专利名称：上偏置曲柄滑块往复蹬踏式驱动装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种用人力驱动的驱动装置，特别是一种以往复蹬踏方式驱动的驱动装置，可优先应用于各种以人力驱动的车辆中。
公告号为CN 2317164Y和CN 2389833Y等中国专利文献，都介绍了以往复蹬踏式工作的驱动装置，可用于自行车、三轮车等以人力驱动的车辆。其基本结构原理，是在车架或基架上设置有经滚动轴承结构配合于轴套管中的驱动轴，其上带有与能传动链条等配合的传动轮；在车架或基架上还设置有一对导轨等直线型的导向结构，其上分别配合有与蹬踏结构连接并能在其上作往复运动的左右两滑块结构，两滑块结构与驱动轴间分别经超越离合器等适当结构作传动连接，将滑块结构的往复运动转化为驱动轴的旋转运动，再经其上的链轮等传动轮将转动运动输出。此种结构形式较成熟，且转换传动效率高，但由于其两侧滑块的往复运动与驱动轴间必须分别经各自的超越离合器作传动连接，才能使其分别完成正程的驱动运动和反程的自由回位运动，因而该整个装置存在的一个最大问题，就是装置中的该驱动轴不能作倒向的全自由运转，应用在自行车、三轮车等车辆上时，就是车辆难于作自由的倒向推行，给使用带来很大的不方便。为此，虽可通过再加设倒车离合器等机构予以解决，但显然会使本已经较为复杂的装置在结构上更为复杂，同时也增加了使用时的操作程序，并会相对降低整个装置的可靠性能。
将往复运动转换为旋转运动的另一种常见方式，如目前广泛应用于各种内燃机等装置中的，是采用无偏置形式的曲柄滑块机构。其结构特点是作旋转运动的曲柄的回转中心与作往复直线运动的滑块的运动轨迹处于同一直线方向上，即零偏置的方式。这种曲柄回转中心与滑块的运动轨迹为零偏置形式结构的一个特点，就是机构在工作中存在有两个对称位置状态的“死点”，曲柄处于该两“死点”位置处时的驱动转矩为零，即曲柄在该两点位置时的转动方向变为不确定。为使机构能按设定的程式运行，必需配置附加的惯性飞轮或采取增大回转主轴上的齿轮惯量等手段，使机构能顺利越过该“死点”位置。同时，为克服该两“死点”处于机构的起始位置时造成的启动困难，也需要配置附加的启动装置，以保证机构能正常启动。
鉴于此，本实用新型的目的是为解决上述问题提供一种改进结构，即具有上偏置曲柄滑块结构的住复蹬踏式的驱动装置，使其既简化了结构，又能使整个装置能方便地实现倒向的全自由运转，并有效地克服运行过程中存在“死点”的情况。
本实用新型上偏置曲柄滑块往复蹬踏式驱动装置的结构，仍在基架上设置有经滚动轴承结构配合于轴套管中的带有传动轮的驱动轴，基架上还设置有一对平行的导向结构，其上分别配合有与蹬踏结构连接并能在其上作往复运动的滑块结构，且该滑块结构与驱动轴间有传动连接结构。其中在驱动轴的轴向两侧端处以呈反向直线状态各设有一曲柄结构，导向结构以上偏置的方式设置于驱动轴的上方，两滑块结构分别和其同侧的曲柄结构的远侧端经其上的铰接结构与刚性连接结构作传动连接。
