專利名稱：一種能提高人力機(jī)械效率的共軸雙飛輪傘齒輪組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
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本發(fā)明涉及用人力的機(jī)械，主要用于自行車。
技術(shù)背景-
目前凡是使用人力的機(jī)械裝置幾乎都是用手搖的單曲柄(搖把)或腳踏 的雙曲柄(自行車腳蹬)直接作圓周運(yùn)動來使機(jī)械轉(zhuǎn)動，這種裝置雖然簡單實(shí) 用，但是存在效率不高，容易疲勞等缺點(diǎn)。因?yàn)闄C(jī)械需要的是圓周運(yùn)動，而人 體的構(gòu)造不適合作圓周運(yùn)動，適合作往復(fù)運(yùn)動。作圓周運(yùn)動也存在缺陷，下面 以圖分析說明在圖3中，當(dāng)人的腳踩曲柄時，只有前半圈用力，而后半圈不用
力只起使曲柄向上復(fù)位作用。在圖3中F代表人的腳的力，這力的方向始終是向 下的；V表示圓周運(yùn)動方向上的分力，這力的方向是圓的切線方向，從圖中可以 看出方向隨位置變化，V與F之間的夾角也隨著變化，這可以用公式表示 V=F*Cosa
a是V與F的夾角，也是所在位置的角度數(shù)，從圖中可以看出上止點(diǎn)90度和下止 點(diǎn)-90度時最小V:F+Cos90-0
這時的用力方向和運(yùn)動方向成90度，只是靠慣性轉(zhuǎn)過去。在O度處最大， V=F*CosO=F
所以越靠近這位置越省力，效率越高。這范圍大約在-45度至45度的范圍內(nèi)，范 圍越小運(yùn)動軌跡越接近直線，效率越高，在45度時V-F^os45-0. 71F 。 本人從中國古代的人力機(jī)械如人力水車得到啟發(fā)，認(rèn)為中國古代的人力機(jī)械如 人力水車的效率也比這種裝置效率要高，人可以長時間的踩動水車而不太累。 這種水車是在木軸上安兩根長直柄，直柄穿透木軸，直柄兩頭都可以踩動，如 圖5，，兩根直柄相距約二十厘米在木軸上成90度交叉，當(dāng)左腳把左直柄踩下 至-45度位置(b)時，右直柄的一頭也轉(zhuǎn)至45度位置(a)處，這時右腳踩下， 轉(zhuǎn)至-45度(b)處時，左直柄的另一頭也轉(zhuǎn)至45度位置(a)處，這時踩下左 腳，左直柄踩下去，右直柄的另一頭也轉(zhuǎn)過來了，這樣周而復(fù)始轉(zhuǎn)動了木軸， 使水車運(yùn)轉(zhuǎn)。從圖中可以看出盡管直柄和木軸不斷地轉(zhuǎn)，人的兩腳的行程始終 在-45度至45度之間。所以省力效率高。但是在車水時雙腳要不斷地跳至下一個 直柄，因此安全就有問題，在自行車之類的運(yùn)動機(jī)械上就不能使用。
發(fā)明內(nèi)容-
本人從古老的水車啟發(fā)下發(fā)明這裝置，從圖6中可以看到，踏桿和弧形 齒條是結(jié)合在一起的，可繞踏桿軸(6)旋轉(zhuǎn)一定角度。左踏桿(3)正在下止 點(diǎn)(b)位置，右踏桿(1)正處在上止點(diǎn)(a)位置，上止點(diǎn)(a)與下止點(diǎn) (b)位置間接近與-45度至45度的位置，兩踏桿用腳踩著上下運(yùn)動，行程如帶 箭頭弧線所示，此行程可以調(diào)整， 一般上、下止點(diǎn)的行程夾角為90度左右。
