CN108025795A - 骑行者驱动车辆及其机构 - Google Patents

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Abstract

一种运动传递装置，包括车架；至少一个轮轴，所述至少一个轮轴功能性联接到至少一个车轮，所述至少一个轮轴在所述车架上可旋转；联接到所述至少一个轮轴的齿轮组件；至少一个踏板，所述踏板与所述齿轮组件接合，并且能够通过附肢在预定角度范围内移动以施加力；具有预定长度的至少一个曲柄臂，所述曲柄臂联接到所述至少一个踏板和所述齿轮组件，用于将来自所述踏板的力直接施加到所述齿轮组件，以旋转所述至少一个车轮；以及恢复构件，其产生恢复力以使所述踏板和所述至少一个曲柄臂从下行程位置返回到上行程位置。

Description

骑行者驱动车辆及其机构
背景技术
1、技术领域
本发明涉及车辆，更特别地涉及骑行者驱动车辆及其机构。
2、现有技术
人类活动少有比骑自行车更普遍。在世界各地使用自行车来进行交通、锻炼和作为娱乐和令人振奋的活动。事实上，骑自行车是世界各地千百万人每天都在参与的事情，绝大多数人都认为这是完全理所当然的。
目前，骑自行车的人每年花费数百万美元，试图用新的设计使普通的自行车运行更快。在过去的几百年里，基本的自行车设计也没有改变。利用两个踏板和相应的曲柄臂、链条和其他各种部件，骑行者对踏板施加圆周运动，向前推动自行车。它简单、容易并且几乎是普遍的。
不幸的是，这种设计本身也是浪费和危险的。当由于施加在自行车的车架上的巨大压力，特别是前叉，导致他们的自行车失灵时，全世界成千上万的骑行者受伤甚至死亡。
原因很简单。传统的自行车设计迫使骑行者在骑行时使用左右摇摆运动，并且在车架中央也施加强烈的向下力。这种力也分布不均，还把巨大的力转移到前叉，不幸的是，这种力有失灵倾向，从而造成可怕的事故。
一个人只需要进行一个快速的在线搜索，就可以找到提到对自行车制造商提起的众多诉讼，通常是由骑行者提起，他们骑着车架失灵的自行车时受伤。例子很多，其中包括一名户外用品公司的雇员，他在骑着的自行车分裂后瘫痪，因为它的车架无力承受骑乘的正常力量。其他的包括业内最受尊敬的自行车公司之一，最近被迫召回超过100万辆他们的自行车，另一家自行车公司在意识到在正常的骑行条件下车架可能会分裂后，召回数百辆自行车。
同样，现有技术中的常规自行车通常包括骑行者将力从其腿部施加到围绕轴旋转360度的踏板，该踏板利用齿轮和链条组件传递旋转运动以使轮轴旋转。因此，如果骑行者想要向前推进常规自行车，他被迫使用六块或多块腿部肌肉。他或她必须使用髋伸肌、膝伸肌、脚踝跖屈肌、脚踝背屈肌、髋屈肌和膝屈肌。随着时间推移，过度使用这些肌肉可能会对膝盖和身体其他部位造成伤害。
图1是现有技术中表示在踏板旋转动作期间活动的人体腿部肌肉的图10，其中在旋转踏板的一定角度范围内使用腿部中的各种伸肌和屈肌。图2是现有技术中人体腿部肌肉侧视图，以及图3是现有技术中人体大腿肌肉正视图。
如图1-3所示，髋伸肌12主要在从12点钟位置到3点钟位置的范围32内顺时针向踏板施加力，而膝伸肌14主要在从3点钟位置到5点钟位置的范围34内顺时针向踏板施加力，脚踝跖屈肌16主要在从5点钟位置到6点钟位置的范围36内顺时针向踏板施加力，脚踝背屈肌18主要在从6点钟位置到8点钟位置的范围38内顺时针向踏板施加力，膝屈肌20主要在从8点钟位置到9点钟位置的范围40内顺时针向踏板施加力，以及髋屈肌22主要在从9点钟位置到12点钟位置的范围42内顺时针向踏板施加力。
然而，施加于踏板的大部分动力只能在有限范围的角度方向上，即在大约2点和4点之间最有效地施加，踏板和骑行者的腿部的大部分运动被浪费或效率低下地利用。
事实上，传统的自行车设计在骑行者的能量方面本质上是浪费的。骑行者所施加的大部分力会转移到自行车的其他部分，而不是车轮上，从而丧失。事实上，多年来，自行车设计师一直在尽最大努力从传统的自行车设计中获得更多的动力和更高的RPM，但无济于事。目前绝大多数设计都停留在100RPM左右，绝对上限值为120。因此，他们的图表最多只能显示120RPM。
此外，现有技术中的这种传统的自行车通常是为使用两条腿的骑行者而构造的，其不易适用于只有一条腿、没有腿、假肢等的人。常规自行车设计中最大的问题之一-如果您残疾，则无法骑行。一名截瘫患者、一名失去一条腿或两条腿的士兵或者一个患有影响他们手臂和双腿的使肌肉衰弱的疾病的人，都实在不能骑自行车，不能像他们可能想要的那样，享受这个梦幻般的、娱乐和充满活力的活动。
传统的自行车具有一个链条、前链轮(链环)和后钝齿轮(多链轮)。这个系统有几个限制。如果骑行者希望自行车有不同的速度，他必须能够用变速器换档。自行车链条必须足够薄，以便在钝齿轮后部切换齿轮。这进一步限制了链条的尺寸和后钝齿轮的尺寸。为了加快速度，骑行者必须切换到自行车后部的最小链轮。这限制了链条和链轮的尺寸以及链条如何与后钝齿轮对齐。因此，在传统的自行车中，链轮越小，为了将自行车向前推，越少的链条可用来抓住链轮。这也导致链条与后钝齿轮错位。由于后链轮很小，所以为了抓住链条而限制了齿数。可能会发生链条的跳动，并且链条可能在链轮上磨损和撕裂。链条会折断，或者链轮齿在重载后会弯曲或断裂。