上述结构中，所说的导向结构及设置于其上的滑块结构，可以采用目前已有报导和使用的滑动配合形式的结构，也可以采用如已在公告号为CN 2389833Y的中国专利文献所报导的通过复滑轮组滑块结构的滚动配合形式的结构，即使导向结构为具有三个不同方向受力面的弓形截面刚性条型构件，配合于其上的滑块结构为在与之相应的三个方向处均设置有滚轮结构的复滑轮组形式的滑块结构。所说的滑块结构与曲柄结构远侧端间的刚性连接结构，可以采用常用的各种形式的连杆式结构件。滑块结构与该刚性连接结构间连接的铰接结构，以及曲柄结构的远侧端与该刚性连接结构间连接的铰接结构，除可以采用目前以滑动轴承配合形式的铰接结构外，还可以使其均采用为滚动轴承形式的结构件，使其间为滚动形式配合。经试验表明，使上述结构中所说的导向结构在驱动轴上方的偏置距为曲柄结构有效工作力矩的0.5-1倍，特别是使该偏置距为曲柄结构有效工作力矩的0.8-0.9倍时，其传动转换效率将会更为满意。结构中的各运动部位均采用滚动形式构件进行滚动配合的运动或摆动时，对传动效率的提高是显著的。例如经初步测量，在采用复滑轮组结构滑块和滑动轴承形式的铰接结构时，上述装置的机械效率值约为94％；将其中的铰接结构改为滚动轴承形式后，其机械效率即可达到97％左右。滚动结构的使用还可以降低机构的运动副对润滑的要求，从而能使机构更加洁净，同时也能显著降低其运行噪声。
从上述结构可以理解，由于以上偏置形式设置的滑块结构经连杆等刚性连接结构通过曲柄结构带动驱动轴旋转，在往复运动的滑块结构与驱动轴间不再需要设置用于单向传动的超越离合器，从而使本实用新型上述装置中的驱动轴在正向和反向上均能进行无障碍的全自由运转。应用在自行车等车辆中时，使用者可以与使用传统曲柄形式的自行车一样，能根据需要方便地作任意的正向骑行或倒向推行。另一方面，通过对其运动过程的分析也可以清楚看出，使沿导向结构作往复直线运动的滑块结构的运动轨迹与驱动轴的旋转中心不在同一直线方向上，而是以保持有一定上偏置距的方式设置在驱动轴的上方后，两侧的滑块结构无论是在正程的驱动过程中，还是在反程的回位过程中，其两侧的曲柄结构和其所连接的刚性连接结构不仅在任何时刻都不会同时处于同一直线位置的死点状态，而且是当一侧的曲柄结构和其所连接的刚性连接结构运行至该“死点”位置状态时，另一侧的曲柄结构与其所连接的刚性连接结构必然是处于正程的驱动运动状态，并且是处于能具有较大驱动转矩的位置状态下。因而无需添加任何的附加结构就能使其自主可靠地按所设定的程式工作，有效地解决了目前曲柄滑块驱动结构所存在的运动死点问题。结构的简化还降低了对装配和维修的要求，同时也提高了工作的可靠性，使驱动或启动都较轻松。此外，由对该上偏置形式的滑块曲柄结构的工作过程分析还可以看出，本实用新型装置中的滑块结构在处于反程回位过程中的速度将大于另一侧同时处于正程驱动过程中的滑块结构的运动速度，即具有急回的特性，其回程的总长度大于设定的正程运动的总长度，而且其回程到正程起点位置的差程到位是自动运行的，此特性将有利于该滑块结构的往复交替循环做功。本实用新型的上述驱动装置通过人机互动匹配方面的较高效率和机械传动方面较高效率的共同作用，其实际输出功率可以比传统曲柄形式的自行车的驱动功率高2倍以上，即同速行驶时将会更加省力，或是在施以相同的驱动力时能获得更高的车速。
以下用附图所示的实施例对本实用新型的上述内容作进一步的详细说明。但不应将此理解为本实用新型上述内容的范围仅限于下述的实例。
图1是本实用新型上偏置曲柄滑块往复蹬踏式驱动装置的一种结构示意图。
图2是
图1的俯视结构示意图。
图3～图6是
图1装置的工作过程运动分析示意图。
