自行车变速机构和自行车的制作方法

本申请涉及自行车尤其是电动自行车领域，具体涉及一种自行车变速机构和自行车。

背景技术：

普通的自行车中轴变速结构大都采用齿盘拨链结构来达到变速的目的。齿盘拨链结构由于体积较大只能采用开式布局，极易受到自然环境因素的侵蚀而且对齿片、拨链器、齿片等结构的表面处理提出了很高的要求，同时还易接触到消费者的衣服进而污损衣物。

技术实现要素：

本申请目的是：针对上述问题，提供一种新型的自行车变速机构和自行车，由普通的链条齿片开式拨链式优化成封闭式齿轮相互啮合方式，从而提高了变速结构安全性和寿命，对于速比不在单一的依赖牙盘和飞轮的速比，也可以调整齿轮配合的齿数来达到需求的速比，压缩了牙盘的径向尺寸，便于对自行车传动结构小型化设计。

本申请的技术方案是：

一种自行车变速机构，包括：

其两端用于安装曲柄的主轴，

套在所述主轴外的牙盘基座，

连接所述牙盘基座和所述主轴的第一单向离合器，以及

与所述牙盘基座相连接、且同轴布置于所述主轴外的牙盘；

还包括：

第一主动齿轮，所述第一主动齿轮同轴固定于所述主轴外；

副轴，所述副轴与所述主轴平行布置；

第一从动齿轮，所述第一从动齿轮旋转套设于所述副轴外，并且该第一从动齿轮与所述第一主动齿轮啮合连接；

换向主动齿轮，所述换向主动齿轮固定套设于所述副轴外；

换向从动齿轮，所述换向从动齿轮旋转套设于所述主轴外、并与所述换向主动齿轮啮合连接，而且该换向从动齿轮与所述牙盘基座通过第二单向离合器相连接，所述第一主动齿轮与所述换向从动齿轮的传动比小余1；

换档滑块，所述换档滑块可轴向滑动地套设于所述副轴外、并且该换档滑块与所述副轴周向固定，所述第一从动齿轮朝向该换档滑块的那一侧制有与该换档滑块相适配的第一嵌槽，当所述换档滑块沿所述副轴轴向移动而嵌入所述第一嵌槽中时，所述换档滑块与所述第一从动齿轮周向固定；以及

与所述换档滑块相连接、以带动所述滑块沿所述副轴轴向滑动的滑块制动组件。

本申请在上述技术方案的基础上，还包括以下优选方案：

还包括：

第二主动齿轮，所述第二主动齿轮同轴固定于所述主轴外、并与所述第一主动齿轮轴向隔开布置；以及

第二从动齿轮，所述第二从动齿轮旋转套设于所述副轴外、并与所述第二主动齿轮啮合连接，所述第二从动齿轮与所述第一从动齿轮轴向隔开布置，所述换档滑块布置于所述第二从动齿轮和所述第一从动齿轮之间，所述第二从动齿轮朝向所述换档滑块的那一侧制有与所述换档滑块相适配的第二嵌槽，当所述换档滑块沿所述副轴轴向移动而嵌入所述第二嵌槽中时，所述换档滑块与所述第二从动齿轮周向固定，所述第二主动齿轮与所述换向从动齿轮的传动比小于1，并且所述第二主动齿轮与所述第一主动齿轮的齿数不同。

所述主轴和所述副轴均分别通过支撑轴承旋转装配于一外壳中，所述第一主动齿轮、所述第一从动齿轮、所述第二主动齿轮、所述第二从动齿轮、换向主动齿轮和所述换向从动齿轮均收容于所述外壳内部。

