CN108839753A - 一种省力增速自行车和变速器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种省力增速自行车和变速器及其使用方法，属于自行车辆设备技术领域，自行车包括车架、前轮、后轮、车座、脚踏杆轴以及转向和调速、制动系统，以后轮轴为定轴，自行车的质心相对于定轴的运动惯量回转半径为0.22m；用在该自行车上的变速器包括主动轮，主动轮一侧啮合有中间轮、摩擦轮、锥形轮，摩擦轮与锥形轮配合使用，摩擦轮上安装有用于将摩擦轮沿轴向拨动的拨叉，摩擦轮的一侧同轴设有可与主动轮啮合的从动轮。本发明依据牛顿第二定律，结合长期试验数据得出最佳自行车辆建模结构，从而得出了提升自行车运行效率和加速性能的最佳参数组，为自行车的性能提升提供了科学合理的指导方案和具体实施例，助于推动节能环保出行方式。

Description

一种省力增速自行车和变速器及其使用方法

技术领域

本发明涉及自行车技术领域，具体地说，涉及一种省力增速自行车和变速器及其使用方法。

背景技术

自行车因其便利、节能环保、成本低廉且能强身健体的特征，自出现伊始即成为人类社会中必不可少的绿色交通工具，虽然机车时代中自行车的使用率降低，但是在能源危机和全球气候变暖的大环境下，自行车因其绿色环保、有助人们强身健体的特征又使人们重新重视起来。

现有自行车在结构形式、传动方式、调速机构方面，不同车型既有不同点又有共同点：

对现有26型自行车，其主要结构为：前轮轴与后轮轴的轴距均＞990毫米，其车座支撑中心距离地面高度720毫米时，距后轮的水平长度均＞260毫米，脚踏杆距地面高度280毫米时，距后轮轴的水平长度均＞440毫米，其前叉倾角均＞65°，其传动方式多为链条传动，其调速机构均为多只花盘和多片大飞轮片组(又称塔轮)组成；花盘组有1-3片花盘，塔轮组有1-7只盘片，花盘轴和脚踏杆轴为同一轴。(注：前叉倾角是指自行车前脸中点和前轮轴的连线与前后轮轴的连线的夹角)。

对现有24型自行车，其主要结构为：前轮轴与后轮轴的轴距均＞960毫米，其车座支撑中心距离地面高度680毫米时，距后轮的水平长度均＞280毫米，脚踏杆距地面高度280毫米时，距后轮轴的水平长度均＞400毫米，其前叉倾角均＞65°，其传动方式多为链条传动，其调速机构均为多只花盘和多片大飞轮片组(又称塔轮)组成；花盘组有1-3片花盘，塔轮组有1-7只盘片，花盘轴和脚踏杆轴为同一轴。

对现有20型自行车，其主要结构为：前轮轴与后轮轴的轴距均＞900毫米，其车座支撑中心距离地面高度700毫米时，距后轮的水平长度均＞240毫米，脚踏杆距地面高度280毫米时，距后轮轴的水平长度均＞360毫米，其前叉倾角均＞65°，其传动方式多为链条传动，其调速机构均为多只花盘和多片大飞轮片组(又称塔轮)组成；花盘组有1-3片花盘，塔轮组有1-7只盘片，花盘轴和脚踏杆轴为同一轴。

对现有18型自行车，其主要结构为：前轮轴与后轮轴的轴距均＞900毫米，其车座支撑中心距离地面高度700毫米时，距后轮的水平长度均＞240毫米，脚踏杆距地面高度280毫米时，距后轮轴的水平长度均＞350毫米，其前叉倾角均＞65°，其传动方式多为链条传动，其调速机构均为多只花盘和多片大飞轮片组(又称塔轮)组成；花盘组有1-3片花盘，塔轮组有1-7只盘片，花盘轴和脚踏杆轴为同一轴。

对于上述各车型，车架结构的设计虽然千差万别，但是只是改变外观样式而已，并没有着眼于参数调节进而从根本上有效改善现有自行车骑行费力、速度低的问题，使得这些问题长期阻碍自行车动力性能和调速效果的充分发挥，在一定程度上降低了自行车使用价值，导致自行车在与机车的竞争中更加处于劣势境地。

上述车型的现有自行车主要存在问题如下：

(1)现有自行车骑行费力、速度低的影响因素是多方面的，最主要因素是叉架整体结构不够合理；其次，降低自行车质量或增大脚踏杆的长度或降低自行车的速度都可以起到一定的省力效果，但是省力效果并不明显，尤其是降低速度实现省力是不现实的。

