專利名稱：帶有鏈傳動及多齒輪和放在后輪外的踏板的自行車的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及帶有鏈傳動，多齒輪(multiple gears)和放在后輪外面的踏板單元的自行車和類似物。它可以提高騎車者的身體器官的功能和能量輸出，使得自行車有高效的機(jī)械和空氣動力學(xué)性能，并且最終還可以使得自行車外觀得到改善。在傳統(tǒng)的自行車上由于騎車者的乘坐位置不能從解剖學(xué)上實現(xiàn)人身體各器官功能的優(yōu)化，因此就不能得到最大的能量輸出。這種自行車正是出于對這些環(huán)節(jié)的改善而設(shè)計的。
通過對傳統(tǒng)自行車的細(xì)致的分析，我們得出一個結(jié)論在人體上半身處于最大角度時由于腹腔體積的減少而對腹腔內(nèi)內(nèi)臟的擠壓會增加腹部的壓力并且由此造成橫隔膜的升高，這就是所謂的“Va1sava”現(xiàn)象，它會造成腹部壓力增加，并且由于血液動力學(xué)和新陳代謝方面的原因而阻礙肢體中靜脈血液的回流；即使是在很短的時間內(nèi)，健康的肢體器官處于這種情況下也很難不對新陳代謝造成影響。通過對騎傳統(tǒng)自行車的運動員的呼吸的研究，我們發(fā)現(xiàn)在人體上身處于最大角度時橫隔膜(一個非常重要的呼吸肌)的提升會造成肺部呼吸量的減少從而引起氧氣量的不足以及靜脈和淋巴回流量的減少，這會使能量效率降低。通過對傳統(tǒng)自行車上的腿部肌肉組織和它的功能的分析，我們注意到由肌肉所產(chǎn)生的部分能量用在推動踏板，同時在抬升另一條腿時有很大一部分能量被浪費了。考慮到在蹬踏板的過程中的腿部肌肉和它們的功能，我們發(fā)現(xiàn)對踏板的推力是由股四頭肌產(chǎn)生的，其余的肌肉對踏板起了很小一部分推動作用(它們的主要作用是在另一次推動踏板前把腿部抬升起來)。所有這些說明在傳統(tǒng)的自行車上存在著對肢體肌肉工作的不合理分配，因此就造成了腿肌肉能量輸出的不合理利用。
我所發(fā)明的自行車的優(yōu)點有以下幾個方面在這種新車上大腿上部肌肉(股二頭肌，半腱性(Half-tend inous)肌，半膜質(zhì)肌(Half-m em branous)，腰大肌和部分長內(nèi)收肌(adductor))在沒有重力效應(yīng)的狀況下工作，把在蹬動踏板過程中浪費在提升肢體重量的能量轉(zhuǎn)化成了對踏板的推動力。除此之外，所有那些在傳統(tǒng)自行上幾乎沒有什么用的肌肉在這種新型自行車上起到了非常重要的作用。它們實際上由于腳部得到了伸展和放松而對踏板的推動進(jìn)行了優(yōu)化。在傳統(tǒng)自行車上，腿部肌肉的工作并不協(xié)調(diào)，因為它為了能有效地推動踏板而在推動過程中有一個死點。
簡單地說，考慮到重力的影響后，腿部的肌肉的工作分配無疑將會更加協(xié)調(diào)。這樣，由于有了更好的肌肉的推動功能，靜脈和淋巴的循環(huán)將會得到改善，從而使得騎車者的心血管系統(tǒng)的功能得到改善。這就是這種新型自行車對呼吸系統(tǒng)，肌肉系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)所帶來的改善的科學(xué)依據(jù)?，F(xiàn)在我們來分析一下傳統(tǒng)的自行車的機(jī)械方面的缺陷專家們?yōu)榱俗畲笙薅鹊靥岣咛ぐ遄孕熊嚨男阅?，?jīng)常而且總是致力于空氣動力學(xué)方面的提高。從這一點來說，現(xiàn)有的乘坐位置是傳統(tǒng)自行車的最不合理的地方。
在新型自行車上，騎車者的身體可以伸展開并且腿部可以向后伸開，正因為如此騎車者可以非常容易地采取近乎平躺俯伏的姿勢。這種姿勢是提高自行車的空氣動力學(xué)性能的最好的措施。而且，最終這種姿勢能很大程度上提高傳統(tǒng)自行車的方向操縱性和穩(wěn)定性?？紤]到這些因素，我一直在努力嘗試在不忽視任何一個可以改善的環(huán)節(jié)的情況下去解決這些問題。在我所發(fā)明的新型腳踏車上，采用了所建議的所有革新措施。經(jīng)過仔細(xì)的考慮，我認(rèn)為這種新型的自行車是一流的，它有著非常優(yōu)秀的能量輸出和非常賞心悅目的設(shè)計。
