CN106043587A - 一种离心自动变速装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种离心自动变速装置，包括变速轮本体、连接驱动装置的主动链和连接从动装置的从动链，所述变速轮本体由滑块轮、定轮和穿设于二者轴心的中心轴承组成，所述滑块轮由以中心轴承为圆心呈辐射状排列处于同一圆周上的若干个滑块和对应滑块上的扣链齿组成，所述主动链与滑块轮上的扣链齿相扣，驱动装置通过主动链带动滑块轮旋转，由于离心力的作用，滑块轮的直径随着其转动速率的变化而自动改变，从而实现自动调速的功能。本发明所述的离心自动变速装置，利用离心力进行自动变速的前提下，具有结构更加小巧紧凑，变速性能更加优良，安全可靠，使用寿命更长，传动效率高的优点，适于在行业内进行推广发展。
Description
技术领域
本发明涉及机械传统变速领域，具体为一种利用离心力实现自动变速的传动装置。
背景技术
变速装置在交通工具上应用十分广泛，常见的如变速山地车上使用的变速装置，骑行者通过改变链条和不同的主动、从动齿轮盘的配合来改变车速快慢。主动齿盘的大小和从动齿盘的大小决定了自行车旋动脚蹬时的力度。主动齿盘越大，从动齿盘越小时，脚蹬时越感到费力。主动齿盘越小，从动齿盘越大时，脚蹬时越感到轻松。根据不同车手的能力，即可通过调整主动、从动齿盘的大小调整自行车的车速，或是应对不同的路段、路况，但是总体来说都需要车手进行手动调整。
变速装置的优点主要表现在有效的减少骑行者的体力消耗。一般自行车在城市内使用的较多，因城市内常见较多小角度的斜坡，比如有时骑车时会感到脚踏突然变沉，虽然用肉眼不以判断，但是脚踏变沉即说明自行车没有行驶在水平的路上。在此时，变速器的作用就能充分的体现出来，如果有变速器的话，此时只要能换成较轻的齿轮即可轻松自如的骑行，在逆风的情况下同样可以使用变速器来节省体力。
变速装置安装在自行车上时，分为外变速和内变速两种方式，简单的来说，外变速是指将变速装置装在自行车的外部作为一个单独的零件存在，而内变速是指暗藏于后花鼓中的内藏式零件。外变速直接呈现于外部，直接接触外部空间。而内变速却暗藏于内部，不直接接触外部空间。这样，外变由于设计的空间较大，变速的范围也较大，多用于山地车。但由于接触外界雨水、泥土、油污等，所以必须定期地清洗保养，而内变速就不用定期的保养，但内变速由于设计的空间有限，所以，变速的范围较有限，一般都用于在城市内骑行的轻便车为多。
但是上述提到的变速装置存在最明显的一个问题是都需要骑行者手动进行调速，一方面需要骑行者对路况和自身体力进行判断，另一方面根据判断情况选择相应的车速档，才能进行变速，而且换档时经常换错档位或换的不是自己想要的档位，需要反复换几次档，实际操作时相对麻烦。
因此，急需提出一种根据轮轴转动速率而实现自行变速、能够利用轮轴转动的离心力判断变速程度、结构小巧紧凑、变速性能更加优良，安全可靠且使用寿命更长的变速装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种离心自动变速装置，通过滑块轮和定轮之间的配合使用，省去许多需要手动变速的操作，且本发明所述的变速装置在利用离心力进行自动变速的前提下，结构更加小巧紧凑，变速性能更加优良，安全可靠且使用寿命更长。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种离心自动变速装置，包括变速轮本体、连接驱动装置的主动链和连接从动装置的从动链，所述变速轮本体由滑块、定轮、弹簧、变向绳、滚动柱和中心轴承组成，定轮与滑块轨道为一体，所述滑块以中心轴承为圆心均匀分布于定轮内圈与外圈间的滑块轨道上，所述滑块有两种，重量轻的滑块配有扣链齿，处于同一圆周上配有扣链齿的滑块形成一个直径可变的动态轮，称其为滑块轮，所述主动链与滑块轮上的扣链齿相扣，驱动装置通过主动链带动滑块轮旋转，由于离心力的作用，滑块轮的直径随着其转动速率的变化而自动改变，导致滑块轮的直径与定轮的直径比动态变化，定轮的转动速率随之改变，从而使扣接于定轮扣链齿上的从动链实现自动变速。
