利用圆柱凸轮、端面凸轮或斜盘凸轮的可伸缩曲柄以及利用此曲柄的自行车

摘要

本发明涉及一种机械构件，更详细而言，涉及一种连接于自行车踏板的曲柄或连接于使旋转体旋转的把手的曲柄以及利用此曲柄的自行车。本发明利用圆柱凸轮、端面凸轮或者斜盘凸轮，在这些凸轮的轴和施加力的踏板或把手的轴具备等径伞齿轮(Miter Gear，齿数比为1∶1，轴角为90°的伞齿轮)，当踏板或把手每旋转一周时曲柄伸缩一次。本发明的可伸缩的曲柄，在施加力的区间，曲柄的长度变长可获得较大的转矩，在不施加力的区间，曲柄的长度变短，所占用的动作空间不大，并在旋转时不会超过手臂或腿的正常运动范围，对旋转体能以同样的力施加较大的转矩。本发明的可伸缩的曲柄，其结构非常简单且动作也确实，因此适合用于连接在自行车踏板的驱动曲柄。适用该曲柄的自行车与通常的自行车相比，能以相同力赋予相当于曲柄伸长的长度的较大的转矩，因此，可以不费力更快的速度行驶而且更容易上斜度更大的陡坡。

说明书

技术领域

本发明涉及一种机械零件，更具体而言，涉及一种连接于自行车踏板的曲柄或连接于使旋转体旋转的把手的曲柄，以及利用此曲柄的自行车。

背景技术

使旋转体转动的曲柄的一端固定于旋转体的轴，而另一端连接于向把手、踏板等施加力的单元。转动旋转体的转矩T是曲柄的长度(对应于臂长)L乘在该曲柄端部所施加的力的值。以数学式表示为如下。

T＝F×L，此处，F：力，L：臂长

由所述数学式可知，当臂长加长，即曲柄长度加长时，能以相同的力获得更大的转矩。应用于自行车时，由于以相同的力获得更大的转矩，所以自行车的速度变得更快，并且更容易爬上陡坡。

虽然加长曲柄的长度可以获得更大的转矩，但是因旋转半径变大，转动旋转体的臂或腿将会超过正常运动范围，因此很难进行曲柄的旋转运动，同时容易疲劳，产生不舒服。

曲柄，比如可以说与自行车的踏板连接的自行车曲柄，或是与手动转动的旋转体的手柄相连的曲柄。在使用曲柄时，力仅在曲柄的整体转动区间中的预定转动区间才会被施加。例如，自行车曲柄的情况，在整个转动区间中，仅在踏板从上到下移动时，才会通过脚踏板获得转矩。

此时，在力施加于旋转体使之转动的区间，如果曲柄的长度变长则可获得较大的转矩；在力没有被施加力区间(空转的区间)，如果曲柄的长度变短，则旋转半径变小，臂或腿就不会超过正常运动范围，因此容易进行转运。

韩国授权专利第10-0400648-0000号(申请号：10-2001-0011635，申请日：2001.03.07，公开号：10-2002-0071553，公开日：2002.09.13)的《长度可变的曲柄旋转机构》公开了通过曲柄伸缩获得更大的转矩，该专利也正是为解决该技术问题而提出的。该专利所公开的可变长度的曲柄旋转机构不但复杂，而且构件数多，因此制造费用非常高，并且难以安装到现有自行车上。

此外，具有获得更大的转矩的变速器的自行车使用了多个齿轮，从而容易爬坡；此时虽然转矩增加爬坡容易了，但是，为了获得较大的转矩必须变作为低速，所以速度必然会减低。

发明内容

本发明旨在提出一种转动旋转体的曲柄，通过在施加力的区间曲柄的长度变长获得较大的转矩；而在不施加力的区间，曲柄的长度变短，随此旋转半径变小，从而容易转动。此时臂或腿不会超过正常运动范围，因此不易疲劳。踏曲柄踏板获得转矩时长度增加，没获得转矩而空转时长度变短，因而旋转容易，从而，具有该功能的可伸缩的曲柄可应用于驱动自行车的曲柄。

