專利名稱：具有無級、連續(xù)可變速度及轉矩比的自動傳動裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的涉及在其上施加機械能的輸入驅動件及輸出從動件之間改變速度及轉矩比的傳動裝置。更具體地說，本發(fā)明是一完全機械傳動機構，它自動及連續(xù)地作為輸入及輸出轉矩及速度的函數(shù)以無級方式改變傳動比。雖然該傳動裝置特別適用于自行車，但它還具有有利于其他車輛及機器的特性。
背景技術：
在已有技術中，有許多傳動裝置可以設置在車輛及其他機器的驅動鏈之間以使驅動比可以變化，從而原動機可以運行在它的工作轉矩和速度范圍內而同時允許輸出在種種預期的運行模式所需要的不同及通常極寬的轉矩及速度范圍內改變。最初傳動裝置是從幾個不連續(xù)的傳動比中選擇一個傳動比手動地操作的。自行車一般都使用變速齒輪傳動機構系統(tǒng)或齒輪傳動，其中，所選擇的不同的鏈輪或齒輪彼此交替地嚙合以從可用的比中進行選擇。
已有技術認識到，如果車輛駕駛員可以從決定哪一個傳動比適合于所遇到的情況及手動變換傳動裝置的責任中擺脫出來，對駕駛者來說方便性就可以大大提高。因此，出現(xiàn)了種種自動傳動裝置。這些自動傳動裝置中有一些是基于使用速度或轉矩傳感器使手動換檔自動化。有些在不連續(xù)的齒輪嚙合選擇中進行變換，有些使用皮帶和皮帶輪系統(tǒng)；后者改變有效的皮帶輪的直徑。還有一些是液壓系統(tǒng)，它們使用液壓泵、馬達及閥裝置。
這些已有技術的傳動系統(tǒng)，雖然完成了必要的傳動比的變換，但裝置復雜因而價格昂貴，且易發(fā)生各種故障。這種系統(tǒng)中有些換檔急劇或者以有級方式在不連續(xù)的傳動比之間換檔而不是平滑地連續(xù)地換檔。
因此，本發(fā)明的目的和特點是提供一自動傳動裝置，它結構簡單，所需零件少而且可以是完全機械的，因此，特別適用于自行車。
本發(fā)明的另一個目的及特點是提供一傳動裝置，它可以響應于負荷功率要求和輸入功率的變化而以平滑連續(xù)的方式漸進地改變它的驅動比。
本發(fā)明的又一個目的及特點是提供一傳動裝置，它特別適合于自行車，并且允許駕駛者以駕駛者舒適的踏板速度及轉矩腳踏，同時傳動裝置自動地響應諸如由于表面傾斜而引起的負荷功率要求改變驅動比，而不會引起由該駕駛者感覺出或所需的輸入轉矩和速度中顯著的變化。
本發(fā)明的再一個目的和特點是結合上述一個或幾個特點提供一傳動裝置，它也可以讓駕駛者踏板踏得快一些或慢一些以加速或減速而不會感受到顯著的踏板轉矩的變化，從而使駕駛者從踏板的作用力感覺到類似于從普通自行車得到的那種響應。
本發(fā)明的另一個目的和特點是提供一種傳動裝置，它可以適應于驅動一部車子上的多個輪子，并且允許多個輪子以不同的速度旋轉，從而使傳動裝置提供不同的功能并且施加驅動轉矩給所有輪子，包括一不旋轉的輪子。
本發(fā)明的又一個目的是提供一傳動裝置，它可以以不同的轉矩比驅動同一根軸，例如在一自行車上，在輪子一側的聯(lián)動裝置可以以低速及高轉矩驅動，而由同一驅動曲軸所驅動的另一個聯(lián)動裝置則可以較佳地以較高速度及較低轉矩但在任何時刻兩側都以同一速度驅動該輪子。此特點可以加以延伸以使一個單一的驅動軸可以以不同的速度和/或轉矩同時驅動任何數(shù)量的不同的從動軸或者可以驅動具有任何數(shù)量的具有不同轉矩速度特征的聯(lián)動裝置。
發(fā)明概述本發(fā)明從其最廣泛的方面來說是在輸入驅動連接件到棘輪機構的交替運動件之間插入一彈簧以形成一機械傳動裝置，以便從一輸入驅動件將輸入機械能傳送到一輸出從動件，此機械傳動裝置可以被一輸入機械能的能源采用交替動作的方式驅動。更具體地說，本發(fā)明具有一輸入驅動件，它運動并將功率傳送入體現(xiàn)本發(fā)明的傳動裝置。包括一交替運動件及一連續(xù)運動輸出從動件的一棘輪具有一驅動彈簧，可驅動地連接在棘輪交替件及輸入驅動件之間從而把施加到輸入驅動件的力通過該彈簧傳送到棘輪交替件。該彈簧能存儲及釋放能量并且還可以偏轉，從而不管輸出從動件的運動如何都能允許輸入驅動件的充分運動。由驅動彈簧施加到棘輪交替件的力在運動的一個方向上移動該交替件。該驅動彈簧可以設置在輸入驅動件及棘輪交替件之間的任何位置上，也可以具有任何物理結構以及任何力-運動關系。一返回彈簧可驅動地連接于棘輪交替件以把一返回力施加在該棘輪交替件上，其方向與驅動彈簧所施加的力相反，使該交替件按相反方向移動。如果輸入驅動件是一具有連接到驅動彈簧的曲柄銷的曲軸，則運動將被特別加強。
圖1～圖4是簡單示意圖，圖中示出了本發(fā)明的基本原理；圖5～圖10是簡單示意圖，圖中示出了本發(fā)明的較佳實施例的基本結構及運行；圖11是本發(fā)明的一實施例側視圖，圖中示出了一支承壁；圖12是圖11的實施例的一部分，圖中示出了柔性驅動連接件；圖13是一曲線圖，圖中示出了非線性彈簧力系數(shù)；圖14(A-G)，15(A-G)及16(A-G)示出了在三種不同的有代表性的運行情況下本發(fā)明的一較佳實施例的運行情況；圖17、18及19示出了本發(fā)明的實施例的運行的曲線圖；圖20是一示意圖，示出了本發(fā)明的實施例的另一特性；圖21是一示意圖，示出了本發(fā)明的實施例另一些特性；圖22是一示意圖，示出了本發(fā)明的實施例的其他特性；圖23是本發(fā)明的較佳實施例的側視圖；圖24是圖23實施例的端視圖；圖25是圖23的較佳實施例中的驅動彈簧力作為曲軸輸入驅動件的角位移的函數(shù)的曲線圖；圖26是圖25、27和28中變量的示意圖；圖27是作為圖23中的較佳實施例的曲軸輸入驅動件D的角位移的函數(shù)的圖23的較佳實施例的輸出從動件d的轉矩的曲線圖；圖28是圖23的較佳實施例的作為圖23的較佳實施例的曲軸輸入驅動件D的角位移的函數(shù)施加到曲軸輸入驅動件的轉矩的曲線圖；圖29是本發(fā)明的驅動彈簧的設計的示意圖；圖30、31及32是說明彈簧及傳動特性的曲線圖；圖33是本發(fā)明另一實施例的示意圖，其中多個實施例被用于提供不滑動的差動功能
圖34是本發(fā)明的另一個實施例的示意圖；圖35是本發(fā)明的又一個實施例的示意圖；圖36是本發(fā)明的另一個實施例的示意圖，用于擴展傳動裝置的轉矩比范圍；圖37是本發(fā)明的另一個實施例的用于調節(jié)該轉動裝置的示意圖，以提高自行車駕駛者的技巧及動力性能。
在敘述本發(fā)明的具有附圖的較佳實施例時，為了清晰起見，使用了專門的術語。但本發(fā)明并不限于所選擇的專門術語，應予理解的是，每一專門術語包括以類似方式運行以達到類似目的的所有技術上的等效性。例如術語“接合”“驅動地接合”或“連接”及與之相類似的術語都用于把一個力或運動從一物體傳送到另一物體。它們并不限于直接連接，而被本技術領域中的相關人員認為是等效的通過其他元件的連接。例如，驅動鏈可以具有一系列串聯(lián)連接的機構，它們把機械能從一個單元傳送到另一個單元，眾所周知，在驅動鏈中可以設置其他的機構而不會改變其基本的運行。
