CN1151372A - 能以最小的蹬踏力驱动的自行车 - Google Patents

Abstract

能以最小蹬踏力驱动的自行车，它包括设置在用于将驱动力施加到一车轮上的曲柄(1)的自由端的内齿轮(2)和可与内齿轮啮合转动的外齿轮(5)。内齿轮和外齿轮的传动比为2∶1。带有踏板(8a)的脚蹬子(8)固定到外齿轮(5)上，当曲柄自由端处于提供曲柄转动轴线的曲柄轴(35)的向前水平位置时，踏板处于面朝上的水平位置，并且此时，内齿轮(2)上离曲柄轴(35)最远的轮齿(22)与外齿轮(5)相啮合。

Description

能以最小的蹬踏力驱动的自行车

本发明总的涉及自行车，特别是涉及一种能以最小的蹬踏力驱动的自行车。

一般市场上现有的自行车具有脚踏子(脚踏板)，脚蹬子分别可转动地安装在固定于曲柄的自由端的支承轴上。蹬踏脚蹬子而驱动曲柄，以便通过一般为环形的驱动链条将驱动力传到后轮。

在此最标准的设计中，传到后轮上的驱动力取决于施加在脚蹬子上的蹬踏力以及曲柄轴和脚蹬子的轴之间的距离(力臂)，曲柄的相应根端通过曲柄轴连到一个链轮上。在此，若希望以小的蹬踏力获得大的驱动力，就必须增大曲柄轴和每个脚蹬子的支承轴之间的力臂。然而，上述为力臂一般有一个最佳值，该最佳值选定成能确保骑车人的脚平衡地运转和蹬衡踏，因此自行车制造者早就认识到这种局限性，这种局限性使得不能将力臂增大到超过该最佳值。鉴于此，人们早就认识到不能以最小的蹬踏力获得大的驱动力。

因此，为了基本上消除自行车制造者至今为止遇到的上述问题，本发明的实质性目的在于提供一种改进的自行车，它可以利用最小的蹬踏力来获得大的驱动力。

为此，本发明提供了一种能以最小的蹬踏力来驱动的自行车。此自行车包括一个设置在一个用于将驱动力施加到一个车轮上的曲柄的一个自由端上的内齿轮，和一个可转动地与该内齿轮相啮合的外齿轮。该内齿轮和外齿轮的传动比为2∶1。一个具有踏板的脚蹬子固定到外齿轮上，当曲柄自由端处于一个提供曲柄转动轴线的曲柄轴向前水平位置时，该踏板处于面朝上的水平位置，而且此时，内齿轮上离该曲柄轴最远的轮齿部分与外齿轮相啮合。

利用本发明的这种自行车，当蹬踏时，曲柄的自由端向前水平设置，内齿轮上离曲柄轴最远的轮齿部分与外齿轮相啮合，因此，施加到脚蹬子上的蹬踏力的力臂达到一个高值，此值等于曲柄的转动轴线到内齿轮的中心的距离与内齿轮的中心到外齿轮的中心的距离之和。另外，由于此时踏板是面朝上水平设置的，因此骑车人很容易将脚放在脚蹬子上。因此，利用最小的蹬踏力就能获得较高的驱动力。

此外，由于内齿轮与外齿轮间的传动比为2∶1，因此曲柄转动一整圈(由骑车人放脚的脚蹬子的踏板处于面向上位置)，将导致外齿轮在内齿轮内公转一周。因此，当从一个向上位置向前转动的曲柄进入曲柄被向前角转运动的蹬踏区时，外齿轮与内齿轮上沿前进方向离曲柄轴最远的轮齿部分相啮合，从而可使曲柄在蹬踏区内获得增大的力臂。

在本发明的一个优选实施例中，该自行车还包括一个脚蹬臂，该脚蹬臂具有一个固定到外齿轮的转动轴上的根端并沿外齿轮的径向延伸，此时，脚蹬子固定到脚蹬臂上与其根端相对的一个自由端上。此脚蹬臂可以是S形结构，它具有水平延伸的根端和自由端以及与根端和自由端相连并垂直于它们延伸的中间部。

