专利名称：具有无级、连续可变速度及转矩比的自动传动装置的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及在其上施加机械能的输入驱动件及输出从动件之间改变速度及转矩比的传动装置。更具体地说，本发明是一完全机械传动机构，它自动及连续地作为输入及输出转矩及速度的函数以无级方式改变传动比。虽然该传动装置特别适用于自行车，但它还具有有利于其他车辆及机器的特性。
背景技术：
在已有技术中，有许多传动装置可以设置在车辆及其他机器的驱动链之间以使驱动比可以变化，从而原动机可以运行在它的工作转矩和速度范围内而同时允许输出在种种预期的运行模式所需要的不同及通常极宽的转矩及速度范围内改变。最初传动装置是从几个不连续的传动比中选择一个传动比手动地操作的。自行车一般都使用变速齿轮传动机构系统或齿轮传动，其中，所选择的不同的链轮或齿轮彼此交替地啮合以从可用的比中进行选择。
已有技术认识到，如果车辆驾驶员可以从决定哪一个传动比适合于所遇到的情况及手动变换传动装置的责任中摆脱出来，对驾驶者来说方便性就可以大大提高。因此，出现了种种自动传动装置。这些自动传动装置中有一些是基于使用速度或转矩传感器使手动换档自动化。有些在不连续的齿轮啮合选择中进行变换，有些使用皮带和皮带轮系统；后者改变有效的皮带轮的直径。还有一些是液压系统，它们使用液压泵、马达及阀装置。
这些已有技术的传动系统，虽然完成了必要的传动比的变换，但装置复杂因而价格昂贵，且易发生各种故障。这种系统中有些换档急剧或者以有级方式在不连续的传动比之间换档而不是平滑地连续地换档。
因此，本发明的目的和特点是提供一自动传动装置，它结构简单，所需零件少而且可以是完全机械的，因此，特别适用于自行车。
本发明的另一个目的及特点是提供一传动装置，它可以响应于负荷功率要求和输入功率的变化而以平滑连续的方式渐进地改变它的驱动比。
本发明的又一个目的及特点是提供一传动装置，它特别适合于自行车，并且允许驾驶者以驾驶者舒适的踏板速度及转矩脚踏，同时传动装置自动地响应诸如由于表面倾斜而引起的负荷功率要求改变驱动比，而不会引起由该驾驶者感觉出或所需的输入转矩和速度中显著的变化。
本发明的再一个目的和特点是结合上述一个或几个特点提供一传动装置，它也可以让驾驶者踏板踏得快一些或慢一些以加速或减速而不会感受到显著的踏板转矩的变化，从而使驾驶者从踏板的作用力感觉到类似于从普通自行车得到的那种响应。
本发明的另一个目的和特点是提供一种传动装置，它可以适应于驱动一部车子上的多个轮子，并且允许多个轮子以不同的速度旋转，从而使传动装置提供不同的功能并且施加驱动转矩给所有轮子，包括一不旋转的轮子。
本发明的又一个目的是提供一传动装置，它可以以不同的转矩比驱动同一根轴，例如在一自行车上，在轮子一侧的联动装置可以以低速及高转矩驱动，而由同一驱动曲轴所驱动的另一个联动装置则可以较佳地以较高速度及较低转矩但在任何时刻两侧都以同一速度驱动该轮子。此特点可以加以延伸以使一个单一的驱动轴可以以不同的速度和/或转矩同时驱动任何数量的不同的从动轴或者可以驱动具有任何数量的具有不同转矩速度特征的联动装置。
发明概述本发明从其最广泛的方面来说是在输入驱动连接件到棘轮机构的交替运动件之间插入一弹簧以形成一机械传动装置，以便从一输入驱动件将输入机械能传送到一输出从动件，此机械传动装置可以被一输入机械能的能源采用交替动作的方式驱动。更具体地说，本发明具有一输入驱动件，它运动并将功率传送入体现本发明的传动装置。包括一交替运动件及一连续运动输出从动件的一棘轮具有一驱动弹簧，可驱动地连接在棘轮交替件及输入驱动件之间从而把施加到输入驱动件的力通过该弹簧传送到棘轮交替件。该弹簧能存储及释放能量并且还可以偏转，从而不管输出从动件的运动如何都能允许输入驱动件的充分运动。由驱动弹簧施加到棘轮交替件的力在运动的一个方向上移动该交替件。该驱动弹簧可以设置在输入驱动件及棘轮交替件之间的任何位置上，也可以具有任何物理结构以及任何力-运动关系。一返回弹簧可驱动地连接于棘轮交替件以把一返回力施加在该棘轮交替件上，其方向与驱动弹簧所施加的力相反，使该交替件按相反方向移动。如果输入驱动件是一具有连接到驱动弹簧的曲柄销的曲轴，则运动将被特别加强。
图1～图4是简单示意图，图中示出了本发明的基本原理；图5～图10是简单示意图，图中示出了本发明的较佳实施例的基本结构及运行；图11是本发明的一实施例侧视图，图中示出了一支承壁；图12是图11的实施例的一部分，图中示出了柔性驱动连接件；图13是一曲线图，图中示出了非线性弹簧力系数；图14(A-G)，15(A-G)及16(A-G)示出了在三种不同的有代表性的运行情况下本发明的一较佳实施例的运行情况；图17、18及19示出了本发明的实施例的运行的曲线图；图20是一示意图，示出了本发明的实施例的另一特性；图21是一示意图，示出了本发明的实施例另一些特性；图22是一示意图，示出了本发明的实施例的其他特性；图23是本发明的较佳实施例的侧视图；图24是图23实施例的端视图；图25是图23的较佳实施例中的驱动弹簧力作为曲轴输入驱动件的角位移的函数的曲线图；图26是图25、27和28中变量的示意图；图27是作为图23中的较佳实施例的曲轴输入驱动件D的角位移的函数的图23的较佳实施例的输出从动件d的转矩的曲线图；图28是图23的较佳实施例的作为图23的较佳实施例的曲轴输入驱动件D的角位移的函数施加到曲轴输入驱动件的转矩的曲线图；图29是本发明的驱动弹簧的设计的示意图；图30、31及32是说明弹簧及传动特性的曲线图；图33是本发明另一实施例的示意图，其中多个实施例被用于提供不滑动的差动功能
图34是本发明的另一个实施例的示意图；图35是本发明的又一个实施例的示意图；图36是本发明的另一个实施例的示意图，用于扩展传动装置的转矩比范围；图37是本发明的另一个实施例的用于调节该转动装置的示意图，以提高自行车驾驶者的技巧及动力性能。
在叙述本发明的具有附图的较佳实施例时，为了清晰起见，使用了专门的术语。但本发明并不限于所选择的专门术语，应予理解的是，每一专门术语包括以类似方式运行以达到类似目的的所有技术上的等效性。例如术语“接合”“驱动地接合”或“连接”及与之相类似的术语都用于把一个力或运动从一物体传送到另一物体。它们并不限于直接连接，而被本技术领域中的相关人员认为是等效的通过其他元件的连接。例如，驱动链可以具有一系列串联连接的机构，它们把机械能从一个单元传送到另一个单元，众所周知，在驱动链中可以设置其他的机构而不会改变其基本的运行。
本发明的详细叙述本发明涉及机械运动及机构的基本原理，因此本发明的叙述从用到的一些技术的定义开始。这些定义是重要的，一方面它们对所述实施例的运行原理的理解，另一方面对可以应用这些基本原理的许多可能的其他实施例的范围有所理解。在定义之后，接着是可用于本发明的基本概念的叙述，此后叙述较佳实施例及其他实施例的结构，接着叙述它们的运行情况。最后叙述改进或提高本发明的实施例的措施，可替换的实施例以及某些变化。