发明内容
以下给出本发明的一些实施例的简要概述，以提供对本发明的基本理解。本概述不是本发明的广泛综述。这并不旨在确定本发明的关键/重要元件或描绘本发明的范围。其唯一目的是以简化形式呈现本发明的一些实施例，作为稍后呈现的更详细描述的序言。
本发明公开了一种骑行者驱动车辆及其机构，其比现有技术的自行车产生超出500％更多的扭矩。事实上，传统的自行车不能超过120RPM，而本自行车可以超过175RPM，这在业界是闻所未闻的，在动力产生方面也是绝对的飞跃。
本发明的自行车在许多方面优于传统的自行车，其中大部分与骑车时如何施加力有关。对于本自行车来说，上下踏步运动将骑行者的更多能量转化为向前的运动。本自行车在轮胎的后轮施加它本该施加的力。当力施加到踏板上时，它直接传递到后轴和绕过车架的滚柱轴承上，并且力直接作用在后轮上。很少或根本没有压力放在车架或叉上。本自行车中的力产生推动作用而不是常规自行车的拉动作用。同时，骑行者对车架施加的向下力要小得多，并且车架能够吸收更多来自路面不平的震动。
更好的是，本自行车在使用比传统的自行车更少肌肉的情况下做到了这一点，使用到两块而不是六块。本自行车使用身体最强大和最有效的肌肉，即髋伸肌和膝伸肌。这些是我们用于步行和跑步的肌肉。即使有过，很少报道过这两块肌肉长时间处于疲劳状态。
本自行车本身也比较安全，因为骑行时车架上的力明显减小，这无疑会导致事故、伤害及其后续诉讼的显着减少。
本公开的自行车不仅更易于使用两条功能正常的腿骑行，而且还可以被单腿或甚至没有腿的人骑行。因此，本发明的自行车可以被各行各业的人享用。
本发明的自行车具有踏板、曲柄臂、单向离合器和机械返回。这些部件相互配合工作。他们称为PCCM组件。M可以是链轮、弹簧或任何其他允许曲柄臂返回到上部位置的设备。M与弹簧或MS(简称)结合使用时，实现骑行者在任何时候都只能施加向下或顺时针方向的力的优点。系统将借助弹簧自动将曲柄臂提升至上部位置。如果骑行者想更快踩踏板，他可以使用自锁踏板。PCCM中的踏板位于曲柄臂的顶部，而不是位于曲柄臂的侧面。将踏板放置在曲柄臂的顶部提供了一些优点：(i)其消除了常规自行车上发生的摆动和颠簸；(ii)由于曲柄臂是弯曲的，这允许踏板可以直接放置在曲柄臂的顶部，因此不会有损失力或将力传递到车架；(iii)当在身体中两块最强的肌肉(髋伸肌和膝伸肌)施加力时，骑行者在任何时候站立的能力；(iv)PCCM允许骑行者在任何时候的向下冲程施加力；(v)由于踏板和曲柄臂不像传统的自行车那样彼此附接，并且力不施加到车架的中心，所以当骑行者施加力时，车架不受影响；和(vi)PCCM还允许骑行者能够施加更接近90度或3点区域的力-这是产生最大推动骑行者前进的力的区域-并且PCCM允许骑行者在骑行时减慢冲程，但在骑行时增加他的RPM或速度。
这种PCCM与旋转轴承轴组件(RBSA)、平衡多链轮和双链条(BMSDC)、多传动比传动装置(MRT)以及钝齿轮、轮毂和车轮组件(CHW)配合使用，以使得当彼此组合使用时，去除或消除了当前常规自行车所施加的任何限制。当PCCM、RBSA、BMSDC、MRT和CHW相互结合使用时，允许骑行者可以比常规自行车更高效地增加或减少自行车的RPM、MPH、扭矩、距离和速度。尽管向踏板施加力，CHW是最后参与。
BMSDC允许链条在任何时候与后钝齿轮对齐。由于多组合链轮可以向上或向下调节，这允许链条可以与后链轮啮合。链轮的比例可以调节，以便链条缠绕在链轮的大部分齿上。这减少链条和链轮因链轮和链条的力过载而导致的故障。
RBSA具有直接连接到后轴的链轮。当向踏板(PCCM组件)施加力时，它将力从车架上移开，并将其重新引导至BMSDC系统。BMSDC系统使自行车另一侧的力远离驱动链和齿轮。然后这些力均匀地传递到整个其他链轮和CHW并平衡(变化、改变和控制)。这些力决不会引导向自行车的车架；从而减少或消除车架或叉故障。
为了实现上述目的和下面描述的其他优点，公开了骑行者驱动车辆及其机构。在一个实施例中，机构是运动传递装置，包括：与骑行者驱动车辆联接的齿轮组件，齿轮组件具有功能性联接到在车架上可旋转的轮轴的至少一个车轮；至少一个踏板，与齿轮组件接合，并且能够通过附肢在预定角度范围内移动以施加力；以及具有预定长度的至少一个曲柄臂，联接到至少一个踏板和齿轮组件，用于将来自踏板的力直接施加到齿轮组件以旋转至少一个车轮。附肢选自：由假肢构件、单手、单脚、单个前臂、单条前腿和一双手组成的组。骑行者驱动车辆选自：由自行车、三轮车、货物自行车、桨船、轮椅、骑行者驱动的载客车辆、脚踏车、手摇车、铁路手摇车和骑行者驱动的飞行器组成的组。
踏板运动的预定角度范围小于360度，例如约45度或者从垂直方向顺时针约67.5度到垂直方向顺时针约112.5度之间。齿轮组件包括将至少一个曲柄臂联接到至少一个车轮的单向离合器，用于沿单向旋转方向将力施加到至少一个车轮。包括用于产生恢复力的恢复构件，以使踏板和至少一个曲柄臂从下行程位置返回到上行程位置。恢复构件例如是弹簧。
