一种采用非圆锥齿轮的脚踏式轴传动机构的制作方法

本发明属于自行车制造领域，尤其是轴传动自行车制造领域，涉及一种采用非圆锥齿轮的脚踏式轴传动机构。

背景技术：

当前自行车的传动方式有链条传动、同步齿形带传动、轴传动等传动方式，其中链条传动由于其成本低、质量轻、维修方便的优点，成为自行车传动的主流方式。在链传动自行车问世之初，就有设计人员提出采用椭圆型链轮的传动方式，以实现骑行者在脚踏由上下位置到水平位置过程中加速，由水平位置到上下位置过程中减速。但链传动自行车亦存在诸多缺点，例如传动平稳性差、承受的扭矩小、链条脱落及松弛问题、行驶噪音大以及油污问题；相比链传动自行车的诸多缺点，轴传动自行车以其超高的稳定性、免维护性、传动平稳、干净、舒适的优点，受到了诸多青睐。

现有的轴传动自行车，普遍采用圆锥齿轮实现动力由脚踏板到自行车后轮的传递，该传动方法在脚踏板回转整周内实现的是恒速比传动，不符合人体工程力学特性。为改善轴传动自行车的骑行体验，以实现非圆链轮传动自行车的传动优势，本发明研究一种采用非圆锥齿轮传动的轴传动自行车方案。

非圆锥齿轮作为一种可以实现相交轴之间变速比传动的机械传动零件，最早由瑞典人ollson于1959年提出，至今有将近60年历史。目前，非圆锥齿轮已在汽车限滑差速器、流体泵、农业机械等领域获得应用，其设计及制造技术难题被逐渐攻克。齿轮副的节面是一副具有相同球面半径的空间共轭节锥面，与圆锥齿轮的不同在于，在不同的啮合位置可以实现变化的节锥角，从而实现传动比的改变。非圆锥齿轮的齿面更为复杂，为广义球面渐开面，随着cad技术的发展，其齿面的精确求解也变为现实。在制造方面，随着粉末冶金、精密铸造等批量化生产技术的成熟，其批量生产成本得到大幅度下降，有利于其推广应用。

技术实现要素：

为了实现轴传动自行车在骑行过程中，随着脚踏板在骑行的不同位置，而传动系统输出不同的传动比，本发明提供一种采用非圆锥齿轮的脚踏式轴传动机构。

一种采用非圆锥齿轮的脚踏式轴传动机构包括非圆锥齿轮副、脚踏轴、动力传动轴和面齿轮副；

所述非圆锥齿轮副包括非圆锥主动齿轮和非圆锥从动齿轮，所述非圆锥主动齿轮固定设于脚踏轴的一端，所述非圆锥从动齿轮固定设于动力传动轴的一侧上；

所述面齿轮副包括面齿轮和圆柱齿轮，所述面齿轮固定设于动力传动轴的另一端，所述圆柱齿轮固定设于自行车的后轮轴上；

工作时，通过脚踏轴的转动将回转运动传递给非圆锥主动轮，驱动非圆锥从动轮旋转，再通过传动轴，将动力传递给面齿轮，驱动圆柱齿轮旋转，实现自行车的后轮驱动运行；当脚踏驱动臂与地面接近平行状态，非圆锥主动轮的短径部分与非圆锥从动轮的长径部分啮合；当脚踏驱动臂与地面接近垂直状态，非圆锥主动轮的长径部分与非圆锥从动轮的短径部分啮合；从而实现非圆锥齿轮副在脚踏的不同位置具有不同的传动比。

进一步限定的技术方案如下：

所述非圆锥主动轮和非圆锥从动轮结构相同，为具有长径部分和短径部分的卵形锥齿轮副，卵形锥齿轮副的节锥面为非圆锥形，长径部分的最大节锥角α与短径部分的最小节锥角β之和为90°，且有α与β的比值关系范围为1.2～1.6。

所述非圆锥齿轮副的轴交角为90度。

当脚踏驱动臂与地面接近平行状态，非圆锥齿轮副的传动比范围为1.2～1.6，当脚踏驱动臂与地面接近垂直状态，非圆锥齿轮副的传动比范围为0.6～0.8，实现非圆锥齿轮副在脚踏的不同位置具有不同的传动比。

所述主动面齿轮与圆柱齿轮的齿数比范围为3.5～5.5。

在所述面齿轮副的圆柱齿轮到自行车后轮的动力传递过程中，可增设多挡变速装置。

参见图5，本发明采用的非圆锥齿轮副设置为卵形锥齿轮副，卵形锥齿轮副的节曲线图形，其笛卡尔坐标系的数学表达式为：

其中，g为非圆锥齿轮转角，且有g∈[0,2π]；δ为节曲线上某一位置所对应节锥角，且有δ＝atan(0.9775/(1+0.3cos(2g)+0.0225))，取非圆锥主动轮和从动轮具有相同的节曲线形状。

