CN2409133Y - 一种省力自行车 - Google Patents

Abstract

一种省力自行车属于力学、机械原理与设计范畴。其主要形状与以往的自行车相似,其特征在于:在大梁的下方安装一个反向双棘轮机构,在原中轴处安装一个辅助链轮,链条m绕过反向双棘轮机构的主动轮和辅助链轮而闭合,链条n绕过反向双棘轮机构的从动轮和后轮飞轮而闭合,安装两个平行的导轨,脚踏板通过夹板和轴承可以在导轨上直线滑动,夹板的另一端分别固定在链条m的前后两侧。本实用新型克服了踏力分解的弊病,解决了踏力利用率低的问题,具有省力的优点。

Description

一种省力自行车

(一)实用新型名称：一种省力自行车。

(二)实用新型所属技术领域：力学、机械原理与设计。

(三)申请人对实用新型的理解：我们在街面上和商店里看到的自行车都是通过脚踏板的圆周运动来传递动力的。这种传动方式有很大的弊病：踏力的利用率很低。

为了使讨论简单，又能代表实际情况，我们假设骑车人加在脚踏板上的踏力F是恒定竖直向下的，如附图1所示。当脚踏板处于任意位置A时，脚踏板和中轴O的连线与铅垂方向成θ角，此时踏力F分解为切向分力F_t＝Fsinθ和径向分力F_n＝Fcosθ，其中切向分力Fsinθ才是自行车前进的驱动力，而径向分力Fcosθ对自行车的前进不起任何作用，白白浪费掉了；只有当脚踏板和中轴O处于同一水平位置B时，踏力F在径向上的分力为Fcos(π/2)＝0，在切向上的分力为Fsin(π/2)＝F，这时的踏力完全转化为驱动力；而当脚踏板处于图1中C和D两个位置时，踏力F在切向上的分力Fsin0和Fsinπ均为0，这说明，此时不论踏力F有多大，自行车都得不到前进的驱动力。

下面简单计算一下踏力F的利用率。

我们都知道骑车过程是左右脚轮流用力的，每次用力都使脚踏板从图1最上端C点沿圆周运动到最下端D点，且左右脚用力的情形完全一样，因此我们可以只讨论一只脚使脚踏板从C点运动到D点的情形，相应地角θ由0增加到π，从前面的讨论知道切向分力F_t是角度θ的函数，即F_t＝Fsinθ，F_t在区间[0，π]上的积分为： ${\∫}_0^{\mathrm{\π}}{F}_t\mathrm{d\θ}={\∫}_0^{\mathrm{\π}}F\sin \mathrm{\θd\θ}=F{\∫}_0^{\mathrm{\π}}\sin \mathrm{\θd\θ}=F{[-\cos \mathrm{\θ}]}_0^{\mathrm{\π}}=2F$ 即附图2中阴影部分的面积。

如果踏力F在传动过程中不分解为径向分力，即F_n＝0，F_t＝F，这时F_t在区间[0，π]上的积分为： ${\∫}_0^{\mathrm{\π}}{F}_t\mathrm{d\θ}={\∫}_0^{\mathrm{\π}}\mathrm{Fd\θ}=F{\∫}_0^{\mathrm{\π}}\mathrm{d\θ}=F{\left[\mathrm{\θ}\right]}_0^{\mathrm{\π}}=\mathrm{\πF}$ 即附图2中矩形的面积。

很明显，踏力F的利用率为图2中阴影部分的面积与矩形面积之比，即为 $\frac{2F}{\mathrm{\πF}}=\frac{2}{\mathrm{\π}}=63.66\%$

这一结果是在不考虑摩擦的情况下得出来的。

本实用新型一改以往自行车的传动方式，变脚踏板圆周运动为直线运动，克服了踏力分解的弊病，从而提高了踏力的利用率，即达到了省力的目的。如果同样不考虑摩擦损耗，可省力36.34％，踏力F的利用率可提高到100％。

