CN100355623C - 自行车脚踏变速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自行车变速装置，确切的说是一种使用脚踏方式进行变速的装置，是将自行车链轮中轴加以改进，在中轴上设置快、慢速两组齿轮，安装了滚轮支架、变速弹簧等机件，以及与快、慢速两组齿轮相啮合的从动齿轮，变速操作逆向旋转脚踏臂约45度，产生变速换档推力，使快、慢速两组齿轮与从动齿轮啮合或分离，实现变速切换。脚踏变速器具有变速操作简便，变速速比大，换档速度快，适用于慢速向快速变速(小轮车)或快速向慢速变速(大轮车)，能配套两轮车、三轮车或人力车、电动车等多种车型，变速器结构简单，工作可靠，安装简便，克服了现有产品变速速比小、操作不便、变速换链、容易掉链等技术缺陷。

Description

自行车脚踏变速器

技术领域

本发明涉及一种自行车变速装置，确切的说是一种使用脚踏逆旋方式进行变速的装置。

背景技术

现有的自行车变速器大多数是以链条传动，通过调整主动链轮(中轴)与从动链轮(飞轮)的直径大小变化，达到改变传动速比的目的。这种链传动变速器有以下缺陷：变速速比不能变化过大，虽然有的变速装置多达十多级变速档位，但要从最快速变换到最慢速，必须通过多级链轮(飞轮)逐级过度才能实现变速，每一次的变速切换速比小；在变速过程中链条、链轮频繁切换，容易出现链条脱离链轮的故障；变速过程中特别是在上坡时，链条切换未挂好车轮失去驱动力，容易造成失速摔到；变速切换是手动操作，需要安装变速拉索等附件，操作使用不够方便。

发明内容

本发明为改进现有的自行车变速装置结构，克服存在的技术缺陷，提供一种不改变现有自行车的链条传动方式和链轮轴距，不需要链条链轮变速换位和安装变速操纵拉索等附件，变速速比大，变速切换快、安装简便，操作容易的一种自行车脚踏变速器。

本发明的技术解决方案是：所述的一种自行车脚踏变速器，包括自行车的传动链条链轮和链轮中轴，所述链轮中轴下方装有同轴联体结构的从动齿轮，从动齿轮上设有同轴梯级齿轮，其齿面一端与慢速齿轮的齿面固定啮合(常啮合)，另一端与快速齿轮滑动啮合或分离(不啮合)。

所述链轮中轴为三段台阶式实心轴，其外径最大的中段是花键轴，链轮中轴同轴安装有快、慢速两组齿轮和滚轮支架以及变速弹簧、让位弹簧等机件；所述慢速齿轮内径以滚珠与链轮中轴相连接，其左端面固定连接法兰盘，法兰盘固定连接链轮；所述快速齿轮内径为花键孔，与链轮中轴中段的花键轴相配，并能够在链轮中轴上左右位移，与花键轴同步旋转，在快速齿轮的左端面有与慢速齿轮模数、节圆相同的内齿圈，在快速齿轮的右端面有轴向对称的环状凸凹坡面；所述滚珠支架轴向对称的两端安装有滚轮，并在其一端安装有棘爪作用于变速器壳体上的棘轮齿圈，构成逆旋止动装置；所述变速弹簧、让位弹簧均套装于链轮中轴，变速弹簧安装位于快、慢速齿轮之间，变速弹簧的左端固定于花键轴的左端径向凹槽处，右端与快速齿轮左端面相接，让位弹簧的左端与安装于花键轴右端的挡圈相接，右端与右内圈相接。

