专利名称：往复式杠杆省力增效传动装置的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种传动装置，用于提高适用设备的功率，尤其适用于自 行车、人力车等设备。
背景技术：
众所周知，自行车等人力可驱动车辆或其他设备的运转，传统上多使用双曲 柄作圆周运动驱动设备运转，实现代步、运输、谷物脱粒等功能。随着技术的 进步，使得燃油机械的日益普及，人力机械愈来愈难以适应效率发展的需要。 然而由于石油燃料的日益减少，运输成本增加，以及环保的要求，人力机械仍 然发挥积极作用。
近来，出现了往复式杠杆传动的自行车如CN1749090A (
公开日2006.3.22) 所述，又如《踏板式自行车传动系统的研究》.(西北轻工业学院学 报.1995.Jun.Vo1.13)中所探索，上述改进取得一定省力效果，相对而言，所期望 的速度效果并不显著。通过对照研究发现，往复式杠杆传动装置与传统的双曲 柄圆周运动驱动装置的力学特性基本相同，驱动曲柄的力F与垂线的夹角a的 正弦函数，是一在第一区间x轴上方的抛物线，即驱动力的效果在初始时最 小，逐渐增大，到与垂线垂直时最大，然后减小，直到与垂线重合时，力的值 最小，如此往复运动。经计算得知，人施予的力做功总的效率约为63%,经过 改进，效率可以提高到98%，结构变得更复杂，(《往复蹬踏式驱动装置设计与 分析》.机械设计与制造工程.2002年11月第6期)，但是功率没有实现超越传统。
人们试图利用加长的往复式杠杆来达到省力的目的，却无法同时提髙速度， 增加功率，是由于却没有注意到所研究设计的机构力学特性，没有平衡力与速 度的矛盾，充分利用力做功，归纳主要的缺点有
1、 曲柄的长度受到限制，蹬踏费力。圆周运动曲柄和往复式杠杆踏杆驱动 虽可增加杠杆的长度，得到一定省力效果，但由于曲柄周长加大，驱动的角速 度变小，限制了曲柄的延长，因行驶速度变慢缺少实用价值。
2、 力的利用效果较差，功率较低。往复式杠杆驱动与圆周曲柄传动相比， 通过合理设计虽使施力更加充分利用于有效施力阶段，改善人力做功的利用率，
但由于施力效果非线性及杠杆踏杆的角速度变小，使总功并无增加或增加不多。 传统驱动方式限制了总功率的提高，无法同时得到省力并保证行驶速度的目
的，更难以增大人力做功的功率。
因此，需要有一种能够增大功率并保证行驶速度不改变的髙效传动装置，使
人施力做功的效果最大化，力与速度的矛盾处在最佳的平衡点，以期用最小的
力达到最大的速度。
本发明,
本发明通过在可转动的踏杆一端增加一杆件1，杆件l一端与踏杆铰接，并
使其夹角al在(T 180° ，起始角为锐角，另一端铰接杆件2，杆件2轴线也 是装置的施力轨迹，与踏杆夹角a2在(T 180° ， aKa2,用一定轨装置 使杆件1 一端、杆件2按这一固定轨迹运动，该轨迹线在踏杆两端点之间，效 果较好的位置是靠近踏杆与杆件1的铰点，杆件2 —侧有齿与一齿轮啮合运动, 再带动一齿轮组，实现动力输出，该轨迹线称之为动力轨迹线。从而传动装置 的力学特性为人施予的力F与垂线夹角a的正弦函数为一无限靠近x、 y轴的 弧线。即人驱动踏杆的力的效果在运动周期初始时最大，当驱动至周期末时 最小。
本发明的原理如