根据这种结构，即使当曲柄处于任何角转位置时骑车人将脚离开脚蹬子，脚蹬子也会在其自重的作用下被带到外齿轮中心位置紧下面的位置，从而可让外齿轮转到一个啮合位置，此时脚蹬子处于水平位置而其踏板面朝上。因此，要驱动已停住的自行车时，骑车人能确定地将脚放在脚蹬子上，以准备蹬踏。

在本发明的另一个优选实施例中，一个连接件可转动地装在内齿轮的中心且位于内齿轮的内部，而外齿轮可转动地装在该连接件上。利用这种结构，外齿轮能相对于内齿轮进行平稳的公转。

在本发明的再一个优选实施例中，内齿轮具有一块固定于内齿轮一端的板。一个盖固定在该连接件上，用于封闭内齿轮上与该板相对的另一端的开口。使用这个盖能有效地封住内齿轮，以防任何异物进入内齿轮内部，从而确保内齿轮与外齿轮间的平稳啮合。

在本发明的又一个优选实施例中，使用了一个强迫啮合装置，用于在蹬踏脚蹬子之前，迫使外齿轮与内齿轮在与蹬踏力传递方向一致的方向上啮合。此强迫啮合装置能在开始蹬踏时使外齿轮移动一段对应于轮齿啮合间隙的距离，从而最大限度地减小讨厌的卡嗒声的产生，否则，当内、外齿轮中之一的一个轮齿冲撞内、外齿轮中另一个的一个啮配轮齿时，就会发生上述声响。

从下面结合附图对本发明的优选实施例的说明中，可更清楚地理解本发明。然而，这些实施例和附图仅是示例性的，不构成对本发明范围的任何限制，本发明的范围将由后附权利要求限定。在附图中，相同的标号表示相同的部件。

图1是本发明自行车的示意性侧视图；

图2是表示用于该自行车上的曲柄机构的放大透视图，其中去掉了曲柄盖；

图3A是该曲柄机构的平面图，表示了一个曲柄与一个内齿轮组件的组合；

图3B是部分剖开的曲柄机构的侧剖面图；

图4A是构成曲柄机构的一个部件的连接件的平面图；

图4B是图4A所示连接件的剖面图；

图5A是表示与曲柄机构的一个外齿轮结合的一个脚蹬子的平面图；

图5B是图5A所示的脚蹬子和外齿轮的部分剖开的侧剖面图；

图5C是该脚蹬子和外齿轮的示意性正视图；

图6A是一个曲柄盖的平面图；

图6B是图6A所示曲柄盖的剖面图；

图7是装有曲柄盖的曲柄机构的透视图；和

图8是表示本发明的曲柄机构工作的解释性示意图。

参见图1，所示的自行车包括一个众所周知的、大体为偏菱形的车架结构30，一个可转动地支承在车架结构30前部的前轮31，一个也支承在车架结构30前部并与前轮31连接以便可使前轮31转向的车把32，一个可转动地支承在车架结构30的后部的后轮33和一个大体安装在车架结构30的中间顶部的车座34。曲柄轴35可转动地安装在车架结构30的位于车座34下面的大体中间的底部，并在一个垂直于后轮33的转动平面的平面内延伸，其两相对端分别位于车架结构30的两侧。曲柄1各根端固连到曲柄轴35的相应端上。曲柄1用于利用链轮10和一般为环形的驱动链条11驱动后轮33转动，链轮10装在曲柄轴35上，以随之一起转动。