或者，至少一个曲柄臂包括第一曲柄臂和第二曲柄臂；恢复构件是附接在第一曲柄臂和第二曲柄臂上的滑轮，用于当第二曲柄臂移动到下行程位置时，将第一曲柄臂移动到上行程位置，并且用于当第二曲柄臂移动到上行程位置时，将第一曲柄臂移动到下行程位置。
接合构件允许轮轴相对于车架自由旋转。接合构件是至少一个滚柱轴承和/或由润滑剂构成。齿轮组件包括多个步进齿轮，用于增加从至少一个曲柄臂到至少一个车轮的力的速度传递。至少一个车轮选自由以下部分组成的组：在车架的前部构件上可旋转的附接到轮轴的前轮；以及在车架的后部构件上可旋转的附接到轮轴的后轮。
在另一个实施例中，骑行者驱动车辆包括：车架；在车架上可旋转的轮轴；至少一个附接到轮轴并围绕轮轴旋转的车轮；联接到至少一个车轮的齿轮组件；至少一个踏板，与齿轮组件接合，并且能够通过附肢在预定角度范围内移动以施加力；以及具有预定长度的至少一个曲柄臂，连接到至少一个踏板和齿轮组件，用于将来自踏板的力直接施加到齿轮组件以旋转至少一个车轮。
附肢选自：由假肢构件、单手、单脚、单个前臂、单条前腿和一双手组成的组。骑行者驱动车辆选自：由自行车、三轮车、货物自行车、桨船、轮椅、骑行者驱动的载客车辆、脚踏车、手摇车、铁路手摇车和骑行者驱动的飞行器组成的组。
踏板运动的预定角度范围小于360度。例如，踏板运动的预定角度范围为约45度。或者，踏板运动的预定角度范围在从垂直方向顺时针方向约67.5度到从垂直方向顺时针方向约112.5度之间。
齿轮组件包括将至少一个曲柄臂联接到至少一个车轮的单向离合器，用于沿单向旋转方向将力施加到至少一个车轮。包括产生恢复力的恢复构件，以使踏板和至少一个曲柄臂从下行程位置返回到上行程位置。例如，恢复构件是弹簧。或者，至少一个曲柄臂包括第一曲柄臂和第二曲柄臂；并且其中恢复构件是附接在第一曲柄臂和第二曲柄臂上的滑轮，用于当第二曲柄臂移动到下行程位置时，将第一曲柄臂移动到上行程位置，并且用于当第二曲柄臂移动到上行程位置时，将第一曲柄臂移动到下行程位置。
接合构件允许轮轴相对于车架自由旋转。接合构件是至少一个滚柱轴承和/或由润滑剂构成。齿轮组件包括多个步进齿轮，用于增加从至少一个曲柄臂到至少一个车轮的力的速度传递。至少一个车轮选自由以下部分组成的组：在车架的前部构件上可旋转的附接到轮轴的前轮；以及在车架的后部构件上可旋转的附接到轮轴的后轮。
在另一个实施例中，自行车包括车架；各自在车架上可旋转的前轮轴和后轮轴；至少一个前轮，附接到在车架上可旋转的前轮轴并绕其旋转；至少一个后轮，附接到在车架上可旋转的后轮轴并绕其旋转；齿轮组件，联接到齿轮旋转的车轮，齿轮旋转的车轮选自：由至少一个前轮和至少一个后轮组成的组，其中齿轮组件包括单向离合器，接合齿轮旋转的车轮，以在单向旋转方向上向齿轮旋转的车轮施加力；至少一个踏板，接合齿轮组件并且能够通过附肢在预定角度范围内移动以施加力，其中附肢选自：由假肢构件、单手、单脚、单个前臂、单条前腿以及一双手、一双脚和一双腿组成的组，其中，至少一个踏板运动的预定角度范围小于360度；具有预定长度的至少一个曲柄臂，联接到至少一个踏板和齿轮组件，用于将来自踏板的力直接施加到齿轮组件，以通过单向离合器使至少一个齿轮旋转的车轮在单向旋转方向上旋转；以及恢复构件，产生恢复力以使踏板和至少一个曲柄臂从下行程位置返回到上行程位置。
自行车选自：由自行车、三轮车、货物自行车、桨船、轮椅、骑行者驱动的载客车辆、脚踏车、手摇车、铁路手摇车和骑行者驱动的飞行器组成的组。踏板运动的预定角度范围为约45度。或者，踏板运动的预定角度范围在从垂直方向顺时针方向约67.5度到从垂直方向顺时针方向约112.5度之间。
恢复构件是弹簧。或者，至少一个曲柄臂包括第一曲柄臂和第二曲柄臂，并且恢复构件是附接在第一曲柄臂和第二曲柄臂上的滑轮，用于当第二曲柄臂移动到下行程位置时，将第一曲柄臂移动到上行程位置，并且用于当第二曲柄臂移动到上行程位置时，将第一曲柄臂移动到下行程位置。
接合构件允许齿轮旋转的车轮的相应轮轴相对于车架自由旋转。接合构件是至少一个滚柱轴承和/或由润滑剂构成。齿轮组件包括多个步进齿轮，用于增加从至少一个曲柄臂到至少一个齿轮旋转的车轮的力的动力传递。
附图说明
当结合附图阅读时，将更好地理解前面的概述以及下面对本发明当前优选实施例的详细描述。为了说明本发明，在附图中示出了当前优选的实施例。然而，应该理解的是，本发明不限于所示的精确布置和机构。
在附图中：
图1是表示现有技术中在自行车踏板的旋转动作中活动的人体腿部肌肉图；
图2是现有技术中人体腿部肌肉的侧视图；
图3是现有技术中人体大腿肌肉的正视图；
图4是本发明第一实施例中的骑行者驱动车辆的侧视平面图，示出了处于三种不同状态下具有曲柄臂和踏板的踏板、曲柄臂、单向离合器和机械返回(PCCM)；
图5是图4中车辆的车架的俯视透视图，示出了旋转轴承轴组件(RBSA)；
图6是图4的车架的局部俯视横截面图，示出了在第一实施例中使用弹簧的具有平衡多链轮和双链(BMSDC)的齿轮组件；
图7是图4的车架的局部俯视横截面图，示出了在第一实施例中使用滑轮系统的齿轮组件；
图7A是图4的车架的局部俯视横截面图，示出了第一实施例的齿轮组件和传递力的方向；
图7B是第一实施例的齿轮组件和曲柄臂的局部侧视图，示出了力的传递；
图8是图7的滑轮系统的后视横截面图；
