CN103748003A - 自行车的非对称椭圆形链轮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非对称椭圆形链轮（10），其包括：第一椭圆（1），其长轴位于垂直坐标系的X轴上，短轴位于Y轴上；第一直线（3），与所述短轴垂直，并交叉于所述第一椭圆（1）；第二椭圆（2），经过第一弯曲点（A、A′）并接触于第一椭圆上（1）上的椭圆接点（B、B′），其中所述第一弯曲点存在于所述第一直线（3）上，并位于相对于所述短轴朝顺时针方向形成规定角度（a）的支点上，所述椭圆接点位于相对于所述长轴朝顺时针方向形成规定角度（b）的支点上；直线区间，其为从所述第一直线（3）和第一椭圆（1）的交叉点的第二弯曲点（C）到所述第一弯曲点（A）的区间；第二椭圆区间，其为从所述第一弯曲点（A）到所述椭圆接点（B）的区间；以及第一椭圆区间，其为从所述椭圆接点（B）到所述第二弯曲点（C′）的区间。

Description

自行车的非对称椭圆形链轮
技术领域
本发明涉及一种自行车的非对称椭圆形链轮，更详细而言，涉及一种考虑到根据曲柄的位置而施加到脚踏板的力不同，在施加到脚踏板上的力变大的区间，通过加长曲柄轴和链条之间的距离，而提高自行车的车速，在施加到脚踏车上的力变小的区间，通过减小曲柄轴和链条之间的距离，而用小力也能旋转曲柄，从而有效提高自行车的驱动输出及行驶效率，提高人体阻力的连贯性。
背景技术
通常，链轮（sprocket）为圆形。圆形链轮由于制作简单，因此最常使用。当骑着自行车行驶期间，随着曲柄臂的位置而施加于脚踏板的力不同。即，当链条接近最短边时，曲柄臂与结合有车座的座管成30～45°，此时，人体力学上施加于脚踏板的力急剧减少，考虑自行车的行驶惯性、曲柄的角加速度以及人体力学，当链条接触体现最强力的最长边时，曲柄臂和座管的角度成为165°左右。所述人体力学原理完全未体现在圆形链轮中，因此，降低自行车的行驶效率。
为解决所述问题，制作出各种形态的椭圆形链轮。现有椭圆形链轮大致分为对称椭圆形链轮和非对称椭圆形链轮。现公开的对称椭圆形链轮，其制造简单，但是在需要施加强力的局部区间反而曲柄轴和链条之间的间隔变短而降低行驶效率，产生晃动现象，不能顺利完成齿轮变速。现有非对称椭圆形链轮相对于对称椭圆形链轮，多少解决了所述问题，但不容易制作而成本费用高，而且，不能有效反应人体力学原理。
在US5,549,314中，如图8a所示，以最短边为基准角度，从107°到143°为止具有常数值的单纯圆弧轨迹，曲柄大致与最短边形成18°，而当链条接触最短边时，曲柄位于车座和曲柄的位置一致的支点上。
US5,549,314的曲柄位置和椭圆形链轮的关系并不综合适用由股关节、膝关节、足关节等而成的人体的驱动力以及其传递关系而只单纯以股关节为中心，图8a示出最短边的最小输出区间，图8b示出最长边的最大输出区间。
如图9b所示，US7,749,117涉及对称椭圆形链轮，如图6a所示，以膝关节为中心导入人体有效的力传递概念，在链条位于最短边（最小输出区间）时，曲柄相对于曲柄轴从设有车座的位置成30～45°，链条位于最长边（最大输出区间）时，从设有车座的位置成120～130°。
在US7,749,117中，曲柄从车座位置成120～130°以使链条位于最长边，其不反映加速度和人体的惯性。
