專利名稱：能以最小的蹬踏力驅動的自行車的制作方法
技術領域：
本發明總的涉及自行車，特別是涉及一種能以最小的蹬踏力驅動的自行車。
一般市場上現有的自行車具有腳踏子(腳踏板)，腳蹬子分別可轉動地安裝在固定于曲柄的自由端的支承軸上。蹬踏腳蹬子而驅動曲柄，以便通過一般為環形的驅動鏈條將驅動力傳到后輪。
在此最標準的設計中，傳到后輪上的驅動力取決于施加在腳蹬子上的蹬踏力以及曲柄軸和腳蹬子的軸之間的距離(力臂)，曲柄的相應根端通過曲柄軸連到一個鏈輪上。在此，若希望以小的蹬踏力獲得大的驅動力，就必須增大曲柄軸和每個腳蹬子的支承軸之間的力臂。然而，上述為力臂一般有一個最佳值，該最佳值選定成能確保騎車人的腳平衡地運轉和蹬衡踏，因此自行車制造者早就認識到這種局限性，這種局限性使得不能將力臂增大到超過該最佳值。鑒于此，人們早就認識到不能以最小的蹬踏力獲得大的驅動力。
因此，為了基本上消除自行車制造者至今為止遇到的上述問題，本發明的實質性目的在于提供一種改進的自行車，它可以利用最小的蹬踏力來獲得大的驅動力。
為此，本發明提供了一種能以最小的蹬踏力來驅動的自行車。此自行車包括一個設置在一個用于將驅動力施加到一個車輪上的曲柄的一個自由端上的內齒輪，和一個可轉動地與該內齒輪相嚙合的外齒輪。該內齒輪和外齒輪的傳動比為2∶1。一個具有踏板的腳蹬子固定到外齒輪上，當曲柄自由端處于一個提供曲柄轉動軸線的曲柄軸向前水平位置時，該踏板處于面朝上的水平位置，而且此時，內齒輪上離該曲柄軸最遠的輪齒部分與外齒輪相嚙合。
利用本發明的這種自行車，當蹬踏時，曲柄的自由端向前水平設置，內齒輪上離曲柄軸最遠的輪齒部分與外齒輪相嚙合，因此，施加到腳蹬子上的蹬踏力的力臂達到一個高值，此值等于曲柄的轉動軸線到內齒輪的中心的距離與內齒輪的中心到外齒輪的中心的距離之和。另外，由于此時踏板是面朝上水平設置的，因此騎車人很容易將腳放在腳蹬子上。因此，利用最小的蹬踏力就能獲得較高的驅動力。
此外，由于內齒輪與外齒輪間的傳動比為2∶1，因此曲柄轉動一整圈(由騎車人放腳的腳蹬子的踏板處于面向上位置)，將導致外齒輪在內齒輪內公轉一周。因此，當從一個向上位置向前轉動的曲柄進入曲柄被向前角轉運動的蹬踏區時，外齒輪與內齒輪上沿前進方向離曲柄軸最遠的輪齒部分相嚙合，從而可使曲柄在蹬踏區內獲得增大的力臂。
在本發明的一個優選實施例中，該自行車還包括一個腳蹬臂，該腳蹬臂具有一個固定到外齒輪的轉動軸上的根端并沿外齒輪的徑向延伸，此時，腳蹬子固定到腳蹬臂上與其根端相對的一個自由端上。此腳蹬臂可以是S形結構，它具有水平延伸的根端和自由端以及與根端和自由端相連并垂直于它們延伸的中間部。
根據這種結構，即使當曲柄處于任何角轉位置時騎車人將腳離開腳蹬子，腳蹬子也會在其自重的作用下被帶到外齒輪中心位置緊下面的位置，從而可讓外齒輪轉到一個嚙合位置，此時腳蹬子處于水平位置而其踏板面朝上。因此，要驅動已停住的自行車時，騎車人能確定地將腳放在腳蹬子上，以準備蹬踏。
在本發明的另一個優選實施例中，一個連接件可轉動地裝在內齒輪的中心且位于內齒輪的內部，而外齒輪可轉動地裝在該連接件上。利用這種結構，外齒輪能相對于內齒輪進行平穩的公轉。