但是所有这些优点都是以增加工艺的复杂性和制造成本为代价换取的。

(四)实用新型的目的：提高踏力的利用率，即省力。

(五)实用新型的技术方案：在现有的自行车(包括两个车轮，一个三角架，前叉，车座，车把，链条，脚踏板，后轮飞轮)上安装两个导轨，左右两脚踏板通过夹板和轴承可以在导轨上上下直线滑动。在自行车三角架大梁的下方安装一个反向双棘轮机构。反向双棘轮机构的特征是：主动轮不论是顺时针旋转还是逆时针旋转，从动轮都朝一个方向转动。将自行车中轴改为一个辅助链轮，一根链条绕过辅助链轮和反向双棘轮机构的主动轮而闭合，安装左右两脚踏板的夹板的另一端分别固定在前后两侧链条上。反向双棘轮机构的从动轮通过另一根链条带动自行车后轮的飞轮。

骑车时，左右脚沿着与导轨平行的方向轮流用力向下踏脚踏板，通过夹板和链条带动反向双棘轮机构的主动轮时而顺时针旋转，时而逆时针旋转，由于反向双棘轮机构的特征是从动轮只能朝一个方向旋转，所以可以将左右脚的踏力通过链条都传递到后轮。

在传动过程中，由于踏力、导轨、链条三者平行，踏力不会分解，在不考虑摩擦损耗的情况下，链条的张力应该等于踏力。这样，踏力的利用率会提高，从而达到省力的目的。

(六)实用新型具有下列优点和有益效果：

1、可以达到省力的目的，提高踏力F的利用率。如果不考虑摩擦损耗，可省力36.34％，踏力F的利用率提高到100％。这一点从前面的讨论中很容易理解。

2、链条及棘齿和棘爪所承受的最大张力减小了约百分之五十。因为目前的自行车脚踏板旋转半径大约是中轴大轮盘半径的二倍，如果踏力为F，链条最大张力约为2F(当脚踏板和中轴O处于同一水平线时)，而本实用新型中链条的张力即为踏力F，链条、链轮、棘齿、棘爪的使用寿命延长。

3、夹板27在链条上的位置可以调节，以适应不同身高的人。

4、每次蹬踏脚踏板的幅度可以在最大的范围内随意。

(六)图面说明：

附图1：踏力分解图

O-中轴              A-脚踏板所处的任一位置

F-踏力              θ-OA连线与铅垂方向的夹角

F_t-F的切向分力     F_n-F的法向分力

F_t＝Fsinθ         F_n＝Fcosθ

附图2：踏力切向分力积分图

脚踏板在踏力F的作用下从图1所示的C点沿顺时针方向转动到D点，切向分力F_t＝Fsinθ的积分为图中阴影部分的面积，即2F。

如果F不分解为径向分力，也就是F_t＝F，则切向分力F_t的积分为图中矩形部分的面积，即πF。

附图3：反向双棘轮机构剖面图

图中各部分名称如下：

1、主轴          2、副轴           3、左链轮

4、右链轮        5、左锥形齿       6、右锥形齿

7、中间锥形齿    8、中间锥形齿     9、主轴套

10、主轴套       11、右档          12、左键

13、右键         14、轴承          15、轴承

16、轴承         17、轴承

18、左链轮3上的棘爪座       19、左锥形齿5上的棘齿

20、右档11上的棘爪座        21、右锥形齿6上的棘齿

反向双棘轮机构的装配：

主轴1穿过镶嵌在副轴2内孔里的轴承16与副轴十字形交叉连接起来，副轴2的形状如图4所示，副轴2两端分别安装一个中间锥形齿7和8，这两个中间锥形齿7和8同时与通过轴承15和17分别安装在主轴1上的左锥形齿5和右锥形齿6相啮合，这样形成一个类似汽车后桥差速器的结构，右锥形齿6通过左旋外螺纹与右链轮4相连接，左锥形齿5和右锥形齿6内部分别有棘齿19和21，但方向相反，左链轮3和右档11分别通过键12和键13与主轴1固定起来，左链轮3和右档11上的棘爪座18和20都安装有棘爪，分别与左锥形齿5和右锥形齿6上的棘齿相啮合，轴承15和16之间，16和17之间分别由主轴套9和10隔开，主轴1左端装有轴承14。