如图9d所示，在US5,549,314中，使链条位于最长边的曲柄的角度从设有车座的位置成140°左右，在链条进入最长边后，所述角度也位于以曲柄轴为基准的圆弧区间D，从而人体受曲柄轴的位置位于下死点的感觉。
为此，本发明需要如下自行车的非对称椭圆形链轮，在最大限度地作用人体的力的位置上形成链条的最长边，防止具有圆弧轨迹的区间，当以曲柄的上死点位置为基准时，在11点到6点方向的30～180°区间保持规定的人体阻力。
发明内容
本发明是为解决所述问题而提出的，其目的在于，提供一种非对称椭圆形链轮，其用接近垂直的两个椭圆和直线的组合决定椭圆形链轮的形状，在施加强力的区间，使曲柄轴和链条之间的距离变远，在施加小力的区间，使曲柄轴和链条之间的距离变近，从而提高行驶效率而能够平稳行驶，而且，设计简单，有效反应人体力学的原理。
如图10a所示，减小轴方向角度a，则形成以类似角度平行的椭圆，最长边和最短边形成的角度小于90°，如图10b所示，通过设定角度a可形成与角度b的第一椭圆接触的圆，此时，最长边和最短边形成的角度难以超过120°，如图10c所示，当角度a大时，在第一椭圆上以类似角度形成垂直的第二椭圆，此时，最长边和最短边形成的角度可容易超过120°。
根据本发明的非对称椭圆形链轮，包括：第一椭圆，其长轴位于垂直坐标系的X轴上，短轴位于Y轴上；第一直线3，垂直于所述短轴，并与所述第一椭圆交叉；第二椭圆，经过第一弯曲点A、A′并接触于第一椭圆上的椭圆接点B、B′，其中所述第一弯曲点存在于所述第一直线上，并位于相对于所述短轴朝顺时针方向形成规定角度a的支点上，所述椭圆接点位于相对于所述长轴朝顺时针方向形成规定角度b的支点上；直线区间，其为从所述第一直线和第一椭圆的交叉点的第二弯曲点C到所述第一弯曲点A的区间；第二椭圆区间，其为从所述第一弯曲点A到所述椭圆接点B的区间；以及第一椭圆区间，其为从所述椭圆接点B到所述第二弯曲点C′的区间。
此时，所述第二弯曲点C、C′和短轴所形成的角度c小于等于所述第一弯曲点A、A′和短轴所形成的角度a，如图11c所示，角度c越大，则运动起始点的阻力越高，如图11a所示，角度c越小，则运动起始点的阻力越小。
所述角度a可为10°至35°，如图10a所示，减小轴方向角度a，则形成以类似角度平行的椭圆，最长边和最短边形成的角度小于90°，如图10b所示，通过设定角度a可形成与角度b的第一椭圆接触的圆，此时，最长边和最短边形成的角度难以超过120°，如图10c所示，当角度a大时，在第一椭圆上以类似角度形成垂直的第二椭圆，此时，最长边和最短边形成的角度可容易超过120°。
所述角度b可为0°至15°，如图11b所示，角度b为0°时，人体阻力瞬间减小，长/短边角度变宽，角度b越大，则阻力的递增空间逐渐增大，而长/短边角度变窄。
根据本发明的非对称椭圆形链轮通过反复宽形态和窄形态来形成齿轮齿间。此时，在所述非对称椭圆形链轮的齿轮齿间中的宽处能够形成有凹槽。
在与离所述非对称椭圆形链轮的中心远的轮齿相邻接的侧面部结合有一个以上的卡扣铆钉。
在根据本发明的非对称椭圆形链轮，在所述非对称椭圆形链轮的一侧面进一步结合有具有规定厚度的保护框。
本发明具有如下效果，克服对称椭圆形链轮效率低的问题，考虑人体的运动特性、花样行驶等特殊情况以及行驶惯性和曲柄的角加速度，极大提高椭圆形链轮的效率，极大减少由椭圆形链轮的旋转位置产生的非效率区间，同时，克服对称椭圆形链轮具有的窄的变速区间的问题。
提供非对称椭圆形链轮的设计基准而能够进行NC加工，容易设计适合于自行车的各种形态的椭圆形链轮。
