專利名稱：上偏置曲柄滑塊往復蹬踏式驅動裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種用人力驅動的驅動裝置，特別是一種以往復蹬踏方式驅動的驅動裝置，可優(yōu)先應用于各種以人力驅動的車輛中。
公告號為CN 2317164Y和CN 2389833Y等中國專利文獻，都介紹了以往復蹬踏式工作的驅動裝置，可用于自行車、三輪車等以人力驅動的車輛。其基本結構原理，是在車架或基架上設置有經(jīng)滾動軸承結構配合于軸套管中的驅動軸，其上帶有與能傳動鏈條等配合的傳動輪；在車架或基架上還設置有一對導軌等直線型的導向結構，其上分別配合有與蹬踏結構連接并能在其上作往復運動的左右兩滑塊結構，兩滑塊結構與驅動軸間分別經(jīng)超越離合器等適當結構作傳動連接，將滑塊結構的往復運動轉化為驅動軸的旋轉運動，再經(jīng)其上的鏈輪等傳動輪將轉動運動輸出。此種結構形式較成熟，且轉換傳動效率高，但由于其兩側滑塊的往復運動與驅動軸間必須分別經(jīng)各自的超越離合器作傳動連接，才能使其分別完成正程的驅動運動和反程的自由回位運動，因而該整個裝置存在的一個最大問題，就是裝置中的該驅動軸不能作倒向的全自由運轉，應用在自行車、三輪車等車輛上時，就是車輛難于作自由的倒向推行，給使用帶來很大的不方便。為此，雖可通過再加設倒車離合器等機構予以解決，但顯然會使本已經(jīng)較為復雜的裝置在結構上更為復雜，同時也增加了使用時的操作程序，并會相對降低整個裝置的可靠性能。
將往復運動轉換為旋轉運動的另一種常見方式，如目前廣泛應用于各種內(nèi)燃機等裝置中的，是采用無偏置形式的曲柄滑塊機構。其結構特點是作旋轉運動的曲柄的回轉中心與作往復直線運動的滑塊的運動軌跡處于同一直線方向上，即零偏置的方式。這種曲柄回轉中心與滑塊的運動軌跡為零偏置形式結構的一個特點，就是機構在工作中存在有兩個對稱位置狀態(tài)的“死點”，曲柄處于該兩“死點”位置處時的驅動轉矩為零，即曲柄在該兩點位置時的轉動方向變?yōu)椴淮_定。為使機構能按設定的程式運行，必需配置附加的慣性飛輪或采取增大回轉主軸上的齒輪慣量等手段，使機構能順利越過該“死點”位置。同時，為克服該兩“死點”處于機構的起始位置時造成的啟動困難，也需要配置附加的啟動裝置，以保證機構能正常啟動。
鑒于此，本實用新型的目的是為解決上述問題提供一種改進結構，即具有上偏置曲柄滑塊結構的住復蹬踏式的驅動裝置，使其既簡化了結構，又能使整個裝置能方便地實現(xiàn)倒向的全自由運轉，并有效地克服運行過程中存在“死點”的情況。
本實用新型上偏置曲柄滑塊往復蹬踏式驅動裝置的結構，仍在基架上設置有經(jīng)滾動軸承結構配合于軸套管中的帶有傳動輪的驅動軸，基架上還設置有一對平行的導向結構，其上分別配合有與蹬踏結構連接并能在其上作往復運動的滑塊結構，且該滑塊結構與驅動軸間有傳動連接結構。其中在驅動軸的軸向兩側端處以呈反向直線狀態(tài)各設有一曲柄結構，導向結構以上偏置的方式設置于驅動軸的上方，兩滑塊結構分別和其同側的曲柄結構的遠側端經(jīng)其上的鉸接結構與剛性連接結構作傳動連接。
