CN109895931A - 一种正反双向踩踏自行车驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正反双向踩踏自行车驱动装置，包括：车架；中轴，其可旋转支撑在车架下方，用于接收脚蹬的旋转动力；后轴，其可旋转支撑在在自行车后轮中心；第一链轮，其套设在所述中轴一侧，所述第一链轮能够绕所述中轴单向旋转；第二链轮，其套设在所述后轴一侧；环形链条，其套设在所述第一链轮和第二链轮上，并分别与所述第一链轮和所述第二链轮啮合，第一锥齿轮，其套设在所述中轴另一侧，所述第一锥齿轮能够绕所述中轴单向旋转；第二锥齿轮，其套设在所述后轴另一侧；传动轴，其两端分别设置有第一传动锥齿轮和第二传动锥齿轮，本发明可通过正、反双向踩踏脚蹬以驱动车轮始终向前行驶，结构相对简单，可靠性能好。

Description

一种正反双向踩踏自行车驱动装置

技术领域

本发明涉及自行车驱动装置，尤其涉及一种正反双向踩踏自行车驱动装置。

背景技术

随着社会的发展和人民生活水平的提高，自行车行业发展正逐渐由传统的代步型交通工具向运动型和休闲型、甚至娱乐型工具转变。尤其随着提倡绿色出行和环保意识的增强，以及共享单车的普及，越来越多的人将自行车作为休闲、娱乐的出行工具。

近年来自行车呈多样化趋势发展，市场对自行车类产品的研发和技术专业性要求越来越高。无链条自行车和轴传动自行车等新型产品融入的科技和文化元素、以及休闲娱乐方式也为更多家庭所喜爱。

发明内容

本发明设计开发了一种正反双向踩踏自行车驱动装置，在中轴一侧设置单向转动的轴传动装置，另一侧具有单向转动的链传动装置，可通过正、反双向踩踏脚蹬以驱动车轮始终向前行驶，结构相对简单，可靠性能好。

