專利名稱：往復式人力驅動機構的制作方法
往復式人力驅動機構，屬于自行車、特別是自行車傳動機構領域。
傳統(tǒng)自行車的圓周式驅動方式結構比較簡單，相對歷史上的其它驅動方式也比較合理，因此長期被沿用。但是，在上下死點位置附近出力性差這是公知的，與登力方向垂直的分速度，無助于驅動，還增加了肌肉和關節(jié)的多余運動，在快速驅動時，也會產(chǎn)生較大的不必要的慣性力。另外，由于水平方向移動的距離較大，不利于人體重心的穩(wěn)定?？偟尿T行效果并不理想。
為此，已有不少改進方案，在專利申請案和書報中見到最多的一類方案，從原理上可歸結為一種搖桿機構(見

圖1)，其驅動原理是通過飛輪和鏈條將搖桿的擺動轉化成朝一個方向的連續(xù)轉動。這種驅動方式在踏速較低時可解決上述問題，但是踏速增高時出力性將明顯降低。因為，腳部是從零速開始登出的，必須經(jīng)過一段空行程到達M點時，飛輪才與車輪同步旋轉，此時才發(fā)揮驅動作用。當腿部快要伸直時，必須提前在N點停止驅動，同樣要經(jīng)過一段空行程，往往依靠肌肉的力量克服所有的慣性力，使各運動部分速度降為零。另一方面，到達N點腿將伸直時，根據(jù)人機學原理下肢本來能夠發(fā)揮最大的登力，因機構所限而不能發(fā)揮出來。隨著登速不斷增大，實際做功行程MN將不斷縮短，隨之出力性也將不斷降低。此外，在兩個空行程，人會有登空的感覺，并伴有較大的沖擊，使人感到不適。
現(xiàn)有一種驅動機構(見圖2根據(jù)中國專利申請?zhí)枮?7213216)，該機構的特點是裝有腳踏板的踏桿往返擺動，通過連桿使曲柄轉動，連桿承受的是拉力。該機構雖然在一定程度上可解決上述問題，但是，由于在腳登出的行程連桿承受的是拉力，在主要驅動階段，也就是加速階段和減速階段中間的驅動階段，腳踏板處的速度分布是先慢后快。事實上下肢不能與其協(xié)調配合，因此輸出效率也是不高的。
目前用手驅動的某些特殊用途的自行車也采用圓周式驅動方式。人們還設計了一些手腳并用的圓周式驅動機構。這些驅動方式不僅出力性差，而且手或者腳很難協(xié)調動作，不易掌握平衡控制方向。其它手腳并用的驅動方式，也大都存在上述的缺點，例如空行程、出力性差等。另外，采用擺動式驅動的自行車，往往因結構所限，產(chǎn)生了不能倒行的問題，這在某些場合會帶來不便，甚至會使個別部件因受力過大而損壞。
本發(fā)明的目的是提出能夠解決上述問題，并且符合人體運動學和人機學要求的人力驅動機構，使運動軌跡更為合理，同時在運動軌跡上具有合適的速度分布，從而提高人體肌肉的輸出功率和輸出效率。在用手或者手腳并用驅動的同時不影響控制行駛方向。結合本發(fā)明的特點，還設計了可倒行飛輪，使自行車能自由倒推。
本發(fā)明的具體內容如下為了便于說明，定義幾個述語將腳登出或手推出的行程稱之為驅動行程，腳或手縮回的行程叫做返回行程。腳踏板和手柄統(tǒng)稱為施力件。把連接、支承或安裝本驅動機構以及行駛、方向控制等部分的部件定義為主構架。當施力件處在驅動行程的最初位置時，與曲柄最為接近的死點稱之為第一死點，另一死點則為第二死點。設曲柄從第一死點轉到第二死點時，驅動輪被迫轉過的角度為T，又設曲柄處于兩個死點之間的某個位置S時，驅動輪剛好轉過1/2T的角度。那么在驅動行程，曲柄從第一死點轉到位置S時施力件移動的距離除以曲柄從位置S轉到第二死點時施力件移動的距離，所得到的比值稱為前后行程比。(見圖12和14，前后行程比af/fk)。此外(見圖15)，假設在驅動行程施力件的最初位置為A，最終位置為K，相對于驅動機構，肩關節(jié)的位置為J1，髖關節(jié)的位置為J2，那么直線AK與直線KJ1的夾角定義為行程肩關節(jié)夾β1，直線AK與直線KJ2的夾角定義為行程髖關節(jié)夾角β2。當肩關節(jié)J1和髖關節(jié)J2位于直線AK的回轉中心01和02一側時，β1和β2取正值，否則取負值。
1.本往復式人力驅動機構的基本方案之一是，包括至少一個可轉動地裝于主構架上的曲柄，至少一個與對應的曲柄相連接的連桿，至少一個施力件，還包括至少一個限定對應的施力件運動軌跡基本上為一段圓弧線的軌跡裝置，和至少一個用于連接對應的連桿和對應的軌跡裝置的搖桿。施加于施力件上的力通過搖桿傳至對應的連桿上，然后傳至曲柄，最后通過與曲柄相連的動力輸出裝置傳至驅動輪。在驅動行程，連桿承受的力是壓力，而不是拉力，這樣施力件的運動過程可由更為合理的加速階段，主要驅動階段和減速階段所組成，避免了或者基本上避免了空行程，特別是在驅動行程的主要驅動階段可獲得先快后慢的速度分布。加之施力件的運動軌跡基本為一段圓弧線，大大消除了與出力無關的多余運動?？梢姳掘寗訖C構能夠協(xié)調地和人體配合，消除了浪費現(xiàn)象，提高了出力性。