滑块轮17上每个所述的滑块7在滑动轨道19上，滑块6在滑动轨道18上，滑动轨道18内运动的滑块6的重量比滑动轨道19上运动的滑块7的重，所述滑块7一面通过弹簧5与定轮1的外圈内壁连接，另一面连接有变向绳3，所述变向绳3绕过固定在定轮1内圈的滚动柱4实现变向后，与滑块7连接，所述滑块7位于滑动轨道19外设置有伸出端，伸出端径向面上设置有扣链齿21。
所述变速装置还包括紧贴主动链或从动链的限位轮。
所述变速装置还包括链长调节装置，所述链长调节装置包括相互配合的扭转弹力器、链长调节器和活动限位轮，用以张紧不同长度的主动链或从动链。
本发明所述的变速装置在实现自动变速时，受力变化为：
向心力原理：F＝mv2/r；离心力的大小等于向心力的大小，方向相反；
弹力公式：F弹＝kx；
当变速装置静止到开始运动时：F滑块6＝m滑块6v2/r；F滑块7＝m滑块7v2/r；F弹＝kx；
由于起步启动时的速度较小：F滑块6<F滑块7+F弹；
滑块7被弹簧拉到最大位置，此时定轮与滑块轮17的半径差最小，最省力，但单位圈数内位移最小。随着速度增加，F总＝F滑块6-F滑块7＝(m滑块6-m滑块7)v2/r，由于m滑块7＜m滑块6，所以此时v、r代表总体效应值，即(m滑块6-m滑块7)v2/r＝kx；F总逐渐大于F弹，因为v2增加率大于x的增加率，所以r必须增大，以达到平衡，达到平衡时滑块6组成的滑块轮半径增大，则滑块7组成的滑块轮半径减小。
定轮与滑块轮17的半径差随速度增加而增加，逐渐不省力，但单位圈数内位移增大。
综上所述可知本发明所述的变速装置从理论上可达到自动变速的效果，并且变速区间取决于定轮大小与滑块能活动的径向距离。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明所述的一种离心自动变速装置，通过滑块轮上所有滑块离心力的变化引起定轮直径与滑块轮直径的相对变化，从而实现从动装置自动变速，本发明所述的变速装置结构小巧紧凑，能够不同的安装需求和安装环境，且组成部件相对较为简单，安装拆卸以及维护修复相较于传统的变速装置更为方便快捷，又因为本发明所述的变速装置是根据受力变化而自行变速的，所以变速性能更加优良，变速过程及自行车的形式过程更加安全可靠，本发明采用滑块轮的结构，相比传统的齿轮和链条的组合方式，使用寿命更长，经由数学方法推导可知，本发明所提出的变速方式传动效率更高。
综上，本发明所述的一种离心自动变速装置，满足利用离心力进行自动变速的前提下，具有结构更加小巧紧凑，变速性能更加优良，安全可靠，使用寿命更长，传动效率高的优点，适于在行业内进行推广发展。
附图说明
图1为本发明所述第一类变速装置的结构示意图；
图2为本发明所述第一类变速装置的变速滑块单元结构示意图；
图3为本发明所述第二类变速装置的结构示意图；
图4为本发明所述第二类变速装置的变速旋叶单元结构示意图；
图5为本发明所述第三类变速装置的结构示意图；
