一种动滑轮恒力臂省力自行车

技术领域：

本发明涉及一种自行车，特别是一种动滑轮恒力臂省力自行车。

背景技术：

传统自行车是利用曲柄作为传动的力臂，曲柄以自行车中轴为中心360°旋转，这使得踩踏力与力臂之间的角度不断地变化，在这些角度当中，曲柄为水平状态时，踩踏力与曲柄垂直，此时力的损失最少，转化效率最高，而传统自行车无法保证力与力臂始终垂直。

发明内容：

本发明的目的是针对上述技术中存在的缺陷，提供一种动滑轮恒力臂省力自行车。

本发明的目的是这样实现的：包括自行车本体、省力装置、双棘轮驱动装置、驱动一体轮、一体轮支架、左支点滑轮、右支点滑轮、转向滑轮、右踏板部、左踏板部、长支架、主链条、副链条、左滑线、右滑线，其特征是：

所述的自行车本体上设置有辅助梁；

所述的省力装置由动滑轮机构、短支架、双牙盘装置、支架轴、装置框架、直线导轨一、直线导轨二、滑块一、滑块二、驱动齿条、连接杆组成；其中，动滑轮机构由左主滑轮、右主滑轮、牙盘一、中心轴、中心导轨、中心滑块、中心齿轮、齿条导轨、中心轴承、连接板一、连接板二组成，直线导轨一和直线导轨二分别装在装置框架的上下两端，直线导轨一上装有滑块一，直线导轨二上装有滑块二，滑块一上装有连接板一，滑块二上装有连接板二，中心导轨和齿条导轨平行安装在连接板一和连接板二之间，中心导轨上装有中心滑块，中心滑块的中心孔内装有中心轴，中心轴上固定装有左主滑轮、右主滑轮、中心齿轮和牙盘一，中心齿轮与齿条导轨啮合，中心轴上可旋转的装有短支架，短支架的另一端可旋转的连接在支架轴上，支架轴上可旋转的装有双牙盘装置，双牙盘装置设置有左牙盘和右牙盘，齿条导轨上通过连接杆装有驱动齿条；

所述的双棘轮装置包括牙盘二、左锥齿轮、右锥齿轮、矫正锥齿轮、安装架、棘轮一、棘轮二，牙盘二与左锥齿轮焊接连接，左锥齿轮与右锥齿轮中间设有矫正锥齿轮，并且矫正锥齿轮同时与左锥齿轮和右锥齿轮啮合，矫正锥齿轮通过安装架固定在自行车本体上，左锥齿轮和右锥齿轮内部分别装有棘轮一和棘轮二，棘轮一和棘轮二分别固定地安装在自行车本体的花鼓筒上；

所述的驱动一体轮包括连接在一起的驱动齿轮和驱动滑轮，驱动一体轮使用一体轮支架安装在自行车本体的一体轮轴上；

所述的省力装置安装在辅助梁上，主链条连接双牙盘装置的左牙盘和牙盘二；副链条连接双牙盘装置的右牙盘和牙盘一；长支架一端可旋转的安装在自行车本体的后轮花鼓筒上，另一端可旋转的安装在支架轴上；驱动齿条通过连接杆与齿条导轨配合安装；左支点滑轮和右支点滑轮分别安装在自行车本体的滑轮支架一上；转向滑轮安装在自行车本体的滑轮支架二上；左踩踏部和右踩踏部分别安装在自行车本体的后轮轴两侧；

所述的左滑线的连接方式为：一端固定在左踏板部上，然后依次穿过左支点滑轮、驱动滑轮、左主滑轮，另一端固定在左主滑轮上；

所述的右滑线的连接方式为：一端固定在右踏板部上，然后依次穿过右支点滑轮、转向滑轮、右主滑轮，另一端固定在右主滑轮上。

所述的省力装置上方设置有防护罩。

所述的自行车本体后轮位置设置有倒车装置，所述的倒车装置包括倒车支架、倒车轮部及弹簧，倒车支架与倒车轮部通过转轴连接，弹簧拉接于二者之间。

本发明的有益效果：驱动自行车行驶时，脚踏板基本上是做竖直方向上的直线运动，而非完整的圆周运动，通过滑线传递力，保证力与力臂始终垂直，减少力的损耗，提高了力的转化效率，从而达到省力的效果。