上述結構中，所說的導向結構及設置于其上的滑塊結構，可以采用目前已有報導和使用的滑動配合形式的結構，也可以采用如已在公告號為CN 2389833Y的中國專利文獻所報導的通過復滑輪組滑塊結構的滾動配合形式的結構，即使導向結構為具有三個不同方向受力面的弓形截面剛性條型構件，配合于其上的滑塊結構為在與之相應的三個方向處均設置有滾輪結構的復滑輪組形式的滑塊結構。所說的滑塊結構與曲柄結構遠側端間的剛性連接結構，可以采用常用的各種形式的連桿式結構件?；瑝K結構與該剛性連接結構間連接的鉸接結構，以及曲柄結構的遠側端與該剛性連接結構間連接的鉸接結構，除可以采用目前以滑動軸承配合形式的鉸接結構外，還可以使其均采用為滾動軸承形式的結構件，使其間為滾動形式配合。經(jīng)試驗表明，使上述結構中所說的導向結構在驅動軸上方的偏置距為曲柄結構有效工作力矩的0.5-1倍，特別是使該偏置距為曲柄結構有效工作力矩的0.8-0.9倍時，其傳動轉換效率將會更為滿意。結構中的各運動部位均采用滾動形式構件進行滾動配合的運動或擺動時，對傳動效率的提高是顯著的。例如經(jīng)初步測量，在采用復滑輪組結構滑塊和滑動軸承形式的鉸接結構時，上述裝置的機械效率值約為94％；將其中的鉸接結構改為滾動軸承形式后，其機械效率即可達到97％左右。滾動結構的使用還可以降低機構的運動副對潤滑的要求，從而能使機構更加潔凈，同時也能顯著降低其運行噪聲。
從上述結構可以理解，由于以上偏置形式設置的滑塊結構經(jīng)連桿等剛性連接結構通過曲柄結構帶動驅動軸旋轉，在往復運動的滑塊結構與驅動軸間不再需要設置用于單向傳動的超越離合器，從而使本實用新型上述裝置中的驅動軸在正向和反向上均能進行無障礙的全自由運轉。應用在自行車等車輛中時，使用者可以與使用傳統(tǒng)曲柄形式的自行車一樣，能根據(jù)需要方便地作任意的正向騎行或倒向推行。另一方面，通過對其運動過程的分析也可以清楚看出，使沿導向結構作往復直線運動的滑塊結構的運動軌跡與驅動軸的旋轉中心不在同一直線方向上，而是以保持有一定上偏置距的方式設置在驅動軸的上方后，兩側的滑塊結構無論是在正程的驅動過程中，還是在反程的回位過程中，其兩側的曲柄結構和其所連接的剛性連接結構不僅在任何時刻都不會同時處于同一直線位置的死點狀態(tài)，而且是當一側的曲柄結構和其所連接的剛性連接結構運行至該“死點”位置狀態(tài)時，另一側的曲柄結構與其所連接的剛性連接結構必然是處于正程的驅動運動狀態(tài)，并且是處于能具有較大驅動轉矩的位置狀態(tài)下。因而無需添加任何的附加結構就能使其自主可靠地按所設定的程式工作，有效地解決了目前曲柄滑塊驅動結構所存在的運動死點問題。結構的簡化還降低了對裝配和維修的要求，同時也提高了工作的可靠性，使驅動或啟動都較輕松。此外，由對該上偏置形式的滑塊曲柄結構的工作過程分析還可以看出，本實用新型裝置中的滑塊結構在處于反程回位過程中的速度將大于另一側同時處于正程驅動過程中的滑塊結構的運動速度，即具有急回的特性，其回程的總長度大于設定的正程運動的總長度，而且其回程到正程起點位置的差程到位是自動運行的，此特性將有利于該滑塊結構的往復交替循環(huán)做功。本實用新型的上述驅動裝置通過人機互動匹配方面的較高效率和機械傳動方面較高效率的共同作用，其實際輸出功率可以比傳統(tǒng)曲柄形式的自行車的驅動功率高2倍以上，即同速行駛時將會更加省力，或是在施以相同的驅動力時能獲得更高的車速。
以下用附圖所示的實施例對本實用新型的上述內(nèi)容作進一步的詳細說明。但不應將此理解為本實用新型上述內(nèi)容的范圍僅限于下述的實例。


圖1是本實用新型上偏置曲柄滑塊往復蹬踏式驅動裝置的一種結構示意圖。
圖2是
圖1的俯視結構示意圖。
圖3～圖6是
圖1裝置的工作過程運動分析示意圖。