本发明还给出了棘轮外盘的齿距和棘轮内盘直径的计算公式，能够有效延长棘轮的使用寿命。

本发明提供的技术方案为：

一种正反双向踩踏自行车驱动装置，包括：

车架；

中轴，其可旋转支撑在车架下方，用于接收脚蹬的旋转动力；

后轴，其可旋转支撑在在自行车后轮中心；

第一链轮，其套设在所述中轴一侧，所述第一链轮能够绕所述中轴单向旋转；

第二链轮，其套设在所述后轴一侧；

环形链条，其套设在所述第一链轮和第二链轮上，并分别与所述第一链轮和所述第二链轮啮合，所述第一链轮能够通过所述环形链条带动所述第二链轮旋转；

第一锥齿轮，其套设在所述中轴另一侧，所述第一锥齿轮能够绕所述中轴单向旋转；

第二锥齿轮，其套设在所述后轴另一侧；

传动轴，其两端分别设置有第一传动锥齿轮和第二传动锥齿轮，所述第一传动锥齿轮与所述第一锥齿轮啮合，所述第二传动锥齿轮与所述第二锥齿轮啮合；

其中，所述第一链轮和所述第一锥齿轮的旋转方向相反。

优选的是，所述第一链轮和所述中轴之间设置有第一单向轴承；所述第一锥齿轮和所述中轴之间设置有第二单向轴承。

优选的是，所述单向轴承包括：

内圈，其为环形；

外圈，其套设在所述内圈上；

多个变径凹槽，其阵列分布在所述外圈上；

多个弹簧，其一端连接所述变径凹槽一端；

多个钢珠，其设置在所述变径凹槽内，并连接所述弹簧另一端。

优选的是，所述变径凹槽内设置有用于放置润滑剂的空腔。

优选的是，所述润滑剂选用润滑脂。

优选的是，所述第二链轮和所述后轴之间设置有第一棘轮，所述第二锥齿轮和所述后轴之间设置有第二棘轮。

优选的是，所述棘轮包括：

棘轮内盘，其为环形；

棘轮外盘，其为环形，并具有单向内齿，所述棘轮外盘套设在所述棘轮内盘外侧；

多个棘爪，其阵列分布在所述棘轮内盘上，所述棘爪一端可旋转支撑在所述棘轮内盘上，另一端通过弹簧片连接所述棘轮内盘。

优选的是，所述第一锥齿轮、第二锥齿轮和所述传动轴采用铝、镁、陶瓷或玻璃纤维材料制成。

优选的是，所述外圈具有端盖。

优选的是，所述棘轮外盘的齿距为：

其中，t为棘轮外盘的齿距，T为棘轮扭矩，x为材料系数，z为棘轮的齿数，σ为齿的许应弯曲应力，α为棘爪角度；

所述棘轮内盘直径为：

其中，D为棘轮内盘直径，即为棘轮内齿的齿顶圆直径，z为棘轮的齿数，t为棘轮外盘的齿距，x为材料系数，d为弹簧片宽度，N_a为弹簧片有效长度，L为弹簧片长度。

本发明所述的有益效果

本发明提供的正反双向踩踏自行车驱动装置在以正向踩踏脚蹬作为主要驱动方式驱动车轮向前行驶时，还可以以放松、休闲、娱乐方式反向踩踏脚蹬作为次要驱动方式驱动车轮向前行驶，即可缓解骑行人的疲劳程度，又能增加骑行人的骑行乐趣，有着极其重要的实际意义和应用前景。

附图说明

图1为本发明所述的正反双向踩踏自行车驱动装置的结构示意图。

图2为本发明所述的正反双向踩踏自行车驱动装置的车架结构图。

图3为本发明所述的正反双向踩踏自行车驱动装置的传动总成结构图。

图4为本发明所述的正反双向踩踏自行车驱动装置中的支撑板结构图。

图5为本发明所述的正反双向踩踏自行车驱动装置的链传动结构图。

图6为本发明所述的正反双向踩踏自行车驱动装置的轴传动结构图。

图7为本发明所述的正反双向踩踏自行车驱动装置中的单向轴承结构图。

图8为本发明所述的正反双向踩踏自行车驱动装置中的棘轮结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供的自行车机构框架包括车把101、前叉107、底叉114、后叉117、车架119和车座120等组成。车架119呈几何三角形状布置并分别通过前叉107、底叉114及后叉117支撑在前后车轮上，以保障其强度和稳定性。

如图2所示，车架119下端通过套筒支撑在中轴121上，前叉107为“n”形，前叉107的闭口端一体连接车把，前车轴支撑在前叉107的开口端，前车胎104通过前车轴可旋转布置在前叉107内。

如图2、4所示，后轴115的两端具有端盖116，后车胎套设在后轴115上，并能够绕后轴115旋转，后轴端盖116内具有支撑盘205，支撑盘205上设置有第一支撑销207和第二支撑销208，其中第一支撑销207设置在第二支撑销208上方，后叉117为“n”形，后叉117的闭口端一体连接车座120，后叉117的开口端通过第一支撑销207连接支撑盘205，底叉114一端连接中轴端盖110，另一端通过第二支撑销208连接支撑盘205。

自行车在行车中通过车闸102、刹车线103、碟刹卡钳108、刹车碟片106控制前后车轮实现制动减速或停车，车闸102布置在车把101上，通过刹车线103分别连接到固定在前叉107和后叉117上的碟刹卡钳108。碟刹卡钳108浮动在刹车碟片106上，且刹车碟片106固定安装在前轴和后轴上。

如图3所示，传动总成驱动车轮向前行驶，传动总成前端固定连接在中轴121上，后端固定连接在后轴115上。传动总成是由两种相互独立的链传动结构和轴传动结构组合而成的。

如图5所示，链传动结构布置在车身一侧，由链轮109、链条118、链轮122等组成。链轮109通过单向轴承301固定在中轴121上，链轮122通过棘轮302固定在后轴115上，链条118套设在链轮122和链轮109上；链轮109旋转能够通过链条118带动链轮122旋转。

