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(dòng)來(lái)使機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，這種裝置雖然簡(jiǎn)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(dòng)，而人 體的構(gòu)造不適合作圓周運(yùn)動(dòng)，適合作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。作圓周運(yùn)動(dòng)也存在缺陷，下面 以圖分析說(shuō)明在圖3中，當(dāng)人的腳踩曲柄時(shí)，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(dòng)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(shí)最小V:F+Cos90-0
這時(shí)的用力方向和運(yùn)動(dòng)方向成90度，只是靠慣性轉(zhuǎn)過(guò)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(dòng)軌跡越接近直線，效率越高，在45度時(shí)V-F^os45-0. 71F 。 本人從中國(guó)古代的人力機(jī)械如人力水車得到啟發(fā)，認(rèn)為中國(guó)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(zhǎng)時(shí)間的踩動(dòng)水車而不太累。 這種水車是在木軸上安兩根長(zhǎng)直柄，直柄穿透木軸，直柄兩頭都可以踩動(dòng)，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(shí)，右直柄的一頭也轉(zhuǎn)至45度位置(a)處，這時(shí)右腳踩下， 轉(zhuǎn)至-45度(b)處時(shí)，左直柄的另一頭也轉(zhuǎn)至45度位置(a)處，這時(shí)踩下左 腳，左直柄踩下去，右直柄的另一頭也轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)了，這樣周而復(fù)始轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)雙腳要不斷地跳至下一個(gè) 直柄，因此安全就有問(wèn)題，在自行車之類的運(yùn)動(dòng)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(dòng)，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(dòng)不作圓周運(yùn)動(dòng)必須解決兩個(gè)問(wèn)題不作圓周 運(yùn)動(dòng)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(gè)踏桿踏下 去另一個(gè)踏桿必須向上復(fù)位為下一腳的踩動(dòng)作準(zhǔn)備；踏桿的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)如何 轉(zhuǎn)化為機(jī)械的定向轉(zhuǎn)動(dòng)，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(gè)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(shí)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(gè)傘錐齒輪嚙合在一起成一個(gè)傘齒輪組，由于合步傘錐齒輪(13)的傳 動(dòng)，左飛輪(10)右飛輪(9)的外廓轉(zhuǎn)動(dòng)方向必定相反，但是飛輪的特性是正 向可以帶動(dòng)主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，反向則滑動(dòng)，不管左飛輪(10)與右飛輪(9)怎么 轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸(11)只向順時(shí)鐘向轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)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(dòng)。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(dòng)，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(dòng)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(lái)。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(shí)鐘方向，所以飛輪以逆時(shí)鐘方向?yàn)檎?向，兩個(gè)飛輪都安裝在主軸(11)上，只要一個(gè)飛輪作正向運(yùn)動(dòng)就能使主軸旋 轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，飛輪如反向轉(zhuǎn)動(dòng)，就在主軸(11)上滑動(dòng)，不影響主軸的 運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)左踏桿(3)踩下時(shí)，左弧形齒條(4) 一起作逆時(shí)鐘方向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng) 左飛輪(10)順時(shí)鐘方向轉(zhuǎn)動(dòng)，，這時(shí)順時(shí)鐘方向是反向，左飛輪(10)轉(zhuǎn)動(dòng) 不能帶動(dòng)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(dòng)，傳動(dòng)到右飛輪(9)的傘錐齒輪，使右飛輪(9)逆時(shí)鐘方向轉(zhuǎn) 動(dòng)，由于這是正向，右飛輪(9)就帶動(dòng)主軸(11)和鏈輪(17) —起轉(zhuǎn)動(dòng)，與 此同時(shí)右飛輪(9)上的直齒輪使右弧形齒條(2)順時(shí)鐘方向轉(zhuǎn)動(dòng)，右踏桿
(1) 向上升，至上止點(diǎn)后再踩動(dòng)右踏桿(1)，右踏桿(1)和右弧形齒條
(2) 開始逆時(shí)鐘方向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)右飛輪(9)順時(shí)鐘方向轉(zhuǎn)動(dòng)，由于是逆向， 右飛輪(9)的內(nèi)芯對(duì)主軸(11)不起作用，而通過(guò)傘錐齒輪組的傳動(dòng)使左飛輪
(10) 逆時(shí)鐘方向轉(zhuǎn)動(dòng)，由于這是正向，左飛輪(10)的內(nèi)芯帶動(dòng)主軸(11) 和鏈輪(17)逆時(shí)鐘方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)左飛輪(10)上的直齒輪帶動(dòng)左弧形齒條
(4)左踏桿(3)順時(shí)鐘方向轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)，主軸(11)鏈輪(17)就不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，在這裝置
4里兩個(gè)踏桿輸入的是上下的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，到主軸(11)輸出的是定向轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)幅度，不限制擺幅踏桿會(huì)垂到地上，弧形齒條 會(huì)脫出齒輪。限幅器(20)還有一個(gè)作用是調(diào)整幅度適合各人的身材，人有高 矮，步有長(zhǎng)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(lái)調(diào)整限幅器長(zhǎng)短，限程器有個(gè)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(gè)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(dòng)，直齒輪的齒有的也用不著，制造時(shí)可 以不開齒，齒條的兩頭也不開齒，如圖(11)，轉(zhuǎn)到無(wú)齒的部分行程就終止 了。這個(gè)方案的缺點(diǎn)是不能調(diào)整幅度。為安全起見，可以兩個(gè)方案都用，作為 另一裝置損壞時(shí)起保險(xiǎn)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(dòng)時(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)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(zhǎng)時(shí)間騎行，不易疲勞。 由于兩腳是上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，不是踏圈子，比較安全易學(xué)。構(gòu)造簡(jiǎn)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(dòng)使機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，但效率較高，其特征是兩個(gè)在同一個(gè)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(gè)飛輪的傘齒輪部分和一個(gè)合步傘錐齒輪(13)嚙合成一個(gè)傘齒輪組，兩個(gè)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(dòng)左右踏桿(1)、(3)可帶動(dòng)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(dòng)力傳動(dòng)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(dòng)力，這動(dòng)力是定向的轉(zhuǎn)動(dòng)。
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(dòng)使機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，但效率較高，兩個(gè)在同一個(gè)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(gè)飛輪的傘齒輪部分和一個(gè)合步傘錐齒輪(13)嚙合成一個(gè)傘齒輪組，兩個(gè)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(dòng)左右踏桿(1)、(3)可帶動(dòng)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(dòng)力傳動(dòng)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(dòng)力，這動(dòng)力是定向的轉(zhuǎn)動(dòng)。
文檔編號(hào)B62M1/24GK201283989SQ200720077600
公開日2009年8月5日 申請(qǐng)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(qǐng)人:謝凱年