一种带负荷变速的紧凑型自行车中轴变速箱及其换挡方法与流程

本发明涉及到交通工具中的自行车变速器，具体涉及一种带负荷变速的紧凑型自行车中轴变速箱及其换挡方法。

背景技术：

1、自行车，又称脚踏车或单车。目前，自行车的传动速比有速比固定不变和速比可调两种，自行车速比可调者，多数采用在飞轮上固定安装多个不同齿数的飞轮齿盘，通过链条调整链轮与不同齿数的飞轮齿盘组合，实现不同的传动速比，这种改变传动速比的方式结构虽然简单，但是自行车速比调整范围较窄，换挡很困难，变速自行车上，需要采用体积小的紧凑型变速器。

2、现有的变速自行车变速器通常都是采用多个链盘的结构，通过调整链条的位置，使其与不同的链盘配合连接，这种方式换挡相对麻烦，而且必须在自行车行驶时进行换挡，常会出现换挡失败的情况，对链条的磨损较大；也有个别的变速自行车的变速器采用齿轮变速箱，如中国专利cn205168799u公告了通过一种中轴式自行车内变速器，其通过在每组的行星齿轮组的两个第二传动齿轮之间设置第一凹槽，且在齿圈的内圆周面上设置可嵌入第一凹槽的第一凸起，使得六个齿圈均可固定于行星齿轮固定架上，这种行星齿轮组的变速器，结构复杂，制造要求比较高，换挡也不方便，内部换挡的啮合结构复杂，变速器体积不紧凑。现有变速器大多用普通齿轮传动，也有的用行星齿轮传动，变速器中一般具有多个啮合。由于变速器的结构比较复杂，零件多，各零件之间需要精密配合，使得变速器的体积也难以缩小。同时，变速器进行换挡时，需要先进入空挡，再进行换挡，操作比较复杂。另外，在空挡时具有一定的安全隐患，有部分安全事故是因为进入空挡而发生的。

3、啮合是变速器的重要组成部分，现有的啮合结构复杂：在每个挡位的传动齿轮旁均安装有一环，齿轮上具有用于摩擦的锥面，两个环之间设有一啮合套，啮合套与环之间须要布置滑块、弹簧圈等结构。换挡时，先进入空挡，再进挡；进挡时环和传动齿轮在摩擦力的作用下后，啮合套才能与环、传动齿轮啮合，进而完成换挡。cn203098620u公告了一种汽车变速箱器，包括齿毂、环、啮合套，以及用于换挡时使啮合套推动环滑动的滑块，所述环上设有与滑块相配合的凹槽，空挡时所述滑块位于凹槽内，所述滑块的侧面上附着有弹性体，弹性体的端面与凹槽的槽面相接触。该实用新型提供的汽车变速箱器，换挡时使滑块与环为非刚性接触，能降低换挡噪声，同时摘挡时可避免环与挡位齿轮持续摩擦。

4、目前的紧凑型自行车变速器存在变挡结构不紧凑、不能更好的直接进挡和退挡的缺陷。

技术实现思路

1、本发明的第一个目的是提供一种带负荷变速的紧凑型自行车中轴变速箱，结构紧凑，能直接进行进挡和退挡，运行稳定，克服现有紧凑型自行车变速器存在变挡结构不紧凑、不能更好的进挡和退挡的缺陷。

2、为了实现上述发明目的，本发明一种带负荷变速的紧凑型自行车中轴变速箱，包括箱式变速装置和换挡装置，所述箱式变速装置包括箱体、一个主轴、一个副轴和一个输出链轮，在所述的主轴上设有多个主轴齿轮和主动棘轮，在所述的副轴上设有多个副轴齿轮和从动棘轮，所述的主动棘轮和所述的从动棘轮的中间设有拨槽，所述的主轴齿轮和所述的副轴齿轮相互配合啮合；所述换挡装置包括变挡鼓轮、变挡拨杆和变挡拨叉，所述变挡鼓轮旋转固定在箱体上，所述主轴和副轴的两端通过轴承安装在箱体上，所述变挡拨杆可左右移动的活动固定在箱体上，所述变挡鼓轮圆周面上设置有变挡鼓轮槽，所述变挡拨叉包括下段的拨叉叉部和上段的拨叉连接部，所述拨叉叉部卡接在所述棘轮中间的拨槽中，所述变挡拨杆前端活动固定在所述的变挡鼓轮槽内，所述变挡拨杆后端活动连接所述拨叉连接部，所述的主轴齿轮其中一个是直驱齿轮，所述输出链轮固定在所述的直驱齿轮上；所述的主动棘轮和所述的从动棘轮中至少有一个是双棘齿棘轮，所述双棘齿棘轮两侧设置有具有单棘齿的两个主轴齿轮或两个副轴齿轮，所述双棘齿棘轮在主轴或副轴上左右移动并通过两侧的棘齿分别与所述的单棘齿的两个主轴齿轮或两个副轴齿轮相互啮合/分离；所述变挡拨杆和所述拨叉的连接件为弹性连接件。

