专利名称：一种能提高人力机械效率的共轴双飞轮伞齿轮组的制作方法
技术领域：
-
本发明涉及用人力的机械，主要用于自行车。
技术背景-
目前凡是使用人力的机械装置几乎都是用手摇的单曲柄(摇把)或脚踏 的双曲柄(自行车脚蹬)直接作圆周运动来使机械转动，这种装置虽然简单实 用，但是存在效率不高，容易疲劳等缺点。因为机械需要的是圆周运动，而人 体的构造不适合作圆周运动，适合作往复运动。作圆周运动也存在缺陷，下面 以图分析说明在图3中，当人的脚踩曲柄时，只有前半圈用力，而后半圈不用
力只起使曲柄向上复位作用。在图3中F代表人的脚的力，这力的方向始终是向 下的；V表示圆周运动方向上的分力，这力的方向是圆的切线方向，从图中可以 看出方向随位置变化，V与F之间的夹角也随着变化，这可以用公式表示 V=F*Cosa
a是V与F的夹角，也是所在位置的角度数，从图中可以看出上止点90度和下止 点-90度时最小V:F+Cos90-0
这时的用力方向和运动方向成90度，只是靠惯性转过去。在O度处最大， V=F*CosO=F
所以越靠近这位置越省力，效率越高。这范围大约在-45度至45度的范围内，范 围越小运动轨迹越接近直线，效率越高，在45度时V-F^os45-0. 71F 。 本人从中国古代的人力机械如人力水车得到启发，认为中国古代的人力机械如 人力水车的效率也比这种装置效率要高，人可以长时间的踩动水车而不太累。 这种水车是在木轴上安两根长直柄，直柄穿透木轴，直柄两头都可以踩动，如 图5，，两根直柄相距约二十厘米在木轴上成90度交叉，当左脚把左直柄踩下 至-45度位置(b)时，右直柄的一头也转至45度位置(a)处，这时右脚踩下， 转至-45度(b)处时，左直柄的另一头也转至45度位置(a)处，这时踩下左 脚，左直柄踩下去，右直柄的另一头也转过来了，这样周而复始转动了木轴， 使水车运转。从图中可以看出尽管直柄和木轴不断地转，人的两脚的行程始终 在-45度至45度之间。所以省力效率高。但是在车水时双脚要不断地跳至下一个 直柄，因此安全就有问题，在自行车之类的运动机械上就不能使用。
发明内容-
本人从古老的水车启发下发明这装置，从图6中可以看到，踏杆和弧形 齿条是结合在一起的，可绕踏杆轴(6)旋转一定角度。左踏杆(3)正在下止 点(b)位置，右踏杆(1)正处在上止点(a)位置，上止点(a)与下止点 (b)位置间接近与-45度至45度的位置，两踏杆用脚踩着上下运动，行程如带 箭头弧线所示，此行程可以调整， 一般上、下止点的行程夹角为90度左右。
但是两踏杆作上下往复运动不作圆周运动必须解决两个问题不作圆周 运动踏杆踩下去后如何向上复位至上止点，左右踏杆如何配合， 一个踏杆踏下 去另一个踏杆必须向上复位为下一脚的踩动作准备；踏杆的上下往复运动如何 转化为机械的定向转动，这就是下面要讲的共轴双飞轮伞齿轮组的功能。
3图7是共轴双飞轮伞齿轮组的主轴部分构造图，从图8和图9中可看清左飞 轮和右飞轮的零件结构。这种特制飞轮构造内芯(a)和自行车飞轮一样，是棘 轮机构，因此有方向性，左右飞轮外形是一样的，就是内芯(a)的棘轮方向相 反，自行车飞轮的外廓是链轮，这里飞轮的外廓是直齿轮(b)和伞锥齿轮 (c)结合体，飞轮轴衬(d)起把飞轮固定在主轴上的作用，因为本人是用自 行车飞轮改制的，内径较大，就做个轴衬用键条固定在主轴上，如果批量生 产，专制的飞轮内径和主轴紧密配合，就不需要轴衬。左飞轮(10)和右飞轮
(9) 安装在主轴(11)上的内芯的方向是一致的，在图7上顺时钟向是正向， 合步伞锥齿轮(13)，和左右飞轮(10) (9)的伞锥齿轮成90度啮合在一起， 起左右合步作用，安装在合步伞锥齿轮固定螺栓(15)固定的合步伞锥齿轮轴 承(14)上，合步伞锥齿轮固定螺栓(15)的上部固定在主轴承座(图1的12) 上，三个伞锥齿轮啮合在一起成一个伞齿轮组，由于合步伞锥齿轮(13)的传 动，左飞轮(10)右飞轮(9)的外廓转动方向必定相反，但是飞轮的特性是正 向可以带动主轴一起转动，反向则滑动，不管左飞轮(10)与右飞轮(9)怎么 转动，主轴(11)只向顺时钟向转动。这个结构本人形象地称之为共轴双飞轮 伞齿轮组。
