CN2256747Y - 交递变速器传动的旱冰鞋装置 - Google Patents

Abstract

一种交递变速器传动的旱冰鞋装置，其特点是该旱冰鞋装置由左右脚下的旱冰鞋分别用软轴连接，软轴的另一端与变速器的两条输出轴分别相连接，靠踏行者前后蹬踏实现快速前进，具有娱乐和代步的功能，体积小，重量轻，携带方便，可在旱冰场或者自行车要求相同的道路上使用，安全可靠。

Description

交递变速器传动的旱冰鞋装置

本实用新型涉及一种变速器传动的旱冰鞋装置，靠踏行者前后往复蹬踏实现快速滑行的功能，作为一种代步工具。

目前，轻型的人力助行装置有自行车、滑板、独轮车和旱冰鞋等、现代的自行车外形美观，功能也很好，特别是变速车、山地车等，道路适应性也较好，并且使用也比较安全。关于自行车有数不清的专利申请，有卧式的、外壳封闭的等，但始终没有改变的是有一个尺寸较大的车架，由座垫支撑身体及用双手控制运行方向及平衡。旱冰鞋装置方面，有关滚轮外型及滚轮分布、冰鞋外型及制动方式等也有很多专利，而始终没有改变的，是两个独立的冰鞋分别固定于双脚下，而每只冰鞋的下面则是几个靠芯轴定位且轴线平行的滚轮。

然而，作为人力代步装置，滑板、独轮车和旱冰鞋都不理想。因为滑板和旱冰鞋的滚轮都是自由轮，没有传动装置相联系。而独轮车虽有传动轮与人力相联系，但因其与地面只有一个支撑点，所以与滑板、旱冰鞋一样，都要求使用者有较高的平衡技巧才能控制，因而其安全性差、道路适应性差，一般只能作为体育运动装置在专门场地上使用，多限于青少年及儿童娱乐健身。作为已使用很久的靠人力代步的自行车，现仍为城市和乡村普遍采用，但由于自行车有较长的车身，并且其运动是靠骑行者双手控制其平衡，是属于动平衡稳定型车，因而其运行需达到一定的初速度以上才容易控制平衡，并且其左右及前方需要一定宽度的摆动空间，使自行车不被碰撞，才能安全行驶，再加上自行车脚蹬曲臂短，一般只有20厘米长，限制了人体力量和功率的发挥，因而自行车在坡度稍大的上坡道及闹市区或狭窄的巷道中就很难或不能骑行，这时就只能人推车走，结果更影响交通。由于自行车尺寸较大，随着城市的发展规模越来越大，高层住宅的增多，自行车的使用及停放都越来越不方便，在这种情况下，我们需要一种尺寸小、重量轻、携带及使用安全方便的人力助行装置，方便地上下楼及坡道、乘坐公共车辆等，这样不仅在繁华的大城市，而且在自行车使用不便的山城等，都可以方便地使用。

另一方面，我们从健身的目的分析自行车，它也不是理想的产品。普通自行车为使用方便，其脚蹬与脚之间并没有连在一起，因此行进中只用了向下蹬的力量，所以骑普通自行车对腿部肌肉的锻炼是不均衡的。另一方面，自行车用座垫支撑身体，减少了腿部的疲劳，特别对长途骑车，效果更明显，这是它的优点。但反过来从健身的方面说，就正是它的缺点。大家都有这样的体会，当我们有了自行车以后，特别是长期依靠自行车代步以后，都比较怕徒步走路，特别在走较长的路程时感到很辛苦，其实这便是长期用自行车代步，使腿部的功能有所退化的缘故。