图中标记：1、定轮，2、中心轴承，3、变向绳，4、滚动柱，5、弹簧，6、滑块，7、滑块，8、限位轮，9、扭转弹力器，10、链长调节器，11、活动限位轮，12、主动链，13、驱动装置，14、从动装置，15、从动链，16、变速滑块单元，17滑块轮，18、滑块6的滑动轨道，19、滑块7的滑动轨道，20、扣链齿，21、扣链齿，1'、定轮，2'、中心轴承，4'、滚动柱，5'、弹簧，8'、限位轮，10'、链长调节器，11'、活动限位轮，12'、主动链，13'、驱动装置，14'、从动装置，15'、从动链，16'、变速滑块单元，17'滑块轮，20'、扣链齿，21'、扣链齿，22、旋开关节，23、旋叶，2301、弹簧卡扣，2302、弹簧凹槽，1"、定轮，2"、中心轴承，3"、变向绳，4"、滚动柱，5"、弹簧"，6"、滑块，7"、滑块，8"、限位轮，9"、扭转弹力器，10"、链长调节器，11"、活动限位轮，12"、主动链，13"、驱动装置，14"、从动装置，15"、从动链，17"、滑块轮，20"、扣链齿，21"、扣链齿，22"、旋开关节
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施方式对本发明作进一步的说明。
一种离心自动变速装置，包括变速轮本体、连接驱动装置13的主动链12和连接从动装置14的从动链15，所述变速轮本体由滑块6、滑块7、定轮1、弹簧5、变向绳3、滚动柱4和中心轴承2组成，所述滑块6和滑块7以中心轴承为圆心分别均匀分布于定轮内圈与外圈间背靠背的滑动轨道18和滑动轨道19上，所述滑块中，重量轻的滑块7配有扣链齿，处于同一圆周上配有扣链齿21的滑块7形成一个直径可变的动态轮，即滑块轮17，定轮1与滑动轨道18和滑动轨道19为一体，所述主动链12与滑块轮17上的扣链齿21相扣，驱动装置13通过主动链12带动滑块轮17旋转，滑块轮17通过滑块7所在滑动轨道19的侧壁带动定轮1旋转，定轮1外沿上的扣链齿20与从动链15相扣，定轮1通过从动链15牵引从动装置14进行运动。
所述定轮1的内圈与外圈之间径向均匀分布着若干背靠背的滑动轨道18和滑动轨道19，其中滑动轨道19内设置有滑块7，滑块7上有扣链齿21,滑动轨道18内设置有滑块6，滑块7的重量小于滑块6的重量，所述滑块7一面通过弹簧5与定轮1外圈的内壁连接，另一面连接有变向绳3，所述变向绳3绕过固定在定轮1内圈上的滚动柱4实现变向后，与滑块6连接，所述滑块7位于滑动轨道19外设置有伸出端，伸出端径向面上设置有扣链齿21，所述滑块6和滑块7可以分别在所述滑动轨道18和滑动轨道19上径向滑动。
其中，滑块6和滑块7与其相应轨道之间需尽量减少摩擦力，优选在相应轨道上安装微滑轮或者使用轻质润滑油。
所述滑块6和滑块7之间的重量相差越大，变速效果越好。
所述变速装置还包括紧贴主动链12或从动链15的限位轮8。
所述变速装置还包括链长调节装置，所述链长调节装置包括相互配合的扭转弹力器9、链长调节器10和活动限位轮11，用以张紧不同长度的主动链12或从动链15。
所述主动链12和从动链15使用的链条也可用带齿槽的皮带进行替代。
实施例一
本发明所述的技术方案为第一类自动变速装置，在使用过程中变速滑块单元16从最大速差状态运动至最小速差状态时，各部件之间的运动情况：
当滑块7到最小圆周位置时，滑块6处于最大圆周位置，此时变速滑块单元16处于最大速差状态，即两种滑块的线速度相差最大，此时对于驱动装置来说是最费力的，活动限位轮11处于最小位置。为了省力，当主动链12线速度降低，滑块轮17转速也变慢，滑块的离心力差变小，滑块6往圆心靠拢，滑块7则逐渐远离圆心半径增大，主动链12张力增加，活动限位轮11受力随之张开，以保持主动链12的张力平衡，这样直到变速滑块单元16运动至最小速差状态。