所述副轴的一端开设有轴向向内延伸的滑孔，所述副轴的表面开设有轴向延伸的、且与所述滑孔相通的直线缝，所述滑块致动组件包括：

拉杆，所述拉杆活动插设于所述滑孔中；

连接轴承，所述连接轴承包括转动连接的轴承内圈和轴承外圈，所述轴承内圈套设连接于所述拉杆外；

连接销，所述连接销的一端与所述轴承外圈固定、另一端穿过所述直线缝与所述换档滑块固定；

摆臂，所述摆臂与所述外壳旋转连接，且该摆臂的摆动端与所述拉杆之间连接拉绳；以及

拉绳导引柱，所述拉绳导引柱与所述外壳固定，所述拉绳的中部绕过该拉绳导引柱、两端分别连接所述摆臂和所述拉杆。

所述摆臂的摆动端固定设置有拉绳连接柱，所述拉绳与该拉绳连接柱相连接。

所述副轴的一端开设有轴向向内延伸的滑孔，所述副轴的表面开设有轴向延伸的、且与所述滑孔相通的直线缝，所述滑块致动组件包括：

活动插设于所述滑孔中的拉杆，以及

与所述所述拉杆相连、以驱动所述拉杆沿所述滑孔移动的电机。

所述副轴的一端锁紧连接有一个位于所述滑孔孔口处的导绳螺母，所述拉绳穿设于所述导绳螺母。

所述滑孔内固定设置有一导套，所述拉杆滑动贴合地穿设于所述导套中。

所述滑块致动组件还包括分别布置于所述连接轴承轴向两侧的第一弹簧和第二弹簧，所述拉杆外环绕形成有一圈环形的凸缘，所述第一弹簧弹性压缩地抵靠在所述连接轴承和所述滑孔孔底壁之间，所述第二弹簧弹性压缩地抵靠在所述凸缘和所述导套之间，所述连接轴承在所述第一弹簧的弹簧推力作用下贴靠所述凸缘布置。

所述导套外壁制有外螺纹，所述滑孔孔壁制有与所述外螺纹相适配的内螺纹，所述导套与所述滑孔借助所述外螺纹和所述内螺纹相连接。

所述副轴的表面形成有若干条轴向延伸的直线凸棱，并且这些直线凸棱沿所述副轴的圆周方向间隔分布，所述换档滑块内制有穿套于所述副轴外的内孔，所述内孔的孔壁处形成有与各条所述直线凸棱分别对应的直线滑槽，所述直线凸棱与直线滑槽滑动嵌合。

所述牙盘基座固定连接有与所述主轴同轴布置的、用于连接自行车中置电机的电机动力接入齿轮。

一种自行车，包括上述结构的自行车变速机构。

本申请的优点是：本申请通过齿轮配比来达到所需速比的要求，通过拨叉结构来达到变速的目的，由于齿轮结构体积较小，因而可以采用闭式结构，将传动系统全部内置，避免了自然环境因素的侵蚀，提高部件的寿命。同时和中置电机驱动系统相结合达到了助力和变速的双重效果。

附图说明

下面结合附图及实施例对本申请作进一步描述：

图1为本申请实施例中自行车的结构示意图；

图2为本申请实施例中自行车变速机构的立体外观图；

图3为本申请实施例中自行车变速机构的爆炸图之一；

图4为本申请实施例中自行车变速机构的爆炸图之二；

图5为本申请实施例中自行车变速机构的侧视图；

图6为图5的a-a向剖面图；

图7为本申请实施例中自行车变速机构的内部结构图；

图8为本申请实施例中自行车变速机构的局部结构图；

图9为本申请实施例中自行车变速机构另一处的内部结构图；

其中：1-中轴，2-牙盘基座，3-第一单向离合器，4-牙盘，5-第二单向离合器，6-第一主动齿轮，7-副轴，7a-滑孔，7b-直线缝，7c-直线凸棱，8-第一从动齿轮，8a-第一嵌槽，9-换挡滑块，9a-直线滑槽，10-换向从动齿轮，11-换向主动齿轮，12-第二从动齿轮，12a-第二嵌槽，13-连接轴承，14-连接销，15-摆臂，16-外壳，16a-壳本体，16b-左壳盖，16c-右壳盖，17-支撑轴承，18-拉绳，19-拉绳导引柱，20-拉绳连接柱，21-导套，22-导绳螺母，23-第一弹簧，24-第二弹簧，25-电机动力接入齿轮，26-车座，27-车轮，28-脚撑，29-左曲柄，30-右曲柄，31-链条，32-卡簧，33-第二主动齿轮，34-拉杆，34a-凸缘，35-车架，36-转子，37-定子，38-后飞轮。

具体实施方式

图1至图9示出了本申请这种自行车变速机构应用于自行车尤其是电动自行车中的一个优选实施例。该自行车包括车架35、车座26、车轮27和脚撑28。车架35上通过螺栓锁紧固定一金属材质的外壳16，该外壳16由两侧敞口的壳本体16a以及借助螺栓锁紧固定于壳本体两敞口侧的左壳盖16a和右壳盖16c构成。外壳16中通过支撑轴承17旋转装配一主轴1(也称中轴)，并且主轴1的两端均伸出外壳16部位，主轴1的一端固定连接左曲柄29，另一端连接右曲柄30。主轴1外套设一牙盘基座2，牙盘基座2上连接有同轴布置于主轴1外的牙盘4，牙盘基座2和主轴1通过第一单向离合器3相连接。牙盘4借助链条31与自行车后部车轮27轮轴上的后飞轮相连接。前述左曲柄和右曲柄的端部设置脚蹬踏板，骑行时，骑行者踩踏两曲柄端部的脚蹬踏板而带动主轴1正向转动，此时第一单向离合器3处于锁紧状态，主轴1带动牙盘4转动，牙盘4进而通过链条31带动自行车后部车轮27转动，使自行车前行。