本發(fā)明的詳細敘述本發(fā)明涉及機械運動及機構的基本原理，因此本發(fā)明的敘述從用到的一些技術的定義開始。這些定義是重要的，一方面它們對所述實施例的運行原理的理解，另一方面對可以應用這些基本原理的許多可能的其他實施例的范圍有所理解。在定義之后，接著是可用于本發(fā)明的基本概念的敘述，此后敘述較佳實施例及其他實施例的結構，接著敘述它們的運行情況。最后敘述改進或提高本發(fā)明的實施例的措施，可替換的實施例以及某些變化。
1.術語的定義在此描述中所用的基本術語都來自《美國專利商標電鋸分類手冊》。雖然已有技術中已經(jīng)有了許多把交替運動轉換成連續(xù)運動的機構，本發(fā)明的實施例中又包括了一彈簧元件，后者提供一平滑的、連續(xù)的、平均的傳動比，此傳動比按非級進的或無級的方式自動地從零或無窮大(取決于用以表達傳動比的方向)到最大或最小傳動比改變，此傳動比只受到結構件及提供輸入工作能量的能力的限制。
“交替運動”是沿著一路線的間歇運動，首先按一個方向接著按一個相反方向運動。雖然交替運動的路線通常是沿著一圓弧交替旋轉運動，或往復地沿著一條線作線性位移的交替線性運動，但交替運動也可以是沿其他路線的運動。“連續(xù)運動”是按同一方向連續(xù)運動，通常是沿著一條線發(fā)生的線性移動或者是連續(xù)的旋轉運動。連續(xù)運動在時間上可以是間歇的，即它可以具有不運動的間歇或具有不同速度的運動。在“連續(xù)運動”一詞中的“連續(xù)”意味著運動方向持續(xù)相同，不是運動在時間上的連續(xù)。
眾所周知，可以將交替運動轉變?yōu)檫B續(xù)運動的裝置棘輪。“棘輪”一詞在本文中從種屬上說是指把交替運動轉換成連續(xù)運動的任何裝置。這一類裝置通常是間歇控制型的，其中，驅動嚙合在交替運動的一個方向上受到影響，在此嚙合期間驅動力施加在運動的方向上。在運動的相反方向，間歇控制器脫開嚙合以在相反方向不施加驅動力并且在它的運行循環(huán)中返回到起始位置。所以棘輪具有一交替運動件和連續(xù)運動件，它以相應的動作運行。雖然為了效率起見，一棘輪最好在一個向施加驅動力，而在相反方向不施加驅動力，在此期間，其交替件沿運動路徑返回；一棘輪也可以只是在一個方向施加的力大于另一個方向的力，例如在一個方向是較強摩擦嚙合而在相反方向則是較低摩擦嚙合及滑動。因此棘輪通常在間歇控制期間以諸如棘爪或摩擦嚙合件以及棘齒條或齒條的形式的齒借助于間歇控制器施加一驅動力。其他的棘輪器件包括球離合器及或滾柱離合器。在已有技術中有種種棘輪器件可供設計者使用，包括機械的、液壓的、磁性的，電及液壓的棘輪器件。本技術領域的相關人員也知道，離合器也可以用作棘輪，這種器件以交替運動件的運動使離合器的嚙合及脫開嚙合同步。為此，例如可使用位移、速度或加速度傳感器在交替件的運動的界限內交替嚙合離合器。
“旋轉運動”是物體繞內軸線的旋轉，該物體上的一點通過一弧形的路線。擺動運動則是沿著弧形路線小于360°的交替運動。往復式運動是沿著一條直線路徑的交替運動。
“彈簧”是本發(fā)明實施例中的重要元件?！皬椈伞笔且环N元件，它存儲著機械能、勢能作為它的扭變、位移、偏移或旋轉(集體稱為位移或偏移)的增函數(shù)。當彈簧為位移時存儲能量而當它返回到?jīng)]有位移的狀況時返回相同的能量。如果設計合適，其能量的存儲和返回可以以低的能量損失完成。彈簧施加的力是其位移的增函數(shù)。彈簧力與彈簧位移之間的關系是“彈簧力系數(shù)”，當此關系是線性時，稱為彈簧常數(shù)。雖然在彈簧位移和彈簧力之間的增函數(shù)關系以及在存儲的能量及位移之間的增函數(shù)關系在一般彈簧的有用工作范圍內是線性的，但這些關系也可以是非線性的。對本發(fā)明的部分實施例來說，非線性函數(shù)關系是較佳的，其中，每單位位移的力和存儲的能量在位移增加時是會增加的。
彈簧的一種類型是機械彈簧，它是由機械變形而彈性位移的。這些彈簧包括線圈形彈簧、扭桿彈簧、平面彈簧及其他彈性體，例如彈性索或彈性帶。另一種類型的彈簧是氣體彈簧，其中的流體一般是氣體，被限制在一可變容積的容器內，例如具有活塞的一封閉氣缸。懸臂彈簧是一物體，通常是一桿，它的一端錨在另一物體上并且能以彈性方式彎曲。該桿可以是線性的、彎曲的或包括彎曲部分。此彈簧沿著其長度還可以具有寬度及厚度的變化從而可以在彈簧力系數(shù)中引入所需的非線性。因此彈簧可以用任何能撓曲、彎曲、擴展、壓縮或者以其他彈性方式變形的物體形成。彈簧可以沿直線方向或作為轉矩施加它的力。彈簧也可以是一磁性彈簧，其中，聯(lián)系力及間距變化的磁的吸引力或排斥力提供位移或扭變。這種彈簧可以使用永磁鐵或電磁鐵。
“曲軸”是一種眾所周知的器件，它具有一“曲柄軸”并且環(huán)繞通過曲軸的中心軸旋轉。曲軸還有一“曲柄臂”，它從曲軸延伸，在一從中心軸線選擇的稱為曲柄半徑的半徑處有一曲柄“銷”裝在曲柄臂上，以使曲柄銷繞中心軸線沿一圓形路線移動。然而，大家都知道這是一個基本的部件，它還有很多別的結構可以形成一基本的曲軸。此外，其結構件并不限于這種結構術語。例如“曲柄臂”并不限于有一個臂，它也可以是一個具有曲柄銷從它那里延伸的一個輪子。因此用于曲軸的術語只是泛指具有曲軸的基本部件的功能的結構。術語曲柄軸是指一種結構，它可旋轉地安裝曲軸，這種結構是可旋轉地安裝著的，從而當曲軸作連續(xù)旋轉運動時它可以以交替運動方式移動。
術語“柔性驅動連接件”是用來指索、纜、帶、鏈等等，它們在承受拉力時是剛性的，因此它們可以傳遞力，但是它們還可以在其彈性極限內橫向撓曲或彎曲。
2.基本概念本發(fā)明的最基本的概念以簡單的形式示于圖1～4。
圖1的簡單化的機械傳動裝置具有一個由一棘齒條12形成的棘輪10，其齒14嚙合棘輪18的齒16。在這簡單化的機械傳動裝置中，一輸入驅動件20連接到一輸入機械能的源，諸如線性往復的原動機上。一固定在棘輪18的可旋轉的軸22形成一連續(xù)運動輸出從動件。棘齒條12形成一交替運動件，它通過一驅動彈簧24連接于輸入驅動件20。一返回彈簧26連接于棘齒條12。當輸入驅動件20作往復運動或者以交替動作移動而具有一往復構件時，彈簧24及26承受拉力。當輸入驅動件被原動機驅動到圖1的左面時，彈簧24及26被拉伸，存儲能量并把棘齒條12移向左面，使棘輪18逆時針方向旋轉。當輸入驅動件被原動機移向圖1的右面時，棘齒條12的齒14從棘輪18的齒16脫開嚙合，從而使棘齒條12的齒在棘輪18的齒上向上浮動。棘齒條12被返回彈簧26拉向返回位置。此往復循環(huán)連續(xù)地重復從而給予輸出從動件22產生連續(xù)的旋轉運動。
從圖1的實施例中可以看出，如果輸入驅動件20的往復幅度(在行程的每一方向上的位移)始終是同一恒定位移，則棘齒條12的位移，輸出從動件22的角旋轉以及施加于輸出從動件22的轉矩將都是施加到輸出從動件22的轉矩負載以及輸入驅動件和輸出從動件的速度的函數(shù)。施加到輸出從動件的瞬時轉矩也將作為時間的函數(shù)而變化，它是輸入驅動件20的循環(huán)行程的相位角的函數(shù)。轉矩通常只在一部分循環(huán)期間施加到輸出從動件上，當棘齒條12被彈簧26返回時就沒有轉矩加上去。這些轉矩脈動當然將在整個循環(huán)上被平均。如果在輸出從動件上的轉矩負載超過可以通過驅動彈簧所加的轉矩，則施加于輸出從動件上的轉矩脈動將在該循環(huán)整個360°上延伸，棘輪的交替運動件將不移動，所以它將不返回。重要的是，雖然輸入驅動件20的往復幅度可以始終相同，但棘齒條12的位移以及在輸出從動件22處的轉矩和速度都是不固定的，而是作為轉矩負載的函數(shù)而變化。正是這些參數(shù)的可變性可以讓本發(fā)明的實施例自動地連續(xù)地在輸入驅動件20及輸出從動件22之間的驅動關系上獲得平滑的、可變的傳動比。