這種自行車引入了許多重要的革新空氣動力學(xué)因素，穩(wěn)定性，方向操縱性，能力量輸出等。從它對已經(jīng)過時的傳統(tǒng)自行車的所帶來的改善來看，它無疑是非常有趣而且?guī)в袆?chuàng)新性的。通過對所作的每一個改善措施和革新的分析，發(fā)現(xiàn)這種自行車可以使騎車者采取一種非常符合空氣動力學(xué)要求的姿勢(見
圖1)，無論從騎車者的角度還是從交通工具的角度看它的空氣動力學(xué)影響都是最小的。即使在同一輛車上采用不同直徑的比較小的車輪4，也不會對自行車的速度有不利的影響。相反，這些車輪會減輕車子的重量，由此而來的車子重心的降低還會提高車的穩(wěn)定性。除此之外，重量會均勻地分配在兩個車輪上(通過平衡器來實現(xiàn)，圖2)，這樣會改善自行車的方向操縱能力。另外，即使在轉(zhuǎn)向會引起很大的阻力和使操縱困難時，這種自行車仍然允許蹬動踏板。我認(rèn)為這種自行車的最主要的優(yōu)點就是騎車者所采取的位置和由此而帶來的空氣動力學(xué)性能的提高。這些足以稱得上是對自行車這種傳統(tǒng)交通工具的最佳改善。
這個發(fā)明的產(chǎn)生是出于這樣的一個想法創(chuàng)造一種具有高性能標(biāo)準(zhǔn)的自行車，在這種自行車上騎車者的身體可以處在效率最高的狀況下，而且姿勢最符合空氣動力學(xué)。必須發(fā)現(xiàn)一種支撐騎車者重量的方法，同時又不影響車輛的穩(wěn)定性和騎車者的心血管系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)的功能。我們采取了以下措施首先考慮的是騎車者的位置，它必須是可以變動的而且為了不使騎車者感到疲勞應(yīng)該盡可能的舒適(任何位置，即使是最舒適的位置也不能長時間保持不變)。位置是這樣確定的軀干必須伸展而且肢體必須向后展開。
通過對可能的軀干支撐點的分析，我們發(fā)現(xiàn)那些方便呼吸的支撐位置有以下這些肩胛骨和肱骨之間的關(guān)節(jié)(腋窩區(qū)8)，軀干上中部(胸骨(旁)區(qū))。知道以上這些就可以制造出一種專用的叫做“平衡器”的“服裝”裝備(track suit)，它對上述幾點有專門的支撐，這樣就有非常穩(wěn)定而且舒適的位置。胳膊和前臂的作用僅僅是改變位置以得到最佳位置。另一個非常重要的支撐是臀部區(qū)域11，它總是傾斜的而且有下滑的趨勢，尤其是當(dāng)騎車者軀干伸開以獲得最佳空氣動力學(xué)性能時。為了解決這個問題，有必要產(chǎn)生一種拉向這種新的坐鞍的力，就象在傳統(tǒng)的自行車上把身體壓向座鞍的重力的作用一樣。通過平衡器(圖4)騎車者身體的重力在新型自行車上變成了對座鞍11的推力。這種情況可以保證對骨盆重量的有效的支撐，從而阻止身體在踩動踏板時向前滑動。這種效果是由一個專用的“服裝”裝備(track suit)產(chǎn)生的，目的是為了在騎車者采取最佳空氣動力學(xué)位置時在肩和座鞍之間產(chǎn)生正確的拉力。這個裝備叫做平衡器，它能夠利用重力支撐騎車者的上半身。平衡器通過一個可以快速拆卸的摘鉤件12固定在自行車上(就象踏板上的摘鉤件一樣)。這種平衡器可以硬(硫)化在里面的專用的“服裝”裝備(track suit)，使這些結(jié)構(gòu)更加協(xié)調(diào)。平衡器是用一種能有效地支撐騎車者身體的材料制成的，它是可以柔性的，非常輕便而且很實用(它可以用各種材料制成，如玻璃纖維和其它柔性材料或者裝在組成“服裝”裝備一部分的一個管狀體里面的壓縮空氣)，它放在騎車者的背部，見圖2。這些不同的半柔性的材料(碳或者玻璃纖維等)從臀部到肩部舒適地支撐著騎車者。這種結(jié)構(gòu)可以保證在任何位置都可以穩(wěn)定而舒適地駕駛。平衡器是裝在一個80cm到120cm的導(dǎo)向裝置13上的。