適當選擇各桿長度以及相互位置關系，就能得到合適的前后行程比。曲柄在兩死點之間擺動的夾角α的大小對前后行程比的數(shù)值影響比較明顯，夾角α增大，前后行程比也增大，反之亦然。為了使施力件在運動軌跡上有一個良好的速度分布，尤其在主要驅動階段獲得合適的由快到慢的速度分布，前后行程比應大于1.15。根據(jù)優(yōu)化計算的結果可知該比值的最佳范圍是1.45至1.62之間。但是，根據(jù)車型等情況不同實際合適范圍會稍寬一點，一般取大于1.35小于1.70。比如，施力件擺動范圍較小的車型，該比值應較小，反之亦然。
施力件有了合理的運動軌跡，也有了合理的速度分布，并不一定能取得最優(yōu)的出力效果，因為驅動機構相對于人體的位置也應考慮。根據(jù)優(yōu)化計算的結果可知行程肩關節(jié)夾角β1的最佳范圍是-5°至5°之間，行程髖關節(jié)夾角β2的最佳范圍是14°至25°之間。然而β1和β2的數(shù)值不僅僅由車坐位置和整體尺寸所決定，還與人的身高等因素有關。但是針對某一身高范圍的自行車，還是要合理地選擇β1和β2的數(shù)值。加之車型的不同，其選擇范圍可以稍寬，一般β1大于-12°小于12°，β2大于5°小于30°。
本驅動機構曲柄的工作方式可以是在該機構的兩個死點之間往返擺動。為了使曲柄順利進行往返擺動，應設置彈性儲能裝置，當曲柄分別接近兩個死點時，由彈性儲能裝置吸收各運動部分的動能并使之停止，而且防止曲柄越過死點，然后換向運動時再將所存的彈性能釋放出來，使各運動部分順利換向。進一步的技術方案還可以是本驅動機構的搖桿可以提供兩個以上的位置(包括連續(xù)無級移動的位置)與對應的連桿相連接，在不同的位置連接會使曲柄得到不同大小的擺角，進而達到改變速比的目的。因為對于不同的速比位置，前后行程比的數(shù)值也會不同，但是只要最大速比位置的前后行程比被限定在合理的范圍內就可以了。搖桿提供的不同位置可由變速裝置進行鎖定。
為了在每個速比位置使得驅動行程終了時，施力件的位置基本不變，同時便于變速裝置的移動，搖桿提供的一個以上的位置應基本分布在同一個圓弧上。該圓弧的半徑基本等于對應的連桿長度減去對應的曲柄長度。該圓弧的圓心離搖桿的回轉中心的距離最好等于或者小于對應的曲柄和搖桿兩者的回轉中心的距離，小于的目的是使機構速比范圍較大時，在最低速比位置施力件的速度分布比較合理，但是小于的數(shù)值應該適當。
本驅動機構限定施力件運動軌跡的軌跡裝置，可以是帶有該施力件并且可擺動地裝于主構架上的主動桿。而該主動桿與對應的搖桿之間的連接關系，可以是該主動桿上帶有對應的搖桿;也可以是該主動桿與對應的相距一段距離的可擺動地裝于主構架上的搖桿之間通過第二連桿相連接，該搖桿再與對應的連桿相連接。這后一種方案可改善部件受力狀態(tài)并便于機構的總體布置，也能通過改變第二連桿與主動桿的連接位置來改變施力件的擺動幅度。這里所說的施力件主要是腳踏板。
所說的軌跡裝置也可是裝于主動架上基本上呈平行四邊形的機構，一個平移軸基本平行地而且可轉動地裝于主構架對邊的平移桿上，該平移軸上帶有左右對稱布置的手柄并與方向控制裝置相連接。剩余兩桿件稱之為平行搖桿，分別連接著平移桿和主構架。與對應的搖桿的連接方式可以是該兩個平行搖桿中的任意一個上面帶有與對應的連桿相連接的搖桿。不難看出手柄也作平行移動，轉向的動作方向和驅動的動作方向基本互相垂直，兩者之間的干擾非常小，而且轉向時，兩手柄移動距離的變化也很小。所以本技術方案的安全性、操縱性和舒適性很好。
與上述平移軸相連接的方向控制裝置可進一步包括一個裝于平移軸上的主動導輪，一個裝于主構架上的與轉向車輪有連接關系的從動導輪，在平移桿上左右對稱裝了兩個上隋輪，在主構架上左右對稱裝了兩個下惰輪，上惰輪和下惰輪軸心的連線以及該兩個平行搖桿兩端回轉中心的連線，在該左右對稱平面上的投影應平行并且長度相等。主動導輪通過鋼絲繩帶動兩個上惰輪，從動導輪通過鋼絲繩被兩個下惰輪所帶動，同側的上惰輪和下惰輪之間通過平行傳動裝置相連接，使同側的上下惰輪相對于主構架的轉動角度始終相同?？梢钥闯鲵寗有谐毯头祷匦谐痰倪\動并不影響方向控制，這是由平行四邊形的特性決定的，而且主動導輪一個很小的角度變化都會立即傳遞到從動導輪上，兩者之間的跟隨性很好，進一步保證了安全性、操縱性和舒適性。
所說的平行傳動裝置可以是，同側的上惰輪與下惰輪半徑相等，通過鋼絲繩進行傳動;也可以是同側的上惰輪和下惰輪分別帶有一個等長的搖桿，與一個連桿鉸接構成平行四邊形機構進行傳動。
本驅動機構的曲柄的工作方式也可以是連續(xù)旋轉，所說的施力件是左右各布置一個的腳踏板，與該左右腳踏板對應的左右曲柄以同一個軸轉動，并在該軸向的投影基本成180°布置。不過這種技術方案，返回行程腳踏板的速度分布不很理想。
關于與曲柄相連的動力輸出裝置，應該在曲柄與驅動輪之間采用至少一個(包括無級的)基本穩(wěn)定的傳動比進行傳動，以保證曲柄和驅動輪一樣作近似勻速的轉動，從而更容易地保證施力件運動時速度分布的合理性。