1.术语的定义在此描述中所用的基本术语都来自《美国专利商标电锯分类手册》。虽然已有技术中已经有了许多把交替运动转换成连续运动的机构，本发明的实施例中又包括了一弹簧元件，后者提供一平滑的、连续的、平均的传动比，此传动比按非级进的或无级的方式自动地从零或无穷大(取决于用以表达传动比的方向)到最大或最小传动比改变，此传动比只受到结构件及提供输入工作能量的能力的限制。
“交替运动”是沿着一路线的间歇运动，首先按一个方向接着按一个相反方向运动。虽然交替运动的路线通常是沿着一圆弧交替旋转运动，或往复地沿着一条线作线性位移的交替线性运动，但交替运动也可以是沿其他路线的运动。“连续运动”是按同一方向连续运动，通常是沿着一条线发生的线性移动或者是连续的旋转运动。连续运动在时间上可以是间歇的，即它可以具有不运动的间歇或具有不同速度的运动。在“连续运动”一词中的“连续”意味着运动方向持续相同，不是运动在时间上的连续。
众所周知，可以将交替运动转变为连续运动的装置棘轮。“棘轮”一词在本文中从种属上说是指把交替运动转换成连续运动的任何装置。这一类装置通常是间歇控制型的，其中，驱动啮合在交替运动的一个方向上受到影响，在此啮合期间驱动力施加在运动的方向上。在运动的相反方向，间歇控制器脱开啮合以在相反方向不施加驱动力并且在它的运行循环中返回到起始位置。所以棘轮具有一交替运动件和连续运动件，它以相应的动作运行。虽然为了效率起见，一棘轮最好在一个向施加驱动力，而在相反方向不施加驱动力，在此期间，其交替件沿运动路径返回；一棘轮也可以只是在一个方向施加的力大于另一个方向的力，例如在一个方向是较强摩擦啮合而在相反方向则是较低摩擦啮合及滑动。因此棘轮通常在间歇控制期间以诸如棘爪或摩擦啮合件以及棘齿条或齿条的形式的齿借助于间歇控制器施加一驱动力。其他的棘轮器件包括球离合器及或滚柱离合器。在已有技术中有种种棘轮器件可供设计者使用，包括机械的、液压的、磁性的，电及液压的棘轮器件。本技术领域的相关人员也知道，离合器也可以用作棘轮，这种器件以交替运动件的运动使离合器的啮合及脱开啮合同步。为此，例如可使用位移、速度或加速度传感器在交替件的运动的界限内交替啮合离合器。
“旋转运动”是物体绕内轴线的旋转，该物体上的一点通过一弧形的路线。摆动运动则是沿着弧形路线小于360°的交替运动。往复式运动是沿着一条直线路径的交替运动。
“弹簧”是本发明实施例中的重要元件。“弹簧”是一种元件，它存储着机械能、势能作为它的扭变、位移、偏移或旋转(集体称为位移或偏移)的增函数。当弹簧为位移时存储能量而当它返回到没有位移的状况时返回相同的能量。如果设计合适，其能量的存储和返回可以以低的能量损失完成。弹簧施加的力是其位移的增函数。弹簧力与弹簧位移之间的关系是“弹簧力系数”，当此关系是线性时，称为弹簧常数。虽然在弹簧位移和弹簧力之间的增函数关系以及在存储的能量及位移之间的增函数关系在一般弹簧的有用工作范围内是线性的，但这些关系也可以是非线性的。对本发明的部分实施例来说，非线性函数关系是较佳的，其中，每单位位移的力和存储的能量在位移增加时是会增加的。
弹簧的一种类型是机械弹簧，它是由机械变形而弹性位移的。这些弹簧包括线圈形弹簧、扭杆弹簧、平面弹簧及其他弹性体，例如弹性索或弹性带。另一种类型的弹簧是气体弹簧，其中的流体一般是气体，被限制在一可变容积的容器内，例如具有活塞的一封闭气缸。悬臂弹簧是一物体，通常是一杆，它的一端锚在另一物体上并且能以弹性方式弯曲。该杆可以是线性的、弯曲的或包括弯曲部分。此弹簧沿着其长度还可以具有宽度及厚度的变化从而可以在弹簧力系数中引入所需的非线性。因此弹簧可以用任何能挠曲、弯曲、扩展、压缩或者以其他弹性方式变形的物体形成。弹簧可以沿直线方向或作为转矩施加它的力。弹簧也可以是一磁性弹簧，其中，联系力及间距变化的磁的吸引力或排斥力提供位移或扭变。这种弹簧可以使用永磁铁或电磁铁。
“曲轴”是一种众所周知的器件，它具有一“曲柄轴”并且环绕通过曲轴的中心轴旋转。曲轴还有一“曲柄臂”，它从曲轴延伸，在一从中心轴线选择的称为曲柄半径的半径处有一曲柄“销”装在曲柄臂上，以使曲柄销绕中心轴线沿一圆形路线移动。然而，大家都知道这是一个基本的部件，它还有很多别的结构可以形成一基本的曲轴。此外，其结构件并不限于这种结构术语。例如“曲柄臂”并不限于有一个臂，它也可以是一个具有曲柄销从它那里延伸的一个轮子。因此用于曲轴的术语只是泛指具有曲轴的基本部件的功能的结构。术语曲柄轴是指一种结构，它可旋转地安装曲轴，这种结构是可旋转地安装着的，从而当曲轴作连续旋转运动时它可以以交替运动方式移动。
术语“柔性驱动连接件”是用来指索、缆、带、链等等，它们在承受拉力时是刚性的，因此它们可以传递力，但是它们还可以在其弹性极限内横向挠曲或弯曲。
2.基本概念本发明的最基本的概念以简单的形式示于图1～4。
图1的简单化的机械传动装置具有一个由一棘齿条12形成的棘轮10，其齿14啮合棘轮18的齿16。在这简单化的机械传动装置中，一输入驱动件20连接到一输入机械能的源，诸如线性往复的原动机上。一固定在棘轮18的可旋转的轴22形成一连续运动输出从动件。棘齿条12形成一交替运动件，它通过一驱动弹簧24连接于输入驱动件20。一返回弹簧26连接于棘齿条12。当输入驱动件20作往复运动或者以交替动作移动而具有一往复构件时，弹簧24及26承受拉力。当输入驱动件被原动机驱动到图1的左面时，弹簧24及26被拉伸，存储能量并把棘齿条12移向左面，使棘轮18逆时针方向旋转。当输入驱动件被原动机移向图1的右面时，棘齿条12的齿14从棘轮18的齿16脱开啮合，从而使棘齿条12的齿在棘轮18的齿上向上浮动。棘齿条12被返回弹簧26拉向返回位置。此往复循环连续地重复从而给予输出从动件22产生连续的旋转运动。
从图1的实施例中可以看出，如果输入驱动件20的往复幅度(在行程的每一方向上的位移)始终是同一恒定位移，则棘齿条12的位移，输出从动件22的角旋转以及施加于输出从动件22的转矩将都是施加到输出从动件22的转矩负载以及输入驱动件和输出从动件的速度的函数。施加到输出从动件的瞬时转矩也将作为时间的函数而变化，它是输入驱动件20的循环行程的相位角的函数。转矩通常只在一部分循环期间施加到输出从动件上，当棘齿条12被弹簧26返回时就没有转矩加上去。这些转矩脉动当然将在整个循环上被平均。如果在输出从动件上的转矩负载超过可以通过驱动弹簧所加的转矩，则施加于输出从动件上的转矩脉动将在该循环整个360°上延伸，棘轮的交替运动件将不移动，所以它将不返回。重要的是，虽然输入驱动件20的往复幅度可以始终相同，但棘齿条12的位移以及在输出从动件22处的转矩和速度都是不固定的，而是作为转矩负载的函数而变化。正是这些参数的可变性可以让本发明的实施例自动地连续地在输入驱动件20及输出从动件22之间的驱动关系上获得平滑的、可变的传动比。
