CN1229749A - 自行车拉索驱动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自行车拉索驱动机构,此机构没有链条、链轮和相应的中轴,而是包括两个脚踏曲柄,每个脚踏曲柄由拉索和变速的过渡转换器相连,再通过轮索和与之相适应的棘轮相连,由此进行力量的传递和变速。车的两侧各有一组独立的驱动机构,用一只脚也行。这对残疾人特别有利。这种机构生产维修简单干净,适合于各种自行车和人力车,如交通车,登山车,公路赛车和卧式车等等,手动变速几乎没有摩擦不用润滑传动效率高。

Description

自行车拉索驱动机构

本发明涉及一种自行车驱动机构，尤其是自行车拉索驱动机构。自从自行车发明一百多年以来其基本结构几乎没有变化。它的驱动结构主要以链条和链轮为主。其间也有些发明用齿轮和轴或用三角带传动，但是脚登的运动始终圆周运动，因而存在以下问题：

一、力量转换不合理

传统的驱动结构力量转换率不高。从图43和图39就可以看出传统自行车的脚蹬一直在作圆周运动，而力矩曲线是一条正弦曲线。力量的传递在一整圈中只有三分之二有用。在蹬上坡时最令人难受，当速度慢又最需力量的时候还必须先蹬过死点。在这种情况下人们只好无可奈何的下车推着走。

二、可靠性差

1.链条使整车的可靠性降低。整个系统的弱点在于链条和变速器。由于链条是一个串联系统一个环节不行整个也就不行了。无论是链条或轴变速都要求变速器必须做的很精密才行不然变不了速。如是链条变速，链条做的不精确或被拉长的话则很容易滑链。卧式自行车由于链条长可靠性就更差。脱链是谁都不愿经历的。

2.用齿轮和轴传动可靠性高但重量增加效率降低，因为太重变速几乎是不可能的，由于这个缺点几乎没人这么作，经管它的可靠性很高。

3.用三角带传动容易打滑，效率低。

4.力量的传递由曲拐通过中轴再到链轮是另一个弱点。力量传递对中轴的要求很高因为从曲拐过来的强大扭矩施加到中轴上使中轴和曲拐的结合经常出问题。

三、结构复杂笨重

1.用链条传动使得链条链轮及变速器复杂。链条链轮及变速器之间的配合必须很精确否则不能换挡。当链条被拉长了则更糟糕。

2.用齿轮和轴传动使得生产成本非常高。用于齿轮和轴的变速器则比链条换挡更复杂由于重量太大几乎不能应用(至少在市场上没见过)。

3.用三角带传动有容易实现自动变速的优点，但结构复杂，另外摩擦损耗大效率太低。

4.以上所提到的变速结构都有一个缺点就是挡与挡之间幅度较大。虽然链条变速可作得很细(可作到二十几挡)，其代价是链轮数量增加，重量增加，复杂程度和成本都相应增加。

四、灵活性差

1.作圆周运动的踏板其运动轨迹是固定的。要想调整踏板行程是不可能的，但是人的个子是不同的腿有长短。不符合人体规律。

2.由于有死点脚踩踏板的速度受到限制而且有三分之一的行程是不作功的。这样脚的运动和力量的转换就被打了折扣。

3.两个脚蹬相互联系，一只脚是不能骑的。因为一只脚过不了死点。

4.所有以上所提及的变速器都不能在静止的情况下换挡。

五、维修不便

1.后轮装卸不便。

2.链条和变速器拆装麻烦。

3.链条润滑的问题。链条必须加油润滑，加了容易集尘土，不加磨损和能量损失严重。

4.给链条和链轮作清洁是一个麻烦的事。要想给链条彻底作清洁并保持干净几乎是不可能的。

5.链条和链轮的工作条件很糟糕。手容易弄脏不说而且容易受伤。

就德国专利DE-PS426146而言，其中的可调转换器换挡也较复杂。

本发明的目的是提供一种简单方便的可变速过渡转换器代替专利DE-PS426146中的可调转换器。组成一整套拉索驱动机构，以解决传统自行车驱动力量转换不合理、可靠性差、结构复杂、灵活性差、维修不便的不足。

为了解决上述任务，本发明采用的解决方案是：

一种自行车拉索驱动机构，没有链条，链轮和相应的中轴，此机构包括两个脚踏曲柄，每个脚踏曲柄由曲柄拉索和一个或者自动变速或者手动变速或者这两者的联合的过渡转换器相连，过渡转换器由一条轮索和与之相适应的棘轮相连，由此进行力量的传递和变速，其特征是：

