專利名稱：往復式杠桿省力增效傳動裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及一種傳動裝置，用于提高適用設備的功率，尤其適用于自 行車、人力車等設備。
背景技術：
眾所周知，自行車等人力可驅動車輛或其他設備的運轉，傳統上多使用雙曲 柄作圓周運動驅動設備運轉，實現代步、運輸、谷物脫粒等功能。隨著技術的 進步，使得燃油機械的日益普及，人力機械愈來愈難以適應效率發(fā)展的需要。 然而由于石油燃料的日益減少，運輸成本增加，以及環(huán)保的要求，人力機械仍 然發(fā)揮積極作用。
近來，出現了往復式杠桿傳動的自行車如CN1749090A (
公開日2006.3.22) 所述，又如《踏板式自行車傳動系統的研究》.(西北輕工業(yè)學院學 報.1995.Jun.Vo1.13)中所探索，上述改進取得一定省力效果，相對而言，所期望 的速度效果并不顯著。通過對照研究發(fā)現，往復式杠桿傳動裝置與傳統的雙曲 柄圓周運動驅動裝置的力學特性基本相同，驅動曲柄的力F與垂線的夾角a的 正弦函數，是一在第一區(qū)間x軸上方的拋物線，即驅動力的效果在初始時最 小，逐漸增大，到與垂線垂直時最大，然后減小，直到與垂線重合時，力的值 最小，如此往復運動。經計算得知，人施予的力做功總的效率約為63%,經過 改進，效率可以提高到98%，結構變得更復雜，(《往復蹬踏式驅動裝置設計與 分析》.機械設計與制造工程.2002年11月第6期)，但是功率沒有實現超越傳統。
人們試圖利用加長的往復式杠桿來達到省力的目的，卻無法同時提髙速度， 增加功率，是由于卻沒有注意到所研究設計的機構力學特性，沒有平衡力與速 度的矛盾，充分利用力做功，歸納主要的缺點有
1、 曲柄的長度受到限制，蹬踏費力。圓周運動曲柄和往復式杠桿踏桿驅動 雖可增加杠桿的長度，得到一定省力效果，但由于曲柄周長加大，驅動的角速 度變小，限制了曲柄的延長，因行駛速度變慢缺少實用價值。
2、 力的利用效果較差，功率較低。往復式杠桿驅動與圓周曲柄傳動相比， 通過合理設計雖使施力更加充分利用于有效施力階段，改善人力做功的利用率，
但由于施力效果非線性及杠桿踏桿的角速度變小，使總功并無增加或增加不多。 傳統驅動方式限制了總功率的提高，無法同時得到省力并保證行駛速度的目
的，更難以增大人力做功的功率。
因此，需要有一種能夠增大功率并保證行駛速度不改變的髙效傳動裝置，使
人施力做功的效果最大化，力與速度的矛盾處在最佳的平衡點，以期用最小的
力達到最大的速度。
本發(fā)明,
本發(fā)明通過在可轉動的踏桿一端增加一桿件1，桿件l一端與踏桿鉸接，并
使其夾角al在(T 180° ，起始角為銳角，另一端鉸接桿件2，桿件2軸線也 是裝置的施力軌跡，與踏桿夾角a2在(T 180° ， aKa2,用一定軌裝置 使桿件1 一端、桿件2按這一固定軌跡運動，該軌跡線在踏桿兩端點之間，效 果較好的位置是靠近踏桿與桿件1的鉸點，桿件2 —側有齒與一齒輪嚙合運動, 再帶動一齒輪組，實現動力輸出，該軌跡線稱之為動力軌跡線。從而傳動裝置 的力學特性為人施予的力F與垂線夾角a的正弦函數為一無限靠近x、 y軸的 弧線。即人驅動踏桿的力的效果在運動周期初始時最大，當驅動至周期末時 最小。
本發(fā)明的原理如