附图说明：

图1是动滑轮恒力臂省力自行车的爆炸图；

图2是动滑轮恒力臂省力自行车的立体图；

图3是左主滑轮和左脚蹬同时在上限位位置的主视图；

图4是左主滑轮和左脚蹬同时在下限位位置的主视图；

图5的省力自行车的左视图；

图6是省力自行车的右视图；

图7是图6的局部I放大图；

图8是右主滑轮和右脚蹬同时在下限位位置的主视图；

图9是图8的A-A方向剖视图；

图10是图8的B-B方向剖视图；

图11是右主滑轮和右脚蹬同时在上限位位置的主视图；

图12是自行车本体立体图一；

图13是自行车本体立体图二；

图14是省力装置立体图；

图15是省力装置主视图；

图16是图15的C-C向剖视图；

图17是动滑轮机构结构示意图；

图18是省力装置的左视图；

图19是省力装置的俯视图；

图20是省力装置的后视图；

图21是驱动一体轮立体图；

图22是驱动一体轮主视图；

图23是图21的D-D剖视图；

图24是一体轮支架立体图；

图25是倒车装置状态图一；

图26是倒车装置状态图二；

图27是动滑轮机构运动位置示意图；

图28是左踩踏部结构示意图；

图29是右踩踏部结构示意图；

图30是支架轴与其相连部件配合的立体图。

具体实施方式

下面结合附图1-25对本实施例进行进一步说明

由图1可知，动滑轮恒力臂省力自行车主要零部件包括自行车本体1、省力装置2、双棘轮驱动装置3、驱动一体轮4、一体轮支架17、左支点滑轮5、右支点滑轮6、转向滑轮7、右踏板部8、左踏板部9、长支架16、主链条11、副链条12、左滑线15a、右滑线15b。

如图12-图13可知，自行车本体1上设置有辅助梁103a和辅助梁103b、滑轮支架一104、一体轮轴105、滑轮支架二106。

如图14-图20可知，省力装置2由动滑轮机构221、短支架204、双牙盘装置203、支架轴205、装置框架207、直线导轨一215a、直线导轨二215b、滑块一216a、滑块二216b、驱动齿条212、连接杆213组成，其中，动滑轮机构221如图17由左主滑轮201、右主滑轮202、牙盘一206、中心轴219、中心导轨210、中心滑块211、中心齿轮209、齿条导轨208、中心轴承222、连接板一220a、连接板二220b组成，直线导轨一215a和直线导轨二215b分别装在装置框架207的上下两端，直线导轨一215a上装有滑块一216a，直线导轨二215b上装有滑块二216b，滑块一216a上装有连接板一220a，滑块二216b上装有连接板二220b，中心导轨210和齿条导轨208平行安装在连接板一220a和连接板二220b之间，中心导轨210上装有中心滑块211，中心滑块211通过中心滑块211的中心孔内的中心轴承222与中心轴219相连，中心轴219上固定装有左主滑轮201、右主滑轮202、中心齿轮209和牙盘一206，中心齿轮209与齿条导轨208啮合，中心轴219上可旋转的装有短支架204，短支架204另一端可旋转的连接在支架轴205上，支架轴205上可旋转的装有双牙盘装置203，双牙盘装置203设置有左牙盘203b和右牙盘203a，齿条导轨208上通过连接杆213装有驱动齿条212，为了提高驱动齿条212与齿条导轨208之间的稳定性，在驱动齿条212与齿条导轨208之间加装加强杆217。

由图7和图9可知，双棘轮驱动装置3包括牙盘二304、左锥齿轮303、右锥齿轮301、矫正锥齿轮302、安装架305、棘轮一308、棘轮二307，牙盘二304与左锥齿轮303焊接连接，也就是说左锥齿轮303随牙盘二304正转而正转，随牙盘二304反转而反转，左锥齿轮303与右锥齿轮301中间设有矫正锥齿轮302，并且矫正锥齿轮302同时与左锥齿轮303和右锥齿轮301啮合，矫正锥齿轮302通过安装架305固定在自行车本体1上，左锥齿轮303和右锥齿轮301内部分别装有棘轮一308和棘轮二307，棘轮一308和棘轮二307分别固定地安装在自行车本体1的花鼓筒102上，因为此结构含有两个同方向安装的棘轮，矫正锥齿轮302使得左锥齿轮303与右锥齿轮301逆向旋转，不管主链条11的旋转方向如何，其中必定有一个棘轮是驱动自行车向前运动。

