CN1184752A

CN1184752A - 自行车轴上变速器

Info

Publication number: CN1184752A
Application number: CN97100533A
Authority: CN
Inventors: 黄昌友
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-01-29
Filing date: 1997-01-29
Publication date: 1998-06-17

Abstract

本发明是根据自行车后轮转动与不转动,运用齿轮传动定轴轮系和行星轮系的原理,制造的链传动自行车和杠杆传动自行车的轴上变速器,用这种齿轮传动变速车来代替目前使用的链条链轮传动变速车。其优点是:变速容易,变速时不会出现撞击声和链条链轮啮合不好的错位声和抖动;变速有效可靠,不会出现自动脱档和回位现象;密封润滑好,不易受外界脏物和雨水的侵袭,不易锈蚀,不脏裤口;紧凑、小巧、不易出故障,使用寿命长。

Description

自行车轴上变速器

本发明涉及齿轮机构制造的自行车变速器。

已知目前使用的变速自行车都是链条链轮式的，大链轮的齿数固定不变，棘轮上固定有几个不同齿数的小链轮，拨动变速柄通过变速装置把链条拨套在不同齿数的小链轮上，以传动不同齿数改变传动比，达到变速的目的。由于变速车有几个传动比，能根据道路和气候等条件来选择车速，就比普通自行车单靠登力来达到上述目的，具有省力的优越性，所以受到人们的欢迎。

由于链条链轮变速车存在着以下缺陷：1、变速较困难，往往不易一次轻易到位；2、变速初期容易出现链条和链轮齿合不好的响声，有些变速车变速后甚至很长一段时间有链条链轮错动的响声；3、变速可靠性差，很多变速车使用一段时间后，变速后加力很快又自动回位，根本不能再变速；4、链条链轮得不到很好润滑，由于链条链轮部位没有盒罩，很容易受到尘土和脏物的侵袭，锈蚀，使其骑起来费劲，同时容易脏裤口。

为了解决变速车变速后自动回位的不可靠问题，出现了在变速车大链轮旁再加一个齿数少些的链轮的双主动链轮变速车，但这只解决了一个档位的自动回位问题，其它问题仍没有得到解决。

本发明的目的是提供一种与自行车后车轮轴制造为一体的轴上常啮齿轮有级变速器，来代替目前自行车使用的链条链轮变速装置的自行车轴上变速器，以达到换档容易，变速可靠，换档时不会出现冲击现象和啮合不好的响声，便于润滑，使用寿命长等优点。

本发明的目的是这样实现的，即目前普通链传动自行车的整体结构和大小尺寸不作变动，只将后轮轴和安装后轮幅条的后轮毂换成本发明自行车轴上变速器，再在变速器外壳上安上幅条连接后车轮。根据自行车后轮轴转动与不转动分为行星轮系轴上变速器和定轴轮系轴上变速器两种结构。先介绍后轮轴不转动的普通自行车运用齿轮传动定轴轮系(即当轮系运动时，其中各齿轮的几何轴线相对于机架的位置都是固定不动的)原理发明的轴上变速器。其结构是：在目前自行车后车轮轴的基础上，中段稍加粗一些，在其上中段偏左部位固定一根中间轴臂，再通过中间轴臂伸向右方一根与该后轮轴平行的中间轴，在中间轴上装有活套的整体塔形齿轮，在后轮轴上固定中间轴臂的右边部位上套装左端头有与塔形齿轮中齿数最多齿常啮的外齿轮并能在后轮轴上转动的传动主轴，同时在外齿轮上沿轴的上方右侧有凹进去的内花键齿圈，传动主轴的右端头安装自行车小链轮和棘轮，在传动主轴上再套装左端头带外花键齿圈的传动副轴，传动副轴能在传动主轴上自由转动和径向滑动，在传动副轴上再套装分体的按设计传动比与塔形齿轮对应配合且常啮并带有内花键齿圈的多个副轴齿轮，传动主轴主动齿轮上的内花键齿圈与所有副轴齿轮上的内花键齿圈和传动副轴上的外花键齿圈的断面轮廓及尺寸均相同，且最高档的主动齿轮与最低档副轴齿轮相对应的内花键齿圈的一面及其它档的副轴齿轮的内花键齿圈和传动副轴上外花键齿圈的两端都有相同倒角，能轻易啮合。传动副轴的右端头固定卡有带“十”字形卡片的圆凹形换档拨叉卡环，传动副轴的右半部外套变速器外壳盖套轴，“十”字卡片卡于套轴上对应的“十”字槽内，圆凹形环套于变速器外壳盖的套轴之上，圆凹形环上可卡半圆形换档拨叉，圆凹形换档拨叉卡环和传动副轴既可被换档拨叉拨动在传动主轴和变速器外壳盖套轴上滑动，又可随输出动力在传动主轴上转动和通过“十”字卡片拨动变速器外壳盖转动，齿轮轮系外罩有密封内壳以保护润骨，在后轮轴的左边还支承有变速器外壳，变速器外壳和外壳盖用螺栓连接形成一体，把整个变速器封闭保护起来，同时又起自行车后轮毂作用，变速器外壳两边周围穿自行车后轮幅条把后车轮连接起来。

