CN1225377C - 一种非机动车用倍速链轮驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非机动车用倍速链轮驱动装置，包括一个非圆曲线大链轮，其设于被动轴即变速轴上，还包括一套倍速传动机构，其至少包括有一根输入轴即中轴和一根输出轴，该变速轴与所述倍速传动机构的输出轴相连接；所述倍速传动机构可以是一齿轮升速传动机构，其传动比为1∶2。本发明提供的非机动车用倍速链轮驱动装置通过在非圆曲线大链轮与脚踏曲柄之间增加了一套倍速传动机构使得非圆曲线大链轮的根据骑行者在蹬踏脚踏板运动中的运动生理特点设计的大小不等的曲率半径可以在车子的链传动过程中准确地实现，明显地减轻骑行者的体力或是最大限度地提高非机动车的骑行效率。

Description

一种非机动车用倍速链轮驱动装置

技术领域

本发明提供一种非机动车的链轮驱动装置，尤其是一种非机动车用倍速链轮驱动装置。

背景技术

自行车是一种传统的人力驱动交通工具。如今，随着时代的发展，它除了作为交通工具外，更多地成为人们在运动、休闲、竞赛、保健和康复中不可缺少的器械了。因而，出现了运动车、轻便车、折叠车、独轮车、场地赛车和健身车等等不同类型的自行车。

如图1所示，曲柄链轮是自行车中将骑车人的蹬踏力转化为驱动力的核心部件，现在常见的曲柄链轮实际构成了一付杠杆，曲柄是主动臂，链轮是被动臂。在自行车运行中，主动臂的实际长度是随时变化的。它可用曲柄的长度乘以曲柄所在的位置与蹬踏力方向之间夹角α的正弦值(sinα)来表示。而被动臂的实际长度是不变的。

人们在骑自行车时，腿部的发力能力是与膝关节角度大小成正比。人们在蹬踏自行车时，在曲柄运转到不同角度上感受到的阻力差别是很大的。例如，当曲柄的位置与蹬踏力方向夹角为30度时，主动臂为曲柄长度的1/2。此时，脚踏板的位置接近于运转周期中的最高位置，膝关节角度必然较小。腿部发力能力处于较低范围中。当曲柄的位置与蹬踏方向夹角为90度时，主动臂与曲柄等长。而此时脚踏板处于运转周期中的中部，膝关节角度已初步打开，腿部发力能力处于中等范围中。由于被动臂长度不变，这两处的阻力值是相等的。但主动臂长度和腿部发力能力的差别使骑车人感受到的蹬踏阻力差别应在1～2倍左右。人们在骑车上坡时这种感受最强烈。这是这种曲柄链轮机构在用作一般交通工具的自行车上的一个重大缺陷。

各种类型的自行车，由于使用目的等的不同，对其设计要求也有很大区别：作为日常交通工具用的，要求是在常用车速下尽可能的轻便；赛车的要求是能尽力提高骑车人蹬踏力转化为驱动力的效率；健身、康复车则要求在蹬踏过程中能出现设定的阻力变化。

而对这些，新型自行车的设计者们必然要对曲柄链轮结构提出新的技术方案。现在最流行的是设置一组大小不同的大链轮，但是，这样仍然无法调节骑车人在蹬踏自行车时所感受到的阻力的周期性变化，它没能克服传统机构的缺陷。

还有一类方案是将大链轮设计成非圆形状，此类设计在现有技术中不胜枚举，但真正流行的却很鲜见。下面将对此进行分析。

非圆链轮的主导设计思想就是通过不断改变大链轮的半径，使被动臂按照设计要求变化，从而使蹬踏阻力也产生相应的变化，以达到不同的使用目的。人们依据自己的设计思想设计了形状各异的非圆链轮，但事实上往往达不到他们的设计效果。究其原因是，在传统结构的曲柄链轮组成中，被动臂的实际长度是链条与链轮的啮合点(或附近)到链轮轴的垂直距离。

当链轮是圆形时，链轮与链条是逐齿良好啮合的，即如果大链轮有36齿，每当链轮转动10度时，必然又有后续相邻的一个齿进入与链条啮合，链轮上的第一受力点也随之逐齿转移，而这时，无论如何，大链轮的被动臂的实际长度都是不变的。