如图3、6所示，轴传动结构设置在车身另一侧，由锥齿轮201、锥齿轮202、传动轴113、锥齿轮203、锥齿轮204等组成。锥齿轮201通过单向轴承303固定在中轴121上，锥齿轮204通过棘轮304固定在后轴115上，其中单向轴承303在中轴121上的装配方向与其同轴上单向轴承301的装配方向相反，而棘轮304在后轴115上的装配方向与其同轴上棘轮302的装配方向相同。锥齿轮202和锥齿轮203分别固定在传动轴113的两端，且传动轴113两端分别支撑在中轴端盖110和后轴端盖116内。中轴端盖110和后轴端盖116分别相套在中轴121和后轴115上，对锥齿轮和传动轴起密封支撑作用，且不影响中轴121和后轴115的正常转动。

轴传动结构中的锥齿轮组空间结构布置，其传动过程中锥齿轮201与锥齿轮204的转动方向始终相反。其中锥齿轮和传动轴均采用轻量化材料和轻量化制造方法，以提高其轻量化和强度。

如图7所示，单向轴承包括轴承内圈306和轴承外圈305，单向轴承内圈306与外圈305之间设置有均匀分布的钢珠307和螺旋弹簧308，其中，按承载载荷大小选配钢珠和弹簧个数。钢珠307和螺旋弹簧308以串连形式布置在轴承外圈305内的两个凸块之间，螺旋弹簧308的另一端固定到轴承外圈305内的凸块上并呈预紧状态，钢珠307与轴承内、外圈之间采用脂润滑，且两侧有盖板密封。单向轴承在初始位置时，钢珠307呈图7中所示的自由状态，即钢珠307与轴承内外圈之间的间距最大。而钢珠307在向螺旋弹簧308端滑移时，轴承内外圈之间的间距逐渐变小直至钢珠307锁死在轴承内外圈之间，使轴承内圈306和外圈305作为一个整体同步转动。

如图7所示，车轴顺时针转动时，轴承内圈306会随车轴一起转动，钢珠307初始瞬间随轴承内圈306顺时针方向滚动。因轴承内圈306与外圈305在靠近螺旋弹簧308端之间的间距逐渐缩小，钢珠307会瞬间锁死在轴承内外圈之间，此时轴承内圈306与外圈305做同步转动。反之，当车轴反方向逆时针方向转动时，轴承内圈306也随之反方向转动，钢珠307在摩擦力和螺旋弹簧308反作用力的作用下恢复到初始位置，钢珠307与轴承内圈306与外圈305之间呈相对自由状态，即轴承外圈305停止转动。单向轴承内的钢珠307在随轴承内圈转动方向切换时其摩擦阻碍作用可忽略不计。

如图5、7所示，单向轴承301安装在中轴121一侧，通过脚蹬112旋转方向顺时针转动时，单向轴承301的轴承内圈306随中轴121同步正向转动，单向轴承301的钢珠307瞬间锁死在轴承内圈306与外圈305之间，进而使单向轴承301和链轮109做同步正向转动。

如图6所示，单向轴承303的装配方向与其同轴上单向轴承301的装配方向相反，中轴121逆时针转动时，单向轴承303的轴承内圈306随中轴121同步反向转动，单向轴承303的钢珠307瞬间锁死在轴承内圈306与外圈305之间，进而使单向轴承303和锥齿轮201做同步反向转动。

如图8所示，棘轮结构方向，装配时所有棘轮的棘轮外盘401与链轮或锥齿轮之间、棘轮内盘402与车轴之间均采用过盈式配合。棘轮外盘401与棘轮内盘402之间有均匀分布的棘爪403，棘爪403通过销固定在棘轮内盘402上，且每个棘爪403都有对应的弹簧片404支撑。棘爪403的顶部形状与棘轮外盘401内缘上的齿形吻合，以提高二者之间啮合受力时的稳定性。

如果棘轮外盘401做为主动件顺时针方向旋转时，可驱动做为从动件的棘轮内盘402同步转动，此时棘轮内外盘做为一个整体结构同步转动。而棘轮外盘401做为主动件逆时针方向旋转时，则不能驱动棘轮内盘402转动。反之，如果棘轮内盘402做为主动件顺时针方向旋转时，则不能驱动棘轮外盘401转动。而棘轮内盘402做为主动件逆时针方向旋转时，则能驱动做为从动件的棘轮外盘401同步转动，此时棘轮内外盘做为一个整体结构同步转动。