上述结构的自行车是本领域的普通技术人员所周知的，因此为简洁起见不再对其进行详细说明。

现参见图2，每个曲柄1具有一个固连到曲柄轴35上的根端和一个自由端，自由端上固定有或一体成形有一个内齿轮组件。图3A和3B分别示出了与每个曲柄1的自由端整体成形的内齿轮组件的组成部件的正视图和侧剖面图，图中局部剖分。曲柄1的根端制有一多边形孔12，用于接收曲柄轴35的相应端。该内齿轮组件为盘形，包括一个内齿轮2和一个固定于其上的圆板20，或者圆板20与内齿轮2制成一体，以封闭内齿轮2的一端。该内齿轮组件具有限定在圆板20中的与圆板20同心的轴承孔50。

内齿轮组件接纳一个可转动地装在销轴3上的连接件4，销轴3装在轴承孔50中。图4A示出了连接件4的主视图，而图4B示出了连接件装在内齿轮组件上时的剖面图。连接件4大致为三角形板，其中部有一个第一轴承孔13，销轴3压配在该孔中。这个三角形连接件4还有一个偏离第一轴承孔13的第二轴承孔14，用于接纳一个外齿轮5的转轴6，下面将会对此进行说明。压装在第一轴承孔13中的销轴3的自由端具有一垫圈36和一个C形扣环37，安装成使垫圈36位于圆板20和C形扣环37之间。C形扣环37用于防止垫圈36从销轴3意外分离。这样，将容易理解，可转动地穿过三角形连接件4中的第一轴承孔13的销轴3由圆板20可转动地，但不能轴向运动地支承就位。为了下面将要明确说明的目的，三角形连接件4的顶角部位还形成有安装凸台4a，它们沿着垂直于三角形连接件4的平面的方向伸出，每个安装凸台4a具有一内螺纹孔15。内螺纹孔15用于接纳一组用来固定曲柄盖9的螺钉，以便封住内齿轮2的圆板20对面的开口，下面将对此进行说明。

与内齿轮2啮合转动的外齿轮5的转轴6，利用垫圈39和C形扣环40以可转动但不能轴向移动的方式，支承在三角形连接件4的第二轴承孔14中。一个辅助垫圈41设在三角形连接件4和外齿轮5之间。因此，外齿轮5由三角形连接件4支承并相对于内齿轮2定位，以使内齿轮2的齿与外齿轮5的齿恒定啮合，从而使外齿轮5一边绕转轴6自转，一边绕销轴3公转。在所示的实施例中，内齿轮2和外齿轮5之间的传动比选为2∶1，以使得外齿轮5在内齿轮2中公转一周造成外齿轮5绕转轴6自转一圈。

如图2和5所示，装于自行车每侧并具有踏板8a的脚蹬子8通过脚蹬臂7装到外齿轮5的外表面的中央位置。脚蹬臂7是一件式结构，它包括一个水平延伸的根端7a、一个从根端7a弯折而向下延伸的中部7b和一个从中部7b弯折并朝着基本平行于水平延伸的根端7a但与之相反的方向水平延伸的自由端7C。更具体地说，脚踏臂7的根端(尾端)7a与外齿轮5的中心部位焊接或螺纹连接或成形为一体，其中部7b沿外齿轮5的径向向外延伸，而其自由端7C固定地插入脚蹬子8中的安装孔16，该安装孔基本上位于脚蹬子8的宽度的中间位置。脚蹬子8安装到脚蹬臂7的自由端7C，以便如图8中所示，当相连的曲柄1的自由端位于自行车前进的水平方向、并且外齿轮5与内齿轮2的沿自行车前进方向距曲柄轴35最远的轮齿22部分啮合时，脚蹬子8的踏板8a处于水平向上的位置。

内齿轮2的与圆板20相对的开口由曲柄盖9封住。图6A和6B分别示出了曲柄盖9的主视图和剖面图。如图所示，曲柄盖9为圆板形，其直径等于或基本等于内齿轮2的外径，曲柄盖9上有三个螺钉孔17，它们的位置分别与和三角形连接件4成一体的相关安装凸台4a中的内螺纹孔15对准。这些螺钉孔17或安装凸台4a布置成：当一组螺钉19穿过相应的螺钉孔17并进而拧入相关的内螺孔15而将曲柄盖9固定到内齿轮组件上时，曲柄盖9能与内齿轮2同心。曲柄盖9还具有一个臂孔18，该臂孔18限定和定位成允许脚蹬臂7的根端7a能宽松地从中穿过。