图1所示，踏杆1绕轴O转动， 一端与杆件1 一端联接，踏 杆1与杆件1夹角在0 180°之间，杆件1另一端与杆件2联接，杆件2 —侧 有一槽，与之配合有两滑柱5、 6，滑柱5、 6固定在定轨滑块4上，滑块4有两 直角形滑槽，与之配合的两滑柱7、 8，固定在箱体ll上。
其动作过程如下当踏杆1推动杆件1移动，由于滑块4竖槽卡在滑柱7、 8 处，起固定定轨滑块作用，使杆件1一端和杆件2按5、 6位置限制的动力轨迹 线移动，踏杆与杆件l夹角扩大，杆件1一端与杆件2同时移动，杆件2另一 侧有齿与齿轮9啮合并使齿轮9转动，同时带动齿轮组IO，输出动力和速度。 当杆件2运动至末端时，杆件1推动滑块4竖槽向上移离箱体滑柱7、 8至横槽 一端，利用重力使滑块4横槽可按滑柱7、 8横向移动，偏离动力轨迹线使杆件 2 ，离齿轮滑下，踏杆1再抬起杆件1、杆件2和定轨滑块回位起始位置，同时 定轨滑块竖槽卡于滑柱7、 8处固定滑块，杆件2同时与齿轮9重新啮合，完成
一运动周期。
为得到连续输出，通常使用两套上述相同装置驱动同一齿轮组，另设滑轮机
构14固定于机架12上，位于踏杆上方，用绳13穿过滑轮连接两踏杆，由双踏 杆轮流驱动齿轮及齿轮组，使之能实现连续地输出动力与速度。用两套或两套 以上上述双踏杆装置用离合器联机实现连续的或较大的动力或速度输出。
杆件1起到了改变力矩的作用。杆件1一端与踏杆联接，另一端联接杆件2 并按动力轨迹线运动，在踏杆的驱动下，由于定轨滑块的和杆件2限定作用， 杆件1与踏杆夹角不断扩大，杆件2并同样按定轨滑块限定动力轨迹线运动， 该运动轨迹轴线在踏杆的两端点间，其直线与踏杆成一角度，在0° 180°之 间。
杆件1改变力距的作用，使最大省力值比同长度简单杠杆增加数倍、数十倍, 甚至上百倍，主要取决于踏杆动、阻力臂比例、杆件1的长度及踏杆与动力轨 迹线的角度。本传动装置运动过程可实现前阶段增大施力，后阶段增加速度， 使人施予的力充分利用，不再存在所谓的死点，实现效率的提高，理论上100% 利用了人的力做功，并且由于本装置踏杆长度可取更大的值以及增力作用，功 率将比传统双曲柄及往复式杠杆装置增大，通过调节踏杆动力臂与阻力臂的比 例和杆件1长度，得到所需的力和速度的平衡点，其数值取决于具体产品设计 时的踏杆动力臂和阻力臂及杆件1的取值。例如
当本传动装置取踏杆动力臂阻力臂杆件1 = 5 : 1 : 1.2时，最大省力比达到13， 即输入最大力为IOON的力，在传动比为1的情况下输出为1300N，而单纯杠杆动力臂 阻力臂-5 :1时，在最大输入訓N的力，在传动比为1时输出为500N，本传动装置比单 纯杠杆传动增加到2.6倍。在事实上传统曲柄传动中大多数动力臂阻力臂=2.5 : 1 ，并不 达到5 : 1，可以明显看到本传动装置的传动效能明显优于传 置。
在本发明中，杆件2起限定杆件1的轨迹及实现动力和速度输出的作用，而
杆件2则由一滑块来控制其动作。在杆件2—侧有一条槽，与槽配合的两滑柱 (如图6: 5、 6,称之为定轨滑柱)固定在滑块上，为使杆件2按动力轨迹线运 动，该滑块中部有二条直角形槽，与直角形槽配合的另有两条滑柱(如图6: 7、 8,称之为箱体滑柱)固定在传动装置箱体上，滑块竖槽卡于滑柱7、 8能固定