如图5所示，当链轮顺时针转动时，棘轮302和棘轮304在后轴115上的装配方向与棘轮方向一致。棘轮302的棘轮外盘401随链轮122以顺时针方向同步转动，棘轮外盘401内缘上的齿牙再推动棘爪403做同步转动，弹簧片404支撑棘爪403预防其打滑。最后棘轮302的棘轮内盘402与棘爪403一起转动，进而带动后轴115同步转动。后轴115转动时会带动同轴上棘轮304的棘轮内盘402同步转动。此时做为主动件的棘轮内盘402以顺时针方向旋转，因棘爪403转动方向与棘轮外盘401内缘上的齿形顺序一致，棘轮外盘401不再随棘爪403转动。由于相互摩擦和阻力作用等，棘轮304的棘轮外盘401处于静止状态。

在另一实施例中，为延长棘轮的实用寿命，给出棘轮的设计参考方案，棘轮外盘的齿距为：

其中，t为棘轮外盘的齿距，T为棘轮扭矩，x为材料系数，取值为3.625，z为棘轮的齿数，σ为齿的许应弯曲应力，α为棘爪角度，取值为12～17°；

棘轮内盘直径为：

其中，D为棘轮内盘直径，即为棘轮内齿的齿顶圆直径，z为棘轮的齿数，t为棘轮外盘的齿距，x为材料系数，d为弹簧片宽度，N_a为弹簧片有效长度，L为弹簧片长度，采用此公式设计而成的棘轮能承受1600N以上的冲击20000次，连续使用寿命达236987小时，可见该设计能够有效延长棘轮的使用寿命。

实施以正反双向踩踏自行车驱动装置工作过程为例，作进一步说明

该自行车装置由人力正向踩踏脚蹬112通过曲柄111带动中轴121转动时，单向轴承301的内圈306和外圈305整体随中轴121同步正向转动，而单向轴承303的外圈305不随中轴121转动。中轴121通过单向轴承301带动链轮109做同步正向转动，锥齿轮201随单向轴承303的外圈305处于静止状态。链轮109再带动链条118正向转动，进而带动链轮122转动，链轮122带动棘轮302的棘轮外盘401转动，进而驱动棘轮302的棘轮内盘402带动后轴115正向转动，最终驱动安装在后轴115上的车轮向前行驶。虽然后轴115上棘轮304的棘轮内盘402随其同步正向转动，但因棘爪403转动方向与棘轮外盘401内缘上的齿形顺序一致，使棘轮304的棘轮外盘401不随棘爪403转动，即锥齿轮204随棘轮304的棘轮外盘401处于静止状态。此时该自行车装置正是以图5所示的链传动方式来驱动自行车向前行驶，且以正向踩踏的链传动作为主要驱动方式来驱动车轮向前行驶。

反之，当反向踩踏脚蹬112通过曲柄111带动中轴121反向转动时，单向轴承303的内圈306和外圈305整体随中轴121同步反向转动，而单向轴承301的外圈305不随中轴121转动。中轴121通过单向轴承303带动锥齿轮201做同步反向转动，链轮109随单向轴承301的外圈305处于静止状态。锥齿轮201驱动锥齿轮202通过传动轴113带动锥齿轮203转动，进而推动锥齿轮204正向转动，再由锥齿轮204带动棘轮304的棘轮外盘401正向转动，然后由棘轮304的棘轮内盘402带动后轴115正向转动，最终驱动安装在后轴115上的车轮向前行驶。同理，虽然后轴115上棘轮302的棘轮内盘402随其同步转动，但棘轮302的棘轮外盘401不随后轴一起转动，即链轮122随棘轮302的棘轮外盘401处于静止状态。此时该自行车装置正是以图6所示的轴传动方式来驱动自行车向前行驶，且以反向踩踏的轴传动作为次要驱动方式来驱动车轮向前行驶。

