CN113581354B - 往复变圆周运动的单齿条传动自行车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种往复变圆周运动的单齿条传动自行车，其传动机构可用于自行车、三轮车以及其它能使用齿条传动的机械上，包括左右脚踏、左右脚踏曲柄、左右脚踏交替装置、单根齿条、往复变圆周装置和变速装置以及倒车装置，往复变圆周装置将齿条的往复运动转变为圆周运动，变速装置可实现圆周运动的高低速切换，倒车装置可实现无需做类似抬高齿条这样的配合动作即可倒车。其特点是将脚踏的上下运动转换为齿条的往复运动，再通过往复变圆周装置高效、低噪音地转换为圆周运动；齿轮和齿条可密封起来，既减少油污又能实现充分润滑；不会有“掉链子”的问题；单根齿条相当于传统自行车的大齿盘，可实现无级变速功能。

Description

往复变圆周运动的单齿条传动自行车

技术领域

本发明涉及一种往复变圆周运动的单齿条传动自行车，更具体的说，是涉及使用齿条、齿轮等部件将脚踏的上下运动变为单根齿条的往复运动，再将齿条的往复运动转换为圆周运动，从而驱动自行车前行的传动方式，这是一种能够替代链条、皮带、轴传动的单齿条传动方式，这种往复变圆周运动的单齿条传动方式可用于自行车、三轮车或其它能使用齿条传动的机械上。

背景技术

现在能搜索到很多圆周运动转换为往复运动的方式，所以圆周变往复运动实现起来并不困难；但往复运动转换为圆周运动的方式，能查到的往往存在一定的缺陷，例如：1、在往复运动的运动方向切换过程中，有的存在传动死点问题，有的传动齿轮等机构会存在打齿或撞击的情况；2、在往复运动需要随时停止甚至随时切换运动方向的情况下，例如用齿条代替自行车的链条进行传动时，脚踏随时会停止或倒转，很多往复运动转换圆周运动的方式都难以满足要求。

如今自行车上普遍使用链条传动的主要缺点是链条掉落或者断开，若高速行驶的自行车出现“掉链子”情况，有可能会发生安全事故；其次，缺少润滑油的链条会生锈，生锈的链条不仅会增加传动的损耗，而且链条可能会断掉，所以应适时给链条添加润滑油，但链条是裸露在空气中的，加了润滑油后，润滑油会逐渐混合空气中的灰尘等物质导致链条变得严重脏污，进而增加了传动的损耗。

现在有很多代替自行车链条的方案，如轴传动、锥形齿轮传动、斜齿轮传动等。锥形齿轮传动、斜齿轮传动需要较大的动力，不太适合人力。轴传动成本较高，多用在动力大的高档车里，而且目前有新型的轴传动自行车，将连接脚踏的大齿盘变成面齿轮，再通过齿轮和轴将动力传到后车轮上，这种设计可能存在的问题是1、变速时若齿轮没啮合到位，变速有可能失败；2、齿轮啮合必然需要润滑，而各个齿轮的轮齿裸露在外，难免会出现严重脏污乃至影响使用的情况；3、自行车磕碰后容易导致轴变形，可能会影响轴传动的使用。

和脚踏圆周旋转相比，脚踏上下交替运动的优点：脚踏的曲柄与骑车者小腿呈直角时，与脚踏曲柄相连的大齿盘有最大扭矩，此时人力的效率最高，大齿盘旋转一周只有两个点的扭矩最大、效率最高，若脚踏上下交替运动，使曲柄在扭矩最大的点附近上下运动，能获得较高的效率；而且脚踏上下交替运动更符合人体下肢发力的习惯。

目前有不少上下交替的脚踏代替圆周旋转的脚踏设计思路，但主要思路是脚踏曲柄的末端向后移到后轮位置，或者直接放到后轮轴上。前者会导致脚踏的曲柄比较长，影响实用性；后者会使自行车后轮轴很接近车座正下方，导致自行车长度不得不变短，降低了自行车的舒适性，若增加自行车后架来载货则会比较困难，发展方向可能是变成折叠自行车。

齿条往复传动方式中，也可以使用两个分别安装到两根轴上的自行车飞轮，二者中一个只能顺时针方向旋转，另一个只能逆时针方向旋转，这两根轴上再分别固定比飞轮直径大的两个齿轮且这两个齿轮互相啮合，并且两个自行车飞轮都要和齿条啮合，这样的装配方案也可以实现齿条的往复变圆周运动。其缺点是：1、往复变圆周运动部分的各个齿轮部件总体的体积和重量比较大，显得比较笨重；2、需要两个比飞轮大的齿轮互相啮合，传动中会增加不必要的体积和重量；3、需使用两个飞轮，齿条往复过程中总会有一个飞轮需要单向旋转，如同自行车脚踏不动、任由后车轮惯性旋转的状态，飞轮的棘爪在棘轮的轮齿上滑过会发出不断的“喀喀喀”的声音，这种噪声会一直伴随着整个传动过程，若投入实际使用会很不实用；4、两个飞轮需要都和齿条啮合，对齿条和两个飞轮的位置要求很高，在传动中实用性比较差；5、这样的传动结构会导致后车轮不能倒车，也许将齿条抬高使之不与两个飞轮接触是个解决办法，但这样又会衍生出新的缺陷。

