自行车的转矩驱动的自动变速设备技术领域
本发明涉及一种为自行车或类似的运输工具设计的自动变速器系统。
更具体是，本发明涉及一种自动变速器，其可溯及以往地集成到传统的、
多速链轮组件上，并且其中通过施加到驱动链轮上的转矩方面的变化来产
生齿轮的换档。
背景技术
现在自动变速已经在汽车上应用了几十年。其普及主要是由于具有自
动变速器，驾驶员可以在没有换档的额外任务的情况下将更多的注意力放
在变化的路况上，并且从而提高了驾驶员、乘客和其他道路使用者的安全。
同样，近年来自行车已经日益流行起来，对于可以用于自行车的自动变速
器的需要已经增长了。
在现有技术中，可以发现一些自动自行车变速器，并且其通常可以被
分成三种类型，即，流体驱动型、离心型和转矩响应型。
流体驱动型变速器的基本工作原理是利用包含在腔室内部的流体的拉
曳力来传输功率的。例如，在美国专利号7,059,618中所公开的流体自动
自行车变速器中，在由施加的输入转矩(例如，来自骑车者)所驱动的外
壳与将输出功率传输至自行车的后轮的内壳之间形成了腔室。在腔室内，
容纳有用于所述外壳和内壳之间的功率传输的适当的流体和机械叶片式定
子组件，所述定子组件可以通过改变叶片和外壳之间的间隙来改变流体内
的拉曳力。机械叶片式定子包括一些各通过单独的弹簧或任何弹性装置连
接至中央定子的叶片。当驱动转矩增大时，被驱动转矩驱动的外壳通过流
体在叶片定子组件上施加较大的作用力，并且因此叶片被推向定子的中心
并远离外壳。结果，在叶片和外壳之间出现了更大的间隙，并且随后增大
了外壳和内壳之间的滑动。滑动中的该变化实际上引起了输入和输出转矩
之间的机械利益方面的变化，并且在如上所述的状况中，机械利益方面的
变化相当于转入到“低速档”或“降档”。当输入转矩减小时执行类似的但
却反向的操作。如上所述的流体驱动型变速器系统具有一些缺陷。首先，
该变速器不具有当输入转矩正在改变时永久或临时维持驱动比的“保持”
功能。这在一些环境中是期望的功能，例如，骑车者可能想在爬坡期间暂
时除去其输入转矩时避免自动升档。第二个缺陷是因为整个变速器组件装
满了传动流体，所以如果需要拆卸变速器系统用于维护或修理可能是相当
麻烦的。上述流体驱动系统的另一个缺陷是在安装所述系统之前必须移除
传统的手动变速器自行车上现有的变速齿轮传动机构、链轮和换档机构，
并且不能轻易地改装到传统的自行车上。
关于离心型自动变速器，基本工作原理是通过利用来自自行车车轮的
转动的能量执行换档操作。更准确地说，促使系统的特定部件按与自行车
车轮的速度成比例的速度转动。由所述转动产生的离心力然后直接或间接
地诱发系统选档部件的运动，并且随后引起驱动比方面的变化。美国专利
申请号11/670,570中公开了一种离心型自动自行车变速器。在所述专利申
请中，公开了一种变速器系统，其包括可旋转的轴、多个相互可枢转地连
接并且连接至星形卡圈的离心配重、包括上述星形卡圈的卡圈组件和后部
变速齿轮传动机构。自行车车轮的转动引起离心配重按正比速度旋转。当
离心配重的转速增大时，增大的离心力将促使离心配重向外扩展一增加量。
当离心配重向外扩展时，迫使卡圈组件沿可旋转的轴移动，并且从而后部
变速齿轮传动机构的链条导向件将向外移动以使传动链从较大直径的链轮
转移至相邻的较小直径的链轮，从而当自行车的速度增大时产生“升档”
到更高档。卡圈组件被这样偏置，即，当自行车的速度减小时上述操作将
发生反向。该设计的直接后果是每当自行车停止时，将自动选择最大直径
的链轮(即，最低档)。这是不符合要求的特征，因为当选择低速档时需要
很高的踏板节奏来使自行车加速。然而，离心型变速器的设计是这样的，
不会发生升档，除非获得某一行进速度，并且因此实际上具有所述离心型
自动变速器的自行车比具有传统手动变速器的自行车更累人。此外，该离
心型变速器的安装需要改进现有的后部链轮组件，并且因此将这样的系统
改装到传统自行车上可能是困难的。
第三种自动自行车变速器是转矩响应型设计，并且美国专利号
