多擺杆大扭矩雙邊驅動式自行車的製作方法

2024-02-10 22:42:15

專利名稱：多擺杆大扭矩雙邊驅動式自行車的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種自行車。
背景技術：
自行車是一種人們非常喜歡的出行工具。目前使用的自行車有兩種，一種是變速自行車，另一種是不變速自行車，使用廣泛的還是變速自行車。無論是變速自行車還是不變速自行車，其驅動裝置的驅動原理是一樣的，當變速自行車沒有變速時，也就跟不變速自行車一樣，下面提到的現用自行車，就是指不變速自行車和沒有變速的變速自行車。自行車有它自己的特點，那就是價格低廉，使用方便，不需要任何燃料，環保性能好。但這兩種自行車都存在一個共同的缺陷，就是施加在後輪上的驅動扭矩太小，儘管變速自行車能增大驅動扭矩，但這是以降低速度為代價的，也就是說，驅動扭矩增大了，但行駛速度變慢了，若為了滿足爬坡上坎所需要的驅動扭矩而使速度變得過慢，則會因速度太慢而無法行駛，這種變速也就沒有任何實際意義。自行車的這種缺陷會給騎車人帶來很大的不便，因為稍遇爬坡上坎，騎車人就感到非常吃力，若坡度稍大一些，則騎車人只能推車爬坡。為了解決這一問題，人們提出了許多解決方案，這些方案大體分為兩類，一類是用運槓桿原理，通過改變驅動裝置的結構來增加驅動扭矩，另一類是引入其它動力。從價格、環保、方便等方面來考慮，第一類要好一些，但問題是驅動扭矩和行駛速度很難做到二者兼得，要麼驅動扭矩增加了，行駛速度變慢了，要麼行駛速度提高了，驅動扭矩減少了，即使行駛速度不變，驅動扭矩增加了，但增加不明顯。如專利99123093.0也是通過槓桿原理來省力的，該專利的可取之處是使用了不止一跟槓桿，該專利的驅動裝置有兩個部分組組成，一個部分是槓桿機構，另一部分是鏈輪機構，槓桿機構用來增大自行車後輪上的驅動扭矩，鏈輪機構用來提高自行車的行使速度。該專利存在兩個問題一個是得出的結論性數據不可信。如省力73％和速度要快68％等，因為該專利既沒有準確的結構尺寸，又沒有嚴謹的計算過程。另一個是計算省力數據時沒有考慮鏈輪機構的影響。這是因為，儘管槓桿機構增大了自行車後輪上的驅動扭矩，但由於槓桿較長，擺動一個往復其後輪轉過的角度很有限，也就是說速度變慢了，為此該專利又採用了兩極鏈輪機構來提高行使速度，但速度的提高必然導致後輪上驅動扭矩的下降，若行使速度比現用自行車還要快，則驅動扭矩有可能比現用自行車還要小。

發明內容
本發明的目的是提供一種在行駛速度不變慢的前提下，能使驅動扭矩成倍增加的自行車，而且結構簡單，蹬踏方便，真正實現輕輕一蹬就能爬坡上坎。
本發明的技術解決方案是一種多擺杆大扭矩雙邊驅動式自行車，主要由前輪、後輪、支架體、兩套驅動裝置和左右聯動機構組成，兩套驅動裝置結構完全相同，兩邊各一套，都由大鏈輪、後輪軸上帶棘輪的小鏈輪、鏈條、多級擺杆組和最外側擺杆下極限位置止位杆構成，在支架體下面有兩個側杆，大鏈輪、後輪軸上帶棘輪的小鏈輪和鏈條就安裝在側杆的內側，多級擺杆組安裝在側杆的外側，最外側擺杆下極限位置止位杆安裝在側杆的下面，多級擺杆組的各轉動軸，包括後輪軸都安裝在側杆上，左右兩驅動裝置通過安裝在兩大鏈輪間的左右聯動機構連接在一起。