当人登动脚踏子使大链轮转动时，链条就传动后轮轴上小链轮和棘轮转动，从而带动传动主轴和主动齿轮转动，主动齿轮又传动中间轴上塔形齿轮转动，故有不同齿数分别与塔形齿轮常啮的所有单体副轴齿轮就以不同转速空转，只要拨动变速手柄到想要速度的档位，通过变速传递机构移动变速拨叉，拨动圆凹形换档拨叉卡环，使传动副轴上外花键齿圈与相应速度的副轴齿轮的内花键齿圈啮合，动力就会传给传动副轴使其转动，反过来通过圆凹形换档拨叉卡环上卡于“十”字槽内的卡片就会拨动变速器外壳盖和外壳转动，用幅条连于一体的后车轮也即转动，自行车向前行驶。当要变速时，只要拨动换档手柄到新档位位置，使传动副轴的外花键齿圈脱离原档位副轴齿轮的内花键齿圈，而与新档位副轴齿轮的内花键齿圈啮合，就能达到增速或减速的目的。

再介绍在先发明的，根据省力杠杆原理用杠杆作传动机构来代替目前自行车普遍采用的链传动机构的杠杆传动自行车轴上变速器，由于这种自行车后轮轴是转动的动力输入轴，先前的变速器是固定在后轮支撑架上，很难保证装配精度，维修也困难。运用行星轮系齿轮传动原理(即具有自转和公转的齿轮，其几何轴线又绕另一齿轮的几何轴线回转，有如太阳系中的行星绕太阳作自转和公转一样)发明的轴上变速器解决了这一不足。其结构与定轴轮系轴上变速器区别在于：运动时因后轮轴转动，与其连为一体的中间轴臂(行星架)与中间轴(行星齿轮轴)和轴上塔形齿轮(行星轮)也以后轮轴为轴心一起转动(公转)，故在后轮轴上中间轴臂(行星架)的左边增加一个其几何轴线与后轮轴几何轴线重合的内齿固定的大中心轮，内齿固定大中心轮的中间有一套轴与车架后轮左支持架固定连接，固定大中心轮内齿与塔形行星齿轮中左边齿数最多的高档快速带棘轮机构的齿轮常啮，前进运动时使塔形行星齿轮形成自转，由于动力输入轴直接变成了后轮轴，因而取消了传动主轴和安装其上的小链轮及棘轮，保留了传动主轴左端仍与之常啮的主动齿轮(稍作改动后改称副轴齿轮)和内花键齿圈，因为增加了连接固定中心轮内齿的套轴，故把支承定位于后轮轴上的变速器外壳的左滚珠轴承移位到套轴之上安装。其它和定轴轮系轴上变速器结构完全一样。