5,061,224中公开了一实例。其中公开的变速器系统包括由两个相反侧的可
滑动的槽轮元件组成的可变节距的皮带轮和将该可变节距的皮带轮连接至
从动皮带轮的V形皮带。可变节距的皮带轮对骑车者施加到自行车踏板上
的转矩敏感。当所施加的转矩增大时，可变节距的皮带轮和从动皮带轮之
间的距离扩大了并且因此V形皮带被迫使朝两个槽轮元件的曲率半径更小
的中间向内移动。结果，减小直径的驱动皮带轮现在驱动从动皮带轮，因
此，实际上已经执行了“降档”。该发明的主要缺点是每当去除所施加的转
矩时，例如在滑行期间，齿轮比立即返回到“低转矩、高速”的结构。这
可能尤其在骑车者沿山坡向上骑行希望小憩以节省体能时引起不便。
美国专利号4,781,663中公开了另一种解决了上述问题的转矩响应型
自动自行车变速器。该发明的实施例包括经由V形皮带连接的驱动皮带轮
和从动皮带轮。驱动皮带轮和从动皮带轮两者都是由多个可收缩的臂组成
的，以便可以通过所述臂的延伸或缩回来改变皮带轮的有效直径。当施加
增大的转矩时，V形皮带内部的张力将通过一些部件使驱动皮带轮的臂缩回
以形成减小直径的皮带轮。同时，皮带内部的张力将确保从动皮带轮的臂
适当地延伸。结果，齿轮比被调节成供应更高的输出转矩。当输入转矩减
小时，驱动皮带轮和从动皮带轮分别利用如上所述的同一机构延伸和收回。
该发明还包括“保持系统”，其防止甚至当所施加的输入转矩已经超过或减
小至齿轮比通常变化的水平时齿轮比的变化。该保持功能通过向皮带轮臂
的相反表面施加轴向力以通过相反的臂表面和两侧的凸轮板的摩擦接合来
将其保持在相应的位置中来实现。该保持功能是合乎需要的，但是纯粹通
过摩擦接合来执行所述功能可能不是最好的方法，因为所施加的转矩可能
大到足以克服“保持”摩擦力。此外，磨损和撕裂可能作为摩擦接合的臂
表面和侧面凸轮之间的任何滑动的结果而存在，因此保持系统的效率在一
定使用期之后可能变差。此外，如果骑车者手动地致动保持系统，则其才
会工作。
美国专利号3,769,848中公开了转矩响应型自动自行车变速器的第三
实例。所公开的发明的优选实施例包括可滑动地安装到后轴上用来替换在
传统的自行车上的后轴上的大大改进的后部链轮组件。所述后轴包括一轴，
围绕该轴在外周设置螺旋轨道和一些平行于轨道形成的凹进部。安装在轴
上、在后部链轮组件旁边是包含两个硬化的滚球的自由转动的圆形元件。
其中之一被轨道接收，而另一个被凹进部之一接收，这完全取决于所选的
后部链轮。当输入转矩增大时，圆形元件会相对于轴转动，并且从而硬化
的滚球之一将沿螺旋轨道行进，同时迫使另一个硬化的滚球从一个凹进部
移动至下一个最近的凹进部，并且从而沿后轴移动后部链轮组件，从而通
过传统的自行车的变速齿轮传动机构来接合下一个最大后部链轮。当输入
转矩减小时，设置在后轴上的弹簧通过滚球和轨道机构推动后部链轮组件
来沿这样的方向移动，即，接合下一个最小的后部链轮。还已经公开了几
个可结合到前述实施例中的附加的特征。其中第一个是容纳在轴内用于防
止响应所施加的转矩方面的瞬间变化的不希望有的换档的碰撞筒
(dash-pot)。另一个辅助特征是由锁紧板和形成在轴的扩大部分上的一组
凹槽所组成的锁定机构，他们一起防止后部链轮组件相对于轴的任何运动，
并且从而抑制后部齿轮比方面的任何变化，甚至当施加的转矩正在变化时。
所公开的第三辅助特征是包括掣子和接收缝槽的简化的锁定机构。如果自
动换档功能被停用，则掣子可以被转换至操作位置，在该操作位置，禁止
后部链轮组件沿轴移动，并且由此停用自动换档功能。为了重新激活自动
换档功能，可以将掣子转换到其原始位置。该驱动机构的缺陷是其不许仅
临时停用自动换档功能，即，可能仅当选择最小直径的链轮时启动所述机
构。此外，该发明的另一缺陷是其安装需要对传统的自行车进行大量的改
进。
另外，上述所有现有的发明仅调节后部链轮组件的齿轮或齿轮比，而
前部链轮组件的齿轮或齿轮比维持不变。然而，如果还可以变换前部链轮