本发明中采用了单向轴承作为单向旋转的部件，其中单向轴承是在一个方向上可以自由转动，而在另一个方向上锁死的一种轴承，也叫超越离合器，在其金属外壳里，包含很多个滚轴，滚针或者滚珠，而其滚动座(穴)的形状使它只能向一个方向滚动，而在另一个方向上会产生很大的阻力(即形成所谓的"单向")。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在链条容易掉落甚至断裂以及空气中裸露的链条容易脏污、生锈以致传动损耗等问题，和圆周旋转脚踏对人下肢力量利用效率不高、传动效率低等技术问题，提供一种能替代自行车中的链条和脚踏圆周旋转方式的传动方案，是一种用单根齿条替代链条，而且以脚踏的上下交替运动替代传统脚踏的圆周运动，将脚踏的上下交替运动转换为单根齿条的往复运动，再将单齿条的往复运动变为圆周运动，从而驱动自行车前行的传动方案。

本发明提供的往复变圆周运动的单齿条传动自行车，采用如下技术方案：

一种往复变圆周运动的单齿条传动自行车，包括左右脚踏和与之相连接的左右脚踏曲柄，左右脚踏曲柄连接左右脚踏交替装置，右脚踏曲柄的旋转轴部分通过脚踏曲柄与齿条间连杆连接单根的齿条的一端，齿条的另一端和往复变圆周装置的往复大齿轮相啮合，

其特征在于：

往复变圆周装置的第一轴输出的动力通过倒车装置传递到变速装置的第三轴，经变速装置变速后驱动后车轮旋转；

所述往复变圆周装置包括往复大齿轮和外圈固定在安装孔内壁的第一轴单向轴承和第二轴单向轴承，以及固定在第一轴上的第一轴面齿轮和固定在第二轴上的第二轴面齿轮的基准平面互相平行并且同时与置于二者中间的中间齿轮啮合，中间齿轮固定轴穿过中间齿轮的安装孔且位置固定，固定在第一轴上的第一轴单向轴承和固定在第二轴上的单向轴承的内圈之间保持距离无接触面，且第一轴单向轴承和第二轴单向轴承的单向旋转方向相反，第二轴为圆筒形空心轴，并且和第一轴同轴心，其长度比第一轴短，其内径大于第一轴的外径，第二轴可在第一轴上自由旋转。

所述左右脚踏交替装置包含基准平面互相平行的右侧弧形齿条及支撑杆和左侧弧形齿条及支撑杆以及与二者同时啮合的脚踏交替齿轮，还包括穿过脚踏交替齿轮的安装孔且位置固定的脚踏交替齿轮固定轴，其中脚踏交替齿轮为圆柱齿轮且置于右侧弧形齿条和左侧弧形齿条中间。

所述往复变圆周装置的第一轴面齿轮、第二轴面齿轮、中间齿轮以及中间齿轮固定轴都在往复大齿轮的一侧安装，而倒车装置、变速装置及后车轮都在往复大齿轮的另一侧安装。

所述往复变圆周装置在第一轴上安装第一轴单向轴承的位置处加工一轴颈，该轴颈与第一轴同轴心，其外径与第二轴的外径相同，其宽度应大于第一轴单向轴承的宽度，且与第二轴应保持距离无接触面。

所述变速装置包含依次安装在第三轴上的第三轴低速变速齿轮、双向面齿轮、键、第三轴高速变速齿轮，和依次固定在后轮轴上的后轮轴低速变速齿轮和后轮轴高速变速齿轮，两个侧面都是面齿轮且其中间是光滑沟槽的双向面齿轮的中间沟槽安装拨叉的滑动球，倒车装置将第三轴连接到第一轴上，第三轴低速变速齿轮和后轮轴低速变速齿轮相啮合；第三轴高速变速齿轮和后轮轴高速变速齿轮相啮合，拨叉可使双向面齿轮沿着第三轴上的键自由滑动。

所述倒车装置包含相互啮合的倒车装置第一面齿轮和倒车装置第二面齿轮，螺旋杆固定在第一轴的端面的中心位置上，滑动环的外环边缘固定在倒车装置第一面齿轮的端面上，其内环边缘与螺旋杆低摩擦接触，套在螺旋杆上的弹簧的一端压在倒车装置第一面齿轮的端面上，另一端压在第一轴的端面上；螺旋杆容纳腔为一圆筒形结构，其内腔可以完全容纳螺旋杆，其一端固定在倒车装置第二面齿轮的端面上，另一端固定在第三轴端面上。