2.本往復式人力驅動機構的基本方案之二是，包括至少一個可轉動地裝于主構架上的曲柄，至少一個與對應的曲柄相連接的連桿，至少一個施力件，還包括至少一個限定對應的施力件運動軌跡基本上為一段圓弧線的軌跡裝置，和至少一個用于連接對應的連桿和對應的軌跡裝置的搖桿，以及至少一個與對應的曲柄一起轉動的變徑輪盤。施加于施力件上的力通過搖桿傳至對應的連桿，然后傳至對應的曲柄和變徑輪盤，最后通過拉在對應的變徑輪盤上的柔性帶和對應的飛輪傳至驅動輪。由于變徑輪盤的半徑是由小到大連續(xù)變化的，它能夠合理規(guī)定施力件的運動速度，使之由更為合理的加速階段，主要驅動階段和減速階段所組成，基本上避免了空行程，特別是在驅動行程的主要驅動階段可獲得先快后慢的速度分布。加之施力件的運動軌跡基本為一段圓弧線，大大消除了與出力無關的多余運動。可見本驅動機構也能夠協(xié)調地和人體配合，消除了浪費現(xiàn)象，提高了出力性。
適當選擇各桿長度、相互位置關系以及變徑輪盤的半徑分布就能得到合適的前后行程比。和第一種基本方案同理，前后行程比至少應大于1.15，最佳范圍是在1.45至1.62之間，但是一般取值范圍是大于1.35小于1.70。
關于行程肩關節(jié)夾角β1和行程髖關節(jié)夾角β2的最佳取值范圍、一般取值范圍，和第一種基本方案相同。
本驅動機構曲柄的工作方式一般是要該機構的兩個死點之間往返擺動。為了使曲柄順利進行往返擺動，應設置彈性儲能裝置，目的、原理和形式同第一種基本方案。
本驅動機構所說的變徑輪盤半徑的變化應基本符合螺旋線。螺旋線主要包括對數(shù)螺線、阿基米德螺線、漸開線等。
采用對數(shù)螺線時，極坐標方程是ρ＝K·A＾θ(A＾θ表示A的θ次方)，ρ為極徑，θ為極角，K和A分別為常數(shù)。當驅動機構的其它參數(shù)不變時，公式中K的數(shù)值增大，變徑輪盤增大，速比行程就會增大，速比行程是指施力件擺動一個周期時，驅動輪走過的直線距離;如A的數(shù)值增大，前后行程比將增大。K的取值可根據(jù)速比行程的數(shù)值來確定。A的取值一般在1.2至1.4之間。
采用阿基米德螺線時，極坐標方程是ρ＝K·θ，ρ為極徑，θ為極角，K為常數(shù)。K的數(shù)值增大時速比行程將增大。為了取得合適的前后行程比，θ的取值范圍一般在1.6至5.8之間。
采用漸開線時，X＝R(COSt+tSINt)，Y＝R(SINt-tCOSt)。X和Y為直角坐標，R為基圓半徑，T為參數(shù)。R的數(shù)值增大時速比行程將增大。為了取得合適的前后行程比，T的取值范圍一般在1.3至6.0之間。
關于采用對數(shù)螺線的技術方案，因對數(shù)螺線有一個顯著的特點只要常數(shù)A的值不變，僅僅改變K的值，就可改變速比行程，而施力件的速度分布或前后行程比只有極小的變化。如果改變徑輪盤與曲柄連接的角度(當θ足夠大時)，就等于改變了K的數(shù)值，所以，該變徑輪盤可以設置2個以上(包括無級的)可選擇的位置與對應的曲柄連接，在不同的位置連接就可得到不同的速比。
本驅動機構限定施力件運動軌跡的軌跡裝置，可以是帶有該施力件并且可擺動地裝于主構架上的主動桿，該主動桿上帶有與對應的連桿相連接的搖桿。所說的施力件主要是腳踏板。
所說的軌跡裝置也可是裝于主構架上基本上呈平行四邊形的機構，一個平移軸基本平行地而且可轉動地裝于主構架對邊的平移桿上，該平移軸上帶有左右對稱布置的手柄并與方向控制裝置相連接。剩余兩桿件稱之為平行搖桿，分別連接著平移桿和主構架。與對應的連桿的連接方式可以是該兩個平行搖桿中的任意一個上面帶有與對應的連桿相連接的搖桿。
與上述平移軸相連接的方向控制裝置的具體技術方案與第一種基本方案的方向控制裝置相同。
本發(fā)明驅動機構的兩種基本方案還可有下述共同的具體技術方案關于曲柄、連桿或軌跡裝置的數(shù)量，可以是一個，這時施力件應當左右對稱布置，也可以是左右分別布置一個，還可以是多個，用于多人共同驅動或手腳并用的技術方案。
關于曲柄往返擺動的技術方案，所說的彈性儲能裝置可以是裝于曲柄上的F形彈簧，也可以是分別裝于曲柄兩個死點位置附近的彈簧。由于曲柄以擺動的方式工作，從曲柄到驅動輪之間應進一步包括把擺動轉化成單向轉動的單向離合裝置，該單向離合裝置可以是傳統(tǒng)的飛輪，但是為了便于倒車，最好采用本發(fā)明的可倒行飛輪。另外也可以采用與曲柄回轉線共軸的棘輪裝置。
當施力件是腳踏板時，應當設置在返回行程幫助復位的復位裝置。該復位裝置可以是作用于主動桿上的彈簧，在驅動行程儲能，然后在返回行程釋放所存彈性能。如果左腳和右腳分別驅動一套驅動機構，該復位裝置可以是利用一個裝于主構架上的惰輪，繞過左右飛輪的鏈條再通過鏈條或鋼絲繩繞在該惰輪上，作拉鋸式運動;左右兩套驅動機構也可以是互相獨立的，各有自己的復位裝置。
當腳踏板相對于人體重心的位置不同時，車坐可以有多種變形。例如腳踏板在人體重心的前方時車坐需要一個較高的靠背，在前下方時需要一個較小的靠背;在下方時則不需要靠要靠背，甚至可以省掉車坐。