组件的齿轮，则可以更有效地执行整个变速系统的机械利益方面的变化，
并且还可以将系统利用到更大程度。此外，必须手动地启动上述所有的“保
持”系统，这将给骑车者带来额外的分心。
因此，现有技术中存在对一种可以变换前部和后部链轮组件两者的齿
轮的自动自行车变速器的需求。所述变速器系统可以自动地“保持”任一
选择的齿轮比，甚至当所施加的输入转矩正在变化时，并且所述保持系统
是耐用的，则是非常合乎需要的。此外，当从静止开始时，变速器系统自
动地选择最高档，或者至少骑车者能够在所有速度都维持舒适的踏板节奏。
另外，其应当易于将自动变速器系统改装到传统的自行车上，以及之后易
于维护和维修。
发明内容
本发明是一种供自行车使用的自动变速器系统，其包括五个主要部件，
包括转矩传感器、身体力量选择器、斜度传感器、前部换档驱动机构和后
部换档驱动机构。利用此处所公开的自动变速器系统，当自行车行驶或停
下来时可以维持所选的齿轮比，尤其即使骑车者没能踩到踏板上。该保持
功能是更优选的，因为其不但是自动的，而且所选择的齿轮比还被齿轮块
机械地保持，该齿轮块对磨损事件不敏感。此外，此处提供的自动变速器
系统可以容易地安装到一般在市场上可购买到的自行车上。在本发明的配
置下对自行车既不需要重新设计也不需要改进。这便于对自动变速器系统
执行修理和维护，因为自动变速器系统可以被轻易地组装和拆卸。
转矩传感器是由输入轴组成的，该输入轴在中间部分具有螺纹段，并
且将两个踏板连接到自行车的相反侧上。其还包括盘簧和转矩变化输出环，
该盘簧围绕螺纹中间段，该转矩变化输出环附接到盘簧的一端并且按照盘
簧的压缩或扩张而移动。当施加到输入轴上的转矩增大时，例如在爬坡期
间，由于增大的作用力的结果而促使盘簧压缩。盘簧的压缩引起转矩变化
输出环相应地移动，并且转矩变化输出环的移动然后诱发变速器系统内部
一系列随后的动作。
转矩变化输出环的移动引起推进齿条沿与转矩变化输出环相同的方向
移动，并且通过一些作用力传递元件，例如，不同齿轮、接收齿条、推动
臂、摆动臂、滑车和接收轴，推进齿条的移动然后使齿轮块工作。齿轮块
包括斜度传感器，该斜度传感器防止齿轮在骑车者向上爬斜坡时转矩损耗
的短期内换档。当齿轮块进入操作时，后部换档驱动机构同时被致动。特
别是，当接收轴被摆动臂推动时，后部换档驱动机构内的凸轮将相应地转
动，该凸轮沿其周边具有三个不同的有效半径。如果，由于输入转矩增大
的结果，凸轮已经转过足够大的角位移，使得现在接合凸轮具有较大有效
半径的那部分，前部换档驱动机构然后也开始操作。集中于后部换档驱动
机构，凸轮的转动经由几个齿轮将被转换为后部链轮组件的控制盘的相应
转动。如果转矩方面的增加具有足够的量，则控制盘然后将促使自行车的
变速齿轮传动机构选择下一个最大后部链轮。关于前部换档驱动机构，一
旦前部换档驱动机构进入操作，则前部链轮组件的控制盘然后将相应地转
动。按与后部控制盘类似的方式，如果转矩方面的增加足够大，则前部控
制盘将促使前部链轮的变速齿轮传动机构选择下一个最小前部链轮。
身体力量选择器允许使用者选择适合其自身力量的自动变速器。例如，
如果使用者是儿童，则可能未强壮到在不变到最低档的情况下足以爬上缓
和的斜坡。另外，使用者可以施加到自行车上的最大的力或转矩随其例如
年龄、性别和重量的身体特征而变化。本发明的优点之一是身体力量选择
器可以响应于由使用者施加的转矩来按优选的速度改变齿轮。因此，使用
者全部需要做的是选择其所属的正确身体能力特征，例如，即儿童或女性
成年人或者男性成年人，这对各身体能力特征已经考虑到了例如年龄、性
别和重量的各种参数。例如，如果选择男性身体能力特征，则对于每次改
变为较低档需要更大的转矩。例如，如果选择儿童身体能力特征，则对于
每次改变为较低档需要较小的转矩。
本发明的一个方面在于前部/后部换档驱动机构，其按不同的倾斜水平
来控制前部链轮组件和后部链轮组件。前部/后部换档驱动机构包括坡道、