本发明是为解决所述技术问题利用圆柱凸轮3，圆柱凸轮可旋转地设置于可动臂2内，曲柄以旋转轴为中心旋转时，曲柄1、2以旋转轴为中心进行转动，踏板4相对于曲柄进行反方向的自转，并将踏板4的自转而产生的转矩传输至圆柱凸轮3的轴，使用齿数比1∶1的一对伞齿轮5。可使用的伞齿轮有齿数比1∶1，轴角为90°，齿形为直线的等径伞齿轮(Miter Gear)、螺旋齿轮等。此时，当曲柄1、2转动一周时，踏板2也自转一周，圆柱凸轮3也旋转一周。当踏踏板4获得转矩时曲柄变长，得不到转矩而空转时曲柄变短。当曲柄1、2旋转一周时，可动臂2在固定臂1的内部纵向伸缩往复运动一次。

此时，在旋转的各部分利用轴承或轴承合金减低摩擦力，并且，为了圆滑地滑动优选设置润滑剂或者直线轴承。

本发明的可伸缩的曲柄，在施加力的区间，曲柄的长度变长能，以相同的力量获得更大的转矩；而在不施加力的区间，曲柄的长度变短，随此旋转半径变小，结果可以顺利地旋转运动。并且，因其旋转半径变小，在使用时不会超过手臂或腿的正常运动范围，所以旋转运动变容易且使用方便。

本发明的可伸缩的曲柄，其结构非常简单且动作也确实，因此适合用于连接在自行车踏板的驱动曲柄。适用该曲柄的自行车与通常的自行车相比，可以以相同大小的驱动曲柄对驱动部赋予更大的转矩，因此，能以相同的力量更快更容易上斜度更大的陡坡。

并且，本发明的可伸缩的曲柄，其结构非常简单，且可以小型化、轻量化，制造费用低廉。因此，可简单适用于设有自行车踏板的踏板曲柄或者用手动操作的旋转体的旋转把手等。

附图说明

图1是本发明的可伸缩的曲柄的结构图。

图2是本发明的曲柄用于驱动自行车的实例。

图3是使用圆柱凸轮的可伸缩的曲柄的截面结构图。

图4是圆柱凸轮的结构图。

图5是本发明的可伸缩的曲柄的动作顺序图。

图6是端面凸轮或斜盘凸轮的结构图。

图7是使用端面凸轮的可伸缩的曲柄的截面结构图。

图8是使用另一实施例的圆柱凸轮的可伸缩的曲柄的截面结构图。

图中：

1：固定臂，2：可动臂，3：圆柱凸轮，4：踏板，5：一对伞齿轮，3-1：端面凸轮，3-2：斜盘凸轮，6、6-1：紧贴弹簧，1-1：固定臂，2-1：可动臂，3-1：圆柱凸轮

具体实施方式

实施例1

利用本发明的圆柱凸轮的可伸缩的曲柄，如图1所示，包括：曲柄，其由固定臂1和可动臂2构成；固定臂1连接于旋转体的旋转轴；可动臂在固定臂1的内部进行滑动；圆柱凸轮3，其在可动臂2的内部进行旋转；踏板4，其连接于可动臂2的暴露端部；一对伞齿轮5，其中一个连接于圆柱凸轮3的轴和另一个连接于踏板4的轴。

图2是根据本发明的具有如上结构的使用圆柱凸轮可伸缩的曲柄用于驱动自行车的示图。

如图3所示，固定臂1具有固定臂体11；固定臂体11的一端形成有轮毂12，轮毂12与旋转轴耦合，固定臂体11的另一端形成开口，以插入可动臂2-1并使可动臂2进行伸缩。凸轮导件13在固定臂体11的侧面向内凸出形成。在固定臂的轮毂12通过键14或者花键(省略图示)与旋转轴耦合，以便向旋转轴传输转矩。优选地，凸轮导件13在与后面描述圆柱凸轮3的导槽32或者导向突起33接触的部位具备滚轴或进行润滑，从而减低与导槽或引导突起的摩擦。

固定臂1可以使用截面为圆形的管，但是需要键或花键等装置，使得仅能在纵向伸缩，而不能在轴向旋转；固定臂1也可以使用截面为多角形的管。但考虑制作、材料供应以及费用，优选使用截面为四角形的管。如此，当使用四角形管时，无需另外的旋转防止装置，可动臂2插入到固定臂1后不会旋转。