但是兩踏桿作上下往復(fù)運(yùn)動不作圓周運(yùn)動必須解決兩個問題不作圓周 運(yùn)動踏桿踩下去后如何向上復(fù)位至上止點(diǎn)，左右踏桿如何配合， 一個踏桿踏下 去另一個踏桿必須向上復(fù)位為下一腳的踩動作準(zhǔn)備；踏桿的上下往復(fù)運(yùn)動如何 轉(zhuǎn)化為機(jī)械的定向轉(zhuǎn)動，這就是下面要講的共軸雙飛輪傘齒輪組的功能。
3圖7是共軸雙飛輪傘齒輪組的主軸部分構(gòu)造圖，從圖8和圖9中可看清左飛 輪和右飛輪的零件結(jié)構(gòu)。這種特制飛輪構(gòu)造內(nèi)芯(a)和自行車飛輪一樣，是棘 輪機(jī)構(gòu)，因此有方向性，左右飛輪外形是一樣的，就是內(nèi)芯(a)的棘輪方向相 反，自行車飛輪的外廓是鏈輪，這里飛輪的外廓是直齒輪(b)和傘錐齒輪 (c)結(jié)合體，飛輪軸襯(d)起把飛輪固定在主軸上的作用，因?yàn)楸救耸怯米?行車飛輪改制的，內(nèi)徑較大，就做個軸襯用鍵條固定在主軸上，如果批量生 產(chǎn)，專制的飛輪內(nèi)徑和主軸緊密配合，就不需要軸襯。左飛輪(10)和右飛輪
(9) 安裝在主軸(11)上的內(nèi)芯的方向是一致的，在圖7上順時鐘向是正向， 合步傘錐齒輪(13)，和左右飛輪(10) (9)的傘錐齒輪成90度嚙合在一起， 起左右合步作用，安裝在合步傘錐齒輪固定螺栓(15)固定的合步傘錐齒輪軸 承(14)上，合步傘錐齒輪固定螺栓(15)的上部固定在主軸承座(圖1的12) 上，三個傘錐齒輪嚙合在一起成一個傘齒輪組，由于合步傘錐齒輪(13)的傳 動，左飛輪(10)右飛輪(9)的外廓轉(zhuǎn)動方向必定相反，但是飛輪的特性是正 向可以帶動主軸一起轉(zhuǎn)動，反向則滑動，不管左飛輪(10)與右飛輪(9)怎么 轉(zhuǎn)動，主軸(11)只向順時鐘向轉(zhuǎn)動。這個結(jié)構(gòu)本人形象地稱之為共軸雙飛輪 傘齒輪組。
在圖1中，左踏桿(3)和左弧形齒條(4)是以連接銷(5)結(jié)合在一 起，安裝在踏桿軸(6)上的左弧形齒條軸承(7)上，因此可以在踏桿軸(6) 上轉(zhuǎn)動。右踏桿(1)和右弧形齒條(2)各以銷釘固定在踏桿軸(6)上，因此 可和踏桿軸(6) —起轉(zhuǎn)動，因?yàn)樽筮叺奶U和齒條與踏桿軸(6)之間有左弧 形齒條軸承(7)結(jié)合，所以左右部分在踏桿軸(6)上轉(zhuǎn)動互不影響。右踏桿
(1)和右弧形齒條(2)也可以象左邊一樣安裝在軸承上，但是這圖表示的是 在自行車上安裝的，右踏桿(1)和右弧形齒條(2)之間有一自行車鏈輪，受 地位限制，為了不影響鏈輪和鏈條的運(yùn)轉(zhuǎn)，右踏桿(1)和右弧形齒條(2)固 定在踏桿軸(6)上利用軸結(jié)合起來。鏈輪(17)安裝在主軸(11)的一頭上， 鏈輪(17)作功的方向在圖l上看是逆時鐘方向，所以飛輪以逆時鐘方向?yàn)檎?向，兩個飛輪都安裝在主軸(11)上，只要一個飛輪作正向運(yùn)動就能使主軸旋 轉(zhuǎn)，帶動鏈輪轉(zhuǎn)動，飛輪如反向轉(zhuǎn)動，就在主軸(11)上滑動，不影響主軸的 運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)左踏桿(3)踩下時，左弧形齒條(4) 一起作逆時鐘方向轉(zhuǎn)動，帶動 左飛輪(10)順時鐘方向轉(zhuǎn)動，，這時順時鐘方向是反向，左飛輪(10)轉(zhuǎn)動 不能帶動主軸(11)旋轉(zhuǎn)，但是左飛輪(10)外廓的傘錐齒輪使合步傘錐齒輪