图2示出了使用了相同原理的一个类似的实施例，所不同的是其中使用了其上以传统方式可枢转地安装有棘爪34的棘爪载件32的一个旋转的交替运动件30。棘爪34啮合一棘轮36，一轴38固定于该轮上以形成连续运动的输出从动件。图2的实施例也具有一返回弹簧40及一驱动弹簧42，它们连接在棘爪载体32及输入驱动件44之间。弹簧40及42连接在一柔性的带46上，后者在一点48处固定于棘爪载体32以形成一柔性驱动连接件。和图1中的实施例一样，驱动弹簧24存储能量从而即使在输入驱动件20已经开始它在图4中向右的行程时，它也可以给棘齿条12施加力。
图3示出了另一个简化的实施例，其中，从动输出件50连接于一循环的连续棘齿条52上，就像在一循环回路驱动链上形成那样，棘齿条52的齿54被棘爪56所啮合，该棘爪56是以传统的方式可枢转地安装于棘爪条58上。和其他实施例一样，图3的实施例有一返回弹簧60及一驱动弹簧63，可驱动地连接于一输入驱动件64。
图4示出了另一个实施例，它和图3中的实施例相似，不同之处是驱动件是一曲轴72，后者有一曲柄销70及在一曲轴74中的中心枢转轴线。使用曲轴来获得基本上往复运动可以显著地增强本发明的运作并且可应用于所有的实施例。曲轴是一众所周知的部件，它可以把连续的旋转运动转换成交替运动。曲轴需要一另外的结构，例如一可旋转地连接于曲柄销的连杆以获得交替运动。虽然一连杆可以用于本发明的实施例中，但一传统的刚性连杆是不需要的，因为曲柄销和驱动弹簧之间的连接件可以实现这一功能，以使曲柄销运动的往复分量可以施加到弹簧上。更具体地说，因为由曲柄销施加于驱动弹簧的力可以始终在同一方向上，柔性的带、链或等效的柔性驱动连接件，它们都可以在一个方向上施加力，如果它是可旋转地连接于曲柄销上的话，就可加以使用而实现连杆的功能。
从上所述，可以很清楚地看出，用于本发明的弹簧不限于承受拉力时工作的弹簧。驱动弹簧或返回弹簧都可以等效地用运行于压缩弹簧以把它们的力施加于棘轮交替运动件。
3.较佳实施例图5示出了两个部件的特性，它对本发明的实施例来说是比较可取的。所述的较佳特点是曲柄80及一悬臂弹簧82。曲柄80有一曲柄轴84及一曲柄销86，它们由曲柄臂88连在一起。曲柄销86沿着一旋转圆形路线90以连续的旋转运动转过一角度θ。柔性带92提供一柔性的驱动连接件，其一端可旋转地连接于曲柄销86，其相对端则与悬臂弹簧82上的一支撑点94相连。
悬臂弹簧。悬臂弹簧82在支撑点98固定于棘轮交替件96。悬臂弹簧82是一柔性悬臂杆，它是弯曲的，在它最松弛的位置，在沿圆周方向延伸至少部分地环绕着棘轮交替件96。如图5所示，当返回弹簧100处于其最松弛的位置以及曲柄销86最接近于悬臂弹簧82时，产生悬臂弹簧82的最松弛的位置。该返回弹簧100最好使用一柔性驱动连接件并以图2所示的方式连接于棘轮交替运动件96。棘轮连续运动件101连接或固定于一连续运动的旋转的输出从动件即一输出轴102。
图5的实施例的运作的部分基本原理示于图6～图10。运作的初步讨论假定有足够的转矩施加到连续运行的、旋转的输出件102上以克服负荷的要求从而使它可以旋转。
当曲柄80从图5所示的位置转过一个90°的θ角至图6所示的位置时，悬臂弹簧82将按如图所示的方式位移(即偏转)，此时将有一转矩施加到输出从动件102上。使用一悬臂弹簧82的特点是当弹簧被一通过柔性驱动联动件92施加到它上面的力而向外偏移时，支撑点94从输出从动件102的旋转轴线径向位移。结果是当弹簧位移增加时，力矩臂也增加。当曲柄80再转过一个90°的角度而到达图7所示的位置时，力矩臂进一步增加。在图7的180°位置上，弹簧的位移，也就是通过棘轮施加到输出从动件102的转矩处于最大，然而，在曲柄80上的转矩是零，因为由柔性驱动连接件92施加给曲柄销86的力是通过曲柄轴84的曲柄绕之旋转的中心轴线的。当进一步旋转90°到达图8所示的位置时，通常在返回弹簧100所施力的作用下将允许棘轮的交替运动件96开始其返回于此90°弧内的某处。再一个90°的运动将把结构返回到循环的开始处，如图5所示，此后将重复以上过程如图10所示。
支承壁。图11示出了本发明的一个实施例，它包括一可以增强运行的特点。图11的实施例具有一连续从动旋转件110，它具有齿112，齿112可与棘爪114啮合，后者可枢转地安装在一交替运动件116上以形成一棘轮。一悬臂弹簧118在一支撑点120处固定于该交替运动件116上。悬臂弹簧的相反的一端在支撑点124处固定于一柔性带形式的驱动连接件122上。
固定于交替件116上的还有一支承壁126，它从其连接于交替件116的连接位置128附近沿着一弯曲的路线向外延伸。此支承壁126位于悬臂驱动弹簧之外并对齐以使它当悬臂驱动弹簧具有足够的位移时将被悬臂驱动弹簧118啮合。较佳的是，支承壁的轮廓外形是当弹簧位移增加时使悬臂驱动弹簧逐步向外地啮合该支承壁。例如，支承壁可以沿一圆弧延伸，但在此实施例中，渐开线将是一个提供较佳的轮廓的形状。
图12示出了通过带状柔性驱动连接件122传递力的方式，其中，输入驱动件位于支承壁126离开驱动弹簧118的相对侧。这可以由一形成于带122中的轭状段130来完成，以使支承壁126可以延伸穿过它。当然也可以使用另外的轭结构。另外一个办法是可以纵向地形成一槽并在中心通过支承壁126，而柔性驱动连接件则最好是延伸穿过此槽的较狭窄的索或缆。
图13示出了支承壁126的一个优点是提供一非线性弹簧力系数。如果单个弹簧的弹簧力系数是线性的，则支承壁126使弹簧以非线性方式运作。当弹簧位移或偏移，它抵在支承壁126的内表面132上，沿着支承壁126的表面132作为弹簧位移的增函数从支撑点120逐步向外。结果是弹簧施加于输出从动件110的转矩作为弹簧位移的函数比线性增长快得多地非线性增长。此转矩例如可以作为位移的一个函数指数地增加。
通过形成支承壁可以得到另外的设计优点，即使它也称为一个弹簧。例如，图示的支承壁可以做得足够薄并且用弹性材料制成以使它也像悬臂弹簧那样工作。因此当驱动它时，不仅如上所述可以作为一种刚性支承使用，当驱动弹簧抵在支承壁上时该弹性支承壁可以提供一弹簧力及存储能量的功能。以这种方式，当驱动弹簧与支承壁啮合时，由驱动弹簧所施加的弹簧力将沿着一不同的指数变化的弹簧力系数曲线而增加。这为设计者提供了又一个设计上的选择。例如在一强有力的驾驶者在爬高坡时使用的传动装置中这将是有用的，因为此时需要在低速下的非常高的转矩能力。
图14、15、16示出了图11、12及其他实施例的三种代表性的运行情况。在这些图中，为了叙述的简单起见，输入驱动件有时候被称为“D”，输出从动件有时候被称为“d”。相应的符号也将在图中使用。