圖1和圖2所示的為一種應用在自行車上的上偏置曲柄滑塊往復蹬踏式驅動裝置，在基架4上設置有經(jīng)滾動軸承結構14配合于中軸套管15內(nèi)的中心驅動軸12，在其一側端部處固連有可經(jīng)鏈條11與驅動飛輪作傳動連接的傳動鏈輪13。中心驅動軸12的左右兩軸向端部以呈反向直線狀態(tài)還分別各設有一曲柄結構10。經(jīng)連接支承結構1連接的一對平行導軌形式的導向結構5，以上偏置的方式設置在中心驅動軸12上方的基架處，其上偏置距為曲柄結構10有效工作力矩0.8-0.9倍。兩導向結構5上各配合有一個與蹬踏結構6連接并能在其上作往復運動的滑塊結構3。該導向結構5為具有三個不同方向受力面的弓形截面剛性條型構件，配合于其上的滑塊結構3為在與之相應的三個方向處均設置有滾輪結構2的復滑輪組形式的滑塊結構。配合于兩導向結構5上的滑塊結構3和與其同側的曲柄結構10的遠側端分別經(jīng)滑塊側的鉸接結構7和曲柄側的鉸接結構8，與連桿形式的剛性連接結構9相連接，其中滑塊側的鉸接結構7和曲柄側的鉸接結構8均為滾動軸承形式的結構。
圖3～圖6所示的是本實用新型上述裝置工作過程的運動狀態(tài)分析。為便于敘述清楚，特將上述結構中的左、右兩側曲柄結構、連桿連接結構和導向結構及配合于其上的滑塊結構分別給以不同的標號加以區(qū)分，其中與右側曲柄結構10對應的為左側曲柄結構100，與右側的連桿9對應的為左側的連桿99，與右側導向結構5上配合的滑塊結構3對應的為左側的導向結構55上配合的滑塊結構33。
在圖3中，虛線位置為裝置設定的起始狀態(tài)。此時左側連桿99與左曲柄100處于同一直線的“死點”位置狀態(tài)，但右側連桿9與右曲柄10則處于具有能產(chǎn)生較大啟動轉矩夾角的正程驅動狀態(tài)位置處，使裝置能不受左側連桿99與左曲柄100該“死點”的影響能順利且較輕松地被啟動。實線所示的則是右側滑塊3在正程方向上前進一定距離使右曲柄10和中心驅動軸12由起始點旋轉45°后的位置，左側曲柄100則同步也旋轉45°，帶動左側滑塊33在反程方向上作相應的回位運動，其反程回位的距離將略大于右側滑塊3的正程運動距離。
圖4所示的是右側滑塊3經(jīng)右側連桿9帶動右曲柄10使中心驅動軸12繼續(xù)旋轉45°，即由起始點旋轉90°后的狀態(tài)。此時左曲柄100和左側連桿99帶動左側滑塊33也繼續(xù)在反程回位方向上運動相應的距離，但可以看出左側滑塊33的反程回位運動距離已明顯大于右側滑塊3的正程運動距離，即表現(xiàn)出了其所具有的“急回”特點。
圖5所示的是中心驅動軸12在右側滑塊3和右曲柄10帶動下，由圖4的位置繼續(xù)旋轉45°，即相對于圖3的起點位置旋轉了135°時的狀態(tài)。此時左側連桿99與左曲柄100又處于了同一直線的“死點”狀態(tài)，但右側的曲柄10仍處于在正程驅動狀態(tài)下的繼續(xù)運動過程中，因此左側連桿99與左曲柄100所處的該“死點”狀態(tài)并不會影響裝置按原有方式繼續(xù)正常運轉。同時，此狀態(tài)也正是左側連桿99和左曲柄100由反程回位運動轉為正程驅動運動的轉折點，此時左側滑塊33相應也已運行至反程回位的最遠位置處。
圖6所示的是中心驅動軸12在右側滑塊3和右曲柄10帶動下再繼續(xù)旋轉45°，即相對于圖3的起始點位置已旋轉了180°時的狀態(tài)。此時右側滑塊3已運行至正程驅動運動的最遠位置處，并使右側連桿9與右曲柄10處于了同一直線的“死點”狀態(tài)，但此時左側連桿99和曲柄100已越過圖5中所示的轉折點，在正程方向上運行至能產(chǎn)生較大轉動力矩的正程起始位置狀態(tài)，此狀態(tài)與圖3中右側連桿9與右曲柄10所處的狀態(tài)相同，開始由左側滑塊33經(jīng)左連桿99和左側曲柄100繼續(xù)帶動中心驅動軸12旋轉，而右側連桿9與右曲柄10的該“死點”狀態(tài)也不會對裝置的正常運行構成影響，右側的滑塊3及右連桿9和右側曲柄10則開始作與上述左側相應機構相同的反程回位運動。如此即可實現(xiàn)循環(huán)住復地驅動該裝置連續(xù)運行。