本实施例的关键改进在于，该自行车的变速结构并未设置在上述牙盘4或/和后飞轮处，而是设置在主轴1处。具体地，该自行车变速结构主要包括：第一主动齿轮6、第二主动齿轮33、副轴7、第一从动齿轮8、第二从动齿轮32换向主动齿轮11、换向从动齿轮10、换档滑块9和滑块致动组件。其中：

第一主动齿轮6借助卡簧32同轴固定于主轴1外。

第二主动齿轮33借助另一卡簧32同轴固定于主轴1外，并且该第二主动齿轮33与第一从动齿轮8轴向隔开布置。

副轴7通过第二组支撑轴承17旋转装配于外壳16内部，而且该副轴7与主轴1平行布置。

第一从动齿轮8借助第三组支撑轴承17旋转套设于副轴7外，并且该第一从动齿轮8与上述第一主动齿轮6啮合连接。

第二从动齿轮12借助第四组支撑轴承17旋转套设于副轴7外，并且该第二从动齿轮12与上述第二主动齿轮33啮合连接，同时该第二从动齿轮12与上述第一从动齿轮8轴向隔开布置。

换向主动齿轮11借助卡簧32同轴固定套设于副轴7外。

换向从动齿轮10借助第五组支撑轴承17(为滚针轴承)旋转套设于主轴1外，而且换向从动齿轮10与上述换向主动齿轮11啮合连接，同时该换向从动齿轮10还与牙盘基座2通过第二单向离合器5相连接。

换档滑块9可轴向滑动地套设于副轴7外，并且该换档滑块9与上述副轴7周向固定。具体地：副轴7的表面形成有多条轴向延伸的直线凸棱7c，这些直线凸棱沿副轴7的圆周方向均匀间隔分布，换档滑块9内设置有穿套于副轴7外的内孔，内孔的孔壁处形成有与前述各条直线凸棱分别对应的直线滑槽9a，直线凸棱与直线滑槽滑动嵌合，如此实现换档滑块9与副轴7的轴向滑动及周向固定配合，如图9。并且，该换档滑块9布置于上述第一从动齿轮8和第二从动齿轮12之间，第一从动齿轮8朝向换档滑块9的那一侧制有与该换档滑块9相适配的第一嵌槽8a，第二从动齿轮12朝向换档滑块9的那一侧制有与换档滑块9相适配的第二嵌槽12a。当换档滑块9沿副轴7轴向移动而嵌入前述第一嵌槽8a时，换档滑块9与第一从动齿轮8周向固定；当换档滑块9沿所述副轴7轴向移动而嵌入该第二嵌槽12a时，换档滑块9与第二从动齿轮12周向固定。上述第一主动齿轮6与换向从动齿轮10的传动比以及第二主动齿轮33与换向从动齿轮10的传动比均小余1，即第一主动齿轮6的角速度小于换向从动齿轮10的角速度。也即：当该变速机构切换至第一主动齿轮6工作的档位时，第一主动齿轮6每转动一圈，换向从动齿轮10转动量大于一圈；当该变速机构切换至第二主动齿轮33工作的档位时，第二主动齿轮33每转动一圈，换向从动齿轮10转动量大于一圈。本实施例中，第一主动齿轮6和第二主动齿轮33的齿数均大于换向从动齿轮10的齿数，如此实现前述小于1的速比。而且第一主动齿轮6的轮径和齿数小于第二主动齿轮33的轮径和齿数——第一主动齿轮6为中速齿轮，第二主动齿轮33为高速齿轮。