优选地，所述右侧弧形齿条或/和左侧弧形齿条的支撑杆可固定在脚踏曲柄的非旋转轴部分的直杆上，也可以将右侧弧形齿条或/和左侧弧形齿条的支撑杆去掉，直接固定在脚踏曲柄的非旋转轴部分的直杆上。

优选地，所述右侧弧形齿条或/和左侧弧形齿条可由扇形面齿轮代替，其支撑杆可固定在脚踏曲柄的非旋转轴部分的直杆上，也可以去掉支撑杆，将扇形面齿轮直接固定在脚踏曲柄上。

进一步地，所述往复变圆周装置的基准平面互相平行的固定在第一轴上的第一轴面齿轮和固定在第二轴上的第二轴面齿轮同时与置于二者中间的中间齿轮啮合，能实现不同旋转方向的同轴心的两根轴的传动，可通过行星齿轮传动来实现，其中第一轴面齿轮由固定在第一轴上的太阳轮替代、第二轴面齿轮由固定在第二轴上的内齿圈替代，以及中间齿轮由行星齿轮替代。

进一步地，所述往复变圆周装置的基准平面互相平行的固定在第一轴上的第一轴面齿轮和固定在第二轴上的第二轴面齿轮同时与置于二者中间的中间齿轮啮合，能实现不同旋转方向的同轴心的两根轴的传动，可通过三个圆锥形齿轮传动来实现，其中第一轴面齿轮、第二轴面齿轮分别由两个端面平行的圆锥形齿轮替代，用于替代中间齿轮的第三个圆锥形齿轮的端面垂直于前两个圆锥形齿轮的端面，且三个圆锥形齿轮两两相啮合。

本发明提供了一种往复变圆周运动的单齿条传动自行车的技术方案，包括左右脚踏、左右脚踏曲柄、左右脚踏交替装置、脚踏交替齿轮及固定轴、脚踏曲柄与齿条间连杆、单根齿条、往复变圆周装置和变速装置以及倒车装置，其中左右脚踏交替装置提供了左右侧弧形齿条及支撑杆或扇形面齿轮的三种实施方式。往复变圆周装置可以将齿条的往复运动转变为圆周运动，变速装置可以实现圆周运动的高低速切换，且倒车装置可实现无需齿条或往复变圆周装置做配合动作即可使自行车实现倒车。

本发明的技术方案具有以下特点：

1、将脚踏的上下运动转换为单根齿条的往复运动，再通过往复变圆周装置转变为圆周运动；

2、通过两个有支撑杆的弧形齿条或两个扇形面齿轮加一个小型圆柱齿轮能很好地实现脚踏的上下交替，并且还可以达到高传动效率，其中弧形齿条或面齿轮传动属于点接触传动，在理论上能够保证定传动比，因此振动和噪声较低，相比配对制造的锥齿轮，面齿轮传动具有较高的互换性，与锥齿轮传动相比，面齿轮传动具有较大的重合度，能够提高轮齿承载能力，增加传动的平稳性；

3、齿轮和齿条可密封起来，既减少油污又能使齿轮齿条充分润滑；

4、齿条和与之啮合的往复大齿轮都是单一的部件，使用单向轴承可以使往复运动高效、静音地转换为圆周运动；

5、应用同轴心的两根轴进行传动能有效降低往复变圆周装置的体积和重量；

6、采用面齿轮和圆柱齿轮能轻松实现同轴心的两根轴的不同旋转方向的转换，其中所采用的圆柱齿轮，无轴向作用力，无轴向误差，对传动性能几乎没有影响，可以简化支承，减轻系统重量（使用传统的三个圆锥形齿轮或使用行星齿轮使内齿圈和太阳轮的旋转方向相反也能实现此功能）；

7、不会有“掉链子”和断链子的问题；

8、齿条相当于传统自行车的大齿盘，调节齿条移动距离的长短就可以随时进行变速，可实现无级变速的功能；

9、传统的变速自行车，通常是通过将链条在不同直径的齿轮上切换来实现变速，若变速时齿轮倒转，仍有可能会出现“掉链子”的情况。而本发明的技术方案在变速时移动部件很少，很容易实现高速和低速的切换，不会有“掉链子”的问题，也不会出现变速时齿轮啮合不到位的情况；

10、本发明的技术方案采用了单向轴承，不采用通常自行车上用的飞轮，没有了飞轮里面的棘爪在棘轮的轮齿上滑过所发出的“喀喀”声。

附图说明

为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对实施技术方案所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例示意图，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 图1是往复变圆周运动的单齿条传动自行车的立体传动结构图；