在本發明的再一個優選實施例中，內齒輪具有一塊固定于內齒輪一端的板。一個蓋固定在該連接件上，用于封閉內齒輪上與該板相對的另一端的開口。使用這個蓋能有效地封住內齒輪，以防任何異物進入內齒輪內部，從而確保內齒輪與外齒輪間的平穩嚙合。
在本發明的又一個優選實施例中，使用了一個強迫嚙合裝置，用于在蹬踏腳蹬子之前，迫使外齒輪與內齒輪在與蹬踏力傳遞方向一致的方向上嚙合。此強迫嚙合裝置能在開始蹬踏時使外齒輪移動一段對應于輪齒嚙合間隙的距離，從而最大限度地減小討厭的卡嗒聲的產生，否則，當內、外齒輪中之一的一個輪齒沖撞內、外齒輪中另一個的一個嚙配輪齒時，就會發生上述聲響。
從下面結合附圖對本發明的優選實施例的說明中，可更清楚地理解本發明。然而，這些實施例和附圖僅是示例性的，不構成對本發明范圍的任何限制，本發明的范圍將由后附權利要求限定。在附圖中，相同的標號表示相同的部件。


圖1是本發明自行車的示意性側視圖；圖2是表示用于該自行車上的曲柄機構的放大透視圖，其中去掉了曲柄蓋；圖3A是該曲柄機構的平面圖，表示了一個曲柄與一個內齒輪組件的組合；圖3B是部分剖開的曲柄機構的側剖面圖；圖4A是構成曲柄機構的一個部件的連接件的平面圖；圖4B是圖4A所示連接件的剖面圖；圖5A是表示與曲柄機構的一個外齒輪結合的一個腳蹬子的平面圖；圖5B是圖5A所示的腳蹬子和外齒輪的部分剖開的側剖面圖；圖5C是該腳蹬子和外齒輪的示意性正視圖；圖6A是一個曲柄蓋的平面圖；圖6B是圖6A所示曲柄蓋的剖面圖；圖7是裝有曲柄蓋的曲柄機構的透視圖；和圖8是表示本發明的曲柄機構工作的解釋性示意圖。
參見圖1，所示的自行車包括一個眾所周知的、大體為偏菱形的車架結構30，一個可轉動地支承在車架結構30前部的前輪31，一個也支承在車架結構30前部并與前輪31連接以便可使前輪31轉向的車把32，一個可轉動地支承在車架結構30的后部的后輪33和一個大體安裝在車架結構30的中間頂部的車座34。曲柄軸35可轉動地安裝在車架結構30的位于車座34下面的大體中間的底部，并在一個垂直于后輪33的轉動平面的平面內延伸，其兩相對端分別位于車架結構30的兩側。曲柄1各根端固連到曲柄軸35的相應端上。曲柄1用于利用鏈輪10和一般為環形的驅動鏈條11驅動后輪33轉動，鏈輪10裝在曲柄軸35上，以隨之一起轉動。
上述結構的自行車是本領域的普通技術人員所周知的，因此為簡潔起見不再對其進行詳細說明。
現參見圖2，每個曲柄1具有一個固連到曲柄軸35上的根端和一個自由端，自由端上固定有或一體成形有一個內齒輪組件。圖3A和3B分別示出了與每個曲柄1的自由端整體成形的內齒輪組件的組成部件的正視圖和側剖面圖，圖中局部剖分。曲柄1的根端制有一多邊形孔12，用于接收曲柄軸35的相應端。該內齒輪組件為盤形，包括一個內齒輪2和一個固定于其上的圓板20，或者圓板20與內齒輪2制成一體，以封閉內齒輪2的一端。該內齒輪組件具有限定在圓板20中的與圓板20同心的軸承孔50。