自行车用座垫支撑身体，这样也增加了细菌传播的机会。特别是夏季骑自行车，对保健更不利。

对现代城市人来说，紧张的生活节奏，就更少时间用于锻炼，所以我们也需要一种象自行车一样既可代步，同时对健康锻炼效果更好的装置。

本实用新型的设计目的，是针对现有技术的不足而提供一种重量轻、占地面积小、并具有娱乐健身的功效，运行安全可靠的人力助行装置，即“交递变速器传动的旱冰鞋装置”。

该装置由分别固定于双脚下的二个传动轮踏板(3)，二条软轴(4)和一个变速器(14)组成，其特征是，每条软轴(4)各自与一个传动轮踏板(3)相连，而二条软轴(4)的另一端分别与变速器(14)的两个输出轴相连，这样，构成从一端传动轮踏板(3)下的传动轮(8)通过软轴(4)至变速器(14)，再经另一边软轴到另一端传动轮踏板(3)下的传动轮(8)之间的一条传动线。当一边传动轮滚动时，另一边传动轮也会因传动的联系而一起转动。另外为提高软轴的传动效率，在软轴(4)与传动轮(8)之间利用圆锥齿轮传动器(7)连接，圆锥齿轮传动器(7)的外壳固定于传动轮踏板(3)上，传动轮(8)通过圆锥齿轮传动器(7)的输出轴定位于传动轮踏板(3)下。由于变速器的特殊结构，它总是使两边软轴的转速不同，并且交递变化，一会使左脚传动轮踏板比右脚传动轮踏板快，一会又使右脚传动轮踏板比左脚传动轮踏板快，即在每一个交递周期内，当左脚传动轮踏板比右脚传动轮踏板快，运动到右脚前一个步幅时，又自动反向，右脚传动轮踏板比左脚传动轮踏板快，当右脚传动轮踏板运动到左脚传动轮踏板前一个步幅时，两边速度又自动反向。如此交递进行下去。

变速器(14)由一个偏心齿轮(18)，二个小齿轮(17，21)，二条连杆(19，20)及外壳(15)和端盖(16)组成，其特征在于变速器(14)中偏心齿轮(18)通过偏心轴孔铰连于端盖(16)上的轴(24)，小齿轮(17)的轴铰连于连杆(19)的一端，连杆(19)的另一端与偏心齿轮(18)的圆心轴(25)铰连，小齿轮(17)与偏心齿轮(18)啮合。小齿轮(21)的轴铰连于连杆(20)的一端，连杆(20)的另一端与偏心齿轮(18)圆心轴(25)铰连，小齿轮(21)与偏心齿轮(18)啮合。小齿轮(17)和(21)的轴分别通过外壳(15)上左右两边的导向槽(22)限位并与软轴(4)相连。

要弄清该装置的原理，再回头看看滑板和旱冰鞋的情况。使用过滑板和旱冰鞋的人都知道，滑板的稳定性比旱冰鞋高很多。这是由于滑板支撑面积大，整体性好，人体容易控制平衡；而旱冰鞋则由两脚分别支撑，两踏板之间的相对位置需要由双腿控制。为了控制平衡，需付出额外的代价。实际上，普通旱冰鞋装置也是利用动平衡原理控制平衡的，更由于其前后方稳定性差，安全性远不及自行车及滑板。之所以滑板、自行车稳定性比旱冰鞋高，是因为它们的前后轮之间距离都比较大，并且是用有一定刚性的车架联系起来，前后轮都是以大致相同的速度在地面滚动，前后轮间的位置保持较大的稳定性。因此，要提高旱冰鞋的安全性，就要设法增加双脚下两只冰鞋的联系，但又不能过分减少它的灵活性。

有一种方法，就是将旱冰鞋之间用软轴联系起来，即左脚下的滚轮和右脚下的滚轮用软轴连起来，这样，旱冰鞋左右脚下的滚轮就只能以相同的速度滚动。因此左右踏板的位置在地面上就可以保持相对稳定，好象有一个一定活动度的车架把它们联系在一起，这时也具有了相当高的安全性。然而我们仍可随意调整两踏板的相对位置，所以其灵活性并没有降低。但其推进方式还是和普通旱冰鞋一样，靠侧向蹬踏的分力加速，这样不仅不很方便，而且为调整双脚的位置，还需要经常用单脚支撑身体，变换另一只脚的位置，因此难以常常保持在较高稳定性的状态。所以现在最大的问题，就是要改变这种旱冰鞋的推进方式，改侧向蹬踏为前后蹬踏。这时，左右踏板下的滚轮由于用软轴相连着，只能以相同的转速滚动。如果把滚轮做成腰鼓型，靠控制滚轮与地面接触点位置不同也可实现不同的滚动速度，实现前后蹬踏前进。但这样使用起来还不方便，安全性不高。因此最好是用一种变速器，加在软轴中间，交递变化两边的速比。这样，就能象走路一样，双腿交递前后蹬踏而向前快速运行。