上述技術解決方案中的多級擺杆組，可以是三級擺杆組、四級擺杆組、五級擺杆組或更多級擺杆組，擺杆數可多可少，少則驅動扭矩的增加有限，多則左右兩腳踏板間的距離太遠，蹬踏不方便，總體來看，以五級擺杆為宜。各級擺杆由裡向外依次是一級擺杆、二級擺杆、三級擺杆、四級擺杆、五級擺杆等，除一級擺杆外，其餘各級擺杆都沿杆開有直線槽，除最外側擺杆的端頭與腳踏板連接外，其餘各級擺杆端頭的外側都連接一滾輪或滑塊，滾輪或滑塊鑲入到其外側相鄰擺杆的直線槽中。一級擺杆的轉動軸就是大鏈輪的轉動軸，三級、五級等奇數級擺杆的轉動軸在大鏈輪轉動軸之後，二級、四級等偶數級擺杆的轉動軸在大鏈輪轉動軸之前，當最外側擺杆處於極限位置時，所有奇數級擺杆相互平行，所有偶數級擺杆也相互平行，奇數級擺杆與偶數級擺杆的夾角小於90，且轉向相反。
上述技術解決方案中的左右聯動機構，由兩個搖杆、兩個連杆、一個活塞、一個活塞筒和活塞筒固定杆組成，兩個搖杆的轉動軸就是兩大鏈輪的轉動軸，兩連杆一側的端頭分別與兩搖杆的端頭連接，另一側的端頭都與活塞連接，活塞與活塞筒配合後與活塞筒固定杆連接，並由其固定在支架體上，兩搖杆與相應的一級擺杆的夾角大於45，它們在擺動中，一個始終在側杆的上面，另一個始終在側杆的下面，此時，當一邊的最外側擺杆向下運轉動時，處於同一邊且在側杆上面的搖杆也會向下轉動，並通過連杆推動活塞向前移動，而活塞的向前移動，又會通過另一邊的連杆拉動處於另一邊且在側杆下面的搖杆向上轉動，從而帶動另一邊的最外側擺杆向上轉動，這樣就實現了左右最外側擺杆的聯動。
上述技術解決方案中的大鏈輪，當一級擺杆處於上極限位置時，在大鏈輪左下方略大於四分之一圓的範圍內開有一同心圓弧槽，有一短杆在後輪與大鏈輪轉動軸之間穿過圓弧槽與兩側杆用螺釘進行連接。
若取多級擺杆組為五級擺杆組，則本發明與現用自行車相比有以下優點1、在行駛速度相同，蹬踏力相同的條件下，施加在後輪上的驅動扭矩很大，其最大驅動扭矩是現用自行車的9倍。2、在行駛速度相同，施加在後輪上的最大驅動扭矩相同的條件下，本發明所施加在蹬踏板上的蹬踏力只是現用自行車的11.3％，即省力88.7％，這充分發揮了槓桿一兩撥千斤的作用。3、本發明的行駛速度要比現用自行車的快。4、本發明真正實現了輕輕一蹬就能爬坡上坎的目的。5、本發明結構簡單，蹬踏方便。6、由於本發明的驅動扭矩很大，所以不需要變速機構。


本發明的附面說明如下圖1為本發明的結構原理圖。
圖2為本發明的局部俯視圖。
圖3為本發明中左右聯動機構的結構原理圖。
圖4為本發明中大鏈輪上開圓弧槽的結構示意圖。
圖5為現用自行車中的驅動裝置示意圖。
圖6為本發明中的驅動裝置示意圖。
具體實施例方式
由圖1和圖2可知，本發明主要由前輪17、後輪1、支架體16、兩套驅動裝置和左右聯動機構等組成。驅動裝置由大鏈輪6、後輪軸上帶棘輪的小鏈輪2、鏈條3、多級擺杆組和最外側擺杆下極限位置止位杆10組成，其中大鏈輪6、後輪軸上帶棘輪的小鏈輪2和鏈條3安裝在支架體下面兩側杆4的內側，多級擺杆組安裝在側杆4的外側，最外側擺杆下極限位置止位杆10安裝在側杆4的下面。本發明中的多級擺杆組可以是三級擺杆組、四級擺杆組、五級擺杆組或更多級擺杆組，若擺杆總數為奇數，則大鏈輪6的轉向與後輪1前進的轉向相同，無需換向，若擺杆總數為偶數，則大鏈輪6的轉向與後輪1前進的轉向相反，這時就需要換向，從而使結構變的複雜，兩者比較，擺杆總數以奇數為宜。在擺杆總數為奇數的前提下，擺杆總數越大，則施加在後輪軸上的驅動扭矩就越大，但兩腳踏板間的間距也就越大，從而給蹬踏帶來不便擺杆總數越小，則施加在後輪軸上的驅動扭矩就越小，但兩腳踏板間的間距也就越小，蹬踏起來也會比較方便。綜合以上因素，本發明中的多級擺杆組以五級擺杆組為宜。因此，本實施例中的多級擺杆組就取五級擺杆組。