CN1100051A - 尤其适用于自行车的自动无级变速的皮带传动装置 - Google Patents

Abstract

一种主要用于自行车的皮带传动装置，可以无级 自动变速。在皮带轮(1)(2)上有五个弓形件(5或 6)，沿圆周均布，径向距离相等，铰接在绕A可旋转 的星轮架(3或4)上，可摆动。主动轮(1)的弓形件 (5)为单臂形，相邻件(51，52)之间装有弹簧(8)。被 动轮(2)的弓形件(6)为双臂形。所有弓形件上与三 角皮带啮合的作用面为渐开线面。若主动轮转矩加 大使速比发生变化(克服弹簧力使有效直径变小)，则 被动轮弓形件就自动撑开，并使皮带张紧。

用于自行车时可方便地与倒轮闸和(或)多挡轮 毂变速装置相组合。

Description

本发明涉及一种自动无级变速的皮带传动装置，尤其适用于自行车。它有二个有效直径可以变化的皮带轮，其中每个都装有几个（至少3个）在圆周方向上均匀分布并由弹簧张紧的弓形件，它们铰接在车架附属的可旋转的星轮架上并在径向方向的内侧和外侧挡块之间活动。

普通自行车常用链条传动，换挡时可用链条换挡装置，通常可达到21个固定挡，此时将链条有选择地转到某一个主动链轮和被动链轮上，并用链条张紧器使回空段的链条张紧。另外还有一种轮毂换挡装置，它不用链条张紧器，通常有3-7个固定挡，此时装有相应的行星轮组用来有选择地接到自行车轮毂上。

权利要求1前序部分所述的皮带传动已由DE-PS93896公开，在主动和被动皮带轮上都装有弓形件，它们装在一个其所属的星轮架上，可在径向移动，并且每个弓形件都受到一个螺旋弹簧的作用力。二个螺旋弹簧是相反方向缠绕的，并且分别用其径向方向上的外圈径向撑开地作用在各个弓形件上，而径向内圈则挂在星轮架上。当运行阻力增高时就克服弹簧力使主动皮带轮的有效直径减小，而被动皮带轮则相应加大。

这种公知的皮带传动装置需要一个附加轮，对并不与皮带处于啮合状态的弓形件进行导向，而且另外还有一个固定在星轮架上的轮盘，在这上面装有螺旋弹簧。所需要的这些另件不能毫无困难地固定在通常的、在车架上可旋转的星轮架上。在轮盘上导向的弓形件的推移导向产生了相应的摩擦损失。

可自动变速的皮带传动装置是公知的，其主动皮带轮上的弓形件按FR1188889为弹性构造，并用一个张紧滚轮张紧空链。根据DE-PS122517，决定皮带轮有效直径的弓形件都由一个在肘连接处弯曲的双碰头组成。在双碰头的杠杆的两端头之间作用一个拉力弹簧。

DE-PS642664还公开了摆动连在星轮架上的弓形件，但它不受弹簧夹紧力的作用，因为这种公知的皮带传动并不是自动地通过提高转矩而改变速比，而是手动控制速比。

所要解决的任务是发明一种摩擦较小的、自动无级变速的、尤其适用于自行车的皮带传动，它结构简单、坚固，另件又尽可能少，并且可以装在市售的星轮架上，星轮架则在车架上可以旋转。

根据本发明的特点解决此任务的方法是使弓形件摆动连接在其所属的星轮架上，弓形件至旋转轴的径向间距相等，而且在每个相邻的弓形件之间都放了一个压力弹簧。

根据本发明，皮带轮上的每个弓形件都安在其所属的星轮架上并绕一个铰点摆动，而且用一个弹簧撑住下一个弓形件，因此就不需要附加的导向件了。根据本发明，弓形件可以方便地装在市售的星轮架上（而通常的自行车链传动的链轮也固定在这星轮架上），必要时还可以后补。由于弓形件在旋转铰接处的摆动铰接几乎不存在什么摩擦点，因而效率较高，故障少。每个皮带轮几乎只有一个非标准件，即各个弓形件，它根据所用的星轮架而制造相应的数量，并且不会混淆地装在星轮架上。而普通的另件，如弹簧、轴承套、螺丝和皮带本身都是市售的标准件。

由于每个弓形件用一个弹簧，如将本发明用于自行车时，骑车者可以根据各自不同的力量大小容易地装设此皮带轮。若骑车者脚力好，那么无需拆卸皮带轮就可方便地使用较高弹簧刚度的弹簧，因而只在蹬力较大时才使速比变化。

本发明的其它有利结构是，在主动皮带轮上的每个弓形件作成单臂杠杆，在旋向前方的一端安在星轮架的旋转铰点上，而旋向后方的一端则通过弹簧作用在后面的弓形件上，弹簧位于其杠杆二端之间，离其支点有一定距离。按本发明的主动皮带轮的结构可使弓形件之间相互制约，如同由皮带圆周力而产生的作用力那样，向心的法向力只作用在其中一个弓形件上就可对所有弓形件起作用，尤其是对瞬间不与皮带啮合的弓形件进行导向，因此离必力或其它作用并不引起不确定指向的运动，否则的话由于振动可能产生噪声。