所述自动变速的过渡转换器由一块底板，两块侧板，两块同步板，若干导轮其中有的带压簧，一块外导板一块内导板所组成，用于将往复运动的力量转变成圆周运动并改变其力矩；或者由一手动变速的过渡转换器来实现其功能，所述手动变速过渡转换器由一块基板，一对变速杆和一个用拉索进行操作的变速离合器组成；所述棘轮除包括盘簧外，棘轮体则由线槽、轮索和盘簧切口、盘簧挂口、轮索挂口构成。

由于上述方案中采用了没有链条、链轮和相应的中轴的拉索驱动机构，使得结构轻便，而且靠踏板的上下运动，整个行程都在做功，显然力量转换合理，传动效率高，使用灵活可靠，又由于机构不用加油润滑，使车辆干净，维修方便。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

图1是自行车拉索驱动机构图；

图2是图1自行车拉索驱动机构的左视图；

图3是自行车拉索驱动机构(变种之一)图；

图4是自行车拉索驱动机构(变种之二)图；

图5是图4自行车拉索驱动机构(变种之二)的左视图；

图6是自动变速过渡转换器最大速度最小力矩图(一)；

图7是自动变速过渡转换器最大速度最小力矩图(二)；

图8是自动变速过渡转换器最小速度最大力矩图(一)；

图9是自动变速过渡转换器最小速度最大力矩图(二)；

图10是自动变速过渡转换器最大速度最小力矩(变种)图(一)；

图11是自动变速过渡转换器最大速度最小力矩(变种)图(二)；

图12是自动变速过渡转换器最小速度最大力矩(变种)图(一)；

图13是自动变速过渡转换器最小速度最大力矩(变种)图(二)；

图14是自动变速过渡转换器加侧视图(一)；

图15是自动变速过渡转换器加侧视图(二)；

图16是图15A1-A6剖视图；

图17是自动变速过渡转换器零件同步板图；

图18是自动变速过渡转换器零件底板图；

图19是自动变速过渡转换器零件侧板图；

图20是自动变速过渡转换器零件内导板图；

图21是自动变速过渡转换器零件外导板图；

图22是自动变速过渡转换器零件无簧导轮图；

图23是自动变速过渡转换器零件带簧导轮图；

图24是手动变速过渡转换器结构基板变速扇形侧图；

图25是自动变速过渡转换器的断面图；

图26是自动变速过渡转换器基板轮索扇形侧图；

图27是图24中局部M手动变速离合器合的侧面的放大图；

图28是图24中局部M手动变速离合器合的断面的放大图；

图29是图24中局部M手动变速离合器合的另一侧面的放大图；

图30是图24中局部M手动变速离合器离的一侧面的放大图；

图31是图24中局部M手动变速离合器离的断面的放大图；

图32是图24中局部M手动变速离合器离的另一侧面的放大图；

图33是图24中局部M手动变速离合器合(变种)的一侧面的放大图；

图34是图24中局部M手动变速离合器合(变种)的断面的放大图；

图35是图24中局部M手动变速离合器合(变种)的另一侧面的放大图；

图36是棘轮结构的一侧面图；

图37是棘轮结构的断面图；

图38是棘轮结构的另一侧面图；

图39是常规自行车扭矩曲线；

图40是变速原理图(一)；

图41是变速原理图(二)；

图42有效行程比较图；

图43扭矩曲线比较图；

具体实施方法如下所述：

一、拉索代替链条

现在有许多高强度的拉索材料如碳纤维，石墨纤维等。由这些材料所制成的非金属拉索具有抗拉强度高重量轻的特点。用这些拉索可以代替链条，其优点是：

1.拉索的可靠性高。因为拉索是由许多细小的纤维所组成，这是一个并联系统断几根纤维并不影响它功能。用拉索只须一个沟槽就能保证拉索不脱落免除了脱链的烦恼。

2.没有摩擦部分效率明显提高。不需要加油润滑，车辆容易保持干净。

3.变速变得简单可靠，如图40所示变速原理图(一)为最高速最小力矩的情况，图41所示变速原理图(二)为最低速最大力矩的情况，两图中标号是：1.曲柄  2.曲柄拉索3.过渡转换器4.轮索不但变速简单，而且自动变速成为可能，如图6至图13所示。