圖1所示，踏桿1繞軸O轉動， 一端與桿件1 一端聯接，踏 桿1與桿件1夾角在0 180°之間，桿件1另一端與桿件2聯接，桿件2 —側 有一槽，與之配合有兩滑柱5、 6，滑柱5、 6固定在定軌滑塊4上，滑塊4有兩 直角形滑槽，與之配合的兩滑柱7、 8，固定在箱體ll上。
其動作過程如下當踏桿1推動桿件1移動，由于滑塊4豎槽卡在滑柱7、 8 處，起固定定軌滑塊作用，使桿件1一端和桿件2按5、 6位置限制的動力軌跡 線移動，踏桿與桿件l夾角擴大，桿件1一端與桿件2同時移動，桿件2另一 側有齒與齒輪9嚙合并使齒輪9轉動，同時帶動齒輪組IO，輸出動力和速度。 當桿件2運動至末端時，桿件1推動滑塊4豎槽向上移離箱體滑柱7、 8至橫槽 一端，利用重力使滑塊4橫槽可按滑柱7、 8橫向移動，偏離動力軌跡線使桿件 2 ，離齒輪滑下，踏桿1再抬起桿件1、桿件2和定軌滑塊回位起始位置，同時 定軌滑塊豎槽卡于滑柱7、 8處固定滑塊，桿件2同時與齒輪9重新嚙合，完成
一運動周期。
為得到連續(xù)輸出，通常使用兩套上述相同裝置驅動同一齒輪組，另設滑輪機
構14固定于機架12上，位于踏桿上方，用繩13穿過滑輪連接兩踏桿，由雙踏 桿輪流驅動齒輪及齒輪組，使之能實現連續(xù)地輸出動力與速度。用兩套或兩套 以上上述雙踏桿裝置用離合器聯機實現連續(xù)的或較大的動力或速度輸出。
桿件1起到了改變力矩的作用。桿件1一端與踏桿聯接，另一端聯接桿件2 并按動力軌跡線運動，在踏桿的驅動下，由于定軌滑塊的和桿件2限定作用， 桿件1與踏桿夾角不斷擴大，桿件2并同樣按定軌滑塊限定動力軌跡線運動， 該運動軌跡軸線在踏桿的兩端點間，其直線與踏桿成一角度，在0° 180°之 間。
桿件1改變力距的作用，使最大省力值比同長度簡單杠桿增加數倍、數十倍, 甚至上百倍，主要取決于踏桿動、阻力臂比例、桿件1的長度及踏桿與動力軌 跡線的角度。本傳動裝置運動過程可實現前階段增大施力，后階段增加速度， 使人施予的力充分利用，不再存在所謂的死點，實現效率的提高，理論上100% 利用了人的力做功，并且由于本裝置踏桿長度可取更大的值以及增力作用，功 率將比傳統雙曲柄及往復式杠桿裝置增大，通過調節(jié)踏桿動力臂與阻力臂的比 例和桿件1長度，得到所需的力和速度的平衡點，其數值取決于具體產品設計 時的踏桿動力臂和阻力臂及桿件1的取值。例如
當本傳動裝置取踏桿動力臂阻力臂桿件1 = 5 : 1 : 1.2時，最大省力比達到13， 即輸入最大力為IOON的力，在傳動比為1的情況下輸出為1300N，而單純杠桿動力臂 阻力臂-5 :1時，在最大輸入訓N的力，在傳動比為1時輸出為500N，本傳動裝置比單 純杠桿傳動增加到2.6倍。在事實上傳統曲柄傳動中大多數動力臂阻力臂=2.5 : 1 ，并不 達到5 : 1，可以明顯看到本傳動裝置的傳動效能明顯優(yōu)于傳 置。
在本發(fā)明中，桿件2起限定桿件1的軌跡及實現動力和速度輸出的作用，而
桿件2則由一滑塊來控制其動作。在桿件2—側有一條槽，與槽配合的兩滑柱 (如圖6: 5、 6,稱之為定軌滑柱)固定在滑塊上，為使桿件2按動力軌跡線運 動，該滑塊中部有二條直角形槽，與直角形槽配合的另有兩條滑柱(如圖6: 7、 8,稱之為箱體滑柱)固定在傳動裝置箱體上，滑塊豎槽卡于滑柱7、 8能固定
