CN1032050C - 往复式人力驱动机构 - Google Patents

Abstract

往复式人力驱动机构用于自行车，手柄或脚踏板的运动轨迹为一段适当的圆弧线，在整个运动轨迹上具有合理的速度分布，这大大减少了与出力无关的多余运动和浪费现象，使有关肌体高效、协调地工作，因此骑行特别舒适省力。本发明还提出了用手驱动的、驱动的动作与转向的动作互相垂直的技术方案，容易撑握平衡控制行驶方向。所设计的与往复式驱动方式相配合的可倒行飞轮，保证了这类自行车倒推时行动自如。

Description

往复式人力驱动机构

往复式人力驱动机构，属于自行车、特别是自行车传动机构领域。

传统自行车的圆周式驱动方式结构比较简单，相对历史上的其它驱动方式也比较合理，因此长期被沿用。但是，在上下死点位置附近出力性差这是公知的，与登力方向垂直的分速度，无助于驱动，还增加了肌肉和关节的多余运动，在快速驱动时，也会产生较大的不必要的惯性力。另外，由于水平方向移动的距离较大，不利于人体重心的稳定。总的骑行效果并不理想。

为此，已有不少改进方案，在专利申请案和书报中见到最多的一类方案，从原理上可归结为一种摇杆机构(见图1)，其驱动原理是通过飞轮和链条将摇杆的摆动转化成朝一个方向的连续转动。这种驱动方式在踏速较低时可解决上述问题，但是踏速增高时出力性将明显降低。因为，脚部是从零速开始登出的，必须经过一段空行程到达M点时，飞轮才与车轮同步旋转，此时才发挥驱动作用。当腿部快要伸直时，必须提前在N点停止驱动，同样要经过一段空行程，往往依靠肌肉的力量克服所有的惯性力，使各运动部分速度降为零。另一方面，到达N点腿将伸直时，根据人机学原理下肢本来能够发挥最大的登力，因机构所限而不能发挥出来。随着登速不断增大，实际做功行程MN将不断缩短，随之出力性也将不断降低。此外，在两个空行程，人会有登空的感觉，并伴有较大的冲击，使人感到不适。

现有一种驱动机构(见图2根据中国专利申请号为87213216)，该机构的特点是装有脚踏板的踏杆往返摆动，通过连杆使曲柄转动，连杆承受的是拉力。该机构虽然在一定程度上可解决上述问题，但是，由于在脚登出的行程连杆承受的是拉力，在主要驱动阶段，也就是加速阶段和减速阶段中间的驱动阶段，脚踏板处的速度分布是先慢后快。事实上下胶不能与其协调配合，因此输出效率也是不高的。

目前用手驱动的某些特殊用途的自行车也采用圆周式驱动方式。人们还设计了一些手脚并用的圆周式驱动机构。这些驱动方式不仅出力性差，而且手或者脚很难协调动作，不易掌握平衡控制方向。其它手脚并用的驱动方式，也大都存在上述的缺点，例如空行程、出力性差等。另外，采用摆动式驱动的自行车，往往因结构所限，产生了不能倒行的问题，这在某些场合会带来不便，甚至会使个别部件因受力过大而损坏。

本发明的目的是提出能够解决上述问题，并且符合人体运动学和人机学要求的人力驱动机构，使运动轨迹更为合理，同时在运动轨迹上具有合适的速度分布，从而提高人体肌肉的输出功率和输出效率。在用手或者手脚并用驱动的同时不影响控制行驶方向。结合本发明的特点，还设计了可倒行飞轮，使自行车能自由倒推。

本发明的具体内容如下：

为了便于说明，定义几个述语：将脚登出或手推出的行程称之为驱动行程，脚或手缩回的行程叫做返回行程。脚踏板和手柄统称为施力件。把连接、支承或安装本驱动机构以及行驶、方向控制等部分的部件定义为主构架。当施力件处在驱动行程的最初位置时，与曲柄最为接近的死点称之为第一死点，另一死点则为第二死点。设曲柄从第一死点转到第二死点时，驱动轮被迫转过的角度为T，又设曲柄处于两个死点之间的某个位置S时，驱动轮刚好转过1/2T的角度。那么在驱动行程，曲柄从第一死点转到位置S时施力件移动的距离除以曲柄从位置S转到第二死点时施力件移动的距离，所得到的比值称为前后行程比。(见图12和14，前后行程比 af/ fk)。此外(见图15)，假设在驱动行程施力件的最初位置为A，最终位置为K，相对于驱动机构，肩关节的位置为J1，髋关节的位置为J2，那么直线AK与直线KJ1的夹角定义为行程肩关节夹β1，直线AK与直线KJ2的夹角定义为行程髋关节夹角β2。当肩关节J1和髋关节J2位于直线AK的回转中心01和02一侧时，β1和β2取正值，否则取负值。

