自驱式无动力车辆.pdf

本发明公开了一种自驱式无动力车辆，有若干串接的四杆机构传递动力，其始端为一接受人工动力或机动力的曲轴(8)其上的曲拐形成曲柄，每一曲拐与一根连杆一端活动连接，连杆另一端与一套摇杆装置活动铰接，所述摇杆装置另一端与机架活动铰接形成摆动中心，以摆动中心作为一弧形齿轮(20)的转动中心，弧形齿轮与一个小齿轮(21)间歇往复啮合，与小齿轮(21)同轴的大齿轮(22)按设定方向传递扭矩，所述扭矩带动另一串接的四杆机构的曲轴，最后一级传动机构形成的扭矩作为车辆动力或带动发电设备产生电能驱动车辆，本发明串接的四杆机构相当于延长了一个杠杆装置的力臂，所以在着力点只须施加较小的力在另一端就能获得较大的力矩。

1、  一种自驱式无动力车辆，其特征在于：有若干串接的四杆机构传递动力，其始端为一接受人工动力或机动力的曲轴(8)其上的曲拐形成曲柄，每一曲拐与一根连杆一端活动连接，连杆另一端与一套摇杆装置活动铰接，所述摇杆装置另一端与机架活动铰接形成摆动中心，以摆动中心作为一弧形齿轮(20)的转动中心，弧形齿轮与一个小齿轮(21)间歇往复啮合，与小齿轮(21)同轴的大齿轮(22)按设定方向传递扭矩，所述扭矩带动另一串接的四杆机构的曲轴，最后一级传动机构形成的扭矩作为车辆动力或带动发电设备产生电能驱动车辆。

2、  根据权利要求1所述的自驱式无动力车辆，其特征在于：串接的四杆机构不限制级数，3-4级传动较为妥当，最好为3级传动。

3、  根据权利要求2所述的自驱式无动力车辆，其特征在于：各级四杆机构串接，但其装配在车辆上都按并联的方式排列。

4、  根据权利要求1所述的自驱式无动力车辆，其特征在于：小齿轮(21)与大齿轮(22)同轴，在大齿轮(22)的中心孔上设有超越离合器。

5、  根据权利要求1所述的自驱式无动力车辆，其特征在于：摇杆(17)与销轴(19)活动铰接，而形成一杠杆，与连杆铰接点到销轴(19)的长度为杠杆装置的力臂，销轴形成杠杆装置的支点，以销轴到弧形齿轮(20)的啮合点即弧形齿的半径形成杠杆装置的重力臂，力臂要大于重力臂若干倍。

6、  根据权利要求1所述的自驱式无动力车辆，其特征在于：发电机(5)为直流发电或交流发电机，将获得的电能输入蓄电池(6)中，用来驱动设在驱动轮上的电机(7)，在车上还可装设太阳能发电装置，同样经蓄电池蓄积供电。

