CN1200093A - 带有链传动及多齿轮和放在后轮外的踏板的自行车 - Google Patents

Abstract

这种带有多齿轮(14),链条传动(6)和踏板单元(1)的中心运动的轴线在后轮外面并且总在A点和B点确定的区域内的自行车和类似物。新的踏板系统优化了交通工具和其使用者之间的关系。由于“平衡器”使得骑车者处于俯伏(图1)的姿势成为可能。这种姿势可以优化重量分配,优化心血管系统,呼吸系统和肌肉系统,这样就能产生最大的能量输出。这种自行车的优越之处在于:由于骑车者的俯伏位置而得到的最佳空气动力学性能;由于大腿的反重力旋转而获得的对肌肉的最佳利用;由于较低的腹部压力而获得的更佳的静脉和淋巴循环效果;由于更加便利的静脉循环而带来的更佳的心血管循环系统;由于对脊椎的支撑而带来的对脊柱的最佳保护效果;由于座鞍对臀部的支撑而获得的对会阴的最小冲击;由于地面－轮毂踏板系统(ground-hub pedal-block-system)而获得的车体的最大的稳定性;由于传动系统的紧凑性而减小了车身重量。

Description

带有链传动及多齿轮和放在后轮外的踏板的自行车

本发明涉及带有链传动，多齿轮(multiple gears)和放在后轮外面的踏板单元的自行车和类似物。它可以提高骑车者的身体器官的功能和能量输出，使得自行车有高效的机械和空气动力学性能，并且最终还可以使得自行车外观得到改善。在传统的自行车上由于骑车者的乘坐位置不能从解剖学上实现人身体各器官功能的优化，因此就不能得到最大的能量输出。这种自行车正是出于对这些环节的改善而设计的。

通过对传统自行车的细致的分析，我们得出一个结论：在人体上半身处于最大角度时由于腹腔体积的减少而对腹腔内内脏的挤压会增加腹部的压力并且由此造成横隔膜的升高，这就是所谓的“Va1sava”现象，它会造成腹部压力增加，并且由于血液动力学和新陈代谢方面的原因而阻碍肢体中静脉血液的回流；即使是在很短的时间内，健康的肢体器官处于这种情况下也很难不对新陈代谢造成影响。通过对骑传统自行车的运动员的呼吸的研究，我们发现：在人体上身处于最大角度时横隔膜(一个非常重要的呼吸肌)的提升会造成肺部呼吸量的减少从而引起氧气量的不足以及静脉和淋巴回流量的减少，这会使能量效率降低。通过对传统自行车上的腿部肌肉组织和它的功能的分析，我们注意到由肌肉所产生的部分能量用在推动踏板，同时在抬升另一条腿时有很大一部分能量被浪费了。考虑到在蹬踏板的过程中的腿部肌肉和它们的功能，我们发现：对踏板的推力是由股四头肌产生的，其余的肌肉对踏板起了很小一部分推动作用(它们的主要作用是在另一次推动踏板前把腿部抬升起来)。所有这些说明在传统的自行车上存在着对肢体肌肉工作的不合理分配，因此就造成了腿肌肉能量输出的不合理利用。

我所发明的自行车的优点有以下几个方面：在这种新车上大腿上部肌肉(股二头肌，半腱性(Half-tend inous)肌，半膜质肌(Half-m em branous)，腰大肌和部分长内收肌(adductor))在没有重力效应的状况下工作，把在蹬动踏板过程中浪费在提升肢体重量的能量转化成了对踏板的推动力。除此之外，所有那些在传统自行上几乎没有什么用的肌肉在这种新型自行车上起到了非常重要的作用。它们实际上由于脚部得到了伸展和放松而对踏板的推动进行了优化。在传统自行车上，腿部肌肉的工作并不协调，因为它为了能有效地推动踏板而在推动过程中有一个死点。

