尤其適用於自行車的自動無級變速的皮帶傳動裝置的製作方法

2023-07-03 02:26:16

專利名稱：尤其適用於自行車的自動無級變速的皮帶傳動裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種自動無級變速的皮帶傳動裝置，尤其適用於自行車。它有二個有效直徑可以變化的皮帶輪，其中每個都裝有幾個(至少3個)在圓周方向上均勻分布並由彈簧張緊的弓形件，它們鉸接在車架附屬的可旋轉的星輪架上並在徑向方向的內側和外側擋塊之間活動。
普通自行車常用鏈條傳動，換擋時可用鏈條換擋裝置，通常可達到21個固定擋，此時將鏈條有選擇地轉到某一個主動鏈輪和被動鏈輪上，並用鏈條張緊器使回空段的鏈條張緊。另外還有一種輪轂換擋裝置，它不用鏈條張緊器，通常有3-7個固定擋，此時裝有相應的行星輪組用來有選擇地接到自行車輪轂上。
權利要求1前序部分所述的皮帶傳動已由DE-PS93896公開，在主動和被動皮帶輪上都裝有弓形件，它們裝在一個其所屬的星輪架上，可在徑向移動，並且每個弓形件都受到一個螺旋彈簧的作用力。二個螺旋彈簧是相反方向纏繞的，並且分別用其徑向方向上的外圈徑向撐開地作用在各個弓形件上，而徑向內圈則掛在星輪架上。當運行阻力增高時就克服彈簧力使主動皮帶輪的有效直徑減小，而被動皮帶輪則相應加大。
這種公知的皮帶傳動裝置需要一個附加輪，對並不與皮帶處於嚙合狀態的弓形件進行導向，而且另外還有一個固定在星輪架上的輪盤，在這上面裝有螺旋彈簧。所需要的這些另件不能毫無困難地固定在通常的、在車架上可旋轉的星輪架上。在輪盤上導向的弓形件的推移導向產生了相應的摩擦損失。
可自動變速的皮帶傳動裝置是公知的，其主動皮帶輪上的弓形件按FR1188889為彈性構造，並用一個張緊滾輪張緊空鏈。根據DE-PS122517，決定皮帶輪有效直徑的弓形件都由一個在肘連接處彎曲的雙碰頭組成。在雙碰頭的槓桿的兩端頭之間作用一個拉力彈簧。
DE-PS642664還公開了擺動連在星輪架上的弓形件，但它不受彈簧夾緊力的作用，因為這種公知的皮帶傳動並不是自動地通過提高轉矩而改變速比，而是手動控制速比。
所要解決的任務是發明一種摩擦較小的、自動無級變速的、尤其適用於自行車的皮帶傳動，它結構簡單、堅固，另件又儘可能少，並且可以裝在市售的星輪架上，星輪架則在車架上可以旋轉。
根據本發明的特點解決此任務的方法是使弓形件擺動連接在其所屬的星輪架上，弓形件至旋轉軸的徑向間距相等，而且在每個相鄰的弓形件之間都放了一個壓力彈簧。
根據本發明，皮帶輪上的每個弓形件都安在其所屬的星輪架上並繞一個鉸點擺動，而且用一個彈簧撐住下一個弓形件，因此就不需要附加的導向件了。根據本發明，弓形件可以方便地裝在市售的星輪架上(而通常的自行車鏈傳動的鏈輪也固定在這星輪架上)，必要時還可以後補。由於弓形件在旋轉鉸接處的擺動鉸接幾乎不存在什麼摩擦點，因而效率較高，故障少。每個皮帶輪幾乎只有一個非標準件，即各個弓形件，它根據所用的星輪架而製造相應的數量，並且不會混淆地裝在星輪架上。而普通的另件，如彈簧、軸承套、螺絲和皮帶本身都是市售的標準件。
由於每個弓形件用一個彈簧，如將本發明用於自行車時，騎車者可以根據各自不同的力量大小容易地裝設此皮帶輪。若騎車者腳力好，那麼無需拆卸皮帶輪就可方便地使用較高彈簧剛度的彈簧，因而只在蹬力較大時才使速比變化。