(13)轉(zhuǎn)動，傳動到右飛輪(9)的傘錐齒輪，使右飛輪(9)逆時鐘方向轉(zhuǎn) 動，由于這是正向，右飛輪(9)就帶動主軸(11)和鏈輪(17) —起轉(zhuǎn)動，與 此同時右飛輪(9)上的直齒輪使右弧形齒條(2)順時鐘方向轉(zhuǎn)動，右踏桿
(1) 向上升，至上止點(diǎn)后再踩動右踏桿(1)，右踏桿(1)和右弧形齒條
(2) 開始逆時鐘方向轉(zhuǎn)動，帶動右飛輪(9)順時鐘方向轉(zhuǎn)動，由于是逆向， 右飛輪(9)的內(nèi)芯對主軸(11)不起作用，而通過傘錐齒輪組的傳動使左飛輪
(10) 逆時鐘方向轉(zhuǎn)動，由于這是正向，左飛輪(10)的內(nèi)芯帶動主軸(11) 和鏈輪(17)逆時鐘方向轉(zhuǎn)動，同時左飛輪(10)上的直齒輪帶動左弧形齒條
(4)左踏桿(3)順時鐘方向轉(zhuǎn)動，左踏桿(3)向上復(fù)位直至上止點(diǎn)。這樣周 而復(fù)始左右踏桿持續(xù)上下擺動，主軸(11)鏈輪(17)就不斷轉(zhuǎn)動，在這裝置
4里兩個踏桿輸入的是上下的往復(fù)運(yùn)動，到主軸(11)輸出的是定向轉(zhuǎn)動，共軸 雙飛輪傘齒輪組又起了左右配合的作用，左踏桿下必右踏桿上，右踏桿下必左 踏桿上，為下一步作準(zhǔn)備。
圖2是共軸雙飛輪傘齒輪組裝在自行車的位置外形圖，限幅器(20)的作 用是限制踏桿和弧形齒條的擺動幅度，不限制擺幅踏桿會垂到地上，弧形齒條 會脫出齒輪。限幅器(20)還有一個作用是調(diào)整幅度適合各人的身材，人有高 矮，步有長短，合適的擺幅可發(fā)揮人的效率。在圖2中限幅器3可把銷子插入不 同眼子來調(diào)整限幅器長短，限程器有個鐵栓擋住踏桿或齒條，只須擋住一頭， 由于傘錐齒輪組的制約另一頭不用擋就限制住，可以設(shè)計(jì)只在上止點(diǎn)或只在下 止點(diǎn)擋住， 一般在上止點(diǎn)較方便。
還有一個方案見圖(11),弧形齒條實(shí)際上是大齒輪的一部分，它的齒 數(shù)比飛輪的直齒輪少，由于是往復(fù)擺動，直齒輪的齒有的也用不著，制造時可 以不開齒，齒條的兩頭也不開齒，如圖(11)，轉(zhuǎn)到無齒的部分行程就終止 了。這個方案的缺點(diǎn)是不能調(diào)整幅度。為安全起見，可以兩個方案都用，作為 另一裝置損壞時起保險作用。


圖l是共軸雙飛輪傘齒輪組裝置的構(gòu)造示意圖，(1)右踏桿，(2)右 弧形齒條，(3)左踏桿，(4)左弧形齒條，(5)連接銷，(6)踏桿軸， (7)左弧形齒條軸承，(8)踏桿軸承座，(9)右飛輪，(10)左飛輪， (11)主軸，(12)主軸軸承座，(13)合步傘錐齒輪，(14)合步傘錐齒輪 軸承，(15)合步傘錐齒輪固定螺栓，(16)合步傘錐齒輪固定螺母，(17) 鏈輪。
圖2是共軸雙飛輪傘齒輪組裝置裝在自行車的位置外形圖，(18),是 齒輪罩，(19),是鏈輪罩，(20)是限幅器。
圖3是曲柄在作圓周運(yùn)動時用力的分析圖。
圖4是自行車雙曲柄在上止點(diǎn)和下止點(diǎn)時的力的分析(a)位置是上 止點(diǎn)，(b)位置是下止點(diǎn)。
圖5是水車時用力的分析(1)是左直柄，(2)是右直柄，(3)是 木軸，(a)位置是腳踏的起始點(diǎn)，(b)位置是腳踏的離開點(diǎn)。
圖6是共軸雙飛輪傘齒輪組的示意圖(1)右踏桿，(2)右弧形齒 條，(3)左踏桿，(4)左弧形齒條，(6)踏桿軸，(A)共軸雙飛輪傘齒輪 組主軸部分。(a)位置是踏桿的上止點(diǎn)，(b)位置是踏桿的下止點(diǎn)。