3、本發(fā)明可倒行飛輪包括一個套在輪轂或中軸上的內套201，該內套201上帶有盤203和至少一個飛輪202，一個與輪轂或中軸一起轉動的槽輪204上開有至少一個槽，裝在盤203上的第一爪205在彈簧208的作用下壓向槽輪204，與盤203同軸安裝的環(huán)207上連有作用于第一爪205的聯(lián)動件206，一個單向轉動裝置作用于環(huán)207，并使環(huán)207只可正轉或者可人為使其正轉一個角度。倒車時，在正向轉動裝置的作用下，迫使環(huán)207只可正轉或者預先人為正轉一個角度，在聯(lián)動件206的作用下迫使第一爪205從槽輪204的槽中退出，從而實現(xiàn)無阻礙倒車。車輪正轉時，飛輪202可將擺動轉化為單向轉動，驅動力通過內套201傳至盤203，然后又通過第一爪205傳至槽輪204，進而傳至輪轂或中軸，最后傳給驅動輪。而環(huán)207可無阻礙地正轉。
所說的正向轉動裝置可包括一個可相對轉動地裝于盤203上的殼子210，該殼子210通過止動件213固定在主構架上，裝在殼子210上的第二棘爪209作用于帶棘齒的環(huán)207，借此，就可實現(xiàn)環(huán)207的單向轉動。只有內套201能夠倒轉一個角度的情況才能使用這種單向轉動裝置。
所說的單向轉動裝置也可包括一個可相對轉動地裝在盤203上的殼子220，該殼子上裝有作用于帶有棘齒的環(huán)207的第二棘爪221，一個連桿222連接著杠桿223和第二棘爪221，一個擋板225裝在主構架上其位置可以擋住杠桿223，一個彈簧224沿反向拉著殼子220，一條鋼絲繩226沿正向拉在殼子220上。正常行駛情況下，由于彈簧224和擋板225的作用，杠桿被擋住，第二棘爪離開環(huán)上的棘齒避免兩者的摩擦。倒車時，預先拉動鋼絲繩，第二棘爪先預在環(huán)的棘齒上，繼續(xù)拉動鋼絲繩就能使環(huán)向前轉一個角度并使第一爪與槽輪脫開。對于內套201一點也不能倒轉的情況只能用這種單向轉動裝置。
不論采用上述哪種具體方案，最好設置一個摩擦部件212，其目的是在連續(xù)倒車過程中，在盤203和槽輪204之間產(chǎn)生一個摩擦力矩，使第一爪205不再進入槽輪的槽中，從而使倒車更為順利。
本驅動機構兩種基本方案的優(yōu)點可通過圖12和圖14來說明。圖中a至k11個字母的位置分別與驅動行程驅動輪轉過的最大角度T分為10等分的位置相對應。實際上a至k11個位置反映了驅動過程中在相等時間間隔施力件所處的各個位置，因此可直觀反映出速度的分布狀況。應當說明返回行程施力件的位置分布也有與圖12和圖14同樣或相似的分布。
本發(fā)明的兩個基本方案都完好地解決了運動軌跡和速度分布兩個主要問題。適當?shù)膱A弧線的軌跡，比起傳統(tǒng)圓周式運動軌跡的曲率半徑大得多，基本消除了因劇烈改變方向造成的慣性力，大大減小了與所施加力量垂直的分速度，避免了大量浪費現(xiàn)象，也有利于人體重心的穩(wěn)定。其次，在主要驅動階段(c至i)的速度分布是由快逐漸變慢，這一突出優(yōu)點非常適合人的四肢，因為假定手或腳在肌肉收縮速度比較穩(wěn)定的條件下推出或登出，必然是由快到慢的運動過程;而且根據(jù)人體運動學和人機學原理可知，肌肉在一定的收縮速度范圍內才可達到最高的輸出功率，而本發(fā)明的運動軌跡和速度分布兩者結合起來剛好能滿足這一點，并能夠使盡量多的肌肉高效地參與工作。為了使肌肉收縮速度更為穩(wěn)定和合理，本發(fā)明進一步限定了前后行程比的數(shù)值，以及行程肩關節(jié)夾角β1和行程髖關節(jié)夾角β2的數(shù)值。從圖中可以看出加速階段(a至c)和減速階段(i至k)在驅動行程所占的比例也合理，其速度分布能夠和中間的主要驅動階段協(xié)調地連貫起來。所以不難看出消除了空行程和肌內作負功的現(xiàn)象。經(jīng)研究表明，由于大大減小了浪費現(xiàn)象，并且有關各主要關節(jié)的肌肉都能高效地參與工作，比起傳統(tǒng)的傳動方式當每塊肌肉疲勞感覺相等時，輸出功率大約可提高0.4倍。而且高效驅動的頻率范圍也較寬，每分鐘可達50～90次，而傳統(tǒng)自行車為每分鐘70～80次。下面就不同的具體方案進一步分析其優(yōu)點。
關于曲柄以擺動的方式工作的方案，施力件的實際行程是可隨意控制的。道路條件差騎行速度低時，可適當減小動作幅度，甚至不用加速階段(a至c)和減速階段(i至k)，這樣有利于增大推進力，因驅動頻率低而不會感到明顯的空行程。尤其是左右兩套互相獨立的驅動機構，在驅動頻率低時，可實現(xiàn)重疊驅動。可見，比起傳統(tǒng)的傳動方式，對復雜的道路條件的適應能力明顯提高。此外，由于彈性儲能裝置的作用，當曲柄分別接近兩死點時，所有動能都得到了回收和利用，消除了浪費現(xiàn)象。