图2是图1中左右脚踏交替装置实现左右脚踏上下交替的第一种实施方式的立体传动结构图；

图3是图1中往复变圆周装置和变速装置及倒车装置11的立体传动结构图，是以图1中后车轮右侧到左侧为视角的示意图；

图4是图1中往复变圆周装置和变速装置及倒车装置11的立体传动结构图，是从图1中后车轮左侧到右侧为视角的示意图；

图5是图3或图4中的第一轴面齿轮15、第二轴面齿轮16、中间齿轮30及中间齿轮固定轴31和第一轴单向轴承21、第二轴单向轴承22在第一轴17、第二轴18上的立体装配示意图；

图6是图3或图4中的往复大齿轮14和和第一轴单向轴承21、第二轴单向轴承22在第一轴17、第二轴18上的立体装配示意图；

图7是图4或图5中倒车装置20的立体装配示意图；

图8是图1中左右脚踏交替装置实现左右脚踏上下交替的第二种实施方式和第三种实施方式的立体图。

图中1、右脚踏；2、右脚踏曲柄；3、右侧弧形齿条及支撑杆；4、左脚踏；5、左脚踏曲柄；6、左侧弧形齿条及支撑杆；7、脚踏交替齿轮；8、脚踏交替齿轮固定轴；9、右脚踏曲柄与齿条间连杆；10、齿条；11、往复变圆周装置和变速装置；12、后车轮；13、后轮轴；14、往复大齿轮；15、第一轴面齿轮；16、第二轴面齿轮；17、第一轴；18、第二轴；19、第三轴；20、倒车装置；21、第一轴单向轴承；22、第二轴单向轴承；23、第三轴低速变速齿轮；24、后轮轴低速变速齿轮；25、第三轴高速变速齿轮；26、后轮轴高速变速齿轮；27、双向面齿轮；28、拨叉；29、键；30、中间齿轮；31、中间齿轮固定轴；32、倒车装置第一面齿轮；33、倒车装置第二面齿轮；34、滑动环；35、弹簧；36、螺旋杆；37、螺旋杆容纳腔；38、倒车装置外壳。

其中图1—图8中所示的结构都为示意图，各图的尺寸、比例仅为了更好的将结构和传动过程描述清楚而设，非实际结构的尺寸、比例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明所提供的往复变圆周运动的单齿条传动自行车，其组成包括右脚踏1、右脚踏曲柄2、右侧弧形齿条及支撑杆3、左脚踏4、左脚踏曲柄5、左侧弧形齿条及支撑杆6、脚踏交替齿轮7、脚踏交替齿轮固定轴8、右脚踏曲柄与齿条间连杆9、齿条10、往复变圆周装置和变速装置及倒车装置11、后车轮12。

其中左右脚踏交替装置包含基准平面互相平行的右侧弧形齿条及支撑杆3和左侧弧形齿条及支撑杆6以及与二者同时啮合的脚踏交替齿轮7，脚踏交替齿轮固定轴8穿过脚踏交替齿轮7的安装孔且位置固定。

所述往复变圆周装置和变速装置及倒车装置11，包括往复大齿轮14、第一轴面齿轮15、第二轴面齿轮16、第一轴17、第二轴18、第三轴19、倒车装置20、第一轴单向轴承21、第二轴单向轴承22、第三轴低速变速齿轮23、后轮轴低速变速齿轮24、第三轴高速变速齿轮25、后轮轴高速变速齿轮26、双向面齿轮27、拨叉28、键29、中间齿轮30、中间齿轮固定轴31，其中往复大齿轮14是与齿条10啮合的齿轮，会随着齿条的前后往复运动做往复旋转运动。

如图2所示，其中脚踏交替齿轮7为圆柱齿轮，右侧弧形齿条及支撑杆3构成的平面与左侧弧形齿条及支撑杆6构成的平面平行，两个弧形齿条的轮齿相对，右脚踏曲柄2和右侧弧形齿条及支撑杆3及右脚踏曲柄与齿条间连杆9共同随着右脚踏1做半圆弧形的上下运动；同理，左脚踏曲柄5、左侧弧形齿条及支撑杆6共同随着左脚踏4做半圆弧形的上下运动。脚踏交替齿轮固定轴8可以使脚踏交替齿轮7随着右侧弧形齿条及支撑杆3和左侧弧形齿条及支撑杆6的半圆弧形的上下运动做顺时针或逆时针的往复运动。具体言之，当右侧弧形齿条及支撑杆3以右脚踏曲柄2为轴向上旋转时，脚踏交替齿轮7顺时针旋转（以图2视角，从右脚踏1向右脚踏曲柄2方向观察，下述顺时针或逆时针都以此视角为准），同时左侧弧形齿条及支撑杆6会以左脚踏曲柄5为轴向下旋转；同理，当右侧弧形齿条及支撑杆3以右脚踏曲柄2为轴向下旋转时，脚踏交替齿轮7逆时针旋转，同时左侧弧形齿条及支撑杆6会以左脚踏曲柄5为轴向上旋转；类似地，左侧弧形齿条及支撑杆6以左脚踏曲柄5为轴向上或向下旋转时，相应的脚踏交替齿轮7也会逆时针或顺时针旋转，使右侧弧形齿条及支撑杆3以右脚踏曲柄2为轴向下或向上旋转，从而很好地实现了脚踏的上下交替，并使右脚踏曲柄与齿条间连杆9可以带动与之相连接的齿条10实现向前或向后的往复运动，并且可以随着左右脚踏上下运动方向的随时变化而将齿条10的运动方向也随之变为向后或向前。

