侧均包含一个自由轮，当所述鼓沿驱动的方向旋转时，所述自由轮能够使所述外套管（40）随拥有更高瞬时角速度的鼓旋转，且所述自由轮能够使车轮在自身的角速度高于任意鼓的角速度时自由地正向旋转，其特征在于，所述轮毂单元（4）包括：

一个环绕在所述安装轴（10）外围的静止的中心管状轴（9）；

一对可以以所述静止管状轴（9）为中心轴旋转的的驱动套管（33）；各个驱动套管被沿轴线方向隔开，各有一个侧面朝向两个鼓单元（3,5）中相关联的一个，并与两个鼓单元（3,5）中相关联的一个相连，以使该连接能够仅传递扭矩； 

分别环绕在相关联的驱动套管（33）外围并与驱动套管（33）沿径向方向隔开的中间套管38；所述滚珠轴承（35）和自由轮（36）被安装在所述驱动套管（33）和相关联的中间套管（38）之间的环状空间里；所述滚珠轴承（35）和自由轮（36）按以下方式设计，即其内表面套在相关联的驱动套管（33）的外表面上，外表面嵌在相关联的中间套管（38）的内表面上，中间套管（38）之间刚性互连并且还至少在车轮被驱动时刚性的连接在所述外套管（40）上。

2.如权利要求1所述的轮毂装置，其特征在于，所述中心管状轴（9）包括管状轴（6、7、8），所述管状轴（6、7、8）并行地分别安装在所述第一鼓单元（3）、所述轮毂单元（4）和所述第二鼓单元（5）的内部，并在沿轴线方向被压到一起从而组成中心管状轴（9）这一个刚性轴，在第一鼓单元和第二鼓单元上的管状轴（6、7）都有带螺纹的外端，鼓安装螺母（11）和定位垫圈对（12、13）分别安装在所述带螺纹的外端上用于将所述鼓单元（3、5）固定到相关联的支架上，这样所述定位垫圈对（12、13）能够允许支架外壳的垂直方向和安装在此处的中空轴的轴线方向之间存在一个预设的小角度差，在所述安装轴（10）的两端各包含了一个车轮安装螺母（16），所述车轮安装螺母（16）压紧相关联的一个鼓安装螺母（11）的外表面。

3.如权利要求1所述的轮毂装置，其特征在于，每一个鼓单元（3、5）中均包含一个缠绳筒（18），缠绳筒（18）内部中空和有一个内侧壁，共轴地安装在所述安装轴（10）的外围；由条状材料弯曲做成的弹簧（22）置于相关联的一个缠绳筒（18）的内部中空部分，所述弹簧（22）的内端连接到静止的轴（10；或者5、7）上，外端连接在相关联的缠绳筒（18）上，将缠绳筒（18）偏置在与驱动方向相反的方向上。

4.如权利要求1所述的轮毂装置，其特征在于，包括：第二种类型的自由轮（36），该自由轮（36）允许车轮的反转，所述第二种自由轮（36）环绕在中央轴（8或10）的中心区域的外围两个驱动套管（33）之间以及两个中间套管（38）之间的区域；还包括置于所述第二自由轮（36）外侧表面外围的发射环（63），发射环（63）在第二自由轮（36）的外侧表面上至少形成一个具有斜坡的发射床（64、65）；还包括一个在两个中间套管（38）之间的轴向缺口和至少一个连接在所述两个中间套管（38）上桥接所述缺口的轴向顶针（50,51），一个双臂平衡杠杆（50,51）安装在所述轴向顶针（50,51）上随所述轴向顶针（50,51）旋转，在所述平衡杠杆（50,51）上分别包含一个外滚轮和内滚轮（57，56），所述外滚轮和内滚轮（57，56）分别枢轴地耦连在所述双臂平衡杠杆各自的顶端部分；所述外套管（40）有一个径向的突出的中间部分，一个锁紧环（60）固定于该径向的突出的中间部分的内部，所述锁紧环（60）定义了一个位于所述外滚轮（57）外围的有型的内部中空并包含多个锁定槽，所述多个锁定槽中的一个锁定位于平衡杠杆（50、51）的最外侧的外滚轮（57）；一个弹簧（58、59）用于将所述双臂平衡杠杆（50、51）顶压到所述最外侧，枢轴安装于所述平衡杠杆（50、51）的另外一条臂上的内滚轮（56）嵌在所述发射环（63）的发射槽（64、65）中，当所述车轮反向旋转时，所述第二自由轮（36）处于锁定状态并阻止发射环（63）的反向旋转，外套管（40）和连接在外套管（40）上的中间套管（38）也反转，使所述双臂平衡杠杆（52、53）逆着弹簧（58、59）压力向相反方向移动，所述双臂平衡杠杆（52、53）移出所述最外侧，并驱使所述内滚轮（56）沿着所述发射床的斜坡滚动到达另外一种极端位置，此时外滚轮（57）从所述锁定槽中脱离从而释放外套管（40）与中间套管（38）之间的连接，允许外套管（40）和车轮的反向旋转。