內齒輪組件接納一個可轉動地裝在銷軸3上的連接件4，銷軸3裝在軸承孔50中。圖4A示出了連接件4的主視圖，而圖4B示出了連接件裝在內齒輪組件上時的剖面圖。連接件4大致為三角形板，其中部有一個第一軸承孔13，銷軸3壓配在該孔中。這個三角形連接件4還有一個偏離第一軸承孔13的第二軸承孔14，用于接納一個外齒輪5的轉軸6，下面將會對此進行說明。壓裝在第一軸承孔13中的銷軸3的自由端具有一墊圈36和一個C形扣環37，安裝成使墊圈36位于圓板20和C形扣環37之間。C形扣環37用于防止墊圈36從銷軸3意外分離。這樣，將容易理解，可轉動地穿過三角形連接件4中的第一軸承孔13的銷軸3由圓板20可轉動地，但不能軸向運動地支承就位。為了下面將要明確說明的目的，三角形連接件4的頂角部位還形成有安裝凸臺4a，它們沿著垂直于三角形連接件4的平面的方向伸出，每個安裝凸臺4a具有一內螺紋孔15。內螺紋孔15用于接納一組用來固定曲柄蓋9的螺釘，以便封住內齒輪2的圓板20對面的開口，下面將對此進行說明。
與內齒輪2嚙合轉動的外齒輪5的轉軸6，利用墊圈39和C形扣環40以可轉動但不能軸向移動的方式，支承在三角形連接件4的第二軸承孔14中。一個輔助墊圈41設在三角形連接件4和外齒輪5之間。因此，外齒輪5由三角形連接件4支承并相對于內齒輪2定位，以使內齒輪2的齒與外齒輪5的齒恒定嚙合，從而使外齒輪5一邊繞轉軸6自轉，一邊繞銷軸3公轉。在所示的實施例中，內齒輪2和外齒輪5之間的傳動比選為2∶1，以使得外齒輪5在內齒輪2中公轉一周造成外齒輪5繞轉軸6自轉一圈。
如圖2和5所示，裝于自行車每側并具有踏板8a的腳蹬子8通過腳蹬臂7裝到外齒輪5的外表面的中央位置。腳蹬臂7是一件式結構，它包括一個水平延伸的根端7a、一個從根端7a彎折而向下延伸的中部7b和一個從中部7b彎折并朝著基本平行于水平延伸的根端7a但與之相反的方向水平延伸的自由端7C。更具體地說，腳踏臂7的根端(尾端)7a與外齒輪5的中心部位焊接或螺紋連接或成形為一體，其中部7b沿外齒輪5的徑向向外延伸，而其自由端7C固定地插入腳蹬子8中的安裝孔16，該安裝孔基本上位于腳蹬子8的寬度的中間位置。腳蹬子8安裝到腳蹬臂7的自由端7C，以便如圖8中所示，當相連的曲柄1的自由端位于自行車前進的水平方向、并且外齒輪5與內齒輪2的沿自行車前進方向距曲柄軸35最遠的輪齒22部分嚙合時，腳蹬子8的踏板8a處于水平向上的位置。
內齒輪2的與圓板20相對的開口由曲柄蓋9封住。圖6A和6B分別示出了曲柄蓋9的主視圖和剖面圖。如圖所示，曲柄蓋9為圓板形，其直徑等于或基本等于內齒輪2的外徑，曲柄蓋9上有三個螺釘孔17，它們的位置分別與和三角形連接件4成一體的相關安裝凸臺4a中的內螺紋孔15對準。這些螺釘孔17或安裝凸臺4a布置成當一組螺釘19穿過相應的螺釘孔17并進而擰入相關的內螺孔15而將曲柄蓋9固定到內齒輪組件上時，曲柄蓋9能與內齒輪2同心。曲柄蓋9還具有一個臂孔18，該臂孔18限定和定位成允許腳蹬臂7的根端7a能寬松地從中穿過。
在所示的實施例中，通過使腳蹬臂7的根端7a穿過臂孔18，然后將一組螺釘19擰到三角形連接件4的內螺紋孔15，就能把曲柄蓋9固定到三角形連接件4上，如圖7所示。不過，也可采用其他各種固定手段來將曲柄蓋9固定到三角形連接件4上。例如，代替三角形連接件4的內螺紋孔15，可使用兩個或更多個接合孔，以用于接納形成在曲柄蓋9中的相應的接合突起。