1.本往复式人力驱动机构的基本方案之一是，包括至少一个可转动地装于主构架上的曲柄，至少一个与对应的曲柄相连接的连杆，至少一个施力件，还包括至少一个限定对应的施力件运动轨迹基本上为一段圆弧线的轨迹装置，和至少一个用于连接对应的连杆和对应的轨迹装置的摇杆。施加于施力件上的力通过摇杆传至对应的连杆上，然后传至曲柄，最后通过与曲柄相连的动力输出装置传至驱动轮。在驱动行程，连杆承受的力是压力，而不是拉力，这样施力件的运动过程可由更为合理的加速阶段，主要驱动阶段和减速阶段所组成，避免了或者基本上避免了空行程，特别是在驱动行程的主要驱动阶段可获得先快后慢的速度分布。加之施力件的运动轨迹基本为一段圆弧线，大大消除了与出力无关的多余运动。可见本驱动机构能够协调地和人体配合，消除了浪费现象，提高了出力性。

适当选择各杆长度以及相互位置关系，就能得到合适的前后行程比。曲柄在两死点之间摆动的夹角α的大小对前后行程比的数值影响比较明显，夹角α增大，前后行程比也增大，反之亦然。为了使施力件在运动轨迹上有一个良好的速度分布，尤其在主要驱动阶段获得合适的由快到慢的速度分布，前后行程比应大于1.15。根据优化计算的结果可知该比值的最佳范围是1.45至1.62之间。但是，根据车型等情况不同实际合适范围会稍宽一点，一般取大于1.35小于1.70。比如，施力件摆动范围较小的车型，该比值应较小，反之亦然。

施力件有了合理的运动轨迹，也有了合理的速度分布，并不一定能取得最优的出力效果，因为驱动机构相对于人体的位置也应考虑。根据优化计算的结果可知行程肩关节夹角β1的最佳范围是-5°至5°之间，行程髋关节夹角β2的最佳范围是14°至25°之间。然而β1和β2的数值不仅仅由车坐位置和整体尺寸所决定，还与人的身高等因素有关。但是针对某一身高范围的自行车，还是要合理地选择β1和β2的数值。加之车型的不同，其选择范围可以稍宽，一般β1大于-12°小于12°，β2大于5°小于30°。

本驱动机构曲柄的工作方式可以是在该机构的两个死点之间往返摆动。为了使曲柄顺利进行往返摆动，应设置弹性储能装置，当曲柄分别接近两个死点时，由弹性储能装置吸收各运动部分的动能并使之停止，而且防止曲柄越过死点，然后换向运动时再将所存的弹性能释放出来，使各运动部分顺利换向。进一步的技术方案还可以是：

本驱动机构的摇杆可以提供两个以上的位置(包括连续无级移动的位置)与对应的连杆相连接，在不同的位置连接会使曲柄得到不同大小的摆角，进而达到改变速比的目的。因为对于不同的速比位置，前后行程比的数值也会不同，但是只要最大速比位置的前后行程比被限定在合理的范围内就可以了。摇杆提供的不同位置可由变速装置进行锁定。

为了在每个速比位置使得驱动行程终了时，施力件的位置基本不变，同时便于变速装置的移动，摇杆提供的一个以上的位置应基本分布在同一个圆弧上。该圆弧的半径基本等于对应的连杆长度减去对应的曲柄长度。该圆弧的圆心离摇杆的回转中心的距离最好等于或者小于对应的曲柄和摇杆两者的回转中心的距离，小于的目的是使机构速比范围较大时，在最低速比位置施力件的速度分布比较合理，但是小于的数值应该适当。

本驱动机构限定施力件运动轨迹的轨迹装置，可以是带有该施力件并且可摆动地装于主构架上的主动杆。而该主动杆与对应的摇杆之间的连接关系，可以是该主动杆上带有对应的摇杆；也可以是该主动杆与对应的相距一段距离的可摆动地装于主构架上的摇杆之间通过第二连杆相连接，该摇杆再与对应的连杆相连接。这后一种方案可改善部件受力状态并便于机构的总体布置，也能通过改变第二连杆与主动杆的连接位置来改变施力件的摆动幅度。这里所说的施力件主要是脚踏板。

所说的轨迹装置也可是装于主动架上基本上呈平行四边形的机构，一个平移轴基本平行地而且可转动地装于主构架对边的平移杆上，该平移轴上带有左右对称布置的手柄并与方向控制装置相连接。剩余两杆件称之为平行摇杆，分别连接着平移杆和主构架。与对应的摇杆的连接方式可以是该两个平行摇杆中的任意一个上面带有与对应的连杆相连接的摇杆。不难看出手柄也作平行移动，转向的动作方向和驱动的动作方向基本互相垂直，两者之间的干扰非常小，而且转向时，两手柄移动距离的变化也很小。所以本技术方案的安全性、操纵性和舒适性很好。

与上述平移轴相连接的方向控制装置可进一步包括：一个装于平移轴上的主动导轮，一个装于主构架上的与转向车轮有连接关系的从动导轮，在平移杆上左右对称装了两个上隋轮，在主构架上左右对称装了两个下惰轮，上惰轮和下惰轮轴心的连线以及该两个平行摇杆两端回转中心的连线，在该左右对称平面上的投影应平行并且长度相等。主动导轮通过钢丝绳带动两个上惰轮，从动导轮通过钢丝绳被两个下惰轮所带动，同侧的上惰轮和下惰轮之间通过平行传动装置相连接，使同侧的上下惰轮相对于主构架的转动角度始终相同。可以看出驱动行程和返回行程的运动并不影响方向控制，这是由平行四边形的特性决定的，而且主动导轮一个很小的角度变化都会立即传递到从动导轮上，两者之间的跟随性很好，进一步保证了安全性、操纵性和舒适性。

