CN1041569A - 骑者驱动的轮式车辆 - Google Patents

Abstract

一种骑者驱动的轮式车辆，如自行车，既可由腿的运动通过踏板驱动后轮，也可由手臂通过车把象划船的摆动运动那样被驱动。车把安装在具有水平枢轴的平行四边形连杆机构上，在一个不变的垂直弧形内运动。车把可通过一个驱动机构将驱动传输到驱动轮，并通过一个定长的细长杆与可转向的前轮连接，该细长杆可沿其长度方向传递转向扭矩。

Description

本发明涉及一种轮式车辆，它既可以由腿驱动，也可以由手臂和躯干运动驱动。这种类型的车辆在美国专利4616240中是以自行车的形式公开的。然而，本发明不但可以用于自行车，而且还可以用于三轮车、串列自行车或其它更一般的轮式车辆。尽管在本发明说明书中使用了术语“自行车”，但这只是为了方便起见，不应将此看成是对权利要求书的保护范围的限制。

这里所谓可用于驱动本发明的自行车的躯干运动是指类似于划船的一种运动。

过去提出过许多建议以解决上述类型自行车转向所存在的问题，但一直还没有解决问题的实用结构。

根据本发明，所提供的骑者驱动的轮式车辆具有一个车架，一个可转向前轮、一个驱动后轮、一个支撑骑者身体的座位，一个由骑者的腿驱动从而驱动后轮的踏板，以及一个车把。该车把通过一个平行四边形机构安装在车架上，该平行四边形机构具有水平的枢轴，并通过一个驱动机构与车辆的一个车轮连接，使车把能在一个垂直的弧线上移动，驱动所说的车轮。同时，车把通过一个定长的细长杆与前轮连接，操纵前轮，该杆可沿其长度方向传递转向扭矩。

驱动机构将平行四边形机构和通过车把运动而被驱动的车轮联接在一起，该驱动机构最好设计成当车把沿着弧线向前或向后运动时，都能使车轮产生向前驱动的形式。在本发明的一个优选结构中，由车把运动所驱动的车轮是后轮。

当车把运动驱动的车轮是后轮时，踏板和驱动机构两者可作用在一个安装在车架上的共同的可转动中轴上。这样，中轴可由踏板和/或车把带动旋转，从中轴到后轮的传动可以采用一般的方式，例如，可采用一根链条传动，该链条与一个安装在中轴上的链轮和一个安装在驱动轮轮毂上的链轮啮合。当然也可采用一般的齿轮变速装置。

然而，用车把驱动前轮，用踏板驱动后轮也是可行的，并且这也在本发明的范围之内。这时可在车把和前轮之间、踏板和后轮之间使用不同的传动装置，以使得腿的运动及臂和躯干运动各自都处于其最佳状态。

在一个最佳的实施例中，细长的转向杆与一个平行、定长的可枢轴转动的连杆一起构成平行四边形机构的一个连杆。细长转向杆最好是一个两端都有一个万向节的刚性杆。

平行四边形机构的目的是使车把在其弧线运动时，其方向相对于骑者基本保持不变。然而，对于微小的方向变化，骑者是可以承受的。因此，连杆机构所存在的微小不平行度是无所谓的，这一点是很好理解的。上述的微小不平行度可能是在转向杆端部使用万向节引起的。

术语“万向节”在此是指所有这样的机构，即这些机构能使得力在该节两侧上的部件之间穿过该节在各种有关的方向上进行传递。例如，通常用于船舶桅杆底端的柔性橡胶万向节是这里所说万向节的一种可行的形式。在其它领域内，为普通技术人员所公知的万向节也都是这里所说的万向节的可行的形式。