4.拉索很容易被加工，用剪刀就能将拉索剪断。拉索的接口简单连接也很容易，紧急情况打个结就行。

5.维修保养更干净轻松。由于没有链条和链轮受伤的可能大大减少。用拉索不用加油，这意味着不费力气就能保持干净或者免保养。

二、取消中轴

如图1至图5所示，拉索驱动机构包括曲柄1、曲柄拉索2、过渡转换器3、曲柄限位器4、限位线5、轮索6、棘轮7、图3所示变种之一中还包括连接索14、导轮15、缓冲弹簧18，以替代图1中曲柄限位器4和限位线5的作用，图4和图5所示变种之二只是将曲柄和过渡转换器往前移了一个位置。

没有中轴使车有两个独立的驱动机构。两个曲柄相互独立也可以半独立如图3所示。其优点是：

1.曲柄1要部受力变轻。曲柄1的力臂和重臂都加大，如图1和图2所示，而在曲柄1根部没有扭矩只有压力使受力条件大为改善，使曲柄1的制造简单重量减轻。

2.本机构的传动扭矩曲线比传统自行车大为改善如图42和图43所示，从有效行程比较和扭矩曲线比较可以看出，没有中轴就没有脚的圆周运动，只有踏板的上下运动，整个行程都在做功，力量转换的效率得以提高。这在上坡时更显重要。踏板可在任何位置往下踩而不必过死点。

3.提高了效率。没有链条链轮和中轴减少了摩擦件，摩擦损耗大大减少。

4.两个踏板相互独立具有很大的灵活性，如图1至图4所示。用一只脚也能骑。有时需要全力踏的时候也可双脚同时往下蹬。除此以外行程可调。骑者可根据自己的腿长和习惯进行调整。由于没有中轴，曲柄1的位置可以不固定(这对卧式车特别适合)。曲柄1的运动可由缓冲弹簧进行缓冲和限位。曲柄1上有着干拉索连接处8，用于固定曲柄拉索2，因此曲柄拉索的位置很容易改变。总的来讲无论是专业还是业余都有许多空间去尝试以发挥自己的潜力。

三、过渡转换器代替链轮，如图1和图2所示。

没有了链条链轮和中轴需要有一个过渡转换器3将踏板的力量传递到后轮上。过渡转换器3的任务就是将踏板的往复运动变成后轮的圆周运动和改变扭矩。其优点是：

1.拉索使变速变得很简单而且能实现自动变速或手动变速或两者联合变速详见以下(一)和(二)节。

2.用本发明的过渡转换器3可使变速比很大而且可以几乎无级变速。

2.本过渡转换器3对机加工要求不高。生产成本比链轮要低很多。

4.尽管有两套驱动机构但是总体的重量却并不高。由于没有了链条链轮和中轴以及变速器使重量大为减轻，而本转换器3可大量采用非金属材料。

(一)自动变速的过渡转换器如图6至图23所示。

本自动转换器由一块底板100，两块侧板21，一对同步板23，内导板25、外导板24、轮索架29、若干导轮26和弹簧27组成。其工作原理如下：

由后轮所产生的阻力矩经轮索6作用到轮索接口，轮索6产生的压力作用到导轮26上，有的导轮下面有弹簧27。当脚踏所产生的扭矩和阻力矩相等时导轮26就停留在侧板21导槽的某一位置上。这就意味着阻力矩决定了导轮26的位置，导轮26的位置只和后轮的阻力矩有关。当阻力矩增大时导轮26的位置靠近侧板21的圆心，反之亦然。所有的导轮26都和同步板23相连接，因此所有的导轮26都保持在同一位置上。同步板23在内导板25和外导板24间运动。外导板24其圆弧和侧板的扇形弧一致，圆弧内侧开有一导槽135，内导板25也开有一导槽134，以使同步板23在其中运动，内外导板还用于稳定侧板21，同步板23上有同步槽101，同步槽101切线方向和圆心径向的夹角始终保持四十五度，用于导轮26的同步，这样同步板23和导轮26就能根据力矩大小灵活运动。轮索6在轮索接口到第一导轮之间的距离应尽量保持不变，这样在轮索6和第一导轮之间就不会有相对运动，这样就不会产生行程损失。当然这只是一种当轮索接口无限长时的理想状态。在实际情况下应使轮索6在轮索接口和第一导轮之间尽量长。也就是说让轮索接口尽量申到侧板臂侧123的前沿并且让轮索接口位置最好在导轮26最外和最里位置的中线上。在图17至图23自动变速零件图中更为详细地说明了其结构，图18底板包括弹簧槽111、弹簧导轮孔112、弹簧坑113、底板内圆114和底板外圆115，弹簧槽111的底部有弹簧坑113，弹簧坑113下有弹簧导轮孔112，用于疏导带压簧的导轮的弹簧柱133，在于安放和稳定弹簧27。图19侧板包括导轮导槽121、手动变速槽122、主动臂123、扇形侧124、轮索架29，侧板在主动臂123侧有手动变速槽122，用于骑者自身力量调整，有导轮导槽121，以放射状在其扇形侧124。图22无簧导轮由同步板131和滑块132组成，图23带簧导轮除包括同步板131和滑板132外，还设有弹簧柱133。导轮用于支撑轮索6，其两端设有滑块132，使其能沿着侧板21的导槽运动，滑块外侧有同步柱131使其能沿同步板23的同步槽101运动，带簧导轮和一弹簧柱133在轮索面的另一侧，其作用在于稳定弹簧27。