3、采用上述技术方案，由于所述的主轴齿轮其中一个是直驱齿轮，所述输出链轮固定在所述的直驱齿轮上，相对现有的紧凑型变速器，减少了齿轮副，从而使得变挡结构更紧凑，同时所述变挡拨杆和所述拨叉的连接件为弹性连接件，能更好的保证在进挡或者退挡的时候，主轴齿轮或副轴齿轮的棘齿对应的棘轮结合时避免棘齿之间硬性接触，不会出现打齿和卡滞现象，从而能更好的直接进挡和退挡，同时成熟的变挡鼓轮技术也能保证在骑行路况不好的情况下现有的紧凑型变速器容易自行跳挡的缺陷。

4、进一步，限定弹性连接件采用简单实用的金属弹片，所述金属弹片上端固定连接在所述变挡拨杆上，所述金属弹片下端活动夹持住所述变档拨叉。

5、同样的道理，限定所述弹性连接件为扭簧，所述扭簧包括扭簧本体和扭簧输出端头，所述扭簧本体固定连接所述变挡拨杆上，所述扭簧输出端头活动夹持住所述变档拨叉。

6、进一步，具体限定换挡装置中除了变挡鼓轮以外的其他具体结构，即所述换挡装置还包括有固定板和拨叉导向杆，所述固定板固定在所述箱体上，所述拨叉导向杆固定在所述固定板上或直接固定在箱体上，所述拨叉连接部为空心管，所述空心管活动套接在所述拨叉导向杆上。

7、再进一步，限定采用上述技术方案的五挡齿轮变速箱，所述的主轴上从左到右设有一挡主轴齿轮、五挡主轴齿轮、三挡主轴齿轮、四挡主轴齿轮和直驱齿轮，在所述的五挡主轴齿轮和三挡主轴齿轮之间设有第一双棘齿棘轮，在所述的四挡主轴齿轮和直驱齿轮之间均设有第二双棘齿棘轮，其中，一挡主轴齿轮固定连接在主轴上，五挡主轴齿轮、三挡主轴齿轮、四挡主轴齿轮和直驱齿轮空套在主轴上，所述第一双棘齿棘轮、第二双棘齿棘轮滑动套接在所述的主轴上；所述副轴上从左到右设有一挡副轴齿轮、五挡副轴齿轮、三挡副轴齿轮、四挡副轴齿轮和反向齿轮，在所述的一挡副轴齿轮和五挡副轴齿轮之间设有单棘齿棘轮，其中，一挡副轴齿轮空套在所述单棘齿棘轮上，五挡副轴齿轮、三挡副轴齿轮、四挡副轴齿轮和反向齿轮均固定连接在副轴上。

8、其中限定，在所述五挡齿轮变速箱结构中，所述的变挡拨杆和变挡拨叉均为三个，其中，第一变挡拨杆控制第一双棘齿棘轮，第二变挡拨杆控制第二双棘齿棘轮，第三变挡拨杆控制所述的单棘齿棘轮。

9、限定所述的棘齿均为斜齿，在斜齿齿根的推力下，由于棘齿角度的原因，棘齿的工作面受力时，力的方向朝向棘齿根部，使得齿轮棘齿和套筒棘齿自动卡紧，从而传递力矩；

10、本发明中，齿轮和棘轮之间采用上述方式配合连接的技术效果是：(1)在需要卡紧时，棘轮棘齿和齿轮棘齿容易啮合，并且能够防止脱落；(2)具有速度差的时候，棘轮棘齿和齿轮棘齿容易脱离。具体原因是：由于棘齿角度的原因，棘齿的工作面受力时，力的方向朝向棘齿根部，使得棘轮棘齿和齿轮棘齿自动卡紧，从而传递力矩。由于棘齿的齿背角度平缓，不能传递力矩，棘齿的齿背受力时，力的方向远离齿根，使棘轮棘齿和齿轮棘齿相互远离，从而自动分离。