所说的平行传动装置可以是，同侧的上惰轮与下惰轮半径相等，通过钢丝绳进行传动；也可以是同侧的上惰轮和下惰轮分别带有一个等长的摇杆，与一个连杆铰接构成平行四边形机构进行传动。

本驱动机构的曲柄的工作方式也可以是连续旋转，所说的施力件是左右各布置一个的脚踏板，与该左右脚踏板对应的左右曲柄以同一个轴转动，并在该轴向的投影基本成180°布置。不过这种技术方案，返回行程脚踏板的速度分布不很理想。

关于与曲柄相连的动力输出装置，应该在曲柄与驱动轮之间采用至少一个(包括无级的)基本稳定的传动比进行传动，以保证曲柄和驱动轮一样作近似匀速的转动，从而更容易地保证施力件运动时速度分布的合理性。

2.本往复式人力驱动机构的基本方案之二是，包括至少一个可转动地装于主构架上的曲柄，至少一个与对应的曲柄相连接的连杆，至少一个施力件，还包括至少一个限定对应的施力件运动轨迹基本上为一段圆弧线的轨迹装置，和至少一个用于连接对应的连杆和对应的轨迹装置的摇杆，以及至少一个与对应的曲柄一起转动的变径轮盘。施加于施力件上的力通过摇杆传至对应的连杆，然后传至对应的曲柄和变径轮盘，最后通过拉在对应的变径轮盘上的柔性带和对应的飞轮传至驱动轮。由于变径轮盘的半径是由小到大连续变化的，它能够合理规定施力件的运动速度，使之由更为合理的加速阶段，主要驱动阶段和减速阶段所组成，基本上避免了空行程，特别是在驱动行程的主要驱动阶段可获得先快后慢的速度分布。加之施力件的运动轨迹基本为一段圆弧线，大大消除了与出力无关的多余运动。可见本驱动机构也能够协调地和人体配合，消除了浪费现象，提高了出力性。

适当选择各杆长度、相互位置关系以及变径轮盘的半径分布就能得到合适的前后行程比。和第一种基本方案同理，前后行程比至少应大于1.15，最佳范围是在1.45至1.62之间，但是一般取值范围是大于1.35小于1.70。

关于行程肩关节夹角β1和行程髋关节夹角β2的最佳取值范围、一般取值范围，和第一种基本方案相同。

本驱动机构曲柄的工作方式一般是要该机构的两个死点之间往返摆动。为了使曲柄顺利进行往返摆动，应设置弹性储能装置，目的、原理和形式同第一种基本方案。

本驱动机构所说的变径轮盘半径的变化应基本符合螺旋线。螺旋线主要包括对数螺线、阿基米德螺线、渐开线等。

采用对数螺线时，极坐标方程是ρ＝K·A^θ(A^θ表示A的θ次方)，ρ为极径，θ为极角，K和A分别为常数。当驱动机构的其它参数不变时，公式中K的数值增大，变径轮盘增大，速比行程就会增大，速比行程是指施力件摆动一个周期时，驱动轮走过的直线距离；如A的数值增大，前后行程比将增大。K的取值可根据速比行程的数值来确定。A的取值一般在1.2至1.4之间。

采用阿基米德螺线时，极坐标方程是ρ＝K·θ，ρ为极径，θ为极角，K为常数。K的数值增大时速比行程将增大。为了取得合适的前后行程比，θ的取值范围一般在1.6至5.8之间。

采用渐开线时，X＝R(COSt＋tSINt)，Y＝R(SINt－tCOSt)。X和Y为直角坐标，R为基圆半径，T为参数。R的数值增大时速比行程将增大。为了取得合适的前后行程比，T的取值范围一般在1.3至6.0之间。

关于采用对数螺线的技术方案，因对数螺线有一个显著的特点：只要常数A的值不变，仅仅改变K的值，就可改变速比行程，而施力件的速度分布或前后行程比只有极小的变化。如果改变径轮盘与曲柄连接的角度(当θ足够大时)，就等于改变了K的数值，所以，该变径轮盘可以设置2个以上(包括无级的)可选择的位置与对应的曲柄连接，在不同的位置连接就可得到不同的速比。

本驱动机构限定施力件运动轨迹的轨迹装置，可以是带有该施力件并且可摆动地装于主构架上的主动杆，该主动杆上带有与对应的连杆相连接的摇杆。所说的施力件主要是脚踏板。

所说的轨迹装置也可是装于主构架上基本上呈平行四边形的机构，一个平移轴基本平行地而且可转动地装于主构架对边的平移杆上，该平移轴上带有左右对称布置的手柄并与方向控制装置相连接。剩余两杆件称之为平行摇杆，分别连接着平移杆和主构架。与对应的连杆的连接方式可以是该两个平行摇杆中的任意一个上面带有与对应的连杆相连接的摇杆。