当人登动脚踏子，使杠杆力点沿脚踏臂固定轨迹转动时，通过既可转动又能滑动的特制滚轮轴承支点，压动杠杆力点和支点之间的重点(装于后轮轴上左右两端同一轴上方向相反的后轮轴臂上的压动滚轮)沿脚踏子(力点)的运动轨迹转动就使后轮轴臂转动，通过杠杆作用后的力就变成同杠杆比例倍数相同的力使后轮轴(输入轴亦即传动主轴)转动，与后轮轴一体的行星架和套装于中间轴上的塔形行星齿轮也随之转动，因塔形行星齿轮的快速档齿轮是与固定不动的大中心内齿轮是常啮的，故使其行星齿轮按后轮轴和行星架及中间轴转动的相反方向自转，就可驱动与塔形行星齿轮各档配对的副轴齿轮(也是中心轮)随之在传动副轴上接各自不同的转速向前空转。当通过换档拨叉使传动副轴的外花键齿圈与某档副轴齿轮的内花键齿圈啮合时，动力就通过该档传给传动副轴和变速器外壳盖，使变速器外壳和车轮转动，自行车就向前行驶。需要变速时就把换档拨叉拨到需要的档位，使传动副轴外花键齿圈与原啮合的档位内花键齿圈脱离，而与新档位内花键齿圈接合，就可达到变速的目的。当下坡或歇脚和换档不蹬脚踏子，后轮轴和中间行星齿轮轴不转动时，自行车需照常行驶，中间塔形行星齿轮就会倒转，此时棘轮机构就起作用，使其形成空倒转，自行车照常行驶。

本发明写明了自行车轴上变速器的结构特点，其优点和积极效果在于：1、由于变速器各档位齿轮组合都采用常啮合式结构，使得换档轻松容易，同时不会出现换档时的冲击响声和链条链轮啮合不好的不良响声及抖动；2、因为是常啮齿轮有级传动再加上采取换档机构档位锁止措施，变速有效可靠，不会出现自动脱档和回位现象；3、档位变速比选择范围广，不受链条链轮结构的限制，高速档既可以比链条链轮变速车传动比更小、速度更快，低档又可根据不同地区的道路、气候和人的体力选择合适的传动比。因同一传动比人的登力控制速度的范围很大，所以传动比之间的间隔可以较大，为使机构简化，一般有三对齿轮三个传动比就能满足，无须造成很多个速比；4、变速器有内外壳，密封性好，可以使齿轮和摩擦部位得到很好润滑；5、不另占空间，有效利用自行车后轮毂两边幅条空间，具有小巧、紧凑、重量轻、不易出故障，使用寿命长的特点；6、把本发明装于在先发明的杠杆传动自行车同一传动比相同情况下骑行，可比链条链轮变速车更省力，速度更快。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明

图1是根据齿轮传动定轴轮系的本发明自行车轴上变速器的主视剖视图。

图2是用于在先发明的后轮轴转动的杠杆传动自行车，根据本发明演变的行星轮系轴上变速器主视示意图。

实施例1：

26″普通型变速车

把普通自行车后轮轴和后轮毂拆下，换上本发明自行车轴上变速器和与之匹配的幅条和车轮，再装上变速操纵机构，就成了一辆变速车。图l所示为26″普通型自行车定轴轮系三速轴上变速器，设快速传动比 ≈0.29(大小链轮传动比