在固定臂1的内侧壁优选地具备转球15或者直线轴承，使得可动臂2平滑地进行滑动。

如图3所示，可动臂2插入固定臂1的内部之后纵向往复移动。根据固定臂1的截面形状，可动臂体21的截面可形成为四角形、多角形或圆形。在可动臂2一侧面形成有可使固定臂1的凸轮导件13进行往复运动的狭缝22。并且，在可动臂体21的一端形成有圆柱凸轮连接孔23，以与后面描述的圆柱凸轮3的端部连接；轴承24耦合于可动臂2内部，以可旋转地固定圆柱凸轮；旋转耦合接孔25形成于可动臂体21的另一端，后面描述的旋转臂4的轴安装于旋转耦合接孔25。

轴承24不仅要承受垂直于轴的力，还要承受轴向的力，因此可以是承受侧向负载的径向轴承和承受轴向负载的推力轴承的一组轴承，或可以是能同时承受轴向负载和侧向负载的锥形滚珠的复合轴承。并且，还可以使用与所述轴承具有相同的功能的套管及垫圈式轴承。

当固定臂1和可动臂2的截面为圆形时，可在可动臂2的内部直接设置轴承。但是，当截面为多角形时，轴承24可先固定于固定板26，然后将固定板26设在可动臂内部。

如图4所示，在圆柱凸轮3的圆柱31的侧面形成有螺旋形导槽32(图4(a))或者引导突起33(图4(b))，固定臂1的凸轮导件13与导槽或引导突起啮合。在圆柱凸轮的前方形成有可与可动臂2的圆柱凸轮连接孔23连接的连接突起34，在后方形成有连接后面描述的伞齿轮5的凸轮轴35。

形成在圆柱凸轮3的圆柱31侧面的导槽32或者引导突起33的形状以通常的凸轮的形状相同的方法设计。按照圆柱凸轮3的旋转速度，考虑可动臂2伸缩的程度决定导槽32或引导突起33的各部分的倾斜度。本发明使用于通过腿力驱动的自行车驱动用曲柄时，圆柱凸轮3低速旋转，因此，如图5(e)的L轨迹，将导槽设计成当曲柄旋转而到达踏踏板的前方半圆部时，使可动臂2较长时间保持伸长的状态，从而可以获得较大的转矩。

如图3所示，踏板4是在踏板轴41连接踏板板部42而构成的，踏板轴41穿过可动臂2的后端而被固定。踏板板部42通过键或花键等固定，以使踏板板部42不会相对于踏板轴41发生旋转。

当本发明除自行车外应用于手动旋转体时，踏板将成为把手，踏板轴将成为把手轴，但是，为了说明上的方便，将这些统称为踏板及踏板轴。

如图3所示，一对伞齿轮5中，一个固定于圆柱凸轮3的凸轮轴15，而另一个固定于所述踏板4的踏板轴41。该一对伞齿轮由齿数相同、轴向垂直的两个伞齿轮构成。从而，当踏板轴41旋转一周时圆柱凸轮3也旋转一周。

可应用于本发明的伞齿轮可以是具有相交轴的各种齿轮对，如：直齿伞齿轮、螺旋伞齿轮、零度弧齿伞齿轮、冠齿轮等；也可以是具有非平行非相交的轴的齿轮对，如：螺旋齿轮、准双曲面齿轮等。不管其名称如何，只要具有相同的功能的有齿轮结构均可。其中，齿数比为1∶1、轴以直角相交的伞齿轮叫做等径伞齿轮，不但制造简单供应容易，其价格也便宜，因此适合本发明。