滑塊，使桿件2能夠按5、 6限定的動力軌跡線滑移，使之與齒輪嚙合驅動齒輪 運轉，動作完成后，使滑塊豎槽移離柱7、 8按橫槽橫向移動，桿件2又可脫離 齒輪重新滑移到開始位置，滑塊豎槽重新卡于箱體滑柱上，桿件2 —端同時與 齒輪重新嚙合。該滑塊稱為定軌滑塊(如圖6、圖7)。
桿件2另一側有齒與一齒輪組成齒條齒輪機構，也可采用棘條棘輪機構，并 驅動齒輪或棘輪及另動力輸出輪組運轉，從而實現輸出。動力輸出輪組可以是 齒輪，也可以采用鏈輪、皮帶輪或它們之間的相互組合，必要時用離合器實現 換向或變速。根據對力的不同要求，輪組選取適合的傳動比，傳動比按需要可 取0 1000，甚至更大，比較實用的是0 500，以得到需要的輸出速度與動力。
本發(fā)明充分利用了慣性。在實際應用中，運動系統必然存在慣性，系統一經 啟動，由于慣性其所需的驅動力相對減小，尤其在維持勻速運動的情況更是如 此，本傳動裝置恰好可以滿足需要。這是本發(fā)明依據現實需要作出相吻合的力 學特性而設計應用。這樣，可以使得用較少的力，本裝置便可達到傳統雙曲柄 傳動的速度，相對地提高了做功的效率，提高功率，相應提商設備的負載，這 樣，就可以替代一些人力可以滿足動力要求的設備。也可應用于提高適用設備 的功率。 附圖簡述
圖1:原理圖1，
圖2:實施例l,雙向杠桿式傳動裝置側視圖 圖3:實施例l，雙向杠桿式傳動裝置東北向視圖 圖4:實施例2，單向杠桿式傳動裝置側視圖 圖5:實施例2，單向杠桿式傳動裝置西北向視圖 圖6:例1定軌滑塊機構側視圖 圖7:例2定軌滑塊機構側視圖
如圖所示，l.踏桿1， 2.桿件1， 3.桿件2， 4.定軌滑塊，5.6.定軌滑柱，7.8. 箱體滑柱，8-1回位固定柱，9.齒輪，10.齒輪組，ll.箱體，12.機架，13.繩，14. 滑輪機構，15小杠桿，16.杠桿連桿，17.角形柱，18.彈簧，19.復位拉桿，20.動 力輸出軸，O.踏桿軸，OLff件l轉軸
優(yōu)M施例描述
例l雙向杠桿式傳動裝置
雙向杠桿式傳動裝置結構如圖2、 3所示，踏桿l繞軸O轉動，一端與桿件 l鉸接于Ol，其夾角在0。 180°之間，桿件1另一端與桿件2聯接，桿件2 一側有一槽，與之配合有定軌滑柱5、 6，定軌滑塊4有兩直角形滑槽，與之配 合的箱體滑柱7、 8，桿件2另一側有齒，與齒輪9嚙合轉動，并帶動齒輪組IO， 另設滑輪機構14固定于機架12上，位于踏桿上方，用繩13通過滑輪連接另一 套裝置的踏桿。
裝置的動作過程如下當踏桿l繞軸O轉動，同時推動桿件l，由于定軌滑 塊4豎槽卡在箱體滑柱7、 8處，起固定定軌滑塊作用，使桿件1 一端和桿件2 按定軌滑柱5、 6位置限制的動力軌跡線移動，踏桿1與桿件1夾角擴大，桿件 1 —端與桿件2同時移動，桿件2同時推動齒輪9轉動，同時可帶動齒輪組10 轉動，實現動力和速度輸出，設計桿件1到滑塊4的合適的長度，使得桿件2 運動至末段時，桿件1推動滑塊4向上移離豎槽到橫槽一端，利用重力作用， 定軌滑塊4橫槽按箱體滑柱7、 8橫向移動，同時帶動桿件2脫離齒輪并滑下， 再由踏桿1抬起桿件1、桿件2和推動定軌滑塊4復位起始位置，定軌滑塊豎槽 重新卡于箱體滑柱7、 8處，桿件2切入齒輪并嚙合，完成一運動周期。