现有自行车往往采用高强度、高韧性的轻质材料，如铝合金、钛镁合金甚至碳纤维等复合材料降低车重，实现省力增速，但是，采用新型材料的成本非常高，导致该类自行车难以普及。

(2)现有自行车在调速和传动过程中，花盘、链条、飞轮三者不在同一平面内，使得链条产生扭曲变形，增大了传动摩擦力和能量损失。

现有自行车的调速机构并不省力，自行车速度高时，链轮在惯性作用下不易变换档位，因而换挡费力大，能量损失也大，且易于被外界灰尘污染，不利于使用寿命延长。

(3)现有自行车的前叉倾角较大，增大了前轮轴处的摩擦阻力，也即增大了不平整路面对自行车的冲击力。

申请人之前提交了一件名为快捷省力自行车的专利，该专利的申请号为ZL2006200686055，其公开日为2007年4月18日，其公开了一种快捷省力自行车，其针对16、18、20、22、24、26各车型，设置短轴距，在已有结构形式的基础上，缩减前轮轮轴与后轮轮轴的轴距，缩减车座支撑中心距后轮轮轴水平距离，并缩减踏杆转轴与后轮轮轴的距离。但是该发明已经无法满足现代人对自行车更加省力、骑行更快的要求，所以需要设计出更省力、骑行更快的自行车。

为了更好地解决自行车骑行费力，速度难以提升的问题，人们迫切需要对自行车做出科学合理的实质性改进，以充分发挥自行车效能，提高自行车相对于其他交通工具的竞争力。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有技术中，由于自行车结构设计并未充分发挥其性能导致骑行费力、速度不快的问题，本发明提供一种省力增速自行车和变速器及其使用方法，通过更完整和更科学地制定自行车的关键尺寸数据参数，充分发挥自行车的性能，实现省力和增速的目的，进而提高自行车行业的竞争力，帮助人们更好地建立起可持续的环保生活习惯。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种省力增速自行车，其整车结构包括车架、前轮、后轮、车座和脚踏杆轴，以后轮轴为定轴，所述的自行车的质心相对于所述定轴的回转半径为0.2m-0.27m。

优选地，以后轮轴为定轴，自行车的质心相对于所述定轴的回转半径为0.22m。

优选地，采用26车型时，前轮轮轴与后轮轮轴的轴距≤990mm；车座的支撑中心距地面高度为700mm-740mm，且车座的支撑中心与后轮轮轴的水平距离≤180mm；脚踏杆轴距离地面高度270mm-290mm，且脚踏杆轴与后轮轮轴间的水平距离≤400mm；前叉倾角≤65°。

优选地，采用24车型时，前轮轮轴与后轮轮轴的轴距≤950mm；车座的支撑中心距地面高度为660mm-700mm，且车座的支撑中心与后轮轮轴的水平距离≤180mm；脚踏杆轴距离地面高度270mm-290mm，且脚踏杆轴与后轮轮轴间的水平距离≤380mm；前叉倾角≤65°。

优选地，采用20车型时，前轮轮轴与后轮轮轴的轴距≤880mm；车座的支撑中心距地面高度为680mm-720mm，且车座的支撑中心与后轮轮轴的水平距离≤150mm；脚踏杆轴距离地面高度270mm-290mm，且脚踏杆轴与后轮轮轴间的水平距离≤360mm；前叉倾角≤65°。

优选地，采用18车型时，前轮轮轴与后轮轮轴的轴距≤880mm；车座的支撑中心距地面高度为680mm-720mm，且车座的支撑中心与后轮轮轴的水平距离≤150mm；脚踏杆轴距离地面高度270mm-290mm，且脚踏杆轴与后轮轮轴间的水平距离≤360mm；前叉倾角≤65°。

优选地，车座的支撑中心距地面高度为720mm或680mm或700mm；脚踏杆轴距离地面高度均为280mm。

一种省力增速自行车的制作方法，包括以下步骤：

S1.仿真测算：采用仿真分析工具对预案中的自行车进行建模，找出其质心并测算该质心距离后轮轴的距离；

S2.数据调整：对于质心距离后轮轴尺寸超出预设值的，调整结构尺寸和/或调整材料质量确保自行车质心距离后轮轴的数值符合预设范围；

S3.验证结构强度：按照S2调整自行车零部件质量之后，验证自行车结构强度是否符合标准要求，对于不符合标准要求的，通过对自行车零部件进行局部加厚或更换材料的方式提高结构强度；