本发明所述的使用脚踏方式进行变速的工作原理和变速过程是，自行车在正常骑行时，脚踏旋转带动链轮中轴，链轮中轴上的花键轴段插入快速齿轮(内花键孔)，快速齿轮与链轮中轴同步同向旋转并带动与快速齿轮啮合的从动齿轮旋转，同轴联体的从动齿轮另一齿面与慢速齿轮啮合(常啮合传动方式)，带动慢速齿轮旋转，慢速齿轮带动固定在齿轮一端的法兰盘，法兰盘与链轮相连接并同步同向旋转，带动传动链条驱动后车轮旋转。因为快速齿轮的外径大于与其啮合的从动齿轮，从动齿轮的另一齿面外径大于(或等于)与其啮合的慢速齿轮，所以链轮中轴与快速齿轮旋转一圈，通过从动齿轮传递到慢速齿轮以及链轮的传动速比大于一圈(即脚踏旋转一圈，链轮旋转大于一圈)。在需要变速时，踩脚踏逆旋链轮中轴约1/4圈，安装在链轮中轴花键轴段的快速齿轮同步同向逆旋，快速齿轮的右端面有轴向对称的环状坡面，环状坡面与安装在链轮中轴上的滚轮支架上的滚轮相接，滚轮支架径向一端安装有棘爪，棘爪与变速器壳体上的棘齿相作用产生逆旋止动，致使滚轮支架不能随同链轮中轴同步逆旋，滚轮支架上所安装的滚轮与快速齿轮的右端面轴向对称的环状坡面相接处产生了约1/4圈的旋转角位移，滚轮沿快速齿轮右端面轴向对称的环状坡面位移至环状坡面上的凸部(高点)，滚轮在位移至环状坡面上凸部(高点)的过程中，把快速齿轮向左推顶位移与从动齿轮的啮合分离，快速齿轮的左端内齿圈与慢速齿轮的外齿啮合(慢速齿轮外齿与快速齿轮左端内齿圈的齿轮模数、节圆相等，啮合以后为同轴同部旋转)，传动速比为1∶1(即脚踏旋转一圈，链轮旋转一圈)。快速齿轮在向左推移与慢速齿轮啮合过程中，同时压缩位于两齿轮之间变速弹簧(储能)。如果需要再变速，再次踩脚踏逆旋链轮中轴约1/4圈，快速齿轮再次逆旋，顶住快速齿轮右端面的轴向对称环状坡面凸部(高点)上的滚轮，随滚轮支架与链轮中轴再次产生了约1/4圈的旋转角位移，滚轮及支架位移至快速齿轮右端面轴向对称环状坡面上的凹处，滚轮不再顶住快速齿轮的右端面，快速齿轮受已被压缩的变速弹簧作用力的推移，产生向右位移与慢速齿轮的啮合分离，与从动齿轮右端齿面啮合传动。如再踩脚踏逆旋链轮中轴约1/4圈，则是重复以上快→慢→快→慢的反复循环变速过程。

本发明附图是可应用于大、小轮自行车的脚踏变速器结构示意图。如应用于大轮自行车，应配用小链轮，在平坦道路上正常骑行时中轴旋转一圈，主动链轮的旋转大于一圈(快速)，传动速比(脚踏臂与链轮旋转圈数之比)为1∶1.5-2.5；在载重和上坡时变为慢速，传动速比为1∶1，因为是配用小链轮，故有加大旋转扭力的作用。如应用于小轮自行车，应配用大链轮(常规链轮)，慢速传动速比为1∶1，快速传动速比为1∶1.5-2.5。作为本发明的进一步改进，快慢变速的方向可以调整，只需将本发明技术方案的快慢速齿轮的外径尺寸互换及反向安装从动齿轮即可。按照以上技术方案，在结构上稍作改动，还可以实现快、中、慢三速变速。

本发明的有益效果是：①脚控操作逆旋变速，既快速简便又省掉了手动变速操作的拉索操控附件；②变速时通过齿轮啮合或分离方式传动，不需要进行链条切换，不会产生变速掉链的故障；③变速速比大，可以一步到位进行最高速到最低速的变速切换；④变速快捷，利用弹簧推力瞬间完成齿轮啮合，不会出现变速链条切换时间长造成车轮缺失驱动力；⑤安装简便，不改变普通自行车的链传动方式和安装轴距，仅改变普通自行车的中轴结构；⑥变速互换和配套适应性强，既可以应用于大轮自行车，又可以应用于小轮自行车，还适用于人力三轮车或电动自行车等。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明的安装示意图；

图2是本发明的总体结构示意图；

图3是本发明变速时齿轮轴向位移与啮合示意图；

图4是本发明变速时齿轮向左位移未啮合状态滚轮支架让位示意图；

图5是本发明变速时齿轮向右位移未啮合状态及滚轮状态示意图；

图6是滚轮以及滚轮支架、棘爪、棘齿结构示意图；

图7是快速齿轮右端面环状坡面凸凹部结构示意图；

图8是慢速齿轮与法兰盘连接结构示意图；

图9是链轮中轴结构示意图。

图中标注数字序号的零件名称是(参见附图2)：(1)链轮中轴，(2)左内圈，(3)法兰盘(4)链轮，(5)左右外圈，(6)滚珠，(7)慢速齿轮，(8)变速弹簧，(9)快速齿轮，(10)滚轮，(11)滚轮销轴，(12)滚轮支架，(13)棘爪，(14)棘爪销轴，(15)变速器壳体，(16)右内圈，(17)止动销，(18)让位弹簧，(19)让位簧挡圈，(20)从动齿轮内圈，(21)从动齿轮，(22)从动齿轮销轴。

