CN1087059A - 机械马 - Google Patents

Abstract

一种仿生机械——仿马运动的行路和娱乐工 具。它具有像马背一样起伏的鞍座，并将人体在鞍座 上起伏时产生的重力势能，由臀和脚通过转换机构等 传给驱动轮，使机器前进。为了省力和舒适，设置了 贮能器。它可将身体每次起伏时的重力势能，部分地 贮于其中，作为下一动作的辅助动力。本发明改变了 传统自行车乘骑方式和驱动方法。它既可作代步工 具，又可作游玩器械和体育竞技用具。

Description

一种仿生机械-仿马运动的交通和娱乐工具。

骑马人在马背上起伏，自有骑马的乐趣。但是，马地喂养麻烦，费用太高，且污染环境。现代自行车结构简单，骑行方便，不消耗能源，不污染环境。但是，人静止地坐在车座上，两脚不停地做圆周运动，动作单调，很难满足人们，特别是爱动的青少年们的需要。

本发明的目的是创造一种新式交通工具：它在行驶中，鞍座能象马背一样起伏，在起伏中，骑者靠身体的重力势能催马前进。它将改变自行车的传统骑行方式，而为人在鞍座上，随着弹簧的伸缩两腿同时作伸屈运动，象骑马，又象坐翘翘板，在娱乐中前进。

上述目的是通过如下技术方案实现的（见附图及代号说明）。本发明的结构分为基本件和附件两大类。基本件有驱动系统、导向系统、制动系统和机架系统4部分。附件有支架、物架、音响、照明等。导向、制动和附件（除鞍座）与自行车的基本相同。机架随转换机构的不同与自行车的车架略有所异。跟自行车的主要区别在驱动系统。

本发明驱动系统的力学模型是质量一弹簧振动系统。为一种具有阻尼的受迫振动。其质量为骑者身体的质量，其阻尼为道路阻力，其干扰为骑者臀和脚施于系统的力，其振幅为驱动车轮的曲柄的半径通过转换机构变换后的垂距或转角，其振动周期因骑者的干扰力频度而定，且总与干扰力频率相同。从振动学理论得知，骑者身体的质量作为一个重力常量。对系统振动的频率和周期并无多大影响。而适当利用系统的共振，则可以大大减轻骑者用于驱动系统的能量。当干扰力的频率等于或接近系统的固有频率时，即可激起共振。把固有频率设计为可调式，可以在更大的速度范围内利用共振。当然也可以这样设计：弹簧力仅为骑者体重的一部分，骑者身体升起时所需要的力，为弹簧力和腿伸踩力之和。

本发明驱动系统的结构特征为：它由鞍座、踏板、贮能器、转换机构、传动机构、后轴和驱动轮等组成。如图1所示，鞍座1铰接在机架4上，并与贮能器2连接。转换机构-摇杆7，也铰接在机架上，并通过压杆6与鞍座1，和通过连杆8与曲柄11连接。曲柄则通过飞轮（单向自由离合器）与后轴和驱动轮相连。转换机构上还装有踏板10和定位弹簧14，定位弹簧可将未乘骑前的曲柄调整在非死点位置，可用弹簧或离合器（藉助惯性）通过死点。

机械马的一般乘骑过程如下：首先，由于曲柄是装在飞轮壳上的，当手推机械马前进时，鞍座、转换机构和踏板等是相对于机器而静止的。欲骑时，左脚踩在固定踏板上，右脚用力向后蹬地，在该初始力作用下，机器靠惯性力滑行。此时右脚便可跨马，并也踩在固定踏板上，当臀部落在鞍座上时，身体的重量通过压杆6传给转换机构7，转换机构再通过连杆8传给曲柄11，从而带动驱动轮转过半圈;与此同时，贮能器被拉伸，身体的重力势能部分地贮于该贮能器中。鞍座落到底时两腿适度伸展，贮能器将贮存的重力势能释放出来，推着鞍座上升。同时，连杆推动曲柄由前至后转动半圈，一个循环便结束。当行驶阻力大而贮能器不足以使曲柄转过半圈时，可以脚踩踏板10。再者，由于踏板和鞍座都很长，可以依前进阻力的大小来调整脚和臀的位置，以改变杠杆力臂的大小。若想利用共振，则应使臀部起伏的频度落入系统固有频率的共振区。

下边再展开叙述几个主要部件的结构特征。

1、转换机构：其功能是将臀和脚的铅直或短圆弧运动，通过压杆和连杆等，转换为驱动轮的旋转运动。结构形式有多种，下举9例。

①摇杆式：如图1中的7所示。三杆的一端在同一平面内汇结于一点，其间夹角固定不变，并在其节点处铰接于机架。三杆外端分别铰接连杆、压杆，固接踏板。

②杠杆-连杆式：如图2、4、8所示。杠杆的支点均在其中部。并与机架铰接，它一端固定着踏板，一端铰接着连杆。三图所示不同的仅是有的为链传动，有的为杆传动。图8也适于杆传动，但要两曲柄等长（最好有补偿装置）。