圖2示出了使用了相同原理的一個類似的實施例，所不同的是其中使用了其上以傳統(tǒng)方式可樞轉地安裝有棘爪34的棘爪載件32的一個旋轉的交替運動件30。棘爪34嚙合一棘輪36，一軸38固定于該輪上以形成連續(xù)運動的輸出從動件。圖2的實施例也具有一返回彈簧40及一驅動彈簧42，它們連接在棘爪載體32及輸入驅動件44之間。彈簧40及42連接在一柔性的帶46上，后者在一點48處固定于棘爪載體32以形成一柔性驅動連接件。和圖1中的實施例一樣，驅動彈簧24存儲能量從而即使在輸入驅動件20已經(jīng)開始它在圖4中向右的行程時，它也可以給棘齒條12施加力。
圖3示出了另一個簡化的實施例，其中，從動輸出件50連接于一循環(huán)的連續(xù)棘齒條52上，就像在一循環(huán)回路驅動鏈上形成那樣，棘齒條52的齒54被棘爪56所嚙合，該棘爪56是以傳統(tǒng)的方式可樞轉地安裝于棘爪條58上。和其他實施例一樣，圖3的實施例有一返回彈簧60及一驅動彈簧63，可驅動地連接于一輸入驅動件64。
圖4示出了另一個實施例，它和圖3中的實施例相似，不同之處是驅動件是一曲軸72，后者有一曲柄銷70及在一曲軸74中的中心樞轉軸線。使用曲軸來獲得基本上往復運動可以顯著地增強本發(fā)明的運作并且可應用于所有的實施例。曲軸是一眾所周知的部件，它可以把連續(xù)的旋轉運動轉換成交替運動。曲軸需要一另外的結構，例如一可旋轉地連接于曲柄銷的連桿以獲得交替運動。雖然一連桿可以用于本發(fā)明的實施例中，但一傳統(tǒng)的剛性連桿是不需要的，因為曲柄銷和驅動彈簧之間的連接件可以實現(xiàn)這一功能，以使曲柄銷運動的往復分量可以施加到彈簧上。更具體地說，因為由曲柄銷施加于驅動彈簧的力可以始終在同一方向上，柔性的帶、鏈或等效的柔性驅動連接件，它們都可以在一個方向上施加力，如果它是可旋轉地連接于曲柄銷上的話，就可加以使用而實現(xiàn)連桿的功能。
從上所述，可以很清楚地看出，用于本發(fā)明的彈簧不限于承受拉力時工作的彈簧。驅動彈簧或返回彈簧都可以等效地用運行于壓縮彈簧以把它們的力施加于棘輪交替運動件。
3.較佳實施例圖5示出了兩個部件的特性，它對本發(fā)明的實施例來說是比較可取的。所述的較佳特點是曲柄80及一懸臂彈簧82。曲柄80有一曲柄軸84及一曲柄銷86，它們由曲柄臂88連在一起。曲柄銷86沿著一旋轉圓形路線90以連續(xù)的旋轉運動轉過一角度θ。柔性帶92提供一柔性的驅動連接件，其一端可旋轉地連接于曲柄銷86，其相對端則與懸臂彈簧82上的一支撐點94相連。
懸臂彈簧。懸臂彈簧82在支撐點98固定于棘輪交替件96。懸臂彈簧82是一柔性懸臂桿，它是彎曲的，在它最松弛的位置，在沿圓周方向延伸至少部分地環(huán)繞著棘輪交替件96。如圖5所示，當返回彈簧100處于其最松弛的位置以及曲柄銷86最接近于懸臂彈簧82時，產生懸臂彈簧82的最松弛的位置。該返回彈簧100最好使用一柔性驅動連接件并以圖2所示的方式連接于棘輪交替運動件96。棘輪連續(xù)運動件101連接或固定于一連續(xù)運動的旋轉的輸出從動件即一輸出軸102。
圖5的實施例的運作的部分基本原理示于圖6～圖10。運作的初步討論假定有足夠的轉矩施加到連續(xù)運行的、旋轉的輸出件102上以克服負荷的要求從而使它可以旋轉。
當曲柄80從圖5所示的位置轉過一個90°的θ角至圖6所示的位置時，懸臂彈簧82將按如圖所示的方式位移(即偏轉)，此時將有一轉矩施加到輸出從動件102上。使用一懸臂彈簧82的特點是當彈簧被一通過柔性驅動聯(lián)動件92施加到它上面的力而向外偏移時，支撐點94從輸出從動件102的旋轉軸線徑向位移。結果是當彈簧位移增加時，力矩臂也增加。當曲柄80再轉過一個90°的角度而到達圖7所示的位置時，力矩臂進一步增加。在圖7的180°位置上，彈簧的位移，也就是通過棘輪施加到輸出從動件102的轉矩處于最大，然而，在曲柄80上的轉矩是零，因為由柔性驅動連接件92施加給曲柄銷86的力是通過曲柄軸84的曲柄繞之旋轉的中心軸線的。當進一步旋轉90°到達圖8所示的位置時，通常在返回彈簧100所施力的作用下將允許棘輪的交替運動件96開始其返回于此90°弧內的某處。再一個90°的運動將把結構返回到循環(huán)的開始處，如圖5所示，此后將重復以上過程如圖10所示。
支承壁。圖11示出了本發(fā)明的一個實施例，它包括一可以增強運行的特點。圖11的實施例具有一連續(xù)從動旋轉件110，它具有齒112，齒112可與棘爪114嚙合，后者可樞轉地安裝在一交替運動件116上以形成一棘輪。一懸臂彈簧118在一支撐點120處固定于該交替運動件116上。懸臂彈簧的相反的一端在支撐點124處固定于一柔性帶形式的驅動連接件122上。
固定于交替件116上的還有一支承壁126，它從其連接于交替件116的連接位置128附近沿著一彎曲的路線向外延伸。此支承壁126位于懸臂驅動彈簧之外并對齊以使它當懸臂驅動彈簧具有足夠的位移時將被懸臂驅動彈簧118嚙合。較佳的是，支承壁的輪廓外形是當彈簧位移增加時使懸臂驅動彈簧逐步向外地嚙合該支承壁。例如，支承壁可以沿一圓弧延伸，但在此實施例中，漸開線將是一個提供較佳的輪廓的形狀。
圖12示出了通過帶狀柔性驅動連接件122傳遞力的方式，其中，輸入驅動件位于支承壁126離開驅動彈簧118的相對側。這可以由一形成于帶122中的軛狀段130來完成，以使支承壁126可以延伸穿過它。當然也可以使用另外的軛結構。另外一個辦法是可以縱向地形成一槽并在中心通過支承壁126，而柔性驅動連接件則最好是延伸穿過此槽的較狹窄的索或纜。
圖13示出了支承壁126的一個優(yōu)點是提供一非線性彈簧力系數(shù)。如果單個彈簧的彈簧力系數(shù)是線性的，則支承壁126使彈簧以非線性方式運作。當彈簧位移或偏移，它抵在支承壁126的內表面132上，沿著支承壁126的表面132作為彈簧位移的增函數(shù)從支撐點120逐步向外。結果是彈簧施加于輸出從動件110的轉矩作為彈簧位移的函數(shù)比線性增長快得多地非線性增長。此轉矩例如可以作為位移的一個函數(shù)指數(shù)地增加。
通過形成支承壁可以得到另外的設計優(yōu)點，即使它也稱為一個彈簧。例如，圖示的支承壁可以做得足夠薄并且用彈性材料制成以使它也像懸臂彈簧那樣工作。因此當驅動它時，不僅如上所述可以作為一種剛性支承使用，當驅動彈簧抵在支承壁上時該彈性支承壁可以提供一彈簧力及存儲能量的功能。以這種方式，當驅動彈簧與支承壁嚙合時，由驅動彈簧所施加的彈簧力將沿著一不同的指數(shù)變化的彈簧力系數(shù)曲線而增加。這為設計者提供了又一個設計上的選擇。例如在一強有力的駕駛者在爬高坡時使用的傳動裝置中這將是有用的，因為此時需要在低速下的非常高的轉矩能力。