具体实施方式

参见附图2，链轮中轴1同轴安装有慢速齿轮7快速齿轮9和滚轮支架12以及变速弹簧8、让位弹簧18、让位簧挡圈19、左右内圈2与16等；慢速齿轮7右端内孔有滚珠6与链轮中轴1相接，左端内孔有滚珠6与左内圈2相接，左内圈2以螺纹镶套固定在链轮中轴1的左端，慢速齿轮7左端外径镶套固定有法兰盘3(参见附图8，M为凸起处N为凹槽处镶套固定)，法兰盘3左端安装固定链轮4，法兰盘3右端以滚珠6与左右外圈5相接，左右外圈5镶套固定在变速器壳体15的两端；链轮中轴1中段为花键轴，快速齿轮9镶套在花键轴段，快速齿轮9左端面有内齿圈(与慢速齿轮啮合使用)，因为花键作用快速齿轮9可在花键槽内轴向移动并随链轮中轴1同步旋转，快速齿轮9右端面有轴向对称的环状坡面(参见附图7，J为环状坡面凸部对称高点，K为环状坡面凹部对称低点，L为内花键孔)；在慢速齿轮7与快速齿轮9之间的链轮中轴1花键轴段，镶套有变速弹簧8，变速弹簧8左端卡在花键轴段左端径向凹槽内定位止动(参见附图9，O为左端凹槽，P为花键轴段)，右端压在快速齿轮9的左端面内齿圈内，将快速齿轮9向右推压紧贴滚轮10为止；在链轮中轴1花键轴段的右端，镶套有让位簧挡圈19，让位簧挡圈19的左端，镶套有滚轮支架12，滚轮支架12可以绕链轮中轴1旋转，滚轮支架12两端左边安装有滚轮10，滚轮10由滚轮销轴11固定并可旋转贴紧快速齿轮9右端的环状坡面(参见附图6，I为止动棘齿)，滚轮支架12的右边安装有棘爪销轴14以固定棘爪13，棘爪13的齿尖部分作用于变速器壳体15上的棘齿圈，如果链轮中轴1逆旋变速，棘爪13卡进棘齿而止动(不能逆旋)；在让位簧挡圈19的右端，镶套有让位弹簧18，弹簧18被压缩在让位簧挡圈19与右内圈16之间，其弹簧压缩力大于变速弹簧8的压缩力，右内圈16螺纹连接链轮中轴1并被止动销17固定在链轮中轴1的右端，其外径以滚珠6与左右外圈5相接，左右外圈5镶套固定在变速器壳体15的两端；慢速齿轮7快速齿轮9的下方安装有从动齿轮21，从动齿轮21是同轴联体梯级齿轮，其左端与慢速齿轮7以常啮合方式啮合，其右端与快速齿轮9啮合或者变速分离不啮合，从动齿轮21以滚珠6与从动齿轮内圈20相接，从动齿轮内圈20固定在从动齿轮销轴22两端，从动齿轮销轴22固定在变速器壳体15下方两端的安装孔内。

脚踏逆旋变速器的工作过程是，旋转链轮中轴1，链轮中轴1的花键将旋转力传递至快速齿轮9，快速齿轮9与从动齿轮21右端齿轮啮合，快速齿轮9的外径大于从动齿轮21的外径，从动齿轮21获得提高转速并通过左端齿轮将旋转力传递至慢速齿轮7，慢速齿轮7带动法兰盘3和链轮4旋转并获得提高转速(变速快速状态)。如果需要变速踩脚踏将链轮中轴1逆旋约1/4圈，快速齿轮9随之逆旋约1/4圈，但是滚轮支架12因为棘爪13作用于变速器壳体15上的棘齿而止动(不能逆旋)，快速齿轮9右端面轴向对称的环状坡面上凹处所紧贴的滚轮10，在快速齿轮9逆旋约1/4圈的过程中沿环状坡面位移到凸起处，环状坡面上所紧贴的滚轮10将快速齿轮9向左推移，环状坡面上的凸凹处高低差就是快速齿轮9轴向移动的距离，快速齿轮9与从动齿轮21的传动啮合分离向左位移，在向左位移的同时压缩变速弹簧8储能，位移到位以后其左端面的内齿圈插入慢速齿轮7的外齿面(慢速齿轮7与快速齿轮9的内齿圈齿轮模数、节圆相同)，使慢速齿轮7与快速齿轮9处于插入啮合状态(或称结合)，链轮中轴1的花键将旋转力传递至快速齿轮9，快速齿轮9传递至慢速齿轮7(同步旋转)，慢速齿轮7将旋转力传递至法兰盘3和链轮4，传动速比为1∶1变速慢速状态(参见附图3，A为两齿轮内外齿啮合状态，B为支架及滚轮顶住快速齿轮左移，C为变速弹簧被压缩储能)。以上就是快速向慢速变速的全过程，在慢速档再向快速档变速，重复踩脚踏将链轮中轴1逆旋约1/4圈，快速齿轮9右端面轴向对称的环状坡面上的凸起处所紧贴的滚轮10，在快速齿轮9逆旋约1/4圈的过程中沿环状坡面位移到凹处，环状坡面上所紧贴的滚轮10在凹处失去推顶快速齿轮9的作用，快速齿轮9被压缩储能的变速弹簧8推移至右端与从动齿轮啮合，完成慢速向快速变速过程。