由于三角形連接件4繞著支承內齒輪2的銷軸3轉動，所以曲柄蓋9也與三角形連接件4一起相應地繞銷軸3轉動。因此，內齒輪2的開口確保由曲柄蓋9封閉，而不受外齒輪5繞銷軸3公轉的影響，以防止任何異物進入內齒輪2的內部，從而確保內齒輪2、三角形連接件4和外齒輪5的平穩的角轉運動。
雖然上面反對一個具有相關曲柄機構的曲柄1作了說明，但位于自行車相對側的另一個曲柄1也具有結構與上相同的曲柄機構。不過應注意的是，位于自行車兩側的曲柄1分別連到曲柄軸35的兩端，但相對于曲柄軸35彼此在圓周上相距180°角。
在上述的每個曲柄機構中，由于內齒輪2和外齒輪5之間的傳動比選為2∶1，所以外齒輪5在內齒輪2內部繞銷軸3公轉一整圈，導致外齒輪5繞轉軸6自轉一整圈，因此，每當外齒輪5繞銷軸3公轉一圈時，與外齒輪5相連的腳蹬子8都能返回并占據其初始位置。另一方面，當騎車人的腳放到腳蹬子8的踏板8a上時，腳蹬子8的踏板8a可被調整到面向上的水平位置。
為此，當如圖8左半部所示的那樣時，曲柄1在一個位于前側的蹬踏區內角轉運動，該蹬踏區的范圍是從曲柄1大體垂直向上延伸的向上位置P2到曲柄1大體垂直向下延伸的向下位置P3，此時外齒輪5是與內齒輪2上最遠離曲柄軸35的輪齒22的區域2a(見圖3A)嚙合的。考慮到內齒輪2和外齒輪5之間的傳動比，外齒輪5的外徑為內齒輪2的內徑的一半。因此，在下列條件下可獲得力臂MA曲柄1處于一個向前的水平位置P1，此時曲柄1基本上位于自行車的水平向前的方位，并且內齒輪2上沿自行車前進方向距曲柄軸35最遠的輪齒22部分處于嚙合狀態，也即，此時有效的曲柄長度等于曲柄軸35的轉動軸線和外齒輪5的中心(即外齒輪5上固定腳蹬臂7的位置)之間的距離。換句話說，力臂MA等于L+R/2，其中L表示曲柄軸35的轉動軸線到內齒輪2的中心的距離，而R表示內齒輪2的半徑。
另一方面，當如圖8的右半部所示的那樣，曲柄1在一個位于后側的非蹬踏區內角轉運動，該非蹬踏區的范圍是從向下位置P3到向上位置P2，此時外齒輪5與內齒輪2上的最靠近曲柄軸35的輪齒22的部分2b(見圖3A)相嚙合。因此，力臂MA在下述條件下獲得曲柄1位于向后的水平位置P4，此時曲柄1基本水平并相對于自行車的運行方向向后，此力臂MA等于曲柄軸35的轉動軸線和外齒輪5的中心之間的距離，即等于L-R/2。
應考慮到在蹬踏期間，外齒輪5的中心角轉運動并描劃出一個圓圈，其直徑為從曲柄軸35的轉動軸線到內齒輪2的中心的距離L的兩倍，即2L＝(L+R/2)+(L-R/2)。腳蹬子8也沿著一個類似的圓形軌跡角轉運動。考慮到在先有的自行車中，每個腳蹬子裝在曲柄上的位置可認為是對應于本發明所用的內齒輪2的中心，所以先有的自行車中腳蹬子的角轉運動的軌跡可由一個圓表示，其半徑實質上對應于本發明所定義的距離L，其中心位于曲柄軸35上。因此，本發明所用的腳蹬子8的角轉運動的軌跡是與先有的自行車所用的腳蹬子的軌跡相同的。
然而在本發明中，由于在上述蹬踏區P2-P3內蹬踏期間所獲得的力臂可以比等于距離L的表示腳蹬子的角轉運動的軌跡的圓的半徑最多大內齒輪2的半徑R的一半，所以，對于給定的蹬踏力，可以得到比先有的自行車所能得到的高的驅動力。
應注意的是，當曲柄1在非蹬踏區(如圖8右半部所示的區域)內角轉運動時，力臂MA減小到這樣一個值，該值比表示先有的自行車中的腳蹬子的角轉運動的圓的半徑(實際等于距離L)最多短外齒輪5的半徑R的一半，但是由于在此非蹬踏區內，在曲柄1的角轉運動期間并沒有產生實際的蹬踏，故不會引發任何問題。