但是，在非圆大链轮的运转时情况就大不相同。非圆链轮的半径是按照设计者所设想被动臂变化规律变化的，但是链轮的第一受力点却往往不会较精确地按设计者的设定随链轮转动角度同步逐齿转移，所以，链轮被动臂的变化规律就不能被较精确地反映出来。如图2a、2b所示为一个非圆大链轮，其设计者将大链轮设计成如图所示的形状是希望被动臂如该链轮半径的变化规律逐齿一一实现。但从图2b中可以看的，当链轮处于一个转动位置时，链条与链轮在a点处啮合，当它顺时针转动20度时，链轮与链条在b点处啮合，当它顺时针转动到60度时，链轮与链条在c点处啮合，从图中可以看出，a点到b点的齿数大于b点到c点的齿数，由此明显地表明，啮合过的齿数和链轮转过的角度存在一个反比关系，又如图2a所示，当该链轮处于另一个转动位置时，链条与链轮在d点处啮合，当它顺时针转动20度时，链轮与链条在e点处啮合，当它顺时针转动到60度时，链轮与链条在f点处啮合，从图中可以看出，d点到e点的齿数少于e点到f点的齿数，由此明显地表明，啮合过的齿数和链轮转过的角度存在一个正比关系。因此，可以看出这种链轮产生了较大的运动失真。所以，非圆链轮的设计方案往往达不到设计者的预期效果，因此，该方案也就不能被自行车界接受而推广使用。

为了解决上述运动失真的问题，在现有技术中往往采用这种方案，即减小非圆链轮在单位角度内的半径变化率，如日本SHIMANO出品的100GS型椭圆形链轮，其曲率半径变化就较小，将其安装在自行车上，只有细心的人才能看出它是非圆链轮。当然，这样曲率半径变化率很小的链轮在实现诸如省力或其它设计力臂变化要求上也就有限了。

综上所述，在曲柄转动一周中，蹬踏阻力的变化还是较大的，要使得所设计的链轮可以做出与之相适应的被动臂变化，链轮的曲率半径变化率必然应该是较大的。但现有技术中没有一种较理想的技术方案可以使依设计思想而设计出来的非圆大链轮的运动的失真度尽可能地减小。

发明内容

本发明的目的在于改进现有技术中的不足，提供一种可以使所设计的非圆大链轮的曲率半径变化率在一个较大的范围内仍然可以基本不出现运动失真的问题，从而使非圆链轮能真正发挥其所设计的特殊效能的非机动车驱动装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的驱动装置包括一个非圆曲线大链轮，其设于被动轴即变速轴上，还包括一套倍速传动机构，其至少包括有一根输入轴即中轴和一根输出轴，该变速轴与所述倍速传动机构的输出轴相连接；所述倍速传动机构的传动比为1∶2。

在使用本驱动装置驱动非机动车时，将所述倍速传动机构的中轴的两端固联现有的曲柄，在该曲柄的端部可转动地固设脚踏板，通过骑行者的脚踏使所述倍速传动机构得到动力转动，继而通过倍速传动机构带动非圆曲线大链轮转动起来，再通过链条带动小链轮转动而驱动车子前进。

