CN2661545Y

CN2661545Y - 往复蹬踏式自行车

Info

Publication number: CN2661545Y
Application number: CNU032676425U
Authority: CN
Inventors: 赵国英
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-07-17
Filing date: 2003-07-17
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2013-07-17

Abstract

本实用新型公开了一种运输工具中的往复蹬踏式自行车，其传动系统由：往复蹬踏的左右脚蹬、换向机构、飞轮及他们之间的连接件等组成。其传动过程是：该左右脚蹬往复蹬踏，带动系在该左右脚蹬曲柄上的绳索往复运动，通过所述换向机构将该绳索传来的往复运动转换成工作时该换向机构输出是一个方向转动的运动，再通过换向机构与该飞轮之间的连接件驱动所述飞轮使自行车行使。该左右脚蹬的运动轨迹接近直线，适合人的双脚对外界施力的较佳运动轨迹，蹬力的输入效率较高，所述换向机构在换向过程中始终是两齿轮轮齿间没有间断的连续的同齿侧啮合，换向可靠，整个传动系统传动效率较高，骑行省力。

Description

往复蹬踏式自行车

技术领域

本实用新型涉及一种运输工具中的往复蹬踏式自行车。

背景技术

目前公众实用的传统自行车在骑行时，人的双脚在蹬动自行车时要作圆周运动，用力的脚从最高点向下蹬踏到最低点的过程中脚的蹬力的作用方向与脚蹬曲柄中心线之间的夹角在大多数时间里远离90度，尤其是脚蹬在回转到上下两个蹬力死点附近时蹬力更不能充分发挥作用，蹬力的输入效率较低，造成整个传动系统效率较低，骑行费力。近年公开的专利申请号为87207545的“往复式”自行车，专利号为93244266.8的“上下蹬踏式”自行车等新型自行车，其传动系统中的换向机构均是采用棘轮棘爪机构(实际上是一种离合机构)换向，在换向时棘爪要嵌入棘轮的齿槽中需要在有间隙的条件下才能实现顺利的嵌入，换向时冲击较大，并且每次换向时的间隙可能是不等的，换向过程中经常会出现短时的动力传递的间断现象，有时因不能顺利的嵌入而导致动力传递失效，可靠性差。

现在公众实用的传统自行车，脚蹬是装在中轴上的以曲柄长度为半径的作定轴转动(见图7)，设受力点为Q，其旋转半周(从最高点到最低点完成一次蹬踏)，所做功的值为：以R为半径的曲柄作定轴转动的力矩M转半周所做的功。设：功为A，蹬力为F，微小位移ds＝R*dθ，位移为ds时所做微功为dA＝F*cosθ*ds＝F*cosθ*R*dθ，其中F*cosθ*R＝F*d＝M……①，所以dA＝M*dθ，A＝∫M*dθ＝∫_-π/2 ^π/2F*cosθ*R*dθ＝2F*R∫₀ ^π/2cosθdθ＝2F*R[sinθ]₀ ^π/2＝2F*R，目前成人使用的传统自行车的脚蹬曲柄长度一般是R＝180mm，设这时的功为A₁，则功A₁＝2*180F＝360F，设Q点转半周所走过的路程为S₁，S₁=(2R*π)/2＝565.487mm，在蹬力F一定的情况下，所做的功为360F。由①式分析可知，在蹬力F一定的情况下脚蹬的曲柄R越长，转动角度的范围θ越小，脚的蹬力与曲柄轴线之间的夹角越接近90度，力矩M越大，蹬力的输入效率就越高，脚蹬作直线运动时θ角始终＝0，这时效率最高。现在实用的传统自行车由于脚蹬曲柄安装在中轴上所以曲柄长度不可能做的很长，曲柄工作时的转动角度的范围是(+π/2至-π/2)，脚的蹬力的作用方向与脚蹬曲柄中心线之间的夹角在大多数时间里远离90度，在±π/2附近处的脚蹬是上下两个蹬力死点，用不上力，所以蹬力的输入效率较低，造成整个传动系统效率较低，骑行费力。近年来所公开的新型自行车其传动系统中的换向机构均是采用棘轮棘爪机构(实际上是离合器)换向，在换向时棘爪要嵌入棘轮的齿槽中需要在有间隙的条件下才能实现顺利的嵌入，换向时冲击较大，并且每次换向时的间隙可能是不等的，换向过程中会出现短时的动力传递的间断现象，动力的传递是不连续的，影响了效率的提高，有时可能不能顺利的嵌入造成动力传递失效的现象，换向可靠性差。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述现有技术中存在的缺陷，提供一种蹬力输入效率较高，换向机构换向可靠，整个传动系统传动效率较高的往复蹬踏式自行车。