为达到上述要求，变速器有很多方法可以实现。可以用一对椭圆齿轮啮合产生两个交递变化的转速，再用齿轮变速以达到所需转速。也可以用对称输出无极变速器，靠速度转换机构控制交递变化。但结构最简单的方法，还是用一个绕偏心轴转动的圆柱齿轮，带动一对通过连杆与其啮合的小齿轮。小齿轮利用外壳上的导向槽限位。这种传动方式实际是″齿轮连杆机构″的一种变型。在这里为简化结构，利用外壳上的导向槽代替″齿轮连杆机构″中的系杆。

为提高软轴的传动效率，减少弯曲，软轴通过一级圆锥齿轮传动与滚轮相连。

与自行车相比，本实用新型具有如下优点：

(1)零件尺寸较小，体积小、重量轻，便于携带，操作简单，适用面广，不仅能在旱冰场或与自行车要求相当的道路行使，还能在闹市区或狭窄的巷道内行驶。集娱乐性、代步功能及健身效果为一体。

(2)设计合理，双脚作功行程长，省力，可上较大的坡道，加速、减速迅速，机动灵活。经变速器传动后快速、安全可靠。

另外，本实用新型中由于将步行的行走运动变成了传动轮的滚动，因此，即使是一比一的传动——即踏行者双脚往复踏动一个周期前进的行程，与步行时左右脚以同样的步幅迈二步的行程相同，前者也比后者省力。因为在使用该装置行进中，即使有时双脚没有蹬踏板，也会因为人体惯性继续向前运动。双脚的动能通过变速器互相转换，节约了能量。并且在行进中无需抬腿，所以省力。

本实用新型提供的“交递变速器传动的旱冰鞋装置”如图1-5所示：

图1为“交递变速器传动的旱冰鞋装置”示意图。

图2为“交递变速器传动的旱冰鞋装置”的旱冰鞋外形示意图。

图3为旱冰鞋的A-A剖视图。(1)前轮                  (2)前轮支架   (3)传动轮踏板        (4)软轴(5)软管(软管内为软轴)    (6)鞋帮       (7)圆锥齿轮传动器    (8)传动轮(9)穿销(防止软轴头退出)  (10)软管接头  (11)圆锥齿轮         (12)轴承压盖(13)止动销钉             (14)变速器

图4为变速器正面剖示图。

图5为变速器俯视图(已取下端盖16)。(15)变速器外壳           (16)端盖       (17).(21)小齿轮(18)偏心齿轮             (19).(20)连杆  (22)导向槽(23)端盖定位螺丝孔       (24)偏心轴     (25)圆心轴。

在图1中表示了该装置的外型，两只旱冰鞋通过两条软轴(外套软管)与一个变速器相连。在使用中变速器需用皮带固定于腰间。

从图2、图3可知道，该旱冰鞋与普通旱冰鞋不同之处就是自由轮变成了传动轮。传动轮(8)通过锥形齿轮传动器(7)与软轴(4)相连。锥形齿轮传动器(7)的外壳与传动轮踏板(3)的后部焊接或铆接成一体，传动轮(8)通过锥形齿轮传动器(7)而得以在传动轮踏板(3)下定位和支撑身体。