与上述平移轴相连接的方向控制装置的具体技术方案与第一种基本方案的方向控制装置相同。

本发明驱动机构的两种基本方案还可有下述共同的具体技术方案：

关于曲柄、连杆或轨迹装置的数量，可以是一个，这时施力件应当左右对称布置，也可以是左右分别布置一个，还可以是多个，用于多人共同驱动或手脚并用的技术方案。

关于曲柄往返摆动的技术方案，所说的弹性储能装置可以是装干曲柄上的F形弹簧，也可以是分别装于曲柄两个死点位置附近的弹簧。由于曲柄以摆动的方式工作，从曲柄到驱动轮之间应进一步包括把摆动转化成单向转动的单向离合装置，该单向离合装置可以是传统的飞轮，但是为了便于倒车，最好采用本发明的可倒行飞轮。另外也可以采用与曲柄回转轴线共轴的棘轮装置。

当施力件是脚踏板时，应当设置在返回行程帮助复位的复位装置。该复位装置可以是作用于主动杆上的弹簧，在驱动行程储能，然后在返回行程释放所存弹性能。如果左脚和右脚分别驱动一套驱动机构，该复位装置可以是利用一个装于主构架上的惰轮，绕过左右飞轮的链条再通过链条或钢丝绳绕在该惰轮上，作拉锯式运动；左右两套驱动机构也可以是互相独立的，各有自己的复位装置。

当脚踏板相对于人体重心的位置不同时，车坐可以有多种变形。例如脚踏板在人体重心的前方时车坐需要一个较高的靠背，在前下方时需要一个较小的靠背；在下方时则不需要靠要靠背，甚至可以省掉车坐。

3、本发明可倒行飞轮包括：一个套在轮毂或中轴上的内套201，该内套201上带有盘203和至少一个飞轮202，一个与轮毂或中轴一起转动的槽轮204上开有至少一个槽，装在盘203上的第一爪205在弹簧208的作用下压向槽轮204，与盘203同轴安装的环207上连有作用于第一爪205的联动件206，一个单向转动装置作用于环207，并使环207只可正转或者可人为使其正转一个角度。倒车时，在正向转动装置的作用下，迫使环207只可正转或者预先人为正转一个角度，在联动件206的作用下迫使第一爪205从槽轮204的槽中退出，从而实现无阻碍倒车。车轮正转时，飞轮202可将摆动转化为单向转动，驱动力通过内套201传至盘203，然后又通过第一爪205传至槽轮204，进而传至轮毂或中轴，最后传给驱动轮。而环207可无阻碍地正转。

所说的正向转动装置可包括：一个可相对转动地装于盘203上的壳子210，该壳子210通过止动件213固定在主构架上，装在壳子210上的第二棘爪209作用于带棘齿的环207，借此，就可实现环207的单向转动。只有内套201能够倒转一个角度的情况才能使用这种单向转动装置。

所说的单向转动装置也可包括：一个可相对转动地装在盘203上的壳子220，该壳子上装有作用于带有棘齿的环207的第二棘爪221，一个连杆222连接着杠杆223和第二棘爪221，一个挡板225装在主构架上其位置可以挡住杠杆223，一个弹簧224沿反向拉着壳子220，一条钢丝绳226沿正向拉在壳子220上。正常行驶情况下，由于弹簧224和挡板225的作用，杠杆被挡住，第二棘爪离开环上的棘齿避免两者的摩擦。倒车时，预先拉动钢丝绳，第二棘爪先顶在环的棘齿上，继续拉动钢丝绳就能使环向前转一个角度并使第一爪与槽轮脱开。对于内套201一点也不能倒转的情况只能用这种单向转动装置。

不论采用上述哪种具体方案，最好设置一个摩擦部件212，其目的是在连续倒车过程中，在盘203和槽轮204之间产生一个摩擦力矩，使第一爪205不再进入槽轮的槽中，从而使倒车更为顺利。

本驱动机构两种基本方案的优点可通过图12和图14来说明。图中a至k11个字母的位置分别与驱动行程驱动轮转过的最大角度T分为10等分的位置相对应。实际上a至k11个位置反映了驱动过程中在相等时间间隔施力件所处的各个位置，因此可直观反映出速度的分布状况。应当说明返回行程施力件的位置分布也有与图12和图14同样或相似的分布。

本发明的两个基本方案都完好地解决了运动轨迹和速度分布两个主要问题。适当的圆弧线的轨迹，比起传统圆周式运动轨迹的曲率半径大得多，基本消除了因剧烈改变方向造成的惯性力，大大减小了与所施加力量垂直的分速度，避免了大量浪费现象，也有利于人体重心的稳定。其次，在主要驱动阶段(c至i)的速度分布是由快逐惭变慢，这一突出优点非常适合人的四肢，因为假定手或脚在肌肉收缩速度比较稳定的条件下推出或登出，必然是由快到慢的运动过程；而且根据人体运动学和人机学原理可知，肌肉在一定的收缩速度范围内才可达到最高的输出功率，而本发明的运动轨迹和速度分布两者结合起来刚好能满足这一点，并能够使尽量多的肌肉高效地参与工作。为了使肌肉收缩速度更为稳定和合理，本发明进一步限定了前后行程比的数值，以及行程肩关节夹角β1和行程髋关节夹角β2的数值。从图中可以看出加速阶段(a至c)和减速阶段(i至k)在驱动行程所占的比例也合理，其速度分布能够和中间的主要驱动阶段协调地连贯起来。所以不难看出消除了空行程和肌内作负功的现象。经研究表明，由于大大减小了浪费现象，并且有关各主要关节的肌肉都能高效地参与工作，比起传统的传动方式当每块肌肉疲劳感觉相等时，输出功率大约可提高0.4倍。而且高效驱动的频率范围