由图21-图23可知，驱动一体轮4包括连接在一起的驱动齿轮403和驱动滑轮402，在驱动滑轮402上设置有固定孔一401，固定孔一401用于固定左滑线15a，驱动一体轮4与一体轮支架17如图24的支架中心孔171同心配合，安装在自行车本体1如图12的一体轮轴105上，一体轮支架17通过支架固定孔172与自行车本体1固定，一体轮支架17上设置有支架滚轮173，支架滚轮173工作时在驱动齿条212下方，支撑驱动齿条212使驱动齿条212与驱动齿轮403啮合。

整体配合关系为：省力装置2安装在辅助梁103a和辅助梁103b上，主链条11连接双牙盘装置203的左牙盘203b和牙盘二304；副链条12连接双牙盘装置的右牙盘203a和牙盘一206；长支架16一端可旋转的安装在自行车本体1的后轮花鼓筒102上，另一端可旋转的安装在支架轴205上，与支架轴205上的支架轴承218配合；驱动齿条212通过连接杆213与齿条导轨208配合安装；驱动齿轮403与驱动齿条212啮合，左支点滑轮5和右支点滑轮6分别安装在自行车本体1的滑轮支架一104上；转向滑轮7安装在自行车本体1的滑轮支架二106上；左踩踏部9和右踩踏部8分别安装在自行车本体1的后轮轴两侧。

在省力装置2上方设置有防护罩13。

自行车本体1后轮位置设置有倒车装置10，因为本自行车为双棘轮驱动形式，其后轮无法向后旋转，所以设置倒车装置10，所述的倒车装置10包括倒车支架121、倒车轮部122及弹簧131，倒车支架121与倒车轮部122通过转轴127连接，弹簧131一端连接在倒车支架121的钩点一125上，另一端连接在倒车轮部122的钩点二128上，倒车支架上设置有挡柱一126和挡柱二129，挡柱一126和挡柱二129用于限制倒车轮部122的旋转位置。

由图10可知，自行车本体1左侧的左主滑轮201、驱动滑轮402、左支点滑轮5的中心位置与左踩踏部9的左滑线15a的连接位置中心处于同一平面上；自行车本体1右侧的右主滑轮202、转向滑轮7、右支点滑轮6的中心位置与右踩踏部8的右滑线15b的连接位置中心处于同一平面上。

由图28-图29可知，左踩踏部9由左摇杆901、左脚蹬902和固定柱一903组成，右踩踏部8由右摇杆801、右脚蹬802和固定柱二803组成。

本发明的工作原理：（本实施例中涉及的相关数据，是在传统24型自行车上研发的基础上做出的。）

左脚用力踩踏左脚蹬902时，左脚蹬902会以左摇杆901为半径，以后轮轴101为圆心向下运动，从而扯动左滑线15a，左滑线15a会通过左支点滑轮5同时扯动左主滑轮201和驱动一体轮4上的驱动滑轮402旋转，左主滑轮201旋转会带动牙盘一206旋转和中心齿轮209在齿条导轨208上运行，与中心齿轮209通过中心轴承222相连接的中心滑块211，随中心齿轮209的旋转而在中心导轨210上移动。驱动一体轮4上的驱动滑轮402的旋转会带动驱动齿轮403的旋转，驱动齿轮403的旋转会使与之啮合的驱动齿条212向前移动，从而推动与之相连接的动滑轮机构221在直线导轨一215a和直线导轨二215b中间沿导轨方向运行。由图3可知，中心齿轮209在左主滑轮201的驱动下沿齿条导轨208向右下方移动的同时，驱动齿条212又会推动动滑轮机构221沿直线导轨一215a和直线导轨二215b的方向向左下方运行，这样从左主滑轮201扯出来的左滑线15a始终垂直于动滑轮机构221中的齿条导轨208，也就是说力始终垂直于力臂。由图4可知，中心齿轮209和左主滑轮201已经运行到终点，但是从左主滑轮201扯出的滑线15a还是与齿条导轨208垂直，这也是此省力自行车省力的关键所在。