根據本發明，表示與腳蹬子8相連的外齒輪5的運動軌跡的圓的中心位置01，朝著前進方向(或圖8中的向左方向)，從曲柄軸35的轉動軸線偏移一個等于R/2的距離，并因此，為了使本發明的腳蹬子8相對于車座34的位置保持與先有的自行車中的相同，曲柄軸35的位置最好朝著反對前進方向后移一個等于R/2的相應距離。另外，與先有的自行車相比，由于圖2所示結構的曲柄1的長度增加了一個等于內齒輪2的半徑R的值，所以曲柄軸35離地面的位置應向上移動一個等于曲柄1的長度增量的距離，以防腳踏子8和內齒輪2與地面發生接觸。
另外，由于腳蹬子8通過蹬踏臂7固定到外齒輪5上，所以腳蹬子8將在一個從外齒輪5的中心位置向下降低一預定高度的位置上轉動。因此，車座34離地面的高度最好根據腳蹬子8下降的高度和曲柄軸35移動的高度而調整。
而且，根據本發明，即使當自行車停下來而騎車人腳離開腳蹬子8且腳蹬子8不處于水平位置時，由于腳蹬子8通過腳蹬臂7固定在一偏離外齒輪5的位置上，所以腳蹬子8也會被其自身重量帶到外齒輪5的中心位置緊下面的位置，從而讓外齒輪5轉到這樣一個嚙合位置此時腳蹬子8處于水平位置，其踏板8a面朝上。因此，當要驅動停住的自行車時，騎車人能確定地將其腳放在腳蹬子8上，以準備蹬踏。
如圖2、3A和3B清楚可見，本發明的每個曲柄機構具有一個摩擦施加裝置。此摩擦施加裝置包括一個合成樹脂作的滾子25，該滾子由一個金屬彈簧件26支承在與曲柄1為一體的曲齒輪2的附近。另一方面，一個可與樹脂滾子25接合的接觸片27設置在曲柄蓋9上的預定位置。樹脂滾子25、彈簧件26和接觸片27一起構成一個強迫嚙合裝置，該裝置能補償由于內齒輪2的輪齒22和外齒輪5的嚙配輪齒間的嚙合間隙造成的任何可能的移動，從而確保內、外齒輪2和5的相應輪齒之間的強迫嚙合、彈簧件26靠其一端插入曲柄1上的軸承孔28中而支承住，而樹脂滾子25可轉動地裝在彈性件26的另一端并保持就位成與曲柄蓋9上的接觸片27接觸。
再參見圖8，自行車一側的曲柄1在自行車另一側的另一曲柄1的蹬踏引起的慣性力的作用下，沿前進方向轉到一個離開向上位置P2有一小段間距的位置P5，然后從此位置P5將開始實際的蹬踏。接觸片27如此固定到曲柄蓋9上的預定位置，以致在曲柄1從一個稍稍提前于蹬踏開始位置P5的位置到一個緊接蹬踏開始位置P5之后的位置的蹬踏過程中，接觸片27能接觸樹脂滾子25，以便利用彈簧件26的偏壓力來接收朝曲柄蓋9的轉動方向的相反方向作用的摩擦力F。
當曲柄1轉到蹬踏開始位置P5且蹬踏力施加到腳蹬子8上時，外齒輪5的輪齒的后齒面可能會沖撞內齒輪2的輪齒22的前齒面，從而產生討厭的卡嗒聲。然而，在所示的實施例中，與外齒輪5一同繞銷軸3轉動的曲柄蓋9承受朝曲柄蓋9的轉動方向的反向作用的摩擦力F，以便讓外齒輪5的輪齒的后齒面與內齒輪2的輪齒22的前齒面提前接觸。因此，在腳蹬臂7被蹬踏之前，沿著與蹬踏力的傳遞方向一致的方向，外齒輪5能與內齒輪2嚙合，因此在腳蹬臂7被實際蹬踏時，外齒輪5能角轉一段對應于輪齒嚙合間隙的距離(否則會在外齒輪5和內齒輪2之間存在此嚙合間隙)，以嚙合內齒輪2，從而最大限度地減小討厭的卡嗒聲的產生。