简单地说，考虑到重力的影响后，腿部的肌肉的工作分配无疑将会更加协调。这样，由于有了更好的肌肉的推动功能，静脉和淋巴的循环将会得到改善，从而使得骑车者的心血管系统的功能得到改善。这就是这种新型自行车对呼吸系统，肌肉系统和心血管系统所带来的改善的科学依据。现在我们来分析一下传统的自行车的机械方面的缺陷：专家们为了最大限度地提高踏板自行车的性能，经常而且总是致力于空气动力学方面的提高。从这一点来说，现有的乘坐位置是传统自行车的最不合理的地方。

在新型自行车上，骑车者的身体可以伸展开并且腿部可以向后伸开，正因为如此骑车者可以非常容易地采取近乎平躺俯伏的姿势。这种姿势是提高自行车的空气动力学性能的最好的措施。而且，最终这种姿势能很大程度上提高传统自行车的方向操纵性和稳定性。考虑到这些因素，我一直在努力尝试在不忽视任何一个可以改善的环节的情况下去解决这些问题。在我所发明的新型脚踏车上，采用了所建议的所有革新措施。经过仔细的考虑，我认为这种新型的自行车是一流的，它有着非常优秀的能量输出和非常赏心悦目的设计。

这种自行车引入了许多重要的革新：空气动力学因素，稳定性，方向操纵性，能力量输出等。从它对已经过时的传统自行车的所带来的改善来看，它无疑是非常有趣而且带有创新性的。通过对所作的每一个改善措施和革新的分析，发现这种自行车可以使骑车者采取一种非常符合空气动力学要求的姿势(见图1)，无论从骑车者的角度还是从交通工具的角度看它的空气动力学影响都是最小的。即使在同一辆车上采用不同直径的比较小的车轮4，也不会对自行车的速度有不利的影响。相反，这些车轮会减轻车子的重量，由此而来的车子重心的降低还会提高车的稳定性。除此之外，重量会均匀地分配在两个车轮上(通过平衡器来实现，图2)，这样会改善自行车的方向操纵能力。另外，即使在转向会引起很大的阻力和使操纵困难时，这种自行车仍然允许蹬动踏板。我认为这种自行车的最主要的优点就是骑车者所采取的位置和由此而带来的空气动力学性能的提高。这些足以称得上是对自行车这种传统交通工具的最佳改善。

这个发明的产生是出于这样的一个想法：创造一种具有高性能标准的自行车，在这种自行车上骑车者的身体可以处在效率最高的状况下，而且姿势最符合空气动力学。必须发现一种支撑骑车者重量的方法，同时又不影响车辆的稳定性和骑车者的心血管系统和呼吸系统的功能。我们采取了以下措施：首先考虑的是骑车者的位置，它必须是可以变动的而且为了不使骑车者感到疲劳应该尽可能的舒适(任何位置，即使是最舒适的位置也不能长时间保持不变)。位置是这样确定的：躯干必须伸展而且肢体必须向后展开。