由于本发明改进了大链轮和曲柄之间的传动结构，在其间增设了一个倍速传动机构，蹬踏脚踏板的骑行者使所述曲柄转动180度，大链轮就可以转动360度，这样，原来为了适应人体骑行的运动生理特点及下踏过程中阻力变化规律等等要求，要在大链轮的180度的角度范围内设计的由最大曲率半径到最小曲率半径的变化幅度就可以在360度之内安排。如图2c、2d、2e所示的非圆曲线链轮就是将图2a所示的非圆曲线链轮运动规律在360度内安排后的非圆曲线链轮形状的示意图，图2a示出的是在传统的链轮转动设计中要使链轮的曲率半径具有一个所要求的变化时非圆曲线链轮的形状，而配合使用本发明提供的驱动装置，由于具有一个倍速传动机构，则，能够起到同样被动臂变化规律时，非圆曲线链轮的形状可以制作成如图2c示出的形状，其运动特性可示意性地见图2d、2e所示，如图2d所示，当改变后的非圆曲线链轮处于一个转动位置时，链条与链轮在d’点处啮合，当它顺时针转动40度(对应图2a中转过的20度)时，链轮与链条在e’点处啮合，当它顺时针转动到120度(对应图2a中转过的60度)时，链轮与链条在f’点处啮合，从图中可以看出，d’点到e’点的齿数与e’点到f’点的齿数的差距要小于图2a所示的情形，再如图2e所示，当改变后的非圆曲线链轮处于另一个转动位置时，链条与链轮在a’点处啮合，当它顺时针转动40度(对应图2b中转过的20度)时，链轮与链条在b’点处啮合，当它顺时针转动到120度(对应图2a中转过的60度)时，链轮与链条在c’点处啮合，从图中可以看出，a’点到b’点的齿数与b’点到c’点的齿数的差距要小于图2b所示的情形。比较图2a和图2d及图2b和图2e中的两个非圆曲线链轮转动特性可以看出，在图2d所示的大链轮的单位转过角度内的曲率半径的变化比图2a所示的大链轮在有着同样变化作用和效果的前提下减少一半，因此，图2d中的链轮在使用中其运动失真度是会大大低于图2a所示链轮，使其实际的使用效果能更接近于设计者的设计意图。这是因为在链传动机构中加入了本倍速机构，使在在本发明的装置中使用的大链轮单位转过角度内的曲率半径变化减小了，由此就可以有效地解决现有技术中运动失真的问题。这应是目前非圆曲线链轮传动机构中最能完整体现设计者对链轮曲率半径变化要求的传动机构了。

所述倍速传动机构可以是链轮传动机构，也可以是齿轮传动机构以及其它的变速机构。

作为齿轮传动机构，所述倍速传动机构至少包括一个主动齿轮和一个被动齿轮，所述主动齿轮和被动齿轮的齿数比为2∶1，所述主动齿轮固设于所述中轴上，所述被动齿轮固设于所述输出轴上，该两个齿轮相互啮合。

上述的倍速传动机构结构最为简单，但该机构使车轮的转动方向与脚踏板的转动方向相反。

为了可以使车轮的转向与脚踏板的转动方向一致，可以在倍速传动机构中中轴和输出轴之间设中间轴，在其上设有至少一个齿轮作为介齿轮，以此来调整车轮和脚踏板的转向使其一致。但是这样增加介齿轮的结构会使本倍速传动机构的纵向结构不紧凑，因此，也可以在该中间轴上设有两个齿数相等的齿轮，其分别与所述中轴上的主动齿轮和所述输出轴上的被动齿轮相啮合，以此来将车轮的转向与脚踏板的转向调为一致。

有的时候车轮的转向与脚踏板的转向不一致，对于一些骑行者，尤其是一些健身车的使用者来说是一种可以进行特殊锻炼的车型，为了使车子具有更广泛的适应性，可以提供既可以提供转向一致的运动，又可以提供转向相反的运动的车子，本发明可以提供一种可以换向的所述倍速传动机构。

在本发明提供的倍速链轮驱动装置中，于所述变速轴上还可以再固设一个或一个以上大链轮。该大链轮中可以包括一个或一个以上圆链轮和非圆曲线链轮。使本装置除了根据设计者的不同设计目的构成具有特殊功能的非机动车外，还可以通过调整链条到所述圆链轮上而使车子变成普通的非机动车。另外，所述的大链轮中也可以包括若干个形状不同、大小各异的非圆曲线链轮。通过调整链条到不同的非圆曲线链轮上可以使该非机动车实现设计者不同的设计目的，具有不同的特殊功能。

本发明提供的非机动车用倍速链轮驱动装置通过在非圆曲线大链轮与脚踏曲柄之间增加了一套倍速传动机构使得非圆曲线大链轮的根据骑行者在蹬踏脚踏板运动中的运动生理特点设计的大小不等的曲率半径可以在车子的链传动过程中准确地实现，明显地减轻骑行者的体力，或是最大限度地提高非机动车的骑行效率，或者准确地实现设计者某些特殊的设计目的，使非机动车具有一些特殊的功能而不发生实际运动和力学规律严重偏离设计的运动失真问题。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为现有技术中曲柄及脚踏板与圆形大链轮组合的非机动车驱动装置的结构示意图；

图2为现有技术中非圆曲线大链轮在运动过程中链轮与链条啮合的结构示意图；

图2a和2b及2c、2d和2e为具有同样的运动变化规律但分别与现有技术中的传动装置连接的非圆曲线链轮和作为本发明提供的倍速链轮驱动装置中的非圆曲线链轮的结构示意图和运动示意图；