因此，本发明提供的正反双向踩踏自行车驱动装置在以正向踩踏脚蹬作为主要驱动方式驱动车轮向前行驶时，还可以以放松、休闲、娱乐方式反向踩踏脚蹬作为次要驱动方式驱动车轮向前行驶，即可缓解骑行人的疲劳程度，又能增加骑行人的骑行乐趣，有着极其重要的实际意义和应用前景。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种正反双向踩踏自行车驱动装置，其特征在于，包括：

车架；

中轴，其可旋转支撑在车架下方，用于接收脚蹬的旋转动力；

后轴，其可旋转支撑在在自行车后轮中心；

第一链轮，其套设在所述中轴一侧，所述第一链轮能够绕所述中轴单向旋转；

第二链轮，其套设在所述后轴一侧；

环形链条，其套设在所述第一链轮和第二链轮上，并分别与所述第一链轮和所述第二链轮啮合，所述第一链轮能够通过所述环形链条带动所述第二链轮旋转；

第一锥齿轮，其套设在所述中轴另一侧，所述第一锥齿轮能够绕所述中轴单向旋转；

第二锥齿轮，其套设在所述后轴另一侧；

传动轴，其两端分别设置有第一传动锥齿轮和第二传动锥齿轮，所述第一传动锥齿轮与所述第一锥齿轮啮合，所述第二传动锥齿轮与所述第二锥齿轮啮合；

其中，所述第一链轮和所述第一锥齿轮的旋转方向相反。

2.根据权利要求1所述的正反双向踩踏自行车驱动装置，其特征在于，所述第一链轮和所述中轴之间设置有第一单向轴承；所述第一锥齿轮和所述中轴之间设置有第二单向轴承。

3.根据权利要求2所述的正反双向踩踏自行车驱动装置，其特征在于，所述单向轴承包括：

内圈，其为环形；

外圈，其套设在所述内圈上；

多个变径凹槽，其阵列分布在所述外圈上；

多个弹簧，其一端连接所述变径凹槽一端；

多个钢珠，其设置在所述变径凹槽内，并连接所述弹簧另一端。

4.根据权利要求3所述的正反双向踩踏自行车驱动装置，其特征在于，所述变径凹槽内设置有用于放置润滑剂的空腔。

5.根据权利要求4所述的正反双向踩踏自行车驱动装置，其特征在于，所述润滑剂选用润滑脂。

6.根据权利要求1所述的正反双向踩踏自行车驱动装置，其特征在于，所述第二链轮和所述后轴之间设置有第一棘轮，所述第二锥齿轮和所述后轴之间设置有第二棘轮。

7.根据权利要求6所述的正反双向踩踏自行车驱动装置，其特征在于，所述棘轮包括：

棘轮内盘，其为环形；

棘轮外盘，其为环形，并具有单向内齿，所述棘轮外盘套设在所述棘轮内盘外侧；

多个棘爪，其阵列分布在所述棘轮内盘上，所述棘爪一端可旋转支撑在所述棘轮内盘上，另一端通过弹簧片连接所述棘轮内盘。

8.根据权利要求7所述的正反双向踩踏自行车驱动装置，其特征在于，所述第一锥齿轮、第二锥齿轮和所述传动轴采用铝、镁、陶瓷或玻璃纤维材料制成。

9.根据权利要求3所述的正反双向踩踏自行车驱动装置，其特征在于，所述外圈具有端盖。

10.根据权利要求7所述的正反双向踩踏自行车驱动装置，其特征在于，所述棘轮外盘的齿距为：

其中，t为棘轮外盘的齿距，T为棘轮扭矩，x为材料系数，z为棘轮的齿数，σ为齿的许应弯曲应力，α为棘爪角度；

所述棘轮内盘直径为：

其中，D为棘轮内盘直径，即为棘轮内齿的齿顶圆直径，z为棘轮的齿数，t为棘轮外盘的齿距，x为材料系数，d为弹簧片宽度，N_a为弹簧片有效长度，L为弹簧片长度。