在图14的第一种情况下，输出从动件140被锁住在一固定(不旋转)的停止位置，因为输出从动件所提供的转矩不足以克服负载转矩要求。对于一辆自行车来说，如果停止后再要爬高就可能会发生这种情况。然而，输入驱动件D是一曲柄142，它在一固定速度下被驱动。在曲柄142的旋转角θ为图14A所示的0°的情况下，悬臂弹簧144的偏转为零。在这种情况下，如图14F及14G所示，在输入曲柄142上的转矩是零，而施加在输出从动件上的转矩也是零。
当曲柄142旋转90°到达图14B所示位置时，驱动弹簧144被偏转，在输入曲柄142及输出从动件140上的转矩都增加，如图14F，图14G所示。如图14C所示，当曲柄再转动90°到达180°位置时，驱动弹簧144被偏转到它的最大位移处，从而有一最大转矩施加到输出从动件140上，如图14G所示。而施加到曲柄142上的转矩趋向0，如图14F所示。
当曲柄142再转过90°到达图14D所示的位置上时，驱动弹簧144的偏转下降，使施加到输出从动件140的转矩减少，如图14G所示。请注意，当曲柄142的旋转超过图14C的180°位置时，一负的转矩(即支持曲柄的继续旋转)施加到曲柄142上从而使能量返回到旋转曲柄142的原动机。这一情况如图14F及14G所示一直继续下去，直到诸部件返回到360°的位置如图14E所示。这一位置与14A的位置相同。
因此，在输出从动件140的情况下，在360°整个循环期间，输出从动件140保持静止，从曲柄142到输出从动件140的净能量流在整个循环期间是零，如果输出从动件140是锁住的，它就必须如此并且不接受任何功率。本技术领域的普通技术人员知道，功率是转矩和旋转速度或角速度的乘积。所以图14中所示的实施例的运行的结构是上升和下降转矩波的重复。在此停止的状况下，在曲柄142处没有净功率输入，而它是维持在输出从动件140上的高转矩和维持曲柄的连续旋转所需要的，除了摩擦和其他损失以外，而摩擦及其他损失相对来说是较小的。一个重要点是，在这些停止状况下，没有输出功，也没有净输入功，但最大的转矩仍施加在输出从动件d上。输入轴D可以旋转于任何速度而无需用很大的劲，因为能量流仅在弹簧中进出，并没有传送出机构之外。
虽然瞬时转矩按曲柄的角的位置而变化，如图14F及图14G所示，从下面将看出，这些重复的上升和下降的转矩脉冲或脉动波可以通过本发明的加强而使得这些脉冲或脉动平稳而平均化。这些增强包括使用本发明多个平行实施例，工作于等角间隔的相位关系，使用飞轮以及特别是对自行车来说，以比自行车的脚踏板为大的角速度驱动本发明的曲柄142。
在使用本发明的自行车传动装置的情况下，示于图14的峰值停转转矩例如可以是150牛顿米左右，它是传统自行车传动装置的一个典型的最大值。该转矩通过驱动力及弹簧力的几何形状及在最大偏转时的力矩臂而设计入传动装置之中。
如果从动输出轴d移动，则情况不同，如图15及16所示。需要功率以逆着被负载加在其上的转矩而驱动输出轴d，此功率必须由输入轴D传送到传动装置。当输出轴d移动时，在一个典型循环期间的运行如图15及图16所示。
在图15及16中，和图14一样，相对于输入轴D的角运动画出了图，但是输出轴d的运动，结果就与图14中的轴d是静止的情况迥然不同，因为那里轴d是静止的。为了说明起见，图15中的输出的从动件d的角速度假定是输入驱动件轴D的1/4，从而当输入轴D完成了一整圈的旋转时，输出轴d只旋转了90°。请参阅图15A～15G，当输入轴D从它的零位置(在图15A中，角旋转为零)旋转时，它必须先加速到一个速度以允许棘轮啮合于驱动输出轴d。这是图15F及图15G的A点，在那里棘轮啮合并开始驱动输出轴d。输入轴D的相对速度大于带的正切点F(图15F及图15G)的速度，弹簧的偏转增加，直到在点P处，带在D上的连接点的相对速度再次下降到在d上的连接点的速度之下，并且弹簧的偏转开始降低。在点E处，弹簧再次返回到其零偏转状态，且棘轮脱开啮合。尽管在此时间的一部分时间中，带的速度反向并且弹簧收缩即移动到较少偏转的情况，在从棘轮在A啮合到脱开点E的一段时间内，带偏转了弹簧并且在d上有转矩。在整个循环中，递送给输出轴d以及从输入轴D流出的平均功率与输入轴D的一次旋转期间总转矩脉动(转矩及时间的乘积)之和成比例，即P～n∫Td这一关系不仅决定于柔性驱动连接带的相对偏转，而且还取决于弹簧的力-力矩臂的关系。因为力及力矩臂是如图所示随带的偏转而改变的。总的来说，传送的功率与弹簧的偏转，转矩臂，啮合的时间以及每单位时间的循环数成比例。这四项都随着输入轴D相对于输出轴d的旋转速度的增加而增加。因此在轴d的固定旋转速度下传递给输出轴d的功率大致上与轴D的输入速度的四次方成正比。正是这样的一个事实使输入轴D的传送输入速度在输出轴d及输入功率到D的很宽的范围内是接近恒定的。
在一较高的速度比上，即输出轴d的旋转速度接近于输入轴D的旋转速度时，棘轮啮合的时间、弹簧的偏转以及力矩臂都要比在较低速度比的情况下为少。图16A～图16G示出了当输出轴d的角速度是输入轴D的3/4时的运行关系。图16A～图16G示出了外交替运动棘轮件，先是加速以啮合并施加一转矩给输出轴d，然后是弹簧延伸以驱动输出轴d，接着当弹簧收缩时继续驱动，最后是棘轮脱开啮合或重新到它的开始状态。因为此运行的效率比速度比较低时为低，设计者可以避免它，办法是选择一个较低的最大速度比d/D。例如，设计者可以使d的有效棘轮直径比对D的曲柄行程为小。
从以上所述可以看出，对输入驱动件的每一个360°循环，输出从动件经过一个相位角，此相位角不是360°的整数倍或任何其他固定的比，而是经过一个相位角，此相位角作为输出速度及转矩的函数而改变。
通过弹簧的刚度及形状以及支承壁的几何形状给定设计范围，可以使转矩/偏转的关系在输出轴d的速度的一个宽的范围内在输入轴D的恒定输入速度下成为基本上恒定的功率。例如，设计者可以选择一恒定的功率，在脚踏速度为90rpm时的250瓦。后者是许多自行车驾驶者的最大功率速度。采用这样的一种设计，如果驾驶者选择一较低的脚踏速度，他会感到所需的功率有很快的下降，因为传送的功率以脚踏速度的四次方改变。在恒定的路途速率下输出轴d恒定速度)下，脚踏速度从90rpm降低到60rpm，将使功率降低5左右的系数，例如从250瓦降低到50瓦，或者说从非常高的只有训练有素的运动员才能承受得住的功率下降到一般驾驶者感到合适的功率水平。
运行特征示于图17～图19。如果功率保持恒定，则可变的速度传动装置必须具有一个转矩对速度的双曲线的关系，因为P＝2πTn，其中P＝功率，T＝转矩，n＝角速度(度/秒)。这示于图17之中的一组虚线双曲线P1～P3。每一双曲线适用于一不同的恒定功率。然而，在实际传动装置中，最大转矩及最大旋转速度有一个极限，所以功率曲线限于图17中的实线所示。