S4.循环调整：对S3中调整后符合结构强度要求的设计方案，再次测算质心与后轮轴的距离，对于质心位置不符合要求的，采用进一步调整结构尺寸或局部加厚的方式进行补偿；

S5.制作：按照S4设计方案加工制作，并对每一辆成品自行车进行质心位置测量验证，剔除不符合标准的产品。

一种省力增速自行车的变速器，包括安装在自行车的脚踏杆轴上的主动轮，所述主动轮一侧啮合有中间轮，所述脚踏杆轴距离地面高度为280mm，变速器还包括摩擦轮，所述中间轮的一侧同轴安装有锥形轮，所述摩擦轮与锥形轮配合使用，摩擦轮上安装有用于将摩擦轮沿轴向拨动的拨叉，摩擦轮的一侧同轴设有可与主动轮啮合的从动轮，所述从动轮的轮轴与脚踏杆轴之间设有连接套，所述连接套内设有通孔，所述通孔内安装有第一弹簧，所述第一弹簧的一端抵在脚踏杆轴上；所述摩擦轮的另一侧同轴设有大飞轮；所述大飞轮的轴上套有压杆，所述压杆的另一端设有第二弹簧，所述第二弹簧的另一端连接有转套，并由转套固定，变速器还包括壳体，转套安装在壳体内壁上，变速器的壳体上开设有多个螺纹盲孔，通过在螺纹盲孔内旋接配重块用以调整车辆质心位置。

一种省力增速自行车的变速器的使用方法，其包括以下步骤：

S1.踩踏脚踏板，驱动脚踏杆轴转动，利用主动轮驱动中间轮转动，中间轮带动同轴的锥形轮转动，利用锥形轮带动摩擦轮转动，摩擦轮的一侧同轴设置的大飞轮通过链传动或带传动带动自行车后轮转动；

S2.利用套在大飞轮轴上的压杆将摩擦轮压紧在锥形轮上，降低摩擦轮相对于锥形轮的相对滑动，同时在压杆上设置第二弹簧进行减震和保压；

S3.锥形轮的宽度大于摩擦轮的宽度，通过设置在摩擦轮处的拨叉对摩擦轮进行轴向调节，进而改变摩擦轮与锥形轮的配合位置，改变摩擦轮与锥形轮转速比；

S4.在摩擦轮另一侧同轴设置从动轮，在从动轮轴与脚踏杆轴之间套设连接套，并利用设置在连接套上的第一弹簧将主动轮与从动轮保持脱离啮合，当需要反向骑行时，牵拉连接套并使第一弹簧压缩，即可将主动轮与从动轮啮合，利用主动轮直接驱动从动轮转动，进而直接控制自行车后轮；

S5.在上述所有设备外围加装壳体，第二弹簧的另一端通过转套活动安装在壳体上；所述拨叉的另一端伸出壳体，拨叉中部活动铰接在壳体上，形成以壳体为支点的杠杆结构，以便撬动摩擦轮；所述连接套上连接有牵拉绳索，牵拉绳索穿过壳体伸向外部，骑行人员通过牵拉绳索使主动轮与从动轮啮合。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明依据牛顿第二定律，结合长期试验数据得出最佳自行车辆建模结构，从而得出了提升自行车运行效率和加速性能的最佳参数组，为自行车的性能提升提供了科学合理的指导方案和具体实施例，在新能源与传统能源交叉的过渡社会阶段，更有助于自行车和类似自行车的车辆充分发挥效能，广泛推动节能环保出行方式，同时促进人们增加运动，强身健体。

(2)本发明所依据的理论核心是牛顿第二定律，发明人依据多年的自行车设计和制造使用经验，深入系统地研究了自行车运动规律和其运动的本质规律，采用将自行车视为质心的论点对自行车的运动进行高度概括分析。该质心的运动是以后轮轴为定轴的转动运动和该质点与地面相对运动的平动的复合运动。其中，质心的运动是由后车轮的转动来实现的，以后轮轴为定轴的转动是因，自行车与地面相对运动的平动是果，因此符合转动定律，即符合牛顿第二定律结合该定律导出公式如下：