圖14、15、16示出了圖11、12及其他實施例的三種代表性的運行情況。在這些圖中，為了敘述的簡單起見，輸入驅動件有時候被稱為“D”，輸出從動件有時候被稱為“d”。相應的符號也將在圖中使用。
在圖14的第一種情況下，輸出從動件140被鎖住在一固定(不旋轉)的停止位置，因為輸出從動件所提供的轉矩不足以克服負載轉矩要求。對于一輛自行車來說，如果停止后再要爬高就可能會發(fā)生這種情況。然而，輸入驅動件D是一曲柄142，它在一固定速度下被驅動。在曲柄142的旋轉角θ為圖14A所示的0°的情況下，懸臂彈簧144的偏轉為零。在這種情況下，如圖14F及14G所示，在輸入曲柄142上的轉矩是零，而施加在輸出從動件上的轉矩也是零。
當曲柄142旋轉90°到達圖14B所示位置時，驅動彈簧144被偏轉，在輸入曲柄142及輸出從動件140上的轉矩都增加，如圖14F，圖14G所示。如圖14C所示，當曲柄再轉動90°到達180°位置時，驅動彈簧144被偏轉到它的最大位移處，從而有一最大轉矩施加到輸出從動件140上，如圖14G所示。而施加到曲柄142上的轉矩趨向0，如圖14F所示。
當曲柄142再轉過90°到達圖14D所示的位置上時，驅動彈簧144的偏轉下降，使施加到輸出從動件140的轉矩減少，如圖14G所示。請注意，當曲柄142的旋轉超過圖14C的180°位置時，一負的轉矩(即支持曲柄的繼續(xù)旋轉)施加到曲柄142上從而使能量返回到旋轉曲柄142的原動機。這一情況如圖14F及14G所示一直繼續(xù)下去，直到諸部件返回到360°的位置如圖14E所示。這一位置與14A的位置相同。
因此，在輸出從動件140的情況下，在360°整個循環(huán)期間，輸出從動件140保持靜止，從曲柄142到輸出從動件140的凈能量流在整個循環(huán)期間是零，如果輸出從動件140是鎖住的，它就必須如此并且不接受任何功率。本技術領域的普通技術人員知道，功率是轉矩和旋轉速度或角速度的乘積。所以圖14中所示的實施例的運行的結構是上升和下降轉矩波的重復。在此停止的狀況下，在曲柄142處沒有凈功率輸入，而它是維持在輸出從動件140上的高轉矩和維持曲柄的連續(xù)旋轉所需要的，除了摩擦和其他損失以外，而摩擦及其他損失相對來說是較小的。一個重要點是，在這些停止狀況下，沒有輸出功，也沒有凈輸入功，但最大的轉矩仍施加在輸出從動件d上。輸入軸D可以旋轉于任何速度而無需用很大的勁，因為能量流僅在彈簧中進出，并沒有傳送出機構之外。
雖然瞬時轉矩按曲柄的角的位置而變化，如圖14F及圖14G所示，從下面將看出，這些重復的上升和下降的轉矩脈沖或脈動波可以通過本發(fā)明的加強而使得這些脈沖或脈動平穩(wěn)而平均化。這些增強包括使用本發(fā)明多個平行實施例，工作于等角間隔的相位關系，使用飛輪以及特別是對自行車來說，以比自行車的腳踏板為大的角速度驅動本發(fā)明的曲柄142。
在使用本發(fā)明的自行車傳動裝置的情況下，示于圖14的峰值停轉轉矩例如可以是150牛頓米左右，它是傳統(tǒng)自行車傳動裝置的一個典型的最大值。該轉矩通過驅動力及彈簧力的幾何形狀及在最大偏轉時的力矩臂而設計入傳動裝置之中。
如果從動輸出軸d移動，則情況不同，如圖15及16所示。需要功率以逆著被負載加在其上的轉矩而驅動輸出軸d，此功率必須由輸入軸D傳送到傳動裝置。當輸出軸d移動時，在一個典型循環(huán)期間的運行如圖15及圖16所示。
在圖15及16中，和圖14一樣，相對于輸入軸D的角運動畫出了圖，但是輸出軸d的運動，結果就與圖14中的軸d是靜止的情況迥然不同，因為那里軸d是靜止的。為了說明起見，圖15中的輸出的從動件d的角速度假定是輸入驅動件軸D的1/4，從而當輸入軸D完成了一整圈的旋轉時，輸出軸d只旋轉了90°。請參閱圖15A～15G，當輸入軸D從它的零位置(在圖15A中，角旋轉為零)旋轉時，它必須先加速到一個速度以允許棘輪嚙合于驅動輸出軸d。這是圖15F及圖15G的A點，在那里棘輪嚙合并開始驅動輸出軸d。輸入軸D的相對速度大于帶的正切點F(圖15F及圖15G)的速度，彈簧的偏轉增加，直到在點P處，帶在D上的連接點的相對速度再次下降到在d上的連接點的速度之下，并且彈簧的偏轉開始降低。在點E處，彈簧再次返回到其零偏轉狀態(tài)，且棘輪脫開嚙合。盡管在此時間的一部分時間中，帶的速度反向并且彈簧收縮即移動到較少偏轉的情況，在從棘輪在A嚙合到脫開點E的一段時間內，帶偏轉了彈簧并且在d上有轉矩。在整個循環(huán)中，遞送給輸出軸d以及從輸入軸D流出的平均功率與輸入軸D的一次旋轉期間總轉矩脈動(轉矩及時間的乘積)之和成比例，即P～n∫Td這一關系不僅決定于柔性驅動連接帶的相對偏轉，而且還取決于彈簧的力-力矩臂的關系。因為力及力矩臂是如圖所示隨帶的偏轉而改變的?？偟膩碚f，傳送的功率與彈簧的偏轉，轉矩臂，嚙合的時間以及每單位時間的循環(huán)數(shù)成比例。這四項都隨著輸入軸D相對于輸出軸d的旋轉速度的增加而增加。因此在軸d的固定旋轉速度下傳遞給輸出軸d的功率大致上與軸D的輸入速度的四次方成正比。正是這樣的一個事實使輸入軸D的傳送輸入速度在輸出軸d及輸入功率到D的很寬的范圍內是接近恒定的。
在一較高的速度比上，即輸出軸d的旋轉速度接近于輸入軸D的旋轉速度時，棘輪嚙合的時間、彈簧的偏轉以及力矩臂都要比在較低速度比的情況下為少。圖16A～圖16G示出了當輸出軸d的角速度是輸入軸D的3/4時的運行關系。圖16A～圖16G示出了外交替運動棘輪件，先是加速以嚙合并施加一轉矩給輸出軸d，然后是彈簧延伸以驅動輸出軸d，接著當彈簧收縮時繼續(xù)驅動，最后是棘輪脫開嚙合或重新到它的開始狀態(tài)。因為此運行的效率比速度比較低時為低，設計者可以避免它，辦法是選擇一個較低的最大速度比d/D。例如，設計者可以使d的有效棘輪直徑比對D的曲柄行程為小。
從以上所述可以看出，對輸入驅動件的每一個360°循環(huán)，輸出從動件經(jīng)過一個相位角，此相位角不是360°的整數(shù)倍或任何其他固定的比，而是經(jīng)過一個相位角，此相位角作為輸出速度及轉矩的函數(shù)而改變。
通過彈簧的剛度及形狀以及支承壁的幾何形狀給定設計范圍，可以使轉矩/偏轉的關系在輸出軸d的速度的一個寬的范圍內在輸入軸D的恒定輸入速度下成為基本上恒定的功率。例如，設計者可以選擇一恒定的功率，在腳踏速度為90rpm時的250瓦。后者是許多自行車駕駛者的最大功率速度。采用這樣的一種設計，如果駕駛者選擇一較低的腳踏速度，他會感到所需的功率有很快的下降，因為傳送的功率以腳踏速度的四次方改變。在恒定的路途速率下輸出軸d恒定速度)下，腳踏速度從90rpm降低到60rpm，將使功率降低5左右的系數(shù)，例如從250瓦降低到50瓦，或者說從非常高的只有訓練有素的運動員才能承受得住的功率下降到一般駕駛者感到合適的功率水平。
運行特征示于圖17～圖19。如果功率保持恒定，則可變的速度傳動裝置必須具有一個轉矩對速度的雙曲線的關系，因為P＝2πTn，其中P＝功率，T＝轉矩，n＝角速度(度/秒)。這示于圖17之中的一組虛線雙曲線P1～P3。每一雙曲線適用于一不同的恒定功率。然而，在實際傳動裝置中，最大轉矩及最大旋轉速度有一個極限，所以功率曲線限于圖17中的實線所示。