如图所示27，当中心齿轮209在齿条导轨上由A点向B点运行时，B点又随着动滑轮机构221在直线导轨一215a和直线导轨二215b中间向左下方的C点移动，当中心齿轮209由A点移动到B点的同时，B点也移动到C点，这样A点的实际行程是A点到C点的直线距离。我们设定A点到B点的距离AB为94.2mm为中心齿轮209在齿条导轨208上的运行距离，B点到C点的距离BC为215.48mm为驱动齿条212推行所得的距离，根据勾股定理算出A点到C点的距离AC为193.8mm，这也是左主滑轮201移动的距离，弥补了行程的不足，当右脚踩踏右脚蹬802，扯动右滑线15b，使右主滑轮202反转时，左主滑轮201与中心齿轮209也同时反转，这样中心齿轮209就会从C点返回A点，周而往复，为了更省力和提高速度，我们还可以适当增加AC的长度。

牙盘一206的工作原理：

牙盘一206随中心齿轮209和左主滑轮201旋转，带动副链条12运行，副链条12运行时，由于短支架204始终垂直于齿条导轨208，所以副链条12在运行时也始终垂直于齿条导轨208，这样阻力臂与动力比之比永远是1:2。副链条12带动双牙盘装置203上的右牙盘203a旋转，左牙盘203b同右牙盘203a一起旋转，从而把动力通过主链条11传递给牙盘二304，牙盘二304又将动力传递给双棘轮驱动装置3中的左锥齿轮303，由于左主滑轮201传递的是正转，所以直接触动左锥齿轮303内部棘轮一308使后轮花鼓筒102旋转，驱动自行车前行，此时右锥齿轮302反转，所以无法触动内部的棘轮二307。

左锥齿轮303和右锥齿轮301内部的棘轮一308和棘轮二307都是在锥齿轮向前旋转时才能触动。

当左脚踩踏到下限后，换右脚踩踏在上限的右脚蹬802。从而扯动右滑线15b向下运行，右滑线15b会经过右支点滑轮6和转向滑轮7后扯动右主滑轮202反向旋转，同时带动牙盘一206和中心齿轮209反转，此时左主滑轮201也被动反向旋转，从而使左滑线15a收紧并缠绕在左主滑轮201上，由于左滑线15a还缠绕并有一点固定在驱动滑轮402上，所以使驱动滑轮402也反转并带动驱动齿条212反向拉动动滑轮机构221。如图11为右脚蹬802和右主滑轮202都在上限的位置，图8为右脚蹬802踩踏到下限时的位置，由图11和图8可知，从右主滑轮202扯出的右滑线15b始终垂直于齿条导轨208，保证力臂不变。右主滑轮202反转时移动的距离同样是193.8mm，弥补了行程的不足。由于短支架204的支撑，使副链条12的运行轨迹也始终垂直于齿条导轨208，使阻力臂L1也稳定，并且阻力臂L1与动力臂L2之比为1:2如图27，副链条12把动力传递给主链条11，主链条11把动力传递给牙盘二304，牙盘二304带动左锥齿轮303反转，这时左锥齿轮303内部的棘轮一308由于反转不起作用，通过与之啮合的矫正锥齿轮302矫正后，使右锥齿轮301正转运行，由于右锥齿轮301的正转触动其内部的棘轮二307，使后轮花鼓筒102旋转驱动自行车前行。

短支架204在安装时，让它的运行轨迹尽量在以长支架11为半径，以后轮轴101为圆心的弧上，同时要垂直于齿条导轨208.

左滑线15a除了扯动左主滑轮201旋转，还扯动驱动一体轮4上的驱动滑轮402旋转，最终使驱动齿条212推动动滑轮机构221在直线导轨一215a和直线导轨二215b中间沿导轨运行。由于动滑轮机构221的运行并无阻力，所以阻力可忽略不计，当右滑线15b扯动右主滑轮202时，驱动齿条212会回拉动滑轮机构221，同样也只是位移，阻力可忽略不计。但这只是理论上的数据，实际上仍有能量的损耗，为了抵消能量的损失，我们可以适当增加动力臂L2的长度，即左主滑轮201、右主滑轮202的半径长度，半径增加了，左滑线15a和右滑线15b的长度就要相应的增加，由于脚的踩踏距离是340mm，无法增加，那么只能增加中心齿轮209的移动距离，即AC的距离，也是左主滑轮201和右主滑轮202的移动距离如图27。