本驱动机构的曲柄的工作方式也可以是连续旋转，所说的施力件是左右各布置一个的脚踏板，与该左右脚踏板对应的左右曲柄以同一个轴转动，并在该轴向的投影基本成180°布置。不过这种技术方案，返回行程脚踏板的速度分布不很理想。

关于与曲柄相连的动力输出装置，应该在曲柄与驱动轮之间采用至少一个(包括无级的)基本稳定的传动比进行传动，以保证曲柄和驱动轮一样作近似匀速的转动，从而更容易地保证施力件运动时速度分布的合理性。

2.本往复式人力驱动机构的基本方案之二是，包括至少一个可转动地装于主构架上的曲柄，至少一个与对应的曲柄相连接的连杆，至少一个施力件，还包括至少一个限定对应的施力件运动轨迹基本上为一段圆弧线的轨迹装置，和至少一个用于连接对应的连杆和对应的轨迹装置的摇杆，以及至少一个与对应的曲柄一起转动的变径轮盘。施加于施力件上的力通过摇杆传至对应的连杆，然后传至对应的曲柄和变径轮盘，最后通过拉在对应的变径轮盘上的柔性带和对应的单向离合装置传至驱动轮。由于变径轮盘的半径是由小到大连续变化的，它能够合理规定施力件的运动速度，使之由更为合理的加速阶段，主要驱动阶段和减速阶段所组成，基本上避免了空行程，特别是在驱动行程的主要驱动阶段可获得先快后慢的速度分布。加之施力件的运动轨迹基本为一段圆弧线，大大消除了与出力无关的多余运动。可见本驱动机构也能够协调地和人体配合，消除了浪费现象，提高了出力性。

适当选择各杆长度、相互位置关系以及变径轮盘的半径分布就能得到合适的前后行程比。和第一种基本方案同理，前后行程比至少应大于1.15，最佳范围是在1.45至1.62之间，但是一般取值范围是大于1.35小于1.70。

关于行程肩关节夹角β1和行程髋关节夹角β2的最佳取值范围、一从受力角度看这种受力方式比较稳定可靠。

本发明的驱动机构有利于人体重心的稳定，减少了人对车座的依赖，尤其是左右两套脚踏板驱动机构互相独立的技术方案，最适合省去车坐，这种自行车不仅简化了结构，减少了重量，上下方便，更重要的是避免了对人的会阴部位的不良刺激，有益于人们的健康。

关于本发明的可倒行飞轮，由于装于毂筒外面，保留了轮毂现有简单可靠的轴承结构，而且便于安装和维护。此外，这种飞轮不仅可用于驱动轮的轮毂，还能用于与轮毂相距一定距离的两级以上传动的轴上。

图1，现有的一类技术方案的原理图；

图2，现有的一种驱动机构；

图3，本发明的一种用手驱动并带有转向装置的实施例；

图4，图3的A向视图；

图5，本发明的一种手脚并用的驱动机构的实施例；

图6，采用图5所示驱动机构的自行车的实施例；

图7，图6的B向视图，也是可倒行飞轮用于中间轴的实例；

图8，本发明的一种摇杆与主动杆相距一段距离的实施例；

图9，本发明的另一种用手驱动并带有转向装置的实施例；

图10，本发明的一种用脚驱动的实施例；

图11，采用图10所示驱动机构的自行车的实施例；

图12，本发明基本方案之一的驱动过程示意图；

图13，本发明基本方案之一的变速原理示意图；

图14，本发明基本方案之二的驱动过程示意图；

图15，肩关节J1和髋关节J2相对驱动机构的位置示意图；

图16，本发明可倒行飞轮的一个实施例；

图17，本发明可倒行飞轮的另一个实施例；

图18，图17所示的可倒行飞轮在脱开状态时的视图。

参看图3和图4，平行摇杆2A和2B分别连接着主构架和平移杆9，构成平行四边形机构。曲柄5可转动地装在主构架上。左手柄1L和右手柄1R对称装于平移轴10两侧，当用手驱动手柄1L和1R往返运动时，通过平移轴10带动平移杆9，继而带动平行摇杆2A和摇杆3，然后通过连杆4驱动曲柄5往返摆动，最后通过轮盘16将驱动力输出。当曲柄5分别接近两个死点时，用固定件7装于曲柄5上的F形弹簧8被迫变形，起储能和限位作用，换向时再将所存弹性能释放出来，促使整个机构顺利换向。