＝14/48≈0.29，与链条链轮变速车高速传比相同)、中速

≈0.33(与普通单速自行车相同)、慢速 ≈0.38。其工作档位中有三个传动比不同的前进档，变速器中有三根属同一轴线的轴11、17和19，其中套轴11套装在套轴17上，套轴17再套装在轴19上，套轴11和套轴17能在轴19上分别转动，且套轴ll还能滑动，轴26通过轴臂固定在轴19上，并与套轴11、17和轴19平行。传动主轴17是变速器的输入轴，左端头有一体的主动齿轮和靠轴的右面带倒角的内花键齿圈，其右端头固定安装自行车棘轮和小链轮4。传动主轴17的右端用一面带密封圈的滚珠轴承3左端用滚针轴承18共同支承在后轮轴19上，用调整垫片24和螺母1、2定位，传动副轴11左端头有一体的两面带倒角的外花键齿圈，右端头安装有圆凹形换档拨叉卡环10，O形密封圈9，并用轴用弹簧档圈8固定在其上，左面有带倒角的轴向内花键齿圈的副轴齿轮15套装在传动副轴11上，有两端带倒角的内花键齿圈的副轴齿轮16则卡套于传动主轴主动齿轮17和副轴齿轮15上，齿轮15、16、17上的内花键齿圈与传动副轴11上的外花键齿圈，其花键齿断面轮廓及尺寸和倒角均相同。由齿轮27、28、29组成一体的塔形齿轮，用滑动轴承支承于中间轴26上，用轴用弹簧卡环31定位，塔形齿轮中27、28和2吩别与传动主轴主动齿轮17，副轴齿轮16和15组成三个速比常啮齿轮副，右边有齿轮调整垫片14和油封13，齿轮外用变速器内壳30(又是油底壳)把整个轮系密封罩住，壳内可装机油或润滑脂，以减少摩擦导致的功率损失和零件磨损，提高变速器传动效率和延长使用寿命，变速器外壳(后轮毂)23两边圆外缘上有穿幅条的孔32和螺栓孔，用螺栓33与变速器外壳盖12连接，外壳盖12的中央有向右伸出的带“十”字槽的套轴，“十”字槽内卡入传轴副轴11上的圆凹形换档拨叉卡环的“十”字卡片，“十”字卡片并能在“十”字槽内自由滑动，变速器外壳盖12的套轴右端用滚珠7和球碗6支承于传动主轴17上，用碗形螺母5定位，变速器外壳23左边用一面带密封圈的滚珠轴承22支承于后轮轴19上，用螺母20、21加以定位。把装配好的轴上变速器穿入幅条加上车轮一并装入车架左右后轮支持内，一辆变速自行车就可骑行了。

图1所示为变速器处于一档(慢速)位置，当人骑上自行车，登动脚踏子使大链轮转动时，通过链条就传动小链轮和棘轮4转动，从而使传动主轴和主动齿轮17转动，便传动中间轴26上塔形齿轮的常啮齿轮27转动，因为塔形齿轮上的齿轮28和29与27是一个整体，所以齿轮28和29也随之转动，就又传动了与之常啮的副轴齿轮15和16转动，由于此时传动副轴11上的外花键齿圈与副轴齿轮15的内花键齿圈是啮合的，副轴齿轮16处于空转位置，传动副轴11便被转动，通过圆凹形换档拨叉卡环10上的“十”字卡片就拨动变速器外壳盖12的“十”字槽套轴转动，变速器外壳盖12和外壳23就转动，从而使后车轮转动，自行车便以慢速行使。若计算传动比以Z_大链、Z_小链、Z₁₅、Z₁₆、Z₁₇、Z₂₇、Z₂₈和Z₂₉分别代表自行车大链轮和小链轮，副轴齿轮15、16和主动齿轮17、塔形齿轮的齿轮27、28和29，则传动比

当要变速车按普通自行车速比行驶时，只要将换档拨叉手柄拨到“中速”位置，使传动副轴11上的外花键齿圈向左移动使其脱离副轴齿轮15的内花键齿圈，而与副轴齿轮16的内花键齿圈啮合，此时，副轴齿轮15处于空转位置，动力通过主动齿轮17传给塔形齿轮的齿轮27，再由塔齿齿轮28传给副轴齿轮16，由副轴齿轮16带动传动副轴11转动，再拨动变速器外壳盖12和外壳23转动，使自行车按中档速度行驶，传动比计算

当道路和气候条件较好要快速骑行时，就将换档手柄拨到“快速”位置，使传动副轴11上的外花键齿圈与副轴齿轮16上的内花齿圈脱离，而与主动齿轮17的内花键齿圈啮合，副轴齿轮lS和16都处于空转位置。动力由传动主轴17直接传给传动副轴11(直接档)。带动变速器外壳盖12和外壳23及后轮一起转动，自行车快速行驶。传动比为

实施例2：

26″杠杆传动变速车

本人在先发明的杠杆传动自行车是根据省力杠杆原理，用杠杆作传动机构来代替目前自行车普遍采用的链条链轮传动机构。杠杆传动自行车装上本发明的齿轮传动行星轮系轴上变速器，就是一辆杠杆传动变速自行车。其传动比可根据行星轮系传动比计算公式演化出的内齿固定中心轮公式：

＝输出齿轮齿数/(输出齿轮齿数+内齿固定中心齿数轮)

