TW448115B - High efficiency gearing of bicycle by stepping on the pedals up and down alternately - Google Patents

Description

448 1 5 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（1 ) (一) .發明背景 本發明品係屬機械製品；目前的腳踏車是雙腳以圓周 360°爲週期方式踩踏，一腳踩踏180°後，換另一腳再踩 踏180° ，踩踏力的來源爲騎者之身體全部或部分重力，踏 力的方向槪爲垂直地面，因此在踩踏過程中，施於圓周運動 之曲柄臂（與踏板連接之桿）力距爲正弦函數値，爲能有 效利用產生較大力距之踩踏幅（角）度爲踩踏範圍，來節 省騎者之體力及提升腳踏車之傳動性能，設計製造出符合物 理自然法則之更佳踩踏方式之傳動裝置，爲本發明之構想背 景。 (二) .發明槪述 人們生活少不了交通工具，對短途徑之活動，腳踏車 是人們非常適用之價廉物美交通及休閒運動器具，但因腳踏 車須施力踩踏（尤其遇上坡路段:）、速度慢等缺點，而不 太爲一般人們所喜愛，因此人們不斷地改良腳踏車，或製造 以電池爲配合動力之腳踏車，均期使人們更加喜歡此種環保 •交通工具；本發明品可藉其省力及提高輸出功率等特點，來 增加腳踏車之使用需求，進而爲解決目前所面臨之能源不 足、空氣污染、交通混亂等問題提出小小貢獻。 本發明品爲利用正齒輪、自轉輪、曲柄軸各二個，及 小齒輪箱'自轉輪間之小鏈條各一個所組成之傳動裝置（各 元件爲鋼鐵材質），取代傳統式之一個曲柄軸，雖然構造上 較傳統式稍爲複雜，但其構造仍爲十分簡單，踩踏之方式由 雙腳圓周踩踏方式革命性地改爲上下（弧形）交互踩踏方 il·—Γ.--, ...I 裝—----------、線 (諝先聞绩背面之注意事項再填窝本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS } A4規格（210X297公釐） 448 ? ί Α7 Β7 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製

五、發明説明（2) 式，踩踏之輸出功率大幅提升，如選擇雙腳踩踏幅度之曲柄 角（曲柄臂與水平軸之夾角）爲± 45°範圍爲例（上下 踩踏幅度可於曲柄角± 90°間自由選擇），當上下踩踏及 圓周踩踏方式，均以相同之角速度、曲柄臂長度、及踏力踩 踏時，上下踩踏方式之「平均輸出功率」較圓周方式增加 41.3%，且因上下踩踏方式之雙腿上下運動幅度減小，騎者 較不浪費體力。 (三)·發明的詳細說明 各圖式之簡單說明： 圖1表示以曲柄臂長度爲R，踩踏力爲F，踩踏傳統腳踏車 之曲柄臂半週期（180° )之動作圖。 圖2爲圖、1之踩踏180°動作所產生之角度-力距正弦圖， 在踩踏過程中，曲柄角爲0°時，產生之力距爲最大，曲柄 角爲45°時，其力距爲最大力距之0.707倍。 圖3表示傳統腳踏車踩踏一週期360° (左右腳L、R各踩 踏180° )之角度一力距正弦圖，當曲柄角爲〇°時，產生 之力蹈爲最大，一週期之「平均力距」爲最大力跑之〇·έ37 倍。 圖4爲新發明之上下踩踏式之曲柄臂（長度較傳統式稍長） 動作圖，當右曲柄臂逆時針踩向下時，二個嚙合正齒輪 2、3使左曲柄臂η順時針向上運動，且在踩踏過程中， 二曲柄角α—直維持相等；換腳踩踏動作亦然。 圖5表示二曲柄臂在圖4之上下踩踏範圍，爲曲柄角（α)在 土 45°時，所產生之角度一力距圖，在此圖中左右腳L、R (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝- 1r 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 448 " b 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 主、發明説明（3 ) 各踩踏二次90。.（合計爲2 π )，即將圖3之Θ由;r/4至3 π/4之正弦函數重復取出四次，在曲柄角α爲〇°時，產 生之力距爲最大，踩踏360°之「平均力距」爲最大力距之 0.9 倍。 圖6表示本發明品安裝於腳踏車車架之枏關位置。-圖7爲本發明品平面構造圖（俯視圖）。 圖8、9、10爲本發明品各組件平面圖（側視圖）。 圖11、12、13爲圖8、9、1〇之立體圖。 圖Η爲踩踏右踏板時，踏力傳動方向之說明圖。 圖15爲踩踏左踏板時，踏力傳動方向之說明圖。 各元件符號之表示： 在圖7中，1爲車架上之長形小「齒輪箱（gearbox)」，2、 3爲嚙合著的相同「正齒輪（spur gear)」，4、5爲相同之 「曲柄軸（crank axle )」，6、7爲相同之「自轉輪（free wheel)」’ 8爲以鏈條連接後輪自轉輪之「鏈輪（chain wheel)」，9爲左右曲柄臂上之「踏板（pedal)」，10、11 爲右左腳之「曲柄臂（crank arm )」；在圖9、1〇中，13爲 結合曲柄軸與自轉輪之「楔（wedge)」，14爲連接二個自轉 輪之「小鏈條（chain )」；在圖11中，12爲鏈輪與曲柄軸 連接之「軸承（bearing)」。 新發明與傳統踩踏式之物理特性分析（以相同之曲柄臂長 R、踏力F、踏速Ο予以比較）： (1).對於傳統圚周踩踏式（參考圖1、3 )，左右腳踩踏 一圈360°之「平均力距」爲： 09 •言 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