即使是在最佳空氣動力學(xué)的位置，即上半身幾乎與地面平行時，由于“服裝”裝備(track suit)的靈活的牽引(肩部支撐)和適當(dāng)?shù)闹?腋窩對軀體上部的支撐，臀髖部對軀體下部的支撐)，防止了身體向下的滑落而且可以以最好的方式支撐身體，還可以在不影響自行車穩(wěn)定的情況下把胳膊解放出來。簡單地來說，騎車者的支撐點有腿在踏板15上的支撐，大腿和臀部在符合解剖學(xué)的新型座鞍11上的支撐，胸部和肩部在帶有腋窩支撐8的“服裝”裝備或者帶有符合解剖學(xué)的肩墊的圍腰胸衣(corset)上的支撐，胳膊和前臂在手柄23上的支撐。這樣的交通工具輕便，穩(wěn)定而且簡單易行，并且沒有對騎車者的位置和能量輸出造成影響。這些特點是非常有趣的。這種腳踏車非常新穎，輕便而且快速。穩(wěn)定性是通過固定在離通過后輪4輪轂2的地面垂線21不遠(yuǎn)的踏板的位置來保證的，見圖3。這種布置避免了在蹬踏板時自行車的搖擺，即使是在非常用力蹬踏板時也不會搖擺。踏板單元組成了一個地面一輪轂系統(tǒng)(ground-hub block)，其位置保證了腳踏車的穩(wěn)定性。簡而言之，在這種腳踏車上后輪和地面的接觸點不是一個支點而是一個阻力點，它能阻止自行車發(fā)生搖擺和自行車的方向發(fā)生改變，防止蹬踏過程中的振蕩傳到車輪。這項發(fā)明是由踏板的新位置(圖1)而產(chǎn)生出來的，踏板單元的中心運動的軸線以一個可變化的角度放在后輪的外面，而且在A點和B點確定的范圍之內(nèi)(圖3)。A，B點按照以下方式定義從直角坐標(biāo)軸(橫軸和縱軸)開始以后輪輪轂為原點把后輪分成四個象限(兩個下部象限和兩個上部象限，或者兩個外部象限和兩個內(nèi)部象限)。上部象限是指后輪的與地面沒有接觸的上部180度部分。下部象限是指后輪的與地面直接接觸的下部180度部分。外部象限是指后輪的與自行車的其它部分沒有直接接觸的外部180度部分。內(nèi)部象限是指后輪與自行車的其它部分直接接觸的內(nèi)部180度部分。A點在后輪的外周上，用一條通過輪轂的直線把外下象限分成兩等分就可以得到A點；B點也在后輪的外周上，用一條通過輪轂的直線把內(nèi)上象限分成兩等分就可以得到B點。所有這些機(jī)械結(jié)構(gòu)由于其踏板的位置(圖3)和人的位置(圖1)帶來了很多的優(yōu)點。車身的重量可以確保得到了減輕。由于比起傳統(tǒng)的自行車來這種新型車輪距(2和3點之間的距離)基本上沒有變化，它重量的減輕主要是因為兩個輪子直徑的減小以及由此而來的整個自行車的變小。機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)的緊湊性也對重量的減輕很有幫助。由于采用小直徑的車輪(尤其是后輪4)，這種自行車需要一個非常小的自由輪15(8/9個齒的短齒輪傳動或28/19個齒的長齒輪傳動)來確保正確的長度。甚至鏈條6也比通常要短一些，這也是旋轉(zhuǎn)部分重量減輕的另外一個原因。例如在我們最初的樣車中有一個直徑20英寸一每轉(zhuǎn)147cm的后輪4，我們必須采用一個65齒的中心齒輪和一個11/18齒的自由輪以得到一個8/9米長的鏈條。用這個樣車我們在平坦的路面上(不是專用路面)達(dá)到了60k·ph的速度。簡而言之，平衡裝置(圖2)非常有效而且使得駕駛位置非常舒適和穩(wěn)定。這種自行車輕便、穩(wěn)定、易于駕駛而且操縱性能好。最后我們對它的外觀也很滿意，盡管它仍然有值得改進(jìn)的地方。
權(quán)利要求
1.帶有鏈條傳動(6)，踏板驅(qū)動(15)和多齒輪(14)的自行車和類似物，其特征在于踏板單元(1)的中心運動的軸線位于后輪(4)的外圍上由A點和B點確定的范圍內(nèi)，該范圍和后輪的外部象限的大部相對應(yīng)且為180°，它能優(yōu)化騎車者的身體器官的功能。
2.踏板靠近通過后輪(4)輪轂的地面垂線(21)的自行車和類似物，其特征在于地面-輪轂-踏板系統(tǒng)(ground-hubpedal block-system)，它可以大大減少自行車方向改變的可能性，后輪與地面的接觸點不是一個踏板向側(cè)面傾斜的支點而是一個阻力點，它可以防止蹬踏時自行車的側(cè)面傾斜和方向的改變。