關于規(guī)跡裝置為平行四邊形機構并且用手驅動的方案，除了前面講過的驅動和轉向互不影響的優(yōu)點外，其出力性比起其它驅動機構也大大提高，因為運動軌跡和速度分布是合理的，驅動行程和返回行程都能高效地做功。經(jīng)研究表明，兩只手臂發(fā)出的功率可達用傳統(tǒng)驅動方式時兩條腿所發(fā)出功率的0.7倍。關于手腳并用、手和腳的用力方向是大致相反的技術方案，手和腳互為依托，便于發(fā)力，四肢和驅干的肌肉都受到均衡的鍛練，可以使人體更加健美。又由于手和腳的用力是對稱的，消除了因主構架扭曲造成的能量損失。這種技術方案比起傳統(tǒng)驅動機構的輸出功率至少可提高到2.1倍。從而可獲得很高的車速。
關于利用改變搖桿和連桿連接位置進行變速的方案(見圖13)，與P、Q和R三個位置對應的曲柄的擺角分別是θ3、θ2和θ1。顯然θ3＞θ2＞θ1，這就是變速原理。不難看出具有簡單方便的優(yōu)點，在停車時也能改變速比。實際應用不限于三個位置。
關于改變曲柄和變徑輪盤連接角度進行變速的方案(見圖9)，不需要過多的零件，顯然也具有簡單方便的優(yōu)點，甚至在停車時也能變速。
關于本發(fā)明第二種基本方案，在驅動行程，連桿承受的一般是拉力，從受力角度看這種受力方式比較穩(wěn)定可靠。
本發(fā)明的驅動機構有利于人體重心的穩(wěn)定，減少了人對車座的依賴，尤其是左右兩套腳踏板驅動機構互相獨立的技術方案，最適合省去車坐，這種自行車不僅簡化了結構，減少了重量，上下方便，更重要的是避免了對人的會陰部位的不良刺激，有益于人們的健康。
關于本發(fā)明的可倒行飛輪，由于裝于轂筒外面，保留了輪轂現(xiàn)有簡單可靠的軸承結構，而且便于安裝和維護。此外，這種飛輪不僅可用于驅動輪的輪轂，還能用于與輪轂相距一定距離的兩級以上傳動的軸上。
圖1，現(xiàn)有的一類技術方案的原理圖;
圖2，現(xiàn)有的一種驅動機構;
圖3，本發(fā)明的一種用手驅動并帶有轉向裝置的實施例;
圖4，圖3的A向視圖;
圖5，本發(fā)明的一種手腳并用的驅動機構的實施例;
圖6，采用圖5所示驅動機構的自行車的實施例;
圖7，圖6的B向視圖，也是可倒行飛輪用于中間軸的實例;
圖8，本發(fā)明的一種搖桿與主動桿相距一段距離的實施例;
圖9，本發(fā)明的另一種用手驅動并帶有轉向裝置的實施例;
圖10，本發(fā)明的一種用腳驅動的實施例;
圖11，采用圖10所示驅動機構的自行車的實施例;
圖12，本發(fā)明基本方案之一的驅動過程示意圖;
圖13，本發(fā)明基本方案之一的變速原理示意圖;
圖14，本發(fā)明基本方案之二的驅動過程示意圖;
圖15，肩關節(jié)J1和髖關節(jié)J2相對驅動機構的位置示意圖;
圖16，本發(fā)明可倒行飛輪的一個實施例;
圖17，本發(fā)明可倒行飛輪的另一個實施例;
圖18，圖17所示的可倒行飛輪在脫開狀態(tài)時的視圖。
參看圖3和圖4，平行搖桿2A和2B分別連接著主構架和平移桿9，構成平行四邊形機構。曲柄5可轉動地裝在主構架上。左手柄1L和右手柄1R對稱裝于平移軸10兩側，當用手驅動手柄1L和1R往返運動時，通過平移軸10帶動平移桿9，繼而帶動平行搖桿2A和搖桿3，然后通過連桿4驅動曲柄5往返擺動，最后通過輪盤16將驅動力輸出。當曲柄5分別接近兩個死點時，用固定件7裝于曲柄5上的F形彈簧8被迫變形，起儲能和限位作用，換向時再將所存彈性能釋放出來，促使整個機構順利換向。
變速裝置6可沿搖桿3移動，并可鎖定連桿4與搖桿3的連接位置，從而起到改變速比的作用。
平移軸10可轉動地裝在平移桿9上，當轉動手柄1L和1R時，轉向動作通過平移軸10傳給主動導輪11。鋼絲繩15首先繞在主動導輪11上，兩側分別繞過裝在平移桿上的左上惰輪12L和右上惰輪12R，再分別繞過裝在主構架上的左下惰輪13L和右下惰輪13R，最后繞在可轉動地裝在主構架上的從動導輪14上。傳給主動導輪11的轉向動作通過從動導輪14傳給轉向輪。
參看圖5至圖7，平行搖桿22A和22B分別連接著主構架和平移桿29，構成平行四邊形機構。曲柄25可轉動地裝在主構架上。左手柄21L和右手柄21R對稱裝于平移軸30兩側，當用手驅動手柄21L和21R往返運動時，通過平移軸30帶動平移桿29，繼而帶動平行搖桿22A和搖桿23，最后通過連桿24驅動曲柄25往返擺動。當曲柄25分別接近兩個死點時，用固定件27裝于主構架上的彈簧28被迫變形，起儲能、限位和幫助換向的作用。