圖18示出了在運行的實際和實在范圍內的在一恒定功率輸入下的恒定功率輸出時的基本特性，兩端的極限值在低功率端由彈簧所能提供的轉矩決定，在高功率端則由輸入原動機的極限功率決定，例如由自行車駕駛者決定。
從上所述可以看出，本發(fā)明的實施例作為一種傳動裝置來運行，也就是說它可以在輸入和輸出之間提供自動的和平滑變化的速度以及轉矩比，如圖19所示。
當對輸出從動件d的轉矩負荷要求很小，例如接近零時，彈簧的偏移將很小。傳動裝置的運行特征將接近一固定的速度比，其最大轉矩比及最小速度比決定于連接件的幾何形狀，具體說是旋轉元件的直徑比。轉矩脈動的幅度將更小而且基本上僅發(fā)生在旋轉的短的時間區(qū)域內。
脈動的平滑化。如上所述，轉矩是以一系列脈動施加于棘輪連續(xù)運動件的，這些脈動作為運行參數(shù)的函數(shù)而變化。類似地，一系列轉矩脈動在運行期間施加到輸入驅動件上，這些脈動也是變化的運行參數(shù)的函數(shù)。因此當本發(fā)明用于一輛自行車時，駕駛者會感到在瞬時轉矩中的脈動變化。有幾種改變可以用于本發(fā)明的實施例以為駕駛者提供比較平滑的感覺或者使這些脈動平穩(wěn)化。這些改變可以單獨使用或者與其他改變一起組合使用。
圖20示出了一種改變，它特別適用于自行車。一傳統(tǒng)的雙曲柄自行車腳踏機構160有一個繞著它旋轉的曲柄軸162，并且還有一對固定于其上的腳踏曲柄臂164及166。一傳統(tǒng)的鏈輪168也固定在腳踏機構上并且被一驅動鏈170可驅動地連接到固定于曲柄輸入驅動件174的一鏈輪172。眾所周知，相對鏈輪直徑?jīng)Q定此固定比傳動裝置的驅動比。此固定比傳動裝置驅動曲柄輸入驅動件的驅動比選擇得可以為曲柄輸入驅動件174提供一自行車踏板機構的角速度為較高的角速度。較佳的驅動比約為6∶1以使自行車踏板機構160的每一完整的一圈提供曲柄輸入驅動件174六圈。因此，在每轉一圈期間，多個較短的相距較近的轉矩脈動施加到踏板機構從而使駕駛者感到較少脈動。
圖21及圖22示出了另一種改變，使施加到輸入驅動件的轉矩脈動平滑化。此改變具有本發(fā)明多個平行、重復但相位不同的實施例。較佳地，多個傳送部分具有同角相位。這可以通過采用一曲柄來實現(xiàn)，此曲柄具有多個曲柄銷，它們圍繞一曲柄旋轉軸線成角度地間隔開。例如，一輸入驅動件由具有三個曲柄銷182、184和186的三行程曲柄180構成。該三個曲柄銷圍撓曲柄軸188以120°角度設置。多個棘輪190、192和194安裝于同一個輸出驅動軸196。每一個棘輪包括如上所述的一交替運動件及一連續(xù)運動旋轉的輸出件，兩者固定在一起并如上所述固定于共同的輸出從動件196。
多個驅動彈簧198、200及202各自可旋轉地連接于曲柄銷之一并驅動地連接于棘輪交替件之一如上所述。每一棘輪還有一返回彈簧，它的連接及運行均如上所述。本發(fā)明此多個相位陣列平行傳動使圖14～圖16所示的脈動在每一360°循環(huán)運行期間重疊。所得到的施加于多曲柄輸入驅動件瞬時轉矩將是各傳動部分的瞬時轉矩之和。這個來自多個重復的瞬時轉矩之和其幅值的變化沒有各個單獨傳動的瞬時轉矩的變化這么多。更有趣的是，當施加到曲柄輸入件的轉矩是負的時候，因為對每個單獨的傳動有一個曲柄旋轉的角度的間隔，即在如圖21及圖22所示的多曲柄相位陣列實際上幫助驅動曲柄旋轉，此負的轉矩表示工作從一傳動的彈簧恢復并傳送到驅動陣列的別的傳動上去。此傳動的相位陣列的平滑化效果可以通過在一個曲線圖上重復圖14～圖16的曲線圖F和G而看出，只是作為120°的間隔的相位，然后把它們的和畫在360°的間隔上。
當然，眾所周知，通過安裝一個飛輪到旋轉的曲柄上也可以得到脈動平滑化的效果，但是，采用飛輪時，由于飛輪的動量，將延遲加速及去加速。
較佳實施例。圖23及圖24示出了自行車傳動裝置的較佳實施例。一彈簧保持器210固定于棘輪交替件(圖中未示出)并與棘輪交替運動件一起進行交替運動并被一返回彈簧偏置，延伸到自行車車架以把彈簧保持器210返回到如圖所示的狀態(tài)。一玻璃纖維懸臂驅動彈簧212其一端213夾在一凹處214處，形成在彈簧保持器210及支承壁216之間。該彈簧保持器210及支承壁216由玻璃纖維形成一體，所以它們也和彈簧一樣可以彈性撓曲。在此實施例中，支承壁216的較佳的輪廓是一漸開線。一柔性驅動連接件，它由張力纜218制成，延伸通過一槽220，縱向延伸通過支承壁216與一輸入驅動件(圖中未示出)相連。當張力纜218拉驅動彈簧212時，該驅動彈簧212向支承壁216撓曲。因為組件的所有部件(彈簧、支承壁及彈簧保持器)都是具有彈性的，它們撓曲以允許張力件連接其上的曲柄在無輪子旋轉的范圍內可以完全偏轉。在此設計中，曲柄具有65mm的行程，以使組件當飛輪被鎖住時必須至少允許張力纜218的總位移量的兩倍。
在此設計中，傳動曲柄被驅動到約六倍于如圖20所示的由鏈驅動的踏板軸旋轉量，因此，在正常的運行中，當駕駛者腳踏約60rpm時，曲柄旋轉約360rpm，而彈簧循環(huán)約一秒六次。玻璃纖維彈簧具有一個優(yōu)點，即它們每單位重量具有高的能量儲存能力，并且大偏轉時也沒有疲勞和永久性畸變。
在低的輪轉矩時，諸元件具有很少的彎曲，且張力纜旋轉輪子約120度/曲柄半轉。有兩個相同的彈簧組件，在從動輪兩側各有一個彈簧組件，在低轉矩時，曲柄軸每轉一圈，輪子轉動約240°。當輪子的轉矩負荷增加時，彈簧及組件偏轉增加，輪子旋轉減少一直到在鎖住輪情況下偏轉為最高，彈簧延伸到最長，在輪子上加上了最大的轉矩，此最大轉矩決定于系統(tǒng)的幾何形狀和剛度。在此較佳自行車傳動中約100牛頓-米。但駕駛者較強壯時，可以上升到150牛頓-米。對于自行車運動健將，可以增加到300甚至400牛頓-米。
圖25示出了圖23的較佳實施例的驅動彈簧的力對偏轉的關系。其變量及大小示于圖26。該力與輸入驅動曲柄的曲柄角的正弦成反向關系從而允許在旋轉期間有一個接近恒定的轉矩在輸入驅動曲柄上。在實際上，D上的轉矩相對于從動張力件在0°及180°旋轉時始終是零，因為在這些角度處，在張力件上的力通過D的中心，不管大到如何程度對力都沒有力矩臂，因此沒有轉矩。更加具體地說，由于圖23的實施例的幾何結構，當輸入驅動曲柄在0°及360°旋轉區(qū)域時(即，它的曲柄銷最接近棘輪，彈簧相對于彈簧支持器210最為放松時)，來自張力纜218的力沿著彈簧在縱向被施加，因此施加到彈簧上的力的一個大的分量作用在縱向壓縮彈簧的方向。然而，當驅動彈簧212從彈簧支持器210向外偏移及彎曲時，該力趨向于縱向壓縮大大降低，該力主要使彈簧彎曲。因此，彈簧力很快降低，即使彈簧力系數(shù)隨著彈簧力作為彈簧偏移的函數(shù)指數(shù)增加時是非線性時也是如此。這是可能的，因為彈簧力不但是彈簧偏移的函數(shù)而且是瞬時幾何結構的函數(shù)，因此當接近360°角的旋轉時，彈簧力因同樣的理由而很快增加。
其結果是施加到輸出從動軸的轉矩產生如圖27所示的瞬時轉矩脈動以及如圖28所示的在輸入驅動曲柄的轉矩。