圖7是共軸雙飛輪傘齒輪組裝置主軸部分構(gòu)造圖；(9)右飛輪， (10)左飛輪，(11)主軸，箭頭所指的是主軸轉(zhuǎn)動方向(13)合步傘錐齒 輪，(14)合步傘錐齒輪軸承，(15)合步傘錐齒輪固定螺栓，(16)合步傘 錐齒輪固定螺母。
圖8是右飛輪的零件圖，(a)飛輪內(nèi)芯，箭頭所指的是飛輪正轉(zhuǎn)方 向，(b)飛輪外廓直齒輪部分，(c)飛輪外廓傘錐齒輪部分，(d)軸襯。
圖9是左飛輪的零件圖，(a)飛輪內(nèi)芯，箭頭所指的是飛輪正轉(zhuǎn)方 向，(b)飛輪外廓直齒輪部分，(c)飛輪外廓傘錐齒輪部分，(d)軸襯。
圖10是合步傘錐齒輪構(gòu)造圖(13)合步傘錐齒輪，(14)合步傘錐
5齒輪軸承，(15)合歩傘錐齒輪固定螺栓，(16)合步傘錐齒輪固定螺母，
圖ll是弧形齒條限幅結(jié)構(gòu)示意圖(4)弧形齒條，(10-c)飛輪外廓
的直齒輪具體實(shí)施方式
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共軸雙飛輪傘齒輪組可以安裝在各種使用人力的機(jī)械裝置中，如人力水 泵，人力發(fā)電機(jī)等，最廣泛的當(dāng)然是自行車了，由于效率比雙曲柄高，因此速 度較快，上坡力大。更因?yàn)楹虾跞梭w學(xué)原理，人可以長時間騎行，不易疲勞。 由于兩腳是上下往復(fù)運(yùn)動，不是踏圈子，比較安全易學(xué)。構(gòu)造簡單緊湊，可以 大量生產(chǎn)新車，也可以制成配件，改裝在舊車上。
權(quán)利要求一種能提高人力機(jī)械效率的共軸雙飛輪傘齒輪組，主要用于自行車，用雙腳踏動使機(jī)械轉(zhuǎn)動，但效率較高，其特征是兩個在同一個主軸(11)上的特制飛輪右飛輪(9)與左飛輪(10)，特制飛輪的外廓不是鏈輪而是直齒輪和傘錐齒輪結(jié)合體，兩個飛輪的傘齒輪部分和一個合步傘錐齒輪(13)嚙合成一個傘齒輪組，兩個飛輪的直齒輪部分各與左右弧形齒條(2)、(4)嚙合，左右弧形齒條(2)、(4)各與左右踏桿(1)、(3)連結(jié)，上下踏動左右踏桿(1)、(3)可帶動左右弧形齒條(2)、(4)，作用于左右飛輪(9)(10)的直齒輪把人的動力傳動到傘齒輪組，使傘齒輪組的主軸(11)上的鏈輪或齒輪(17)輸出動力，這動力是定向的轉(zhuǎn)動。
專利摘要一種能提高人力機(jī)械效率的共軸雙飛輪傘齒輪組，主要用于自行車，用雙腳踏動使機(jī)械轉(zhuǎn)動，但效率較高，兩個在同一個主軸(11)上的特制飛輪右飛輪(9)與左飛輪(10)，特制飛輪的外廓不是鏈輪而是直齒輪和傘錐齒輪結(jié)合體，兩個飛輪的傘齒輪部分和一個合步傘錐齒輪(13)嚙合成一個傘齒輪組，兩個飛輪的直齒輪部分各與左右弧形齒條(2)、(4)嚙合，左右弧形齒條(2)、(4)各與左右踏桿(1)、(3)連結(jié)，上下踏動左右踏桿(1)、(3)可帶動左右弧形齒條(2)、(4)，作用于左右飛輪(9)(10)的直齒輪把人的動力傳動到傘齒輪組，使傘齒輪組的主軸(11)上的鏈輪或齒輪(17)輸出動力，這動力是定向的轉(zhuǎn)動。
文檔編號B62M1/24GK201283989SQ200720077600
公開日2009年8月5日 申請日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者謝凱年 申請人:謝凱年