如图3、图4和图5所示，所述第一轴17和第三轴19可以都选择实心轴，轴外径相同，由倒车装置20将二者连接起来；在第一轴17上的第一轴单向轴承21的安装位置处加工一轴颈，该轴颈与第一轴17同轴心，其外径与第二轴18的圆筒壁外径相同，其宽度应大于第一轴单向轴承21的宽度，且与第二轴18应保持距离无接触面，该轴颈可使第一轴单向轴承21和第二轴单向轴承22选择相同的轴承型号，且可以避免往复大齿轮14往复旋转过程中传动的力矩、旋转的角度等方面出现差异。

所述第二轴18为圆筒形空心轴且其长度比第一轴17短，其内径大于第一轴17的外径，第二轴18可以在第一轴17上自由旋转（二者之间可安装滚动轴承，在图中未画出来），且第一轴17和第二轴18同轴心。

第一轴单向轴承21的轴承内圈固定在第一轴17的轴颈上，其轴承外圈固定在往复大齿轮14的安装孔内壁；第二轴单向轴承22的轴承内圈固定在第二轴18上，其轴承外圈固定在往复大齿轮14的安装孔内壁，这两个轴承外圈都固定在往复大齿轮14的安装孔内壁，而且这两个单向轴承除了外圈之外的部件如内圈、滚动体、保持架等，以及固定内圈的第二轴18与第一轴单向轴承21上的轴颈，都应保持一定距离无接触面，其距离主要受往复大齿轮14的安装孔深度和两个单向轴承各自的宽度影响。

第一轴单向轴承21和第二轴单向轴承22安装时应确保二者单向旋转方向相反，从图5的右侧向左侧看，第一轴单向轴承21的外圈若单独旋转则只能逆时针旋转，第二轴单向轴承22的外圈若单独旋转则只能顺时针旋转。

第一轴面齿轮15和第二轴面齿轮16分别固定在第一轴17和第二轴18上，二者基准平面互相平行，第一轴面齿轮15和第二轴面齿轮16都和置于二者中间的中间齿轮30啮合，中间齿轮固定轴31穿过中间齿轮30的安装孔且位置固定，且能使中间齿轮30自由旋转。

第三轴低速变速齿轮23、双向面齿轮27、键29、第三轴高速变速齿轮25依次安装在第三轴19上，倒车装置20将第一轴17和第三轴19连接起来，后轮轴低速变速齿轮24和后轮轴高速变速齿轮26固定在后轮轴13上，其中双向面齿轮27的两个侧面都是面齿轮，其中间是光滑的沟槽，拨叉28的滑动球置于双向面齿轮27的中间沟槽中，第三轴低速变速齿轮23和后轮轴低速变速齿轮24相啮合，第三轴高速变速齿轮25和后轮轴高速变速齿轮26相啮合，拨叉28可以使双向面齿轮27沿着第三轴19上的键29自由滑动。

双向面齿轮27与第三轴低速变速齿轮23侧面的面齿轮啮合，则后轮轴13的转速为低速；双向面齿轮27与第三轴高速变速齿轮25的侧面的面齿轮啮合，则后轮轴13的转速为高速。

本发明的变速方案示意图中只提供了高速和低速两组变速组合，在实际应用中可以设置多组高低速组合，并且齿条就相当于传统自行车的大齿盘，调节齿条移动距离的长短就可以随时进行变速，可实现无级变速的功能。

如图6，在第一轴17上能清晰地看到其上有一个轴颈，这个轴颈是固定第一轴单向轴承21的位置。

第一轴单向轴承21的内圈固定在第一轴17的轴颈上，其外圈固定在往复大齿轮14的安装孔内壁上。第二轴单向轴承22的内圈固定在第二轴18上，其外圈也固定在往复大齿轮14的安装孔内壁上。