变速装置6可沿摇杆3移动，并可锁定连杆4与摇杆3的连接位置，从而起到改变速比的作用。

平移轴10可转动地装在平移杆9上，当转动手柄1L和1R时，转向动作通过平移轴10传给主动导轮11。钢丝绳15首先绕在主动导轮11上，两侧分别绕过装在平移杆上的左上惰轮12L和右上惰轮12R，再分别绕过装在主构架上的左下惰轮13L和右下惰轮13R，最后绕在可转动地装在主构架上的从动导轮14上。传给主动导轮11的转向动作通过从动导轮14传给转向轮。

参看图5至图7，平行摇杆22A和22B分别连接着主构架和平移杆29，构成平行四边形机构。曲柄25可转动地装在主构架上。左手柄21L和右手柄21R对称装于平移轴30两侧，当用手驱动手柄21L和21R住返运动时，通过平移轴30带动平移杆29，继而带动平行摇杆22A和摇杆23，最后通过连杆24驱动曲柄25往返摆动。当曲柄25分别接近两个死点时，用固定件27装于主构架上的弹簧28被迫变形，起储能、限位和帮助换向的作用。

左脚踏板41L和右脚踏板41R对称装在主动杆42两侧，主动杆42和曲柄45分别可转动地装于主构架上。当用脚登踩脚踏板41L和41R时，主动杆42带动摇杆43摆动，又通过连杆44推动曲柄45摆动。与曲柄45一起摆动的轮盘46通过钢丝绳47(或链条47)呈8字形传动，带动与曲柄25一起摆动的轮盘36。轮盘46始终与轮盘36旋向相反，因此手和脚的驱动行程和返回行程是交替进行的。当曲柄45接近死点位置时，曲柄25也将接近死点位置，都是利用弹簧28进行储能、限位以及返回的。由于手和脚两套驱动机构是通过钢丝绳47进行联动的，下肢的返回行程可借助于上肢的力量来实现，另外拉在主动杆42上和主构架上的弹簧54也可帮助返回，而且弹簧54对于驱动力的输出还有一定平衡作用。

轮盘48、轮盘46以及曲柄45一起同轴摆动，所有动力通过轮盘48、钢丝绳49(或链条49)、减振节50和链条51传给飞轮55，借助飞轮56将往返摆动转化成单向转动。减振节50有一定伸缩弹性，可避免人体关节和零部件受到过大的冲击。张紧轮52由弹簧53支承并张紧，用于对链条51的张紧。

飞轮55和可倒行装置56组合成可倒行飞轮。车轮向前行驶时，传至飞轮55的力通过可倒行装置56传至轴57，然后通过链轮59、链条60和飞轮61传至驱动轮62。倒车时，用可倒行装置56使飞轮55和轴57分离，使倒车顺利进行。58是轴承，用于轴57与主构架之间的铰接。

关于本实施例的转向机构，32L、32R为上惰轮，31为主动导轮，33L、33R为下惰轮，34为从动导轮，64为前管，65为前叉，66为传向轮。其传动过程和图3、图4所示实施例相同。所不同的是左手柄21L和右手柄21R不是在一条直线上安装，而是大致平行地安装，这样转向时上肢比较舒服。刹车等操纵杆未画出。

车坐63装于主构架上，它带有一个较小的靠背，可以舒服地支承人体。不难看出两套驱动机构在驱动行程连杆24和连杆44承受的都是压力，而非拉力。本实施例驱动力大，车速高，在前管64或前叉65以及驱动轮62等处最好采取一些减振措施。

参看图8，主动杆82、摇杆83和曲柄85分别可摆动地装于主构架上，施加于脚踏板81上的登力通过第二连杆90传至摇杆83，然后通过连杆84传至曲柄85，最后通过轮盘92将动力输出。弹簧89一端拉在主动杆82上另一端拉在主构架上，在驱动行程它被拉长，储存能量，在返回行程再将所存能量释放出来，帮助整个机构返回。

连接件91可以固定第二连杆90拉在主动杆82上的位置，当改变其固定位置时，就可改变脚踏板81的摆动范围，以适应不同人的需要，也有一定变速作用。变速装置86可以沿着摇杆83移动，并可锁定连杆84与摇杆83的连接位置，从而实现速比的改变。F形弹簧88通过固定件87装于曲柄85上，起储能、限位和帮助返回的作用。

参看图9，平行摇杆102A和102B分别连接着主构架和平移杆109，构成平行四边形机构。曲柄105可转动地装在主构架上。左手柄101L和右手柄101R对称装在于平移轴110两侧，当用手驱动手柄101L和101R往返运动时，通过平移轴110带动平移杆109，继而带动平行摇杆102B和摇杆103，然后通过连杆104驱动曲柄105往返摆动，最后通过变径轮盘118和120将驱动力输出。当曲柄105分别接近两个死点时，用固定件122装于主构架上的弹簧123能起到储能、限位和帮助换向的作用。