参见图6，为由图5所示卵形锥齿轮副的节曲线，所形成的一副具有相同圆心的非圆节锥曲面的共轭传动示意图。该副非圆节锥曲面具有相同的球面半径，可实现围绕自身的回转轴线的纯滚动传动；

参见图7，示意了非圆锥齿轮齿面的求解过程示意，采用一个与非圆锥齿坯具有相同球面半径的圆锥齿轮，让圆锥齿轮的圆锥节面与非圆锥节面进行纯滚动。在纯滚动过程中，让非圆锥齿坯与圆锥齿轮进行布尔差运算，以此可形成非圆锥齿轮的包络齿面；

参见图9，本发明用式(1)构建非圆锥齿轮副，取面齿轮副的增速比系数为4，得到的非圆锥主动轮到圆柱齿轮的传动比曲线图。该传动比特性是通过面齿轮副的增速比传动，将非圆锥齿轮副产生的传动比进行线性比例放大，以提高自行车的行驶速度。

发明的有益技术效果体现在以下方面

1.采用脚踏板驱动一副非圆锥齿轮作为自行车的动力输入，在保证轴传动自行车各方面优势的基础上，可以使其具有更好的人体工程力学特性；当脚踏驱动臂处于接近垂直地面状态时，非圆锥齿轮副具有较小的传动比，可减轻腿部的不适，当脚踏驱动臂处于接近平行地面状态时，非圆锥齿轮副具有较大的传动比，可在腿部的发力位置，使自行车获得加速；在自行车的后轮部分采用面齿轮副传动，比传统的圆锥齿轮副，具有更大的重合度，使传动更加平稳；同时，面齿轮副的从动轮为圆柱齿轮，其轴向移动不影响传动特性，且传动过程不产生轴向力，更有利于结构设计，且可简化轴向支撑。

2.本发明实现当脚踏驱动臂处于接近垂直地面状态时，非圆锥齿轮副具有较小的传动比，可减轻腿部的不适，当脚踏驱动臂处于接近平行地面状态时，非圆锥齿轮副具有较大的传动比，可在腿部的发力位置，使自行车获得加速；从而改善骑行者的骑车体验，降低长较长时间骑车过程的不适感。

附图说明

图1为本发明自行车传动原理示意图；

图2a为非圆锥主动齿轮的长径部分和非圆锥从动齿轮的短径部分啮合示意图；

图2b为非圆锥主动齿轮的短径部分和非圆锥从动齿轮的条径部分啮合示意图；

图3为本发明面齿轮副传动示意图；

图4为本发明圆柱齿轮到自行车后轮的传动示意图；

图5为本发明卵形锥齿轮副节曲线示意图；

图6为本发明卵形锥齿轮副节锥面示意图；

图7为本发明卵形锥齿轮齿面求解示意图；

图8为本发明卵形锥齿轮副传动比变化曲线；

图9为本发明传动系统传动比变化曲线；

上图1-4中序号：非圆锥主动齿轮1、非圆锥从动齿轮2、脚踏轴3、动力传动轴4、面齿轮5、圆柱齿轮6。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

实施例1

参见图1，一种采用非圆锥齿轮的脚踏式轴传动机构包括非圆锥齿轮副、脚踏轴3、动力传动轴4和面齿轮副。

参见图2a和图2b，非圆锥齿轮副包括非圆锥主动齿轮1和非圆锥从动齿轮2，非圆锥主动轮和非圆锥从动轮结构相同，为具有长径部分和短径部分的卵形锥齿轮副。卵形锥齿轮副的节锥面为非圆锥形，长径部分的最大节锥角α与短径部分的最小节锥角β之和为90°，长径部分的最大节锥角α与短径部分的最小节锥角β比值为1.35。参见图3，非圆锥齿轮副的轴交角为90度。

非圆锥主动齿轮1固定安装于动力传动轴4的一端，非圆锥从动齿轮2固定安装于脚踏轴3的一侧上。

面齿轮副包括面齿轮5和圆柱齿轮6，面齿轮的节面为一平面，与圆柱齿轮的圆柱形节曲面作纯滚动，主动面齿轮与圆柱齿轮的齿数比为4。面齿轮固定安装于动力传动轴的另一端，圆柱齿轮固定安装于自行车的后轮轴上，参见图4。

工作时，通过脚踏轴的转动将回转运动传递给非圆锥主动轮，驱动非圆锥从动轮旋转，再通过传动轴，将动力传递给面齿轮，驱动圆柱齿轮旋转，实现自行车的后轮驱动运行。

参见图8，用式(1)构建非圆锥齿轮副，得到的非圆锥主动轮到非圆锥从动轮的传动比曲线图。在脚踏驱动臂与地面接近平行状态，非圆锥齿轮副的传动比为1.35，在脚踏驱动臂与地面接近垂直状态，非圆锥齿轮副的传动比为0.75，实现非圆锥齿轮副在脚踏的不同位置具有不同的传动比，也即产生不同的力矩传递特性。