依照正视图6的视角，第一轴单向轴承21的外圈若单独旋转则只能逆时针旋转，若顺时针旋转则第一轴单向轴承21的外圈和内圈就会被锁定，即若往复大齿轮14顺时针旋转时，第一轴单向轴承21的外圈会和内圈一起顺时针旋转，从而带动第一轴17顺时针旋转；若往复大齿轮14逆时针旋转时，第一轴单向轴承21的外圈会单独逆时针旋转，其内圈不会随之逆时针旋转。

仍然依照正视图6的视角，第二轴单向轴承22的外圈若单独旋转则只能顺时针旋转，若逆时针旋转则第二轴单向轴承22的外圈和内圈就会被锁定，即若往复大齿轮14顺时针旋转时，第二轴单向轴承22的外圈会单独顺时针旋转，其内圈不会随之顺时针旋转；若往复大齿轮14逆时针旋转时，第二轴单向轴承22的外圈会和内圈一起逆时针旋转，从而带动第二轴18逆时针旋转。

依照图4并结合图5、图6详细分析往复变圆周运动的过程，假设图4、图5是从图中右侧到左侧的视角、图6依照正视的视角，即图4是从后车轮12向第一轴面齿轮15看，图5是从第一轴单向轴承21向第一轴面齿轮15看，图6是从第一轴单向轴承21向往复大齿轮14和第二轴单向轴承22看：

1、若往复大齿轮14逆时针旋转→第二轴单向轴承22被锁定（即外圈和内圈同方向旋转），第一轴单向轴承21处于单向状态（即轴承内圈与外圈未锁定，外圈逆时针旋转）→第二轴18逆时针旋转→第二轴面齿轮16逆时针旋转→中间齿轮30使第一轴面齿轮15顺时针旋转→第一轴17顺时针旋转→第一轴单向轴承21轴承内圈顺时针旋转；

2、若往复大齿轮14顺时针旋转→第一轴单向轴承21被锁定（即外圈和内圈同方向旋转），第二轴单向轴承22处于单向状态（即轴承内圈与外圈未锁定，外圈顺时针旋转）→第一轴17顺时针旋转→第一轴面齿轮15顺时针旋转→中间齿轮30使第二轴面齿轮16逆时针旋转→第二轴18逆时针旋转→第二轴单向轴承22轴承内圈逆时针旋转；

从上述分析可知，不论齿条10如何往复运动，往复大齿轮14也会随着齿条10或者逆时针或者顺时针旋转，但第一轴17会始终顺时针旋转，而第二轴18会始终逆时针旋转，与之相应的，第一轴面齿轮15也会始终顺时针旋转，第二轴面齿轮16会始终逆时针旋转。

如图7所示，所述倒车装置20由倒车装置第一面齿轮32、倒车装置第二面齿轮33、滑动环34、弹簧35、螺旋杆36、螺旋杆容纳腔37、倒车装置外壳38组成，其中倒车装置第一面齿轮32、倒车装置第二面齿轮33、滑动环34、弹簧35、螺旋杆36、和螺旋杆容纳腔37都被倒车装置外壳38包裹起来。倒车装置20将第一轴17和第三轴19连接在一起。其中螺旋杆36固定在第一轴17的右端面的中心位置上；滑动环34的外环边缘与倒车装置第一面齿轮32的端面固定在一起，滑动环34的内环边缘与螺旋杆36低摩擦接触，弹簧35右端压在倒车装置第一面齿轮32的端面上，弹簧35的左端压在第一轴17的右端面；螺旋杆容纳腔37为一圆筒形结构，可以把螺旋杆36完全容纳到其内腔中，其左端固定在倒车装置第二面齿轮33的端面上，其右端固定在第三轴19左端面上。

装配时，倒车装置第一面齿轮32应和倒车装置第二面齿轮33啮合，且倒车装置第一面齿轮32应被弹簧35较紧地压在倒车装置第二面齿轮33上（应为倒车装置第一面齿轮32留有一定往左移动的空间）。

可结合图4、图5对图7进行分析，图7的视角和图4、图5相同，是从图中右侧到左侧看，当第一轴17顺时针旋转时，螺旋杆36顺时针旋转会推动滑动环34向右移动，与滑动环34固定在一起的倒车装置第一面齿轮32会更紧密地压在倒车装置第二面齿轮33上。因为第一轴17只能顺时针旋转，所以在正常行驶过程中后车轮12是逆时针旋转（从图4中右侧到左侧看）。在倒车时，后车轮12顺时针旋转，后轮轴13也顺时针旋转，经过变速齿轮组合传动后，第三轴19逆时针旋转，带动倒车装置第二面齿轮33逆时针旋转，与之啮合的倒车装置第一面齿轮32随之逆时针旋转，因此时第一轴17只能顺时针旋转，且此时的旋转动作是从后车轮12的顺时针旋转开始的，齿条10没有往复运动，所以第一轴17此时没有旋转动作，所以螺旋杆36也不旋转，滑动环34会在倒车装置第一面齿轮32逆时针旋转的动作下向左移动，并在弹簧35的弹力下再回到原来的位置，在这个过程中，倒车装置第二面齿轮33不断逆时针旋转，与之啮合的倒车装置第一面齿轮32会不断重复向左移动、再被弹簧35弹回的动作，倒车装置第二面齿轮33的轮齿不断地在倒车装置第一面齿轮32的轮齿上滑过，进而倒车装置第二面齿轮33在倒车装置第一面齿轮32右侧不断地旋转，从而实现不停地倒车。