7、  根据权利要求1所述的自驱式无动力车辆，其特征在于：摇杆上所带的弧形齿轮不限于弯折结构，也可为直的。

8、  根据权利要求1所述的自驱式无动力车辆，其特征在于：连杆与摇杆之间连接可为滑块装置。

自驱式无动力车辆
所属领域
本发明一般涉及一种使用人力作动力的车辆。
背景技术
公知的车辆一般要使用能源作动力，如石油或电能，但电能的获得也要以消耗能源作为代价，在消耗能源的过程中，不可避免的要减少能源的储备并以牺牲环境为代价，带来污染等问题，而环境污染已成为人类社会的沉重负担，因此不用或减少能源的用量作为车辆的动力，始终是人们所追求的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不需要消耗能源，又有别于现有纯粹人力驱动的车辆，所述车辆具有较高的机械效率，实用性强。
为实现上述目的，本发明的方案为：一种自驱式无动力车辆，有若干串接的四杆机构传递动力，其始端为一接受人工动力或机动力的曲轴其上的曲拐形成曲柄，每一曲拐与一根连杆一端活动连接，连杆另一端与一套摇杆装置活动铰接，所述摇杆装置另一端与机架活动铰接形成摆动中心，以摆动中心作为一弧形齿轮的转动中心，弧形齿轮与一个小齿轮间歇往复啮合，与小齿轮同轴的大齿轮按设定方向传递扭矩，所述扭矩带动另一串接的四杆机构的曲轴，最后一级传动机构形成的扭矩作为车辆动力或带动发电设备产生电能驱动车辆。
上述方案中，串接的四杆机构基本上不限制级数，在本方案中3-4级传动较为妥当，最好为3级传动。
采用上述方案，串接的四杆机构相当于延长了一个杠杆装置的力臂，所以在着力点只须施加较小的力在另一端就能获得较大的力矩，作为驱动车辆的动力或驱动发电机的动力，将发电机产生的电能通过蓄电池蓄积起来，作为驱动车辆的能源，通过这一转换，较好地实现了本发明的目的。
下面结合附图对本发明的方案作更详细的说明。
附图说明
图1为自驱式无动力车辆的主视图；
图2为图1的俯视图；
图3为自驱式无动力车辆的传动简图；
图4为图2中的A向视图；
图5为图2中的B-B剖视图；
图6为对机构进行运动学分析的简图；
图7为对机构进行力学分析的简图。
具体实施方式
如图1所示是按本方案设计的车辆，具体说是一辆轿车，由车身1，行走轮胎2，支撑车体的骨架3，方向控制装置4等构成，具备公知车辆的大多数特征，与公知车辆不同的是其动力为人力自驱式，一些辅助设备如装设在车架上的发电机5及蓄电池6，驱动轮装设的电动机7等，这些设备随着叙述将会逐渐了解其用途。
图2所示是车辆的动力源，如方案所述，有若干串接的四杆机构传递动力，理论上讲，串接的四杆机构按需要可设计多级，但限于车辆的结构，本实施例为3级，按工作原理各级四杆机构串接，但其装配在车辆上都按并联的方式排列，如图2所示，为便于理解，将图2的结构图简化为图3的动力简图，每一四杆机构的起始端设有一根第一曲轴8，曲轴上设有两个曲拐9和10，曲轴8由两个轴承座11支撑，曲拐的横销上活动连接一根连杆12和13，曲轴的两个端部各与一个脚踏柄14和15相连，上套有脚踏16，以便通过人力踩踏使曲轴8旋转，连杆12和13分别与摇杆17和18活动相连，以摇杆17为例，摇杆的另一端通过销轴19与机架活动铰接(见图4)，以销轴19作为转动中心，以一定长度为半径形成弧形齿轮20，弧形齿轮20与一小齿轮21啮合，小齿轮21与大齿轮22同轴，在大齿轮22的中心孔上设有超越离合器，小齿轮21通过超越离合器单方向传递扭矩给大齿轮22，大齿轮22与小齿轮23啮合，小齿轮23与轴24固定连接，将扭矩传递给轴24上，由于结构完全是对称的，另一摇杆18所获得的扭矩同样传递给轴24，所以轴24合成了两个扭矩。
从以上叙述可知，曲拐9或10，连杆12或13，摇杆17或18各构成一个四杆机构，所以可用四杆机构的工作原理来进行分析，为便于理解，取其中一组结构，用附图4说明其工作原理。在图示中，曲轴8上的曲拐9组成四杆机构意义上的曲柄，曲轴8的轴心线为曲柄的旋转中心，连杆12为四杆机构意义上的连杆，摇杆17由于与销轴19活动铰接，而形成一杠杆，与连杆铰接点到销轴19的长度为杠杆装置的力臂，销轴19形成杠杆装置的支点，以销轴19到弧形齿轮20的啮合点即弧形齿的半径形成杠杆装置的重力臂，根据杠杆原理施加在摇杆17一端的力F乘以力臂长应等于重力臂乘以使小齿轮21转动的力P，由于力臂要远远大于重力臂，本方案设定的至少要大于若干倍，所以小齿轮21获得比力F大很多倍的P力，即人踩踏无需要很大力气，就能获得第一级驱动小齿轮21的P力。而连杆12只须拉动摇杆17转动一个小角度，就能获得较大的驱动力P，所以曲轴8和曲拐不需要较大尺寸即可达到目的，这样结构可以精减，免得人踩踏费力。
本实施例的小齿轮21齿数较少，若压力角为20°，最小齿数可选择17齿，可以做成轴齿轮，大齿轮22的中心孔装有超越离合器，超越离合器的结构如图5所示，在小齿轮21和大齿轮22共同的轴25上在大齿轮22孔的轴向位置有一个凸块26，上铰接一个受力块27，之间套有回位弹簧28，受力块27的端部做成圆弧形，大齿轮22的内孔分布有弧形齿29，受力块27的端部与每一弧形齿29吻合，凸块26在一边设有定位元件30，限制受力块27沿设定的方向转动，而向另一方面转动一个角度则没有限制，在本实施例的情况下，轴25逆时针方向转动传递扭矩，而顺时针方向旋转则打滑，轴25上的扭矩，传递不到大齿轮22上。
回到图2，轴24通过同轴的另一齿轮31将扭矩传递给与其啮合的齿轮32上，齿轮32带动一个第二曲轴33，第二曲轴33与第一曲轴8的结构完全一样，通过一套已叙述过的四杆机构将扭矩传递给一个第三曲轴34，第三曲轴34将扭矩传递给工作机械，本实施例的工作机械为发电机5，当然也可以直接用着驱动车辆的动力，这是可以理解的。
发电机5为直流发电或交流发电机均可，将获得的电能输入蓄电池6中，用来驱动设在驱动轮上的电机7，这是一个公知技术的应用，不再赘述，而且在车上还可装设太阳能发电装置，同样经蓄电池蓄积供电，这些技术也属于公知技术的范围，使用十分方便。本实施例的发电机通常选用转速要求不高，发电效率高，如应用较为广泛的风力发电所使用的发电装置。
本实施例为三级杠杆装置，实际上级数是不加限制的，理论上可视结构许可形成多级，如每一级与下一级直线延伸再并接下下一级。
下面再根据一个具体的方案对机构进行运动学和力学方面的分析，将图4的机构作成如图6的简图，设四杆机构中AB为曲柄，BC为连杆，CD为摇杆，CD的端部设有弧形齿，本实施例结构为弯折，AD为机架，A，B，C，D均为铰接点，在本机构中，曲柄AB长为100mm，连杆BC长为200mm，摇杆CD为550mm，机架AD长为600mm，弧形齿的半径为R150mm，以1∶10的比例缩小画图，先用图解法求摇杆C在力矩作用下绕铰接点D的转动，其方法是用图作出摇杆C的两个极限位置，作法为
1、以D为圆心，摇杆长550mm为半径画弧L₁，
2、以D为圆心，机架长600mm为半径画弧L₂，
3、以C为圆心，以连杆和曲柄长度之和(200+100)mm画弧，交L₂为A点，A点即为曲柄的转动中心，这是摇杆CD的一个极限位置，
4、以A点为圆心，以连杆减去曲柄半径长的差作弧，即(200-100)mm作弧交L₁于C′点，连DC′即为摇杆的另一极限位置，此时曲柄转到另一方向上与连杆重合，测出摇杆DC与DC′之间的夹角，在本结构上测得夹角为22°，量出两个位置之间的夹角，按1∶10例缩小作出的图，量得两个之间的夹角为22°，换算成弧度为π180×22=1190π,]]>则按弧长公式该值即是弧形齿与小齿轮相啮合所接触的弧长，设压力角为20°的最小齿为17齿，模数m＝3，则该齿轮直径d＝mz＝3×17＝51(mm)，其则所得弧长为57mm能接触的齿数为：即在本实施例中，脚踏一转能驱动5.9齿，按每分钟踩脚踏50转/分，则每分钟使小齿轮转动的圈数为如按电机转速n电为1350转/分，则只须总传动比1350÷17＝80即能实现，本实施例为三级，将传动比80分解成4×4×5，用齿轮机构实现是不难的。
本结构的力学分析如图7所示，任取机构的一个状态，并按1∶10比例作图，其中，取L为连杆的两端延长线，由主动件曲柄经连杆传到工作构件c点的力P是沿着连杆传动的，从A点作L线的垂线，交L于E，AE与AB间夹角为γ，从D点作L线的垂线交L于F，DC与DF间夹角为α，使曲柄转动的力矩为M_曲柄，使摇杆转动的力矩为M_摇杆，
则M_曲轴＝P×AE    M_摇杆＝P×DF
在RtΔDCF，DF＝DC·COSα
RtΔAEB中，AE＝AB·COSγ
∴M_曲柄＝P·AB COSγ，M_摇杆＝P·DC COSα
其中AB＝100mm，
DC＝550mm，