左腳踏板41L和右腳踏板41R對稱裝在主動桿42兩側，主動桿42和曲柄45分別可轉動地裝于主構架上。當用腳登踩腳踏板41L和41R時，主動桿42帶動搖桿43擺動，又通過連桿44推動曲柄45擺動。與曲柄45一起擺動的輪盤46通過鋼絲繩47(或鏈條47)呈8字形傳動，帶動與曲柄25一起擺動的輪盤36。輪盤46始終與輪盤36旋向相反，因此手和腳的驅動行程和返回行程是交替進行的。當曲柄45接近死點位置時，曲柄25也將接近死點位置，都是利用彈簧28進行儲能、限位以及返回的。由于手和腳兩套驅動機構是通過鋼絲繩47進行聯(lián)動的，下肢的返回行程可借助于上肢的力量來實現(xiàn)，另外拉在主動桿42上和主構架上的彈簧54也可幫助返回，而且彈簧54對于驅動力的輸出還有一定平衡作用。
輪盤48、輪盤46以及曲柄45一起同軸擺動，所有動力通過輪盤48、鋼絲繩49(或鏈條49)、減振節(jié)50和鏈條51傳給飛輪55，借助飛輪55將往返擺動轉化成單向轉動。減振節(jié)50有一定伸縮彈性，可避免人體關節(jié)和零部件受到過大的沖擊。張緊輪52由彈簧53支承并張緊，用于對鏈條51的張緊。
飛輪55和可倒行裝置56組合成可倒行飛輪。車輪向前行駛時，傳至飛輪55的力通過可倒行裝置56傳至軸57，然后通過鏈輪59、鏈條60和飛輪61傳至驅動輪62。倒車時，用可倒行裝置56使飛輪55和軸57分離，使倒車順利進行。58是軸承，用于軸57與主構架之間的鉸接。
關于本實施例的轉向機構，32L、32R為上惰輪，31為主動導輪，33L、33R為下惰輪，34為從動導輪，64為前管，65為前叉，66為傳向輪。其傳動過程如圖3、圖4所示實施例相同。所不同的是左手柄21L和右手柄21R不是在一條直線上安裝，而是大致平行地安裝，這樣轉向時上肢比較舒服。剎車等操縱桿未畫出。
車坐63裝于主構架上，它帶有一個較小的靠背，可以舒服地支承人體。不難看出兩套驅動機構在驅動行程連桿24和連桿44承受的都是壓力，而非拉力。本實施例驅動力大，車速高，在前管64或前叉65以及驅動輪62等處最好采取一些減振措施。
參看圖8，主動桿82、搖桿83和曲柄85分別可擺動地裝于主構架上，施加于腳踏板81上的登力通過第二連桿90傳至搖桿83，然后通過連桿84傳至曲柄85，最后通過輪盤92將動力輸出。彈簧89一端拉在主動桿82上另一端拉在主構架上，在驅動行程它被拉長，儲存能量，在返回行程再將所存能量釋放出來，幫助整個機構返回。
連接件91可以固定第二連桿90拉在主動桿82上的位置，當改變其固定位置時，就可改變腳踏板81的擺動范圍，以適應不同人的需要，也有一定變速作用。變速裝置86可以沿著搖桿83移動，并可鎖定連桿84與搖桿83的連接位置，從而實現(xiàn)速比的改變。F形彈簧88通過固定件87裝于曲柄85上，起儲能、限位和幫助返回的作用。
參看圖9，平行搖桿102A和102B分別連接著主構架和平移桿109，構成平行四邊形機構。曲柄105可轉動地裝在主構架上。左手柄101L和右手柄101R對稱裝在于平移軸110兩側，當用手驅動手柄101L和101R往返運動時，通過平移軸110帶動平移桿109，繼而帶動平行搖桿102B和搖桿103，然后通過連桿104驅動曲柄105往返擺動，最后通過變徑輪盤118和120將驅動力輸出。當曲柄105分別接近兩個死點時，用固定件122裝于主構架上的彈簧123能起到儲能、限位和幫助換向的作用。
由于在驅動行程連桿104承受的力是拉力，為了使手柄101L和101R有良好的速度分布，變徑輪盤118和120的半徑是由小到大逐漸變化的。進一步講變徑輪盤118和120的半徑變化符合對數(shù)螺線，變徑輪盤118和120固定在一起，兩者可相對于曲柄105轉動，并可鎖定在變徑輪盤118提供的某個位置上，在不同位置鎖定，就能得到不同速比。圖中鎖定位置是最大速比位置。通過選擇變徑輪盤120的參數(shù)，應盡量使手柄在返回行程每個位置的速度大小和驅動行程接近。
傳至變徑輪盤118和120的動力，通過鋼絲繩124(或鏈條124)傳給鏈條125，繼而傳給飛輪126。張緊輪128用彈簧127支承和張緊，用于張緊鏈條125。在鋼絲繩124和鏈條125之間也可裝有減振節(jié)，而圖中未畫出。固定件119用于固定鋼絲繩124。
平移軸110可轉動地裝在平移桿109上，當傳動手柄101L和101R時，轉向動作通過平移軸110傳給主動導輪111。左上惰輪112L和右上惰輪112R通過鋼絲繩被主動導輪111牽動，從動導輪114通過鋼絲繩被左下惰輪113L和右下惰輪113R所牽動。上惰輪112L和112R以及下惰輪113L和113R分別帶有搖桿116和搖桿117，同側的搖桿116和117由一根連桿115連接。傳給主動導輪111的轉向動作最后傳至從動導輪114。
參看圖10和圖11，主動桿142和曲柄145分別可擺動地裝于主構架上，施加于腳踏板141上的登力通過搖桿143和連桿144傳至曲柄145，然后傳至與曲柄145一起擺動的變徑輪盤146，最后通過鋼絲繩149(或鏈條149)、減振節(jié)150和鏈條151傳給飛輪152。左右兩套驅動機構通過裝于主構架上的惰輪155、鏈條154(或鋼絲繩154)、過渡節(jié)153、鏈條151和飛輪152實現(xiàn)交替擺動。過渡節(jié)153主要起鏈條與鋼絲繩或鏈條之間的過渡作用。