5.如权利要求1所述的轮毂装置，其特征在于，包括一对径向相对的双臂平衡杠杆（52,53），所述发射环（63）有一对位置相对的发射槽（64、65），并且所述锁紧环（60）具有的锁定槽的数目为2的整数倍，且所述锁定槽平均地置于所述锁紧环（60）的内侧的周长上。

6.如权利要求1所述的轮毂装置，其特征在于，中间套管（38）的外侧部分各包含一个圆锥段（39），外套管（40）的两端均包含内螺纹，支撑环（44）旋入包含有与圆锥段（39）契合的圆锥部分的内螺纹中，在圆锥契合表面之间有足够大的贴靠力时所述支撑环（39）旋入从而允许这些契合表面之间的相对运动，至少有一个支撑环（44）的外端部分伸出所述外套管外侧边缘，所述外端部分上有外螺纹并安装有固定圈（45），以固定所述支撑环（44）调整后的位置。

7.如权利要求2所述的轮毂装置，其特征在于，还包括一个安装在管状轴（6或7）外端的第一滚珠轴承（14），所述外端为相关联的鼓单元（3或5）朝向所述支架的一端；和一个同样安装在管状轴（6或7）内端上的第二滚珠轴承（17），所述内端为相关联的鼓单元（3和5）朝向轮毂单元（4）的一端；所述第一滚珠轴承（14）和第二滚珠轴承（17）将所述相关联的鼓单元（3或5）和所述管状轴（6或7）固定在一起做旋转运动，所述管状轴（6或7）还包括一个用于支撑并在轴线方向固定所述第一滚珠轴承（14）内环的垫肩（15），所述第二滚珠轴承（17）的内环沿轴线方向伸出所述管状轴（6或7）的内端，所述中心管状轴（8）的底端部分还安装在所述第二滚珠轴承（17）的内环内以使所述管状轴（6或7）的底端与所述中心管状轴（8）的底端隔开，此时所述内环能够保证所述管状轴（6或7，和8）的轴线在同一直线上，所述中央管状轴（8）包括一个垫肩，所述垫肩可以直接也可以通过支撑驱动套管（33）的滚轴轴承（31）的内环贴靠在所述内环上，以保证管状轴（6或7，和8）之间的轴向力的传递。

8.如权利要求3所述的轮毂装置，其特征在于，缠绳筒（18）朝向所述轮毂单元（4）的侧面包括多个等角度分布的针槽，所述针槽的设计和间隔能够使各个位于所述驱动套管（33）上沿轴向突出的驱动顶针（27,28）插入所述针槽，针槽的数目与所述驱动顶针（27,28）的数目相同，或者为能够传递扭矩的多数倍。

9.如权利要求3所述的轮毂装置，每一个定位垫圈对（12、13）还包含包括了一个凹面帽表面的第一垫圈和一个包括了与相契合的凹面帽表面的第二垫圈，在保证了足够的压力和力透射率的同时允许所述垫圈之间有一定程度的角位移。

10.如权利要求1-9任一项所述的轮毂装置，其特征在于，所述轮毂装置采用相对于中心平面的对称设计，所述中心平面垂直于中心轴线。

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