图18示出了在运行的实际和实在范围内的在一恒定功率输入下的恒定功率输出时的基本特性，两端的极限值在低功率端由弹簧所能提供的转矩决定，在高功率端则由输入原动机的极限功率决定，例如由自行车驾驶者决定。
从上所述可以看出，本发明的实施例作为一种传动装置来运行，也就是说它可以在输入和输出之间提供自动的和平滑变化的速度以及转矩比，如图19所示。
当对输出从动件d的转矩负荷要求很小，例如接近零时，弹簧的偏移将很小。传动装置的运行特征将接近一固定的速度比，其最大转矩比及最小速度比决定于连接件的几何形状，具体说是旋转元件的直径比。转矩脉动的幅度将更小而且基本上仅发生在旋转的短的时间区域内。
脉动的平滑化。如上所述，转矩是以一系列脉动施加于棘轮连续运动件的，这些脉动作为运行参数的函数而变化。类似地，一系列转矩脉动在运行期间施加到输入驱动件上，这些脉动也是变化的运行参数的函数。因此当本发明用于一辆自行车时，驾驶者会感到在瞬时转矩中的脉动变化。有几种改变可以用于本发明的实施例以为驾驶者提供比较平滑的感觉或者使这些脉动平稳化。这些改变可以单独使用或者与其他改变一起组合使用。
图20示出了一种改变，它特别适用于自行车。一传统的双曲柄自行车脚踏机构160有一个绕着它旋转的曲柄轴162，并且还有一对固定于其上的脚踏曲柄臂164及166。一传统的链轮168也固定在脚踏机构上并且被一驱动链170可驱动地连接到固定于曲柄输入驱动件174的一链轮172。众所周知，相对链轮直径决定此固定比传动装置的驱动比。此固定比传动装置驱动曲柄输入驱动件的驱动比选择得可以为曲柄输入驱动件174提供一自行车踏板机构的角速度为较高的角速度。较佳的驱动比约为6∶1以使自行车踏板机构160的每一完整的一圈提供曲柄输入驱动件174六圈。因此，在每转一圈期间，多个较短的相距较近的转矩脉动施加到踏板机构从而使驾驶者感到较少脉动。
图21及图22示出了另一种改变，使施加到输入驱动件的转矩脉动平滑化。此改变具有本发明多个平行、重复但相位不同的实施例。较佳地，多个传送部分具有同角相位。这可以通过采用一曲柄来实现，此曲柄具有多个曲柄销，它们围绕一曲柄旋转轴线成角度地间隔开。例如，一输入驱动件由具有三个曲柄销182、184和186的三行程曲柄180构成。该三个曲柄销围挠曲柄轴188以120°角度设置。多个棘轮190、192和194安装于同一个输出驱动轴196。每一个棘轮包括如上所述的一交替运动件及一连续运动旋转的输出件，两者固定在一起并如上所述固定于共同的输出从动件196。
多个驱动弹簧198、200及202各自可旋转地连接于曲柄销之一并驱动地连接于棘轮交替件之一如上所述。每一棘轮还有一返回弹簧，它的连接及运行均如上所述。本发明此多个相位阵列平行传动使图14～图16所示的脉动在每一360°循环运行期间重叠。所得到的施加于多曲柄输入驱动件瞬时转矩将是各传动部分的瞬时转矩之和。这个来自多个重复的瞬时转矩之和其幅值的变化没有各个单独传动的瞬时转矩的变化这么多。更有趣的是，当施加到曲柄输入件的转矩是负的时候，因为对每个单独的传动有一个曲柄旋转的角度的间隔，即在如图21及图22所示的多曲柄相位阵列实际上帮助驱动曲柄旋转，此负的转矩表示工作从一传动的弹簧恢复并传送到驱动阵列的别的传动上去。此传动的相位阵列的平滑化效果可以通过在一个曲线图上重复图14～图16的曲线图F和G而看出，只是作为120°的间隔的相位，然后把它们的和画在360°的间隔上。
当然，众所周知，通过安装一个飞轮到旋转的曲柄上也可以得到脉动平滑化的效果，但是，采用飞轮时，由于飞轮的动量，将延迟加速及去加速。
较佳实施例。图23及图24示出了自行车传动装置的较佳实施例。一弹簧保持器210固定于棘轮交替件(图中未示出)并与棘轮交替运动件一起进行交替运动并被一返回弹簧偏置，延伸到自行车车架以把弹簧保持器210返回到如图所示的状态。一玻璃纤维悬臂驱动弹簧212其一端213夹在一凹处214处，形成在弹簧保持器210及支承壁216之间。该弹簧保持器210及支承壁216由玻璃纤维形成一体，所以它们也和弹簧一样可以弹性挠曲。在此实施例中，支承壁216的较佳的轮廓是一渐开线。一柔性驱动连接件，它由张力缆218制成，延伸通过一槽220，纵向延伸通过支承壁216与一输入驱动件(图中未示出)相连。当张力缆218拉驱动弹簧212时，该驱动弹簧212向支承壁216挠曲。因为组件的所有部件(弹簧、支承壁及弹簧保持器)都是具有弹性的，它们挠曲以允许张力件连接其上的曲柄在无轮子旋转的范围内可以完全偏转。在此设计中，曲柄具有65mm的行程，以使组件当飞轮被锁住时必须至少允许张力缆218的总位移量的两倍。
在此设计中，传动曲柄被驱动到约六倍于如图20所示的由链驱动的踏板轴旋转量，因此，在正常的运行中，当驾驶者脚踏约60rpm时，曲柄旋转约360rpm，而弹簧循环约一秒六次。玻璃纤维弹簧具有一个优点，即它们每单位重量具有高的能量储存能力，并且大偏转时也没有疲劳和永久性畸变。
在低的轮转矩时，诸元件具有很少的弯曲，且张力缆旋转轮子约120度/曲柄半转。有两个相同的弹簧组件，在从动轮两侧各有一个弹簧组件，在低转矩时，曲柄轴每转一圈，轮子转动约240°。当轮子的转矩负荷增加时，弹簧及组件偏转增加，轮子旋转减少一直到在锁住轮情况下偏转为最高，弹簧延伸到最长，在轮子上加上了最大的转矩，此最大转矩决定于系统的几何形状和刚度。在此较佳自行车传动中约100牛顿-米。但驾驶者较强壮时，可以上升到150牛顿-米。对于自行车运动健将，可以增加到300甚至400牛顿-米。
图25示出了图23的较佳实施例的驱动弹簧的力对偏转的关系。其变量及大小示于图26。该力与输入驱动曲柄的曲柄角的正弦成反向关系从而允许在旋转期间有一个接近恒定的转矩在输入驱动曲柄上。在实际上，D上的转矩相对于从动张力件在0°及180°旋转时始终是零，因为在这些角度处，在张力件上的力通过D的中心，不管大到如何程度对力都没有力矩臂，因此没有转矩。更加具体地说，由于图23的实施例的几何结构，当输入驱动曲柄在0°及360°旋转区域时(即，它的曲柄销最接近棘轮，弹簧相对于弹簧支持器210最为放松时)，来自张力缆218的力沿着弹簧在纵向被施加，因此施加到弹簧上的力的一个大的分量作用在纵向压缩弹簧的方向。然而，当驱动弹簧212从弹簧支持器210向外偏移及弯曲时，该力趋向于纵向压缩大大降低，该力主要使弹簧弯曲。因此，弹簧力很快降低，即使弹簧力系数随着弹簧力作为弹簧偏移的函数指数增加时是非线性时也是如此。这是可能的，因为弹簧力不但是弹簧偏移的函数而且是瞬时几何结构的函数，因此当接近360°角的旋转时，弹簧力因同样的理由而很快增加。
其结果是施加到输出从动轴的转矩产生如图27所示的瞬时转矩脉动以及如图28所示的在输入驱动曲柄的转矩。