图4、图5为一种变速器的结构。在图中，偏心齿轮(18)通过偏心轴孔铰连于端盖(16)上的轴(24)，偏心齿轮(18)可绕此轴回转。圆心轴(25)的轴线通过偏心齿轮(18)的圆心并与之固联，作为偏心齿轮(18)的圆心轴。小齿轮(17)的转轴通过滚动轴承定位于连杆(19)的一端，小齿轮(21)的转轴通过滚动轴承定位于连杆(20)的一端。小齿轮(17)和(21)分别通过连杆(19)和(20)的另一端与偏心齿轮(18)的圆心轴(25)铰连，并且小齿轮(17)和(21)都与偏心齿轮(18)啮合。小齿轮(17)和(21)的转轴通过变速器外壳(15)上两边的导向槽(22)伸出变速器外并与软轴相连。在变速器运转中，小齿轮(17)和(21)随着偏心齿轮(18)的转动而与之反向转动，并随偏心齿轮(18)的外圆位置变化，小齿轮(17)和(21)的轴线也跟着在各自一边的导向槽(22)内左右往复运动。因有软管接头(10)支撑，小齿轮(17)和(21)的转轴没有与导向槽(22)接触。

下面分析变速器的工作原理：

如图4和图5中的工作状态，假定左脚后蹬，右脚前蹬，这时小齿轮(17)受到左边软轴传来的左旋扭矩(或叫顺时针扭矩)，小齿轮(21)受到右边软轴传来的右旋扭矩(或叫反时针扭矩)，由于小齿轮(17)和(21)都与偏心齿轮(18)啮合，那么小齿轮(17)有使偏心齿轮(18)右旋(或叫反时针旋)的扭矩，小齿轮(21)有使偏心齿轮(18)左旋(或叫顺时针旋)的扭矩。如果不考虑摩擦损失，那么两边小齿轮(17)和(21)对偏心齿轮(18)作用的扭矩正好抵消，即大小相等，方向相反。因为偏心齿轮(18)的转轴(24)没有与它固连，不能单独承受齿轮旋转方向的扭矩。而此时，偏心齿轮(18)的转轴(24)距小齿轮(17)的啮合点近，小齿轮(17)对偏心齿轮(18)作用点距偏心齿轮(18)转动中心(24)的力臂短，偏心齿轮(18)的转动中心(24)距小齿轮(21)的啮合点远，小齿轮(21)对偏心齿轮(18)作用点距偏心齿轮(18)转动中心(24)的力臂长。由力矩与力臂的关系可知，既然对偏心齿轮(18)作用的力矩相等，那么小齿轮(17)对偏心齿轮(18)的作用力比小齿轮(21)对偏心齿轮(18)的作用力大，因小齿轮(17)和(21)的直径相同，因而也就知道此时左边软轴比右边软轴的扭矩大。而软轴的扭矩是由地面摩擦力产生，所以此时左脚后蹬，地面向前推的摩擦力比右脚前蹬产生的地面向后推摩擦力大。此时，人将在地面摩擦力的合力推动下向前运动。这时偏心齿轮(18)顺时针方向转动。由现在传动状态可知，左脚踏板向前的速度比右脚踏板慢，两踏板的相对位置按人用力方向也在发生变化。即该装置能够通过人力输入功而推动前进。

继续向前运行，当偏心齿轮(18)的圆心轴(25)转到其回转轴(24)的左边时，小齿轮(17)与偏心齿轮(18)的啮合点距偏心齿轮(18)的回转轴(24)的距离比齿轮(21)与偏心齿轮(18)的啮合点距回转轴(24)的距离远。这时，如果将用力方向相反，左脚前蹬，右脚后蹬，用上面同样的原理分析可知，人将继续向前运行。由此我们得出结论：只要顺其速度变化节奏用力，就可以实现连续向前推进。