③杠杆-中置连杆式：如图9所示，与前者不同的是连杆铰接于杠杆中部，大链轮有两曲柄，一与压杆铰接，一与连杆铰接。两链轮也可作水平布置。

④杠杆-撑杆式：如图5所示，撑杆传递鞍座压杆的力，杠杆传递脚踩力。

⑤杠杆-中置滑块式：如图10所示，大链轮有两曲柄。一曲柄与压杆相连，另一曲柄外端装有滑块（轮），滑块于旋转中在杠杆下面滑动。

⑥拉杆-滑块式：如图11所示，与上图不同的是滑块（轮）作铅直运动，且通过拉杆（连杆）与曲柄相连。

⑦双向滑块式：如图12所示，压杆、拉杆、连杆三者在交汇处铰接于水平移动的滑块;拉杆另一端装有铅直移动的滑块和垂镫。

⑧摇杆-滑块式：如图13、14所示。该结构与摇杆式的主要不同点在于：摇杆端原装踏板处改装滑块（轮）。故呈叉槽形，滑块中央为自行车大链轮的中轴，中轴与后轴之间有链轮摇杆支架支撑。它适用于两用式机械马，当作自行车骑行时，可使摇架锁于臼体19，如图14所示。当作机械马骑行时，可压缩两带弹簧的销子，摇架即可上下摇动。

⑨四杆（或六杆）铰接式：如图7（图6）所示，各杆端头均为铰接，并水平安装着滑块、贮能器（拉簧）和定位弹簧（压簧）。这里，踏板改为垂镫（马镫），连接在两拉杆的铰接处。

2、鞍座总成：鞍座总成为驱动系统的一部分，是将身体的重力势能转化为驱动力的重要部件。按其运动特征，它可分为摆动式、平动式、往复式、复合式四种。按其结构特征。可分为单纯铰接式、支杆铰接式、垂杆铰接式、垂杆滑块式和弹性联接式五种。

①单纯铰接式：如图15所示。它设有固定铰，将鞍座铰接在机架上;另设有摆动铰，将鞍座与压杆铰接。固定铰可以在摆动铰之前，也可以在摆动铰之后（见图2）。

②支杆铰接式：如图16、17所示，通过两支杆将鞍座与机架铰接，故其鞍座既有摆动又有平动。为复合式运动，当两支杆等长时，则为平动。

③垂杆铰接式：鞍座下固定有垂杆，垂杆通过两支杆与机架铰接，垂杆下端与压杆或连杆铰接，其运动是在上下往复中有前后方向平动，谓复合式运动（图19）;当垂杆用一根支杆与机架铰接时，其下端可直接与曲柄相连。

④垂杆滑块式：在固定于鞍座下的垂杆上装有滑块（轮），垂杆下端与压杆或连杆铰接，其运动形式为往复式（图18）。

⑤弹性固定式：为图20所示，这种鞍座直接装在板簧或排簧上，排簧由若干根带弹性的棒（条）排列而成，其参加工作的根数可设计为可调节式。

需要注意的是，上面讨论的仅是鞍座体，座体上还应像一般自行车或摩托车座那样，装有弹性衬里和型面。再者，机械马除装有上述起伏鞍座外，还可以在固定铰上方或板簧固定端装上一般自行车的固定鞍座。当固定鞍座的座体与机架固定联接时，则可将摆动鞍座铰接在固定鞍座上。

3、贮能器：主要由不同形式的弹簧构成。如拉簧、压簧、扭簧、板簧等等。每个贮能器可用一个或数个弹簧，外壳有无均可。但最好设计为可调式，以调节系统的刚度和固有频率，以及根据骑者体重调节弹簧予紧力。这可采用改变弹簧固定位置和参加工作的弹簧根数等方法来实现。图21至24示出了几种贮能器结构形式和调节方法。调节螺母和螺栓可采用多头螺纹。

图21的调节采用了杠杆、方便省力，它为螺纹无级调节。但也可为有级调节，以缩短调节过程的时间。当弹簧调到一定限度时便可解除该弹簧的工作状态（即弹簧不再在系统中起作用）。

调节器在系统中的安装：它可以单个使用。也可几个并联或串联（即弹簧的并联和串联）。

4、传动系统：主要有杆传动（如图1）和链传动（如图2）两种，也可籍助齿轮实现轴传动。压杆也是传动系统的一个部件。为叙述方便，可将与压杆连接的曲柄称为重力曲柄，原自行车曲柄称为脚蹬曲柄。进行适当布置，可用同一根链条连接两种曲柄的链轮（可增设张紧轮）。驱动轮上的曲柄或小链轮。需通过单向自由离合器（即飞轮）与驱动轮轴连接。变速机构可采用通常的自行车内变速或外变速机构。