在图1中，左踏杆(3)和左弧形齿条(4)是以连接销(5)结合在一 起，安装在踏杆轴(6)上的左弧形齿条轴承(7)上，因此可以在踏杆轴(6) 上转动。右踏杆(1)和右弧形齿条(2)各以销钉固定在踏杆轴(6)上，因此 可和踏杆轴(6) —起转动，因为左边的踏杆和齿条与踏杆轴(6)之间有左弧 形齿条轴承(7)结合，所以左右部分在踏杆轴(6)上转动互不影响。右踏杆
(1)和右弧形齿条(2)也可以象左边一样安装在轴承上，但是这图表示的是 在自行车上安装的，右踏杆(1)和右弧形齿条(2)之间有一自行车链轮，受 地位限制，为了不影响链轮和链条的运转，右踏杆(1)和右弧形齿条(2)固 定在踏杆轴(6)上利用轴结合起来。链轮(17)安装在主轴(11)的一头上， 链轮(17)作功的方向在图l上看是逆时钟方向，所以飞轮以逆时钟方向为正方 向，两个飞轮都安装在主轴(11)上，只要一个飞轮作正向运动就能使主轴旋 转，带动链轮转动，飞轮如反向转动，就在主轴(11)上滑动，不影响主轴的 运转。当左踏杆(3)踩下时，左弧形齿条(4) 一起作逆时钟方向转动，带动 左飞轮(10)顺时钟方向转动，，这时顺时钟方向是反向，左飞轮(10)转动 不能带动主轴(11)旋转，但是左飞轮(10)外廓的伞锥齿轮使合步伞锥齿轮
(13)转动，传动到右飞轮(9)的伞锥齿轮，使右飞轮(9)逆时钟方向转 动，由于这是正向，右飞轮(9)就带动主轴(11)和链轮(17) —起转动，与 此同时右飞轮(9)上的直齿轮使右弧形齿条(2)顺时钟方向转动，右踏杆
(1) 向上升，至上止点后再踩动右踏杆(1)，右踏杆(1)和右弧形齿条
(2) 开始逆时钟方向转动，带动右飞轮(9)顺时钟方向转动，由于是逆向， 右飞轮(9)的内芯对主轴(11)不起作用，而通过伞锥齿轮组的传动使左飞轮
(10) 逆时钟方向转动，由于这是正向，左飞轮(10)的内芯带动主轴(11) 和链轮(17)逆时钟方向转动，同时左飞轮(10)上的直齿轮带动左弧形齿条
(4)左踏杆(3)顺时钟方向转动，左踏杆(3)向上复位直至上止点。这样周 而复始左右踏杆持续上下摆动，主轴(11)链轮(17)就不断转动，在这装置
4里两个踏杆输入的是上下的往复运动，到主轴(11)输出的是定向转动，共轴 双飞轮伞齿轮组又起了左右配合的作用，左踏杆下必右踏杆上，右踏杆下必左 踏杆上，为下一步作准备。
图2是共轴双飞轮伞齿轮组装在自行车的位置外形图，限幅器(20)的作 用是限制踏杆和弧形齿条的摆动幅度，不限制摆幅踏杆会垂到地上，弧形齿条 会脱出齿轮。限幅器(20)还有一个作用是调整幅度适合各人的身材，人有高 矮，步有长短，合适的摆幅可发挥人的效率。在图2中限幅器3可把销子插入不 同眼子来调整限幅器长短，限程器有个铁栓挡住踏杆或齿条，只须挡住一头， 由于伞锥齿轮组的制约另一头不用挡就限制住，可以设计只在上止点或只在下 止点挡住， 一般在上止点较方便。
还有一个方案见图(11),弧形齿条实际上是大齿轮的一部分，它的齿 数比飞轮的直齿轮少，由于是往复摆动，直齿轮的齿有的也用不着，制造时可 以不开齿，齿条的两头也不开齿，如图(11)，转到无齿的部分行程就终止 了。这个方案的缺点是不能调整幅度。为安全起见，可以两个方案都用，作为 另一装置损坏时起保险作用。
