[其他]自行车椭圆驱动链轮

说明书

本发明属自行车传动元件

骑自行车时由于蹬力大体上指向铅直方向的缘故，当拐臂在上止点临域时力臂较小，参看图1。力臂小牵引力小，因此现行自行车有一缺点：当拐臂在上止点临域时牵引力小。自行车椭圆驱动链轮正为刻服这一缺点而设计。

为了方便下述中，我们以e，a分别表椭圆的离心率和长轴半径；r表圆链轮节半径。另外我们定义：链齿按椭圆节曲线分布的链轮称为椭圆链轮。现在我们假定有一只短半轴小于r的椭圆链轮，并且在结构上脚登拐臂与短轴重合。那么由于短半轴小于r的缘故，在上止点临域椭圆链轮传动比大于以r为节半径的圆链轮（因拐臂长不变）。传动比大牵引力大，因此椭圆链轮能刻服现行自行车当拐臂在上止点临域牵引力小的缺点。椭圆链轮虽能提高上止点临域的牵引力，但不可使椭圆更扁来进一步提高牵引力，因为这样会失去车速（椭圆更扁后平均节半径小，而车速与节半径成正比）。因此椭圆链轮的使用还有一个参数选择问题。众所周知现行自行车的速率已是一个符合人体工况的最佳速率，因此链轮椭圆节曲线参数的选用必须在满足现行自行车速率前提下再来考虑提高上止点临域的牵引力。要满足现行速率椭圆节曲线的参数只能通过试验确定，图2便是我们以不同参数的椭圆链轮和圆链轮实测的速度图，从图可知只有e、a分别满足下式时0.54≤e≤0.62；r－1毫米≤a≤r＋3毫米。

椭圆链轮的平均速度才接近圆链轮且脉动也不大。因此与节半径为r的圆链轮相比基本不失速的椭圆链轮的节曲线参数e、a必分别满足下式：

0.54≤e≤0.62；r－1毫米≤a≤r＋3毫米。

现行自行车有节半径r＝97.09015毫米的城市代步车驱动链轮和节半径r＝93.0507毫米的农用车驱动链轮。据上面讨论，若以椭圆驱动链轮（1）来代替r＝97.09015毫米的圆链轮的话，这个椭圆链轮节曲线的离心率e（2）和长轴半径a（3）必分别满足下式（A）：

0.54≤e（2）≤0.62；96.09015毫米≤a（3）≤100.09015毫米。

同样，若以椭圆驱动链轮（4）来代替r＝93.0507毫米的圆链轮的话，这个椭圆链轮节曲线的离心率e（5）和长轴半径a（6）必分别满足下式（B）：

0.54≤e（5）≤0.62；92.0507毫米≤a（6）≤96.0507毫米。

以上便是我们就椭圆链轮如何取代圆链轮并又基本不失速的参数选择条件。

按上面参数选择条件制作的椭圆链轮其平均节半径是小于圆链轮节半径的，前面讲了平均节半径小车会失速，那么为什么按参数选择条件制作的椭圆链轮基本不失速呢？下面我们回答一下这个问题。图3是我们在平路中速情况下实测的圆链轮扭矩图。从图可知在上止点前后约45°内人体是不做功的（车子惯性运行），人体不做功则链齿不参与功率传递，因此上止点前后约45°内的链齿可以去除而不影响车速，换句话讲，把圆链轮对应上、下止点的一个90°的弓形区去除而把链轮制成于图4所示的形状自行车不失速，链轮于图4所示的形状不失速，而按参数选择条件制成的椭圆链轮正是一个轮廓近似图4所示形状的链轮。所以按参数选择条件制成的椭圆链轮与圆链轮相比基本不失速。图5为我们实际制作的一个椭圆链轮外观图。

按参数选择条件制作的椭圆链轮与圆链轮相比有于下优点：

1，平路基本不失速。

2，爬坡能力提高20％（以度而言提高1°）。

椭圆链轮制作上的麻烦是难以找到一条合适节曲线能被节距等分成整数（齿不能是分数），为了大家制作的方便。这里把我们已做成的能够代换现有城市代步车和农用车链轮的椭圆链轮节曲线参数提供于下：（此为最佳参数）

1，长半轴97.09015毫米；短半轴80.55359毫米。

2，长半轴93.0507毫米；短半轴76.4969毫米。