M＝Iε①

式①为牛顿第二定律推出的刚体定轴转动定律，其中，M：合外力矩；I：运动转动惯量；ε：刚体角加速度。

M＝fl ②

式②中，f：自行车所受到的合外力；l：脚踏杆的长度。

I＝mρ² ③

式③中，m：自行车的合质量；ρ：自行车运动惯量的回转半径。

式④中，n：自行车的质心的转速；t：自行车加速时间(从静止状态加速到某一特定速度值所需时间)。

基于以上公式可得：

基于公式⑤可推导出：

转动惯量的回转半径ρ是物体的质心到转动定轴的长度，其值与物体整体结构及物体质量分布有关，自行车结构和质量分布情况复杂，现实中难以实际测定ρ值，只能采用实验的方式结合基于理论简化法的计算进行近似取值，具体到上式中，近似取质心到后轮轴的长度进行代替。

由式⑤可知，当参数m、n、t、l一定时，f与ρ的平方成正比，即当回转半径ρ增大或减小时，自行车所受合外力f就以平方关系增大或减小。现有技术中，自行车骑行费力、速度低，通常以使用碳纤维的高端复合材料减轻自行车质量而省力，而本发明则采用减小关键因素回转半径ρ的方式实现省力和增速；结合式⑥可知，回转半径ρ是主要参数，是决定性因素，其值大小是由自行车叉架整体结构决定的，本发明依据这一原理，以26型自行车为例，与现有自行车进行比较，经过10多年的测算和研制，得：

基于设定参数不变，改进车平动时速与未改进车型平动时速相等，且均为19.5公里每小时(非机动车法定时速不超过20公里每小时)的条件，依据国家标准或行业标准或使用人群一般水平取各参数的的值，脚踏杆长度l＝0.17m(行业标准值)、人的质量m_人＝70kg(使用人群一般值)、自行车质量m_车＝16kg(行业一般值)、m＝70kg+16kg＝86kg、t＝10s(0到19.5公里每小时的一般加速时间)、n由26车型在19.5公里每小时的速度下由大小飞轮转速比换算得出确定值；由以上一般确定值可以得出改进车型合外力f₁＝62.64公斤力，未改进车型合外力f₀＝94.02公斤力，即改进车型可节省合外力

同理，基于设定参数不变，改进车型合外力和未改进车型合外力相等，且均为62.64公斤力的条件，得出改进车型时速v₁＝19.5公里每小时；未改进车型时速v₀＝13.0公里每小时，即改进车型相对于未改进车型增速

可见本发明省力性能明显增强，同等做工条件下车辆增速性能非常优异，在正常行驶速度19.5公里每小时条件下(脚踏90次每分钟)非常轻快。

(3)本发明的变速器结构紧凑，体积小，有助于自行车在有效变速的前提下减重，控制变速器内部动作零部件动作的控制终端机构设置在车把上，通过拉线控制，且本发明的变速器为无级变速器，其无级变速原理也不同于汽车变速器领域中的钢带传动原理，而更适合自行车的小体积，紧凑结构的设计现实，是保证改进车型省力和增速的有效硬件保证。

(4)本发明的小飞轮采用球头套接的方式安装在后轮轴上，实现小飞轮的可自动适度转向，适应链条的异面换挡调节，保证小飞轮与大飞轮始终在同一水平面内，从而降低异面传动阻力，提高传动效率，起到省力效果。

(5)本发明采用新型叉架结构，前叉倾角处于最佳状态，减少了摩擦阻力和在崎岖路面的冲击力，从而减小了能量损失，且在回转半径ρ减小后，自行车质心后移，结合新型紧缩的叉架结构，减小了行车转弯半径，行动更加灵活，增强了行驶稳定性和舒适性。

(6)本发明所用优化方法可适用于各种样式车辆，如山地车、休闲车、折叠车、死飞轮车、竞赛车等，同时也可配合传统材料优化方案，比如采用钛镁合金、碳纤维材料等等，进一步提高车辆性能，借助对自行车潜力的充分挖掘，能够有效改观人们对传统自行车驾驶体验，使传统自行车重新焕发新的活力，推进节能环保新生活方式。