3.按權(quán)利要求1的自行車和類似物需要一個稱為平衡器的特殊“服裝”裝置，以便在輪子之間分配騎車者的重量，它由一種半剛性結(jié)構(gòu)制成，放在騎車者(9)的背上，用一個可以快速摘鉤拆卸的裝置(12)固定在自行車上，以牢固支撐騎車者并且維持車子的穩(wěn)定性，騎車者的支撐點有肢體上部在肩胛骨和肱骨的關(guān)節(jié)附近的支撐，腋窩區(qū)和胸部也對騎車者起到支撐作用；軀體下部在臀部的支撐；其它的支撐點還有恥骨(Pubis)和 髖骨上部在骼骨突起部的支撐；平衡器的作用有允許騎車者跨過導(dǎo)向裝置(13)；平衡器裝在一個特定的導(dǎo)向裝置上，導(dǎo)向裝置距離地面最小距離80cm，最大距離120cm，這使得騎車者可以根據(jù)路面狀況-上坡/下坡-來找到最佳位置；在各種駕駛位置下分配重量；允許騎車者方便地改變姿勢以適合長時間駕駛；平衡器是用柔性材料制成的，如碳，玻璃纖維等，它在末梢分一尾骨區(qū)通過一個可以快速摘鉤拆卸的裝置(12)固定在車架上，以便在騎車者摔倒時可以迅速與車子脫開。
4.按權(quán)利要求1中的自行車和類似物，其特征在于，旋轉(zhuǎn)部分比較輕便，車輪，鏈條，自由輪，后車架和車叉比較小，這就使得傳動部分小巧而且輕便。
5.自行車和類似物，其特征在于臉朝地面的俯伏位置。騎車者靠以下部位支撐肢體上部，腋窩區(qū)(8)和胸骨部(9)，軀體下部和臀髖部(10)的支撐，臀肌和髖骨區(qū)的支承(11)，這種符合解剖學(xué)的支撐保證在舒適的駕駛位置上肌肉，循環(huán)系統(tǒng)，靜脈和淋巴系統(tǒng)以及騎車者的心血管和呼吸系統(tǒng)發(fā)揮理想的作用。
6.作用在骨盆肌肉上而不是會陰部帶有向前和向下傾斜的臀部支撐一座鞍的自行車和類似物，其中座鞍是平衡系統(tǒng)的一部分，它可以使得支撐更加舒適。
7.按權(quán)利要求1的，大腿呈“反重力”運動，對于重力象懸擺一樣工作的自行車和類似物，其特征在于，它有足夠長的對肌肉的恢復(fù)非常有利踏板曲柄(16)。
8.自行車和類似物，其特征在于在騎車者的背后-尾骨-肩用一個半剛性結(jié)構(gòu)支撐來支撐脊柱。
9.帶有符合解剖學(xué)的肩墊的自行車和類似物是為了有效地支撐肩關(guān)節(jié)并且阻止身體在蹬車時的滑動。
10.帶符合解剖學(xué)的支撐圍腰胸衣(corset)的自行車和類似物使得騎車者可以采取舒適的向前伸展的駕駛位置。
全文摘要
這種帶有多齒輪(14),鏈條傳動(6)和踏板單元(1)的中心運動的軸線在后輪外面并且總在A點和B點確定的區(qū)域內(nèi)的自行車和類似物。新的踏板系統(tǒng)優(yōu)化了交通工具和其使用者之間的關(guān)系。由于“平衡器”使得騎車者處于俯伏(圖1)的姿勢成為可能。這種姿勢可以優(yōu)化重量分配,優(yōu)化心血管系統(tǒng),呼吸系統(tǒng)和肌肉系統(tǒng),這樣就能產(chǎn)生最大的能量輸出。這種自行車的優(yōu)越之處在于:由于騎車者的俯伏位置而得到的最佳空氣動力學(xué)性能;由于大腿的反重力旋轉(zhuǎn)而獲得的對肌肉的最佳利用;由于較低的腹部壓力而獲得的更佳的靜脈和淋巴循環(huán)效果;由于更加便利的靜脈循環(huán)而帶來的更佳的心血管循環(huán)系統(tǒng);由于對脊椎的支撐而帶來的對脊柱的最佳保護(hù)效果;由于座鞍對臀部的支撐而獲得的對會陰的最小沖擊;由于地面－輪轂踏板系統(tǒng)(ground-hub pedal-block-system)而獲得的車體的最大的穩(wěn)定性;由于傳動系統(tǒng)的緊湊性而減小了車身重量。
文檔編號B62M1/36GK1200093SQ97191206
公開日1998年11月25日 申請日期1997年8月14日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月5日
發(fā)明者埃莫斯托·法里納 申請人:埃莫斯托·法里納