前部/后部方向变化齿轮组件、平衡摆动配重、凸轮和与前部及后部链轮组
件连接的其他连接部分。本发明的驱动机构检测转矩沿斜坡的变化和与本
发明的其他部分相关的调整，以便开始在前部链轮组件处转换不同大小的
链轮和改变后部链轮组件的轮毂直径，以使自行车恒定地沿斜坡行进。前
部/后部换档驱动机构还包括连接至踏板的抗反转设备，以避免当转矩减小
和/或骑车者未踩到踏板上时脚踏轮的反转。
一种供自行车使用的自动变速设备，包括外壳；配置成检测由自行车
的轴上的踏板所产生的转矩的转矩传感器；身体力量选择器，其具有多个
结构，该结构配置成改变档位的变化速度；布置在外壳内的斜度传感器，
该斜度传感器在其下端处具有配重，以根据外壳被布置于的斜坡来维持其
相应于变化的外壳的斜度的位置；前部和后部换档驱动机构，其配置成控
制前部链轮组件和后部链轮组件。
转矩传感器被配置成平移转矩变化输出环以控制滑车的运动。滑车包
括推动臂，该推动臂被配置成按多个方向设置推动轴以控制摆动臂的动量
的大小，从而接收轴被配置成通过分别转动用于控制前部链轮组件的盘和
用于控制后部链轮组件的盘来按不同速度改变档位。斜度传感器被配置成，
当斜度值为正时卡子防止齿条块执行任何档位改变。前部和后部换档驱动
机构被配置成通过凸轮、平衡摆动配重和伞齿轮的齿轮组件来驱动前部链
轮组件的转动。
自动变速设备还包括空气阻尼室，该空气阻尼室设置在转矩传感器内，
从而当踏板上的转矩减小为零时抑制轴的运动。自动变速设备还包括设置
在推动轴的上端处的上部齿轮固定块和设置在推动轴的下端处的下部齿轮
固定块，从而推动轴的位移被上部齿轮固定块和下部齿轮固定块约束。自
动变速设备还包括配置成包括链条的把手，以便将导板移位至最小齿轮的
位置以为重新布置链条提供更多空间。
自动变速设备还包括附接至斜度传感器的配重吊架上的配重。此外，
自动变速设备包括将配重吊架的下部分与配重吊架的上部分分开的释放
件。自动变速设备还包括利用防尘板条来密封外壳的盖，以便防止异物进
入到外壳中。外壳与盖一起被安装到框架中，从而盖上的槽与框架的内壁
上的导向件接合以固定外壳在框架中的位置。
供自行车使用的自动变速设备还包括抗反转设备，该抗反转设备被配
置成当施加到轴上的转矩减小时防止踏板的反转。凸轮被配置成具有由平
衡摆动配重平衡的其定向，从而凸轮具有与平衡摆动配重配合的有不同半
径的多个部分。
所述平衡摆动配重设置在多个高度处以通过沿坡道移动来与凸轮的不
同部分配合。配重吊架的下部分被配置成与阻尼器接合，从而配重吊架的
运动具有阻尼效应。
齿轮组件被配置成具有沿相同方向转动的第一伞齿轮和第二伞齿轮，
从而第一伞齿轮和第二伞齿轮在不同时间分别与第三伞齿轮的不同端部接
合，以沿不同方向转动第三伞齿轮。第三伞齿轮被连接至惰性飞轮，从而
在第三伞齿轮不再与第一伞齿轮或者第二伞齿轮接合之后，所述惰性飞轮
进一步转动第三伞齿轮。
转矩传感器具有旋转通过活塞和盘簧的螺纹部分以检测转矩的变化。
活塞具有多个孔，通过所述孔将润滑剂施加到螺纹部分上以维持转矩传感
器的灵敏度。
如以下实施例所示还公开了本发明的其他方面。
附图说明
以下将参照下列图来详细地描述本发明的这些及其他目的、方面和实
施例，其中：
图1描绘了根据本发明的一个实施例的装备有自动变速设备的普通的
自行车的侧面正视图。
图2描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设备的面板。
图3描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设备的局部剖开的详
图。
图4描绘了沿图3中的A-A轴线截取的自动变速设备的剖视图。
图5描绘了沿图3中的B-B轴线截取的自动变速设备的剖视图。
图6描绘了沿图3中的C-C轴线截取的自动变速设备的剖视图。
图7描绘了沿图4中的D-D轴线截取的自动变速设备的剖视图。
图8描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设备的转矩传感器在