虽有这导向，但每个弓形件都可以实现一个独立的、由变化的法向力作用在有效圆周上而产生的摆动并因此克服弹簧力对相应于驱动载荷状况而发生的皮带有效直径的变化进行调节。

根据本发明，在被动皮带轮上每个弓形件都作成双臂形杠杆，二端之间的铰点装在星轮架上。而且在正常情况下，即平坦道路上不加速骑行时，就经过其支座的径向线而言，旋向前面的杠杆拱段比旋向后面的拱段短，而且由这径向线起向圆周二侧方向来说其有效半径都变大。按本发明，被动轮上每个弓形件的杠杆比的设计能使其有效直径的增大大致与圆周力的提高成比例。在优先旋向上，与皮带啮合的较长杠杆臂导致被动轮上弓形件撑开;而在相反旋向时，较短的杠杆臂以同样方式起作用，因此主动轮上的速比变化由于皮带的啮合而自动地传递到被动轮上，而且皮带自动地张紧，因而可以传递所需功率而不会打滑。

在共同应用要求2和3的特征时，按本发明可以在较小的被动轮上完全不使用弹簧。

试验表明，主动轮或被动轮的每个弓形件上与皮带啮合的有效面的最合理结构形状为渐开线面，有效面的这种渐开线面使得在每种载荷范围内的多角效应降为最小。试验表明，满载运行时产生的残余效应则通过皮带的缓冲作用而吸收。

按本发明用于自行车的皮带传动可以方便地与倒轮闸组合在一起。当反向旋转时，被动轮直径撑开小一些。因此旋向相反时由主动轮引起的皮带张力在制动时就附加增高。

按本发明，特别有利和合理的其它结构形式的皮带传动用于自行车时与轮毂换挡装置相结合。皮带传动的无级变速调定到轮毂换挡装置的分级，那么就可在这装置里用有控制的脚踏力来实现自动变速。

自行车用的链传动在实用中虽有缺点（要有润滑剂、只有用轻质材料才能使其重量较轻、没有无级变速），但还是站住了脚，因为至今为止用皮带传动替代链传动的尝试都因为效率明显较低或结构复杂而失败了。

归纳起来本发明有以下优点：

a）可以无级变速，而且所测的样机效率曲线表明，只在部分载荷范围内比链传动效率低4%，并且效率与功率的增高相适应。

b）所做的测定是在以一定脚踏力进行加速时，将样机直接与链传动比较。在规定的加速时间之后，无级可调的皮带传动的最终速度要高出10%，因而在这段时间内所驶过的路程也多10%左右。

c）根据本发明，皮带传动一共只有三种非标准新零件，所有其它小另件以及皮带等都是市售零件。

d）在生产过程中就可方便地装配，因为本发明的皮带传动代替了链传动，但周围零件如车架、脚蹬轴承或后轮轴承的结构都没有变化，可用在著名厂家的通用星轮架上。也可以方便地后补装到链传动的自行车上而毋需很多的费用。

e）本发明的皮带传动可以与倒轮闸和（或）轮毂换挡装置组合起来而无须改变这些零件。

f）为适应不同的载荷情况，任何时候甚至在途中都可方便地更换弹簧。

g）将本发明的皮带传动装到通常的有五个安装孔的星轮架上时，也可以在主动轮的各弓形件之间采用不同刚度的弹簧，以达到在二个脚踏处于死点位置时降低峰值力的效果，例如在椭圆形链轮时就会产生这种效果。

下面参照附图详细说明按本发明的优选实施例：

图1是本发明皮带传动的一个视图，皮带轮调定的速比为最大;

图2是本发明皮带传动的一个视图，皮带轮调定的速比为最小;

按图1和图2在主动皮带轮1和被动皮带轮2上都分别安设了一个五臂的星轮架3和4，它们可绕固定于车架上的轴A旋转。在主动轮1的星轮架3上固定按设了二个相对布置的踏板，这在图上并未表示。前行时旋向用V表示。对转轴A而言，每个皮带轮1或2上分别有五个共同作用的具有作用面9的弓形件5或6就形成3有效直径可以无级变化的皮带轮1或2。弓形件5或6安在皮带轮1或2上，在旋向V一侧具有距转轴相同的径向距离，并可在星轮架3或4的铰点7上摆动。二个皮带轮1和2用三角皮带围抱住，皮带啮入在各个弓形件5或6上相应加工出的槽内。所有弓形件5或6与三角皮带啮合的楔槽作用面9为渐开线形。

主动皮带轮1的弓形件5做成单臂形杠杆5₁，它在旋向V前方的一端支在铰点7上，后端则受压力弹簧8的作用。弹簧8支在后面的弓形件5₂上，位于杠杆二端之间，离支点7距离为a。每个弓形件5径向内摆动的角度受在后面弓形件上的挡块限制，而径向向外摆动的角度则受皮带张紧的限制。