图8A是图6的弹簧系统的侧视横截面图；
图9是处于三种不同状态下的具有踏板的齿轮组件和曲柄臂的局部侧视图；
图10是表示具有最佳动力传递区域的曲柄臂和踏板的各种角度位置的图；
图11是具有多传动比传动装置(MRT)的本发明的齿轮组件的中间轴和前部的横截面图；
图12是本发明的齿轮组件的后轮轴和后部的横截面图；以及
图13是本发明的钝齿轮、轮毂和后轮组件(CHW)和单向离合器机构的横截面图。
为了便于理解本发明，在适当的情况下，使用相同的附图标记来标记附图所共有的相同或相似的元件。此外，除非另有说明，附图中所示的特征不是按比例绘制的，而是仅出于说明目的而示出。
具体实施方式
在下面的描述中仅仅为了方便而使用某些术语，而不是限制性的。文章中的“一个”旨在包括一个或多个物品，并且在仅意图使用一个物品的情况下，使用术语“一个”或类似的语言。此外，为了帮助描述本发明，使用诸如顶部、底部、上部、下部、前部、后部、内部、外部、右侧和左侧等词语来描述附图。术语包括上述具体提到的词语、其衍生词和类似的外来词汇。
图4是本发明的第一实施例中的骑行者驱动车辆100的侧视平面图。骑行者驱动车辆100包括至少车架102，在车架102上可旋转的至少一个轮轴104、106，附接到对应的轮轴104、106并绕其旋转的至少一个车轮108、110，与至少一个车轮108(例如后轮108)联接的齿轮组件112，与齿轮组件112接合并且可以在预定的角度范围内通过骑行者的附肢移动以施加力的至少一个踏板114、116，以及联接到对应的至少一个踏板114、116和联接到齿轮组件112的具有预定长度的至少一个曲柄臂118、120，用于将来自至少一个踏板114、116的力直接施加到齿轮组件112以旋转至少一个车轮108、110。齿轮组件112包括用于传递力来驱动自行车的部件，即链轮180、182、184、186；链条190、192；MRT 170和单向离合器130。
在图4和图5所示的示例性实施例中，后轮轴104通过后孔134、136可旋转地安装到车架102。后轮轴104经由接合构件138、140(在下面更详细地描述)联接到车架102，使得后轮轴104可自由旋转。后轮108包括围绕后轮轴104的轮毂109(统称车轮组件)，并且通过一对滚柱轴承111、113联接到相邻组件，如图12和图13所示，下面将更详细地描述。因此，与现有技术中具有牢固固定在自行车车架上的轴或车轴的后轮(即现有技术的车轮)在固定轴上旋转相反，后轮轴104以及后轮108同时彼此完全独立地(以不同的速度)旋转。或者，图4中的轴104和车轮108可以如现有技术那样构造，其中轴104固定到车架102，并且车轮108在固定轴104上旋转。
在图4所示的示例性实施例中，齿轮组件112经由右后链轮(或第四链轮)186(图12和13)功能性联接到后轮108。具体而言，从左后链轮(或第一链轮)180传递旋转力，使左前链轮(或第二链轮)182、右前链轮(或第三链轮)184、右后链轮(或第四链轮)186和单向离合器130旋转，以使后轮组件108、109旋转，如图12和13所示。在替代实施例中，齿轮组件112可以仅功能性联接到前轮110，以使前轮110而不是后轮108旋转。在另一替代实施例中，一个或多个齿轮组件112可以功能性联接到相应的一个或两个车轮108、110。
在图4所示的示例性实施例中，两个踏板114、116及其相应的曲柄臂118、120位于车架102的相对的横向侧上，以由骑行者的两个相应的附肢进行脚踏。或者，只有一个踏板和只有一个曲柄臂(例如踏板114和曲柄臂118)位于车架102的共同侧面上，以提供用单个附肢脚踏车辆100的骑行者驱动车辆100的单个踏板-曲柄臂配置。
用于施加动力的骑行者的附肢选自：由假肢构件、单手、单脚、单个前臂，单条前腿和一双手组成的组，其允许具有两个、一个，或者没有腿的骑行者使用它们可用的腿、假肢或者手臂来为车辆100提供动力。
骑行者驱动车辆100选自：由自行车、三轮车、货物自行车、桨船、轮椅、骑行者驱动的载客车辆、脚踏车、手摇车、铁路手摇车和骑行者驱动的飞行器组成的组。可以考虑其他类型的骑行者驱动车辆，例如单轮车、速滑车、手推车、轻便摩托车以及混合式人力和电动车辆。
在如图4-9所示的本发明的说明性示例实施例中，骑行者驱动车辆100是根据本文所述的本发明的结构和原理构造的脚踏车或其他类型的自行车或车辆。
如图4中的示例性实施例所示，车辆100包括车架102，车架102上安装有前轮110和后轮108以及座椅122、使用转向轴组件126用于转向的至少一个手柄124、附接到至少一个曲柄臂118、120的至少一个踏板114、116以及本文所述的其它机构。如本文所描述的，在图4和6的示例性实施例中，车辆100具有两个踏板114、116，其分别可在上部位置和下部位置之间移动，具有诸如弹簧128、129的恢复构件，用于当骑行者减小或撤除相应的踏板114、116上的向下的力时，将下部位置中的给定曲柄臂118、120返回到上部位置。在该实施例中，无论相对的曲柄臂118、120的位置如何，两个曲柄臂118、120都恢复到上部位置。因此，两个曲柄臂118、120在静止的非接合状态下位于上部位置。