本紙張尺度通用中國國家祿率（CNS ) A4規格（210X297公釐） 448 5 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 B7 ¥、發明説明（4) 7Γ avl =咖[S。F Rsin 0d0 + $ FRsin^d^ ] 7f.

=0 .637 FR =0 .637 r max ( Γ max = F R 當 0 = ττ / 2 之力距） (2) .對於新發明上下踩踏式（參考圖4、5 ) ’以左右腳踩 踏幅度在曲柄角爲± 45°時，其踩踏360°之「平均力 距」T* av 2爲. r av2 = Vm [ f 3/4 ^ FRsin^d(9 ] x 4 J !4 ;r

=0.9 F R =0.9 r max ( X max =： F R 當a = 〇時之力距） (3) .第（1)、（2)項之「平均力距」比爲： I* av2 / Z* avi = 0.9 / 0.637 = 1.413 (增加 41.3% ) (4) .當新發明與傳統腳踏式之踩踏角速度均爲ω時，第 (1 )、（ 2)項之「平均輸出功率」比爲： Ρ2 / Pi = Γ av2 (sd / Γ avl 6ι) = X av2 / Γ avl =0.9/0.637 =1.413 (增力口 41.3%) (5 ).當新發明與傳統腳踏式以相同之踏速ω踩踏，第（1)、 (2)項之「行車速度」比爲： P2 / Pi = (V2 / Vi) = 1.413 -4- 本紙張尺度適用中國國家梯率（CNS ) A4規格（210X297公釐） —-----..----- 裝-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 .—線 A7 B7 五、發明説明（5 ) V2 / Vi= 1.189 (不考慮空氣阻力，增加18.9%). 新發明品之構造及裝置方法： 參考圖7’長形小齒輪箱1內部有二個嚙合之正齒輪2、3， 均套接於曲柄軸4、5 ;曲柄軸4、5與齒輪箱1是以軸承 接合，但與正齒輪2、3是以楔固定接合（參考圖9 ); 在小齒輪箱外側’自轉輪6、7以楔固定套接於曲柄軸4、 5 ’ 一小鏈條套接於自轉輪6、7之外緣齒上（參考圖1〇 ); 鏈輪8以軸承套接於曲柄軸4上，鏈輪8左側邊與相鄰之自 轉輪6之外緣齒輪右側邊固定接合；曲柄軸4右側、5左側 末端各與曲柄臂10、11固定接合。 本發明品之踏力傳動過程說明： 參考圖14，當踩踏右腳曲柄臂10時，曲柄軸4連動自 轉輪6之內外側、鏈條14同時逆時計轉動，因自轉輪6之 外緣齒輪側邊與鏈輪8之相鄰側邊固定接合，因此連動鏈輪 8逆時計轉動，鏈輪8以與後輪之自轉輪（可爲多段變速） 套接之鏈條，將右腳之踏力傳至後輪，而使車前進；在右腳 向下踩踏之同時，因互相嚙合之正齒輪2、3固定套接於曲 柄軸4、5上（參考圖9 )，而使曲柄軸5與曲柄軸4反向 轉動，即曲柄軸5爲順時計轉動，.自轉輪7之內側亦隨同順 時計轉動，但其外緣之齒輪跟隨鏈條逆時計轉動，自轉輪7 之內外側相互反向空轉，當右腳踩下適當幅度後，則可更換 左腳向下踩踏自動升起之左踏板。 參考圖15，當踩踏左腳曲柄臂11時，曲柄軸5連動自 轉輪7之內外側、鏈條14同時逆時計轉動，鏈條14連動自 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝. 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 $^尺度適用中國國家榇準（CNS ) A4规格(210X297公釐） 448 ” 5 A7 ,, B7 —t----- 芦、發明説明（6 ) 轉輪6之外側齒輪亦逆向轉動，因自轉輪6之外緣齒輪側邊 與鏈輪8之相鄰側邊固定接合，因此連動鏈輪8逆時計轉 動，鏈輪8以與後輪之自轉輪套接之鏈條，將左腳之踏力傳 至後輪，而使車前進；在左腳向下踩踏的同時，因互相嚙合 之正齒輪2、3固定套接於曲柄軸4、5上（參考圖9 )， 而使曲柄軸4與曲柄軸5反向轉動，即曲柄軸4爲順時計轉 動，自轉輪6之內側亦隨同順時計轉動，但外側之齒輪跟隨 鏈條逆時計轉動，自轉輪6之內外側相互反向空轉，當左腳 踩下適當幅度後，則可更換右腳向下踩踏自動升起之右踏 板。 "An ^^—1. ^1· ,·.、 0¾ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