滑块，使杆件2能够按5、 6限定的动力轨迹线滑移，使之与齿轮啮合驱动齿轮 运转，动作完成后，使滑块竖槽移离柱7、 8按横槽横向移动，杆件2又可脱离 齿轮重新滑移到开始位置，滑块竖槽重新卡于箱体滑柱上，杆件2 —端同时与 齿轮重新啮合。该滑块称为定轨滑块(如图6、图7)。
杆件2另一侧有齿与一齿轮组成齿条齿轮机构，也可采用棘条棘轮机构，并 驱动齿轮或棘轮及另动力输出轮组运转，从而实现输出。动力输出轮组可以是 齿轮，也可以采用链轮、皮带轮或它们之间的相互组合，必要时用离合器实现 换向或变速。根据对力的不同要求，轮组选取适合的传动比，传动比按需要可 取0 1000，甚至更大，比较实用的是0 500，以得到需要的输出速度与动力。
本发明充分利用了惯性。在实际应用中，运动系统必然存在惯性，系统一经 启动，由于惯性其所需的驱动力相对减小，尤其在维持匀速运动的情况更是如 此，本传动装置恰好可以满足需要。这是本发明依据现实需要作出相吻合的力 学特性而设计应用。这样，可以使得用较少的力，本装置便可达到传统双曲柄 传动的速度，相对地提高了做功的效率，提高功率，相应提商设备的负载，这 样，就可以替代一些人力可以满足动力要求的设备。也可应用于提高适用设备 的功率。 附图简述
图1:原理图1，
图2:实施例l,双向杠杆式传动装置侧视图 图3:实施例l，双向杠杆式传动装置东北向视图 图4:实施例2，单向杠杆式传动装置侧视图 图5:实施例2，单向杠杆式传动装置西北向视图 图6:例1定轨滑块机构侧视图 图7:例2定轨滑块机构侧视图
如图所示，l.踏杆1， 2.杆件1， 3.杆件2， 4.定轨滑块，5.6.定轨滑柱，7.8. 箱体滑柱，8-1回位固定柱，9.齿轮，10.齿轮组，ll.箱体，12.机架，13.绳，14. 滑轮机构，15小杠杆，16.杠杆连杆，17.角形柱，18.弹簧，19.复位拉杆，20.动 力输出轴，O.踏杆轴，OLff件l转轴
优M施例描述
例l双向杠杆式传动装置
双向杠杆式传动装置结构如图2、 3所示，踏杆l绕轴O转动，一端与杆件 l铰接于Ol，其夹角在0。 180°之间，杆件1另一端与杆件2联接，杆件2 一侧有一槽，与之配合有定轨滑柱5、 6，定轨滑块4有两直角形滑槽，与之配 合的箱体滑柱7、 8，杆件2另一侧有齿，与齿轮9啮合转动，并带动齿轮组IO， 另设滑轮机构14固定于机架12上，位于踏杆上方，用绳13通过滑轮连接另一 套装置的踏杆。
装置的动作过程如下当踏杆l绕轴O转动，同时推动杆件l，由于定轨滑 块4竖槽卡在箱体滑柱7、 8处，起固定定轨滑块作用，使杆件1 一端和杆件2 按定轨滑柱5、 6位置限制的动力轨迹线移动，踏杆1与杆件1夹角扩大，杆件 1 —端与杆件2同时移动，杆件2同时推动齿轮9转动，同时可带动齿轮组10 转动，实现动力和速度输出，设计杆件1到滑块4的合适的长度，使得杆件2 运动至末段时，杆件1推动滑块4向上移离竖槽到横槽一端，利用重力作用， 定轨滑块4横槽按箱体滑柱7、 8横向移动，同时带动杆件2脱离齿轮并滑下， 再由踏杆1抬起杆件1、杆件2和推动定轨滑块4复位起始位置，定轨滑块竖槽 重新卡于箱体滑柱7、 8处，杆件2切入齿轮并啮合，完成一运动周期。