滑块致动组件与换档滑块9相连接、以带动滑块9沿副轴7轴向滑动。

本实施例中，上述第一主动齿轮6、第一从动齿轮8、第二主动齿轮33、第二从动齿轮12、换向主动齿轮11和换向从动齿轮10均收容于外壳16内部。以保证其安全性。

工作原理如下：

在初始状态下，上述换档滑块9嵌入第一从动齿轮8侧部的第一嵌槽8a中，从而使得换档滑块9与第一从动齿轮8周向固定，而换档滑块9又与副轴7周向固定，故而第一从动齿轮8与副轴7周向固定。而第二从动齿轮12与副轴7旋转配合，即第二从动齿轮12处于打滑状态。骑行者踩踏两曲柄端部的脚蹬踏板带动主轴1正向转动，与主轴1固定的第一主动齿轮6和第二主动齿轮33跟随主轴1同角速度转动，并且分别带动第一从动齿轮8和第二从动齿轮12跟转。由于第二从动齿轮12处于打滑状态，故而第二从动齿轮12的转动并不会带动副轴7转动。而第一从动齿轮8与副轴7周向固定，故而第一从动齿轮8会带动副轴7转动。与副轴7固定的换向主动齿轮11跟随副轴7同角速度转动，并带动与之啮合的换向从动齿轮10跟转。因为第一主动齿轮6与换向从动齿轮10的速比小于1，而第一主动齿轮6与主轴1的转速相同，故而换向从动齿轮10的转速(角速度)大于中轴1的转速(角速度)，中轴1和牙盘基座2通过第一单向离合器3相连接，换向从动齿轮10和牙盘基座2通过第二单向离合器5相连接，由于换向从动齿轮10的转速大于中轴1的转速，故而此时第一单向离合器3处于打滑状态，而第二单向离合器5处于锁紧状态(单向离合器的超越特性)，通过换向从动齿轮10带动牙盘基座2转动，进而使牙盘4中速转动。牙盘4通过链条31带动自行车后部车轮27转动，使自行车前行。此时该变速机构处于中速档位。

当通过滑块致动组件带动换档滑块9在图6中向右移动一段距离，而使得换档滑块9与第一从动齿轮8和第二从动齿轮12均隔开一定距离，此时第一从动齿轮8与副轴7旋转配合，第二从动齿轮12也与副轴7旋转配合，即第一从动齿轮8和第二从动齿轮12均处于打滑状态。骑行者踩踏两曲柄端部的脚蹬踏板带动主轴1正向转动，虽然第一主动齿轮6和第二主动齿轮33均会跟转并且分别带动第一从动齿轮8和第二从动齿轮12转动，但由于第一从动齿轮8和第二从动齿轮12均处于打滑状态，故而并不会带动副轴7转动，换向主动齿轮11和换向从动齿轮10不跟转。此时第一单向离合器3处于锁紧状态，主轴1借助锁紧状态的第一单向离合器3带动牙盘4低速转动，牙盘4进而通过链条31带动自行车后部车轮27转动，使自行车前行。此时，牙盘4的角转动速度与中轴1的角转动速度相同，该变速机构处于低速档位。

若滑块致动组件进一步带动换档滑块9在图6中向右方移动一段距离，则换档滑块9嵌入第二从动齿轮12侧部的第二嵌槽12a中，从而使得换档滑块9与第二从动齿轮12周向固定，而换档滑块9又与副轴7周向固定，故而第二从动齿轮12与副轴7周向固定。此时第一从动齿轮8与副轴7无换档滑块9进行连接，故而第一从动齿轮8与副轴7旋转配合，即第一从动齿轮8与副轴7处于打滑状态。骑行者踩踏两曲柄端部的脚蹬踏板带动主轴1正向转动，与主轴1固定的第一主动齿轮6和第二主动齿轮33跟随主轴1同角速度转动，并且分别带动第一从动齿轮8和第二从动齿轮12跟转。由于第一从动齿轮8处于打滑状态，故而第一从动齿轮8的转动并不会带动副轴7转动。而第二从动齿轮12与副轴7周向固定，故而第二从动齿轮12会带动副轴7转动。与副轴7固定的换向主动齿轮11跟随副轴7同角速度转动，并带动与之啮合的换向从动齿轮10跟转。因为第二主动齿轮33与换向从动齿轮速比小余1，而第二主动齿轮33与主轴1的转速相同，故而换向从动齿轮10的转速(角速度)大于中轴1的转速(角速度)，中轴1和牙盘基座2通过第一单向离合器3相连接，换向从动齿轮10和牙盘基座2通过第二单向离合器5相连接，由于换向从动齿轮10的转速大于中轴1的转速，故而此时第一单向离合器3处于打滑状态，而第二单向离合器5处于锁紧状态(单向离合器的超越特性)，通过换向从动齿轮10带动牙盘基座2转动，进而使牙盘4以更高的速度转动。牙盘4通过链条31带动自行车后部车轮27转动，使自行车前行。此时该变速机构处于高速档位。

本实施例中，上述副轴7的一端开设有轴向向内延伸的滑孔7a，副轴7的表面开设有轴向延伸的、且与滑孔7a相通的直线缝7b。上述滑块致动组件包括：拉杆34、连接轴承13、连接销14、摆臂15和拉绳导引柱19。其中：