脚踏变速器在变速过程中，变速操作逆旋脚踏由此产生齿轮啮合或分离，都是在一瞬间的时间内完成，在齿轮啮合的过程中必然会出现两只相啮合的齿端面相抵触的情况，为此脚踏变速器设置有在快速向慢速变速啮合时，如出现齿端面相抵触的情形(参见附图4，D为变速瞬间内外齿端面相抵未啮合状态，E为齿轮右端凸部及滚轮支架右移压缩退位簧)，滚轮支架12能自动向右退位，当出现快速齿轮9左端面与慢速齿轮7右端面相抵触时，滚轮10以及滚轮支架12被快速齿轮9右端面环状坡面上的凸起处推顶右移，滚轮支架12推顶让位簧挡圈19，让位簧挡圈挤压让位弹簧18，因为在变速过程中齿轮是仍然处于旋转状态，齿端面相抵触的情形一瞬间会结束而出现啮合齿面相错位(能够啮合)，快速齿轮9和滚轮支架12等机件，被让位簧挡圈19及让位弹簧18推顶至啮合复位状态(让位弹簧18的压缩能量释放大于变速弹簧8的压缩力)，从而可避免损坏机件。在慢速向快速变速啮合时，如出现快速齿轮9与从动齿轮21齿端面相抵触的情形(参见附图5，F为齿轮端面相抵未啮合状态，G为变速弹簧向右推压齿轮啮合，H为快速齿轮右移行程距离)，快速齿轮9在变速弹簧8的压力下，可在一瞬间出现啮合齿面相错位时(能够啮合)即刻完成啮合。以上的技术设计方案，确保了脚踏变速器在各种情况下进行变速操作机件工作的可靠性，能够自动、快速、顺利完成变速齿轮啮合。

Claims (3)

1、自行车脚踏变速器，包括自行车的传动链条链轮(4)和链轮中轴(1)，链轮中轴(1)同轴安装有慢速齿轮(7)、快速齿轮(9)、变速弹簧(8)和让位弹簧(18)，链轮中轴(1)下方装有同轴联体梯级结构的从动齿轮(21)，其左端齿面与慢速齿轮(7)啮合，其右端齿面与快速齿轮(9)啮合或变速分离，其特征是：所述链轮中轴(1)为三段台阶式实心轴，其中段为花键轴(P)；所述的慢速齿轮(7)，其右端面为凹形结构，其左端外圆镶套法兰盘(3)，法兰盘(3)安装有链轮(4)；所述快速齿轮(9)的内孔为花键孔(L)，快速齿轮(9)左端面有内齿圈，内齿圈的模数、节圆与慢速齿轮(7)相同；其右端面有轴向对称凸凹交替的环状坡面，坡面凸部顶端有浅显凹口(J)；所述的滚轮支架(12)，其两端对称安装有滚轮(10)，滚轮(10)挤压快速齿轮(9)右端环状坡面或留置顶在环状坡面上的凸凹部(J、K)，其一端安装有棘爪(13)，棘爪(13)作用于变速器壳体(15)上的棘齿，产生逆旋止动效果；所述变速弹簧(8)安装位于慢速齿轮(7)、快速齿轮(9)之间，其左端固定于链轮中轴(1)的花键轴(P)左端径向凹槽(O)处，右端与快速齿轮(9)左端面相接，让位弹簧(18)的左端与让位簧挡圈(19)相接，右端与右内圈(16)相接。

2.根据权利要求1所述的自行车脚踏变速器，其特征在于法兰盘(3)与慢速齿轮(7)镶套固定采取凸凹插接和螺纹紧固方式固定。

3.根据权利要求1或2所述的自行车脚踏变速器，其特征在于变速器壳体(15)采用与车架组焊或紧固件固定方式与车架连接安装，变速器壳体(15)左右两端安装有左右外圈(5)，左右外圈(5)以滚珠相接方式连接链轮中轴(1)及所附机件。

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