为得到连续输出，通常使用两套上述相同装置，设一滑轮机构14于机架12 上，用绳13通过滑轮连接两踏杆，使上述双踏杆装置轮流驱动齿轮及齿轮组， 能实现连续地输出动力和速度。有更大动力要求时，可用更多套上述双踏杆装 置，用联轴器或离合装置使之联机实现输出。
当装置在运作中停顿时，要重新开始驱动，可以拉动复位拉杆19，使装置定 轨滑块横向移动杆件2脱离齿轮滑下，再由踏杆抬起使装置恢复起始状态。
例2单向杠杆式传动装置
单向杠杆式传动装置结构如图4、 5所示，踏杆l绕轴O转动，杆件l一端 与踏杆联接于轴Ol,另一端与杆件2联接，杆件1与踏杆1夹角在0 180。之 间，杆件2—侧有一槽，与之配合有定轨滑块滑柱5、 6，固定在定轨滑块4上， 定轨滑块4有两直角形滑槽，与之配合的箱体滑柱7、 8，固定在箱体ll上(如
图7)，在两直角形槽之间有一直槽，内有一弹簧，卡于柱8-1,柱8-l固定在箱 体11上，弹簧18使定轨滑块能自动回位，同时带动杆件2脱离齿轮。在箱体 底部设一小杠杆15,—端联接定轨滑块，使杆件2运动至末端时，可以压下小 杠杆另一端抬起定轨滑块，在杆件2滑槽的一侧有一三角形突起，与之配合的 是固定在箱体11上的一角形柱17,当踏杆1抬起拉动杆件2复位时，突起按柱 17的边缘使杆件2有齿一侧切入齿轮重新与齿轮啮合，另设滑轮机构14固定于 机架12上，位于踏杆上方，用绳13通过滑轮连接两踏杆。
单向杠杆式传动装置的运动过程踏杆l推动杆件l移动，由于定轨滑块4 竖槽卡在箱体滑柱7、 8处，起固定滑块作用，使杆件1另一端和杆件2按定轨 滑块滑柱5、 6限制的动力轨迹线运动，踏杆l与杆件夹角扩大，杆件2同时移 动，带动齿轮9转动，同时驱动齿轮组IO，输出动力和速度，设计小杠杆合适 位置，使得杆件2运动至末端时，杆件2可以推动小杠杆15—端，推动定轨滑 块4向上移动到横槽一端，弹簧18使定轨滑块4按横槽横向移动，使杆件2脱 离齿轮9，抬起踏杆1回位起始位置，杆件2三角形突起同时按角形柱17的轨 迹使杆件2重新切入齿轮9并啮合，利用重力定轨滑块竖槽自动重新卡于7、 8， 完成一运动周期。
为得到连续输出，通常使用两套上述相同装置，另设滑轮机构14固定于机 架12上，位于踏杆上方，用绳13连接两踏杆，由上述双踏杆装置轮流驱动齿 轮及齿轮组，使之能实现连续地输出动力和速度。有更大动力要求时，可用更 多套上述双踏杆装置，用联轴器或离合装置使之联机实现输出。
当装置在运动中停顿时，要重新开始驱动，可以拉动复位拉杆19，使装置定 轨滑块移动杆件2脱离齿轮，再由踏杆抬起拉动杆件2使装置恢复起始状态。
权利要求
1、一种往复式踏杆增效传动装置，包括踏杆、杆件1、杆件2，定轨滑块机构、齿轮、齿轮组、动力输出轴、箱体、小杠杆、滑柱、机架、滑轮、绳、复位拉杆、离合装置组成，其特征是通过在可绕轴转动踏杆的一端铰接一杆件1，杆件1的另一端铰接杆件2，杆件2一侧有齿，与一齿轮啮合，杆件2另一侧有槽，联接定轨滑块机构，定轨滑块机构使杆件1一端和杆件2可按动力轨迹线与齿轮相切运动，并使杆件2完成行程后脱离齿轮回复初始位置，定轨滑块使该动力轨迹线定位在踏杆两端点之间，杆件2有齿一侧同时推动齿轮并带动动力输出轮组，实现动力与速度输出，通过1组或1组以上上述装置或复合机构，实现较大动力或连续输出动力和速度。