以上所述自动变速的过渡转换器有以下优点：

1.很明显本发明使蹬车变得很舒服。骑者只需用相同的力气蹬踏板就能适应不同的路况。

2.变速比大，可达到三比一以上。如果和手动变速(详见以下(二)节)相结合则可达到六比一以上。

3.灵活。导轮下面的弹簧可多可少，根据骑者情况而定。这样可充分发挥骑者的能力。在侧板的臂侧还有几个曲柄拉索接口用于手动调整，可将曲柄拉索放在和自己能力相当的位置上。

4.另一种可能就是自动和手动相结合(详见以下(二)节)。

5.所有另件都很容易制造(比链条和链轮要容易得多)。

(二)手动变速的过渡转换器，如图24至图35所示。

本手动转换器主要由基板145，一对变速杆即长变速杆143和短变速杆149和变速离合器146组成，除此之外其构成还包括组成基板的变速扇形侧141和轮索扇形侧210离合器线142、变速拉线144、曲柄拉索2、轮索6、线槽弧147、齿弧148、拉索套211、回位拉簧212，图33至35变种的手动变速离合器只是齿弧，棘爪的方向变了180°，基板变速扇形侧有一齿弧，在齿弧的内侧或者外侧或者两侧有齿用于离合器的啮合，基板轮索扇形侧有一线槽弧147用于轮索的限位。离合器有一棘爪221和齿弧148啮合，有一回位弹簧，225使棘爪221与齿弧148保持啮合状态，有一离合器曲柄223和离合器柄227在离合器线142的拉动下，使棘爪221与齿弧148脱离，以便变速杆能沿齿弧运动。其原理如下：

轮索6饶在基板145扇形侧的槽里扇形的半径是固定的。移动变速杆143和149就能变速。曲柄拉索2通过接头311和离合器的轴310相连，离合器轴310连接两个一长一短平行于基板变速扇形两侧的变速杆143和149和离合器的棘爪221。当变速杆143和149沿着基板变速扇形的齿弧148运动时曲柄拉索2接头311也跟着运动，这就改变了作用在基板145上的力矩。变速杆143和149的位置是由离合器146的棘爪221与具有一个或多个齿的齿弧148啮合所固定。当棘爪221离开齿弧148时变速杆143和149可由变速拉线144往里拉或者由回位拉簧212往外拉。回位拉簧212连着长变速杆143。很明显当变速杆143和149往外时力矩增大往里则力矩变小。这种手动变速的过渡转换器有以下优点：

1.结构非常简单，生产成本大幅度降低。

2.因为主要零件如基板变速杆等都可以用塑料来做所以重量可以大幅度减轻。

3.变速比大而且连续不像链条变速有粗细档之分。

4.坚固可靠不易出故障。

5.传动效率高。这里没有摩擦部件不用加油润滑也不会沾尘土。这意味着可以做成免保养或保养周期很长的车(只是转动部分有必要)。

四、与之相适应的棘轮如图36、37、38所示。

没有与之相应的棘轮用拉索传动是不可能的。因为拉索不像链条可以由链轮传递力量。这样就必须要有一个与之相适应的棘轮将拉索的力量传递到后轮上。由于踏板不是连续的圆周运动(两个独立的驱动系统)轮索6在传力以后需再次被绕在棘轮7上为下次传力作准备并且将踏板拉回初始位置。用一盘簧可解决这个问题。因此棘轮7除包括一盘簧323外，棘轮体321则由轮索线槽327、轮索和盘簧切口324、盘簧挂口325和轮索挂口326构成。轮索线槽327设在棘轮圆周上用于轮索的回绕，棘轮体321上设有多个轮索和盘簧切口324，每个切口内有轮索和盘簧挂口各一个，用于耦合轮索和盘簧。其优点是：