本發明的其它有利結構是，在主動皮帶輪上的每個弓形件作成單臂槓桿，在旋向前方的一端安在星輪架的旋轉鉸點上，而旋向後方的一端則通過彈簧作用在後面的弓形件上，彈簧位於其槓桿二端之間，離其支點有一定距離。按本發明的主動皮帶輪的結構可使弓形件之間相互制約，如同由皮帶圓周力而產生的作用力那樣，向心的法向力只作用在其中一個弓形件上就可對所有弓形件起作用，尤其是對瞬間不與皮帶嚙合的弓形件進行導向，因此離必力或其它作用並不引起不確定指向的運動，否則的話由于振動可能產生噪聲。
雖有這導向，但每個弓形件都可以實現一個獨立的、由變化的法向力作用在有效圓周上而產生的擺動並因此克服彈簧力對相應於驅動載荷狀況而發生的皮帶有效直徑的變化進行調節。
根據本發明，在被動皮帶輪上每個弓形件都作成雙臂形槓桿，二端之間的鉸點裝在星輪架上。而且在正常情況下，即平坦道路上不加速騎行時，就經過其支座的徑向線而言，旋向前面的槓桿拱段比旋向後面的拱段短，而且由這徑向線起向圓周二側方向來說其有效半徑都變大。按本發明，被動輪上每個弓形件的槓桿比的設計能使其有效直徑的增大大致與圓周力的提高成比例。在優先旋向上，與皮帶嚙合的較長槓桿臂導致被動輪上弓形件撐開;而在相反旋向時，較短的槓桿臂以同樣方式起作用，因此主動輪上的速比變化由於皮帶的嚙合而自動地傳遞到被動輪上，而且皮帶自動地張緊，因而可以傳遞所需功率而不會打滑。
在共同應用要求2和3的特徵時，按本發明可以在較小的被動輪上完全不使用彈簧。
試驗表明，主動輪或被動輪的每個弓形件上與皮帶嚙合的有效面的最合理結構形狀為漸開線面，有效面的這種漸開線面使得在每種載荷範圍內的多角效應降為最小。試驗表明，滿載運行時產生的殘餘效應則通過皮帶的緩衝作用而吸收。
按本發明用於自行車的皮帶傳動可以方便地與倒輪閘組合在一起。當反向旋轉時，被動輪直徑撐開小一些。因此旋向相反時由主動輪引起的皮帶張力在制動時就附加增高。
按本發明，特別有利和合理的其它結構形式的皮帶傳動用於自行車時與輪轂換擋裝置相結合。皮帶傳動的無級變速調定到輪轂換擋裝置的分級，那麼就可在這裝置裡用有控制的腳踏力來實現自動變速。
自行車用的鏈傳動在實用中雖有缺點(要有潤滑劑、只有用輕質材料才能使其重量較輕、沒有無級變速)，但還是站住了腳，因為至今為止用皮帶傳動替代鏈傳動的嘗試都因為效率明顯較低或結構複雜而失敗了。
歸納起來本發明有以下優點a)可以無級變速，而且所測的樣機效率曲線表明，只在部分載荷範圍內比鏈傳動效率低4%，並且效率與功率的增高相適應。
b)所做的測定是在以一定腳踏力進行加速時，將樣機直接與鏈傳動比較。在規定的加速時間之後，無級可調的皮帶傳動的最終速度要高出10%，因而在這段時間內所駛過的路程也多10%左右。
c)根據本發明，皮帶傳動一共只有三種非標準新零件，所有其它小另件以及皮帶等都是市售零件。
d)在生產過程中就可方便地裝配，因為本發明的皮帶傳動代替了鏈傳動，但周圍零件如車架、腳蹬軸承或後輪軸承的結構都沒有變化，可用在著名廠家的通用星輪架上。也可以方便地後補裝到鏈傳動的自行車上而毋需很多的費用。
e)本發明的皮帶傳動可以與倒輪閘和(或)輪轂換擋裝置組合起來而無須改變這些零件。