在所示的实施例中，通过使脚蹬臂7的根端7a穿过臂孔18，然后将一组螺钉19拧到三角形连接件4的内螺纹孔15，就能把曲柄盖9固定到三角形连接件4上，如图7所示。不过，也可采用其他各种固定手段来将曲柄盖9固定到三角形连接件4上。例如，代替三角形连接件4的内螺纹孔15，可使用两个或更多个接合孔，以用于接纳形成在曲柄盖9中的相应的接合突起。

由于三角形连接件4绕着支承内齿轮2的销轴3转动，所以曲柄盖9也与三角形连接件4一起相应地绕销轴3转动。因此，内齿轮2的开口确保由曲柄盖9封闭，而不受外齿轮5绕销轴3公转的影响，以防止任何异物进入内齿轮2的内部，从而确保内齿轮2、三角形连接件4和外齿轮5的平稳的角转运动。

虽然上面反对一个具有相关曲柄机构的曲柄1作了说明，但位于自行车相对侧的另一个曲柄1也具有结构与上相同的曲柄机构。不过应注意的是，位于自行车两侧的曲柄1分别连到曲柄轴35的两端，但相对于曲柄轴35彼此在圆周上相距180°角。

在上述的每个曲柄机构中，由于内齿轮2和外齿轮5之间的传动比选为2∶1，所以外齿轮5在内齿轮2内部绕销轴3公转一整圈，导致外齿轮5绕转轴6自转一整圈，因此，每当外齿轮5绕销轴3公转一圈时，与外齿轮5相连的脚蹬子8都能返回并占据其初始位置。另一方面，当骑车人的脚放到脚蹬子8的踏板8a上时，脚蹬子8的踏板8a可被调整到面向上的水平位置。

为此，当如图8左半部所示的那样时，曲柄1在一个位于前侧的蹬踏区内角转运动，该蹬踏区的范围是从曲柄1大体垂直向上延伸的向上位置P2到曲柄1大体垂直向下延伸的向下位置P3，此时外齿轮5是与内齿轮2上最远离曲柄轴35的轮齿22的区域2a(见图3A)啮合的。考虑到内齿轮2和外齿轮5之间的传动比，外齿轮5的外径为内齿轮2的内径的一半。因此，在下列条件下可获得力臂MA：曲柄1处于一个向前的水平位置P1，此时曲柄1基本上位于自行车的水平向前的方位，并且内齿轮2上沿自行车前进方向距曲柄轴35最远的轮齿22部分处于啮合状态，也即，此时有效的曲柄长度等于曲柄轴35的转动轴线和外齿轮5的中心(即外齿轮5上固定脚蹬臂7的位置)之间的距离。换句话说，力臂MA等于L+R/2，其中L表示曲柄轴35的转动轴线到内齿轮2的中心的距离，而R表示内齿轮2的半径。

另一方面，当如图8的右半部所示的那样，曲柄1在一个位于后侧的非蹬踏区内角转运动，该非蹬踏区的范围是从向下位置P3到向上位置P2，此时外齿轮5与内齿轮2上的最靠近曲柄轴35的轮齿22的部分2b(见图3A)相啮合。因此，力臂MA在下述条件下获得：曲柄1位于向后的水平位置P4，此时曲柄1基本水平并相对于自行车的运行方向向后，此力臂MA等于曲柄轴35的转动轴线和外齿轮5的中心之间的距离，即等于L-R/2。