图1和图2所示的为一种应用在自行车上的上偏置曲柄滑块往复蹬踏式驱动装置，在基架4上设置有经滚动轴承结构14配合于中轴套管15内的中心驱动轴12，在其一侧端部处固连有可经链条11与驱动飞轮作传动连接的传动链轮13。中心驱动轴12的左右两轴向端部以呈反向直线状态还分别各设有一曲柄结构10。经连接支承结构1连接的一对平行导轨形式的导向结构5，以上偏置的方式设置在中心驱动轴12上方的基架处，其上偏置距为曲柄结构10有效工作力矩0.8-0.9倍。两导向结构5上各配合有一个与蹬踏结构6连接并能在其上作往复运动的滑块结构3。该导向结构5为具有三个不同方向受力面的弓形截面刚性条型构件，配合于其上的滑块结构3为在与之相应的三个方向处均设置有滚轮结构2的复滑轮组形式的滑块结构。配合于两导向结构5上的滑块结构3和与其同侧的曲柄结构10的远侧端分别经滑块侧的铰接结构7和曲柄侧的铰接结构8，与连杆形式的刚性连接结构9相连接，其中滑块侧的铰接结构7和曲柄侧的铰接结构8均为滚动轴承形式的结构。
图3～图6所示的是本实用新型上述装置工作过程的运动状态分析。为便于叙述清楚，特将上述结构中的左、右两侧曲柄结构、连杆连接结构和导向结构及配合于其上的滑块结构分别给以不同的标号加以区分，其中与右侧曲柄结构10对应的为左侧曲柄结构100，与右侧的连杆9对应的为左侧的连杆99，与右侧导向结构5上配合的滑块结构3对应的为左侧的导向结构55上配合的滑块结构33。
在图3中，虚线位置为装置设定的起始状态。此时左侧连杆99与左曲柄100处于同一直线的“死点”位置状态，但右侧连杆9与右曲柄10则处于具有能产生较大启动转矩夹角的正程驱动状态位置处，使装置能不受左侧连杆99与左曲柄100该“死点”的影响能顺利且较轻松地被启动。实线所示的则是右侧滑块3在正程方向上前进一定距离使右曲柄10和中心驱动轴12由起始点旋转45°后的位置，左侧曲柄100则同步也旋转45°，带动左侧滑块33在反程方向上作相应的回位运动，其反程回位的距离将略大于右侧滑块3的正程运动距离。
图4所示的是右侧滑块3经右侧连杆9带动右曲柄10使中心驱动轴12继续旋转45°，即由起始点旋转90°后的状态。此时左曲柄100和左侧连杆99带动左侧滑块33也继续在反程回位方向上运动相应的距离，但可以看出左侧滑块33的反程回位运动距离已明显大于右侧滑块3的正程运动距离，即表现出了其所具有的“急回”特点。
图5所示的是中心驱动轴12在右侧滑块3和右曲柄10带动下，由图4的位置继续旋转45°，即相对于图3的起点位置旋转了135°时的状态。此时左侧连杆99与左曲柄100又处于了同一直线的“死点”状态，但右侧的曲柄10仍处于在正程驱动状态下的继续运动过程中，因此左侧连杆99与左曲柄100所处的该“死点”状态并不会影响装置按原有方式继续正常运转。同时，此状态也正是左侧连杆99和左曲柄100由反程回位运动转为正程驱动运动的转折点，此时左侧滑块33相应也已运行至反程回位的最远位置处。
图6所示的是中心驱动轴12在右侧滑块3和右曲柄10带动下再继续旋转45°，即相对于图3的起始点位置已旋转了180°时的状态。此时右侧滑块3已运行至正程驱动运动的最远位置处，并使右侧连杆9与右曲柄10处于了同一直线的“死点”状态，但此时左侧连杆99和曲柄100已越过图5中所示的转折点，在正程方向上运行至能产生较大转动力矩的正程起始位置状态，此状态与图3中右侧连杆9与右曲柄10所处的状态相同，开始由左侧滑块33经左连杆99和左侧曲柄100继续带动中心驱动轴12旋转，而右侧连杆9与右曲柄10的该“死点”状态也不会对装置的正常运行构成影响，右侧的滑块3及右连杆9和右侧曲柄10则开始作与上述左侧相应机构相同的反程回位运动。如此即可实现循环住复地驱动该装置连续运行。
