一种飞轮及使用该飞轮的自行车的制作方法

本发明涉及一种最常见的交通工具——自行车。

背景技术：

我国是自行车王国，自行车的社会保有量近４亿辆，分析自行车的驱动方式，几乎全部是使用脚踏，做圆周运动对自行车做功。分析这类自行车的做功过程，发现施加力的方向是竖直向下的，当连接中轴与脚踏板的曲柄处在水平时刻，力与位移的夹角相同，做功最大，在曲柄处在竖直时刻，力与位移的夹角为９０°，做功为０。也就是说，脚踏一个圆周，做功是变化的。人在对脚蹬施加力时，是通过大腿、小腿的张弛，将整个人重力的其中一部分传递给脚踏板。这里存在两个问题：１. 曲柄每转一周，大腿、小腿的张弛一次，容易疲劳，２．每转一周，即使施力相同，但做功不都是最大。有的人将脚踏圆周运动改成一段圆弧状态的曲柄连杆结构，以前段时间报道的“德州5旬老人研制出省力高速自行车”为例，这种结构做功提高了，但是骑行脚踏力频率要和车轮转动合拍，和踩蹬缝纫机差不多。事实上，人们在高频踩蹬脚踏板十几下后，肌肉酸胀了，需要慢下来，那种自行车办不到——即便是那种自行车安装上飞轮也不好实现，因为脚踏力与脚踏板位移需要相位同步。