反向双棘轮机构的工作原理：

图3所示的反向双棘轮机构中，固定轴承14的外套和副轴2的两端不动，顺着主轴1从左向右看，当左链轮3顺时针旋转时，安装在棘爪座18上的棘爪和左锥形齿5上的棘齿19相啮合，左锥形齿5随之顺时针旋转，通过中间锥形齿7和8，右锥形齿6逆时针旋转，从而带动右链轮4逆时针旋转。由于左链轮3和右档11分别通过键12和键13与主轴1固定起来，所以，当左链轮3顺时针旋转时，右档11也随之顺时针旋转，而此时右锥形齿6逆时针旋转。由于安装在棘爪座20上的棘爪和安装在棘爪座18上的棘爪方向相反，右锥形齿6上的棘齿21和左锥形齿5上的棘齿19方向相反，所以棘爪座20上安装的棘爪和右锥形齿6上的棘齿21脱开，发生滑动。

当左链轮3逆时针旋转时，右档11也逆时针旋转，此时安装在棘爪座20上的棘爪和右锥形齿6上的棘齿21相啮合，从而带动右锥形齿6逆时针旋转。通过中间锥形齿7和8，左锥形齿5顺时针旋转，这时，安装在棘爪座18上的棘爪和左锥形齿5上的棘齿19脱开，发生滑动。逆时针旋转的右锥形齿6仍然带动右链轮4逆时针旋转。

总之，不论左链轮3顺时针旋转还是逆时针旋转，都能带动右链轮4逆时针旋转。

附图4：反向双棘轮机构剖面图中2的零件图

附图5：反向双棘轮机构安装位置图

图3所示的反向双棘轮机构安装在图5所示的P的位置，主轴1与车架平面垂直，左链轮3的轮齿在车大梁的正下方，右链轮4和自行车后轮飞轮在车架的同一侧，副轴2的两端固定在车大梁上，轴承14的外套也固定在车大梁上。

在左链轮3的下方原中轴的位置安装一个与左链轮3等大的辅助链轮r，链条m绕过左链轮3和辅助链轮r闭合，链条n绕过右链轮4和后轮飞轮闭合。

附图6：导轨形状图

附图7：导轨、夹板、轴承相互关系图

在导轨25上分布三个轴承22、23和24，轴承23和轴承24在导轨的同一侧，轴承22在导轨的另一侧，轴承23在轴承22的上方(因为导轨是直立安装的)，距轴承22较近，轴承24在轴承22的下方，距轴承22较远。三个轴承的轴穿过两侧夹板26和27，每根轴的两端都用螺丝把轴和夹板固定起来。这样由两块夹板26和27夹着的三个轴承22、23和24就可以在导轨上滑动。

附图8：导轨安装位置图

将图6所示的工字形导轨25安装在图示的位置，此图是俯视图，m为绕过左链轮3和辅助链轮r的链条，28和29是左右脚踏板，点E和G分别为左右脚踏力F的作用点。导轨以链条m和踏力F的作用线构成的平面对称，导轨的上端固定在自行车大梁上，下端固定在辅助链轮r附近的车架上。夹板27靠近链条m的一端固定在链条上，靠近脚踏板的一端和脚踏板的轴固定起来。

(八)实现实用新型的最好方式：

将图3所示的反向双棘轮机构安装在图5所示的P的位置，主轴1与车架平面垂直，左链轮3的轮齿在车大梁的正下方，右链轮4和自行车后轮飞轮在车架的同一侧，副轴2的两端固定在车大梁上，轴承14的外套也固定在车大梁上。