尽管没有在每个地方都作描述，但显而易见的是，优选地在所有旋转部分设置轴承或进行润滑以减低摩擦。

如所述构成的可伸缩的曲柄的动作为如下。

当用手或脚转动踏板4的踏板板部42时，曲柄整体以旋转体的旋转轴为中心进行转动，踏板板部42由用手或脚固定而发生转动，由固定臂1和可动臂2构成的曲柄与踏板4以踏板轴41为中心转动1周，其结果是踏板4和曲柄1、2相对地旋转一周。当发生旋转时，圆柱凸轮3通过一对伞齿轮5也旋转一周，当圆柱凸轮3旋转一周时，圆柱凸轮的导槽32和引导突起33随着形成在固定臂1的凸轮导件13移动，结果，圆柱凸轮3、在凸轮轴方向运动被圆柱凸轮限制的可动臂2，相对于固定臂1顺序进行一次往复运动(如图5所示)。

当踏板4位于后方水平位置即图5(e)的位置a时对踏板不施加力，因此如图5(a)所示，曲柄收缩成最短；踏板经过的上部即图5(e)的位置b时，如图5(b)所示逐渐伸长；当踏板到达图5(e)的位置c、曲柄向前方成水平且对踏板施加的力最大时，如图5(c)所示，曲柄伸长为最长；踏板经过下部即图5(e)的位置d时，如图5(d)所示，曲柄逐渐收缩；再次到达5图(e)的位置a时，如图5(a)所示，再次收缩成最短。踏板转动一周期间，在踏板被施加最大力的位置曲柄延伸达到最大，反复转动则曲柄反复地伸缩。

使用本发明的可伸缩的曲柄时，踏板4的轨迹是图3(e)的轨迹J。踏板轨迹的半径在力施加到踏板时大于轨迹I的半径(即曲柄最大程度收缩时的半径)，这样就可以施加较大的转矩；当踏板没有被施加力时，踏板轨迹的半径小于曲柄的轨迹K的半径(即曲柄最大程度延伸时的半径)，因此旋转半径变小。

实施方式

实施例2

可伸缩的曲柄还可以使用端面凸轮3-1或斜盘凸轮3-2来代替圆柱凸轮3。使用端面凸轮或斜盘凸轮时应具备紧贴弹簧6，以使凸轮面与固定臂的凸轮导件13保持紧贴状态。

端面凸轮3-1的形状如图6(a)所示。端面凸轮3-1通过将旋转轴耦合至凸轮体而制造，凸轮体是将预定厚度的管或圆柱的一端加工成倾斜面而形成的，凸轮导件13与该倾斜面紧贴。当端面凸轮3-1以凸轮轴为中心旋转运动时，端面凸轮3-1通过固定于固定臂的凸轮导件13进行往复运动，由此，期内安装该端面凸轮3-1的可动臂2往复滑动时进行伸缩运动。

斜盘凸轮3-2的形状如图6(b)所示。斜盘凸轮3-2是在旋转轴上倾斜地形成圆盘形倾斜板而制造，凸轮导件13与该倾斜板的表面紧贴。斜盘凸轮3-2的动作原理与端面凸轮3-1相同。

图7是将端面凸轮3-1应用于本发明的可伸缩的曲柄的实施例。在可动臂2的内部具备端面凸轮3-1以代替圆柱凸轮3，并且具备紧贴弹簧6，以便保持该端面凸轮与凸轮导件13的接触状态。如图7(a)所示，紧贴弹簧也可以设置在曲柄外部。如图7(b)所示，紧贴弹簧也可以设置在曲柄内部。

将紧贴弹簧6设置在曲柄外部时，在固定臂1中未形成凸轮导件13的一侧具备弹簧托架狭缝61和弹簧托架62，在可动臂2具备弹簧托架63，使可动臂2的弹簧托架63在弹簧托架狭缝61往复移动。并且，将紧贴弹簧6的两端分别固定在弹簧托架62、63。

如图7(a)所示，用拉伸线圈弹簧作为紧贴弹簧6时，紧贴弹簧将可动臂2向固定臂1侧拉，由此，安装于可动臂2内部的端面凸轮3-1的倾斜面总是与形成于固定臂1的凸轮导件13保持紧贴的状态。当端面凸轮3-1旋转拉伸可动臂2时，紧贴弹簧也拉伸；当端面凸轮3-1继续旋转而可动臂2收缩时，通过紧贴弹簧6的恢复力，可动臂2滑动进入固定臂1的内部。使用压缩线圈弹簧作为紧贴弹簧6时，固定臂1推动可动臂2，从而端面凸轮3-1的倾斜面与凸轮导件13保持紧贴的状态，此时也具有同样的作用效果。