图3为本发明提供的一种倍速机构的倍速链轮驱动装置的传动结构示意图；

图4为本发明提供的另一种倍速机构的倍速链轮驱动装置的传动结构示意图；

图5为本发明提供的又一种倍速机构的倍速链轮驱动装置的传动结构示意图；

图6为本发明提供的链轮机构构成倍速传动机构的的倍速链轮驱动装置的传动结构示意图；

图7为本发明提供的具有两个非圆曲线大链轮的倍速链轮驱动装置的传动结构示意图。

具体实施方式

如图3所示，本发明提供的倍速链轮驱动装置包括的非圆曲线大链轮在此为一个偏心圆链轮1，其设于变速轴2上，还包括一套倍速传动机构3，其包括两个相互啮合的主动齿轮31和从动齿轮32以及一根中轴33和一根输出轴34，主动齿轮31固设于中轴33上，从动齿轮32固设于输出轴34上，主动齿轮和从动齿轮的齿数比为2∶1。在此，倍速传动机构3中的输出轴34与变速轴2固联为一根轴

在使用时，两个曲柄脚踏板机构4、5分别固设在中轴33的两端。通过骑行者双脚蹬踏脚踏板使倍速链轮驱动装置的中轴33转动，主动齿轮31随之转动，带动设于输出轴34上的从动齿轮32转动，使输出轴34，也就是变速轴转动起来，从而带动偏心圆链轮1转动，使安装有本驱动装置的车子前进。

在本实施例中，车子的行驶方向与脚踏的正方向是相反的，即要使车子向前行进，需要向后蹬踏脚踏板方可。

为了使车子的行驶方向与脚踏的正方向相同，本发明提供的倍速链轮驱动装置可以是如图4的结构。

如图4所示，本发明提供的另一种倍速链轮驱动装置包括的非圆曲线大链轮1a，其设于变速轴2a上，还包括一套倍速传动机构3a，其包括一根中轴33a、一根输出轴34a和一根中间轴35a，中轴和输出轴的转速比为1∶2，以此来设定该倍速传动机构各个齿轮的齿数。在中轴33a上固设主动齿轮31a，在输出轴上固设从动齿轮32a，在中间轴35a上固设两个齿数相等的齿轮351a和352a，齿轮351a与主动齿轮31a啮合，齿轮352a与从动齿轮32a啮合，主动齿轮31a和从动齿轮32a的齿数比为2∶1。在此，倍速传动机构3a中的输出轴34a与变速轴2a为一根轴。一对脚踏曲柄4a和5a分别设于中轴的两端，当将本机构安装在非机动车上后，骑行者通过脚踏板蹬踏该曲柄给中轴以连续的转动的动力，即可在输出轴上输出一个转动的动力驱动非圆曲线链轮转动，其脚踏曲柄转动一周，而非圆曲线链轮则同向转动两周。

在本实施例中，由于增加了中间轴35a和齿轮351a和352a，非圆曲线大链轮1a的转向与脚踏板的转动方向就一致了。

如图5所示，本发明提供的又一种链轮的转向和脚踏板的转向相同和相反可以互换的倍速链轮驱动装置，其包括一个非圆曲线大链轮1b，其设于变速轴2b上，还包括一套倍速传动机构3b，其包括一根3中轴3b、一根输出轴34b和一根中间轴35b，中轴和输出轴的转速比为1∶2，以此来设定该倍速传动机构各个齿轮的齿数。在中轴33b上设有可滑动的齿轮组，其包括一个主动齿轮311b和一个主动齿轮312b，在输出轴34b上固设从动齿轮341b和342b，在中间轴35b上固设两个齿轮351b和352b，其中，中间轴35b上的齿轮352b与输出轴34b上固设的齿轮342b啮合，在中轴33b上的滑动齿轮组中的主动齿轮33 1b通过滑动可以与输出轴34b上的齿轮341b啮合，滑动齿轮组的滑动使上述齿轮311b与齿轮341b脱离啮合后又可以使中轴上的滑动齿轮组中的另一个主动齿轮312b与中间轴35b上的一个固定齿轮351b啮合，而又通过中间轴35b上的另一个固定齿轮352b与输出轴34b上的另一个齿轮342b啮合而将动力传给与输出轴34b固联在一起的变速轴，使非圆曲线大链轮1b转动起来。一对脚踏曲柄4b和5b分别设于中轴的两端。