参照图4和图6，自行车100在车架102的每一侧上包括一对链轮180-182/184-186，每一对链轮180-182/184-186与相应链条190/192联接在一起。链轮的尺寸可以满足所需的RPM和速度要求，因此可以使用非限制数量的传动比组合。如图11所示，前链轮182、184彼此固定，并经由轴承可旋转地与固定在车架102的中间轴105联接。在没有多传动比传动装置(MRT)的情况下，每个链轮182、184以相同的速度彼此旋转。然而，可以使用MRT，使得每个链轮182、184以不同的速度旋转。参照图12，左后链轮(或第一链轮)180固定联接到后轴104。右后链轮(或第四链轮)186功能性联接至车轮108。因此，更好的骑行效率是由多个链条完成的。而且，没有一个链轮180-186固定在曲柄臂118、120上，因此与现有技术的自行车相比，惯性和RPM都增加了，并且对于链轮、曲柄臂或座椅的位置没有限制。
在操作中，当骑行者在踏板114、116上施加向下的力时，踏板114、116的运动转换为围绕单向离合器130的轴线旋转的曲柄臂118、120的运动，单向离合器130围绕后轴104，后轴104将旋转运动直接传递给后轮108，如图12和13最佳地所示。也就是说，每个曲柄臂118、120的远端包括围绕后轴104并绕过后轮组件108、109的单向交变离合器200、202。因此，来自曲柄臂118、120的力直接传递到第一链轮180，第一链轮180将力传递到随后的链轮182、184、186、单向离合器130和车轮组件108、109。因此，如果链条190、192断开连接，则系统将不工作。
如图6所示，每个踏板114、116与相应的曲柄臂118、120对齐。利用这种结构，施加到踏板114、116的力直接传递到曲柄臂118、120，从而与传统的、其中踏板位于曲柄臂的偏置于曲柄臂外部的侧面的自行车相比，增加了动力。本实施例中的曲柄臂结构也提供了更安全的骑行体验，因为利用现有技术的偏置踏板，骑行者必须在蹬踏的同时将其重量从一侧移到另一侧，同时在踏板和曲柄臂之间产生向下的扭转力。
此外，与传统的7英寸曲柄臂相比，由于曲柄臂118、120的长度增加(大约20英寸)，所以功率增加。而且，与在常规自行车中自右向左的力的恒定变化不同，利用这种结构，骑行者所施加的力均匀地分布在车架102的中心内。而且，在本结构中，如图5所示，力在车架102内沿顺时针方向行进，并集中在自行车的后部，以促进更平衡的行驶。另一方面，在传统的自行车中，左侧的力必须行进到右侧以到达链环或链轮。
如图4和图10所示，本发明的踏板114、116运动的预定角度范围小于360度，与现有技术中自行车的踏板绕轴旋转360度不同。在一个示例性实施例中，踏板运动的预定角度范围为约45度。在另一个示例性实施例中，踏板运动的预定角度范围为在从垂直方向顺时针方向约67.5度到从垂直方向顺时针方向约112.5度之间。
不同于传统的自行车，骑行者能够完全站立在本发明的自行车上，从而最大限度地利用他的体重(几乎100％)将自行车推向前方。在传统的自行车中，由于骑行者无法一直站立，并且由于大部分踏板力浪费在死区(图1和图10)，所以只有约53％的骑行者体重用于产生动力，即使如此，动力用来向前拉自行车。
参考图4和图6，齿轮组件112包括将至少一个曲柄臂118、120联接到至少一个车轮108、110和/或至少一个轮轴104、106的单向离合器130，用于在单向旋转方向上将力施加到至少一个车轮108、110。包括诸如变速器之类的附加的齿-链条齿轮构造的其他机构可以可选地包括在齿轮组件112中，以增加和控制由踏板114、116和曲柄臂118、120施加到后轴104的动力，例如，使用换档或档位选择器132。也可以使用其他形式的传动装置，例如行星齿轮170(图6和7)来控制速度和动力。
参照图5，当用于容纳接合构件138、140的后轮轴104和/或后轮108允许轮轴或车轴104相对于车架102自由旋转时，车架102包括孔，例如后孔134、136，并且后轮108直接安装在车轴104上，而后轮108和车轴104一起旋转。如图12所示，接合构件138、140中的每一个通过锁定螺母139、141固定到车架102。接合构件138、140是至少一个滚柱轴承，其滚动以允许车轴104自由旋转而不固定地安装到车架。可选地或附加地，接合构件138、140由润滑剂和/或其他物质或材料组成，例如以商标TEFLON市售的聚四氟乙烯(PTFE)。因此，图4中所示的至少一个踏板114、116和相应的至少一个曲轴118、120的运动直接施加到后轴104、第一链轮180和随后的链轮182、184、186，然后到单向离合器130和轮毂钝齿轮齿轮组件108、109，并且利用接合构件138、140通过冲击吸收实现更平稳的行驶。