各种状态中的局部剖视图：(a)当渐增地施加转矩时；(b)当施加最大转
矩时；(c)当转矩突然减小或者消失时。
图9描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设备的身体力量选择
器当选择以下各种个人能力时的工作机理：(a)选择男性；(b)选择女性；
(c)选择儿童。
图10(a)和10(b)描绘了与根据本发明的一个实施例的自动变速设
备的接收齿条相互作用的部件的分解视图。
图11(a)描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设备的推动臂的
分解视图。
图11(b)和图11(c)描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设
备的推动臂与各个阶段相应的工作机理：(b)当推动臂松开时；(c)当推
动臂被按压时。
图12描绘了沿图3中的E-E轴线截取的自动变速设备的剖视图。
图13描绘了沿图3中的F-F轴线截取的自动变速设备的剖视图。
图14描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设备的齿轮块的视
图。
图15(a)描绘了沿图14中的G-G轴线截取的自动变速设备的齿轮块
的剖视图。
图15(b)描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设备的齿轮块的
分解图。
图16描绘了当自行车下坡时沿图3中的F-F轴线截取的自动变速设备
的剖视图。
图17描绘了当自行车上坡时沿图3中的F-F轴线截取的自动变速设备
的剖视图。
图18描绘了根据本发明的一个实施例的处于不同斜度的自动变速设备
的齿轮块的工作机理。
图19描绘了沿图3中的H-H轴线截取的自动变速设备的剖视图。
图20描绘了伞齿轮的齿轮组件的多个视图和横截面图。
图21(a)描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设备的齿轮推进
器的顶视图。
图21(b)描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设备的齿轮推进
器的侧视图。
图21(c)描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设备的齿轮推进
器的分解图。
图22描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设备的前部和后部换
档驱动机构是如何工作的。
图23描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设备的抗反转设备的
分解图并且图解了该抗反转设备是如何工作的。
图24描绘了沿图3中的I-I轴线截取的自动变速设备的剖视图。
图25描绘了沿图20中的K-K轴线截取的自动变速设备的剖视图。
图26描绘了沿图3中的J-J轴线截取的自动变速设备的剖视图。
图27描绘了图解根据本发明的一个实施例的自动变速设备是如何工作
的示意图。
图28描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设备的分解图。
具体实施方式
图1描绘了根据本发明的一个实施例的装备有自动变速设备的普通的
自行车的侧面正视图。自行车包括一些部件，例如，头管101、座管5、横
杆8、下管4、座撑7、链条撑6、后部变速齿轮传动机构3和前部变速齿
轮传动机构2。自行车还装备有自动变速设备1。横杆8和下管4从座管5
延伸至头管101。链条撑6和座撑7从座管5延伸至后部轮轴。在一个实施
例中，每个曲柄在一端处具有踏板并且在另一端处与轴连接。轴102设置
在座管5的下端处，在该处下管4和链条撑6与座管5的下端联接。自动