在左链轮3的下方原中轴的位置安装一个与左链轮3等大的辅助链轮r，链条m绕过左链轮3和辅助链轮r闭合，链条n绕过右链轮4和后轮飞轮闭合。

导轨安装在图8所示的位置，图8是俯视图，m为绕过左链轮3和辅助链轮r的链条，28和29是左右脚踏板，点E和G分别为左右脚踏力F的作用点。导轨以链条m和踏力F的作用线构成的平面对称，导轨的上端固定在自行车大梁上，下端固定在辅助链轮r附近的车架上。夹板27靠近链条m的一端固定在链条上，靠近脚踏板的一端和脚踏板的轴固定起来。

在导轨25上分布三个轴承22、23和24，各轴承的位置如图7所示，轴承23和轴承24在导轨的同一侧，轴承22在导轨的另一侧，轴承23在轴承22的上方(因为导轨是直立安装的)，距轴承22较近，轴承24在轴承22的下方，距轴承22较远。三个轴承的轴穿过两侧夹板26和27，每根轴的两端都用螺丝把轴和夹板固定起来。这样由两块夹板26和27夹着的三个轴承22、23和24就可以在导轨上滑动。

骑车时，左右脚轮流用力向下踏左右两个脚踏板，由于导轨的约束作用，使得轴承22、23、24和夹板26、27以及左右两个脚踏板28、29只能沿与导轨平行的方向作往复运动，从而带动和夹板27相连的链条m往复运动。链条m的往复运动带动左链轮3时而顺时针旋转，时而逆时针旋转。但不管怎样旋转的左链轮3，都能带动右链轮4逆时针旋转，从而通过链条n驱动自行车前进。在整个动力的传动过程中，动力不分解，因此动力的利用率大为提高。

Claims (2)

1、一种省力自行车，前后各一个车轮，有三角架，前叉，车座，车把，链条，脚踏板，后轮飞轮；其特征在于：在三角架大梁的下方安装一个反向双棘轮机构，主轴(1)与车架平面垂直，左链轮(3)的轮齿在车大梁的正下方，右链轮(4)和自行车后轮飞轮在车架的同一侧，副轴(2)的两端固定在车大梁上，轴承(14)的外套也固定在车大梁上，在左链轮(3)的下方原中轴的位置安装一个与左链轮(3)等大的辅助链轮(r)，链条(m)绕过左链轮(3)和辅助链轮(r)闭合，链条(n)绕过右链轮(4)和后轮飞轮闭合，在反向双棘轮机构和辅助链轮(r)之间安装两个与链条(m)平行的导轨(25)，导轨(25)的上端固定在自行车大梁上，下端固定在辅助链轮(r)附近的车架上，在导轨(25)上分布三个轴承(22、23、24)，这三个轴承(22、23、24)的轴穿过两侧夹板(26)和(27)，每根轴的两端都用螺丝把轴和夹板固定起来，夹板(27)靠近链条m的一端固定在链条上，靠近脚踏板的一端和脚踏板的轴固定起来。

2、根据权利要求1所述的一种省力自行车，其特征是：主轴(1)穿过镶嵌在副轴(2)内孔里的轴承(16)与副轴十字形交叉连接起来，副轴(2)两端分别安装一个中间锥形齿(7)和(8)，这两个中间锥形齿(7)和(8)同时与通过轴承(15)和(17)分别安装在主轴(1)上的左锥形齿(5)和右锥形齿(6)相啮合，右锥形齿(6)通过左旋外螺纹与右链轮(4)相连接，左锥形齿(5)和右锥形齿(6)内部分别有棘齿(19)和(21)，但方向相反，左链轮(3)和右档(11)分别通过键(12)和键(13)与主轴(1)固定起来，左链轮(3)和右档(11)上的棘爪座(18)和(20)都安装有棘爪，分别与左锥形齿(5)和右锥形齿(6)上的棘齿相啮合，轴承(15)和(16)之间，(16)和(17)之间分别由主轴套(9)和(10)隔开，主轴(1)左端装有轴承(14)。

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