式中α、γ在0°至90°之间变换，其比值有时大于1，有时小于1，M_曲柄是由人的脚踩踏踏板时获得的，设一个具体数据，若人踩踏时加力为10公斤，踏杆的长度为150mm，所以M_曲柄＝10×0.15＝1.5(公斤米)，

即在踩踏时获得1.5公斤米的力矩，则在摇杆的端部获得至少8.25公斤米的力矩，可以看出本机构有较强的增力功能，摇杆DC上获得的力矩M_摇杆通过杠杆原理，全部转移到弧形齿轮上，弧形齿轮将获得的力矩通过传动机构传递到一个第二曲轴33上，通过同样的杠杆原理，一个第三曲轴34所带摇杆获得的扭矩为依此类推，经过第三曲轴及所连接的杠杆机构到第三套四杆机构末端，即到本实施例的发电机输入轴时，电机所获得的扭力矩为当的比值大于1时，即电机所获得的扭矩为至少166公斤米以上。
在上述的设计方案中，摇杆的摆角不限于22°，可以根据需要的摆角设计结构尺寸，摇杆上所带的弧形齿轮也不限于本方案所举的弯折结构，也可以形成直的，另外，连杆与摇杆之间连接也可采用滑块装置，如图1的装置所示，以上的说明是可以理解的。