如上充分討論的，在根據本發明要求最小的蹬踏力的自行車中，與曲柄1為一體的內齒輪2和與腳蹬子固定在一起的外齒輪5之間的嚙合，可以最小的蹬踏力有效地提供較高的驅動力。
雖然已經參照僅用于示例目的附圖結合優選實施例對本發明作了充分的描述，但本領域的普通技術人員在閱讀了說明本發明的說明書之后，在本發明的構思范圍內，可以容易地作為各種變化和修改。因此，除非這些變化和修改超出了所附權利要求確定的本發明的范圍，否則它們都將被認為落入該范圍之中。
權利要求
1.一種能以最小的蹬踏力來驅動的自行車，它包括一個設置在一個用于將驅動力施加到一個車輪上的曲柄(1)的自由端上的內齒輪(2)；一個可轉動地與內齒輪(2)相嚙合的外齒輪(5)；所述齒輪(2)和外齒輪(5)的傳動比為2∶1；和一個具有一踏板(8a)的腳踏子(8)，它固定到外齒輪(5)上，當曲柄1的自由端處于一個提供曲柄(1)轉動軸線的曲柄軸(35)的向前水平位置時，踏板(8a)處于面朝上的水平位置，而且此時，內齒輪(2)上離曲柄軸(35)最遠的輪齒部分與外齒輪(5)相嚙合。
2.根據權利要求1所述的自行車，其特征是還包括一個腳蹬臂(7)，該腳蹬臂(7)具有一個固定到外齒輪(5)的轉動軸上的根端(7a)并沿著外齒輪(5)的經向延伸，腳蹬子(8)固定到腳蹬臂(7)的與其根端(7a)相對的一個自由端(7c)上。
3.根據權利要求2所述的自行車，其特征是，腳蹬臂(7)為S形結構，它具有水平延伸的根端和自由端(7a，7c)以及與根端和自由端(7a，7c)相連的中間部(7b)，該中間部(7b)垂直于根端和自由端(7a，7c)。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的自行車，其特征是還包括一個可轉動地安裝在內齒輪(2)的中心并位于內齒輪(2)內部的連接件(4)，所述外齒輪(5)可轉動地安裝在連接件(4)上。
5.根據權利要求4所述的自行車，其特征是內齒輪(2)具有一個固定到內齒輪(2)的一端的板(20)，還包括一個用于封閉內齒輪(2)的與所述板(20)相對的另一端的開口的蓋(9)。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的自行車，其特征是還包括一個強迫嚙合裝置(25，26，27)，用于在蹬踏腳蹬子(8)之前，迫使外齒輪(5)與內齒輪(2)在與蹬踏力傳遞方向一致的方向上嚙合。
全文摘要
能以最小蹬踏力驅動的自行車，它包括設置在用于將驅動力施加到一車輪上的曲柄(1)的自由端的內齒輪(2)和可與內齒輪嚙合轉動的外齒輪(5)。內齒輪和外齒輪的傳動比為2∶1。帶有踏板(8a)的腳蹬子(8)固定到外齒輪(5)上，當曲柄自由端處于提供曲柄轉動軸線的曲柄軸(35)的向前水平位置時，踏板處于面朝上的水平位置，并且此時，內齒輪(2)上離曲柄軸(35)最遠的輪齒(22)與外齒輪(5)相嚙合。
文檔編號B62M1/36GK1151372SQ9611300
公開日1997年6月11日 申請日期1996年9月2日 優先權日1995年9月5日
發明者松浦宏武 申請人:松浦宏武