变速设备1安装在座管5的下端处，轴102横穿自动变速设备1。自动变速
设备1控制前部变速齿轮传动机构2和后部变速齿轮传动机构3。
图2描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设备的面板。在自动
变速设备1的面板上，存在身体力量选择器9，在将例如硬币的扁平盘装配
到身体力量选择器9上的凹进部中之后，该身体力量选择器9可通过扁平
盘来转动。面板具有允许贯通地装配轴102的开口。轴102经由曲柄19连
接至踏板18。自动变速设备1固定到框架27上，该框架27通过下管4、
链条撑6和座管5支撑以便固定到自行车上。前部变速齿轮传动机构(未
显示)由自动变速设备1经由第一线13A来控制。后部变速齿轮传动机构
(未显示)由自动变速设备1经由第二线13B来控制。第一线13A和第二
线13B两者都被护套12覆盖。护套12可以由塑料制成并且为第一线13A
和第二线13B提供保护罩。前部换档控制盘10通过围绕前部换档控制盘10
展开或缠绕第一线13A来释放或者收回第一线13A。后部换档控制盘11通
过围绕后部控制盘11展开或缠绕第二线13B来释放或者收回第二线13B。
通常，在轴102上装配有不同的链轮，例如，小链轮(未显示)、大链轮14
和中链轮15。
图3描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设备的局部剖开的详
图。例如大链轮14、中链轮15和小链轮16的不同链轮被安装在轴102上。
身体力量选择器9经由挠性的拉拽轴60来调节推动臂23的方向。推动臂
23控制摆动臂24和滑车(tackle)25的运动。滑车25的运动控制后部换
档控制盘11的转动。框架53还支撑自动变速设备。滑块22通过惰性飞轮
21和齿轮组件20来控制。
图4描绘了沿图3中的A-A轴线截取的自动变速设备的剖视图。框架
27上存在多个排放孔28，以便可以通过排放孔28将经由框架27进入到自
动变速设备1中的例如水的任何流体排走。转矩传感器26安装在轴102上。
转矩传感器26检测由曲柄19产生的转矩。外壳52具有盖51，该盖51与
安装在盖51和外壳52之间的一些防尘板条54一起密封外壳52。外壳52
具有面板108，在该面板108上身体力量选择器9可调整。轴102穿过面板
108以与曲柄19可联络地(communicatively)连接。用于分开配重吊架的
上部分和下部分的释放件38容纳在外壳52中。惰性飞轮21在外壳52中
可用。框架27具有导向件106，当外壳52安装到框架27中时该导向件106
与盖51的槽105配合。
图5描绘了沿图3中的B-B轴线截取的自动变速设备的剖视图。在框
架27上见到一个或多个排放孔28。转矩传感器26包括多个部件，包括但
不限于：卡环17、防尘罩29、挠性卡环30、输出轴31、多个防尘O型环
45、转矩变化输出环39、多个滚珠轴承35和输入轴32。前部换档控制盘
(未显示)和后部换档控制盘11两者都通过C形挠性锁存器37固定到自
动变速设备的面板108上。抗反转设备34具有多个棘齿33。轴102具有同
心地安装在其第一部分上的大链轮14、中链轮15和小链轮16的组件。围
绕轴102放置扣环36以将轴102固定到外壳52的面板108上。接收齿轮
50B容纳在外壳52中。
图6描绘了沿图3中的C-C轴线截取的自动变速设备的剖视图。排放
孔28从框架27的内部排走任何流体。转矩传感器26的转矩变化输出环39
控制推动臂23的运动，从而移动摆动臂24和滑车25。存在用于分开配重
吊架的上部分和下部分的释放件38。
图7描绘了沿图4中的D-D轴线截取的自动变速设备的剖视图。转矩
传感器26是在一端使曲柄19与左踏板相连并且在另一端使曲柄19与右踏
板相连的设备。在一些实施例中，转矩传感器26沿自行车的轴102设置，
其中轴102在一端使曲柄19与左踏板18相连并且在另一端使曲柄19与右