在图8中提供了左右脚踏交替装置实现左右脚踏上下交替的第二种和第三种实施方式，可作为替代图1或图2中的右侧弧形齿条及支撑杆3或/和左侧弧形齿条及支撑杆6的替代方案，其中图8中的左图的方案是第二种实施方式，右侧弧形齿条及支撑杆3或/和左侧弧形齿条及支撑杆6的支撑杆可固定在脚踏曲柄的非旋转轴部分的直杆上，如左图中的右脚踏曲柄2的直杆上安装支撑杆以固定右侧弧形齿条3，也可以直接将支撑杆去掉，如左图中的左侧弧形齿条6直接固定在脚踏曲柄的非旋转轴部分的直杆上，即左脚踏曲柄5的直杆上。

图8中的右图的方案是第三种实施方式，是将弧形齿条以扇形面齿轮替代，如图8的右图所示，左侧和右侧的弧形齿条都以扇形面齿轮替代，扇形面齿轮可由右脚踏曲柄2的直杆上安装的支撑杆和右脚踏曲柄2的旋转轴上的固定环进行固定，也可如图所示将扇形面齿轮直接固定在左脚踏曲柄5的直杆和旋转轴上，去掉支撑杆。

另外，在图3、图4和图5所示的第一轴面齿轮15、第二轴面齿轮16和中间齿轮30、中间齿轮固定轴31可以实现不同旋转方向的同轴心的两根轴的传动，这种方案也可以使用传统的三个圆锥形齿轮或行星齿轮等替代方案实现此功能，在行星齿轮替代方案里，第一轴面齿轮15、第二轴面齿轮16和中间齿轮30分别对应太阳轮、内齿圈和行星齿轮，即第一轴面齿轮15由固定在第一轴17上的太阳轮替代、第二轴面齿轮16由固定在第二轴18上的内齿圈替代，以及中间齿轮30由行星齿轮替代；在三个圆锥形齿轮替代方案里，三个圆锥形齿轮中有两个的端面互相平行，即第一轴面齿轮15、第二轴面齿轮16分别对应两个端面平行的圆锥形齿轮，第三个圆锥形齿轮与中间齿轮30对应，其端面垂直于前两个圆锥形齿轮的端面，且三个圆锥形齿轮两两相啮合。因这两种替代方案因属于比较常见的装配模式，所以不再附图赘述。

尽管上面结合附图对本发明的结构功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体结构和功能以及工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种往复变圆周运动的单齿条传动自行车，包括左右脚踏和与之相连接的左右脚踏曲柄，左右脚踏曲柄连接左右脚踏交替装置，右脚踏曲柄的旋转轴部分通过脚踏曲柄与齿条间连杆（9）连接单根的齿条（10）的一端，齿条（10）的另一端和往复变圆周装置的往复大齿轮（14）相啮合，其特征在于：

往复变圆周装置的第一轴（17）输出的动力通过倒车装置（20）传递到变速装置的第三轴（19），经变速装置变速后驱动后车轮（12）旋转；

所述往复变圆周装置包括往复大齿轮（14）和外圈固定在安装孔内壁的第一轴单向轴承（21）和第二轴单向轴承（22），以及固定在第一轴（17）上的第一轴面齿轮（15）和固定在第二轴（18）上的第二轴面齿轮（16）的基准平面互相平行并且同时与置于二者中间的中间齿轮（30）啮合，中间齿轮固定轴（31）穿过中间齿轮（30）的安装孔且位置固定，固定在第一轴（17）上的第一轴单向轴承（21）和固定在第二轴（18）上的第二轴单向轴承（22）的内圈之间保持距离无接触面，且第一轴单向轴承（21）和第二轴单向轴承（22）的单向旋转方向相反，第二轴（18）为圆筒形空心轴，并且和第一轴（17）同轴心，其长度比第一轴（17）短，其内径大于第一轴（17）的外径，第二轴（18）可在第一轴（17）上自由旋转。