当定轮1转速从慢变快时，滑块轮17的直径由大变小，主动链12有松弛的趋势，但由于扭转弹力器9的预紧作用，活动限位轮11收拢，主动链12保持张力基本不变；反之，当定轮1转速由快变慢时，滑块轮17的直径由小变大，主动链12的张力随之增加，活动限位轮11受主动链12的张力而随之朝上、下方向张开，使主动链的的张力保持平衡。
第一类自动变速装置，无需限定定轮1的转动方向，只要改变主动链12和从动链15的运动方向，定轮1的转动方向随之发生改变。
在实施例一的基础上提出进一步的实施例二：
如图3，旋叶轮17'上每个所述的变速旋叶单元16'包括通过旋开关节22与中心轴承2'转动连接的旋叶23，所述旋叶23的外侧设有弹簧卡扣2301，内侧设有凹槽2302，弹簧5连接凹槽2302与另一片旋叶23的弹簧卡扣2301，所述旋叶23上与连接旋开关节22的一端相对应的另一端设有扣链齿20'，所述定轮1'外沿设置有主动链扣链齿21'，所述主动链12'与定轮1'上的主动链扣链齿21'相扣，驱动装置13'通过主动链12'带动定轮1'旋转，旋转的定轮1'以中心轴承2'轴心为圆心通过旋开关节22带动旋叶轮17'旋转，旋叶轮17外沿上的扣链齿20'与从动链15'相扣，旋叶轮17'通过从动链15'牵引从动装置14'进行运动。
当旋叶轮17'到最大圆周位置时，此时变速旋叶单元16'处于最大速差状态，即旋叶轮17'上的扣链齿20'与定轮1'外沿的扣链齿21'的线速度相差最大，此时对于驱动装置13'来说是最费力的，活动限位轮11'处于最大位置。当主动链12'线速度降低，旋叶轮17'转速也变慢，旋叶轮17'产生的离心力变小，逐渐收拢，旋叶轮17'直径变小，从动链15'张力减小，活动限位轮11'受预紧力的影响随之收拢，以保持从动链15'的张力平衡，这样直到变速旋叶单元16'运动至最小速差状态。
其中，需要解释的是，每个变速旋叶单元16'上设置有1条弹簧5'，一端固定在旋叶23的凹槽2302上，另一端固定在相邻旋叶23外侧的弹簧卡扣2301，当转速快时，由于离心力的作用，旋叶23往外张开，弹簧5'受拉力，反之，当转速变慢时，旋叶23向内收拢，弹簧5'受压力。
当旋叶轮17'转速降低时，旋叶23有内收的趋势，此时扣链齿20'的朝向起着关键作用，扣链齿20'的朝向与旋叶23的转动方向相反，扣链齿20'有防止自身从从动链15'脱落的作用，可有效保障从动链15'与旋叶轮17'紧密连接。
实施例三：
在实施例一，二基础上提出进一步的实施例三，如图5所示本实施例与实施例一，二不同之处在于：
如图5所示，在本实施例中的定轮1"为实施例一的定轮1与实施例二的定轮1'以同一轴心叠加固定一体组成，主动链12"与滑块7"链接，从动链14"与即旋叶轮17"上的扣链齿20"链接；实施例一中的定轮1不再与从动链14"链接，实施例二中的定轮1'不再与主动连12"链接。
本实施例其他与实施例二相同之处在此不再赘述。
综上，本发明所述的离心自动变速装置，通过旋叶轮上变速旋叶单元所受离心力的变化引起定轮大小与旋叶轮直径的相对变化，从而实现从动装置自动变速，本发明所述的变速装置结构小巧紧凑，能够不同的安装需求和安装环境，且组成部件相对较为简单，安装拆卸以及维护修复相较于传统的变速装置更为方便快捷，又因为本发明所述的变速装置是根据受力变化而自行变速的，所以变速性能更加优良，变速过程及自行车的形式过程更加安全可靠，本发明采用旋叶轮的结构，相比传统的齿轮和链条的组合方式，使用寿命更长，经由数学方法推导可知，本发明所提出的变速方式传动效率更高。
以上结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。