通過上述對工作過程的運動分析，還可以進一步清楚理解本實用新型驅動裝置能具有較高傳動轉換效率的原因所在。以圖3中右側曲柄機構正程驅動運動的起始狀態(tài)為例。由于在正程運動過程中曲柄10遠端轉動的線速度將明顯高于滑塊3運動的線速度，其全程的平均線速度將約為滑塊運動線速度的1.4倍，并且連桿9與滑塊3沿導軌5的運動軌跡間的夾角ψ越大，其線速度差也越大，而此時的連桿9與滑塊3沿導軌5的運動軌跡間的夾角ψ基本處于最大狀態(tài)，曲柄10遠端轉動的線速度將約為滑塊3運動的線速度的2倍，因此對功率轉換效率將有很強的補益作用。另一方面，滑塊3的作用力是通過連桿9傳遞給曲柄10的，因此經(jīng)連桿9傳遞給曲柄10的作用力F連與滑塊3的驅動力F滑的關系為F連=F滑/cosψ，由于ψ≥0°，因此F連≥F滑，且最大的F連的增力段均位于該啟動的初始位置。隨機構中上偏置距的不同，一般情況下F連可為F滑的1.2～1.3倍。這對于提高裝置的功率轉換效率又會產(chǎn)生明顯的補益作用。同時，這種增強作用在曲柄運動的初始階段較強，在中間段則變化平緩的特點，又具有明顯的調(diào)節(jié)作用。因此，本實用新型上述裝置的傳動轉換效率較高，即如前述，其機械效率值一般可達94％～97％。
權利要求1．上偏置曲柄滑塊往復蹬踏式驅動裝置，在基架(4)上設置有經(jīng)滾動軸承結構配合于軸套管(15)中的帶有傳動輪(13)的驅動軸(12)，基架(4)上還設置有一對平行的導向結構(5)，其上分別配合有與蹬踏結構(6)連接并能在其上作往復運動的滑塊結構(3)，該滑塊結構(3)與驅動軸(12)間有傳動連接結構，其特征在于在驅動軸(12)的軸向兩側端處以呈反向直線狀態(tài)各設有一曲柄結構(10)，導向結構(5)以上偏置的方式設置于驅動軸(12)的上方，兩滑塊結構(3)分別和其同側的曲柄結構(10)的遠側端經(jīng)其上的鉸接結構(7,8)與剛性連接結構(9)作傳動連接。
2．如權利要求1所述的上偏置曲柄滑塊往復蹬踏式驅動裝置，其特征在于所說的導向結構(5)在驅動軸(12)上方的偏置距為曲柄結構(10)有效工作力矩的0.5-1倍。
3．如權利要求2所述的上偏置曲柄滑塊往復蹬踏式驅動裝置，其特征在于所說的偏置距為曲柄結構(10)有效工作力矩的0.8-0.9倍。
4．如權利要求1所述的上偏置曲柄滑塊往復蹬踏式驅動裝置，其特征在于所說的導向結構(5)為具有三個不同方向受力面的弓形截面剛性條型構件，配合于其上的滑塊結構(3)為在與之相應的三個方向處均設置有滾輪結構(2)的復滑輪組形式的滑塊結構。
5．如權利要求1所述的上偏置曲柄滑塊往復蹬踏式驅動裝置，其特征在于所說的滑塊結構(3)與剛性連接結構(9)連接的鉸接結構(7)，以及曲柄結構(10)的遠側端與剛性連接結構(9)連接的鉸接結構(8)均為滾動軸承形式的結構件。
專利摘要本實用新型上偏置曲柄滑塊往復蹬踏式驅動裝置,在基架上設置有經(jīng)滾動軸承結構配合于軸套管中的帶有傳動輪的驅動軸,基架上還設置有一對平行的導向結構,其上分別配合有與蹬踏結構連接并能在其上作往復運動的滑塊結構,該滑塊結構與驅動軸間有傳動連接結構。驅動軸的軸向兩端處以呈反向直線狀態(tài)各設有一曲柄結構;導向結構以上偏置方式設置于驅動軸的上方。兩滑塊結構分別和其同側的曲柄結構的遠側端經(jīng)其上的鉸接結構與剛性連接結構作傳動連接。
文檔編號F03G5/00GK2437871SQ0024437
公開日2001年7月4日 申請日期2000年9月6日 優(yōu)先權日2000年9月6日
發(fā)明者庾國榮 申請人:庾國榮