在本发明中，车把需要以没有任何窜动的方式安装在转向杆上，以使自行车能大致给人一种结实的感觉。因此，最好选用一种用于机动车传动轴的十字轴万向节将车把与转向杆连接。

车把驱动机构最好设计成车把在向前和向后方向上沿弧线运动都能产生向前的驱动作用。这可以通过使用一条单根链条或皮带或一对链条或皮带的链传动装置或皮带传动装置来实现。在上述情况下，需要在中轴上安装两个彼此相反设置的单向离合器机构，以使它们在相反的方向上传输驱动力。使用单根的链条或皮带时，必须折返回来使其绕过两个驱动机构。链条或皮带上的一点连接在平行四边形连杆机构上以便当车把向前和向后沿弧线运动时，使每一根链条或皮带进行往复运动。

单向离合器可以是与通常用于自行车上的棘轮装置一样，但也可是其它类型的单向离合器，包括摩擦单向离合器。链条或皮带可以是通用的绕过链轮的自行车链条，或绕过齿形皮带轮的齿形皮带。

使用两条链条或皮带时，它们可以在自行车车架上一边一条地安装。每条链条或皮带可以具有一个起张紧作用的张紧装置。

这种自行车具有一般的制动装置。当前轮被制动时，需要防止车把向前运动。因为在前轮被制动时，如果车把继续自由地向前运动，骑者会有不舒服的向前坠落的感觉。但车把的反向运动是不需要限制的。

由于平行四边形连杆机构的制动应与轮制动同时进行，所以，制动杆应操纵两根控制线，一根通向前轮制动器，另一根通向平行四边形连杆机构制动器。平行四边形连杆机构的制动器可以设计在能方便地致动驱动机构处，并可以采用弹簧卡爪方式。弹簧卡爪即可与链条或皮带配合，也可与链条或皮带绕过的轮盘配合，以防止链条、皮带或轮盘在一个方向上的运动，但允许在另一方向上继续运动。在平时，弹簧卡爪的弹簧保持卡爪在脱离驱动机构的位置上。在前轮被制动时弹簧的弹力被克服，卡爪与驱动机构相接触。

平行四边形连杆机构除了在前轮制动时被制动外，还具有手动锁定机构，它将平行四边形连杆机构固定，从而使自行车的车把固定。自行车象一般自行车那样只用腿的运动驱动，该锁定机构可以在许多不同的位置上锁住车把，并且由车把处控制。

座位可以是鞍形的，安装在一个水平枢轴上，并可以通过连杆系统连接到驱动机构上，以便当驱动机构由车把带动时，鞍座也摆动。摆动量可以由连杆长度的调节来控制。鞍座可以具有座位和靠背，它们彼此连接在一起枢轴地摆动。

下面将通过实施例，结合附图进一步描述本发明，其中：

图1是本发明第一实施例的自行车的侧视图;

图2是图1所示自行车的驱动机构局部详细视图;

图3是图1所示自行车的中轴支架沿Ⅲ-Ⅲ线剖面图;

图4是本发明第二实施例的自行车的侧视图;

图5和图6分别是本发明第三实施例的自行车的一侧的侧视图和另一侧的侧视图;

图7是本发明第三实施例自行车的中轴支架沿Ⅲ-Ⅲ线的剖面视图;

图8详细显示了第二和第三实施例的自行车的驱动机构局部;

图9是图8所示驱动机构的另一详细视图;

图10详细绘出了图6所示的驱动机构;

图11表示了第二和第三实施例中的车把锁定机构的细节。

附图所示的自行车具有一个车架10、一个可转向前轮12、一个驱动后轮14、一个鞍座16、一对踏板18和一个车把20。车把20通过标记为22的平行四边形连杆机构安装在车架10上，平行四边形连杆机构22具有水平枢轴24、26、28、30，并通过下面将详细说明的驱动机构与后轮14连接。车把可沿弧线32运动，并且这个在弧线上的运动所产生驱动力经驱动机构施加给后轮。车架10具有中轴支架，该中轴支架上安有一个可旋转的中轴34。踏板18与一个一般的链轮36连接，使得绕中轴轴线转动踏板带动链轮36，并带动驱动链条38，链条38通过一般链轮40驱动后轮14。