11、本发明的另外一个发明目的是提供一种具体的五挡紧凑型自行车变速器的换挡方法，包括1)在初始位置是一挡的时候，所述变挡鼓轮控制第三变挡拨杆带动单棘齿棘轮向左移动，位于单棘齿棘轮左边的棘齿与一挡副轴齿轮右边的棘齿处于啮合状态；其他棘轮均处于分离状态，主轴带动一挡主轴齿轮旋转，一挡主轴齿轮带动一挡副轴齿轮和副轴以及反向齿轮旋转，反向齿轮带动空套在主轴上的直驱齿轮旋转，输出链轮转动；

12、2)当从一挡加挡到二挡的状态时，旋转变挡鼓轮，第三变挡拨杆带动单棘齿棘轮向右移动，位于单棘齿棘轮左边的棘齿与一挡副轴齿轮右边的棘齿分离；同时，所述第二变挡拨杆带动第二双棘齿棘轮在右边移动，位于第二双棘齿棘轮右边的棘齿与直驱齿轮左边的棘齿啮合；动力直接通过固定在所述直驱齿轮上的输出链轮转动，所述的第一双棘齿棘轮和单棘齿棘轮均处于棘齿分离状态；

13、3)当从二挡加挡到三挡的状态时，旋转变挡鼓轮，第三变挡拨杆不发生位移运动，第二变挡拨杆带动第二双棘齿棘轮向左移动，第二双棘齿棘轮右边的棘齿与直驱齿轮左边的棘齿分离；同时，第一变挡拨杆带动第一双棘齿棘轮向右移动，位于第一双棘齿棘轮右边的棘齿与三挡主轴齿轮左边的棘齿啮合，所述三挡主轴齿轮带动所述三挡副轴齿轮旋转，三挡副轴齿轮带动副轴和反向齿轮旋转，反向齿轮带动空套在主轴上的直驱齿轮旋转，输出链轮转动；

14、4)当从三挡加挡到四挡的状态时，旋转变挡鼓轮，第一变挡拨杆带动第一双棘齿棘轮向左移动，位于第一双棘齿棘轮右边的棘齿与三挡主轴齿轮左边的棘齿分离；同时，第二变挡拨杆带动第二双棘齿棘轮向左移动，位于第二双棘齿棘轮左边的棘齿与四挡主轴齿轮右边的棘齿啮合，所述四挡主轴齿轮带动所述四挡副轴齿轮旋转，四挡副轴齿轮带动副轴和反向齿轮旋转，反向齿轮带动空套在主轴上的直驱齿轮旋转，输出链轮转动；

15、5)当从四挡加挡到五挡的状态时，旋转变挡鼓轮，第二变挡拨杆带动第二双棘齿棘轮向右移动，位于第二双棘齿棘轮左边的棘齿与四挡主轴齿轮右边的棘齿分离；同时，第一变挡拨杆带动第一双棘齿棘轮向左移动，位于第一双棘齿棘轮左边的棘齿与五挡主轴齿轮右边的棘齿啮合；所述五挡主轴齿轮带动所述五挡副轴齿轮旋转，五挡副轴齿轮带动副轴和反向齿轮旋转，反向齿轮带动空套在主轴上的直驱齿轮旋转，输出链轮转动；

16、6)当从五挡减挡到四挡的状态时，反向旋转变挡鼓轮，第一变挡拨杆带动第一双棘齿棘轮向右移动，位于第一双棘齿棘轮左边的棘齿与五挡主轴齿轮右边的棘齿分离；同时，第二变挡拨杆带动第二双棘齿棘轮向左移动，位于第二双棘齿棘轮左边的棘齿与四挡主轴齿轮右边的棘齿啮合；所述四挡主轴齿轮带动所述四挡副轴齿轮旋转，四挡副轴齿轮带动副轴和反向齿轮旋转，反向齿轮带动空套在主轴上的直驱齿轮旋转，输出链轮转动；