多級擺杆組(五級擺杆組)的各轉動軸，包括後輪軸都安裝在側杆4上，它們由裡向外依次為一級擺杆13、二級擺杆14、三級擺杆8、四級擺杆15和五級擺杆5等，除一級擺杆13外，其餘各級擺杆都沿杆開有直線槽，如五級擺杆上的直線槽7。除最外側擺杆(五級擺杆5)的端頭與腳踏板11連接外，其餘各級擺杆端頭的外側都連接一滾輪或滑塊12，滾輪或滑塊12鑲入到其外側相鄰擺杆的直線槽中。在以上各擺杆中，一級擺杆13的轉動軸就是大鏈輪的轉動軸19，其它奇數級擺杆的轉動軸在一級擺杆13的轉動軸的後面，如三級擺杆8和五級擺杆5；而偶數級擺杆的轉動軸則在一級擺杆13的轉動軸的前面，如二級擺14桿和四級擺15桿。最外側擺杆(五級擺杆5)的極限位置由安裝在側杆4下面的最外側擺杆下極限位置止位杆10決定，最外擺杆(五級擺杆5)兩極限位置的夾角為90，兩極限位置與側杆4的夾角為45，也就是說，當最外側擺杆(五級擺杆5)從上極限位置轉到下極限位置時，大鏈輪6也轉動了90。所有奇數級擺杆相互平行，所有偶數級擺杆也相互平行，這樣可使得多級擺杆組顯得緊湊且輸出扭矩很大。奇數級擺杆與偶數級擺杆的夾角小於90，並且轉向相反，只有這樣，才能避開死角，並在所有各級擺杆處於同一直線上時，該驅動裝置輸出的驅動扭矩最大。
由圖2可知，左右聯動機構連接左右兩驅動裝置，它安裝在兩個大鏈輪之間，由兩個搖杆20、兩個連杆21、一個活塞22、一個活塞筒23和活塞筒固定杆24組成，兩個搖杆20的轉動軸就是兩大鏈輪的轉動軸19，兩連杆21一側的端頭分別與兩搖杆20的端頭連接，另一側的端頭都與活塞22連接，活塞22與活塞筒23配合後與活塞筒固定杆24連接，並由其固定在支架體16上。從圖3看出，搖杆20與相應的一級擺杆13的夾角大於45，約為60，當最外側擺杆(五級擺杆5)處在上下兩極限位置時，搖杆20也有兩個極限位置，一個是搖杆20與其轉動軸以前的側杆4的夾角大於90，約為105，另一個是搖杆20與其轉動軸以前的側杆4的夾角大於0，約為15，這樣就會避免搖杆20與連杆21在一條線上的情況，否則，連杆21推動搖杆20，會使搖杆20的轉動出現不確定，而且，這兩個搖杆20在擺動中，一個始終在側杆4的上面，另一個始終在側杆4的下面，此時，當一邊處於極限位置的最外側擺杆(五級擺杆5)向下運轉動時，處於同一邊側杆4上面的搖杆20也會向下轉動，並通過連杆21推動活塞22向前移動，而活塞22向前移動，又會通過另一邊連杆拉動處於另一邊側杆下面的搖杆向上轉動，從而帶動另一邊的最外側擺杆(五級擺杆)向上轉動，這樣就實現了左右最外側擺杆的聯動。如圖4和圖1所示，為了保持兩側杆之間的間距不變，也為了整個結構的穩定，當一級擺杆13處於上極限位置時，在大鏈輪6左下方略大於四分之一圓的範圍內開有一同心圓弧槽9，有一短杆18(見圖2)在後輪1與大鏈輪轉動軸19之間穿過大鏈輪6上的圓弧槽9與兩平行側杆4用螺釘進行連接。該短杆18並不影響大鏈輪6的轉動，因為，大鏈輪6的轉動方式是先轉90，然後再反轉90，如此反覆而已。
現用自行車一般是曲杆轉一圈，後輪轉2.5圈，也就是說，中軸上的大鏈輪與後輪軸上的小鏈輪的半徑之比為2.5∶1，此時，若後輪軸上的小鏈輪的半徑為30mm，則大鏈輪的半徑為75mm。圖5為現用自行車中的驅動裝置示意圖，上面標有從實物上測量下來的尺寸，通過這些尺寸，可以計算出該驅動裝置施加在後輪上的最大驅動扭矩。具體計算過程如下當曲杆從上向下正好轉到水平位置時，設垂直向下施加在腳踏板上的的力為T(N)；大鏈輪施加在鏈條上的力為T1，鏈條施加在大鏈輪上的力為T1，T1＝-T1；該驅動裝置施加在後輪上的最大驅動扭矩為Mmax。現根據槓桿原理計算如下。