附图说明

图1为本发明的自行车的整体结构示意图；

图2为本发明的变速器的左前侧立体图；

图3为本发明的变速器的右后侧立体图；

图4为本发明的变速器的后视图；

图5为本发明的变速器的左视图；

图6为本发明的自行车的回转半径ρ与自行车速度之间的关系图；

图7为具体实施例7的摩擦轮与锥形轮的配合关系示意图。

图中：1、车架；101、前轮；102、后轮；103、车座；104、脚踏杆轴；105、变速器；2、主动轮；3、中间轮；4、摩擦轮；401、拨叉；402、凹槽；5、锥形轮；501、簧槽；502、弹簧；503、弹珠；6、从动轮；7、连接套；701、通孔；702、第一弹簧；8、大飞轮；9、压杆；10、第二弹簧；11、转套；a、前叉倾角；

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。

实施例1

如图1所示，一种省力增速自行车，其整车结构包括车架1、前轮101、后轮102、车座103和脚踏杆轴104，以后轮轴为定轴，所述的自行车的质心相对于所述定轴的回转半径为0.2m。

采用26车型时，在自行车各个部分所用材料品质相同的前提下，前轮101轮轴与后轮102轮轴的轴距990mm；车座103的支撑中心距地面高度为720mm，且车座103的支撑中心与后轮102轮轴的水平距离180mm；脚踏杆轴104距离地面高度280mm，且脚踏杆轴104与后轮102轮轴间的水平距离400mm，车座103的支撑中心距地面高度为720mm；脚踏杆轴104距离地面高度均为280mm；在此数据范围限制下的自行车车架1结构能够满足回转半径小于等于0.27m的要求。

进一步地，为了提高自行车舒适性，减少磨损能耗，将前叉倾角a设置为65°，降低不平整路面对自行车的冲击力。

一种省力增速自行车的制作方法，包括以下步骤：

S1.仿真测算：采用SolidWorks等仿真分析工具对预案中的自行车进行建模，测算尺寸、体积等数据，找出其质心并测算该质心距离后轮轴的距离；

S2.数据调整：对于质心距离后轮轴尺寸超出预设值的，调整结构尺寸，确保自行车质心距离后轮轴的数值符合预设范围；

S3.验证结构强度：按照S2调整自行车零部件质量之后，使用MATLAB等质量控制工具验证自行车结构强度是否符合标准要求，对于不符合标准要求的，通过对自行车零部件进行局部加厚或更换材料的方式提高结构强度；

S4.循环调整：对S3中调整后符合结构强度要求的设计方案，再次测算质心与后轮轴的距离，对于质心位置不符合要求的，采用进一步调整结构尺寸或局部加厚的方式进行补偿；

S5.制作：按照S4设计方案加工制作，按设计方案进行选材、尺寸加工、焊接和校正等，并对每一辆成品自行车进行质心位置测量验证，剔除不符合标准的产品。

实施例2

一种省力增速自行车，包括车架1、前轮101、后轮102、车座103和脚踏杆轴104，以后轮轴为定轴，所述的自行车的质心相对于所述定轴的回转半径为0.22m。

采用24车型时，在自行车各个部分所用材料品质相同的前提下，前轮101轮轴与后轮102轮轴的轴距950mm；车座103的支撑中心距地面高度为700mm，且车座103的支撑中心与后轮102轮轴的水平距离180mm；脚踏杆轴104距离地面高度280mm，且脚踏杆轴104与后轮102轮轴间的水平距离380mm；车座103的支撑中心距地面高度为680mm，脚踏杆轴104距离地面高度均为280mm，在此数据范围限制下的自行车车架1结构能够满足回转半径小于等于0.27m的要求。

进一步地，为了提高自行车舒适性，减少磨损能耗，将前叉倾角a设置为65°，降低不平整路面对自行车的冲击力。

一种省力增速自行车的制作方法，与实施例1的方法相同。

实施例3

一种省力增速自行车，包括车架1、前轮101、后轮102、车座103和脚踏杆轴104，以后轮轴为定轴，所述的自行车的质心相对于所述定轴的回转半径为0.24m。

采用20车型时，在自行车各个部分所用材料品质相同的前提下，前轮101轮轴与后轮102轮轴的轴距880mm；车座103的支撑中心距地面高度为700mm，且车座103的支撑中心与后轮102轮轴的水平距离150mm；脚踏杆轴104距离地面高度280mm，且脚踏杆轴104与后轮102轮轴间的水平距离360mm，车座103的支撑中心距地面高度为700mm，脚踏杆轴104距离地面高度均为280mm，在此数据范围限制下的自行车车架1结构能够满足回转半径小于等于0.27m的要求。