17、7)当从四挡减挡到三挡的状态时，反向旋转变挡鼓轮，第二变挡拨杆带动第二双棘齿棘轮向右移动，位于第二双棘齿棘轮左边的棘齿与四挡主轴齿轮右边的棘齿分离；同时，第一变挡拨杆带动第一双棘齿棘轮向右移动，位于第一双棘齿棘轮右边的棘齿与三挡主轴齿轮左边的棘齿啮合；所述三挡主轴齿轮带动所述三挡副轴齿轮旋转，三挡副轴齿轮带动副轴和反向齿轮旋转，反向齿轮带动空套在主轴上的直驱齿轮旋转，输出链轮转动；

18、8)当从三挡减挡到二挡的状态时，反向旋转变挡鼓轮，第一变挡拨杆带动第一双棘齿棘轮向左移动，位于第一双棘齿棘轮右边的棘齿与三挡主轴齿轮左边的棘齿分离；同时，第二变挡拨杆带动第二双棘齿棘轮向右移动，位于第二双棘齿棘轮右边的棘齿与直驱齿轮左边的棘齿啮合；所述直驱齿轮直接通过固定在所述直驱齿轮上的输出链轮转动。

19、9)当从二挡减挡到一挡的状态时，反向旋转变挡鼓轮，第二变挡拨杆带动第二双棘齿棘轮向左移动，位于第二双棘齿棘轮右边的棘齿与直驱齿轮左边的棘齿分离；同时，第三变挡拨杆带动单棘齿棘轮向左移动，位于单棘齿棘轮左边的棘齿与一挡副轴齿轮右边的棘齿啮合；所述一挡主轴齿轮带动所述一挡副轴齿轮旋转，一挡副轴齿轮带动副轴和反向齿轮旋转，反向齿轮带动空套在主轴上的直驱齿轮旋转，输出链轮转动；

20、10)循环，在不同的初始状态，所述棘轮结合位置对应上述具体状态。

21、采用上述技术方案的换挡方法，操作简单，在上述换挡的过程中，先进行了进挡操作，在二挡进挡完成后，一挡啮合自动完成脱离。这种换挡的方式能够在带负荷的情况下换挡，实现了随时换挡。同时，换挡过程中操作简单，大幅提高了换挡时的安全性。并且上述换挡的过程时间短，拨动变挡鼓轮即实现了换挡。

22、在挡时，挡的齿轮带动挡的棘轮转动，换挡时，由于挡的棘轮的转速快，棘齿的受力面变为了齿背，齿背产生的力的方向远离齿根，会将挡的齿轮推向远离一挡棘轮的方向。

23、本发明中所提到的棘齿的齿形与通常所说的“棘轮棘齿”中的“棘齿”相同，即：两个齿面的角度不同，使其有且只有一个齿面能够传递扭矩。但本发明的棘齿布置的方向与常规方式不同：棘齿为环形，但齿尖的方向朝向侧面，其具体角度以能够在套筒和齿轮之间传递扭矩为准。

24、对现有技术而言，本技术方案的效果体现在，一，利用拨杆上的弹片或扭簧驱动拨叉，不仅有利于避免棘齿硬接触造成打齿或卡死；二，有利于自行车骑行者的倒脚习惯。由于是拨杆上的弹片或扭簧驱动拨叉控制棘轮与齿轮侧向棘齿啮合，倒脚反转主轴时，棘轮与齿轮侧向棘齿之间齿背相互有推力，弹片或扭簧能通过形变让拨叉控制的棘轮在轴向与齿轮分离；三，有静止变挡功能，即使不旋转运动状态，由于拨杆上弹片或扭簧的有形变功能，在任意挡都可以切换成其他挡位；四，带负荷换挡，加挡时，速差原理，高挡位进挡后低挡位自动分离。减挡时，可以提前并越级减挡，即使在高挡位运转时，也可以拨动拨杆至低挡位，此时低挡拨杆上弹片与扭簧就产生形变，低挡位的棘轮与齿轮侧向棘齿处于半离合状态，当停踩踏瞬间，负荷为0，高挡位齿轮惯性脱出并与棘轮分离，再踩踏时，低挡位棘轮与齿轮侧向棘齿立即结合传递扭力。