平行四边形连杆机构22有两个细长的连杆42和44，连杆42是一个在26和28处具有水平枢轴的刚性杆，它在下端有一个延伸到下枢轴28下面的延伸臂46。另一个连杆44在顶端和底端具有万向节，万向节相对连杆44纵轴线保持在固定位置，并将连杆44分别与车把20和转向前轮的轮叉48连接。由于万向节轴向固定，所以连杆44的长度在整个弧32内运动时保持不变。然而，如果旋转车把，操纵前轮转向，连杆44将绕其纵轴线转动，将转向力矩从车把传输到轮叉48。这种设计将参考图8作更详细描述。

图2详细表示了驱动机构的上部，驱动力通过驱动机构由车把传输到中轴34。

链轮50可自由转动地安装在轴52上，轴52由车架10的两个向前延伸的延伸臂50支承。轴52的两端向外伸出到车架10外，构成脚休息架，该休息架在只用躯干运动驱动时可被使用。一条一般的链条56绕过链轮50，并与连杆42的延伸臂46连接。链条56在图2中没有示出的部分伸到中轴34处，其下端处的轨迹将在下面进行描述。

当车把20沿弧线32运动时，延伸臂46前后移动，使链条56在往复轨迹上运动，从而使链轮50先向一个方向旋转，尔后再向另一个方向旋转。

图2还给出了一个制动前轮的制动器58，制动器由钢丝线60操纵。制动器由一个装在车把20上的一般制动杆控制。尽管只图示了钳形制动器，但轮毂制动器和其它类型的自行车制动器同样也可以选择使用。当制动器58制动时，需要限制车把任何向前的进一步运动，这个问题可以通过使用弹簧卡爪62解决。卡爪可在车架延伸臂54上的托架64上枢轴地转动，并由弹簧66保持在不妨碍链轮50的位置上。然而当前轮制动时，第2个钢丝线68克服弹簧66的弹力拉动卡爪下端，使卡爪顶端与链轮50的齿接触（如图2所示），从而防止了链轮进一步顺时针旋转。用这种方法可以卡住链轮，防止了连杆42和车把20进一步向前运动，但只是回程运动仍然是可以的。两个钢丝线60、68通常可以由同一个制动杆同时操纵。本专业普通技术人员不难看出，卡爪62可以作用在沿车把和中轴34之间的驱动机构的传动路线之任意一点上，并可以由在中轴轴线处安装一个轮毂制动器来代替。

图3表示了安装在车架10底部的中轴34的细节，从中可以看到主链轮36由踏板和踏板曲柄18驱动，它与另外两个链轮70和72连在一起。这两个链轮由链条56驱动，并通过单向离合器76、78与中轴的外轴套74连接。这两个离合器动作相互反向，使得当链条56向一个方向运动时，一个离合器传递驱动力，另一个是自由轮，当链条向返回方向运动时，另一个离合器传递驱动力而第一个是自由轮。

在通常的驱动条件下，中轴34的外轴套74在轴承80内旋转并带动链轮36。而内轴82安装在外轴套74内，两个踏板曲柄18与内轴82的两端连接。内轴80和外轴套74通过第三个单向离合器84连接。该离合器设计成这样的形式，即当外轴套74通过离合器76、78中的一个由链条56驱动时，可以使踏板18保持在固定位置，外轴套74相对内轴82旋转。这样就允许脚反向踏动或放在踏板上，踏板不转，而自行车只由车把驱动。

图4至11给出了自行车的另一个实施例，其中平行四边形连杆机构和驱动机构与参考图1至3所描述的情况稍有不同。但在第二实施例所描述的某些技术特征也可以用于第一实施例，反之亦然，这对本专业的普通技术人员来说是显而易见的。

所示的自行车具有一个前轮110、一个后轮112、一个车架114、一个鞍座116和车把118，该自行车具有驱动皮带轮122的踏板120。齿形驱动皮带124绕在皮带轮122及在后轮轮毂上的皮带轮上。在该实施例中，使用齿形皮带是因为它比一般链条运行平稳和清洁。