踏板18相连。转矩传感器26容纳在外壳52中，外壳52位于自行车的底
部。外壳52进一步被框架27支撑，以便外壳52被固定到自行车的座管5
和下管4的底端处。外壳52通过一些螺钉被固定到框架27上。
在一个实施例中，轴102具有同心地安装在其第一部分上的大链轮14、
中链轮15和小链轮16的组件。在其他实施例中，链轮的该组件包括并非
是三个的一些链轮，并且根据设计来确定每个链轮的尺寸。当人踩到踏板
18上来转动轴时，链轮组件将按与轴转动的相同方向转动。轴102是由又
称为输入轴32的内部部分和又称为输出轴31的外部部分组成的。
输出轴31装配在输入轴32和链轮组件之间。输出轴31在其开口91
处具有面向曲柄19的凹进部90。凹进部90接收开口91的内壁的挠性卡环
30，以便防止输入轴32沿轴移位。开口91在其外壁上带有螺纹，这允许
卡环17被拧上。如果需要从轴上移除链轮的组件，则需要首先移除卡环17
并且卡环17固定链轮的组件在输出轴31上的位置。开口91的端部被防尘
盖29封闭，防尘盖29防止例如灰尘或液体的异物进入到凹进部90中。
当转矩传感器26容纳在外壳52中时，轴102从一侧上的第一开口穿
过外壳52延伸至相反侧上的第二开口。在轴102和每个开口的内壁之间存
在防尘O型环45。防尘O型环45能够防止例如灰尘和液体的异物进入到外
壳52中。扣环36被放置在外壳52的第二开口处，以便扣环36可以加强
挠性卡环30的功能，该挠性卡环30在结构上是非常纤细的。在沿X方向
给轴102施加很重的冲击时(参见图7)，扣环36可以协助挠性卡环30防
止输入轴32沿轴移位。
此外，轴102在外壳52的第一开口和第二开口处设置在外壳52的内
壁上。在轴102和第一开口之间以及轴102和第二开口之间存在滚珠轴承
35。当轴102转动时，所述滚珠轴承35支撑轴102。
图8描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设备的转矩传感器在
各种状态中的局部剖视图：(a)当渐增地施加转矩时；(b)当施加最大转
矩时；(c)当转矩突然减小或者消失时。当人踩在踏板之一或者两个上以
便驱动车轮之一或者两个车轮转动时，将转矩施加到踏板上。在不同的环
境中，需要较大的转矩来转动车轮，例如，当自行车上斜坡或者自行车被
后面的重载荷拉拽时。通过转矩传感器来检测转矩的数值，以便当转矩如
图8(a)所示地增大时，活塞401沿轴上的螺纹部分移动到空气阻尼室43
中。当转矩减小时，活塞从空气阻尼室43移出或者被盘簧39A恢复到初始
位置。活塞401在其本体上具有一些润滑剂注入孔42，在其外壁和内壁之
间提供通道。经由所述润滑剂注入孔42将润滑剂加至螺纹部分。
活塞401在空气阻尼室43外面的一端与转矩变化输出环39相连。转
矩变化输出环39根据活塞401的运动而移动。输出轴31具有一个或多个
延伸部39B，该延伸部39B起到支撑转矩变化输出环39在延伸部39B上运
动的导向件的作用。
在空气阻尼室43的本体上存在一个或多个孔口44。空气可以通过孔口
44进出空气阻尼室43。当活塞401移入到空气阻尼室43中时，通过孔口
44从空气阻尼室43中排出空气。各个孔口44处于这样的尺寸，即，在空
气阻尼室43中需要有一定压力以通过孔口44排出空气。类似地，每个孔
口44也处于这样的尺寸，即，在空气阻尼室43中需要有一定压力，以通
过孔口44将空气吸入到空气阻尼室43中。这给活塞401的运动提供了阻
尼效应。
当转矩保持增大时，活塞401进一步移动到空气阻尼室43中，直到活
塞401到达其向内的运动被其本身的盘簧39A阻挡的位置，如图8(b)所
示。当转矩减小时，例如，如果坡度减小或者骑车者提起其足部离开踏板，
则盘簧39A将作用力施加到活塞401上以将活塞401从空气阻尼室43中移
出并且将活塞401恢复到如图8(c)所示的其初始位置。同时，按取决于