弹簧的设计。已有技术有许多熟知的设计具有任何所需的力-偏移特性的弹簧的方法。弹簧设计可以从市售有限元应力分析程序例如ALGOR程序得到帮助。图29～图32示出了这一过程。用图来叙述此设计过程，因为此设计方法是易于理解的。但它可以通过分析或计算机模拟方法进行重复，此模拟方法透明度较低些但也是在本技术领域中所熟知的，并且可以达到任何所要求的精确度。
请参阅图29。其中比较简单些的是输入驱动曲柄D及输出从动棘轮轴d的半径R，并且D具有两倍于d的旋转速度。如图25所示，形成的啮合角是曲柄旋转的30°角。在这一点，连接带的速度等于棘轮交替运动件的速度并且棘轮是被啮合的。在此点之后，d上的带以d的圆周速度移动，曲柄上的带则以变化的速度移动。点A和B的轨道，在棘轮啮合时，起初是在一起的，现在d和D上的曲柄由于不同速度而彼此分开，它们可以用简单的曲线图示方法表示如图29所示。点A由于带从d展开而向外移动，B向左移动而与曲柄保持一恒定的距离。结果是A和B分开，它是弹簧沿着带的直线的伸长，它可以在任何所需曲柄角处进行测量，如图29所示。
弹簧的偏移在棘轮的啮合角处从零开始，在这种情况下，约30°左右如图29所示，随后在曲柄的旋转角度约150°处增加到最大。在此点之后，在曲柄的约230°的旋转角度处，在A和B的轨道相交处很快下降到零值。在此点，弹簧上不再有张力，棘轮于d脱开啮合，带在0°左右的位置时再绕到一最小长度。此循环于是重复进行，开始时是棘轮交替运动件和带的加速，到达30°处的再啮合点。
采用这种方法可发现，对在D上的曲柄的任何旋转角度以及轴速度的任何比，弹簧都能伸展。接下来的任务是决定弹簧力对偏移的必要关系。
对设计具有任何所需的力-偏移关系的弹簧来说有许多已知的方法。在此例子中，用三个在一凸轮上的弯曲的弹簧如图30所示。产生一给定偏移所需的力取决于悬臂弹簧的厚度、宽度和材料以及凸轮的形状。对于自行车的传动装置来说，假设所需传动的功率在D每秒六转时约100瓦左右，则弹簧的力-偏移关系应该能给出这种功率。所需的数学关系示于图32，弹簧及凸轮可以从中设计。从许多弹簧几何形状及凸轮形状的组合可得出所需的结果。在设计是要想在一较宽范围的相对轴速能给出一恒定的输入功率的情况下，例如在自行车应用的情况下，弹簧及凸轮的设计要在最高速度比开始，其中弹簧的偏移最小，在速度D保持恒定时逐步到一较低的速度d。因此，凸轮及弹簧的几何形状设计将一步步进行，从最高速度比的最低偏移直到d的零速度，在这一点，弹簧偏移为最大。在每一步中，弹簧力的增量将选择得保持功率恒定。在初步设计时，先假定没有功率损失，由功率源送到D的功率等于从D送到d的功率。
从图29～图30可以清楚地看出，对于恒定的功率，d上的平均转矩必须与d的角速度成相反的关系。此平均转矩是循环期间转矩总体之和在时间上的平均。当d的角速度下降时，棘轮啮合时旋转的总摩擦增加，偏移增加且最大力随偏移非线性地增加。因此当轴d的速度下降时，平均转矩总体很快地增加，并且通过选择弹簧及凸轮的适当的形状可以具有与角速度所要求的相反的关系。
在轴d上可以得到的转矩有一个极限值，可以得到的转矩由在两轴之间可以传送的总的力所决定。在这里，让我们说系统能够发挥的最大平均转矩是150牛顿-米，这对自行车传动装置是一个合理的最大转矩值。100瓦仍可以被传送的最小轴速度因此是N＝100/2π.150或每秒0.1转或6rpm。低于此速度，传出的功率迅速下降，因为所加的转矩近似地保持恒定。
还有一点要指出的是，在d的速度固定的情况下，改变D的旋转速度的效应。如果D的速度增加，则在d上的平均转矩迅速增加，因为此转矩受到棘轮啮合时循环摩擦的影响，并且受到弹簧最大偏移以及每秒循环数的影响，所有这些因素对于轴D的速度都按一定的比例而增加。因此，在d上的平均转矩增加到D的速度的某次方，近似地是四次方，因为最大转矩随速度比非线性地增加。这意味着在实际情况下一驾驶者将感觉到脚踏速度要从60rpm增加到90rpm，功率要很快增加，粗略地说，是系数1.5的四次方即5倍。这是一个自行车传动装置所希望有的特征，因为人在此脚踏速度范围能产生其最大功率，相反，如果驾驶者想要降低功率输入，略略降低脚踏速度将使功率流很快下降到任何所希望的值，直至在D处的速度为零，此时棘轮在循环期间不啮合并且在d上没有净转矩。
图23及图24示出了一较佳实施例，如上所述，对自行车传动装置来说，其中驱动弹簧与轴d周围的棘轮是以这样的方式相结合的当传动的力增加时，在d上的力的力矩臂也增加，因此在弹簧偏移时，转矩成倍的上升，与力及力矩臂成比例。这种结构的设计过程与以上所述相同，加上了力矩臂的改变对转矩的效应以及在每一增加步骤中的力的改变的效应。
总的流向d的功率与平均转矩及在D上曲柄行程数成比例，因此，例如如果加入有三个曲柄行程及一个所要求的100瓦的功率流，则每一曲柄-棘轮对只需要传送33瓦就可以。
示于图23及图24的弹簧具有约30mm的宽度和约5mm的厚度。在这些图中的支承壁选择了圆的一段圆弧，其曲率半径为140mm。对于一固定的最大弹簧应力，支承壁的曲率半径与所希望的最大纤维应力成反比，而与支承壁接触点的弹簧厚度成正比。因此，对于一具有恒定厚度和所要求的拉伸应力，支承壁的曲率沿其长度是恒定的，也就是说，一段圆的切点在开始时在支承壁上的弹簧的端部。
对质量方面的观察结果。本发明的实施例的作用就象一个完全没有任何机械损耗、无级变速的速度/转矩传动装置一样，该传动装置具有理想的传输特性，如图19中的转矩比对速度比的曲线所示，可以在任何输出轴速度直至接近零的状况下把全部功率输入传送至输出轴上。该传动装置没有任何部件有实质性的功率损耗，因此，在极限情况下，功率传输的效率可以接近100％。如上所述的各种情况下，曲柄的多行程可以对D和d给出接近于恒定的转矩对时间的关系。当驾驶者或任何其它的原动机将输入能量施加于诸如一曲柄的输入驱动件时，能量就在一个或多个弹簧中的储存部位以及输出之间加以配置或分配以驱动车辆。对于多弹簧系统来说，某些输入能量被储存于各弹簧内并且在弹簧循环通过其各自增加的和减少的偏移时在各弹簧之间移动。
在一自行车运行时，驾驶者决不会感觉到需要站在踏板上以获得最大的转矩，例如在爬高坡时照原样就必须习惯地站于踏板上。而现在，驾驶者就可以始终以最大的功率速度用脚踏在踏板曲柄机构上，通常在60和90rpm之间。这是因为该系统自动地起作用以给出大致上最佳的速度比，在后轮速度下降至零的情况下获得最大功率从而达到最大速度状况(即在从动轴的速度接近驱动轴的速度的情况下，几乎没有弹簧偏移、低转矩运行的状况)。
在适用于一自行车的本发明的实施例中，在每个运行循环上求得平均的平均转矩输入对于一恒定的踏板速度而言即使自行车速度发生改变，大致上也是恒定的。假若踏板速度增加，则由驾驶者提供更大的功率，功率与乘以速度的转矩成比例。
在低速度下，驾驶者会感觉到最大、最长的瞬时转矩脉动。当速度在踏板速度保持恒定的情况下增加时，该转矩脉动的高度和持续时间两者都会降低。假若驾驶者增加踏板速度，则瞬时转矩脉动的高度和持续时间增加，因而输出转矩增加，于是获得较大的加速。