如图11a所示，与设定本发明的一般的角度a和角度b不同，如图11b所示，当角度b为0°时，人体阻力存在瞬间减小区间，所述情况适用于利用山地自行车行驶非铺设的上坡的情况，如图11c所示，若角度c大，则使用夹脚踏板时，增加拉相反侧的脚踏板的力。因此，角度a、b、c需要能够适用于自行车的使用环境的范围，长/短边角度可适用不超过115～135°的范围。
如上所述，本发明在长/短边角度的规定范围内可根据使用环境提供各种非对称椭圆形链轮。
附图说明
图1是根据本发明的一实施例的非对称椭圆形链轮结合于曲柄的主视图。
图2是设置有根据本发明的一实施例的非对称椭圆形链轮的主视图。
图3是根据本发明的一实施例的非对称椭圆形链轮的主视图。
图4是根据本发明的一实施例的非对称椭圆形链轮的保护框的主视图。
图5是决定根据本发明的一实施例的非对称椭圆形链轮的形状的说明图。
图6a至6f是用于说明基于链轮的旋转的力学关系的动作说明图。
图7是决定根据本发明的一实施例的非对称椭圆形链轮的形状的追加说明图。
图8a至8c是用于说明基于专利US5,549,314的旋转的力学关系的动作说明图。
图9a至9d是用于说明在本发明、专利US5,549,314以及专利US7,749,117中对链轮的旋转的人体阻力的说明图。
图10a至10c是本发明的第一椭圆和第二椭圆的基本条件的说明图。
图11a至图11c是用于说明根据本发明的各种要素的人体阻力的说明图。
图中：
1：第一椭圆，2：第二椭圆，3：第一直线，10：非对称椭圆形链轮，12：凹槽，13：卡扣铆钉，20：保护框，30：曲柄臂，40：座管，A、A′：第一弯曲点，B、B′：椭圆接点，C、C′：第二弯曲点，I：直线区间，J：第二椭圆区间，K：第一椭圆区间
具体实施方式
以下，为了使本领域的技术人员容易实施本发明，参照附图详细说明本发明的实施例。但是，本发明可由各种形态体现，并不局限于所述实施例。
以下，参照图1至图6说明根据本发明的非对称椭圆形链轮10的优选实施例。
图1至图2是设置有根据本发明的优选一实施例的非对称椭圆形链轮10的主视图，图5是决定根据本发明的非对称椭圆形链轮10的形状的说明图。
如图5所示，根据本发明的非对称椭圆形链轮10，包括：第一椭圆1，其长轴位于垂直坐标系的X轴上，短轴位于Y轴上；第一直线3，垂直于所述短轴，并与所述第一椭圆1交叉；第二椭圆2，经过第一弯曲点A、A′并接触于第一椭圆1上的椭圆接点B、B′，其中所述第一弯曲点存在于所述第一直线3上，并位于相对于所述短轴朝顺时针方向形成规定角度a的支点上，所述椭圆接点B、B′位于相对于所述长轴朝顺时针方向形成规定角度b的支点上；直线区间I，其为从所述第一直线3和第一椭圆1的交叉点的第二弯曲点C到所述第一弯曲点A的区间；第二椭圆区间J，其为从所述第一弯曲点A到所述椭圆接点B的区间；以及第一椭圆区间K，其为从所述椭圆接点B到所述第二弯曲点C′的区间。
所述垂直坐标系是为了明确说明决定根据本发明的非对称椭圆形链轮的形状而使用的，只要是相同或类似形状的非对称椭圆形链轮都属于本发明的权利要求范围。所述术语中“椭圆形”是接近椭圆的形状，并不是数学中的椭圆。