2、 如1所述踏杆，其特征是以支点为转动轴的杠杆，其动力臂和阻力臂 比例根据不同的动力和速度要求可以取0 200 : 1，比较实用的是0 50 : 1。
3、 如l所述杆件l，其特征是其两端开孔， 一端联接踏杆，另一端联接杆 件2，踏杆转动时，杆件1联接杆件2 —端按动力轨迹线移动，与踏杆夹角扩大， 在0° -180° ，杆件1长度小于踏杆阻力臂3倍，通过调节其长度，可改变踏 杆输出力矩。
4、 如1所述杆件2，其特征是 一端与杆件l铰接， 一侧有槽，按定轨滑块 给定的动作规律滑动，另一侧有齿，与一齿轮组成齿条齿轮结构，也可以是棘 条棘轮机构，齿轮或棘轮同时带动一组或几组动力输出轮转动。
5、 如1所述定轨滑块机构，其特征是为使杆件1 一端及杆件2可按动力 轨迹线运动，并可让杆件2回位至初始位置，实现周期性规律运动，在杆件2 有槽一侧与槽配合的两滑柱固定在定轨滑块一侧上，定轨滑块中部有二条直角 形槽，与直角形槽配合的有两条滑柱，固定在传动装置箱体上，当定轨滑块竖 槽卡在箱体滑柱时起固定定轨滑块的作用，使杆件2与齿轮或棘轮啮合，按定 轨滑柱限定的动力轨迹线滑动，当定轨滑块按横槽横向滑动时，能使杆件2脱 离齿轮或棘轮，回位初始位置。另一种定轨滑块移动的方式除上述主要特征外，由小杠杆实现定轨滑块的上 下移动，通常在传动箱体底部增加一杠杆， 一端联接定轨滑块， 一端可由杆件2 滑动到末端时驱动，使杠杆能够抬起定轨滑块移离竖槽至横槽一端，定轨滑块 中部有一弹簧能使与定轨滑块和所联接的杆件2按横槽横向移动脱离齿轮，在 杆件2滑槽一侧有角形突起，与之配合的固定在箱体上的角形fttf侧，能使杆 件2复位时切入齿轮并啮合。
6、 如1所述动力输出轮组，其特征是可以齿轮组作为动力输出机构，也 可以是链轮、皮带轮或其组合，根据对力的不同要求，选取适合的传动比，传 动比按需要可取0 ~ 1000，比较实用的是0 ~ 500，以得到需要的输出速度与动力，实现动力输出。
7、 如1所述复合机构，其特征是可使用两套上述相同装置，另设滑轮机 构固定于机架上，位于踏杆上方，用 过滑轮连接两踏杆，使两踏杆轮流驱 动齿轮能实现连续地带动动力输出轮组转动，从而实现连续地输出动力和速度。 或者更多套上皿踏杆装置，用联轴器或离合装置使之联机，输出较大动力。
全文摘要
一种往复式踏杆增效传动装置，包括踏杆、杆件1、杆件2，定轨滑块机构、齿轮、齿轮组等组成，本发明通过在踏杆一端增加一杆件1，令其按动力轨迹线滑动，使传动装置的力学特性为人施予的力F与垂线夹角α的正弦函数为一无限靠近x、y轴的弧线。这样驱动踏杆的力的效果在运动周期初始时最大，周期末时最小。杆件1起改变力距的作用，使最大省力值比增至数倍、数十倍，本装置运动周期过程可实现前阶段增大施力，后阶段增加速度，使施予的力充分利用，因为杠杆装置的增力作用，功率上更可比传统曲柄传动有所增加，达到同时省力并保证速度，增加人力做功的功率的目的，是一种增功率传动装置，用于提高适用设备的功率，尤其适用于自行车、人力车等设备。
文档编号F16H21/12GK101105220SQ20061010664
公开日2008年1月16日 申请日期2006年7月14日 优先权日2006年7月14日
发明者邓晋州 申请人:邓晋州