為得到連續(xù)輸出，通常使用兩套上述相同裝置，設一滑輪機構14于機架12 上，用繩13通過滑輪連接兩踏桿，使上述雙踏桿裝置輪流驅動齒輪及齒輪組， 能實現連續(xù)地輸出動力和速度。有更大動力要求時，可用更多套上述雙踏桿裝 置，用聯軸器或離合裝置使之聯機實現輸出。
當裝置在運作中停頓時，要重新開始驅動，可以拉動復位拉桿19，使裝置定 軌滑塊橫向移動桿件2脫離齒輪滑下，再由踏桿抬起使裝置恢復起始狀態(tài)。
例2單向杠桿式傳動裝置
單向杠桿式傳動裝置結構如圖4、 5所示，踏桿l繞軸O轉動，桿件l一端 與踏桿聯接于軸Ol,另一端與桿件2聯接，桿件1與踏桿1夾角在0 180。之 間，桿件2—側有一槽，與之配合有定軌滑塊滑柱5、 6，固定在定軌滑塊4上， 定軌滑塊4有兩直角形滑槽，與之配合的箱體滑柱7、 8，固定在箱體ll上(如
圖7)，在兩直角形槽之間有一直槽，內有一彈簧，卡于柱8-1,柱8-l固定在箱 體11上，彈簧18使定軌滑塊能自動回位，同時帶動桿件2脫離齒輪。在箱體 底部設一小杠桿15,—端聯接定軌滑塊，使桿件2運動至末端時，可以壓下小 杠桿另一端抬起定軌滑塊，在桿件2滑槽的一側有一三角形突起，與之配合的 是固定在箱體11上的一角形柱17,當踏桿1抬起拉動桿件2復位時，突起按柱 17的邊緣使桿件2有齒一側切入齒輪重新與齒輪嚙合，另設滑輪機構14固定于 機架12上，位于踏桿上方，用繩13通過滑輪連接兩踏桿。
單向杠桿式傳動裝置的運動過程踏桿l推動桿件l移動，由于定軌滑塊4 豎槽卡在箱體滑柱7、 8處，起固定滑塊作用，使桿件1另一端和桿件2按定軌 滑塊滑柱5、 6限制的動力軌跡線運動，踏桿l與桿件夾角擴大，桿件2同時移 動，帶動齒輪9轉動，同時驅動齒輪組IO，輸出動力和速度，設計小杠桿合適 位置，使得桿件2運動至末端時，桿件2可以推動小杠桿15—端，推動定軌滑 塊4向上移動到橫槽一端，彈簧18使定軌滑塊4按橫槽橫向移動，使桿件2脫 離齒輪9，抬起踏桿1回位起始位置，桿件2三角形突起同時按角形柱17的軌 跡使桿件2重新切入齒輪9并嚙合，利用重力定軌滑塊豎槽自動重新卡于7、 8， 完成一運動周期。
為得到連續(xù)輸出，通常使用兩套上述相同裝置，另設滑輪機構14固定于機 架12上，位于踏桿上方，用繩13連接兩踏桿，由上述雙踏桿裝置輪流驅動齒 輪及齒輪組，使之能實現連續(xù)地輸出動力和速度。有更大動力要求時，可用更 多套上述雙踏桿裝置，用聯軸器或離合裝置使之聯機實現輸出。
當裝置在運動中停頓時，要重新開始驅動，可以拉動復位拉桿19，使裝置定 軌滑塊移動桿件2脫離齒輪，再由踏桿抬起拉動桿件2使裝置恢復起始狀態(tài)。
權利要求
1、一種往復式踏桿增效傳動裝置，包括踏桿、桿件1、桿件2，定軌滑塊機構、齒輪、齒輪組、動力輸出軸、箱體、小杠桿、滑柱、機架、滑輪、繩、復位拉桿、離合裝置組成，其特征是通過在可繞軸轉動踏桿的一端鉸接一桿件1，桿件1的另一端鉸接桿件2，桿件2一側有齒，與一齒輪嚙合，桿件2另一側有槽，聯接定軌滑塊機構，定軌滑塊機構使桿件1一端和桿件2可按動力軌跡線與齒輪相切運動，并使桿件2完成行程后脫離齒輪回復初始位置，定軌滑塊使該動力軌跡線定位在踏桿兩端點之間，桿件2有齒一側同時推動齒輪并帶動動力輸出輪組，實現動力與速度輸出，通過1組或1組以上上述裝置或復合機構，實現較大動力或連續(xù)輸出動力和速度。