如图5所示，并不限定第一椭圆1的离心率，但优选为在1.05至1.25之间。若离心率过于接近1，则在性能方面与圆形齿轮没有差异，若离心率过大，则难以变速，而在行驶时会产生晃动的问题。决定第一椭圆1，然后决定与长轴平行或与短轴垂直且与原点的距离H小于等于短边的长度d1的第一直线3。以防椭圆形链轮的直线区间过长，在与原点的距离接近短边的长度d1的支点决定第一直线3。将直线3和第一椭圆1的交点定为第二弯曲点C。将位于所述第一直线3上并与短轴以原点为中心朝顺时针方向成规定角度a的点定为第一弯曲点A。此时，所述角度a优选为10°至35°之间。若角度a过大，则椭圆形链轮的直线区间过长，同时椭圆形链轮的形状会发生歪曲，若角度a过小，则与对称椭圆形链轮没有差异。将位于第一椭圆1上并与长轴或X轴朝顺时针方向形成规定角度b的点定为椭圆接点B。角度b优选为在0°至20°之间。
决定经过所述第一弯曲点A而在椭圆接点B与第一椭圆1接触的第二椭圆2。如此，决定第一椭圆1、第二椭圆2以及第一直线3时，如图5所示，一对第一弯曲点以及第二弯曲点C、C′被决定，并通过从点C连接点A的直线区间I、从点A连接点B的第二椭圆区间J、从点B连接点C′的第一椭圆区间K、然后重新从点C′连接点A′的直线区间、从点A′连接点B′的第二椭圆区间以及从点B′连接点C的第一椭圆区间而决定根据本发明的非对称椭圆形链轮的形状。
此时，优选地，所述第二弯曲点C、C′和短轴所形成的角度c小于等于所述第一弯曲点A、A′和短轴所形成的角度a。
优选地，根据本发明的非对称椭圆形链轮10的齿轮齿间是反复宽形态和窄形态而成。当为椭圆形链轮时，与圆形齿轮不同，由于施加于链轮和链条之间的力不均匀，因此，优选为反复宽形态和窄形态来形成齿轮齿间以提高链轮和链条之间的紧密度。此时，优选地，在所述非对称椭圆形链轮的第一椭圆区间以及第二椭圆区间，在齿轮齿间中的宽处形成凹槽12，而链条通过链轮较平稳地受力，从而能够自然地进行变速。
根据本发明的非对称椭圆形链轮10，在与离所述非对称椭圆形链轮的中心远的轮齿相邻接的侧面部结合有一个以上的卡扣铆钉13。卡扣铆钉13起变速时卡止链条而能自然变速的作用。优选地，在离变速可能性低的链轮的中心远的地方重点结合卡扣铆钉13。而且，优选地，在齿轮齿间的宽的地方形成卡扣铆钉。
根据本发明的非对称椭圆形链轮，在所述非对称椭圆形链轮的一侧面进一步结合有具有规定厚度的保护框20。保护框20起加强链轮的硬度的同时，使链条不会卡止于链轮之间的作用。
参照图6a至6f说明根据本发明的非对称椭圆形链轮的旋转动作。
图6a至6f是说明基于链轮的位置变化的力学关系的动作说明图。
如图6a所示，当链条接触最短边时，曲柄臂30和座管40之间的角度成为30～45°，此时成为运动的起始点。此状态下，链条位于链轮的直线区间，或链条和曲柄轴之间的距离最短。在运动的起始点难以向脚踏板施力，因此，链条位于最短边以便小力也能驱动自行车。
图6b是曲柄臂和座管之间的角度成90°的状态的示意图。此时，在人体力学上成为向脚踏板施加较强的力的状态，因此，相较于图6a所示状态，链条和曲柄轴之间的距离变远而逐渐加速。
图6c是曲柄臂几乎平行于地面的状态的示意图。所述支点是相较于图6b的支点能够更加快速地加速的支点，成为能够向脚踏板施加较强的力的状态。示出相较于图6b的状态，链条和曲柄轴之间的距离更远的区间。
图6d是相较于图6c所示的状态，链轮和曲柄臂旋转更多的状态的示意图。向脚踏板施加的力经过所述支点后逐渐变弱。虽然不是向脚踏板施加最强力的支点，但是考虑以上说明的过程期间通过加速增加的惯性，则是向链条施加最大阻力的支点，与车座的角度成为135～170°。因此，在所述支点上，曲柄轴和链条之间的距离成为最长h，经过所述支点后，链条和曲柄轴之间的距离逐渐变近。