支架126安装在车架114前端、用于操纵前轮的前叉128的上方，该支架上具有一个心轴130和装在该心轴上的转鼓132。第二条齿形皮带134绕在转鼓周边上，同时还绕在安装在中轴支架上的中轴皮带轮136和137上。在心轴130上转动的转鼓132带动皮带134，从而带动皮带轮136或137，将驱动力间接地传递给后轮。

车把118用来转动转鼓132。车把本身安装在车把架140上，车把架通过两根等长的连杆142和144连接在自行车上。主连杆142如图8所示被偏心地固定在转鼓上。辅助连杆114的下端可枢轴转动地连接在支架126上的146处。图4、5和6的虚线示出了车把的两个轨迹的极限位置。当车把在垂直弧线内运动时，转鼓132被转动，由于平行四边形的轮廓由连142、144限定，所以车把架140的方向相对于座在鞍座116上的骑者，在运动的全部区域内基本保持不变，从而保证骑者以安全舒适的方式操纵该自行车。从而使本发明的自行车转向的方式与一般自行车的一样。

鞍座116具有一个靠背148，鞍座和靠背之间的角度是可调的，并且只需要一次就能调到适合骑者的角度。在图4、5、6所示的实施例中，鞍座/靠背系统也安装在车架上的枢轴150上，在偏离心轴130的155点处（图6所示）与转鼓132连接。

在该实施例中，转向动作通过一个定长的转向杆156由车把118传递到前轮轮叉128。转向杆上端通过万向节158与车把连接，下端通过串联的两个万向节160、162连接在前轮轮叉128的顶端。应当注意，在该实施例中，转向杆本身并不构成平行四边形连杆机构，所以，它可以由其它沿纵向传输转向扭矩的机构替代。虽然在本实施例中，使用了两个万向节160、162以产生尽可能大的运动弧线，但在转向杆156的两端各只使用一个万向节仍可以产生虽然小一些但仍有足够尺寸的运动弧线。

图4指出一种结构设计，在该结构设计中，单根皮带134将驱动力由车把传递到链轮122，这种设计与图3所示的在中轴支架上使用两个链轮70、72的设计相似，但用皮带轮代替链轮70、72，用齿形皮带代替链条。在图5、6和7所示的另一个实施例中使用两条皮带163、165，一条传递车把向前运动的驱动力，而另一条传递车把向后运动的驱动力。

现参见图7，中轴支架安装有一个中轴138。该中轴由一个在中轴轴座141中的轴承139支承，踏板和踏板曲柄120直接与主皮带轮122连接。皮带163（见图5）绕过第二皮带轮143，该皮带轮支承在一个单向离合器145上。皮带165（见图6）绕过第三皮带轮147，该皮带轮通过一个第二离合器149与中轴138连接。皮带165还绕过惰轮167、169，在图7中，仅表示出一个安装在轴承171中的惰轮，轴承171安装在车架114的部件173处，单向离合器145、149相互反向。这样，当一个离合器传递驱动力时，另一个离合器便成为自由轮，反之亦然。

图8更详细表示了转向机构的工作方式。车把118安装在轴承202内的转柄200上，转柄200下端连接着万向节158，并通过该万向节连接转向杆156。在转向杆156底端处，转向杆通过万向节160、162与转向轮叉128连接。该轮叉顶部由构成车架114一部分的轴承套204支承。当车把扭转转向时，转柄200在轴承202内转动，并将转向扭矩经转向杆156传递至转向轮叉128。

车把在其垂直弧线上的摆动，通过连杆142、144传递给皮带134（或皮带163、165）。连杆顶端在206处可枢轴转动地连接车把架140上，其底端208可枢轴转动地连接在固定车架上的支架126上。另一个连杆142顶端210可枢轴转动地连接车把架140，其底端通过紧固件212连接在转鼓132上偏离转鼓转轴130的部分上。由于这样的设计，车把的弧形运动使转鼓先向一个方向，尔后向相反方向转动，从而带动皮带134做往复运动。