通过对可能的躯干支撑点的分析，我们发现那些方便呼吸的支撑位置有以下这些：肩胛骨和肱骨之间的关节(腋窝区8)，躯干上中部(胸骨(旁)区)。知道以上这些就可以制造出一种专用的叫做“平衡器”的“服装”装备(track suit)，它对上述几点有专门的支撑，这样就有非常稳定而且舒适的位置。胳膊和前臂的作用仅仅是改变位置以得到最佳位置。另一个非常重要的支撑是臀部区域11，它总是倾斜的而且有下滑的趋势，尤其是当骑车者躯干伸开以获得最佳空气动力学性能时。为了解决这个问题，有必要产生一种拉向这种新的坐鞍的力，就象在传统的自行车上把身体压向座鞍的重力的作用一样。通过平衡器(图4)骑车者身体的重力在新型自行车上变成了对座鞍11的推力。这种情况可以保证对骨盆重量的有效的支撑，从而阻止身体在踩动踏板时向前滑动。这种效果是由一个专用的“服装”装备(track suit)产生的，目的是为了在骑车者采取最佳空气动力学位置时在肩和座鞍之间产生正确的拉力。这个装备叫做平衡器，它能够利用重力支撑骑车者的上半身。平衡器通过一个可以快速拆卸的摘钩件12固定在自行车上(就象踏板上的摘钩件一样)。这种平衡器可以硬(硫)化在里面的专用的“服装”装备(track suit)，使这些结构更加协调。平衡器是用一种能有效地支撑骑车者身体的材料制成的，它是可以柔性的，非常轻便而且很实用(它可以用各种材料制成，如：玻璃纤维和其它柔性材料或者装在组成“服装”装备一部分的一个管状体里面的压缩空气)，它放在骑车者的背部，见图2。这些不同的半柔性的材料(碳或者玻璃纤维等)从臀部到肩部舒适地支撑着骑车者。这种结构可以保证在任何位置都可以稳定而舒适地驾驶。平衡器是装在一个80cm到120cm的导向装置13上的。即使是在最佳空气动力学的位置，即上半身几乎与地面平行时，由于“服装”装备(track suit)的灵活的牵引(肩部支撑)和适当的支撑(腋窝对躯体上部的支撑，臀髋部对躯体下部的支撑)，防止了身体向下的滑落而且可以以最好的方式支撑身体，还可以在不影响自行车稳定的情况下把胳膊解放出来。简单地来说，骑车者的支撑点有：腿在踏板15上的支撑，大腿和臀部在符合解剖学的新型座鞍11上的支撑，胸部和肩部在带有腋窝支撑8的“服装”装备或者带有符合解剖学的肩垫的围腰胸衣(corset)上的支撑，胳膊和前臂在手柄23上的支撑。这样的交通工具轻便，稳定而且简单易行，并且没有对骑车者的位置和能量输出造成影响。这些特点是非常有趣的。这种脚踏车非常新颖，轻便而且快速。稳定性是通过固定在离通过后轮4轮毂2的地面垂线21不远的踏板的位置来保证的，见图3。这种布置避免了在蹬踏板时自行车的摇摆，即使是在非常用力蹬踏板时也不会摇摆。踏板单元组成了一个地面一轮毂系统(ground-hub block)，其位置保证了脚踏车的稳定性。简而言之，在这种脚踏车上后轮和地面的接触点不是一个支点而是一个阻力点，它能阻止自行车发生摇摆和自行车的方向发生改变，防止蹬踏过程中的振荡传到车轮。这项发明是由踏板的新位置(图1)而产生出来的，踏板单元的中心运动的轴线以一个可变化的角度放在后轮的外面，而且在A点和B点确定的范围之内(图3)。A，B点按照以下方式定义：从直角坐标轴(横轴和纵轴)开始以后轮轮毂为原点把后轮分成四个象限(两个下部象限和两个上部象限，或者两个外部象限和两个内部象限)。上部象限是指后轮的与地面没有接触的上部180度部分。下部象限是指后轮的与地面直接接触的下部180度部分。外部象限是指后轮的与自行车的其它部分没有直接接触的外部180度部分。内部象限是指后轮与自行车的其它部分直接接触的内部180度部分。A点在后轮的外周上，用一条通过轮毂的直线把外下象限分成两等分就可以得到A点；B点也在后轮的外周上，用一条通过轮毂的直线把内上象限分成两等分就可以得到B点。所有这些机械结构由于其踏板的位置(图3)和人的位置(图1)带来了很多的优点。车身的重量可以确保得到了减轻。由于比起传统的自行车来这种新型车轮距(2和3点之间的距离)基本上没有变化，它重量的减轻主要是因为两个轮子直径的减小以及由此而来的整个自行车的变小。机械传动结构的紧凑性也对重量的减轻很有帮助。由于采用小直径的车轮(尤其是后轮4)，这种自行车需要一个非常小的自由轮15(8/9个齿的短齿轮传动或28/19个齿的长齿轮传动)来确保正确的长度。甚至链条6也比通常要短一些，这也是旋转部分重量减轻的另外一个原因。例如：在我们最初的样车中有一个直径20英寸一每转147cm的后轮4，我们必须采用一个65齿的中心齿轮和一个11/18齿的自由轮以得到一个8/9米长的链条。用这个样车我们在平坦的路面上(不是专用路面)达到了60k·ph的速度。简而言之，平衡装置(图2)非常有效而且使得驾驶位置非常舒适和稳定。这种自行车轻便、稳定、易于驾驶而且操纵性能好。最后我们对它的外观也很满意，尽管它仍然有值得改进的地方。