当中轴33b上的滑动齿轮组滑动到使主动齿轮311b与输出轴34b上的齿轮341b啮合时，非圆曲线大链轮的转向与蹬踏脚踏板的转向相反。当滑动中轴33b上的齿轮组使主动齿轮312b与中间轴35b上齿轮351b啮合，再通过中间轴35b上的另一个齿轮352b与输出轴34b上的齿轮342b啮合，则非圆曲线大链轮的转向就与蹬踏脚踏板的转向一致了。

如图6所示，本驱动装置中的倍速传动机构为链传动机构，其中的非圆曲线大链轮1c固设于变速轴2c上，倍速传动机构3c，其包括两个链轮：主动链轮31c和从动齿轮32c以及一根中轴33c和一根输出轴34c，主动链轮31c固设于中轴33c上，从动链轮32c固设于输出轴34c上，主动链轮和从动链轮的齿数比为2∶1。在此，倍速传动机构3c中的输出轴34c与变速轴2c固联为一根轴。

如图7所示，本驱动装置中的非圆曲线大链轮为形状大小各不相同的两个1d、1e，其均固联在变速轴2上，其它结构如图3所示的实施例相同。实际当中，还可以在变速轴上设置的多数个大链轮中设置一个或几个不同大小的圆链轮，使使用本驱动装置的非机动车可以具有普通车的功能。

Claims (9)

1、一种非机动车用倍速链轮驱动装置，包括一个非圆曲线大链轮，其设于被动轴即变速轴上，其特征在于：还包括一套倍速传动机构，其至少包括有一根输入轴即中轴和一根输出轴，该变速轴与所述倍速传动机构的输出轴相连接；所述倍速传动机构的传动比为1∶2。

2、根据权利要求1所述的倍速链轮驱动装置，其特征在于：所述倍速传动机构为齿轮传动机构或链轮传动机构。

3、根据权利要求1所述的倍速链轮驱动装置，其特征在于：所述倍速传动机构为齿轮传动机构，其中至少包括一个主动齿轮和一个被动齿轮，所述主动齿轮和被动齿轮的齿数比为2∶1，所述主动齿轮固设于所述中轴上，所述被动齿轮固设于所述输出轴上，该两个齿轮相互啮合。

4、根据权利要求3所述的倍速链轮驱动装置，其特征在于：在所述中轴和输出轴之间设中间轴，在其上设有一个齿轮作为介齿轮分别与所述中轴上的主动齿轮和输出轴上的被动齿轮啮合。

5、根据权利要求3所述的倍速链轮驱动装置，其特征在于：在所述倍速传动机构中中轴和输出轴之间设中间轴，所述中间轴上设有两个齿轮，其分别与所述中轴上的主动齿轮和所述输出轴上的被动齿轮相啮合，

6、根据权利要求1所述的倍速链轮驱动装置，其特征在于：所述倍速传动机构为齿轮传动机构，其包括一根中轴、一根输出轴和一根中间轴，在该中轴上设有可滑动的齿轮组，其包括两个主动齿轮，在所述输出轴上固设两个从动齿轮，在所述中间轴上固设两个齿轮，其中，中间轴上的一个齿轮与输出轴上固设的一个齿轮啮合；在中轴上的滑动齿轮组中，通过滑动构成两个传动路线：

路线一为：滑动齿轮组中的一个主动齿轮与输出轴上的一个齿轮啮合；

路线二为：滑动齿轮组中的另一个主动齿轮与中间轴上的一个固定齿轮啮合，而该中间轴上的另一个固定齿轮与输出轴上的齿轮啮合。

7、根据权利要求1至6中任意一项中所述的倍速链轮驱动装置，其特征在于：在所述变速轴还固设一个或一个以上大链轮。

8、根据权利要求7所述的倍速链轮驱动装置，其特征在于：所述的大链轮中包括一个或一个以上圆链轮和非圆曲线链轮。

9、根据权利要求7所述的倍速链轮驱动装置，其特征在于：所述的大链轮中包括若干个形状不同、大小各异的非圆曲线链轮。

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