拉杆34活动插设于滑孔7a中，在外力作用下可沿滑孔7a轴线移动。

连接轴承13包括转动连接的轴承内圈和轴承外圈，轴承内圈套设连接于拉杆34外。

连接销14的一端与轴承外圈固定、另一端穿过上述直线缝7b与换档滑块9固定。

摆臂15与外壳16旋转连接，并且该摆臂15的摆动端与拉杆34之间连接有拉绳18。

拉绳导引柱19与外壳16固定，上述拉绳18的中部绕过该拉绳导引柱19、而两端分别连接上述摆臂15和拉杆34。

实际应用时，将从自行车车把处的档位调节手柄引出的钢丝引线的引出端连接于摆臂15的摆动端，旋动档位调节手柄而通过钢丝引线拉动摆臂15摆动，摆臂15摆动时会牵引上述拉绳18以拉绳导引柱19为支撑点向外移动，进而带动拉杆34移动，拉杆34又通过连接轴承13和连接销14带动换档滑块9移动而完成换挡动作。

上述摆臂15的摆动端固定设置有拉绳连接柱20，上述拉绳18具体连接在该拉绳连接柱20上，如此实现拉绳18与摆臂15摆动端的连接。而且该拉绳连接柱20可作为车把处档位调节手柄引出的钢丝引线的连接端子。

为了让拉绳18能够从滑孔7a中同轴引出，同时对拉绳8进步保护，本实施例在副轴7的一端锁紧连接有一个位于滑孔7a孔口处的导绳螺母22，拉绳18穿设于导绳螺母22。

为保证拉杆34移动的平稳性，本实施例在滑孔7a内固定设置有一导套21，拉杆34滑动贴合地穿设于该导套21中。

因为拉绳18只能拉动换档滑块9在图6中向右侧移动，而不能带动换档滑块9在图6中向左移动，无法从高速档位调至低速档位，故而本实施例这种滑块致动组件还配置了分别布置于上述连接轴承13轴向两侧的第一弹簧23和第二弹簧24。上述拉杆34外环绕形成有一圈环形的凸缘34a，前述第一弹簧23弹性压缩地抵靠在滑孔7a的孔底壁和连接轴承13之间，而第二弹簧24弹性压缩地抵靠在凸缘34a和导套21之间，连接轴承13在第一弹簧23的弹簧推力作用下贴靠凸缘34a布置。

参照图6所示，初始状态下，第二弹簧24的弹力大于第一弹簧23，拉杆34在第二弹簧24向左的较大的弹力作用下而左移，从而带动换档滑块9向左嵌入第一从动齿轮8的第一嵌槽8a中、并与第一从动齿轮8抵靠接触，此时该变速机构处于中速档位；调节车把处档位调节手柄而拉动摆臂15翻转一定角度，拉绳18会带动拉杆34和换档滑块9向右移动至第一从动齿轮8和第二从动齿轮12的中间位置，此时该变速机构处于低速档位；继续调节车把处档位调节手柄而拉动摆臂15进一步翻转一个角度，拉绳18会带动拉杆34和换档滑块9向右进一步移动至第二从动齿轮12处，并使换档滑块9嵌入第二从动齿轮12的第二嵌槽12a中，此时该变速机构工作在高速档位。反向调动车把处档位调节手柄时，在第二弹簧24的弹力作用下，摆臂15反向转动，换档滑块9左移，由高速档位转为低速档位。

本实施例中，上述导套21外壁制有外螺纹，滑孔7a孔壁制有与外螺纹相适配的内螺纹，导套21与滑孔7a借助前述外螺纹和内螺纹相连接。如此可调节初始状态下第二弹簧24的弹力大小。

此外，本实施例在牙盘基座2上固定连接有与主轴1同轴布置的电机动力接入齿轮25，该电机动力接入齿轮25用于连接自行车中置电机，以借助电机动力带动牙盘4转动。当中置电机通电运行而通过电机动力接入齿轮25带动牙盘4正向转动时，第一单向离合器3处于松开状态，中轴1并不会跟转。

参照图9所示，上述换档滑块9由螺栓紧固连接的左半部分和右半部分构成。

上述这种结构的滑块致动组件中拉杆34的运动主要依靠手动机械(比如调速手把)控制。我们也可以设置与拉杆34相连、以驱动拉杆34沿滑孔7a移动的电机，利用电机带动拉杆34移动实现换挡。

当然，上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡根据本申请主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。