应考虑到在蹬踏期间，外齿轮5的中心角转运动并描划出一个圆圈，其直径为从曲柄轴35的转动轴线到内齿轮2的中心的距离L的两倍，即2L＝(L+R/2)+(L-R/2)。脚蹬子8也沿着一个类似的圆形轨迹角转运动。考虑到在先有的自行车中，每个脚蹬子装在曲柄上的位置可认为是对应于本发明所用的内齿轮2的中心，所以先有的自行车中脚蹬子的角转运动的轨迹可由一个圆表示，其半径实质上对应于本发明所定义的距离L，其中心位于曲柄轴35上。因此，本发明所用的脚蹬子8的角转运动的轨迹是与先有的自行车所用的脚蹬子的轨迹相同的。

然而在本发明中，由于在上述蹬踏区P2-P3内蹬踏期间所获得的力臂可以比等于距离L的表示脚蹬子的角转运动的轨迹的圆的半径最多大内齿轮2的半径R的一半，所以，对于给定的蹬踏力，可以得到比先有的自行车所能得到的高的驱动力。

应注意的是，当曲柄1在非蹬踏区(如图8右半部所示的区域)内角转运动时，力臂MA减小到这样一个值，该值比表示先有的自行车中的脚蹬子的角转运动的圆的半径(实际等于距离L)最多短外齿轮5的半径R的一半，但是由于在此非蹬踏区内，在曲柄1的角转运动期间并没有产生实际的蹬踏，故不会引发任何问题。

根据本发明，表示与脚蹬子8相连的外齿轮5的运动轨迹的圆的中心位置01，朝着前进方向(或图8中的向左方向)，从曲柄轴35的转动轴线偏移一个等于R/2的距离，并因此，为了使本发明的脚蹬子8相对于车座34的位置保持与先有的自行车中的相同，曲柄轴35的位置最好朝着反对前进方向后移一个等于R/2的相应距离。另外，与先有的自行车相比，由于图2所示结构的曲柄1的长度增加了一个等于内齿轮2的半径R的值，所以曲柄轴35离地面的位置应向上移动一个等于曲柄1的长度增量的距离，以防脚踏子8和内齿轮2与地面发生接触。

另外，由于脚蹬子8通过蹬踏臂7固定到外齿轮5上，所以脚蹬子8将在一个从外齿轮5的中心位置向下降低一预定高度的位置上转动。因此，车座34离地面的高度最好根据脚蹬子8下降的高度和曲柄轴35移动的高度而调整。

而且，根据本发明，即使当自行车停下来而骑车人脚离开脚蹬子8且脚蹬子8不处于水平位置时，由于脚蹬子8通过脚蹬臂7固定在一偏离外齿轮5的位置上，所以脚蹬子8也会被其自身重量带到外齿轮5的中心位置紧下面的位置，从而让外齿轮5转到这样一个啮合位置：此时脚蹬子8处于水平位置，其踏板8a面朝上。因此，当要驱动停住的自行车时，骑车人能确定地将其脚放在脚蹬子8上，以准备蹬踏。

如图2、3A和3B清楚可见，本发明的每个曲柄机构具有一个摩擦施加装置。此摩擦施加装置包括一个合成树脂作的滚子25，该滚子由一个金属弹簧件26支承在与曲柄1为一体的曲齿轮2的附近。另一方面，一个可与树脂滚子25接合的接触片27设置在曲柄盖9上的预定位置。树脂滚子25、弹簧件26和接触片27一起构成一个强迫啮合装置，该装置能补偿由于内齿轮2的轮齿22和外齿轮5的啮配轮齿间的啮合间隙造成的任何可能的移动，从而确保内、外齿轮2和5的相应轮齿之间的强迫啮合、弹簧件26靠其一端插入曲柄1上的轴承孔28中而支承住，而树脂滚子25可转动地装在弹性件26的另一端并保持就位成与曲柄盖9上的接触片27接触。