通過固定件147裝于主構架上的彈簧148作用于曲柄145，起儲能、限位和幫助換向的作用。
此外，162為驅動輪，163為車座。轉向系統(tǒng)由手柄161、前管164、前叉165和轉向輪166所組成。
飛輪152最好采用本發(fā)明的可倒行飛輪。
參看圖16至圖18，201為內套，202為飛輪，203為盤，204為槽輪，205為第一爪，連動件206為連桿，207為環(huán)，彈簧208為拉簧，通過環(huán)207和連桿206控制第一爪205的開合。而環(huán)207在第二棘爪209、殼子210和止動件213的作用下只可正轉;或者環(huán)207在人為拉動鋼絲繩226時，在殼子220和第二棘爪221的作用下被強制正轉一個角度，通常情況下，在連桿222、杠桿223、彈簧224和擋板225的作用下，第二棘爪221與環(huán)207脫開。摩擦部件212是借助于彈性力的摩擦片。
以上各圖為了更加突出發(fā)明思想沒畫主構架。
本發(fā)明作為高效的人力轉換機構，可應用于所有人力交通運輸工具(陸上、水上和空中)，因此上面所說的自行車可以作廣義的理解，不僅包括二輪、三輪等不同數(shù)量車輪的自行車，也包括用于單人、雙人和多人的自行車。如果將所說的驅動輪視為螺旋漿，轉向輪視為方向舵，顯然還可應用在水上和空中。這對本領域內的普通人員來說是容易的。本發(fā)明的驅動機構還能與傳統(tǒng)的傳動方式、助力方式以及變速方式等結合起來使用。不難看出，本發(fā)明不僅可用于日常交通，還能用于體育、旅游等方面;它高度地和人體協(xié)調統(tǒng)一，騎行輕快省力、安全舒適，而且它不消耗能源，沒有污染，因此具有廣泛的實用價值，和顯著的綜合社會效益。
權利要求
1.一種用于自行車的驅動機構，包括至少一個可轉動地裝于主構架上的曲柄，至少一個與對應的曲柄相連接的連桿，至少一個施力件，其特征在于還包括，至少一個限定對應的施力件運動軌跡基本上為一段圓弧線的軌跡裝置，和至少一個用于連接對應的連桿和對應的軌跡裝置的搖桿，在驅動行程，連桿承受的力是壓力，施加于施力件上的力通過搖桿傳至對應的連桿上，然后傳至曲柄，最后通過與曲柄相連的動力輸出裝置傳至驅動輪。
2.根據(jù)權利要求1所述的驅動機構，其特征在于，前后行程比大于1.35小于1.70，行程肩關節(jié)夾角β1大于-12°小于12°，行程髖關節(jié)夾角β2大于5°小于30°。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的驅動機構，其特征在于該曲柄的工作方式是在該機構的兩個死點之間往返擺動，并且設置了彈性儲能裝置，當曲柄分別接近兩個死點時，起儲能、限位和幫助換向的作用。
4.根據(jù)權利要求3所述的驅動機構，其特征在于該搖桿可以提供2個以上的位置與對應的連桿相連接，在不同的位置連接就可得到不同的速比，搖桿提供的2個以上的位置基本分布在同一個圓弧上，該圓弧的半徑基本等于對應的連桿長度減去對應的曲柄長度，該圓弧的圓心離搖桿的回轉中心的距離等于或者小于對應的曲柄和搖桿兩者的回轉中心的距離。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的驅動機構，其特征在于，該軌跡裝置是帶有該施力件并且可擺動地裝于主構架上的主動桿，該主動桿與對應的搖桿的連接關系，是該主動桿上帶有對應的搖桿，或者是該主動桿與對應的相距一段距離的可擺動地裝于主構架上的搖桿之間通過第二連桿相連接。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的驅動機構，其特征在于，該軌跡裝置是裝于主構架上的基本呈平行四邊形的機構，一個平移軸基本平行地而且可轉動地裝于主構架對邊的平移桿上，該平移軸上帶有左右對稱布置的手柄并與方向控制裝置相連接，剩余兩桿件稱之為平行搖桿，分別連接著平移桿和主構架，該兩個平行搖桿中的任意一個上面帶有與對應的連桿相連接的搖桿。
7.根據(jù)權利要求6所述的驅動機構，其特征在于，該方向控制裝置包括一個裝于平移軸上的主動導輪，一個裝于主構架上的與轉向車輪有連接關系的從動導輪，在平移桿上左右對稱裝了兩個上隋輪，在主構架上左右對稱裝了兩個下惰輪，上惰輪和下惰輪軸心的連線以及該兩個平行搖桿兩端回轉中心的連線，在該左右對稱平面上的投影平行并且長度相等。主動導輪通過鋼絲繩帶動兩個上惰輪，從動導輪通過鋼絲繩被兩個下惰輪所帶動，同側的上惰輪和下惰輪之間通過平行傳動裝置相連接，使同側的上下惰輪相對于主構架的轉動角度始終相同。
8.一種用于自行車的驅動機構，包括至少一個可轉動地裝于主構架上的曲柄，至少一個與對應的曲柄相連接的連桿，至少一個施力件，其特征在于還包括，至少一個限定對應的施力件運動軌跡基本上為一段圓弧線的軌跡裝置，和至少一個用于連接對應的連桿和對應的軌跡裝置的搖桿，以及至少一個與對應的曲柄一起轉動的變徑輪盤，施加于施力件上的力通過搖桿傳至對應的連桿上，然后傳至曲柄和變徑輪盤，最后通過拉在對應的變徑輪盤上的柔性帶和對應的飛輪傳至驅動輪。