1.结构简单。用一个开口可解决轮索和盘簧两个问题。

2.调整灵活。开口多还能减轻重量，对于调整盘簧回位力量和轮索最佳位置都很方便。对于骑者可将盘簧回位力量调整到自己的最佳频率上。

本发明在其它方面的应用也是可能的，本驱动机构可应用于其它的人力驱动的车辆如轮椅，人力三轮车等，也可应用于人力飞机等。

Claims (17)

1.一种自行车拉索驱动机构，没有链条，链轮和相应的中轴，此机构包括两个脚踏曲柄，每个脚踏曲柄由曲柄拉索和一个或者自动变速或者手动变速或者这两者的联合的过渡转换器相连，过渡转换器由一条轮索和与之相适应的棘轮相连，由此进行力量的传递和变速，其特征是：

所述自动变速的过渡转换器由一块底板，两块侧板，两块同步板，若干导轮其中有的带压簧，一块外导板一块内导板所组成；或者由一手动变速的过渡转换器来实现其功能，所述手动变速过渡转换器由一块基板，一对变速杆和一个用拉索进行操作的变速离合器组成；所述棘轮除包括盘簧外，棘轮体则由线槽、轮索和盘簧切口、盘簧挂口、轮索挂口构成。

2.根据权利要求1所述的拉索驱动机构，其特征是：曲柄上有若干拉索连接处，用于固定曲柄拉索。

3.根据权利要求1所述的拉索驱动机构，其特征是：侧板在主动臂侧有手动变速槽用于骑者自身力量调整，有导轮导槽以放射状在其扇形侧。

4.根据权利要求1所述的拉索驱动机构，其特征是：底板上设有弹簧槽，该弹簧槽底部设有弹簧坑，弹簧坑下设有孔。

5.根据权利要求1所述的拉索驱动机构，其特征是：同步板上设有同步槽，该同步槽的切线方向与径向始终保持45度夹角。

6.根据权利要求1所述的拉索驱动机构，其特征是：导轮用于支撑轮索，其两端设有滑块使其能沿着侧板的导槽运动，滑块外侧有同步柱使其能沿着同步板的同步槽运动。

7、根据权利要求1所述的拉索驱动机构，其特征是：在带簧导轮的一侧部设有弹筑柱。

8.根据权利要求1所述的拉索驱动机构，其特征是：外导板上设有圆弧，该圆弧与侧板的扇形圆弧一致，该圆弧内侧设有导槽。

9.根据权利要求1所述的拉索驱动机构，其特征是：内导板开有一导槽使同步板能在其中运动，此外还用于稳定侧板。

10.根据权利要求1所述的拉索驱动机构，其特征是：基板由一个变速扇形侧和一个轮索扇形侧组成。

11.根据权利要求1或10所述的拉索驱动机构，其特征是：基板变速扇形侧有一齿弧，在齿弧的内侧或者外侧或者两侧有齿用于离合器的啮合。

12.根据权利要求1或10所述的拉索驱动机构，其特征是：基板轮索扇形侧设有一线槽弧。

13.根据权利要求1所述的拉索驱动机构，其特征是：在变速扇形两侧分别设有一长一短的变速杆，该两个变速杆间连接有离合器轴。

14.根据权利要求1或13所述的拉索驱动机构，其特征是：长变速杆有一变速线和一回位拉簧操作其运动还有一用于离合器操作的拉线。

15.根据权利要求1所述的拉索驱动机构，其特征是：离合器有一棘爪和齿弧啮合，有一回位弹簧使棘爪与齿弧保持啮合状态，有一离合曲柄使棘爪能与齿弧脱离，以便变速板能沿齿弧运动。

16.根据权利要求15所述的拉索驱动机构，其特征是：离合器齿弧有一个或多个齿用于固定变速杆的位置。

17.根据权利要求1所述的拉索驱动机构，其特征是：棘轮在其圆周上有一线槽，用于轮索的回绕，有多个轮索和盘簧切口，每个切口内有轮索和盘簧挂口各一个，用于耦合轮索和盘簧。

Images