技术实现要素：

为了克服现有的自行车的不足, 本发明提供一种飞轮及使用该飞轮的自行车，该车能够解决以上的两个问题：1.脚踏板直线运动，大腿、小腿的运动范围减小，不易疲劳，可以随时施力踩踏，可以随时停止踩踏。2.脚踏做功一直保持最大。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种飞轮及使用该飞轮的自行车，所述飞轮包括棘轮、棘爪、棘爪轮，所述棘爪轮内侧有轴皮，所述轴皮上有螺纹，固定安装在车轮或者中间从动轮上，所述车轮或者中间从动轮通过轴承安装在轮轴上；所述自行车包括车把、车座、车架、脚踏板、车轮及刹车、车铃等附件，所述飞轮的棘轮外侧是一个凹槽轮子，在凹槽轮子内侧，与棘轮并列有一缠绕的弹簧片，弹簧片的一端固定在轮轴上，另一端固定在凹槽轮子内侧，所述带凹槽轮子上缠绕有钢丝绳，所述钢丝绳的一端固定在凹槽轮子上，另一端外露；所述棘爪有1—3对，每一对棘爪尖到棘轮凹槽的位置错开了相同相位；所述自行车脚踏板安装在平移导轨上，所述平移导轨固定在车架上，所述凹槽轮子外露的钢丝绳通过定滑轮或者钢丝绳护套固定在所述脚踏板上，每一个所述脚踏板和一个所述飞轮对应，通过钢丝绳连接，所述自行车上的所述脚踏板和飞轮的数量是偶数；每两个脚踏板之间，有两个定滑轮，所述两个定滑轮之间有另一钢丝绳，跨接两个定滑轮绕成一周，所述两个脚踏板也接到另一钢丝绳的上，所述两个定滑轮固定在车架上。所述飞轮是安装在所述自行车后轴上的，或者安装在后轮与前轮之间的车架上，当所述飞轮安装在车架上时，所述凹槽轮子外侧的一边另外有链齿轮，另有链条跨接所述链齿轮与带链齿的后轮连接。在所述自行车车座下方安装有平移导轨，有一钢丝绳的一端连接到平移导轨上，钢丝绳的另一端连接有钢丝绳活动连接器，钢丝绳活动连接器连接到其中一个飞轮；所述自行车车把安装有车把平移导轨，有一钢丝绳的一端连接到所述车把平移导轨上，所述钢丝绳的另一端连接有钢丝绳活动连接器，钢丝绳活动连接器连接到另一个飞轮。所述自行车前轮、后轮的车轮总个数是2—4个。本发明的工作原理是，飞轮的轮轴固定在车架上不动，车轮相对车架做圆周运动，在飞轮的凹槽轮子上缠绕有钢丝绳，当向下踩脚踏板时，脚踏板带动钢丝绳，使飞轮受钢丝绳拉力，转动一定角度，使得飞轮的棘爪推动车轮转动；当脚踏板往上抬起时，飞轮不受钢丝绳的力，飞轮在与棘轮并列的弹簧片的弹力的作用下，恢复到没有受钢丝绳拉力前的角度。每两个脚踏板之间，有两个定滑轮，所述两个定滑轮之间有另一钢丝绳连结成一周，所述两个脚踏板也接到另一钢丝绳的上，所述两个定滑轮固定在车架上。这样的目的保证了一个脚踏板向下移动，必然有另一个脚踏板向上移动，这样踩踏自然、舒服。自行车上的脚踏板和飞轮的数量是偶数的，是说的一辆自行车至少2只脚踏板，对应2个飞轮，因为一个人有两只脚。一辆自行车也可以使用４只脚踏板，另２只供后面乘坐的人使用。如果是４轮游览自行车，可以根据乘坐的人数，给每一个乘员配上2只脚踏板，对应2个飞轮，所有飞轮安装到主动轴上。由于飞轮的棘轮凹槽斜面有一定长度，棘爪有1—3对，每一对棘爪尖到棘轮凹槽的位置错开了相同相位，这样做的目的是，克服棘爪在棘轮凹槽斜面达到运行距离，使棘爪很快推动棘轮运动。在脚刚刚开始往下蹬时，如果棘轮凹槽斜面长度过长，脚蹬会空移动一块距离（例如1厘米），骑车人明显感觉得到被恍了一下。所以，安装几对棘爪的目的就是，这一对棘爪没有顶到棘轮凹槽时候，其它相位比较小的率先顶到，当其中一对棘爪顶上棘轮凹槽时，其余棘爪由于相位不同而再不会顶到。当然, 减小棘轮凹槽斜面的长度，也是减小棘爪在棘轮凹槽斜面运行距离的一种方法。飞轮直接安装在自行车后轴上比较省事，但是影响后轴变速的设计，安装在后轮与前轮之间的车架上，能够解决变速问题。当飞轮安装在车架上时，在飞轮的凹槽轮子外侧的一边另外有链齿轮，链齿轮和飞轮的棘爪轮联通的，链齿轮通过链条与带链齿的后轮（或前轮）连接起来，将动力传递给后轮（或前轮）。如果在自行车车座下方安装有平移导轨，将人脚蹬与后腰顶产生的动力（这个力可以大于重力），传递给飞轮，这种方式在车身很低的三轮车中最易使用。车座连接的飞轮还是使用原来钢丝绳连接脚蹬轮即可，因为人们不可能全身发力，换一种输出动力的方式，有助于那部分身体的休息。钢丝绳活动连接器有现成卖的，将车座平移导轨的钢丝绳通过钢丝绳活动连接器接通或者断开飞轮比较容易。在自行车车把安装有平移导轨，车把可以竖直方向运动，不影响转弯，也能够将手的力量产生的位移传递给另一个飞轮。所述自行车可以设计成二轮车、三轮车和四轮车。

本发明的有益效果是，颠覆几百年来自行车一成不变的动力传递方式，输出功一直保持最大，腿脚弯折的角度小，不易累；几乎将整个人重量全部施加到车上，输出动力大；加工制造方便。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的飞轮正面的剖面构造图。

图2是本发明的飞轮正面的比图1剖面再向外的另一剖面构造图。

图3是本发明的飞轮正面立体示意图。

图4是本发明的脚踏运动系统结构图。

图5是本发明的二轮自行车结构图。

图6是本发明的三轮自行车结构图。

图中１ 棘轮，２. 棘爪，３. 棘爪轮，４ 轴皮，５. 轴承，６. 轮轴，７. 凹槽轮子，８．钢丝绳，９.弹簧片，１０. 链齿轮，１１. 左脚踏板，１２. 左导轨，１３. 左钢丝绳，１４．左护套，１５．右脚踏板，１６．右导轨，１７．右钢丝绳，１８．右护套，１９．上定滑轮，２０．下定滑轮，２１．另一钢丝绳，２２．飞轮，２３．车座平移导轨，２４．左把手，２５．左平移导轨，２６．左车把钢丝绳，２７．钢丝绳护套，２８．变速轮，２９．链条，３０．平板，３１．转向轴，３２．方筒形状导轨，３３．复位弹簧，３４．锁紧螺钉，３５．前把，３６．前把钢丝绳，３７．转轴，３８．张合弹簧。