9.根據(jù)權利要求8所述的驅動機構，其特征在于，前后行程比大于1.35小于1.70，行程肩關節(jié)夾角β1大于-12°小于12°，行程髖關節(jié)夾角β2大于5°小于30°。
10.根據(jù)權利要求8或9所述的驅動機構，其特征在于該曲柄的工作方式是在該機構的兩個死點之間往返擺動，并且設置了彈性儲能裝置，當曲柄分別接近兩個死點時，起儲能、限位和幫助換向的作用。
11.根據(jù)權利要求8或9所述的驅動機構，其特征在于所說的變徑輪盤半徑的變化基本符合對數(shù)螺線，其極坐標方程是ρ＝K·A＾θ。
12.根據(jù)權利要求8或9所述的驅動機構，其特征在于所說的變徑盤半徑的變化基本符合阿基米德螺線，其極坐標方程是ρ＝K·θ。
13.根據(jù)權利要求8或9所述的驅動機構，其特征在于所說的變徑輪盤半徑的變化基本符合漸開線，其參數(shù)方程是X＝R(COSt+tSINt)，Y＝R(SINt-tCOSt)。
14.根據(jù)權利要求11所述的驅動機構，其特征在于該變徑輪盤設置了2個以上可選擇的位置可與對應的曲柄連接，在不同的位置連接就可得到不同的速比。
15.根據(jù)權利要求8或9所述的驅動機構，其特征在于，該軌跡裝置是帶有該施力件并且可擺動地裝于主構架上的主動桿，該主動桿上帶有與對應的連桿相連接的搖桿。
16.根據(jù)權利要求8或9所述的驅動機構，其特征在于，該軌跡裝置是裝于主構架上的基本呈平行四邊形的機構，一個平移軸基本平行地而且可轉動地裝于主構架對邊的平移桿上，該平移軸上帶有左右對稱布置的手柄并與方向控制裝置相連接，剩余兩桿件稱之為平行搖桿，分別連接著平移桿和主構架，該兩個平行搖桿中的任意一個上面帶有與對應的連桿相連接的搖桿。
17.根據(jù)權利要求16所述的驅動機構，其特征在于，該方向控制裝置包括一個裝于平移軸上的主動導輪，一個裝于主構架上的與轉向車輪有連接關系的從動導輪，在平移桿上左右對稱裝了兩個上隋輪，在主構架上左右對稱裝了兩個下惰輪，上惰輪和下惰輪軸心的連線以及該兩個平行搖桿兩端回轉中心的連線，在該左右對稱平面上的投影平行并且長度相等，主動導輪通過鋼絲繩帶動兩個上惰輪，從動導輪通過鋼絲繩被兩個下惰輪所帶動，同側的上惰輪和下惰輪之間通過平行傳動裝置相連接，使同側的上下惰輪相對于主構架的轉動角度始終相同。
18.一種和往復式驅動方式相配合的可倒行飛輪，其特征在于包括一個套在輪轂或中軸上的內套(201)，該內套(201)上帶有盤(203)和至少一個飛輪(202)，一個與輪轂或中軸一起轉動的槽輪(204)上開有至少一個槽，裝在盤(203)上的第一爪(205)在彈簧(208)的作用下壓向槽輪(204)，與盤(203)同軸安裝的環(huán)(207)上連有作用于第一爪(205)的聯(lián)動件(206)，一個正向轉動裝置作用于環(huán)(207)，倒車時，在正向轉動裝置的作用下，環(huán)(207)只可正轉或者預先人為正轉一個角度，迫使第一爪(205)從槽輪(204)的槽中退出，從而實現(xiàn)無阻礙倒車。
19.根據(jù)權利要求18所述的可倒行飛輪，其特征在于，所說的正向轉動裝置包括一個可相對轉動地裝于盤(203)上的殼子(210)，該殼子(210)通過止動件(213)固定在主構架上，裝在殼子(210)上的第二棘爪(209)作用于帶棘齒的環(huán)(207)，可使環(huán)(207)只可正轉。
20.根據(jù)權利要求17所述的可倒行飛輪，其特征在于，所說的正向轉動裝置包括一個可相對轉動地裝在盤(203)上的殼子(220)，該殼子上裝有作用于帶棘齒的環(huán)(207)的第二棘爪(221)，一個連桿(222)連接著扛桿(223)和第二棘爪(221)，一個擋板(225)裝在主構架上其位置可擋住杠桿(223)，一個彈簧(224)沿反向拉著殼子(220)，一條鋼絲繩(226)沿正向拉在殼子(220)上，通過拉動鋼絲繩(226)可使環(huán)(207)強制正轉。
全文摘要
往復式人力驅動機構用于自行車，手柄或腳踏板的運動軌跡為一段適當?shù)膱A弧線，在整個運動軌跡上具有合理的速度分布，這大大減少了與出力無關的多余運動和浪費現(xiàn)象，使有關肌體高效、協(xié)調地工作，因此騎行特別舒適省力。本發(fā)明還提出了用手驅動的、驅動的動作與轉向的動作互相垂直的技術方案，容易掌握平衡控制行駛方向。所設計的與往復式驅動方式相配合的可倒行飛輪，保證了這類自行車倒推時行動自如。
文檔編號B62M1/24GK1080607SQ9210537
公開日1994年1月12日 申請日期1992年6月30日 優(yōu)先權日1992年6月30日
發(fā)明者丁志強 申請人:丁志強