为实现上述目的，本实用新型提供一种往复蹬踏式自行车，由车把、车架、前叉、前轮、后轮、鞍座、刹车机构、曲柄安装在后轮两侧的左右脚蹬、换向机构、飞轮及连接该脚蹬与该换向机构的运动输入端的连接件、连接该换向机构的运动输出端与该飞轮之间的连接件组成，该换向机构中的大齿轮是由在轴向间隔一定距离的同轴的齿面相向的两个不完全齿轮盘及从该两个不完全齿轮盘的同一端轮缘上开始将该两个不完全齿轮盘的同一端轮缘沿轴向连接起来的转接齿轮所组成的，该大齿轮是轮缘上全部分布了轮齿的完全齿轮，该大齿轮节线的形状从圆柱形外表面看上去为封闭的空间环形形状，小齿轮与该大齿轮正交啮合，该大齿轮是主动件，其与同轴的螺母固定连接，该螺母上还固定连接有同轴的空间凸轮，该螺母旋拧在丝杆轴的丝杆上，并呈可旋动配合，该空间凸轮的工作廓线靠在只能做定轴转动的滚子上，该空间凸轮工作廓线的形状从圆柱形外表面看上去与该大齿轮封闭的空间环形节线的形状相应，其位置关系是只能做定转动的该滚子沿该空间凸轮的空间环形的工作廓线相对滚动的接触点在某一位置的同时，做定轴转动的被动的该小齿轮沿该大齿轮空间环形的节线相对滚动啮合的啮合点也正好啮合到该大齿轮节线的相应位置。

该丝杆轴上的丝杆与该螺母组成的螺旋副为滚动螺旋副。

本实用新型的优点是将传动系统中的运动输入机构(脚蹬)的运动轨迹设计成了接近直线运动(曲柄的往复转动角度范围尽量的小，曲柄的长度R尽量的长，这样设计接近人的双脚比较舒适的对外界施力的较佳作用轨迹)，来发挥人的双脚做往复蹬踏式运动效率较高的优点，(当该脚蹬运动到往复运动的中间点时，在这一点该绳索与该脚蹬曲柄轴心线之间的夹角为90度，脚的蹬力也正好垂直于该脚蹬曲柄轴心线，以该脚蹬曲柄往复转动的中间点为零坐标轴，该脚蹬曲柄围绕该零坐标轴在正负小角度范围内往复转动的情况下要比做圆周运动的情况下蹬力的输入效率高)。由于在该大齿轮换向过程中，该主、被动齿轮的轮齿之间始终是同一齿侧不间断的接触状态，换向的全过程是该两齿轮轮齿不间断连续的啮合过程，(不存在离合器中的离合现象)，所以没有间隙，而该丝杆轴上的丝杆与该螺母组成的螺旋副采用的是滚动螺旋副，换向时利用滚珠丝杆可逆运动性能好的特点，他们之间的微小间隙可以通过调整螺母预紧力加以消除，在螺母预紧的情况下提高了传动刚度，而不太降低传动效率。解决了采用棘轮棘爪等离合机构换向时因有间隙所造成的动力传递的间断现象和因棘轮棘爪不能顺利的嵌入造成的传递失效现象。这样所组成的自行车其传动系统从运动的输入到传递的全过程具有效率较高，换向可靠，骑行省力的优点。

附图说明

图1、是本实用新型实施方案一的总示意图。

图2、是本实用新型实施方案一的传动系统中换向机构4的正视图。

图3、是图2的A-A剖视图。

图4、是本实用新型实施方案二的总示意图。

图5、是本实用新型实施方案二的传动系统中换向机构4的结构图。

图6、是本实用新型实施方案一、二传动系统中换向机构4中的空间凸轮11沿其工作廓线的平均半径周向展开成平面的环形工作廓线的示意图和沿大齿轮14的节线周向展开成平面的环形节线的示意图。