Claims (7)
1.一种离心自动变速装置，包括变速轮本体、连接驱动装置(13)的主动链(12)和连接从动装置(14)的从动链(15)，其特征在于：所述变速轮本体由滑块轮(17)、定轮(1)和穿设于二者轴心的中心轴承(2)组成，所述滑块轮(17)由以中心轴承(2)为圆心呈辐射状排列处于同一圆周上的若干个滑块(7)和滑块(7)上设置的随滑块轮(17)转动速率变化而变化的扣链齿(21)组成，所述主动链(12)与滑块轮(17)上的扣链齿(21)相扣，驱动装置(13)通过主动链(12)带动滑块轮(17)旋转，滑块轮(17)通过滑块(7)所在滑动轨道(19)的侧壁带动定轮(1)旋转，定轮(1)外沿上的扣链齿(20)与从动链(15)相扣，定轮(1)通过从动链(15)牵引从动装置(14)进行运动。
2.根据权利要求1所述的一种离心自动变速装置，其特征在于：滑块轮(17)上每个所述的滑块(7)在滑动轨道(19)上，滑块(6)在滑动轨道(18)上，滑动轨道(18)内运动的滑块(6)的重量比滑动轨道(19)上运动的滑块(7)的重，所述滑块(7)一面通过弹簧(5)与定轮(1)的外圈内壁连接，另一面连接有变向绳(3)，所述变向绳3绕过固定在定轮(1)内圈的滚动柱(4)实现变向后，与滑块(7)连接，所述滑块(7)位于滑动轨道(19)外设置有伸出端，伸出端径向面上设置有扣链齿(21)。
3.根据权利要求1所述的一种离心自动变速装置，其特征在于：所述变速装置还包括紧贴主动链(12)或从动链(15)的限位轮(8)。
4.根据权利要求1所述的一种离心自动变速装置，其特征在于：所述变速装置还包括链长调节装置，所述链长调节装置包括相互配合的扭转弹力器(9)、链长调节器(10)和活动限位轮(11)，用以张紧不同长度的主动链(12)或从动链(15)。
5.根据权利要求1所述的一种离心自动变速装置，其特征在于：所述滑块轮(17)转动速率改变时，由于离心力的作用，滑块轮(17)的直径随之改变，导致滑块轮(17)的直径与定轮(1)的直径比动态变化，从而使扣接于定轮(1)上扣链齿(20)的从动链(15)实现自动变速。
6.根据权利要求1所述的一种离心自动变速装置，其特征在于：旋叶轮(17')上每个所述的变速旋叶单元(16')包括通过旋开关节(22)与中心轴承(2)转动连接的旋叶(23)，所述旋叶23的外侧设有弹簧卡扣(2301)，内侧设有凹槽(2302)，弹簧(5')连接凹槽(2302)与另一片旋叶(23)的弹簧卡扣(2301)，所述旋叶(23)上与连接旋开关节(22)的一端相对应的另一端设有扣链齿(20)，所述定轮(1')外沿设置有主动链扣链齿(21')，所述主动链(12')与定轮(1')上的主动链扣链齿(21')相扣，驱动装置(13')通过主动链(12')带动定轮(1')旋转，旋转的定轮(1')以中心轴承(2')轴心为圆心通过旋开关节(22')带动旋叶轮(17')旋转，旋叶轮(17')外沿上的扣链齿(20')与从动链(15')相扣，旋叶轮(17')通过从动链(15')牵引从动装置(14')进行运动。
7.根据权利要求1或权利要求6所述的一种离心自动变速装置，其特征在于：定轮(1")为权利要求1所述定轮(1)和权利要求2所述定轮(1')以同一轴心叠加固定一体组成，主动链12"与滑块7"链接，从动链14"与即旋叶轮17"上的扣链齿20"链接；权利要求1中的定轮1不再与从动链14"链接，权利要求6中的定轮1'不再与主动连12"链接。
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