在图4和图6-8中，包括至少一个恢复构件，用于产生恢复力以使至少一个踏板114、116和至少一个曲柄臂118、120从下行程位置返回到上行程位置。如图4和图6所示，在第一实施例中，恢复构件包括在车架102的任一横向侧上的至少一个弹簧128、129，其一端附接到每个对应的曲柄臂118、120，另一端附接到车架102，如图4所示。因此，如果仅使用一个曲柄臂，则仅使用一个恢复弹簧并将其附接到单个曲柄臂，而具有两个曲柄臂118、120的替代实施例具有两个恢复弹簧128、129，如图6所示，一个弹簧附接到每个相应的曲柄臂，以独立地将每个曲柄臂恢复到上部位置。也就是说，两个曲柄臂118、120同时恢复到上部位置。而且，每个曲柄臂118、120压到骑行者所需的任何水平。利用恢复弹簧128、129，骑行者能够同时用双脚、用一条腿、不用腿或用一个或多个假肢向前推进自行车。对于现有技术的自行车那是不可能的。此外，由于在转弯期间外侧踏板(与表面相对的踏板)仍然可用，所以骑行者现在能够在转弯行驶时踩踏踏板，并且骑行者甚至能够向踏板(包括内侧踏板)施加部分行程，而不会由于踏板的更高定向而使踏板与地面接触。相反，在传统的自行车上，骑行者必须确保内侧踏板(靠近表面的踏板)保持在向上位置以避免与表面接触。
在图7-8所示的替代实施例中，至少一个曲柄臂包括一对曲柄臂118、120，并且恢复构件是附接到曲柄臂118、120的滑轮系统142，用于当第二曲柄臂120移动到下行程位置时，使第一曲柄臂118移动到上行程位置，并且用于当第二曲柄臂120移动到上行程位置时，使第一曲柄臂118移动到下行程位置。参考图8，在示例性实施例中，滑轮系统142包括至少一个滑轮144、146，诸如齿轮或其它形式的滑轮，缆索148延伸穿过滑轮144、146以互补的滑轮布置连接到曲柄臂118、120，使得当曲柄臂118通过骑行者的踏板动作而向下移动时，滑轮系统142向上移动曲柄臂120，并且当曲柄臂120通过骑行者的踏板动作而向下移动，滑轮系统142向上移动曲柄臂118。
本发明的恢复构件提供了用于提高RPM和速度的装置。通过利用自锁踏板可以进一步提高RPM和速度，因为骑行者能够比恢复构件的恢复力更快地将曲柄臂恢复到向上的位置。在现有技术中，自锁踏板不具备这个功能，因为它们只是用来把骑行者的脚放在适当位置。在本实施例中，为了将踏板114、116放置在曲柄臂118、120的中心，曲柄臂118、120弯曲，使得骑行者的脚跟避免与曲柄臂118、120接触，如图4所示。
如图9所示，对于仅具有单个曲柄臂或一对曲柄臂118、120的任一实施例，响应于骑行者向至少一个曲柄臂的相应踏板施加的向下力，每个曲柄臂在上部位置150与至少一个中间位置152之间移动，并且最终移动至下部位置154。进而，结合图4和图6-8所描述的，恢复构件将曲柄臂114或互补的曲柄臂118从下部位置154返回到至少一个中间位置152并最终返回到上部位置150，以接收骑行者随后施加的向下力。
图10是表示具有最佳动力传递区域的曲柄臂和踏板的各种角度位置的图。如本文所述，踏板114、116及其相应的曲柄臂118、120运动的预定角度范围是大约45度。在另一个示例性实施例中，踏板运动的预定角度范围定向在预定区域156中，预定区域156为从垂直方向顺时针约67.5度到垂直方向顺时针约112.5度之间，本发明人已经确定这样提供从踏板114、116到后轮108的最佳动力传递。踏板和曲柄臂的角运动的这种有限范围避免了常规自行车骑行者肌肉疲劳区域的体验，该常规自行车具有围绕轴旋转360度并超过360度的踏板。低输入区域包括12点和大约2点之间以及大约4点和6点之间的区域。死区或踩踏踏板几乎没有动力的区域，位于6点到12点之间。
参照图11，前链轮182、184彼此固定联接并且经由滚柱轴承可旋转地安装到中间轴或车轴105。如图4所示，每个链轮182、184作为齿轮组件112的一部分联接到相应的链条190、192。
图12和图13示出了齿轮组件112的后部。如图12所示，后轴104与诸如滚柱轴承的接合构件138、140接合，以相对于车架102自由旋转。如上所述，第一链轮180固定在后轮轴104上。参照图5、图7A和7B，旋转力在位置1处从车架102的左后部顺时针传递。也就是说，第一链轮180的旋转力经由第一链条190在位置2处传递到第二链轮182。第二链轮182在位置3处使第三链轮184绕中间轴105旋转。第三链轮184随之通过第二链条192在位置4处旋转第四链轮186。第四链轮186固定在单向离合器130的第一离合器构件160上。第二离合器构件162固定于后轮108的轮毂109而一体形成(例如压入配合)。如上所述，轮毂109通过滚柱轴承111、113与后轮轴104外接并可旋转地联接。
仍然参考图12-13，第一离合器构件160和第二离合器构件162包括匹配齿164、166。第一离合器构件160被诸如弹簧的偏置机构168偏置，以横向移动从而接合和脱接第二离合器构件162的齿，从而提供棘轮-棘爪机构。因此，如图4、图12和图13所示，当第一离合器构件160通过来自第四链轮186的传递运动而沿第一方向旋转时，离合器构件160、162的齿164、166接合，如图13所示，并且第二离合器构件162沿第一方向旋转，这继而沿第一方向(例如顺时针方向，参照图4)旋转后轮108。在本实施例中，第四链轮186的厚度或横截面宽度增加，以提供额外的强度。这是因为第四链轮186是驱动自行车的最后链轮，因此在此施加所有的驱动力。然而，也可以使用标准厚度的链轮。当第四链轮186不再旋转时或者当车轮108的旋转速度大于第四链轮186的旋转速度时，离合器构件160、162脱接。