通过上述对工作过程的运动分析，还可以进一步清楚理解本实用新型驱动装置能具有较高传动转换效率的原因所在。以图3中右侧曲柄机构正程驱动运动的起始状态为例。由于在正程运动过程中曲柄10远端转动的线速度将明显高于滑块3运动的线速度，其全程的平均线速度将约为滑块运动线速度的1.4倍，并且连杆9与滑块3沿导轨5的运动轨迹间的夹角ψ越大，其线速度差也越大，而此时的连杆9与滑块3沿导轨5的运动轨迹间的夹角ψ基本处于最大状态，曲柄10远端转动的线速度将约为滑块3运动的线速度的2倍，因此对功率转换效率将有很强的补益作用。另一方面，滑块3的作用力是通过连杆9传递给曲柄10的，因此经连杆9传递给曲柄10的作用力F连与滑块3的驱动力F滑的关系为F连=F滑/cosψ，由于ψ≥0°，因此F连≥F滑，且最大的F连的增力段均位于该启动的初始位置。随机构中上偏置距的不同，一般情况下F连可为F滑的1.2～1.3倍。这对于提高装置的功率转换效率又会产生明显的补益作用。同时，这种增强作用在曲柄运动的初始阶段较强，在中间段则变化平缓的特点，又具有明显的调节作用。因此，本实用新型上述装置的传动转换效率较高，即如前述，其机械效率值一般可达94％～97％。
权利要求1．上偏置曲柄滑块往复蹬踏式驱动装置，在基架(4)上设置有经滚动轴承结构配合于轴套管(15)中的带有传动轮(13)的驱动轴(12)，基架(4)上还设置有一对平行的导向结构(5)，其上分别配合有与蹬踏结构(6)连接并能在其上作往复运动的滑块结构(3)，该滑块结构(3)与驱动轴(12)间有传动连接结构，其特征在于在驱动轴(12)的轴向两侧端处以呈反向直线状态各设有一曲柄结构(10)，导向结构(5)以上偏置的方式设置于驱动轴(12)的上方，两滑块结构(3)分别和其同侧的曲柄结构(10)的远侧端经其上的铰接结构(7,8)与刚性连接结构(9)作传动连接。
2．如权利要求1所述的上偏置曲柄滑块往复蹬踏式驱动装置，其特征在于所说的导向结构(5)在驱动轴(12)上方的偏置距为曲柄结构(10)有效工作力矩的0.5-1倍。
3．如权利要求2所述的上偏置曲柄滑块往复蹬踏式驱动装置，其特征在于所说的偏置距为曲柄结构(10)有效工作力矩的0.8-0.9倍。
4．如权利要求1所述的上偏置曲柄滑块往复蹬踏式驱动装置，其特征在于所说的导向结构(5)为具有三个不同方向受力面的弓形截面刚性条型构件，配合于其上的滑块结构(3)为在与之相应的三个方向处均设置有滚轮结构(2)的复滑轮组形式的滑块结构。
5．如权利要求1所述的上偏置曲柄滑块往复蹬踏式驱动装置，其特征在于所说的滑块结构(3)与刚性连接结构(9)连接的铰接结构(7)，以及曲柄结构(10)的远侧端与刚性连接结构(9)连接的铰接结构(8)均为滚动轴承形式的结构件。
专利摘要本实用新型上偏置曲柄滑块往复蹬踏式驱动装置,在基架上设置有经滚动轴承结构配合于轴套管中的带有传动轮的驱动轴,基架上还设置有一对平行的导向结构,其上分别配合有与蹬踏结构连接并能在其上作往复运动的滑块结构,该滑块结构与驱动轴间有传动连接结构。驱动轴的轴向两端处以呈反向直线状态各设有一曲柄结构;导向结构以上偏置方式设置于驱动轴的上方。两滑块结构分别和其同侧的曲柄结构的远侧端经其上的铰接结构与刚性连接结构作传动连接。
文档编号F03G5/00GK2437871SQ0024437
公开日2001年7月4日 申请日期2000年9月6日 优先权日2000年9月6日
发明者庾国荣 申请人:庾国荣