2、 如1所述踏桿，其特征是以支點為轉動軸的杠桿，其動力臂和阻力臂 比例根據不同的動力和速度要求可以取0 200 : 1，比較實用的是0 50 : 1。
3、 如l所述桿件l，其特征是其兩端開孔， 一端聯接踏桿，另一端聯接桿 件2，踏桿轉動時，桿件1聯接桿件2 —端按動力軌跡線移動，與踏桿夾角擴大， 在0° -180° ，桿件1長度小于踏桿阻力臂3倍，通過調節(jié)其長度，可改變踏 桿輸出力矩。
4、 如1所述桿件2，其特征是 一端與桿件l鉸接， 一側有槽，按定軌滑塊 給定的動作規(guī)律滑動，另一側有齒，與一齒輪組成齒條齒輪結構，也可以是棘 條棘輪機構，齒輪或棘輪同時帶動一組或幾組動力輸出輪轉動。
5、 如1所述定軌滑塊機構，其特征是為使桿件1 一端及桿件2可按動力 軌跡線運動，并可讓桿件2回位至初始位置，實現周期性規(guī)律運動，在桿件2 有槽一側與槽配合的兩滑柱固定在定軌滑塊一側上，定軌滑塊中部有二條直角 形槽，與直角形槽配合的有兩條滑柱，固定在傳動裝置箱體上，當定軌滑塊豎 槽卡在箱體滑柱時起固定定軌滑塊的作用，使桿件2與齒輪或棘輪嚙合，按定 軌滑柱限定的動力軌跡線滑動，當定軌滑塊按橫槽橫向滑動時，能使桿件2脫 離齒輪或棘輪，回位初始位置。另一種定軌滑塊移動的方式除上述主要特征外，由小杠桿實現定軌滑塊的上 下移動，通常在傳動箱體底部增加一杠桿， 一端聯接定軌滑塊， 一端可由桿件2 滑動到末端時驅動，使杠桿能夠抬起定軌滑塊移離豎槽至橫槽一端，定軌滑塊 中部有一彈簧能使與定軌滑塊和所聯接的桿件2按橫槽橫向移動脫離齒輪，在 桿件2滑槽一側有角形突起，與之配合的固定在箱體上的角形fttf側，能使桿 件2復位時切入齒輪并嚙合。
6、 如1所述動力輸出輪組，其特征是可以齒輪組作為動力輸出機構，也 可以是鏈輪、皮帶輪或其組合，根據對力的不同要求，選取適合的傳動比，傳 動比按需要可取0 ~ 1000，比較實用的是0 ~ 500，以得到需要的輸出速度與動力，實現動力輸出。
7、 如1所述復合機構，其特征是可使用兩套上述相同裝置，另設滑輪機 構固定于機架上，位于踏桿上方，用 過滑輪連接兩踏桿，使兩踏桿輪流驅 動齒輪能實現連續(xù)地帶動動力輸出輪組轉動，從而實現連續(xù)地輸出動力和速度。 或者更多套上皿踏桿裝置，用聯軸器或離合裝置使之聯機，輸出較大動力。
全文摘要
一種往復式踏桿增效傳動裝置，包括踏桿、桿件1、桿件2，定軌滑塊機構、齒輪、齒輪組等組成，本發(fā)明通過在踏桿一端增加一桿件1，令其按動力軌跡線滑動，使傳動裝置的力學特性為人施予的力F與垂線夾角α的正弦函數為一無限靠近x、y軸的弧線。這樣驅動踏桿的力的效果在運動周期初始時最大，周期末時最小。桿件1起改變力距的作用，使最大省力值比增至數倍、數十倍，本裝置運動周期過程可實現前階段增大施力，后階段增加速度，使施予的力充分利用，因為杠桿裝置的增力作用，功率上更可比傳統曲柄傳動有所增加，達到同時省力并保證速度，增加人力做功的功率的目的，是一種增功率傳動裝置，用于提高適用設備的功率，尤其適用于自行車、人力車等設備。
文檔編號F16H21/12GK101105220SQ20061010664
公開日2008年1月16日 申請日期2006年7月14日 優(yōu)先權日2006年7月14日
發(fā)明者鄧晉州 申請人:鄧晉州