如图7(b)所示，在将紧贴弹簧6设置在曲柄内部时，在固定臂1的内部、固定臂1和可动臂2之间设置一个以上拉伸线圈弹簧的紧贴弹簧6-1，并将可动臂2往固定臂1侧拉，使安装于可动臂2内部的端面凸轮3-1的倾斜面与形成于固定臂1的凸轮导件13保持紧贴的状态。

所述说明是针对于代替圆柱凸轮3使用端面凸轮3-1的情况，但是，使用斜盘凸轮3-2来代替端面凸轮3-1时也具有同样的作用效果。

实施例3

与所述实施例1相同，作为本发明的另一实施例也使用圆柱凸轮，此时的曲柄将圆柱凸轮安装于固定臂的内部，而非安装于可动臂的内部。

如图8所示，根据本实施例的使用圆柱凸轮的可伸缩的曲柄包括：曲柄，其由固定臂1-1和可动臂2-1构成，该固定臂1-1连接于旋转体的旋转轴，该可动臂2-1在固定臂1-1的外部进行滑动；圆柱凸轮3-1，其在固定臂1-1的内部进行旋转；踏板(省略图示)，其连接于可动臂2-1的端部；一对伞齿轮(5)，其中一个连接于圆柱凸轮3-1的轴，另一个连接于踏板的轴。

固定臂1-1与实施例1相同，在固定臂体11-1的一端形成有与旋转轴连接的轮毂12-1，而固定臂体11-1的另一端插入于可动臂2-1，在固定臂1-1内部形成有能够安装圆柱凸轮3-1的圆柱凸轮孔16-1；在圆柱凸轮孔16-1的底面形成有圆柱凸轮连接孔17-1以连接圆柱凸轮3-1的端部。并且，在固定臂体11-1的一侧面形成有能够使可动臂2-1的凸轮导件22-1进行往复运动的狭缝13-1；优选地栓板14-1由螺栓15-1结合，以使得在安装圆柱凸轮3-1之后能够堵塞所述孔的开口。

可动臂2-1覆盖固定臂1-1的外部，并相对于固定臂进行往复运动。在可动臂体21-1的一侧面向内突出形成有凸轮导件22-1，该凸轮导件22-1穿过固定臂1-1的狭缝13-1啮合于圆柱凸轮3-1的导槽32。

圆柱凸轮3-1的外形与实施例1的外形相同，但是，在中心部形成有花键孔31-1，伞齿轮的花键轴安装于其中。并且，优选地在该圆柱凸轮的前方和后方设置轴承32-1以使圆滑地旋转，轴承32-1包括轴颈轴承和推力轴承。圆柱凸轮3-1的导槽或引导突起与可动臂2-1的凸轮导件22-1啮合。

在一对伞齿轮5中，一个伞齿轮的轴耦合于踏板轴，另一个伞齿轮耦合于花键轴51-1，该花键轴51-1结合于所述圆柱凸轮3-1的花键孔31-1。

本实施例的曲柄动作与实施例1的动作相同。但是，可动臂2-1的凸轮导件22-1，使可动臂2-1相对于固定臂1-1沿固定在固定臂1-1内部而旋转的圆柱凸轮3-1的导槽32进行往复运动，从而使曲柄的长度伸缩。

在包括前、后轮；车架，具有车座；把手，通过改变前轮的方向调整自行车的行进方向；踏板曲柄，设有自行车的踏板；传动装置，将踏板曲柄的转矩传送至后轮的自行车中，可以将本发明的可伸缩的曲柄用作踏板曲柄来构成自行车。

在装配有本发明的可伸缩的曲柄的自行车中，由于对踏板施加力时曲柄伸长为最长的状态，因此可以获得较大的转矩；此外，较之曲柄最大程度延伸的轨迹K，不施加力时转动半径会减小，如在轨迹J或轨迹L中那样，因此容易旋转。

工业适用性

本发明可被用作机械构件，如耦合自行车踏板的踏板曲柄，或者以手动操作的旋转体的旋转把手曲柄。