彈簧的設計。已有技術有許多熟知的設計具有任何所需的力-偏移特性的彈簧的方法。彈簧設計可以從市售有限元應力分析程序例如ALGOR程序得到幫助。圖29～圖32示出了這一過程。用圖來敘述此設計過程，因為此設計方法是易于理解的。但它可以通過分析或計算機模擬方法進行重復，此模擬方法透明度較低些但也是在本技術領域中所熟知的，并且可以達到任何所要求的精確度。
請參閱圖29。其中比較簡單些的是輸入驅動曲柄D及輸出從動棘輪軸d的半徑R，并且D具有兩倍于d的旋轉速度。如圖25所示，形成的嚙合角是曲柄旋轉的30°角。在這一點，連接帶的速度等于棘輪交替運動件的速度并且棘輪是被嚙合的。在此點之后，d上的帶以d的圓周速度移動，曲柄上的帶則以變化的速度移動。點A和B的軌道，在棘輪嚙合時，起初是在一起的，現(xiàn)在d和D上的曲柄由于不同速度而彼此分開，它們可以用簡單的曲線圖示方法表示如圖29所示。點A由于帶從d展開而向外移動，B向左移動而與曲柄保持一恒定的距離。結果是A和B分開，它是彈簧沿著帶的直線的伸長，它可以在任何所需曲柄角處進行測量，如圖29所示。
彈簧的偏移在棘輪的嚙合角處從零開始，在這種情況下，約30°左右如圖29所示，隨后在曲柄的旋轉角度約150°處增加到最大。在此點之后，在曲柄的約230°的旋轉角度處，在A和B的軌道相交處很快下降到零值。在此點，彈簧上不再有張力，棘輪于d脫開嚙合，帶在0°左右的位置時再繞到一最小長度。此循環(huán)于是重復進行，開始時是棘輪交替運動件和帶的加速，到達30°處的再嚙合點。
采用這種方法可發(fā)現(xiàn)，對在D上的曲柄的任何旋轉角度以及軸速度的任何比，彈簧都能伸展。接下來的任務是決定彈簧力對偏移的必要關系。
對設計具有任何所需的力-偏移關系的彈簧來說有許多已知的方法。在此例子中，用三個在一凸輪上的彎曲的彈簧如圖30所示。產生一給定偏移所需的力取決于懸臂彈簧的厚度、寬度和材料以及凸輪的形狀。對于自行車的傳動裝置來說，假設所需傳動的功率在D每秒六轉時約100瓦左右，則彈簧的力-偏移關系應該能給出這種功率。所需的數(shù)學關系示于圖32，彈簧及凸輪可以從中設計。從許多彈簧幾何形狀及凸輪形狀的組合可得出所需的結果。在設計是要想在一較寬范圍的相對軸速能給出一恒定的輸入功率的情況下，例如在自行車應用的情況下，彈簧及凸輪的設計要在最高速度比開始，其中彈簧的偏移最小，在速度D保持恒定時逐步到一較低的速度d。因此，凸輪及彈簧的幾何形狀設計將一步步進行，從最高速度比的最低偏移直到d的零速度，在這一點，彈簧偏移為最大。在每一步中，彈簧力的增量將選擇得保持功率恒定。在初步設計時，先假定沒有功率損失，由功率源送到D的功率等于從D送到d的功率。
從圖29～圖30可以清楚地看出，對于恒定的功率，d上的平均轉矩必須與d的角速度成相反的關系。此平均轉矩是循環(huán)期間轉矩總體之和在時間上的平均。當d的角速度下降時，棘輪嚙合時旋轉的總摩擦增加，偏移增加且最大力隨偏移非線性地增加。因此當軸d的速度下降時，平均轉矩總體很快地增加，并且通過選擇彈簧及凸輪的適當?shù)男螤羁梢跃哂信c角速度所要求的相反的關系。
在軸d上可以得到的轉矩有一個極限值，可以得到的轉矩由在兩軸之間可以傳送的總的力所決定。在這里，讓我們說系統(tǒng)能夠發(fā)揮的最大平均轉矩是150牛頓-米，這對自行車傳動裝置是一個合理的最大轉矩值。100瓦仍可以被傳送的最小軸速度因此是N＝100/2π.150或每秒0.1轉或6rpm。低于此速度，傳出的功率迅速下降，因為所加的轉矩近似地保持恒定。
還有一點要指出的是，在d的速度固定的情況下，改變D的旋轉速度的效應。如果D的速度增加，則在d上的平均轉矩迅速增加，因為此轉矩受到棘輪嚙合時循環(huán)摩擦的影響，并且受到彈簧最大偏移以及每秒循環(huán)數(shù)的影響，所有這些因素對于軸D的速度都按一定的比例而增加。因此，在d上的平均轉矩增加到D的速度的某次方，近似地是四次方，因為最大轉矩隨速度比非線性地增加。這意味著在實際情況下一駕駛者將感覺到腳踏速度要從60rpm增加到90rpm，功率要很快增加，粗略地說，是系數(shù)1.5的四次方即5倍。這是一個自行車傳動裝置所希望有的特征，因為人在此腳踏速度范圍能產生其最大功率，相反，如果駕駛者想要降低功率輸入，略略降低腳踏速度將使功率流很快下降到任何所希望的值，直至在D處的速度為零，此時棘輪在循環(huán)期間不嚙合并且在d上沒有凈轉矩。
圖23及圖24示出了一較佳實施例，如上所述，對自行車傳動裝置來說，其中驅動彈簧與軸d周圍的棘輪是以這樣的方式相結合的當傳動的力增加時，在d上的力的力矩臂也增加，因此在彈簧偏移時，轉矩成倍的上升，與力及力矩臂成比例。這種結構的設計過程與以上所述相同，加上了力矩臂的改變對轉矩的效應以及在每一增加步驟中的力的改變的效應。
總的流向d的功率與平均轉矩及在D上曲柄行程數(shù)成比例，因此，例如如果加入有三個曲柄行程及一個所要求的100瓦的功率流，則每一曲柄-棘輪對只需要傳送33瓦就可以。
示于圖23及圖24的彈簧具有約30mm的寬度和約5mm的厚度。在這些圖中的支承壁選擇了圓的一段圓弧，其曲率半徑為140mm。對于一固定的最大彈簧應力，支承壁的曲率半徑與所希望的最大纖維應力成反比，而與支承壁接觸點的彈簧厚度成正比。因此，對于一具有恒定厚度和所要求的拉伸應力，支承壁的曲率沿其長度是恒定的，也就是說，一段圓的切點在開始時在支承壁上的彈簧的端部。
對質量方面的觀察結果。本發(fā)明的實施例的作用就象一個完全沒有任何機械損耗、無級變速的速度/轉矩傳動裝置一樣，該傳動裝置具有理想的傳輸特性，如圖19中的轉矩比對速度比的曲線所示，可以在任何輸出軸速度直至接近零的狀況下把全部功率輸入傳送至輸出軸上。該傳動裝置沒有任何部件有實質性的功率損耗，因此，在極限情況下，功率傳輸?shù)男士梢越咏?00％。如上所述的各種情況下，曲柄的多行程可以對D和d給出接近于恒定的轉矩對時間的關系。當駕駛者或任何其它的原動機將輸入能量施加于諸如一曲柄的輸入驅動件時，能量就在一個或多個彈簧中的儲存部位以及輸出之間加以配置或分配以驅動車輛。對于多彈簧系統(tǒng)來說，某些輸入能量被儲存于各彈簧內并且在彈簧循環(huán)通過其各自增加的和減少的偏移時在各彈簧之間移動。
在一自行車運行時，駕駛者決不會感覺到需要站在踏板上以獲得最大的轉矩，例如在爬高坡時照原樣就必須習慣地站于踏板上。而現(xiàn)在，駕駛者就可以始終以最大的功率速度用腳踏在踏板曲柄機構上，通常在60和90rpm之間。這是因為該系統(tǒng)自動地起作用以給出大致上最佳的速度比，在后輪速度下降至零的情況下獲得最大功率從而達到最大速度狀況(即在從動軸的速度接近驅動軸的速度的情況下，幾乎沒有彈簧偏移、低轉矩運行的狀況)。
在適用于一自行車的本發(fā)明的實施例中，在每個運行循環(huán)上求得平均的平均轉矩輸入對于一恒定的踏板速度而言即使自行車速度發(fā)生改變，大致上也是恒定的。假若踏板速度增加，則由駕駛者提供更大的功率，功率與乘以速度的轉矩成比例。
在低速度下，駕駛者會感覺到最大、最長的瞬時轉矩脈動。當速度在踏板速度保持恒定的情況下增加時，該轉矩脈動的高度和持續(xù)時間兩者都會降低。假若駕駛者增加踏板速度，則瞬時轉矩脈動的高度和持續(xù)時間增加，因而輸出轉矩增加，于是獲得較大的加速。