在驾驶者接近所需的运行速度的时，驾驶者就可以脚踏得比较慢，转矩脉动的高度和持续时间就会减少，平均转矩减少从而加速就会停止以给出一恒定的速度。于是驾驶者就会产生如同在常规自行车上同样的感觉。假若踏板速度增加，则功率输入就会增加从而速度增加。然而，驾驶者的脚踏速度有一个上限，因此就有一个最大速度，在此最大速度下该瞬时转矩脉动就会变短。
假若碰到一山坡，则驾驶者可以或者是(1)脚踏同一速度，在这种情况下转矩脉动将会变得比较高和比较长，自行车就会减速而驾驶者所感觉到的转矩将只是轻微地增加或保持相同状态；或者是(2)脚踏得比较快些，在这种情况下转矩脉动将变得平均比较高些，并且假若驾驶者脚踏得足够快，则速度就能够加以维持。
这种传送装置同样地适用于诸如汽车等其它的车辆，在这种情况下输入曲柄轴D的多行程可提供平滑的运行，并且假若需要，则在由同一原动轴D以不同速度加以驱动的两个轴d的情况下可获得一差动效应。在从动轴d全部以不同的速度运行的情况下，多于两根轴也可以由一单个驱动轴加以驱动，不管驱动轴D的固定速度如何。
当然也可以把这个可变速度比传动装置与一传统的换档传动装置组合起来以扩展运行速度范围。
无滑动，全轮驱动。如上所述，因为本发明的一传动装置实施例具有两个特性，即(1)对输出从动件的速度和转矩自动地调节，以及(2)即使在该从动件不转动的时也能将转矩施加于该输出从动件，本发明的实施例能够提供一无滑动的差动和多轮驱动的功能用于一车辆。每个轮子都由其自己的传动装置驱动。因此，当该车辆转动的时，径向地向内的轮子可以比径向地向外的轮子转动得更慢，从而即使某一个轮子不能动，转矩也能被施加于所有的轮子。
图33图解地示出了可以达到这一目的一种方式。一输入驱动件曲柄250具有一对曲柄销252和254，它们通过柔性驱动连接件256和258被连接于体现本发明各自制成的两个不同的棘轮260和262的驱动弹簧。每个棘轮的连续旋转运动从动件驱动地连接于各自的轮子264和266之一。这些原理可以应用于多于两个轮子，并且不限于使用一单曲柄输入驱动件。传动装置能够以不同的速度同时地驱动若干根轴。因此，利用本传动装置让某些曲柄半径待连接于一根轴上的一棘轮，而另一曲柄半径(曲拐处)则连接于第二根轴上的一棘轮就能够部分地完成通常由一差速器提供的功能。当车辆正在转动并且一个轮子以比另一个轮子慢的速度旋转的时候，发现较慢的轮子比较快的那个轮子有一较高的转矩，但是两者都被驱动。这一效果可以进行到极端的状况在一个轮子根本不动而另一个轮子在动或者当一个轮子正在滑动而另一个轮子则保持紧贴在路面上。正在滑动的轮子几乎不从传动装置中取得功率。正如一标准的差速器的状况一样，功率从驱动轴流到大部分正在动的轮子，在不动的轮子的弹性缩回的情况下驱动正在运动的轮子。本发明的这些特性可以用于多轮驱动，诸如通常的四轮驱动的情况。
这种类似于差速器的作用可以用于一脚踏的三轮车，其中两个后轮中的每一个可以由体现本发明的一传动装置驱动，利用两个推动曲柄驱动，这种推动曲柄具有以一个曲拐转变至一个轮子的传动装置的一个带驱动和从另一个曲拐转变至另一个轮子的传动装置的另一个带驱动。消除对于差速器的需要可以减少重量、复杂性和成本，同时可保持两轮驱动的优点。
图34用图解说明体现本发明的只是借助于多样的复制品的相同的运行情况，本发明适用于每种轮子以便脉动的定相和平滑化和/或扩展如同刚才所述的可用转矩和速度比的范围。
适用于扩展驱动比范围的平行传动装置。此传动装置的相同的通性可以按照另一种方式加以使用，即驱动轴可以用两种不同的速度比来驱动从动轴的任何一侧，从而例如就自行车而论，在由其各自的轮子的链轮直径决定的时后轮的一侧以一低的速度比被驱动而另一侧则以一较高的速度比被驱动。这种情况具有在不换档的状况下可以扩展转矩比范围的优点，一侧以较低的速度提供一高转矩，而另一侧则以较高的速度提供更大的转矩，即使两侧以全速同时驱动后轮。
例如，如图36中所示，一自行车轮子280的左侧可以具有直径为右侧上的弹簧和棘轮284的直径的3/4的一弹簧和棘轮282，借助于由同一驱动件曲柄286所驱动的两个弹簧(如图23中所示的较佳的实施例)，借助于相同的两个曲拐288和290。对于一自行车来说，驱动件曲柄286可以由一传统的自行车踏板曲柄机构292加以驱动，该曲柄机构利用一传统的驱动链294驱动地连接于该驱动件曲柄286上。
在低速度的状况下，右侧弹簧可以采用比左侧较高的一转矩，而在高速度下，右侧由于其较低的速度从而棘轮啮合的时间较小而对轮子的转矩贡献较少，而左侧由于相对于曲拐半径其直径较少，因而对轮子贡献一较长持续时间的转矩脉动。
可调节的曲拐半径。除了上述特性外，这一类型的传动装置可以在D上具有一可变直径的曲拐半径，至于例子，利用离心力驱动的一种传动装置在轴D的速度增加的时候可以增加该曲柄D的有效直径。这一性能可以具有扩展该传动装置的速度比的作用，以便在提高d的旋转速度的同时可以增强功率对D的旋转速度的迅速提高，也就是说，使得该传动装置不管输入功率如何更加接近于一恒定的速度。
可调节的曲拐的功率级。为了使该传动装置可以调节驾驶者的技巧和功率，支承壁可以被制成可加调节的，从而使得该弹簧-支承组合的力-位移关系松弛或刚性化，该支承壁离开弹簧的移动会缩减刚性-偏移关系，从而降低该传动装置的最大转矩和功率。图35表示具有可以利用一驱动弹簧274啮合的一支承壁272的一棘轮交替运动件270。驱动弹簧274按照以上所述的方法可被一柔性驱动连接件276所移动。然而，支承壁272利用枢轴销278可枢转地安装并且其角位移受到一控制索280的控制。该控制索使支承壁272可调节地枢轴转动到离开驱动弹簧274的位置较近些或较远些。
这种可以调节的支承壁的性能可以与前述的其中支承壁本身是有弹性的性能结合起来，因而它可以起一种弹簧的作用。在图37中用图示说明了可以让传动装置调节驾驶者的技巧和功率的一种较佳的结构，即在起动时允许低的踏板转矩。支承壁372在相对于弹簧的几何位置中是可以调节的，从而使该弹簧-支承组合的力-位移关系松弛或刚性化。在弹簧374偏转的时候，弹簧374与支承壁372以后在输入曲柄385的角旋转循环中的啮合会缩减刚性一偏转关系从而降低该传动装置的最大转矩和功率。所述的另一种方法，假若弹簧374抵住支承壁372的部位的长度是可以调节的，以致它以输入曲柄385的一给定角度的角旋转是较小的，则传动装置的最大转矩和功率就会减少。相反地，假若那个长度变大，则该传动装置的转矩和功率就会增加。图37表示与图23类似的一棘轮交替运动件370，此交替运动件具有可以由驱动弹簧372啮合的支承壁372。该驱动弹簧374以上面所述的方式由一柔性驱动连接件376移动。然而，支承壁372和弹簧374可以在被往返弹簧(图37中未示出)驱动的时候，利用被旋转地安装于一轴上的一滚轮378在其往返位置上旋转地加以改变，啮合在柔性驱动连接件376上并且被一控制索380控制于适当位置。该控制索380以与柔性连接件376成侧向地(图37中的向上和向下)调节滚轮378以改变该柔性驱动连接件376的路径。升高滚轮378导致弹簧保持器310与支承壁一起连接于它以转过一角度α。这就允许弹簧374和支承壁372以后的返回位置发生改变，假若该滚轮将柔性连接件从曲柄销386与棘轮件270之间的一直线向上拉起，那么，弹簧和支承壁不返回至与柔性连接件成一直线的某一位置(α＝0°-水平)，而是返回至如图37中所示的一较低的位置。在这个较低的返回位置，弹簧的有效力-偏移关系被缩减，因为弹簧以比它要大的一曲柄销386的角偏差碰到该支承壁，假若滚轮被允许完全返回至弹簧与曲柄销之间的一直线连接的话。较低的返回位置还会减少使弹簧374旋转所需的初始力，因为该力以更接近于以直角施加于弹簧。控制索380可以由驾驶者或者利用一计算机加以调节，如本技术领域中普通技术人员所熟知的那样。