在现有对称椭圆形链轮中，在所述支点以前，链条和曲柄轴之间的距离短，而施加于链条的阻力大幅度减小，但是，行驶时产生晃动现象，而且由人体施加的力不大，从而不能有效进行驱动。尤其，是屁股离开车座的状态下行驶的花样行驶时，当为现有对称椭圆形链轮时，会发生严重的晃动现象。
图6e到图6f中，施加于脚踏板的力逐渐减小，因此曲柄轴和链条之间的距离急剧变短，从而，即便小力也能进行驱动。如图9d所示，在US5,549,314中，链条接触最短边时，车座和曲柄之间的角度成为30～45°，此时，由于圆弧轨迹的常数值D区间而如图10b所示存在下死点，所述下死点瞬间产生人体阻力，然后紧接着人体的要求阻力急剧增加。
如图7所示，考虑变速性、链条脱离以及曲柄臂的BCD的固定性，将角度e设定为30°至40°，当所述角度a小于35°时，可在角度e插入去除第一弯曲点A的直线或椭圆。利用所述原理自行车反复行驶。
如上所述，考虑人体力学上施加于脚踏板的力的大小、曲柄的角加速度以及自行车的行驶惯性而设计根据本发明的自行车的非对称椭圆形链轮，从而，使具有一定的运动能力的人能够输出最高速度的同时，能够稳定行驶。

Claims (9)

1.一种非对称椭圆形链轮，由椭圆和直线的组合而成，其特征在于，包括：
第一椭圆（1），其长轴位于垂直坐标系的X轴上，短轴位于Y轴上；
第一直线（3），垂直于所述短轴，并与所述第一椭圆（1）交叉；
第二椭圆（2），经过第一弯曲点（A、A′）并接触于第一椭圆（1）上的椭圆接点（B、B′），其中所述第一弯曲点存在于所述第一直线（3）上，并位于相对于所述短轴朝顺时针方向形成规定角度（a）的支点上，所述椭圆接点位于相对于所述长轴朝顺时针方向形成规定角度（b）的支点上；
直线区间，其为从所述第一直线（3）和第一椭圆（1）的交叉点的第二弯曲点（C）到所述第一弯曲点（A）的区间；
第二椭圆区间，其为从所述第一弯曲点（A）到所述椭圆接点（B）的区间；以及
第一椭圆区间，其为从所述椭圆接点（B）到所述第二弯曲点（C′）的区间。
2.根据权利要求1所述的非对称椭圆形链轮，其特征在于，所述第二弯曲点（C、C′）和短轴所形成的角度（c）小于等于所述第一弯曲点（A、A′）和短轴所形成的角度（a）。
3.根据权利要求1所述的非对称椭圆形链轮，其特征在于，所述角度（a）为10°至35°。
4.根据权利要求3所述的非对称椭圆形链轮，其特征在于，当所述角度（a）小于35°时，在角度（a）插入去除第一弯曲点（A）的直线或椭圆，角度（e）为30°至40°。
5.根据权利要求1所述的非对称椭圆形链轮，其特征在于，所述角度（b）为0°至20°。
6.根据权利要求1所述的非对称椭圆形链轮，其特征在于，所述非对称椭圆形链轮通过反复宽形态和窄形态来形成齿轮齿间。
7.根据权利要求6所述的非对称椭圆形链轮，其特征在于，在所述非对称椭圆形链轮的齿轮齿间中的宽处形成有凹槽。
8.根据权利要求6或7所述的非对称椭圆形链轮，其特征在于，在与离所述非对称椭圆形链轮的中心远的轮齿相邻接的侧面部结合有一个以上的卡扣铆钉，所述卡扣铆钉位于齿轮齿间的宽处。
9.根据权利要求1所述的非对称椭圆形链轮，其特征在于，在所述非对称椭圆形链轮的一侧面进一步结合有具有规定厚度的保护框。
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