在駕駛者接近所需的運行速度的時，駕駛者就可以腳踏得比較慢，轉矩脈動的高度和持續(xù)時間就會減少，平均轉矩減少從而加速就會停止以給出一恒定的速度。于是駕駛者就會產生如同在常規(guī)自行車上同樣的感覺。假若踏板速度增加，則功率輸入就會增加從而速度增加。然而，駕駛者的腳踏速度有一個上限，因此就有一個最大速度，在此最大速度下該瞬時轉矩脈動就會變短。
假若碰到一山坡，則駕駛者可以或者是(1)腳踏同一速度，在這種情況下轉矩脈動將會變得比較高和比較長，自行車就會減速而駕駛者所感覺到的轉矩將只是輕微地增加或保持相同狀態(tài)；或者是(2)腳踏得比較快些，在這種情況下轉矩脈動將變得平均比較高些，并且假若駕駛者腳踏得足夠快，則速度就能夠加以維持。
這種傳送裝置同樣地適用于諸如汽車等其它的車輛，在這種情況下輸入曲柄軸D的多行程可提供平滑的運行，并且假若需要，則在由同一原動軸D以不同速度加以驅動的兩個軸d的情況下可獲得一差動效應。在從動軸d全部以不同的速度運行的情況下，多于兩根軸也可以由一單個驅動軸加以驅動，不管驅動軸D的固定速度如何。
當然也可以把這個可變速度比傳動裝置與一傳統(tǒng)的換檔傳動裝置組合起來以擴展運行速度范圍。
無滑動，全輪驅動。如上所述，因為本發(fā)明的一傳動裝置實施例具有兩個特性，即(1)對輸出從動件的速度和轉矩自動地調節(jié)，以及(2)即使在該從動件不轉動的時也能將轉矩施加于該輸出從動件，本發(fā)明的實施例能夠提供一無滑動的差動和多輪驅動的功能用于一車輛。每個輪子都由其自己的傳動裝置驅動。因此，當該車輛轉動的時，徑向地向內的輪子可以比徑向地向外的輪子轉動得更慢，從而即使某一個輪子不能動，轉矩也能被施加于所有的輪子。
圖33圖解地示出了可以達到這一目的一種方式。一輸入驅動件曲柄250具有一對曲柄銷252和254，它們通過柔性驅動連接件256和258被連接于體現(xiàn)本發(fā)明各自制成的兩個不同的棘輪260和262的驅動彈簧。每個棘輪的連續(xù)旋轉運動從動件驅動地連接于各自的輪子264和266之一。這些原理可以應用于多于兩個輪子，并且不限于使用一單曲柄輸入驅動件。傳動裝置能夠以不同的速度同時地驅動若干根軸。因此，利用本傳動裝置讓某些曲柄半徑待連接于一根軸上的一棘輪，而另一曲柄半徑(曲拐處)則連接于第二根軸上的一棘輪就能夠部分地完成通常由一差速器提供的功能。當車輛正在轉動并且一個輪子以比另一個輪子慢的速度旋轉的時候，發(fā)現(xiàn)較慢的輪子比較快的那個輪子有一較高的轉矩，但是兩者都被驅動。這一效果可以進行到極端的狀況在一個輪子根本不動而另一個輪子在動或者當一個輪子正在滑動而另一個輪子則保持緊貼在路面上。正在滑動的輪子幾乎不從傳動裝置中取得功率。正如一標準的差速器的狀況一樣，功率從驅動軸流到大部分正在動的輪子，在不動的輪子的彈性縮回的情況下驅動正在運動的輪子。本發(fā)明的這些特性可以用于多輪驅動，諸如通常的四輪驅動的情況。
這種類似于差速器的作用可以用于一腳踏的三輪車，其中兩個后輪中的每一個可以由體現(xiàn)本發(fā)明的一傳動裝置驅動，利用兩個推動曲柄驅動，這種推動曲柄具有以一個曲拐轉變至一個輪子的傳動裝置的一個帶驅動和從另一個曲拐轉變至另一個輪子的傳動裝置的另一個帶驅動。消除對于差速器的需要可以減少重量、復雜性和成本，同時可保持兩輪驅動的優(yōu)點。
圖34用圖解說明體現(xiàn)本發(fā)明的只是借助于多樣的復制品的相同的運行情況，本發(fā)明適用于每種輪子以便脈動的定相和平滑化和/或擴展如同剛才所述的可用轉矩和速度比的范圍。
適用于擴展驅動比范圍的平行傳動裝置。此傳動裝置的相同的通性可以按照另一種方式加以使用，即驅動軸可以用兩種不同的速度比來驅動從動軸的任何一側，從而例如就自行車而論，在由其各自的輪子的鏈輪直徑?jīng)Q定的時后輪的一側以一低的速度比被驅動而另一側則以一較高的速度比被驅動。這種情況具有在不換檔的狀況下可以擴展轉矩比范圍的優(yōu)點，一側以較低的速度提供一高轉矩，而另一側則以較高的速度提供更大的轉矩，即使兩側以全速同時驅動后輪。
例如，如圖36中所示，一自行車輪子280的左側可以具有直徑為右側上的彈簧和棘輪284的直徑的3/4的一彈簧和棘輪282，借助于由同一驅動件曲柄286所驅動的兩個彈簧(如圖23中所示的較佳的實施例)，借助于相同的兩個曲拐288和290。對于一自行車來說，驅動件曲柄286可以由一傳統(tǒng)的自行車踏板曲柄機構292加以驅動，該曲柄機構利用一傳統(tǒng)的驅動鏈294驅動地連接于該驅動件曲柄286上。
在低速度的狀況下，右側彈簧可以采用比左側較高的一轉矩，而在高速度下，右側由于其較低的速度從而棘輪嚙合的時間較小而對輪子的轉矩貢獻較少，而左側由于相對于曲拐半徑其直徑較少，因而對輪子貢獻一較長持續(xù)時間的轉矩脈動。
可調節(jié)的曲拐半徑。除了上述特性外，這一類型的傳動裝置可以在D上具有一可變直徑的曲拐半徑，至于例子，利用離心力驅動的一種傳動裝置在軸D的速度增加的時候可以增加該曲柄D的有效直徑。這一性能可以具有擴展該傳動裝置的速度比的作用，以便在提高d的旋轉速度的同時可以增強功率對D的旋轉速度的迅速提高，也就是說，使得該傳動裝置不管輸入功率如何更加接近于一恒定的速度。
可調節(jié)的曲拐的功率級。為了使該傳動裝置可以調節(jié)駕駛者的技巧和功率，支承壁可以被制成可加調節(jié)的，從而使得該彈簧-支承組合的力-位移關系松弛或剛性化，該支承壁離開彈簧的移動會縮減剛性-偏移關系，從而降低該傳動裝置的最大轉矩和功率。圖35表示具有可以利用一驅動彈簧274嚙合的一支承壁272的一棘輪交替運動件270。驅動彈簧274按照以上所述的方法可被一柔性驅動連接件276所移動。然而，支承壁272利用樞軸銷278可樞轉地安裝并且其角位移受到一控制索280的控制。該控制索使支承壁272可調節(jié)地樞軸轉動到離開驅動彈簧274的位置較近些或較遠些。
這種可以調節(jié)的支承壁的性能可以與前述的其中支承壁本身是有彈性的性能結合起來，因而它可以起一種彈簧的作用。在圖37中用圖示說明了可以讓傳動裝置調節(jié)駕駛者的技巧和功率的一種較佳的結構，即在起動時允許低的踏板轉矩。支承壁372在相對于彈簧的幾何位置中是可以調節(jié)的，從而使該彈簧-支承組合的力-位移關系松弛或剛性化。在彈簧374偏轉的時候，彈簧374與支承壁372以后在輸入曲柄385的角旋轉循環(huán)中的嚙合會縮減剛性一偏轉關系從而降低該傳動裝置的最大轉矩和功率。所述的另一種方法，假若彈簧374抵住支承壁372的部位的長度是可以調節(jié)的，以致它以輸入曲柄385的一給定角度的角旋轉是較小的，則傳動裝置的最大轉矩和功率就會減少。相反地，假若那個長度變大，則該傳動裝置的轉矩和功率就會增加。圖37表示與圖23類似的一棘輪交替運動件370，此交替運動件具有可以由驅動彈簧372嚙合的支承壁372。該驅動彈簧374以上面所述的方式由一柔性驅動連接件376移動。然而，支承壁372和彈簧374可以在被往返彈簧(圖37中未示出)驅動的時候，利用被旋轉地安裝于一軸上的一滾輪378在其往返位置上旋轉地加以改變，嚙合在柔性驅動連接件376上并且被一控制索380控制于適當位置。該控制索380以與柔性連接件376成側向地(圖37中的向上和向下)調節(jié)滾輪378以改變該柔性驅動連接件376的路徑。升高滾輪378導致彈簧保持器310與支承壁一起連接于它以轉過一角度α。這就允許彈簧374和支承壁372以后的返回位置發(fā)生改變，假若該滾輪將柔性連接件從曲柄銷386與棘輪件270之間的一直線向上拉起，那么，彈簧和支承壁不返回至與柔性連接件成一直線的某一位置(α＝0°-水平)，而是返回至如圖37中所示的一較低的位置。在這個較低的返回位置，彈簧的有效力-偏移關系被縮減，因為彈簧以比它要大的一曲柄銷386的角偏差碰到該支承壁，假若滾輪被允許完全返回至彈簧與曲柄銷之間的一直線連接的話。較低的返回位置還會減少使彈簧374旋轉所需的初始力，因為該力以更接近于以直角施加于彈簧?？刂扑?80可以由駕駛者或者利用一計算機加以調節(jié)，如本技術領域中普通技術人員所熟知的那樣。