160T＝75T1T1＝16T/75 T1＝2.13T(N)Mmax＝0.03×T1Mmax＝0.03×2.13TMmax＝0.064T(N.m)圖6為本發明中的驅動裝置示意圖，在該圖中，大鏈輪的半徑為150mm，後輪軸上帶棘輪的小鏈輪的半徑為30mm，大鏈輪的半徑與後輪軸上帶棘輪的小鏈輪的半徑之比為5∶1，也就是說，大鏈輪轉一圈，後輪要轉5圈。在本發明中，兩邊各蹬踏一次，即為一個往復，由前面所述可知，一邊蹬踏一次，大鏈輪轉90，兩邊各蹬踏一次，即為一個往復，則大鏈輪轉半圈，由5∶1可知，後輪轉2.5圈。可見，本發明中的驅動裝置往復一次和現用自行車的曲杆轉一周一樣，都能使後輪轉2.5圈數。該圖中各級擺杆的長度是按1∶1準確繪製，精確測量而得，其數據的準確性和可靠性毋容置疑。下面來計算本發明的驅動裝置在後輪上施加的最大驅動扭矩。
當一邊的各級擺杆從上向下正好都轉到水平位置時，該驅動裝置施加在後輪上的驅動扭矩最大。設垂直向下施加在腳踏板上的的力為T(N)；四級擺杆施加在五級擺杆上的力為T1，五級擺杆杆施加在四級擺上的力為T1，T1＝-T1；三級擺杆施加在四級擺杆上的力為T2，四級擺杆施加在三級擺杆上的力為T2，T2＝-T2；二級擺杆施加在三級擺杆上的力為T3，四級擺杆施加在三級擺杆上的力為T3，T3＝-T3；一級擺杆施加在二級擺杆上的力為T4，二級擺杆施加在一級擺杆上的力為T4，T4＝-T4；大鏈輪施加在鏈條上的力為T5，鏈條施加在大鏈輪上的力為T5，T5＝-T5；該驅動裝置施加在後輪上的最大驅動扭矩為Mmax。現根據槓桿原理計算如下。
對五級擺杆250T＝75T1T1＝250T/75T1＝3.3T(N)對四級擺杆190T1＝93T2T2＝190T1/93 T2＝190×3.3T/93 T2＝6.74T(N)對三級擺杆122T2＝45T3T3＝122T2/45 T3＝122×6.74T/45 T3＝18.27T(N)對二級擺杆120T3＝50T4T4＝120T3/50 T4＝120×18.27T/50 T4＝44T(N)對一級擺杆65T4＝150T5T5＝65T4/150 T5＝65×44T/150T5＝19T(N)Mmax＝0.03×T5＝0.03×19T＝0.57T(N.m)從以上可以看出，9×0.064T＝0.57T，即Mmax＝9Mmax，也就是說，在行駛速度相同，蹬踏力相同的條件下，本發明在自行車後輪上施加的最大驅動扭矩是現用自行車的9倍。由於該驅動裝置施加在後輪上的驅動扭矩很大，所以本發明不需要變速機構。從以上還看出，Mmax＝0.57×(T×11.3％)＝0.064T(N.m)，也就是說，在行駛速度相同，施加在後輪上的最大驅動扭矩相同的條件下，本發明所施加在蹬踏板上的蹬踏力只是現用自行車的11.3％，即省力88.7％。
現用自行車的曲杆轉一圈和本發明的最外側擺杆兩邊各蹬踏一次，後輪都轉2.5圈，似乎現用自行車和本發明在蹬踏速度相同的情況下，其行駛速度一樣，其實不然，這是因為，現用自行車的曲杆轉一圈，腳踏板移動過的距離為π×320mm，即為1000mm，而本發明的最外側擺杆左右各蹬踏一次，腳踏板移動過的距離經計算為785mm。因此，在同一時間內，在蹬踏速度相同的條件下，本發明一側的擺杆還應再擺動四分之一個往復，經推算，本發明的後輪應轉3圈。加之本發明採用上下蹬踏式，蹬踏起來比較方便，在蹬踏速度感覺相同的情況下，實際上本發明要蹬踏的快一些。綜上所述，在同一時間內，在蹬踏速度感覺相同的情況下，本發明的後輪所轉過的圈數為3.5圈左右，即本發明的行駛速度要比現用自行車的行駛速度快。