由于在驱动行程连杆104承受的力是拉力，为了使手柄101L和101R有良好的速度分布，变径轮盘118和120的半径是由小到大逐渐变化的。进一步讲变径轮盘118和120的半径变化符合对数螺线，变径轮盘113和120固定在一起，两者可相对于曲柄105转动，并可锁定在变径轮盘118提供的某个位置上，在不同位置锁定，就能得到不同速比。图中锁定位置是最大速比位置。通过选择变径轮盘120的参数，应尽量使手柄在返回行程每个位置的速度大小和驱动行程接近。

传至变径轮盘118和120的动力，通过钢丝绳124(或链条124)传给链条125，继而传给飞轮126。张紧轮128用弹簧127支承和张紧，用于张紧链条125。在钢丝绳124和链条125之间也可装有减振节，而图中未画出。固定件119用于固定钢丝绳124。

平移轴110可转动地装在平移杆109上，当传动手柄101L和101R时，转向动作通过平移轴110传给主动导轮111。左上惰轮112L和右上惰轮112R通过钢丝绳被主动导轮111牵动，从动导轮114通过钢丝绳被左下惰轮113L和右下惰轮113R所牵动。上惰轮112L和112R以及下惰轮113L和113R分别带有摇杆116和摇杆117，同侧的摇杆116和117由一根连杆115连接。传给主动导轮111的转向动作最后传至从动导轮114。

参看图10和图11，主动杆142和曲柄145分别可摆动地装于主构架上，施加于脚踏板141上的登力通过摇杆143和连杆144传至曲柄145，然后传至与曲柄145一起摆动的变径轮盘146，最后通过钢丝绳149(或链条149)、减振节150和链条151传给飞轮152。左右两套驱动机构通过装于主构架上的惰轮155、链条154(或钢丝绳154)、过渡节153、链条151和飞轮152实现交替摆动。过渡节153主要起链条与钢丝绳或链条之间的过渡作用。

通过固定件147装于主构架上的弹簧148作用于曲柄145，起储能、限位和帮助换向的作用。

此外，162为驱动轮，163为车座。转向系统由手柄161、前管164、前叉165和转向轮166所组成。

飞轮152最好采用本发明的可倒行飞轮。

参看图16至图18，201为内套，202为飞轮，203为盘，204为槽轮，205为第一爪，连动件206为连杆，207为环，弹簧208为拉簧，通过环207和连杆206控制第一爪205的开合。而环207在第二棘爪209、壳子210和止动件213的作用下只可正转；或者环207在人为拉动钢丝绳226时，在壳子220和第二棘爪221的作用下被强制正转一个角度，通常情况下，在连杆222、杠杆223、弹簧224和挡板225的作用下，第二棘爪221与环207脱开。摩擦部件212是借助于弹性力的摩擦片。

以上各图为了更加突出发明思想没画主构架。

本发明作为高效的人力转换机构，可应用于所有人力交通运输工具(陆上、水上和空中)，因此上面所说的自行车可以作广义的理解，不仅包括二轮、三轮等不同数量车轮的自行车，也包括用于单人、双人和多人的自行车。如果将所说的驱动轮视为螺旋浆，转向轮视为方向舵，显然还可应用在水上和空中。这对本领域内的普通人员来说是容易的。本发明的驱动机构还能与传统的传动方式、助力方式以及变速方式等结合起来使用。不难看出，本发明不仅可用于日常交通，还能用于体育、旅游等方面；它高度地和人体协调统一，骑行轻快省力、安全舒适，而且它不消耗能源，没有污染，因此具有广泛的实用价值，和显著的综合社会效益。

Claims (20)

1、一种用于自行车的驱动机构，包括至少一个可转动地装于主构架上的曲柄，至少一个与对应的曲柄相连接的连杆，至少一个施力件，还包括，至少一个限定对应的施力件运动轨迹基本上为一段圆弧线的轨迹装置，和至少一个用于连接对应的连杆和对应的轨迹装置的摇杆，其特征在于：在驱动行程，连杆承受的力是压力，施加于施力件上的力通过摇杆传至对应的连杆上，然后传至曲柄，最后通过与曲柄相连的动力输出装置传至驱动轮。

2、根据权利要求1所述的驱动机构，其特征在于，前后行程比大于1.15，行程肩关节夹角β1大于-12°小于12°，行程髋关节夹角β2大于5°小于30°。

3、根据权利要求1或2所述的驱动机构，其特征在于该曲柄的工作方式是在该机构的两个死点之间往返摆动，并且设置了弹性储能装置，当曲柄分别接近两个死点时，起储能、限位和帮助换向的作用。

4、根据权利要求3所述的驱动机构，其特征在于该摇杆可以提供2个以上的位置与对应的连杆相连接，在不同的位置连接就可得到不同的速比，摇杆提供的2个以上的位置基本分布在同一个圆弧上，该圆弧的半径基本等于对应的连杆长度减去对应的曲柄长度，该圆弧的圆心离摇杆的回转中心的距高等于或者小于对应的曲柄和摇杆两者的回转中心的距离。

5、根据权利要求1或2所述的驱动机构，其特征在于，该轨迹装置是带有该施力件并且可摆动地装于主构架上的主动杆，该主动杆与对应的摇杆的连接关系，是该主动杆上带有对应的摇杆，或者是该主动杆与对应的相距一段距离的可摆动地装于主构架上的摇杆之间通过第二连杆相连接。