盡管本發(fā)明的某些較佳的實施例已經(jīng)被詳盡地加以揭示，在不背離本發(fā)明的精神或以下的權利要求的范圍的情況下，當然可以作出各種修改。
權利要求
1.一種用于傳送來自輸入驅動件的輸入機械能的機械傳動裝置，該輸入驅動件通過一輸入機械能的源到達一輸出從動件可以在交替運動中驅動，該傳動裝置具有一自動的、連續(xù)可變的驅動比，該傳送裝置包括(a)一棘輪，包括一交替運動件和一連續(xù)運動的輸出件形成所述的輸出從動件；(b)可驅動地連接于棘輪交替件和輸入驅動件之間的一驅動彈簧，以便將施加于輸入驅動件上的一力按一個方向傳送到棘輪交替件上；以及(c)可驅動地連接于棘輪交替件的一返回彈簧，以便將一返回力施加于該棘輪交替件上，與驅動彈簧施加的力相反。
2.一種用于傳送來自輸入驅動件的輸入機械能的機械傳動裝置，該輸入驅動件通過一輸入機械能的源到達一輸出從動件可以在交替運動中驅動，該傳動裝置具有一自動的、連續(xù)可變的驅動比并且將交替運動轉換為旋轉運動，該傳動裝置包括(d)一棘輪，包括一交替運動件和一連續(xù)運動的，旋轉的輸出件，形成所述的輸出從動件；(e)可驅動地連接于棘輪交替件和輸入驅動件之間的一驅動彈簧，以便將施加于輸入驅動件上的一力按一個方向傳送到棘輪交替件上；以及(f)可驅動地連接于棘輪交替件的一返回彈簧，以便將一返回力施加于該棘輪交替件上，與驅動彈簧所施加的力相反。
3.根據(jù)權利要求2所述的傳動裝置，其特征在于，輸入驅動件是具有一曲柄銷的一曲柄，該曲柄銷可旋轉地和驅動地連接于驅動彈簧。
4.根據(jù)權利要求2所述的傳動裝置，其特征在于，輸入驅動件利用一柔性驅動連接件驅動地連接于驅動彈簧。
5.根據(jù)權利要求2所述的傳動裝置，其特征在于，驅動彈簧具有非線性力系數(shù)，此非線性系數(shù)是驅動彈簧位移的一個增函數(shù)，從而力和每單位位移所儲存的能量隨彈簧位移而增加。
6.根據(jù)權利要求2所述的傳動裝置，其特征在于，驅動彈簧是一懸臂彈簧，該懸臂彈簧在返回彈簧的最松弛的部位沿圓周伸展至少部分地環(huán)繞并連接于棘輪交替件上。
7.根據(jù)權利要求6所述的傳動裝置，其特征在于，輸入驅動件是利用一柔性連接件驅動地連接于驅動彈簧上。
8.根據(jù)權利要求6所述的傳動裝置，其特征在于，驅動彈簧具有一非線性力系數(shù)，這個非線性力系數(shù)是彈簧位移的一個增函數(shù)，從而每單位位移的力和能量隨彈簧位移而增加。
9.根據(jù)權利要求6所述的傳動裝置，其特征在于，進一步包括以首端固定于棘輪交替件的一驅動彈簧支承壁，并且沿著從驅動彈簧的連接部位附近至棘輪交替件的一彎曲路徑向外伸展，支承壁被定位于驅動彈簧的外部并且對齊以便由產生位移的驅動彈簧嚙合。
10.根據(jù)權利要求9所述的傳動裝置，其特征在于，驅動彈簧支承壁是有彈性的，以便在驅動彈簧抵住該支承壁的時候對著驅動彈簧提供一彈簧力，從而彈性地增加由該驅動彈簧所施加的有效彈簧力。
11.根據(jù)權利要求9所述的傳動裝置，其特征在于，輸入驅動件是一曲柄，該曲柄具有可旋轉地和驅動地連接于驅動彈簧上的一曲柄銷。
12.根據(jù)權利要求11所述的傳動裝置，其特征在于，輸入驅動件利用一柔性驅動連接件驅動地連接于驅動彈簧上。
13.根據(jù)權利要求9所述的傳動裝置，其特征在于，支承壁是可加調節(jié)地移動至驅動彈簧的路徑中的選定部位，從而改變驅動彈簧嚙合該支承壁處的驅動彈簧位移。
14.根據(jù)權利要求2所述的傳動裝置，其特征在于，進一步包括(a)一曲柄，具有多個圍繞旋轉的曲柄軸線成角度隔開的曲柄銷；(b)多個所述的棘輪，每個棘輪包括一交替運動件以及一連續(xù)運動的，旋轉的輸出件，該輸出件是一起固定的以形成所述的輸出從動件；(c)多個驅動彈簧，每個驅動彈簧可旋轉地連接于曲柄銷中的一個并且驅動地連接于棘輪交替件中的一個，每個驅動彈簧按一個方向將施加于一輸入驅動件的一力傳送到一棘輪交替件上；以及(d)多個返回彈簧，每個返回彈簧驅動地連接于棘輪交替件中的一個，以施加一與驅動彈簧所施加的力相反的返回力。
15.根據(jù)權利要求3或6所述的傳動裝置，其特征在于，進一步包括一雙曲柄自行車踏板機構，該踏板機構通過一固定比傳動裝置驅動地連接于曲柄輸入驅動件，該固定比傳動裝置的傳動比以一個比自行車踏板機構要高的角速度驅動曲柄輸入驅動件。
16.根據(jù)權利要求2所述的多個傳動裝置，其特征在于，所述傳動裝置中的每一個驅動地連接于一車輛的不同的輪子上以將轉矩施加于一傳動裝置與之連接的輪子上，同時允許輪子以不同的角速度旋轉。
17.根據(jù)權利要求2所述的包括至少兩個傳動裝置或變速器的傳動裝置，其特征在于，所述的傳動裝置或變速器中的每一個具有其輸出從動件，輸出從動件驅動地連接于一車輛的同一輪子上，并且驅動地連接于一輸入驅動件以通過其輸入驅動件以不同的角速度驅動。
18.根據(jù)權利要求17所述的傳動裝置，其特征在于，該傳動裝置或變速器的棘輪交替件具有不同的直徑。
19.根據(jù)權利要求9的傳動裝置，其特征在于，輸入驅動件是一曲柄，并且利用一柔性驅動連接件驅動地連接于驅動彈簧，以及該傳動裝置進一步地包括一旋轉地安裝于一軸上并且與該柔性驅動連接件嚙合的滾輪，所述軸是在柔性驅動連接件的橫向可移動地加以調節(jié)的，以便改變該驅動連接件的路徑。
20.根據(jù)權利要求18的傳動裝置，其特征在于，所述軸被連接至一可移動的控制索上以便于可移動地調節(jié)滾輪的橫向位置。
全文摘要
一種自動地和平滑地連續(xù)可變的的傳動裝置，特別適用于自行車，用于將來自一曲柄的輸入機械能傳送至驅動輪。該裝置具有一擺動的交替運動件和一連續(xù)旋轉運動件，被連接至從動輪上的一棘輪，具有驅動地連接于棘輪交替件與曲柄之間的一驅動彈簧，用于按運動的一個方向來驅動該棘輪交替件。一返回彈簧連接于棘輪交替件，用于把一返回力施加于棘輪交替件上從而按相反方向返回該交替件。
文檔編號B62M1/24GK1826262SQ200480021213
公開日2006年8月30日 申請日期2004年2月25日 優(yōu)先權日2003年5月28日
發(fā)明者威廉·T·比樂 申請人:威廉·T·比樂