Claims (10)

1.带有链条传动(6)，踏板驱动(15)和多齿轮(14)的自行车和类似物，其特征在于踏板单元(1)的中心运动的轴线位于后轮(4)的外围上由A点和B点确定的范围内，该范围和后轮的外部象限的大部相对应且为180°，它能优化骑车者的身体器官的功能。

2.踏板靠近通过后轮(4)轮毂的地面垂线(21)的自行车和类似物，其特征在于地面-轮毂-踏板系统(ground-hubpedal block-system)，它可以大大减少自行车方向改变的可能性，后轮与地面的接触点不是一个踏板向侧面倾斜的支点而是一个阻力点，它可以防止蹬踏时自行车的侧面倾斜和方向的改变。

3.按权利要求1的自行车和类似物需要一个称为平衡器的特殊“服装”装置，以便在轮子之间分配骑车者的重量，它由一种半刚性结构制成，放在骑车者(9)的背上，用一个可以快速摘钩拆卸的装置(12)固定在自行车上，以牢固支撑骑车者并且维持车子的稳定性，骑车者的支撑点有：肢体上部在肩胛骨和肱骨的关节附近的支撑，腋窝区和胸部也对骑车者起到支撑作用；躯体下部在臀部的支撑；其它的支撑点还有耻骨(Pubis)和  髋骨上部在骼骨突起部的支撑；平衡器的作用有：允许骑车者跨过导向装置(13)；平衡器装在一个特定的导向装置上，导向装置距离地面最小距离80cm，最大距离120cm，这使得骑车者可以根据路面状况-上坡/下坡-来找到最佳位置；在各种驾驶位置下分配重量；允许骑车者方便地改变姿势以适合长时间驾驶；平衡器是用柔性材料制成的，如碳，玻璃纤维等，它在末梢分一尾骨区通过一个可以快速摘钩拆卸的装置(12)固定在车架上，以便在骑车者摔倒时可以迅速与车子脱开。

4.按权利要求1中的自行车和类似物，其特征在于，旋转部分比较轻便，车轮，链条，自由轮，后车架和车叉比较小，这就使得传动部分小巧而且轻便。

5.自行车和类似物，其特征在于脸朝地面的俯伏位置。骑车者靠以下部位支撑：肢体上部，腋窝区(8)和胸骨部(9)，躯体下部和臀髋部(10)的支撑，臀肌和髋骨区的支承(11)，这种符合解剖学的支撑保证在舒适的驾驶位置上肌肉，循环系统，静脉和淋巴系统以及骑车者的心血管和呼吸系统发挥理想的作用。

6.作用在骨盆肌肉上而不是会阴部带有向前和向下倾斜的臀部支撑一座鞍的自行车和类似物，其中座鞍是平衡系统的一部分，它可以使得支撑更加舒适。

7.按权利要求1的，大腿呈“反重力”运动，对于重力象悬摆一样工作的自行车和类似物，其特征在于，它有足够长的对肌肉的恢复非常有利踏板曲柄(16)。

8.自行车和类似物，其特征在于在骑车者的背后-尾骨-肩用一个半刚性结构支撑来支撑脊柱。

9.带有符合解剖学的肩垫的自行车和类似物是为了有效地支撑肩关节并且阻止身体在蹬车时的滑动。

10.带符合解剖学的支撑围腰胸衣(corset)的自行车和类似物使得骑车者可以采取舒适的向前伸展的驾驶位置。

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