具体实施方式

图１中，所述飞轮包括棘轮1、棘爪２、棘爪轮３，棘爪轮３内侧是轴皮４，轴皮４上有螺纹，固定安装在车轮或者中间从动轮上，车轮或者中间从动轮通过轴承５安装在轮轴６上，棘轮１外侧是一个凹槽轮子７，凹槽轮子７上缠绕有钢丝绳８，钢丝绳８的一端固定在凹槽轮子７上，另一端外露。图1中棘爪２有３对，每一对棘爪尖到棘轮凹槽的位置错开了相同相位，其中一对棘爪顶在了棘轮凹槽中，其一两对由于相位不同没有顶在棘轮凹槽中。图1中,当拉动钢丝绳８一定距离时，凹槽轮子７转过一定角度，棘轮1与凹槽轮子７是一体的，也转过一定角度，由于有的棘爪顶在了棘轮凹槽中，带动棘爪轮３转过同样角度。棘爪轮３的转动与车轮连在一起，驱动车轮转动一个角度。当不拉钢丝绳８时，在飞轮内部，设计一个恢复力，把钢丝绳８拉回原位置，见图２所示。图2是飞轮正面的比图1剖面再向外的另一剖面构造图。棘轮1、棘爪２、棘爪轮３和轴承５被挡在里面，看不到，与棘轮１并列有一缠绕的弹簧片９，弹簧片９的一端固定在轮轴６上，另一端固定在凹槽轮子７内侧，固定的方式可以使用螺钉，也可以使用卡槽等。为了进一步说明飞轮结构，本发明的飞轮正面立体示意图由图3表示，图3中，棘轮１、棘爪２、棘爪轮３和轴承５用虚线画出的，在飞轮的沿轴线的内侧，弹簧片９用粗线画的。图３中，当钢丝绳８往左拉时，棘轮1通过棘爪２驱动棘爪轮３转过一定角度，棘爪轮３和车轮联通，使车轮转动。当钢丝绳没有拉力时，在与棘轮１并列的弹簧片９的弹力的作用下，恢复到没有受钢丝绳拉力前的角度。链齿轮１０是和棘爪轮３联通的，其用途是当图３所示的飞轮安装在两个车轮的中间（不直接安装在车轮主轴上）车架上时，链齿轮１０通过链条与带链齿的后轮（或前轮）连接起来，将动力传递给后（或前轮）轮。

使用脚踏作为飞轮钢丝绳的拉力是本发明的基本方式，图４为脚踏运动系统结构图。左脚踏板１１限定在左导轨１２上直线移动，左脚踏板１１固定有左钢丝绳１３，左钢丝绳１３的周围有钢丝绳左护套１４（护套的形状、性质同电动车闸线护套类似）。右脚踏板１５限定在右导轨１６上直线移动，右脚踏板１５固定有右钢丝绳１７，左钢丝绳１７的周围有钢丝绳右护套１８。在两个脚踏板之间，有上定滑轮１９和下定滑轮２０，在两个定滑轮之间有另一钢丝绳２１连结成一周。两个定滑轮固定在车架上。左脚踏板１１、右脚踏板１５同时也固定在另一钢丝绳２１的合适位置，其目的保持一上一下的运动。