皮带的张紧是在转鼓132内进行的，图9表示了一个可用于皮带张紧的方案，在图中，转鼓的周边上有两个开口214、216，环形皮带134通过一个开口214，绕过一个张紧皮带轮218，绕过心轴130上的皮带轮220，由开口216穿出。张紧皮带轮218与螺栓222的顶端接触，旋转螺栓可以将皮带轮218靠在该螺栓上，张紧皮带。但皮带的张紧也可以在沿皮带长度方向上的任何一点上进行。

车架114上靠近转盘232处还安装有锁定机构230（图8和11所示），转盘是转鼓132的一部分，这在图11中可以看得更清楚。锁定装置230具有一个柱栓236，它是由压簧238提供弹力和操纵索240控制的。该柱栓通常处在克服压簧238的弹力退回贮藏腔的状态，使得转鼓132可在其心轴130上自由转动。但如果需要锁定车把，象一般脚踏车那样由踏板驱动时，操纵索240松开，该柱栓236伸出，压簧238推动该柱栓向前进入转鼓上的孔242中，将车把锁定到车架上。转鼓沿其周向上有一列孔242，可将车把锁定在由骑者选择的不同的位置上。操纵索240的控制机构可以安装在车把上或骑者容易触到的其它位置。图1至3所示的实施例也可具有相似的锁定机构。如果车把用这种方式锁定：它们最好是刚性锁定，不能晃动。与图11不同的锁定装置也需设计成避免车把晃动的形式。

普通自行车的一个特征是，前轮可绕其转向轴线基本无摩擦地转动。这样骑者的手离开车把时，骑者可以通过改变重心位置来操纵自行车。这种引人注目的特征，在此所描述的自行车转向机构也是具有的。

Claims (12)

1、一种骑者驱动的轮式车辆，它具有一个车架，一个转向前轮，一个驱动后轮，一个支撑骑者身体的座位，一对由骑者腿驱动带动后轮的踏板，和一个通过一个平行四边形机构安装在车架上的车把；所说的平行四边形机构具有水平枢轴，并通过一个驱动机构与车辆的一个车轮连接，以便当车把在垂直的弧线上运动时，驱动该车轮；所说的车把通过一个定长的细长杆与前轮连接，以便能使前轮转向，所说的细长杆可沿其长度方向传递转向扭矩。

2、一种按照权利要求1所述的车辆，其中细长杆是平行四边形机构的一个连杆。

3、一种按照权利要求1或2所述的车辆，其中细长杆由一个在每端各有一个万向节的刚性杆构成。

4、一种按照前述权利要求所述的车辆，其中驱动机构设计成当车把沿弧线前、后运动时，能产生向前驱动所说的那个车轮的驱动作用。

5、一种按照权利要求4所述的车辆，其中驱动机构具有两个安装在中轴上的单向离合器驱动装置，该装置设计成相互反相传递驱动力的形式;驱动机构还具有一个驱动链条或皮带，它绕过两个单向离合器驱动装置，并与车把连接，以使其能随车把向一个方向或另一个方向运动。

6、一种按照上述任一权利要求所述的车辆，其中在垂直弧线上运动的车把驱动后轮。

7、一种按照权利要求6所述的车辆，它包括一个具有转动中轴形式的驱动输出部件，其中踏板安装在中轴上，车把可驱动地与中轴连接。

8、一种按照上述任一权利要求所述的车辆，其中踏板通过一个单向驱动装置与后轮可驱动地连接。

9、一种按照上述任一权利要求所述的车辆，该车辆具有一个前轮制动器和一个车把制动器，其中在制动时，车把的向前运动被阻止。

10、一种按照权利要求9所述的车辆，其中车把制动器不能限制车把向后的运动。

11、一种按照上述任一权利要求所述的车辆，该车辆具有一个骑者控制的锁定机构，它可以锁定平行四边形连杆机构，限制车把在垂直弧线上的任何运动。

12、一种按照上述任一权利要求所述的车辆，其中座位是鞍座形的，它安装在车架上一个水平枢轴上，并通过活节连杆系统与平行四边形连杆机构连接，以使鞍座能随车把运动而后翅和前倾。

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