被动皮带轮2的弓形件6安在所属的星轮架4上，可以自由摆动，对支点7来说是一个双臂形杠杆6₁。按经过支点7和转轴A的在图1中用S表示的线，旋向V前方为有效杠杆臂，其拱形块要比旋向后方的短些。对铰点7而言，沿着S线的作用面9上的有效半径为最小，在二侧圆周方向上它都加大了。在图1这起始位置上，相当于不加速，在平坦道路上行驶，对应于拉力段Z上的圆周力U的法向力N就作用在主动轮1或被动轮2的弓形件5₁和6₂上。主动轮1的弓形件5₂正好位于皮带出口11和入口10之间，在图1所示的位置上该弓形件5₂通过离铰点7距离为a作用的弹簧8的弹簧力Fa（弹簧承受了法向力N的反力）与由Fa导致的止动力Fb保持平衡状态。被动轮2由于法向力N的作用，星轮架4上的弓形件6形成了可能的最小有效圆周。如果按图1圆周力U在拉力段和回空段是同样大小的话，那么传动装置就没有加速。

按图2一个加强转矩M作用在主动皮带轮1的星轮架3上，拉力段Z的圆周力U及法向力N变大，以及由于弓形件5经向向内偏转，使得弹簧力Fa以及由此导致止动力Fb也变大。由于绕轴A的旋转V产生了离必力Ff，它与止动力Fb方向相反。止动力Fb在每种工况下都大于离必力并且阻止了未处于啮合状态的弓形件5₂的径向运动。

法向力N加大引起弓形件5绕铰点7径向向内旋转，这就使主动轮的有效直径变小。由此在回空段L内产生的皮带下垂允许被动轮2的弓形件6在旋向V上围绕铰点7产生旋转;同样，加大拉力段Z的圆周力U也使弓形件6在旋转方向V上围绕铰点7产生旋转。由于上述结构的弓形件6，即双臂杠杆，在二侧圆周方向上半径加大，那么每个与皮带处于牵引作用的弓形件6的有效半径以及被动轮2的整个有效直径都自动变大。如图2所示，与皮带的摩擦啮合发生在每个弓形件6的前部（从旋向V方向看）较长拱块上;而弓形件6的前部（从旋向V方向看）较短拱块则脱离啮合。

由于这种撑开作用，回空段L的圆周力U加大，一直到被动轮2的弓形件6上的撑开力和主动轮1上的弹簧力Fa之间又重新达到力的平衡，这二个力都与拉力段Z的圆周力U有关并成比例。

当主动轮1的星轮架上转矩M减小时就发生相反的过程。

如果当反蹬刹车反向旋转（与旋向V反向）时，由于前述作用使主动轮1的弓形件5具有可能的最大有效直径。被动轮2则类似于正的旋向V时，由于处于力作用下的较短的位于旋向V前方的弓形件6的拱段使有效直径撑开。此时撑开所需的力较小，因为对铰点7的有效半径只是略有加大。反向旋转时在轮1和2上同时引起有效直径撑开造成皮带张力最大并且阻止了反蹬刹车时的皮带空转杆滑。

Claims (7)

1、具有自动无级变速的皮带传动装置，尤其适用于自行车，具有有效直径可变化的二个皮带轮(主动皮带轮1，被动皮带轮2)，其中每个轮都有多个(至少3个)弓形件，弓形件安设在可在车架上旋转(轴A)的所属星轮架(3或4)上，并在径向内外的止挡之间活动，它们在圆周方向是均布的并用弹簧撑紧，其特征是：弓形件(5和6)至旋轴(A)的径向距离相同地、绕铰点7摆动地安装在所属星轮架(3或4)上，压力弹簧(8)都安置在相邻的弓形件(5或6)之间。

2、按权利要求1的皮带传动装置，其特征是：主动皮带轮（1）的每个弓形件（5₁）都做成单臂杠杆，位于旋向V前方一端装在星轮架（3）的铰点（7）上;位于旋向V后方的一端则通过弹簧（8）在至杠杆二端之间支点（铰点7）的距离为（a）处支撑在后面的弓形件（5₂）上。

3、按权利要求1或2的皮带传动装置，其特征是：在被动皮带轮（2）上每个弓形件（61）都作成双臂式杠杆，杆二端中间的支点支在星轮架（4）的铰点（7）上，对于通过支点（铰点7）的径向线（图1的s）而言，旋向（V）前方的拱段的杠杆臂比旋向（V）后方的拱段的杠杆臂要短些，而且从这径向线（s）起向圆周二侧方向，相对支点（铰点7）的有效半径都变大了。

4、按权利要求2和3的皮带传动装置，其特征是：被动皮带轮（2）的结构中没有弹簧。

5、按权利要求1至5中之一的皮带传动装置，其特征是：主动轮（1）或被动轮（2）上的每个弓形件（5和6）的用于与皮带啮合的作用面（9）是一个渐开线面。

6、按权利要求1至5中之一的皮带传动装置，其特征是：该皮带传动装置与倒轮闸相结合。

7、按权利要求1至6中之一的皮带传动装置，其特征是：该皮带传动装置与轮毂换挡装置相结合。

Images