图2所示为装于26″杠杆传动自行车上的行星轮系三速轴上变速器。其结构是将实施例一定轴轮系轴上变速器作小部分改动，即把后轮轴19稍加粗一些，在其上中间轴臂(行星架)的左边增加一个与自行车车架后轮左支持架37固定连接的，其几何轴线与后轮轴19的几何轴线重合的大内齿固定中心轮34。内齿34与整体塔形齿轮中左边齿数最多的带棘轮机构的齿轮27常啮，取消传动主轴17和固定安装的小链轮和棘轮4，而保留其上的主动齿轮17，(因不起主动作用改称副轴齿轮17)，仍与塔齿27常啮，并将直接支承于后轮轴19上的变速器外壳23的滚珠轴承22改为支承于固定连接内齿34和后轮支持架37的套轴上，其它结构不变。再在后轮轴19的两端头上同一平面上分别固定安装大小形状相同、方向相反、长度按杠杆比计算制造的后轮轴臂35，在左右两根后轮轴臂3S的外侧同等距离相同位置上，分别装形状完全相同的两个压动滚轮36。设该变速车的传动比为

快＝0.25 中＝0.31

慢＝0.37

当人骑上自行车蹬动脚踏子，使杠杆的力点转动，动力通过杠杆压动后轮轴19上的压动滚轮(杠杆的重点)36和后轮轴臂35转动，带动后轮轴19转动时，就使后轮轴19上一体的中间轴臂(行星架)和中间轴(行星轴)26一起转动，由于内齿大中心轮34是固定不动的又是与整体塔形齿轮中齿轮27是常啮的，所以当后轮轴19和中间轴臂(行星架)与中间轴(行星轴)26一起向前转动时，自由套于中间轴(行星轴)26上的整体塔形齿轮(行星轮)就按相反的方向转动，从而传动与之常啮的各档副轴齿轮(也是中心轮)15、16和17各自以不同的速度向前进方向转动。图2所示为传动副轴11的外花键齿圈与副轴齿轮17的内花键齿圈啮合，副轴齿轮15和16此时空转，动力从后轮轴19通过塔形齿轮的齿27传给副轴齿轮17，再传给传动副轴11，因此传动副轴11和圆凹形换档拨叉卡环10随之快速转动，从而拨动变速器外壳盖12和外壳23也快速转动，使穿在变速器外壳23上的幅条和与幅条相连的车轮也快速转动，自行车就快速向前行驶。其传动比为

当要减速到中速行驶时，就把换档手柄拨到“中速”档位，通过换档变速机构将圆凹形换档拨叉卡环10和传动副轴11向右移动，让其外花键齿圈脱离副轴齿轮17的内花键齿圈而与副轴齿轮16的内花键齿圈啮合，副轴齿轮17和15空转，动力从后轮轴19通过塔形行星齿轮27传给28，再传给副轴齿轮16，通过外花键齿圈使传动副轴11和圆凹形换档拨叉卡环10转动，拨动变速器外壳盖12和外壳23转动，驱动后轮转动，变速车以中速高于普通自行车速度行驶。其传动比计算

当道路和气候条件不好，骑行困难时，需换低档慢速以大传动比行驶，只要将换档拨叉拨到“慢速”位置，使传动副轴11的外花键齿圈与副轴齿轮16的内花键齿圈脱离而与副轴齿轮15的内花键齿圈啮合，副轴齿轮16和17空转，动力通过塔形行星齿轮27传给29，再传给副轴齿轮15，带动传动副轴11和圆凹形换档拨叉卡环10转动，再拨动变速器外壳盖12和外壳23转动，带动后轮转动，从而以较大动力驱动变速车慢速行驶。其传动比