进一步地，为了提高自行车舒适性，减少磨损能耗，将前叉倾角a设置为65°，降低不平整路面对自行车的冲击力。

一种省力增速自行车的制作方法，与实施例1的方法相同。

实施例4

一种省力增速自行车，包括车架1、前轮101、后轮102、车座103和脚踏杆轴104，以后轮轴为定轴，所述的自行车的质心相对于所述定轴的回转半径为0.27m。

采用18车型时，在自行车各个部分所用材料品质相同的前提下，前轮101轮轴与后轮102轮轴的轴距880mm；车座103的支撑中心距地面高度为700mm，且车座103的支撑中心与后轮102轮轴的水平距离150mm；脚踏杆轴104距离地面高度280mm，且脚踏杆轴104与后轮102轮轴间的水平距离360mm，车座103的支撑中心距地面高度为700mm，脚踏杆轴104距离地面高度均为280mm，在此数据范围限制下的自行车车架1结构能够满足回转半径小于等于0.27m的要求。

进一步地，为了提高自行车舒适性，减少磨损能耗，将前叉倾角a设置为65°，降低不平整路面对自行车的冲击力。

一种省力增速自行车的制作方法，与实施例1的方法相同。

实施例5

在上述任一实施例的基础上，采用如下变速器：

一种省力增速自行车的变速器，包括安装在自行车的脚踏杆轴104上的主动轮2，所述主动轮2一侧啮合有中间轮3，变速器105还包括摩擦轮4，所述中间轮3的一侧同轴安装有锥形轮5，摩擦轮4与锥形轮配合使用，摩擦轮4上安装有用于将摩擦轮4沿轴向拨动的拨叉401，摩擦轮4的一侧同轴设有可与主动轮2啮合的从动轮6，从动轮6的轮轴与脚踏杆轴104之间设有连接套7，连接套7内设有通孔701，通孔701内安装有第一弹簧702，第一弹簧702的一端抵在脚踏杆轴104上，由于连接套7采用套接的方式安装，因此其安装状态并不受从动轮6的轮轴与脚踏杆轴104的影响，能够持续保持从动轮6与脚踏杆轴104的相对位置；摩擦轮4的另一侧同轴设有大飞轮8，大飞轮8的轴上套有压杆9，压杆9的另一端设有第二弹簧10，第二弹簧10的另一端连接有转套11，并由转套11固定，转套11活动安装在变速器105的壳体上，第二弹簧10持续对压杆9加压，使压杆9将压力传导至锥形轮5上，并由锥形轮5压紧摩擦轮4，进而在两者之间形成无级变速传动，提高自行车调速灵活性，改善自行车驾驶体验。

一种省力增速自行车的变速器的使用方法，其包括以下步骤：

S1.踩踏脚踏板，驱动脚踏杆轴104转动，利用主动轮2驱动中间轮3转动，中间轮3带动同轴的锥形轮5转动，利用锥形轮5带动摩擦轮4转动，摩擦轮4的一侧同轴设置的大飞轮8通过链传动或带传动带动自行车后轮102转动；

S2.利用套在大飞轮8轴上的压杆9将摩擦轮4压紧在锥形轮5上，降低摩擦轮4相对于锥形轮5的相对滑动，同时在压杆9上设置第二弹簧10进行减震和保压；

S3.锥形轮5的宽度大于摩擦轮4的宽度，以便通过设置在摩擦轮4处的拨叉401对摩擦轮4进行轴向调节时，摩擦轮4具有足够的空间改变与锥形轮5的配合位置，进而改变摩擦轮4与锥形轮5转速比；

S4.在摩擦轮4另一侧同轴设置从动轮6，在从动轮6轴与脚踏杆轴104之间套设连接套7，并利用设置在连接套7上的第一弹簧702将主动轮2与从动轮6保持脱离啮合，当需要反向骑行时，通过绳索牵拉连接套7，使第一弹簧702压缩，即可将主动轮2与从动轮6啮合，利用主动轮2直接驱动从动轮6转动，进而直接控制自行车车轮反向转动，形成死飞轮车；

S5.在上述所有设备外围加装壳体，第二弹簧10的另一端通过转套11活动安装在壳体上；所述拨叉401的另一端伸出壳体，拨叉401中部活动铰接在壳体上，形成以壳体为支点的杠杆结构，以便撬动摩擦轮4轴向位移；所述连接套7上连接有牵拉绳索，牵拉绳索穿过壳体伸向外部，骑行人员通过牵拉绳索使主动轮2与从动轮6啮合。