f)為適應不同的載荷情況，任何時候甚至在途中都可方便地更換彈簧。
g)將本發明的皮帶傳動裝到通常的有五個安裝孔的星輪架上時，也可以在主動輪的各弓形件之間採用不同剛度的彈簧，以達到在二個腳踏處於死點位置時降低峰值力的效果，例如在橢圓形鏈輪時就會產生這種效果。
下面參照附圖詳細說明按本發明的優選實施例

圖1是本發明皮帶傳動的一個視圖，皮帶輪調定的速比為最大;
圖2是本發明皮帶傳動的一個視圖，皮帶輪調定的速比為最小;
按圖1和圖2在主動皮帶輪1和被動皮帶輪2上都分別安設了一個五臂的星輪架3和4，它們可繞固定於車架上的軸A旋轉。在主動輪1的星輪架3上固定按設了二個相對布置的踏板，這在圖上並未表示。前行時旋向用V表示。對轉軸A而言，每個皮帶輪1或2上分別有五個共同作用的具有作用面9的弓形件5或6就形成3有效直徑可以無級變化的皮帶輪1或2。弓形件5或6安在皮帶輪1或2上，在旋向V一側具有距轉軸相同的徑向距離，並可在星輪架3或4的鉸點7上擺動。二個皮帶輪1和2用三角皮帶圍抱住，皮帶齧入在各個弓形件5或6上相應加工出的槽內。所有弓形件5或6與三角皮帶嚙合的楔槽作用面9為漸開線形。
主動皮帶輪1的弓形件5做成單臂形槓桿51，它在旋向V前方的一端支在鉸點7上，後端則受壓力彈簧8的作用。彈簧8支在後面的弓形件52上，位於槓桿二端之間，離支點7距離為a。每個弓形件5徑向內擺動的角度受在後面弓形件上的擋塊限制，而徑向向外擺動的角度則受皮帶張緊的限制。
被動皮帶輪2的弓形件6安在所屬的星輪架4上，可以自由擺動，對支點7來說是一個雙臂形槓桿61。按經過支點7和轉軸A的在圖1中用S表示的線，旋向V前方為有效槓桿臂，其拱形塊要比旋向後方的短些。對鉸點7而言，沿著S線的作用面9上的有效半徑為最小，在二側圓周方向上它都加大了。在圖1這起始位置上，相當於不加速，在平坦道路上行駛，對應於拉力段Z上的圓周力U的法向力N就作用在主動輪1或被動輪2的弓形件51和62上。主動輪1的弓形件52正好位於皮帶出口11和入口10之間，在圖1所示的位置上該弓形件52通過離鉸點7距離為a作用的彈簧8的彈簧力Fa(彈簧承受了法向力N的反力)與由Fa導致的止動力Fb保持平衡狀態。被動輪2由於法向力N的作用，星輪架4上的弓形件6形成了可能的最小有效圓周。如果按圖1圓周力U在拉力段和回空段是同樣大小的話，那麼傳動裝置就沒有加速。
按圖2一個加強轉矩M作用在主動皮帶輪1的星輪架3上，拉力段Z的圓周力U及法向力N變大，以及由於弓形件5經向向內偏轉，使得彈簧力Fa以及由此導致止動力Fb也變大。由於繞軸A的旋轉V產生了離必力Ff，它與止動力Fb方向相反。止動力Fb在每種工況下都大於離必力並且阻止了未處於嚙合狀態的弓形件52的徑向運動。
法向力N加大引起弓形件5繞鉸點7徑向向內旋轉，這就使主動輪的有效直徑變小。由此在回空段L內產生的皮帶下垂允許被動輪2的弓形件6在旋向V上圍繞鉸點7產生旋轉;同樣，加大拉力段Z的圓周力U也使弓形件6在旋轉方向V上圍繞鉸點7產生旋轉。由於上述結構的弓形件6，即雙臂槓桿，在二側圓周方向上半徑加大，那麼每個與皮帶處於牽引作用的弓形件6的有效半徑以及被動輪2的整個有效直徑都自動變大。如圖2所示，與皮帶的摩擦嚙合發生在每個弓形件6的前部(從旋向V方向看)較長拱塊上;而弓形件6的前部(從旋向V方向看)較短拱塊則脫離嚙合。