再参见图8，自行车一侧的曲柄1在自行车另一侧的另一曲柄1的蹬踏引起的惯性力的作用下，沿前进方向转到一个离开向上位置P2有一小段间距的位置P5，然后从此位置P5将开始实际的蹬踏。接触片27如此固定到曲柄盖9上的预定位置，以致在曲柄1从一个稍稍提前于蹬踏开始位置P5的位置到一个紧接蹬踏开始位置P5之后的位置的蹬踏过程中，接触片27能接触树脂滚子25，以便利用弹簧件26的偏压力来接收朝曲柄盖9的转动方向的相反方向作用的摩擦力F。

当曲柄1转到蹬踏开始位置P5且蹬踏力施加到脚蹬子8上时，外齿轮5的轮齿的后齿面可能会冲撞内齿轮2的轮齿22的前齿面，从而产生讨厌的卡嗒声。然而，在所示的实施例中，与外齿轮5一同绕销轴3转动的曲柄盖9承受朝曲柄盖9的转动方向的反向作用的摩擦力F，以便让外齿轮5的轮齿的后齿面与内齿轮2的轮齿22的前齿面提前接触。因此，在脚蹬臂7被蹬踏之前，沿着与蹬踏力的传递方向一致的方向，外齿轮5能与内齿轮2啮合，因此在脚蹬臂7被实际蹬踏时，外齿轮5能角转一段对应于轮齿啮合间隙的距离(否则会在外齿轮5和内齿轮2之间存在此啮合间隙)，以啮合内齿轮2，从而最大限度地减小讨厌的卡嗒声的产生。

如上充分讨论的，在根据本发明要求最小的蹬踏力的自行车中，与曲柄1为一体的内齿轮2和与脚蹬子固定在一起的外齿轮5之间的啮合，可以最小的蹬踏力有效地提供较高的驱动力。

虽然已经参照仅用于示例目的附图结合优选实施例对本发明作了充分的描述，但本领域的普通技术人员在阅读了说明本发明的说明书之后，在本发明的构思范围内，可以容易地作为各种变化和修改。因此，除非这些变化和修改超出了所附权利要求确定的本发明的范围，否则它们都将被认为落入该范围之中。

Claims (6)

1.一种能以最小的蹬踏力来驱动的自行车，它包括：

一个设置在一个用于将驱动力施加到一个车轮上的曲柄(1)的自由端上的内齿轮(2)；

一个可转动地与内齿轮(2)相啮合的外齿轮(5)；

所述齿轮(2)和外齿轮(5)的传动比为2∶1；和

一个具有一踏板(8a)的脚踏子(8)，它固定到外齿轮(5)上，当曲柄1的自由端处于一个提供曲柄(1)转动轴线的曲柄轴(35)的向前水平位置时，踏板(8a)处于面朝上的水平位置，而且此时，内齿轮(2)上离曲柄轴(35)最远的轮齿部分与外齿轮(5)相啮合。

2.根据权利要求1所述的自行车，其特征是还包括一个脚蹬臂(7)，该脚蹬臂(7)具有一个固定到外齿轮(5)的转动轴上的根端(7a)并沿着外齿轮(5)的经向延伸，脚蹬子(8)固定到脚蹬臂(7)的与其根端(7a)相对的一个自由端(7c)上。

3.根据权利要求2所述的自行车，其特征是，脚蹬臂(7)为S形结构，它具有水平延伸的根端和自由端(7a，7c)以及与根端和自由端(7a，7c)相连的中间部(7b)，该中间部(7b)垂直于根端和自由端(7a，7c)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的自行车，其特征是还包括一个可转动地安装在内齿轮(2)的中心并位于内齿轮(2)内部的连接件(4)，所述外齿轮(5)可转动地安装在连接件(4)上。

5.根据权利要求4所述的自行车，其特征是内齿轮(2)具有一个固定到内齿轮(2)的一端的板(20)，还包括一个用于封闭内齿轮(2)的与所述板(20)相对的另一端的开口的盖(9)。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的自行车，其特征是还包括一个强迫啮合装置(25，26，27)，用于在蹬踏脚蹬子(8)之前，迫使外齿轮(5)与内齿轮(2)在与蹬踏力传递方向一致的方向上啮合。

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