图7、是人脚蹬动自行车的受力分析图。

具体实施方式

图1、图2、图3、图6给出了本实用新型实施方案一：

左右脚蹬1、2安装在后轮轮轴上，当该两脚蹬处于往复运动的中间点时，绳索3一头与该左脚蹬的曲柄固连，该绳索的中段绕过与丝杆轴6固连的轮盘5一周半或数周半后另一头与该右脚蹬的曲柄固连，该绳索的中间点与轮盘5固连，(也可用链条代替绳索，中间段绕过带齿的轮盘半周)，丝杆轴6的丝杆上旋拧有可调间隙的螺母10，该螺母与空间凸轮11、大齿轮14固连成一体，轴线固定不动的滚子12相对靠在空间凸轮11的工作廓线上并沿其环形工作廓线相对滚动，同时作定轴转动的被动的小齿轮13相对的沿主动的大齿轮14环形节线相对滚动啮合。其运动传递过程是当所述左右脚蹬交替的上下连续蹬踏时，该脚蹬上的曲柄带动绳索3往复运动，该绳索通过轮盘5带动丝杆轴6往复转动，螺母10、空间凸轮11、大齿轮14的运动方式随着做定轴转动的该滚子与该空间凸轮的工作廓线的接触区间的不同而变化。当该滚子沿该空间凸轮工作廓线的AB区间相对移动时(在大齿轮不换向时)该丝杆轴与该螺母、空间凸轮、大齿轮共同转动，当该滚子沿该空间凸轮工作廓线的BCD区间相对移动时(在大齿轮换向过程中)该螺母、空间凸轮、大齿轮在转动的同时还沿该丝杆轴轴线轴向移动，同时该大齿轮带动做定轴转动的该小齿轮工作时一个方向的连续转动，通过与小齿轮13同轴的链轮7及链条8带动飞轮9使自行车行驶。

图4、图5、图6给出了本实用新型的实施方案二：

该实施方案是将换向机构4置于后轮轮轴的轴皮中，这样布置可以省去链条，结构比较紧凑，丝杆轴6两端分别固连有左、右轮盘5，左右脚蹬1、2布置在后轮两侧安装在位于后轮两侧的车架上，该方案的绳索有两根，当该两脚蹬处于往复运动的中间点时，一根绳索的一端与该左脚蹬的曲柄固连并从该左脚蹬出发按某一方向绕该左轮盘五分之三周后另一端固连在该左轮盘上，另一根绳索的一端与该右脚蹬的曲柄固连并从该右脚蹬出发按相反方向绕该右轮盘五分之三周后另一端固连在该右轮盘上。其运动的传递过程是：上下往复连续的踏动该左右脚蹬，该左右脚蹬的曲柄带动绳索3往复运动，该绳索通过轮盘5带动丝杆轴6往复转动，螺母10、空间凸轮11、大齿轮14的运动方式随着做定轴转动的该滚子与该空间凸轮的工作廓线的接触区间的不同而变化。当该滚子沿该空间凸轮工作廓线的AB区间相对移动时(在大齿轮不换向时)该丝杆轴带动该螺母、空间凸轮、大齿轮共同转动，当该滚子沿该空间凸轮工作廓线的BCD区间相对移动时(在大齿轮换向过程中)该螺母、空间凸轮、大齿轮在转动的同时还沿该丝杆轴轴线轴向移动，同时该大齿轮带动做定轴转动的该小齿轮工作时一个方向的连续转动，通过与被动的小齿轮13同轴的齿轮15带动飞轮9转动使自行车行驶。该两个实施方案(实施方案一、二)的脚蹬曲柄安装在位于后轮两侧的车架上或安装在后轮轮轴上，这样布置的优点是曲柄可以相对地设计的比较长，可以在小角度范围内往复转动，该换向机构是采用了所述换向机构4换向，换向连续、平稳、可靠。例如：脚蹬曲柄设计成R＝700mm，其往复转动的角度范围在30度(±15度)的范围内往复转动时，该脚蹬从最高点到最低点踏动一次的距离为362mm，所做的功为：