实施例6

在实施例5的基本技术方案保持不变的基础上，自行车后轮上的小飞轮采用球头套接的方式安装在后轮轴上，实现小飞轮的可自动适度转向，适应链条的换挡调节，使得小飞轮与大飞轮保持在同一水平面内，降低传动阻力。

需要强调的是，尽管自行车的回转半径越小自行车的省力和加速性能越好，行驶体验更佳，但是，基于发明人数十年的理论研究和实际测算，得出了回转半径过小的情况下会对车辆稳定性产生显著影响，使得车辆容易在爬坡时翻转，不利于驾驶人人身安全，ρ的最小临界值不小于0.20m，回转半径ρ与同等60.28公斤力的情况下车辆所能达到的速度之间的关系见图6。

实施例7

在实施例5的基本技术方案保持不变的基础上，在摩擦轮4外周面上均匀设置凹槽402，并在锥形轮5的外周面上均匀设置簧槽501，簧槽501中均安装有弹簧502，弹簧502的一端固连在簧槽501底部，另一端连接有弹珠503，所述弹珠503的一部分卡入簧槽501中，从而保持不易脱出。使用时，在弹簧502的作用下，弹珠503卡入对应凹槽402内，实现摩擦力4与锥形轮5的有齿啮合，避免了摩擦传动中能量损耗高，传动效率低的问题，由于使用者对骑行感受非常敏感，因此该改进能够明显地提高骑行舒适性。

当需要进行换挡时，通过拨叉401轴向拨动锥形轮5，弹珠503在受到凹槽402边缘压力时，压缩弹簧502并收入簧槽501内，以避免弹珠503阻碍锥形轮5轴向滑动，且弹珠503还能提供一定的滑动支撑，降低换挡摩擦力，实现顺利换挡。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“前”、“后”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

在本专利中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的普通技术人员应当了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都应落入要求保护的本发明内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种省力增速自行车，其整车结构包括车架(1)、前轮(101)、后轮(102)、车座(103)和脚踏杆轴(104)，其特征在于：以后轮轴为定轴，所述的自行车的质心相对于所述定轴的回转半径为0.2m-0.27m。

2.根据权利要求1所述的一种省力增速自行车，其特征在于：以后轮轴为定轴，自行车的质心相对于所述定轴的回转半径为0.22m。

3.根据权利要求1所述的一种省力增速自行车，其特征在于：采用26车型时，前轮(101)轮轴与后轮(102)轮轴的轴距≤990mm；车座(103)的支撑中心距地面高度为700mm-740mm，且车座(103)的支撑中心与后轮(102)轮轴的水平距离≤180mm；脚踏杆轴(104)距离地面高度270mm-290mm，且脚踏杆轴(104)与后轮(102)轮轴间的水平距离≤400mm；前叉倾角(a)≤65°。

4.根据权利要求1所述的一种省力增速自行车，其特征在于：采用24车型时，前轮(101)轮轴与后轮(102)轮轴的轴距≤950mm；车座(103)的支撑中心距地面高度为660mm-700mm，且车座(103)的支撑中心与后轮(102)轮轴的水平距离≤180mm；脚踏杆轴(104)距离地面高度270mm-290mm，且脚踏杆轴(104)与后轮(102)轮轴间的水平距离≤380mm；前叉倾角(a)≤65°。

5.根据权利要求1所述的一种省力增速自行车，其特征在于：采用20车型时，前轮(101)轮轴与后轮(102)轮轴的轴距≤880mm；车座(103)的支撑中心距地面高度为680mm-720mm，且车座(103)的支撑中心与后轮(102)轮轴的水平距离≤150mm；脚踏杆轴(104)距离地面高度270mm-290mm，且脚踏杆轴(104)与后轮(102)轮轴间的水平距离≤360mm；前叉倾角(a)≤65°。

6.根据权利要求1所述的一种省力增速自行车，其特征在于：采用18车型时，前轮(101)轮轴与后轮(102)轮轴的轴距≤880mm；车座(103)的支撑中心距地面高度为680mm-720mm，且车座(103)的支撑中心与后轮(102)轮轴的水平距离≤150mm；脚踏杆轴(104)距离地面高度270mm-290mm，且脚踏杆轴(104)与后轮(102)轮轴间的水平距离≤360mm；前叉倾角(a)≤65°。