关于曲柄臂118、120，单向离合器200、202联接在每个曲柄臂118、120和后轴104之间，使得后轴仅当曲柄臂118、120处于向下运动时旋转，以及当曲柄臂118、120恢复到上部位置时脱接。因此，由曲柄臂118、120的接合产生的力驱动第一链轮180，以在接合第四链轮186(和单向离合器130)之前，开始将旋转力传递到其他链轮182、184，从而驱动CHW。
也可以使用本领域已知的其它类型的单向离合器机构，例如美国专利号5,964,332、8,632,089和美国专利公开号2010/0320720所述，其通过引用并入本文。
在进一步的替代实施例中，齿轮组件包括多个步进齿轮，用于增加从至少一个曲柄臂到至少一个车轮的速度的动力传递。另外，本发明不限于仅旋转后轮。所述至少一个车轮选自由以下部分组成的组：在车架的前部构件上可旋转的附接到轮轴的前轮；以及在车架的后部构件上可旋转的附接到轮轴的后轮。因此，曲柄臂和单向离合器机构可以仅连接到前轮而不连接到后轮，或者可选地，第一对曲柄臂和单向离合器机构可以连接到前轮，而第二对曲柄臂和单向离合器机构可以连接到后轮。而且，齿轮组件112的结构可以颠倒，使得力沿逆时针方向行进。
本发明可以在不脱离其精神或基本特征的情况下以其他具体形式来实施。所描述的实施例在所有方面仅认为是说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是由前面的描述来指示。在权利要求的等同的含义和范围内的所有变化都将包括在其范围内。

Claims (42)

1.一种运动传递装置，包括：
齿轮组件，所述齿轮组件联接到骑行者驱动车辆，所述骑行者驱动车辆具有至少一个功能性联接到在车架上可旋转的轮轴的车轮；
至少一个踏板，所述踏板与所述齿轮组件接合，并且能够通过附肢在预定角度范围内移动以施加力；以及
具有预定长度的至少一个曲柄臂，所述曲柄臂联接到所述至少一个踏板和所述齿轮组件，用于将来自所述踏板的力直接施加到所述齿轮组件，以旋转所述至少一个车轮。
2.根据权利要求1所述的运动传递装置，其特征在于，所述附肢选自：由假肢构件、单手、单脚，单个前臂、单条前腿和一双手组成的组。
3.根据权利要求1所述的运动传递装置，其特征在于，所述骑行者驱动车辆选自：由自行车、三轮车、货物自行车、桨船、轮椅、骑行者驱动的载客车辆、脚踏车、手摇车、铁路手摇车和骑行者驱动的飞行器组成的组。
4.根据权利要求1所述的运动传递装置，其特征在于，所述踏板运动的所述预定角度范围小于360度。
5.根据权利要求4所述的运动传递装置，其特征在于，所述踏板运动的所述预定角度范围为约45度。
6.根据权利要求5所述的运动传递装置，其特征在于，所述踏板运动的所述预定角度范围在从垂直方向顺时针方向约67.5度到从垂直方向顺时针方向约112.5度之间。
7.根据权利要求1所述的运动传递装置，其特征在于，所述齿轮组件包括将所述至少一个曲柄臂联接到所述至少一个车轮的单向离合器，用于沿单向旋转方向将力施加到所述至少一个车轮。
8.根据权利要求1所述的运动传递装置，还包括用于产生恢复力的恢复构件，以使所述踏板和所述至少一个曲柄臂从下行程位置返回到上行程位置。
9.根据权利要求8所述的运动传递装置，其特征在于，所述恢复构件是弹簧。
10.根据权利要求8所述的运动传递装置，其特征在于，所述至少一个曲柄臂包括第一曲柄臂和第二曲柄臂；以及
其中所述恢复构件是附接在所述第一曲柄臂和所述第二曲柄臂上的滑轮，用于当所述第二曲柄臂移动到所述下行程位置时，将所述第一曲柄臂移动到所述上行程位置，并且用于当所述第二曲柄臂移动到所述上行程位置时，将所述第一曲柄臂移动到所述下行程位置。
11.根据权利要求1所述的运动传递装置，还包括接合构件，用于允许所述轮轴相对于所述车架自由旋转。
12.根据权利要求11所述的运动传递装置，其特征在于，所述接合构件是至少一个滚柱轴承。
13.根据权利要求11所述的运动传递装置，其特征在于，所述接合构件由润滑剂构成。
14.根据权利要求1所述的运动传递装置，其特征在于，所述齿轮组件包括多个步进齿轮，用于增加从所述至少一个曲柄臂到所述至少一个车轮的力的速度传递。
15.根据权利要求1所述的运动传递装置，其特征在于，所述至少一个车轮选自由以下部分组成的组：
在所述车架的前部构件上可旋转的附接到所述轮轴的前轮；以及
在所述车架的后部构件上可旋转的附接到所述轮轴的后轮。
16.一种骑行者驱动车辆，包括：
车架；
在所述车架上可旋转的轮轴；
至少一个附接到所述轮轴并围绕所述轮轴旋转的车轮；
联接到所述至少一个车轮的齿轮组件；
至少一个踏板，所述踏板与齿轮组件接合，并且能够通过附肢在预定角度范围内移动以施加力；以及
具有预定长度的至少一个曲柄臂，所述曲柄臂连接到所述至少一个踏板和所述齿轮组件，用于将来自所述踏板的力直接施加到所述齿轮组件，以旋转所述至少一个车轮。
17.根据权利要求16所述的骑行者驱动车辆，其特征在于，所述附肢选自：由假肢构件、单手、单脚、单个前臂、单条前腿和一双手组成的组。