'-IT 經濟部中央標準局員.工消費合作社印製 本紙乐尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） <148 1 0年ϋ

經濟部中央標準局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明説明（ 圖示簡單說明： 圖1係傳統以踏力F，踩踏長度R之曲柄臂半週期之示意圖。 圖2係圖1之角度一力距圖，當曲柄角爲0° (0=90° )時， 力距最大，當曲柄角45°時，力距爲最大力距之0.707倍。 圖3係傳統左右腳L、R各踩踏半週期之角度_力距圖，力距 在曲柄角爲0°時最大，一週期之「平均力距」爲最大力 距之0.637倍。 圖4係本發明之上下踩踏式之曲柄臂動作圖，當踩下右曲柄 臂，左曲柄臂則上升，二α角一直維持相等；換腳踏亦然。 圖5係踩踏範圍在曲柄角爲± 45°時，所產生之角度一力距 圖，左右腳L、R各踩踏二次90° ，力距在曲柄角爲〇° 時最大，踩踏360°之「平均力距」爲最大力距之0.9倍。 圖6係本發明品位於車架之相關位置。 圖7係本發明品平面構造圖（俯視圖）。 圖8、9、10爲本發明品各組件平面圖（側視圖）。 圖11、12、.13爲圖8、9、1〇之立體圖。 圖14爲踩轉右踏板時，踏力傳動方向圖。 圖15爲踩踏左踏板時，踏力傳動方向圖。 主要元件符號之表示： 1爲「齒輪箱（gearbox)」，2、3爲「正齒輪（spurgear)」， 4、5爲「曲柄軸（crank axle )」，6、7爲「自轉輪（free wheel )」，8爲「鏈輪（chain wheel )」，10、11爲右左腳之「曲 柄臂（crank arm )」’ 14爲連接二個自轉輪之「小鏈條 (chain)」，12爲鏈輪與曲柄軸連接之「軸承（bearing)」。' 本紙張尺度適用中國國家標準（C.NS ) A4規格（210X297公釐） n'^j f— n ΙΊ I -- I I n --"^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

Claims (1)

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   Α8 B8 C8 D8 六、申請專利範_ 一種腳踏車之上下交互踩踏省力型傳動裝置，該裝置有二支曲 柄軸，二曲柄軸以軸承固定於齒輪箱上，S令齒輪箱之內部’嚙 合著相同的二正齒輪，固定套接於二曲柄軸上，於齒輪箱之外 部，相同之二自轉輪亦固定套接於二曲柄軸上，二自轉輪套接 —小鏈條，一個鏈輪以軸承套接於其中之一的曲柄軸上，鏈輪 側邊與相鄰之自轉輪外緣齒輪側邊接合；騎車方式是左右腳上 下交互踩踏左右踏板，左右腳之踩踏幅度可在曲柄角（曲柄 臂與水平軸之夾角）爲± 90°間自由選擇；本裝置之特徵在 於：騎者可選擇在產生力距較大之範圍上下踩踏，以增加轉動 效能及省力（適當增加習用腳踏車之曲柄臂長度及後車輪輪 徑，效果會更佳）。 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）