A＝2F*R∫₀ ^π/12cosθdθ＝2F*R[sinθ]₀ ^π/12＝0.51764F*R，将R＝700mm带入式中，A＝362.36F，这时Q点走过的路程是S2＝2RЛ/12＝366.5mm，由前述可知现在公众实用的成人自行车的脚蹬曲柄长度R＝180mm，蹬踏一次(半圈)脚蹬上的一点Q点走过的路程是S₁＝565.487mm，所做功为A₁＝360F，S₁/S₂＝565.487/366.5＝1.54295(倍)，当本实用新型所设计的自行车的该脚蹬上的Q点走过与传统成人自行车的该脚蹬上的Q点同样多的路程(即：S₂＝565.487mm)时，设这时的功为A₂，可做功为：A₂＝A*1.54295＝362.36F*1.54295＝559.1F。A₂/A₁＝559.1F/360F＝1.553(倍)。设现在实用的传统自行车链轮的传动效率为η₁＝0.95，那么现在实用的传统自行车实际做功为：A₁实＝360F*η₁＝360F*0.95＝342F。本实用新型中的换向机构4有条件采用稀油润滑，润滑条件较好，换向机构4和脚蹬的部分另部件可用轻质材料做成。设：本实用新型从绳索3到丝杆轴6的平均传动效率为η₂＝0.98，大齿轮14到小齿轮13的平均传动效率为η₃＝0.93，实施方案一的链轮7到飞轮9(或实施方案二的齿轮15到飞轮9)的传动效率为η₄＝0.95，那么η_总＝η₂*η₃*η₄＝0.98*0.93*0.95＝0.866。本实用新型实施方案一、二实际做功为：A_2实＝559.1F*η_总＝559.1F*0.866＝484.09F，A_2实/A_1实＝1.4155(倍)。通过以上计算可知：本实用新型所设计的自行车，当脚蹬曲柄长度R＝700mm，其往复转动角度在30度(±15度)的范围内往复转动，采用所述换向机构4可靠的换向，比目前实际使用的传统成人自行车的传动效率提高了41.55％左右。通过改变脚蹬曲柄的长度和转动角度，可获得不同的传动效率。本实用新型也可设计成变速自行车等多种形式。