2.按照权利要求1所述的往复变圆周运动的单齿条传动自行车，其特征在于：所述左右脚踏交替装置包含基准平面互相平行的右侧弧形齿条及支撑杆（3）和左侧弧形齿条及支撑杆（6）以及与二者同时啮合的脚踏交替齿轮（7），还包括穿过脚踏交替齿轮（7）的安装孔且位置固定的脚踏交替齿轮固定轴（8），其中脚踏交替齿轮（7）为圆柱齿轮且置于右侧弧形齿条和左侧弧形齿条中间。

3.按照权利要求1所述的往复变圆周运动的单齿条传动自行车，其特征在于：所述往复变圆周装置的第一轴面齿轮（15）、第二轴面齿轮（16）、中间齿轮（30）以及中间齿轮固定轴（31）都在往复大齿轮（14）的一侧安装，而倒车装置、变速装置及后车轮都在往复大齿轮（14）的另一侧安装。

4.按照权利要求1所述的往复变圆周运动的单齿条传动自行车，其特征在于：所述往复变圆周装置在第一轴（17）上安装第一轴单向轴承（21）的位置处加工一轴颈，该轴颈与第一轴（17）同轴心，其外径与第二轴（18）的外径相同，其宽度应大于第一轴单向轴承（21）的宽度，且与第二轴（18）应保持距离无接触面。

5.按照权利要求1所述的往复变圆周运动的单齿条传动自行车，其特征在于：所述变速装置包含依次安装在第三轴（19）上的第三轴低速变速齿轮（23）、双向面齿轮（27）、键（29）、第三轴高速变速齿轮（25），和依次固定在后轮轴（13）上的后轮轴低速变速齿轮（24）和后轮轴高速变速齿轮（26），两个侧面都是面齿轮且其中间是光滑沟槽的双向面齿轮（27）的中间沟槽安装拨叉（28）的滑动球，倒车装置（20）将第三轴（19）连接到第一轴（17）上，第三轴低速变速齿轮（23）和后轮轴低速变速齿轮（24）相啮合；第三轴高速变速齿轮（25）和后轮轴高速变速齿轮（26）相啮合，拨叉（28）可使双向面齿轮（27）沿着第三轴（19）上的键（29）自由滑动。

6.按照权利要求1所述的往复变圆周运动的单齿条传动自行车，其特征在于：所述倒车装置包含相互啮合的倒车装置第一面齿轮（32）和倒车装置第二面齿轮（33），螺旋杆（36）固定在第一轴（17）的端面的中心位置上，滑动环（34）的外环边缘固定在倒车装置第一面齿轮（32）的端面上，其内环边缘与螺旋杆（36）低摩擦接触，套在螺旋杆（36）上的弹簧（35）的一端压在倒车装置第一面齿轮（32）的端面上，另一端压在第一轴（17）的端面上；螺旋杆容纳腔（37）为一圆筒形结构，其内腔可以完全容纳螺旋杆（36），其一端固定在倒车装置第二面齿轮（33）的端面上，另一端固定在第三轴（19）端面上。

7.按照权利要求2所述的往复变圆周运动的单齿条传动自行车，其特征在于：所述右侧弧形齿条或/和左侧弧形齿条可通过支撑杆固定或直接固定在脚踏曲柄的非旋转轴部分的直杆上。

8.按照权利要求2所述的往复变圆周运动的单齿条传动自行车，其特征在于：所述右侧弧形齿条或/和左侧弧形齿条可由扇形面齿轮代替，并可通过支撑杆固定或直接固定在脚踏曲柄的非旋转轴部分的直杆上。

9.按照权利要求1所述的往复变圆周运动的单齿条传动自行车，其特征在于：所述往复变圆周装置的基准平面互相平行的固定在第一轴（17）上的第一轴面齿轮（15）和固定在第二轴（18）上的第二轴面齿轮（16）同时与置于二者中间的中间齿轮（30）啮合，可通过行星齿轮传动来实现，其中第一轴面齿轮（15）由固定在第一轴（17）上的太阳轮替代、第二轴面齿轮（16）由固定在第二轴（18）上的内齿圈替代，以及中间齿轮（30）由行星齿轮替代。

10.按照权利要求1所述的往复变圆周运动的单齿条传动自行车，其特征在于：所述往复变圆周装置的基准平面互相平行的固定在第一轴（17）上的第一轴面齿轮（15）和固定在第二轴（18）上的第二轴面齿轮（16）同时与置于二者中间的中间齿轮（30）啮合，可通过三个圆锥形齿轮传动来实现，其中第一轴面齿轮（15）、第二轴面齿轮（16）分别由两个端面平行的圆锥形齿轮替代，用于替代中间齿轮（30）的第三个圆锥形齿轮的端面垂直于前两个圆锥形齿轮的端面，且三个圆锥形齿轮两两相啮合。

Images