如果在运行中逆着两踏板相对运动的方向用力蹬踏板，则将被减速，甚至还可以倒退着滑行。

所以，该旱冰鞋装置利用这种变速器后，就能靠前后蹬踏实现推进。可以方便地加速、减速、前进、后退，具有很大的机动性，甚至不用制动器也具有较大的安全性。

上面，我们已经清楚了该装置实现传动的原理，现在来分析该装置保持稳定的原理。我们知道，在每一瞬间，两边软轴的转速都有确定的比例关系，因此，我们在运行中任何一只脚受到路面冲击而减速时，另外一只脚也会因传动的联系而一起减速，从而在这一瞬时仍保持两脚位置的稳定性。这样就象双脚站在同一块踏板上一样能保持身体的稳定性。当然如果这个冲击力过大而使传动轮与地面打滑时，身体就会失去平衡了。该装置靠双脚踏板同时着地保持平衡及实现传动，因而当一只脚离地时，就与普通旱冰鞋一样了。所以该装置在运行中要注意保持重心的位置，重心偏离过多，则易使传动轮打滑失去平衡。为提高传动轮与地面的摩擦力，增大安全系数，传动轮可用橡胶及聚氨酯尼龙等做轮面材料。

下面进行一些具体参数的分析(只作一般性分析)：普通自行车，假如最大用50公斤力踩足蹬给车加力，自行车足蹬曲臂长为20厘米，所以大链盘上力矩为：

50公斤×0.2米＝10公斤·米自行车大链盘与飞轮的速比为1∶2.5，所以后轮的力矩应为：

10公斤÷2.5＝4公斤·米普通自行车后轮半径约为0.32米，从而可算出理论牵引力为：

4公斤·米÷0.32米＝12.5公斤这里，我们将本实用新型装置的最大牵引力也按12.5公斤计算，而该装置用软轴传动，若软轴直径取13或16，则相应的软轴可传递的最大扭矩为0.7公斤·米或1.3公斤·米。对于不可改变速比的变速器，软轴两边的速度差不应选得过小，如5∶4等。因为软轴反向受力时力矩比较大，限制了软轴力矩传输。一般应使反向力矩不大于正向力矩的70％。如果该装置两边软轴的速比为1∶2，则传动轮所受最大水平力为：

12.5公斤×2＝25公斤因为软轴的限制，按软轴最大许用扭矩确定，相应的传动轮半径为：

13mm软轴时：R＝0.7公斤·米÷25公斤＝0.028米＝2.8厘米

16mm软轴时：R＝1.3公斤·米÷25公斤＝0.052米＝5.2厘米即用13mm软轴时，传动轮直径不大于5.6厘米；

用16mm软轴时，传动轮直径不大于10.4厘米；周期行程：

若软轴两边的速比为1∶2，设一个周期走过的长度为S，较慢一边走过的长度为S1，则应有：S1+2S1＝S按设计该装置的传动条件，速度较快一边应该比较慢一边在半个周期内多行两个步幅(即由落后一个步幅到超前一个步幅)，所以有：

2S1-S1＝1.5米(一个步幅0.75米)，故：S1＝1.5米故：S＝S1+2S1＝1.5米+3米＝4.5米即在两边速比为1∶2时该装置一个周期运行距离4.5米，所以相应的传动轮转数为：直径5.6厘米时：4.5米÷(π×0.056米)＝25.6转

    直径10厘米时：4.5米÷(π×0.1米)＝14.3转相应的一个周期偏心齿轮(18)应转过一周。显而易见，如果一个周期运行4.5米，则变速器只用一级传动已不可能，必须在变速器内再增加一级变速。这时，与偏心齿轮(18)啮合的小齿轮(17，21)不再与软轴相连，而是通过与之并联的大齿轮来与同软轴相连的另两个小齿轮啮合。这时小齿轮(17，21)不再用导向槽定位而用增加的系杆定位，系杆的另一端铰连于新小齿轮的轴上，从而保证变速器正确啮合传动。此时变速器就是一个有两条连杆、两条系杆的齿轮连杆机构(齿轮连杆机构的工作原理在一般机构学中都有分析，在此不再赘述)。这种变速器由于不需导向槽，故可封闭，从而改善润滑条件而延长使用寿命。变速器用两级传动后，可大大减少齿轮直径，从而缩小变速器尺寸，减轻重量。由于在该装置中，传动系中最薄弱的环节是软轴，更由于有软轴的缓冲，齿轮所受冲击很小，齿轮材料可用小模数硬质齿轮，再尽可能地增大齿宽，则变速器尺寸作成相当于电动工具变速器大小是有可能的。变速器外壳用冲压外壳或铝合金等都可以使重量减轻。这样，就是达到周期行程4.5米时，该装置也是可以满足工作条件的。因为该装置中双脚作功行程长，所以与自行车要求同样大的牵引力时，双脚实际作功的力就可以小很多，这都符合软轴高速、小扭矩的传递特性，有利于充分发挥材料的功能。