滑线的作用：

滑线起到力的传递作用，把脚的力量传递到主滑轮上。其优点是，力的方向可以改变，保证力臂始终不变。其中动力臂L2是中心齿轮209与齿条导轨208的啮合点到动力方向线即滑线的垂直距离（也可以说是左、右主滑轮的半径）；阻力臂L1是中心齿轮209与齿条导轨208的啮合点到链条运行方向的垂直距离（即牙盘一的半径），本试验时牙盘一的半径与主滑轮的半径比为1:2，所以阻力臂L1：动力臂L2=1:2如图27。脚踩踏脚蹬由上限到下限的距离是340mm，再加上主滑轮自身移动的距离193.8mm，滑线真实的伸长距离是340+193.8=533.8mm，正好是传统自行车一只脚踩踏轨迹的长度，注意从主滑轮上扯出的滑线的长度和主滑轮移动的距离的区别。

中心滑块211的作用：

中心滑块211既要支撑中心齿轮209在齿条导轨208上运行，又要承载来自左主滑轮201、右主滑轮202、牙盘一206在运行中所带来的的扭矩。

摇杆的作用：

稳定滑线，使滑线在上下扯动时不摇晃。

在安装左支点滑轮5、右支点滑轮6、驱动滑轮402及转向滑轮7时，一定要注意，要让它们与左主滑轮201或右主滑轮202之间连接的滑线15a或15b一定要垂直于齿条导轨208，保证动力臂的最大化。

左滑线15a的缠绕方法：

左滑线15a的一端固定在左摇杆901的固定柱一903上，然后从左脚蹬902的下限向上甩到左支点滑轮5处，改变方向后，再甩到驱动一体轮4的驱动滑轮402上，在驱动滑轮402上的直角孔401处将左滑线15a上的一点与驱动滑轮402固定连接，然后再在驱动滑轮402上缠绕长度340mm的左滑线15a，最后甩到左主滑轮201上，在左主滑轮201上的左固定孔214a处固定，此时左主滑轮201也要在下限，如图4中左主滑轮201所处的位置即为下限位。

右滑线15b的缠绕方法：

完成左滑线15a的缠绕工作后，一定要把左主滑轮201手动旋转到上限位，此时左脚蹬902也应该在上限位，然后再进行右滑线15b的缠绕工作。右滑线15b的一端固定在右摇杆801的固定柱二803上，然后从右脚蹬802的下限向上甩到右支点滑轮6处，改变方向后，再甩到转向滑轮7上，在转向滑轮7处改变方向后再甩到右主滑轮202上，在右主滑轮202上的右固定孔214b处固定。此时右主滑轮202也要在下限，如图8中右主滑轮202所处的位置即为下限位。我们在缠绕右滑线的时候发现车身右侧多一个转向滑轮，这也证明了右滑线的缠绕方向与左滑线的缠绕方向相反，所以在左滑线伸长时，右滑线就会收紧缠绕在右主滑轮上。反之，当右滑线拉长时，左滑线就会缠绕在左主滑轮上。除了左、右主滑轮和驱动一体轮的驱动滑轮外，其他滑轮不用考虑与滑线的打滑问题。

因为我们是在脚蹬和主滑轮处于下限时连接的滑线。滑线全部是被撑开的，所以主滑轮上并没有滑线缠绕，当脚蹬和主滑轮处于上限时，滑线就会全部缠绕在主滑轮上，缠绕的长度是533.8mm，当左脚蹬向下运动，左滑线15a逐渐展开时，右脚蹬正好向上运动，右滑线15b就会缠绕在右主滑轮202上，当右脚蹬802向下运行，右滑线15b逐渐展开时，左脚蹬就会向上运行，左滑线15a就会缠绕在左主滑轮201上，交替往复。由图3可知，左滑线15a在左主滑轮201上缠绕的方向，缠绕长度为533.8mm。由图11可知，右滑线15b在右主滑轮202上缠绕的方向，缠绕长度533.8mm。其中，左右滑线的缠绕长度可稍微加长，但不可减短。

传统24型自行车单只脚踩踏的距离是以曲柄为半径的半圆，踩踏距离为533.8mm，试验时发现本发明不采用动滑轮时，保持与传统自行车相同的踩踏幅度时，脚踩踏行程为340mm，与传统自行车相差193,8mm，如此虽然达到了省力的效果，但速度相对于传统自行车有所降低。而本发明中动滑轮的行程正好弥补了与传统自行车行程上的差距，保证在相同的踩踏幅度和频率的前提下既达到省力的目的有不损失速度。本发明中可以用同步带代替链条，使用同步带轮代替牙盘，使自行车重量更轻，传动稳定。本实施例中涉及到的标准件不一一赘述。