權利要求
1.一種多擺杆大扭矩雙邊驅動式自行車，主要由前輪、後輪、支架體、兩套驅動裝置和左右聯動機構組成，其特徵在於該自行車的兩套驅動裝置結構完全相同，兩邊各一套，都由大鏈輪、後輪軸上帶棘輪的小鏈輪、鏈條、多級擺杆組和最外擺杆下極限位置止位杆構成，在支架體下面有兩側杆，大鏈輪、後輪軸上帶棘輪的小鏈輪和鏈條就安裝在支架體下面兩側杆的內側，多級擺杆組則安裝在兩側杆的外側，最外側擺杆下極限位置止位杆安裝在側杆的下面，多級擺杆組的各轉動軸，包括後輪軸都安裝在兩側杆上，左右兩驅動裝置通過安裝在兩大鏈輪間的左右聯動機構連接在一起。
2.根據權利要求1所述的多擺杆大扭矩雙邊驅動式自行車，其特徵在於多級擺杆組可以是三級擺杆組、四級擺杆組、五級擺杆組或更多級擺杆組，各級擺杆由裡向外依次是一級擺杆、二級擺杆、三級擺杆、四級擺杆、五級擺杆等，除一級擺杆外，其餘各級擺杆都沿杆開有直線槽，除最外側擺杆的端頭與腳踏板連接外，其餘各級擺杆端頭的外側都連接一滾輪或滑塊，滾輪或滑塊鑲入到其外側相鄰擺杆的直線槽中。
3.根據權利要求1或2所述的多擺杆大扭矩雙邊驅動式自行車，其特徵在於一級擺杆的轉動軸就是大鏈輪的轉動軸，三級、五級等奇數級擺杆的轉動軸在大鏈輪轉動軸之後，二級、四級等偶數級擺杆的轉動軸在大鏈輪轉動軸之前，當最外側擺杆處於極限位置時，所有奇數級擺杆相互平行，所有偶數級擺杆也相互平行，奇數級擺杆與偶數級擺杆的夾角小於90，且轉向相反。
4.根據權利要求1所述的多擺杆大扭矩雙邊驅動式自行車，其特徵在於左右聯動機構由兩個搖杆、兩個連杆、一個活塞、一個活塞筒和活塞筒固定杆組成，兩個搖杆的轉動軸就是兩大鏈輪的轉動軸，兩連杆一側的端頭分別與兩搖杆的端頭連接，另一側的端頭都與活塞連接，活塞與活塞筒配合後與活塞筒固定杆連接，並由其固定在支架體上，兩搖杆與相應的一級擺杆的夾角大於45，它們在擺動中，一個始終在側杆的上面，另一個始終在側杆的下面。
5.根據權利要求1所述的多擺杆大扭矩雙邊驅動式自行車，其特徵在於當一級擺杆處於上極限位置時，在大鏈輪左下方略大於四分之一圓的範圍內開有一同心圓弧槽，有一短杆穿過圓弧槽與兩側杆用螺釘進行連接。
全文摘要
目前使用的自行車有兩種，一種是變速自行車，另一種是不能變速的自行車。這兩種自行車的共同缺陷是施加在自行車後輪上的驅動扭矩太小，稍遇爬坡上坎，就感到非常吃力，儘管變速自行車通過變速能增加驅動扭矩，但這是以降低速度為代價的。本發明徹底改變了扭矩的輸入方式，由一曲杆做圓周運動改為通過多級擺杆的精妙組合做擺動，若取多級擺杆組為五級擺杆組，則改變後，在速度相同、腳踏力相同的情況下，施加在後輪上的最大驅動扭矩是現用自行車的9倍，在與現用自行車的最大驅動扭矩相同、行駛速度相同的情況下，可省力88.7％。因此，該多擺杆大扭矩雙邊驅動式自行車真正實現了以較快的速度輕鬆自如地爬坡上坎。由於本發明所具有的神奇特性，將徹底淘汰現用自行車和助力車，在某種程度上可與摩託車相媲美，市場前景十分廣闊。此外，本發明還可應用於三輪自行車和殘疾人自行車，使殘疾人的活動範圍大大擴展。
文檔編號B62M1/24GK1493489SQ02147690
公開日2004年5月5日 申請日期2002年10月28日 優先權日2002年10月28日
發明者杜振華 申請人:杜振華