图l是共轴双飞轮伞齿轮组装置的构造示意图，(1)右踏杆，(2)右 弧形齿条，(3)左踏杆，(4)左弧形齿条，(5)连接销，(6)踏杆轴， (7)左弧形齿条轴承，(8)踏杆轴承座，(9)右飞轮，(10)左飞轮， (11)主轴，(12)主轴轴承座，(13)合步伞锥齿轮，(14)合步伞锥齿轮 轴承，(15)合步伞锥齿轮固定螺栓，(16)合步伞锥齿轮固定螺母，(17) 链轮。
图2是共轴双飞轮伞齿轮组装置装在自行车的位置外形图，(18),是 齿轮罩，(19),是链轮罩，(20)是限幅器。
图3是曲柄在作圆周运动时用力的分析图。
图4是自行车双曲柄在上止点和下止点时的力的分析(a)位置是上 止点，(b)位置是下止点。
图5是水车时用力的分析(1)是左直柄，(2)是右直柄，(3)是 木轴，(a)位置是脚踏的起始点，(b)位置是脚踏的离开点。
图6是共轴双飞轮伞齿轮组的示意图(1)右踏杆，(2)右弧形齿 条，(3)左踏杆，(4)左弧形齿条，(6)踏杆轴，(A)共轴双飞轮伞齿轮 组主轴部分。(a)位置是踏杆的上止点，(b)位置是踏杆的下止点。
图7是共轴双飞轮伞齿轮组装置主轴部分构造图；(9)右飞轮， (10)左飞轮，(11)主轴，箭头所指的是主轴转动方向(13)合步伞锥齿 轮，(14)合步伞锥齿轮轴承，(15)合步伞锥齿轮固定螺栓，(16)合步伞 锥齿轮固定螺母。
图8是右飞轮的零件图，(a)飞轮内芯，箭头所指的是飞轮正转方 向，(b)飞轮外廓直齿轮部分，(c)飞轮外廓伞锥齿轮部分，(d)轴衬。
图9是左飞轮的零件图，(a)飞轮内芯，箭头所指的是飞轮正转方 向，(b)飞轮外廓直齿轮部分，(c)飞轮外廓伞锥齿轮部分，(d)轴衬。
图10是合步伞锥齿轮构造图(13)合步伞锥齿轮，(14)合步伞锥
5齿轮轴承，(15)合歩伞锥齿轮固定螺栓，(16)合步伞锥齿轮固定螺母，
图ll是弧形齿条限幅结构示意图(4)弧形齿条，(10-c)飞轮外廓
的直齿轮具体实施方式
-
共轴双飞轮伞齿轮组可以安装在各种使用人力的机械装置中，如人力水 泵，人力发电机等，最广泛的当然是自行车了，由于效率比双曲柄高，因此速 度较快，上坡力大。更因为合乎人体学原理，人可以长时间骑行，不易疲劳。 由于两脚是上下往复运动，不是踏圈子，比较安全易学。构造简单紧凑，可以 大量生产新车，也可以制成配件，改装在旧车上。
权利要求一种能提高人力机械效率的共轴双飞轮伞齿轮组，主要用于自行车，用双脚踏动使机械转动，但效率较高，其特征是两个在同一个主轴(11)上的特制飞轮右飞轮(9)与左飞轮(10)，特制飞轮的外廓不是链轮而是直齿轮和伞锥齿轮结合体，两个飞轮的伞齿轮部分和一个合步伞锥齿轮(13)啮合成一个伞齿轮组，两个飞轮的直齿轮部分各与左右弧形齿条(2)、(4)啮合，左右弧形齿条(2)、(4)各与左右踏杆(1)、(3)连结，上下踏动左右踏杆(1)、(3)可带动左右弧形齿条(2)、(4)，作用于左右飞轮(9)(10)的直齿轮把人的动力传动到伞齿轮组，使伞齿轮组的主轴(11)上的链轮或齿轮(17)输出动力，这动力是定向的转动。
专利摘要一种能提高人力机械效率的共轴双飞轮伞齿轮组，主要用于自行车，用双脚踏动使机械转动，但效率较高，两个在同一个主轴(11)上的特制飞轮右飞轮(9)与左飞轮(10)，特制飞轮的外廓不是链轮而是直齿轮和伞锥齿轮结合体，两个飞轮的伞齿轮部分和一个合步伞锥齿轮(13)啮合成一个伞齿轮组，两个飞轮的直齿轮部分各与左右弧形齿条(2)、(4)啮合，左右弧形齿条(2)、(4)各与左右踏杆(1)、(3)连结，上下踏动左右踏杆(1)、(3)可带动左右弧形齿条(2)、(4)，作用于左右飞轮(9)(10)的直齿轮把人的动力传动到伞齿轮组，使伞齿轮组的主轴(11)上的链轮或齿轮(17)输出动力，这动力是定向的转动。
文档编号B62M1/24GK201283989SQ200720077600
公开日2009年8月5日 申请日期2007年12月28日 优先权日2007年12月28日
发明者谢凯年 申请人:谢凯年