Claims

1、根据链传动自行车后轮轴不转动而制造的齿轮传动定轴轮系自行车轴上变速器，用该变速器装配的变速自行车来代替目前使用的链条链轮变速车。本发明是在目前普通自行车基本结构不变情况下，只需将后轮轴和后轮毂换成本发明的自行车轴上变速器，再加上变速操纵机构，就可变成一辆变速自行车了。其特征在于；在目前自行车的基础上，利用其后轮毂上两边安装幅条之间的空间和后轮轴固定不转动的特点，将后轮轴19的中段稍加粗一些，在其中段上偏左的部位固定一根中间轴臂，顶端向右伸出一根与后轮轴19平行的连于一体的中间轴26，中间轴26上套装能自由转动的整体塔形齿轮。以后轮轴19为基础轴线，动力输入轴和输出轴及换档花键齿圈的轴线都和这一基础轴线互相重合，且换档操纵和动力输入和输出都沿轴径同一方向进行。即在后轮轴19上套装带齿数最少的主动齿轮和内花键齿圈的动力输入传动主轴17，其齿数最少的主轴主动齿轮17与塔形齿轮中齿数最多的齿轮27常啮，传动主轴17的右端固定安装自行车小链轮和棘轮机构4，在动力输入传动主轴17之上再套装左端头带外花键齿圈的动力输出传动副轴11，再在传动副轴11之上右边套装左轴径有内花键齿圈齿数最多的副轴齿轮15，在副轴齿轮15和主轴主动齿轮17之间以该两齿为依托套装有内花键齿圈的副轴齿轮16，中间轴26上塔形齿轮的27、28、29齿轮与主动齿轮17和副轴齿轮15、16一一对应配套常啮的齿数都是按传动比确定的，主轴主动齿轮17和副轴齿轮15、16的内花键齿圈和传动副轴11的外花键齿圈的断面轮廓及尺寸倒角均相同，再在齿轮轮系外加变速器内壳，把整个齿轮传动密封以利润滑。利用装在后轮轴19上能自由转动的后轮毂作变速器外壳23，加变速器外壳盖12，既可以把整个变速器罩起来有利防尘，又可以在变速器外壳23两边外缘上安装自行车幅条衬托车轮，在传动副轴11的右端头上固定安装带“十”字卡片的圆凹形换档拨叉卡环10，并使其“十”字卡片(或其形式)卡于变速器外壳盖12的套轴上与之配合的“十”字槽内，使之能随传动副轴11作径向滑动和一起转动，将动力输出到变速器壳盖12和外壳23上，使幅条和后车轮转动，这样就构成了独立的自行车轴上变速器。增加齿轮副则可制成更多传动比和档位数的变速器。这种变速器可装在各种规格型号样式的自行车上，加装上换档变速装置，就可成为各种齿轮传动系变速自行车。

2、根据权利要求1所述的自行车轴上变速器，取消动力输入传动主轴17和小链轮与棘轮4，保留其上与塔形齿轮27常啮的主动齿轮(改称副轴齿轮17)和内花键齿圈，在后轮轴19上中间轴臂的左边位置增加一个与车架后轮左支持架37固定连接不动的其轴心线与后轮轴19重合并套其上的内齿大中心轮34，并与塔形齿轮中的齿轮27常啮，将支承于后轮轴19上的变速器外壳23的滚珠轴承改为支承于内齿大中心轮的连接套轴之上，就变成后轮轴19可以转动的行星轮系杠杆传动自行车轴上变速器。脚登动力随安装在自行车中轴的脚踏臂上转动的两根杠杆的“力点”，通过固定在车架后轮两边支持架37并伸向后车轮后部两边固定位置既能转动又能滑动的轴承“支点”，将动力压在杠杆“力点”和“支点”之间的“重点”即压动滚轮36上，再通过固定安装在后轮轴19上的后轮轴臂35，把按杠杆重臂与力臂之比增大的动力传给后轮轴19使其转动，后轮轴19便成其为动力输入轴，并使其固定的中间轴臂(改称行星架)与中间轴(改称行星齿轮轴)26和活套于上的整体塔形齿轮(改称整体塔形行星齿轮)一起转动，通过副轴齿轮15、16和17之中的一个齿轮把动力传给传动副轴11使其输出，传动变速器外壳盖12和外壳23转动，构成后轮轴转动的齿轮行星轮系杠杆传动自行车轴上变速器。若减去副轴齿轮15、16和塔形行星齿轮中的齿轮28、29而保留27仍与内齿大中心轮34和副轴齿轮17常啮，并把副轴齿轮17直接与变速器外壳盖12固连于一体，取消输出传动副轴11和变速装置，就变成不变速的单速杠杆传动自行车。本变速器也适用于后轮轴转动作动力输入轴的其它自行车。

3、根据权利要求1和权利要求2所述的轴上变速器制造的三轮车、机动(助力)自行车、摩托车和微型汽车。