使用本发明的二轮自行车如图５所示，图５中，将本发明的飞轮２２安装在后轴上了，飞轮２２的内部结构仅画出弹簧片９，飞轮２２通过钢丝绳８联接在右脚踏板１５，右脚踏板１５在右导轨１６上直线移动。在后轮主轴上还有另一飞轮，另一飞轮的钢丝绳连接左脚踏板１１，左脚踏板１１在左导轨１２上直线移动。这样踩脚踏板与普通自行车的区别在于：在普通自行车脚踏板旋转一周，做功时力与位移的夹角在变化，是变功，本发明的踩脚踏板做功力与位移的夹角相同，是恒定的功，而且都是最大功。所以，做同样的功，本发明大、小腿的活动夹角减小，活动量减小。还可以在自行车车座下方安装有车座平移导轨２３，将人脚蹬与后腰顶产生的动力（这个力可以大于重力），传递给飞轮，这种方式在车身很低的三轮车（或者船）中最易使用。在自行车左把手２４安装有左平移导轨２５，左把手２５沿左导轨２４竖直方向运动，拉动左车把钢丝绳２６一段距离，左车把钢丝绳２６末端有钢丝绳活动连接器。在使用车座和车把位移时，首先将脚踏板连接的飞轮钢丝绳８断开，然后飞轮钢丝绳８与左车把钢丝绳２６接通。左车把钢丝绳２６的外部有钢丝绳护套２７，为了减少钢丝绳阻力，在钢丝绳方向变化大的地方，可以添加定滑轮。自行车右把手的工作原理同左把手。本发明的另一个实施例是设计成三轮车，如图６所示。图６中，左脚踏板１１、左导轨１２、右脚踏板１５和右导轨１６的工作原理如前面所述，不再重复。图３所示的飞轮２２是安装在前后轮之间的，链齿轮１０通过链条２９与带链齿的变速轮２８连接起来，后轮的车速是可以变化的，其原理同普通变速车相同。在前后轮之间，有一个大的平板３０（图６由于便于看清部件结构画的小），使用前把驱动三轮车时，可以站在平板３０上，也可以坐在车座上。平板３０与前轮轴通过竖直的转向轴３１连接起来，图６中车座的直线导轨设计成了方筒形状导轨３２，方筒形状导轨３２内部有个复位弹簧３３，人坐上下压时，车座产生位移；人抬起时，在复位弹簧３３的作用下车座恢复到原来位置，等待下一次下压。下压位移通过钢丝绳连接到飞轮上。这样的下压适用于阻力很小，身体活动量小的场合使用。不需要下压时，在车座的侧面有一个锁紧螺钉３４，固定住锁紧螺钉３４时车座就不会往下移动。将前把３５做设计成两个“π”形状的，其中一个固定不动，一个有转轴３７，两个前把３５可以张开、合上，它们之间的位移由前把钢丝绳３６来体现，将前把钢丝绳３６的位移联通一个飞轮，这前把３５张合的运动，像摇船一样，驱动三轮车前进。前把钢丝绳３６的复位通过张合弹簧３８实现。在图６中使用脚踩脚踏板驱动三轮车时，也可以站着，站着的优点是可以将整个重量全部输出。下面将人们踩普通自行车与踩本发明三轮车做一个定量比较：设一个６０千克的人，踩普通自行车脚踏板使用５千克的力，在１秒时间踩下脚踏板移动０．６米位移（大约等于一只脚踩脚踏板一周所做的功），则１秒输出的功（也是功率）为：Ｗ＝５千克×９．８牛顿／千克×０．６米＝２９．４焦耳；这个６０千克的人，使用同样功率站着踩本发明三轮车，踩的方式是身体重心偏向一只脚，对脚踏板施加力为整个重力，输出同样功率，其移动位移要减小，假设位移为Ｘ，则：６０千克×９．８牛顿／千克×Ｘ＝２９．４焦耳，解得：Ｘ＝０．０５米。结论：人站在本发明三轮车上晃着身子，踩下踏板５厘米（这个距离下大腿、小腿基本不用打弯），相当于坐在车座是骑普通自行车一周。这样的三轮车动力大，施力轻巧。本发明还可以设计成四轮的，例如用于游览，每辆车载２－５人，每人两个脚踏板，对应两个飞轮，把脚踏板钢丝绳驱动的飞轮都放在主轴上，为人们骑车旅游增添了乐趣。