6、根据权利要求1或2所述的驱动机构，其特征在于，该轨迹装置是装干主构架上的基本呈平行四边形的机构，一个平移轴基本平行地而且可转动地装于主构架对边的平移杆上，该平移轴上带有左右对称布置的手柄并与方向控制装置相连接，剩余两杆件称之为平行摇杆，分别连接着平移杆和主构架，该两个平行摇杆中的任意一个上面带有与对应的连杆相连接的摇杆。

7、根据权利要求6所述的驱动机构，其特征在于，该方向控制装置包括：一个装于平移轴上的主动导轮，一个装于主构架上的与转向车轮有连接关系的从动导轮，在平移杆上左右对称装了两个上隋轮，在主构架上左右对称装了两个下惰轮，上惰轮和下惰轮轴心的连线以及该两个平行摇杆两端回转中心的连线，在该左右对称平面上的投影平行并且长度相等，主动导轮通过钢丝绳带动两个上惰轮，从动导轮通过钢丝绳被两个下惰轮所带动，同侧的上惰轮和下惰轮之间通过平行传动装置相连接，使同侧的上下惰轮相对于主构架的转动角度始终相同。

8、根据权利要求7所述的驱动机构，其特征在于，所说的平行传动装置，是同侧的上惰轮与下惰轮半径相等，通过钢丝绳进行传动，或者是同侧的上惰轮和下惰轮分别带有一个等长的摇杆，与一个连杆铰接成平行四边形机构进行传动。

9、一种用于自行车的驱动机构，包括至少一个可转动地装于主构架上的曲柄，至少一个与对应的曲柄相连接的连杆，至少一个施力件，至少一个限定对应的施力件运动轨迹基本上为一段圆弧线的轨迹装置，和至少一个用于连接对应的连杆和对应的轨迹装置的摇杆，其特征在于：还包括，至少一个与对应的曲柄一起转动的半径由小到大连续变化的变径轮盘，施加于施力件上的力通过摇杆传至对应的连杆上，然后传至曲柄和变径轮盘，最后通过拉在对应的变径轮盘上的柔性带和对应的单向离合装置传至驱动轮。

10、根据权利要求9所述的驱动机构，其特征在于，前后行程比大于1.15，行程肩关节夹角β1大于-12°小于12°，行程髋关节夹角β2大于5°小于30°。

11、根据权利要求9或10所述的驱动机构，其特征在于该曲柄的工作方式是在该机构的两个死点之间往返摆动，并且设置了弹性储能装置，当曲柄分别接近两个死点时，起储能、限位和帮助换向的作用。

12、根据权利要求9或10所述的驱动机构，其特征在于所说的变径轮盘半径的变化基本符合螺旋线。

13、根据权利要求12所述的驱动机构，其特征在于所说的螺旋线是对数螺线，其极坐标方程是ρ＝K.A^θ， A大于1.2小于1.4。

14、根据权利要求12所述的驱动机构，其特征在于所说的螺旋线是阿基米德螺线，其极坐标方程是ρ＝K·θ，θ大于1.6小于5.8。

15、根据权利要求12所述的驱动机构，其特征在于所说的螺旋线是渐开线，其参数方程是：

X＝R(COSt＋tSINt)，Y＝R(SINt－tCOSt)。t大于1.3小于6.0。

16、根据权利要求13所述的驱动机构，其特征在于该变径轮盘设置了2个以上可选择的位置可与对应的曲柄连接，在不同的位置连接就可得到不同的速比。

17、根据权利要求9和10所述的驱动机构，其特征在于，该轨迹装置是带有该施力件并且可摆动地装于主构架上的主动杆，该主动杆上带有与对应的连杆相连接的摇杆。

18、根据权利要求9或10所述的驱动机构，其特征在于，该轨迹装置是装于主构架上的基本呈平行四边形的机构，一个平移轴基本平行地而且可转动地装于主构架对边的平移杆上，该平移轴上带有左右对称布置的手柄并与方向控制装置相连接，剩余两杆件称之为平行摇杆，分别连接着平移杆和主构架，该两个平行摇杆中的任意一个上面带有与对应的连杆相连接的摇杆。

19、根据权利要求18所述的驱动机构，其特征在于，该方向控制装置包括：一个装于平移轴上的主动导轮，一个装于主构架上的与转向车轮有连接关系的从动导轮，在平移杆上左右对称装了两个上隋轮，在主构架上左右对称装了两个下惰轮，上惰轮和下惰轮轴心的连线以及该两个平行摇杆两端回转中心的连线，在该左右对称平面上的投影平行并且长度相等，主动导轮通过钢丝绳带动两个上惰轮，从动导轮通过钢丝绳被两个下惰轮所带动，同侧的上惰轮和下惰轮之间通过平行传动装置相连接，使同侧的上下惰轮相对于主构架的转动角度始终相同。

20、根据权利要求19所述的驱动机构，其特征在于，所说的平行传动装置，是同侧的上惰轮与下惰轮半径相等，通过钢丝绳进行传动，或者是同侧的上惰轮和下惰轮分别带有一个等长的摇杆，与一个连杆铰接成平行四边形机构进行传动。

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