18.根据权利要求16所述的骑行者驱动车辆，其特征在于，所述骑行者驱动车辆选自：由自行车、三轮车、货物自行车、桨船、轮椅、骑行者驱动的载客车辆、脚踏车、手摇车、铁路手摇车和骑行者驱动的飞行器组成的组。
19.根据权利要求16所述的骑行者驱动车辆，其特征在于，所述踏板运动的所述预定角度范围小于360度。
20.根据权利要求19所述的骑行者驱动车辆，其特征在于，所述踏板运动的所述预定角度范围为约45度。
21.根据权利要求20所述的骑行者驱动车辆，其特征在于，所述踏板运动的所述预定角度范围在从垂直方向顺时针方向约67.5度到从垂直方向顺时针方向约112.5度之间。
22.根据权利要求16所述的骑行者驱动车辆，其特征在于，所述齿轮组件包括将所述至少一个曲柄臂联接到所述至少一个车轮的单向离合器，用于沿单向旋转方向将力施加到所述至少一个车轮。
23.根据权利要求16所述的骑行者驱动车辆，还包括用于产生恢复力的恢复构件，以使所述踏板和所述至少一个曲柄臂从下行程位置返回到上行程位置。
24.根据权利要求23所述的骑行者驱动车辆，其特征在于，所述恢复构件是弹簧。
25.根据权利要求23所述的骑行者驱动车辆，其特征在于，所述至少一个曲柄臂包括第一曲柄臂和第二曲柄臂；并且
其中所述恢复构件是附接在所述第一曲柄臂和所述第二曲柄臂上的滑轮，用于当所述第二曲柄臂移动到所述下行程位置时，将所述第一曲柄臂移动到所述上行程位置，并且用于当所述第二曲柄臂移动到所述上行程位置时，将所述第一曲柄臂移动到所述下行程位置。
26.根据权利要求16所述的骑行者驱动车辆，还包括接合构件，用于允许所述轮轴相对于所述车架自由旋转。
27.根据权利要求26所述的骑行者驱动车辆，其特征在于，所述接合构件是至少一个滚柱轴承。
28.根据权利要求26所述的骑行者驱动车辆，其特征在于，所述接合构件由润滑剂构成。
29.根据权利要求16所述的骑行者驱动车辆，其特征在于，所述齿轮组件包括多个步进齿轮，用于增加从所述至少一个曲柄臂到所述至少一个车轮的力的动力传递。
30.根据权利要求16所述的骑行者驱动车辆，其特征在于，所述至少一个车轮选自由以下部分组成的组：
在所述车架的前部构件上可旋转的附接到所述轮轴的前轮；以及
在所述车架的后部构件上可旋转的附接到所述轮轴的后轮。
31.一种自行车，包括：
车架；
各自在所述车架上可旋转的前轮轴和后轮轴；
至少一个前轮，所述前轮附接到在所述车架上可旋转的所述前轮轴并与其一起旋转；
至少一个后轮，所述后轮附接到所述后轮轴并绕其旋转；
齿轮组件，所述齿轮组件联接到齿轮旋转的车轮，所述齿轮旋转的车轮选自由所述至少一个前轮和所述至少一个后轮组成的组，其中所述齿轮组件包括单向离合器，所述单向离合器接合所述齿轮旋转的车轮，以在单向旋转方向上向所述齿轮旋转的车轮施加力；
至少一个踏板，所述踏板接合所述齿轮组件并且能够通过附肢在预定角度范围内移动以施加力，其中所述附肢选自：由假肢构件、单手、单脚、单个前臂、单条前腿以及一双手、一双脚和一对腿组成的组，其中，所述至少一个踏板运动的所述预定角度范围小于360度；
具有预定长度的至少一个曲柄臂，所述曲柄臂联接到所述至少一个踏板和所述齿轮组件，用于将来自所述踏板的力直接施加到所述齿轮组件，以通过所述单向离合器使所述至少一个齿轮旋转的车轮在单向旋转方向上旋转；以及
恢复构件，其产生恢复力以使所述踏板和所述至少一个曲柄臂从下行程位置返回到上行程位置。
32.根据权利要求31所述的自行车，其特征在于，所述自行车选自：由自行车、三轮车、货物自行车、桨船、轮椅、骑行者驱动的载客车辆、脚踏车、手摇车、铁路手摇车和骑行者驱动的飞行器组成的组。
33.根据权利要求31所述的自行车，其特征在于，所述踏板运动的所述预定角度范围为约45度。
34.根据权利要求33所述的自行车，其特征在于，所述踏板运动的所述预定角度范围在从垂直方向顺时针方向约67.5度到从垂直方向顺时针方向约112.5度之间。
35.根据权利要求31所述的自行车，其特征在于，所述恢复构件是弹簧。
36.根据权利要求31所述的自行车，其特征在于，所述至少一个曲柄臂包括第一曲柄臂和第二曲柄臂，并且所述恢复构件是附接在所述第一曲柄臂和所述第二曲柄臂上的滑轮，用于当所述第二曲柄臂移动到所述下行程位置时，将所述第一曲柄臂移动到所述上行程位置，并且用于当所述第二曲柄臂移动到所述上行程位置时，将所述第一曲柄臂移动到所述下行程位置。
37.根据权利要求31所述的自行车，还包括接合构件，用于允许所述相应轮轴相对于所述车架自由旋转。
38.根据权利要求37所述的自行车，其特征在于，所述接合构件是至少一个滚柱轴承。
39.根据权利要求37所述的自行车，其特征在于，所述接合构件由润滑剂构成。
40.根据权利要求31所述的自行车，其特征在于，所述齿轮组件包括多个步进齿轮，用于增加从所述至少一个曲柄臂到所述至少一个齿轮旋转的车轮的力的动力传递。
41.根据权利要求31所述的自行车，其特征在于，所述至少一个踏板整体形成并以对齐配置固定到所述至少一个曲柄臂。
42.根据权利要求31所述的自行车，其特征在于，所述齿轮组件包括多传动比传动装置。
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