机械马的形式有多种：可按结构特点来划分，也可根据使用功能来区别。不同的转换机构，不同的鞍座形式。不同的贮能器和不同的传动方式，都可以组成不同形式的机构马。图1是其中之一种形式。还可以有不带贮能器的机械马（如图2）：只靠臀部和贮能器驱动的机械马：靠臀部与贮能器驱动。间而用自行车脚蹬曲柄驱动的复合式机械马（如图3所示）：即有一般机械马的各种机构又有自行车脚蹬曲柄的两用机械马。图3所示机械马再装上踏板（或垂蹬）及其传动装置即为两用机械马。对复合式和两用机械马。当只用鞍座或鞍座与踏板来驱动时，可以将脚蹬曲柄制（止）动。当不希望鞍座起伏时，可以将鞍座制（止）动，也可以将臀部移至固定铰正上方。

上述原理也适用于儿童车、三轮车、外力助动车（包括热力的电力的、气动的、机械的……）等。

为进一步说明上述技术方案，下附24幅示意图，各图代号意义相同，统一说明如下：

1鞍座总成    2贮能器

3导向系统    4机架系统

5制动系统    6压杆

7摇杆    8连杆

9固定（限位）踏板    10踏板（马镫）

11曲柄    12驱动轮

13附件    14定位弹簧

15杠杆    16拉杆

17摇架（鞍座架）    18滑块（滚轮）

19臼体    20垂镫（马蹬）

21拉伸弹簧    22压缩弹簧

23链轮摇架    24鞍座支杆

25减磨装置    26扭转弹簧

27贮能器拉簧    28弹簧销

29片状弹簧    30调节螺母

31链传动装置    32自行车脚蹬

33止动销    34带油封滚动轴承

35撑杆    36垂杆

P₁坐力 P₂踩力

图1为一种典型机械马的总体结构示意图。

图2为一种链条传动未装贮能器的机械马，若装上贮能器，再在杠杆15的铰接轴上装一自行车驱动装置，便为两用机械马。

图3为一种装有贮能器和自行车脚蹬曲柄而未装踏板和杠杆的复合式机械马。

图4为杠杆-连杆式转换机构。

图5为杠杆-撑杆式转换机构。

图6为六杆式转换机构。

图7为四杆式转换机构。

图8为上置链轮杠杆-连杆式转换机构。

图9为杠杆-中置连杆式转换机构。

图10为杠杆-中置滑块式转换机构。

图11为拉杆-滑块式转换机构。

图12为双向滑块式转换机构。

图13为摇杆-滑块式转换机构。A向为摇架锁止器形式之

图14为摇架锁止器。

图15为单纯铰接式鞍座示意图。

图16和17为支杆铰接式鞍座。

图18为垂杆滑块式鞍座，鞍座与垂杆铰接或固定联接。下对称安装的压簧。

图19为垂杆铰接式鞍座。图20为板簧固接式鞍座。

图21至23为贮能器调节的几种结构形式。

图24为一种可调式贮能器。

本发明的主要特点：它对传统自行车在乘骑方式和驱动方法上进行了改革。乘者像骑马一样在鞍座上起伏。靠起伏中的重力势能驱动轮子前进。从而为人们提供了一种不消耗能源的新式交通工具。

本发明的主要优点：它把娱乐和行路溶为一体，减轻了乘者的疲劳。且结构简单，骑行方便，成本低廉。

本发明可用作代步工具，也可作为游玩器械和体育竞技用具。

Claims (6)

1、一种仿马运动的行路和娱乐工具。本发明具有与自行车相似的导向、制动、机架、驱动轮及变速等系统和附件，其主要特征是：鞍座设置在由铰链、贮能器和传动机构等组成的弹性系统上，可作起伏运动；踏板固定在铰接于机架的转换机构上，作短圆弧或铅直运动；贮能器由不同类别的弹簧和调节装置等组成，鞍座、踏板、贮能器通过转换机构、传动系统及单向自由离合器(飞轮)等交替地将骑者在鞍座上起伏时的身体重力和贮存的重力势能传给后轴与驱动轮，使机器前进。

2、根据权利要求1所述机械马，一种机械马的特征是省略了贮能器。

3、根据权利要求1所述机械马，一种机械马的特别是省略了踏板和踏板传动装置。

4、根据权利要求1所述机械马，一种机械马的特征是省略了固定踏板、踏板和踏板传动装置，使鞍座压杆直接与曲柄相连，但另外安装了自行车脚蹬曲柄轮传动装置（即为一种复合式机械马）。

5、根据权利要求1所述机械马，一种机械马的特征是另外安装了一套自行车脚蹬曲柄链轮传动装置（即为一种两用机械马）。

6、根据权利要求1所述机械马，一种机械马的特征在于鞍座与板簧（排簧）或垂杆直接相连。

Images