尽管本发明的某些较佳的实施例已经被详尽地加以揭示，在不背离本发明的精神或以下的权利要求的范围的情况下，当然可以作出各种修改。
权利要求
1.一种用于传送来自输入驱动件的输入机械能的机械传动装置，该输入驱动件通过一输入机械能的源到达一输出从动件可以在交替运动中驱动，该传动装置具有一自动的、连续可变的驱动比，该传送装置包括(a)一棘轮，包括一交替运动件和一连续运动的输出件形成所述的输出从动件；(b)可驱动地连接于棘轮交替件和输入驱动件之间的一驱动弹簧，以便将施加于输入驱动件上的一力按一个方向传送到棘轮交替件上；以及(c)可驱动地连接于棘轮交替件的一返回弹簧，以便将一返回力施加于该棘轮交替件上，与驱动弹簧施加的力相反。
2.一种用于传送来自输入驱动件的输入机械能的机械传动装置，该输入驱动件通过一输入机械能的源到达一输出从动件可以在交替运动中驱动，该传动装置具有一自动的、连续可变的驱动比并且将交替运动转换为旋转运动，该传动装置包括(d)一棘轮，包括一交替运动件和一连续运动的，旋转的输出件，形成所述的输出从动件；(e)可驱动地连接于棘轮交替件和输入驱动件之间的一驱动弹簧，以便将施加于输入驱动件上的一力按一个方向传送到棘轮交替件上；以及(f)可驱动地连接于棘轮交替件的一返回弹簧，以便将一返回力施加于该棘轮交替件上，与驱动弹簧所施加的力相反。
3.根据权利要求2所述的传动装置，其特征在于，输入驱动件是具有一曲柄销的一曲柄，该曲柄销可旋转地和驱动地连接于驱动弹簧。
4.根据权利要求2所述的传动装置，其特征在于，输入驱动件利用一柔性驱动连接件驱动地连接于驱动弹簧。
5.根据权利要求2所述的传动装置，其特征在于，驱动弹簧具有非线性力系数，此非线性系数是驱动弹簧位移的一个增函数，从而力和每单位位移所储存的能量随弹簧位移而增加。
6.根据权利要求2所述的传动装置，其特征在于，驱动弹簧是一悬臂弹簧，该悬臂弹簧在返回弹簧的最松弛的部位沿圆周伸展至少部分地环绕并连接于棘轮交替件上。
7.根据权利要求6所述的传动装置，其特征在于，输入驱动件是利用一柔性连接件驱动地连接于驱动弹簧上。
8.根据权利要求6所述的传动装置，其特征在于，驱动弹簧具有一非线性力系数，这个非线性力系数是弹簧位移的一个增函数，从而每单位位移的力和能量随弹簧位移而增加。
9.根据权利要求6所述的传动装置，其特征在于，进一步包括以首端固定于棘轮交替件的一驱动弹簧支承壁，并且沿着从驱动弹簧的连接部位附近至棘轮交替件的一弯曲路径向外伸展，支承壁被定位于驱动弹簧的外部并且对齐以便由产生位移的驱动弹簧啮合。
10.根据权利要求9所述的传动装置，其特征在于，驱动弹簧支承壁是有弹性的，以便在驱动弹簧抵住该支承壁的时候对着驱动弹簧提供一弹簧力，从而弹性地增加由该驱动弹簧所施加的有效弹簧力。
11.根据权利要求9所述的传动装置，其特征在于，输入驱动件是一曲柄，该曲柄具有可旋转地和驱动地连接于驱动弹簧上的一曲柄销。
12.根据权利要求11所述的传动装置，其特征在于，输入驱动件利用一柔性驱动连接件驱动地连接于驱动弹簧上。
13.根据权利要求9所述的传动装置，其特征在于，支承壁是可加调节地移动至驱动弹簧的路径中的选定部位，从而改变驱动弹簧啮合该支承壁处的驱动弹簧位移。
14.根据权利要求2所述的传动装置，其特征在于，进一步包括(a)一曲柄，具有多个围绕旋转的曲柄轴线成角度隔开的曲柄销；(b)多个所述的棘轮，每个棘轮包括一交替运动件以及一连续运动的，旋转的输出件，该输出件是一起固定的以形成所述的输出从动件；(c)多个驱动弹簧，每个驱动弹簧可旋转地连接于曲柄销中的一个并且驱动地连接于棘轮交替件中的一个，每个驱动弹簧按一个方向将施加于一输入驱动件的一力传送到一棘轮交替件上；以及(d)多个返回弹簧，每个返回弹簧驱动地连接于棘轮交替件中的一个，以施加一与驱动弹簧所施加的力相反的返回力。
15.根据权利要求3或6所述的传动装置，其特征在于，进一步包括一双曲柄自行车踏板机构，该踏板机构通过一固定比传动装置驱动地连接于曲柄输入驱动件，该固定比传动装置的传动比以一个比自行车踏板机构要高的角速度驱动曲柄输入驱动件。
16.根据权利要求2所述的多个传动装置，其特征在于，所述传动装置中的每一个驱动地连接于一车辆的不同的轮子上以将转矩施加于一传动装置与之连接的轮子上，同时允许轮子以不同的角速度旋转。
17.根据权利要求2所述的包括至少两个传动装置或变速器的传动装置，其特征在于，所述的传动装置或变速器中的每一个具有其输出从动件，输出从动件驱动地连接于一车辆的同一轮子上，并且驱动地连接于一输入驱动件以通过其输入驱动件以不同的角速度驱动。
18.根据权利要求17所述的传动装置，其特征在于，该传动装置或变速器的棘轮交替件具有不同的直径。
19.根据权利要求9的传动装置，其特征在于，输入驱动件是一曲柄，并且利用一柔性驱动连接件驱动地连接于驱动弹簧，以及该传动装置进一步地包括一旋转地安装于一轴上并且与该柔性驱动连接件啮合的滚轮，所述轴是在柔性驱动连接件的横向可移动地加以调节的，以便改变该驱动连接件的路径。
20.根据权利要求18的传动装置，其特征在于，所述轴被连接至一可移动的控制索上以便于可移动地调节滚轮的横向位置。
全文摘要
一种自动地和平滑地连续可变的的传动装置，特别适用于自行车，用于将来自一曲柄的输入机械能传送至驱动轮。该装置具有一摆动的交替运动件和一连续旋转运动件，被连接至从动轮上的一棘轮，具有驱动地连接于棘轮交替件与曲柄之间的一驱动弹簧，用于按运动的一个方向来驱动该棘轮交替件。一返回弹簧连接于棘轮交替件，用于把一返回力施加于棘轮交替件上从而按相反方向返回该交替件。
文档编号B62M1/24GK1826262SQ200480021213
公开日2006年8月30日 申请日期2004年2月25日 优先权日2003年5月28日
发明者威廉·T·比乐 申请人:威廉·T·比乐