其基本结构和工作原理如下：

该脚蹬设计成往复蹬踏的形式，其曲柄安装在后轮两侧的车架上或轮轴上，该脚蹬与该飞轮之间的该换向机构的作用是将该脚蹬传来的往复运动转换成连续的转动来驱动该飞轮使自行车行驶。骑行时其脚蹬曲柄可在一定角度范围内往复运动，该脚蹬与该换向机构中运动输入端的该丝杆轴之间用绳索(或用链条)等连接，该换向机构中运动输出端的该小齿轮与所述飞轮之间可用链条(或用齿轮)等连接。当该两脚蹬同时处于往复运动的中间点时，该绳索(或链条)的一端与某一脚蹬曲柄固连并从该脚蹬曲柄出发，在与该丝杆轴固连的轮盘上按某一方向绕一周半或数周半并在缠绕圈数的一半处将该绳索与该轮盘固连(如果是链条就绕轮盘半周，这时该轮盘是带齿的)，该绳索(或链条)的另一头与另一脚蹬曲柄固连，这时该绳索与左右脚蹬的曲柄轴心线之间的夹角为90度，该丝杆轴的丝杆上旋拧有间隙可调并呈可旋动配合的该螺母，该螺母与同轴的该大齿轮、空间凸轮固连成一体，该空间凸轮的工作廓线靠在做定轴转动的滚子上移动，当某一脚蹬从最高位置往下蹬踏时带动该绳索往下运动，经该轮盘使该丝杆轴往绳索运动的方向转动，这时，该滚子从该空间凸轮的环形工作廓线的A点开始沿周向的AB线段相对滚动，由于该空间凸轮工作廓线的AB线段在轴向没有位移，靠在该空间凸轮工作廓线上的该滚子的轴线又是固定不动的，所以在这一区段限制了所述空间凸轮、大齿轮、螺母沿该丝杆轴轴线方向的运动趋势，所述空间凸轮、大齿轮、螺母与该丝杆轴成为一刚体共同作一段回转运动(所述空间凸轮的工作廓线与该滚子的起始接触点相对于该滚子轴心线转过了AB弧度的同时，该大齿轮的轮齿与该小齿轮轮齿的起始啮合点相对于该小齿轮轴心线转过了A’B’弧度)，同时作定轴转动的该小齿轮在该大齿轮的驱动下沿该大齿轮节线的A’B’段相对的滚动啮合(该大齿轮的A’B’段可以用一段扇形圆锥齿轮做成)。从B点开始做定转动的该滚子沿该空间凸轮工作廓线的BCD线段相对地滚动(BCD线段是一段沿该空间凸轮的周向和轴向都有位移的曲线，在这一区段该大齿轮完成换向过程)，当所述丝杆轴回转时由于与该丝杆轴上的丝杆配合的该螺母既有转动的分力又有轴向分力，该滚子的轴线又是固定不动的，所以当做定转动的该滚子沿该空间凸轮工作廓线的BCD线段相对地滚动时该空间凸轮、大齿轮、螺母在转动的同时还沿该丝杆轴轴线轴向移动，同时作定轴转动的该被动小齿轮在该大齿轮的驱动下相对地沿该大齿轮节线的B’C’D’段啮合，在该脚蹬的输入速度不变的情况下，在这一区段该大齿轮的转速是变化的，从B’点开始转动速度逐渐减慢而轴向移动的速度从零逐渐加速，到C’点时该大齿轮瞬间停止转动，而轴向移动的速度达到最大，随着向下蹬踏的该脚蹬继续蹬踏，从C’点开始大齿轮反转，其转动速度从零逐渐加速，而轴向移动的速度逐渐减慢，当该小齿轮啮合到该大齿轮节线的D’点时该大齿轮的转动速度达到最大而轴向移动停止(该大齿轮的B’C’D’段可用部分内圆锥齿轮做成，他与A’B’段的扇形圆锥齿轮转接)，该大齿轮在换向过程中(既该小齿轮相对的沿该大齿轮节线的B’C’D’段的啮合过程中)驱动小齿轮的速度是一个转动加移动的复合运动，当主、被动齿轮轮齿啮合到D’点时，由于用力的那只脚蹬已达到了最低位置，而另一脚蹬由于该绳索的带动下达到了最高位置，当达到最高位置的这只脚蹬连续往下蹬蹋时，该绳索带动该丝杆轴反转，这时该大齿轮、空间凸轮、螺母与该丝杆轴成为一刚体共同按大齿轮在D’点的原有转动方向转动，继续驱动该小齿轮按原有转向继续转动，其运动方式与上述相同，该丝杆轴上的丝杆与该螺母组成的螺旋副采用的是滚动螺旋副，该丝杆与该螺母之间的间隙可以通过调整螺母预紧力加以消除，反转时没有间隙。由于骑行时的两脚蹬是连续的交替蹬踏的，这样周而复始的循环就将该脚蹬的往复运动转换成了该小齿轮工作时的输出运动是一个方向连续的转动来驱动该飞轮使自行车行驶。

Claims

1.一种往复蹬踏式自行车，由车把、车架、前叉、前轮、后轮、鞍座、刹车机构、曲柄安装在后轮两侧的左右脚蹬、换向机构、飞轮及连接该脚蹬与该换向机构的运动输入端的连接件、连接该换向机构的运动输出端与该飞轮之间的连接件组成，该换向机构中的大齿轮是由在轴向间隔一定距离的同轴的齿面相向的两个不完全齿轮盘及从该两个不完全齿轮盘的同一端轮缘上开始将该两个不完全齿轮盘的同一端轮缘沿轴向连接起来的转接齿轮所组成的，该大齿轮是轮缘上全部分布了轮齿的完全齿轮，该大齿轮节线的形状从圆柱形外表面看上去为封闭的空间环形形状，小齿轮与该大齿轮正交啮合，其特征在于：该大齿轮是主动件，其与同轴的螺母固定连接，该螺母上还固定连接有同轴的空间凸轮，该螺母旋拧在丝杆轴的丝杆上，并呈可旋动配合，该空间凸轮的工作廓线靠在只能做定轴转动的滚子上，该空间凸轮工作廓线的形状从圆柱形外表面看上去与该大齿轮封闭的空间环形节线的形状相应，其位置关系是只能做定转动的该滚子沿该空间凸轮的空间环形的工作廓线相对滚动的接触点在某一位置的同时，做定轴转动的被动的该小齿轮沿该大齿轮空间环形的节线相对滚动啮合的啮合点也正好啮合到该大齿轮节线的相应位置。

2.根据权利要求1所述的往复蹬踏式自行车，其特征在于：该丝杆轴上的丝杆与螺母组成的螺旋副为滚动螺旋副。