7.根据权利要求1-6中任一所述的一种省力增速自行车，其特征在于：车座(103)的支撑中心距地面高度为720mm或680mm或700mm；脚踏杆轴(104)距离地面高度均为280mm。

8.一种省力增速自行车的制作方法，包括以下步骤：

S1.仿真测算：采用仿真分析工具对预案中的自行车进行建模，找出其质心并测算该质心距离后轮轴的距离；

S2.数据调整：对于质心距离后轮轴尺寸超出预设值的，调整结构尺寸，确保自行车质心距离后轮轴的数值符合预设范围；

S3.验证结构强度：按照S2调整自行车零部件质量之后，验证自行车结构强度是否符合标准要求，对于不符合标准要求的，通过对自行车零部件进行局部加厚或更换材料的方式提高结构强度和刚度；

S4.循环调整：对S3中调整后符合结构强度要求的设计方案，再次测算质心与后轮轴的距离，对于质心位置不符合要求的，采用进一步调整结构尺寸或局部加厚的方式进行补偿；

S5.制作：按照S4设计方案加工制作，并对每一辆成品自行车进行质心位置测量验证，剔除不符合标准的产品。

9.一种适用于权利要求1所述省力增速自行车的变速器，包括安装在自行车的脚踏杆轴(104)上的主动轮(2)，所述主动轮(2)一侧啮合有中间轮(3)，其特征在于：

还包括摩擦轮(4)，所述中间轮(3)的一侧同轴安装有锥形轮(5)，所述摩擦轮(4)与锥形轮(5)配合使用，摩擦轮(4)上安装有用于将摩擦轮(4)沿轴向拨动的拨叉(401)，摩擦轮(4)的一侧同轴设有可与主动轮(2)啮合的从动轮(6)，所述从动轮(6)的轮轴与脚踏杆轴(104)之间设有连接套(7)，所述连接套(7)内设有通孔(701)，所述通孔(701)内安装有第一弹簧(702)，所述第一弹簧(702)的一端抵在脚踏杆轴(104)上；所述摩擦轮(4)的另一侧同轴设有大飞轮(8)；所述大飞轮(8)的轴上套有压杆(9)，所述压杆(9)的另一端设有第二弹簧(10)，所述第二弹簧(10)的另一端连接有转套(11)，并由转套(11)固定。

10.一种省力增速自行车的变速器的使用方法，其包括以下步骤：

S1.踩踏脚踏板，驱动脚踏杆轴(104)转动，利用主动轮(2)驱动中间轮(3)转动，中间轮(3)带动同轴的锥形轮(5)转动，利用锥形轮(5)带动摩擦轮(4)转动，摩擦轮(4)的一侧同轴设置的大飞轮(8)通过链传动或带传动带动自行车后轮(102)转动；

S2.利用套在大飞轮(8)轴上的压杆(9)将摩擦轮(4)压紧在锥形轮(5)上，降低摩擦轮(4)相对于锥形轮(5)的相对滑动，同时在压杆(9)上设置第二弹簧(10)进行减震和保压；

S3.锥形轮(5)的宽度大于摩擦轮(4)的宽度，通过设置在摩擦轮(4)处的拨叉(401)对摩擦轮(4)进行轴向调节，进而改变摩擦轮(4)与锥形轮(5)的配合位置，改变摩擦轮(4)与锥形轮(5)转速比；

S4.在摩擦轮(4)另一侧同轴设置从动轮(6)，在从动轮(6)轴与脚踏杆轴(104)之间套设连接套(7)，并利用设置在连接套(7)上的第一弹簧(702)将主动轮(2)与从动轮(6)保持脱离啮合，当需要反向骑行时，牵拉连接套(7)并使第一弹簧(702)压缩，即可将主动轮(2)与从动轮(6)啮合，利用主动轮(2)直接驱动从动轮(6)转动，进而直接控制自行车后轮(102)；

S5.在上述所有设备外围加装壳体，第二弹簧(10)的另一端通过转套(11)活动安装在壳体上；所述拨叉(401)的另一端伸出壳体，拨叉(401)中部活动铰接在壳体上，形成以壳体为支点的杠杆结构，以便撬动摩擦轮(4)；所述连接套(7)上连接有牵拉绳索，牵拉绳索穿过壳体伸向外部，骑行人员通过牵拉绳索使主动轮(2)与从动轮(6)啮合。