由於這種撐開作用，回空段L的圓周力U加大，一直到被動輪2的弓形件6上的撐開力和主動輪1上的彈簧力Fa之間又重新達到力的平衡，這二個力都與拉力段Z的圓周力U有關並成比例。
當主動輪1的星輪架上轉矩M減小時就發生相反的過程。
如果當反蹬剎車反向旋轉(與旋向V反向)時，由於前述作用使主動輪1的弓形件5具有可能的最大有效直徑。被動輪2則類似於正的旋向V時，由於處於力作用下的較短的位於旋向V前方的弓形件6的拱段使有效直徑撐開。此時撐開所需的力較小，因為對鉸點7的有效半徑只是略有加大。反向旋轉時在輪1和2上同時引起有效直徑撐開造成皮帶張力最大並且阻止了反蹬剎車時的皮帶空轉杆滑。
權利要求
1.具有自動無級變速的皮帶傳動裝置，尤其適用於自行車，具有有效直徑可變化的二個皮帶輪(主動皮帶輪1，被動皮帶輪2)，其中每個輪都有多個(至少3個)弓形件，弓形件安設在可在車架上旋轉(軸A)的所屬星輪架(3或4)上，並在徑向內外的止擋之間活動，它們在圓周方向是均布的並用彈簧撐緊，其特徵是弓形件(5和6)至旋軸(A)的徑向距離相同地、繞鉸點7擺動地安裝在所屬星輪架(3或4)上，壓力彈簧(8)都安置在相鄰的弓形件(5或6)之間。
2.按權利要求1的皮帶傳動裝置，其特徵是主動皮帶輪(1)的每個弓形件(51)都做成單臂槓桿，位於旋向V前方一端裝在星輪架(3)的鉸點(7)上;位於旋向V後方的一端則通過彈簧(8)在至槓桿二端之間支點(鉸點7)的距離為(a)處支撐在後面的弓形件(52)上。
3.按權利要求1或2的皮帶傳動裝置，其特徵是在被動皮帶輪(2)上每個弓形件(61)都作成雙臂式槓桿，杆二端中間的支點支在星輪架(4)的鉸點(7)上，對於通過支點(鉸點7)的徑向線(圖1的s)而言，旋向(V)前方的拱段的槓桿臂比旋向(V)後方的拱段的槓桿臂要短些，而且從這徑向線(s)起向圓周二側方向，相對支點(鉸點7)的有效半徑都變大了。
4.按權利要求2和3的皮帶傳動裝置，其特徵是被動皮帶輪(2)的結構中沒有彈簧。
5.按權利要求1至5中之一的皮帶傳動裝置，其特徵是主動輪(1)或被動輪(2)上的每個弓形件(5和6)的用於與皮帶嚙合的作用面(9)是一個漸開線面。
6.按權利要求1至5中之一的皮帶傳動裝置，其特徵是該皮帶傳動裝置與倒輪閘相結合。
7.按權利要求1至6中之一的皮帶傳動裝置，其特徵是該皮帶傳動裝置與輪轂換擋裝置相結合。
全文摘要
一種主要用於自行車的皮帶傳動裝置，可以無級 自動變速。在皮帶輪(1)(2)上有五個弓形件(5或 6)，沿圓周均布，徑向距離相等，鉸接在繞A可旋轉 的星輪架(3或4)上，可擺動。主動輪(1)的弓形件 (5)為單臂形，相鄰件(51，52)之間裝有彈簧(8)。被 動輪(2)的弓形件(6)為雙臂形。所有弓形件上與三 角皮帶嚙合的作用面為漸開線面。若主動輪轉矩加 大使速比發生變化(克服彈簧力使有效直徑變小)，則 被動輪弓形件就自動撐開，並使皮帶張緊。用於自行車時可方便地與倒輪閘和(或)多擋輪 轂變速裝置相組合。
文檔編號F16H55/54GK1100051SQ94106919
公開日1995年3月15日 申請日期1994年6月3日 優先權日1993年6月4日
發明者胡伯特·克雷默 申請人:胡伯特·克雷默