以上分析是当一个周期4.5米行程的情形，这已相当于普通自行车的周期行程。由于我们的目的不只是代步，该装置还有娱乐、健身的功能，所以可以且有必要将该装置制成3米甚至1.5米的周期行程，这时变速器的速比就相应小很多。再加上两踏板速度差变大，同样牵引力的情况下，所需的蹬力就更小，传动系统的负荷就更小，可进一步降低重量和制造成本。更轻的重量更便于携带，更可扩大使用范围。周期行程小控制性更大，使用更安全。由于该装置的运行方式象走路一样，这种运行方式本身比较容易习惯，即使很小的周期行程时，并且就如散步一样慢慢踏行，也会觉得很舒适，使人乐于使用该装置，而不会象自行车，骑到人多拥挤的地方就很不安，要继续骑很困难；不骑又得下车推着走，也太麻烦。

每周期行程3米时，若用16mm软轴，直径10厘米传动轮，变速器速比9.5，用13mm软轴，直径5.6厘米传动轮，变速器速比17。

每周期行程1.5米时，用10厘米传动轮，变速器速比4.77，用5.6厘米传动轮，变速器速比8.5。这时，虽然周期行程短一些，但同样大的蹬力却可以爬上相当大的坡道，且由于控制性更好，扩大了其道路适应性。因不同身高和习惯，个人步幅大小不一致，可在偏心齿轮(18)上加工几个不同偏心度的孔选择与轴(24)相配合以调整到所需要的步幅。当然，软轴直径及长度、传动轮的直径及变速器等都可根据个人需要选配。

以上是变速器采用齿轮连杆机构的情形。若要使该装置具有无级变速的功能，则需要用有对称输出的无级变速器，并采用自动换向装置。用高速设计的方法可以减轻重量，例如将软轴(4)与传动轮(8)的速比设计为2∶1或3∶1，采用更小直径的软轴，如10mm等，变速器用圆锥摩擦轮弹性钢环传动，可使整套装置重量更轻，但必须精加工的变速器，可能会增加该装置的成本。此为一种不是最佳的可行方案。

Claims (3)

1.一种交递变速器传动的旱冰鞋装置，含有二个传动轮踏板(3)，二条软轴(4)和一个变速器(14)，其特征在于该旱冰鞋装置的每条软轴(4)各自与一个传动轮踏板(3)相连，而二条软轴(4)的另一端分别与变速器(14)的两个输出轴相连，构成从一端传动轮踏板(3)下的传动轮(8)通过软轴(4)再经变速器(14)，通过另一软轴(4)至另一端传动轮踏板(3)下的传动轮(8)之间的一条传动线。

2.按照权利要求1所述的旱冰鞋装置，其特征在于变速器(14)中偏心齿轮(18)通过偏心轴孔铰连于端盖(16)上的轴(24)，小齿轮(17)的轴铰连于连杆(19)的一端，连杆(19)的另一端与偏心齿轮(18)的圆心轴(25)铰连，小齿轮(17)与偏心齿轮(18)啮合；小齿轮(21)的轴铰连于连杆(20)的一端，连杆(20)的另一端与偏心齿轮(18)圆心轴(25)铰连，小齿轮(21)与偏心齿轮(18)啮合，小齿轮(17)和(21)的转轴分别通过外壳(15)上左右两边的导向槽(22)限位并与软轴(4)相连。

3.按照权利要求1所述的旱冰鞋装置，其特征在于软轴(4)与传动轮(8)之间利用圆锥齿轮传动器(7)连接，圆锥齿轮传动器(7)的外壳固定于传动轮踏板(3)上，传动轮(8)通过圆锥齿轮传动器(7)的输出轴定位于传动轮踏板(3)下。

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