空气阻尼室43的孔口44的尺寸的速率将空气吸入到空气阻尼室43中。空
气阻尼室43中的低压力不但产生了将空气吸入到空气阻尼室43中的吸力，
而且防止了活塞401被盘簧39A从空气阻尼室43中移出得太快。
位于空气阻尼室43外面的活塞401的顶部具有沿轴围绕开口的波纹表
面40A。波纹表面减小了活塞401与其他表面接触的面积，并且从而减小了
活塞401的顶部甚至在被润滑剂覆盖的情况下粘到其他表面上的概率。波
纹表面还便于润滑剂进入到轴102中，以便可以维持转矩传感器26的灵敏
度。
图9描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设备的身体力量选择
器当选择以下各种个人能力时的工作机理：(a)选择男性；(b)选择女性；
(c)选择儿童。转矩传感器的活塞(未显示)连接至推进齿条47。推进齿
条47沿与活塞相同的方向移动。推进齿条47在与传动齿轮92配合的一侧
上具有齿。传动齿轮92驱动滑车25上的接收齿条48。滑车25具有润滑剂
注入孔42，在该润滑剂注入孔42处将润滑剂施加至传动齿轮92的轴以保
持传动齿轮92的平稳转动。当由转矩传感器检测到的转矩增大时，推进齿
条47向下移动，沿逆时针方向转动传动齿轮92。当传动齿轮92沿逆时针
方向转动时，接收齿条48沿远离推进齿条47的方向移动。滑车25跟随接
收齿条48的运动并且离开推进齿条47。
当接收齿条48离开推进齿条47时，接收齿条48最后被弹簧46停住。
弹簧46为接收齿条48远离推进齿条47的运动提供阻尼效应并且防止滑车
25具有过度远离推进齿条47的位移。弹簧46避免接收齿条48远离推进齿
条47走得太远并且丧失与传动齿轮92的接触。此外，当身体力量选择器9
被选择为W(女性)或者CH(儿童)并且接收轴50已经到达其最大容许位
移时，如果转矩变化输出环39继续给接收轴50提供过量的位移，则弹簧
46允许接收齿条48接收所述过量的位移，以便防止对滑车25、推动轴49
或者摆动臂24的任何破坏。
身体力量选择器9与一些齿轮相连以移动挠性的拉拽轴60。在一个实
施例中，身体力量选择器9具有槽，该槽接收例如硬币或者螺丝刀的尖端
的扁平物体。
当身体力量选择器9沿顺时针方向从M转动到W时，如图9(b)所示，
挠性拉拽轴60将沿顺时针方向转动，从而挠性拉拽轴60的螺纹头与推动
臂23的螺纹部分的中间接合。推动臂23从而沿逆时针方向转动并且沿锯
齿轨道向上移动推动轴49。
在向上移动之前，推动轴49在靠近摆动臂24的自由端的位置处与摆
动臂24接触。当推动臂23和滑车25一起离开推进齿条47时，限制了摆
动臂24的自由端的转矩，因为其被由推动轴49提供的接触点和摆动臂24
的自由端之间的有限距离放大了。
在向上移动之后，推动轴49在远离摆动臂24的自由端的位置处围绕
摆动臂24的中段与摆动臂24接触。当推动臂23和滑车25一起离开推进
齿条47时，摆动臂24的自由端的转矩更大了，因为其被由推动轴49提供
的至摆动臂24的接触点和摆动臂24的自由端之间的更大距离放大了。
因此，当身体力量选择器9选择为M时，滑车25需要离开推进齿条47
行进更少，以便将接收轴50移过与滑车25相同的距离，如图9(a)所示。
换句话说，需要更小的转矩，以便在身体力量选择器9从M切换至W之后
转到较低档。甚至当自行车向上爬缓坡时选择最低档，而不是仅当自行车
象在身体力量选择器9选择成M的情况下向上爬陡坡时选择最低档。
当身体力量选择器9沿顺时针方向从W转动到CH时，挠性拉拽轴60
将沿顺时针方向转动，从而挠性拉拽轴60的螺纹头与推动臂23的螺纹部
分的顶部分接合。推动臂23从而沿逆时针方向转动并且沿锯齿轨道向上移
动推动轴49。
在进一步沿锯齿轨道向上移动之后，推动轴49在更靠近摆动臂24的
固定端的位置处与摆动臂24接触。当推动臂23和滑车25一起离开推进齿
条47时，摆动臂24的自由端的转矩甚至更大了，因为其被由推动轴49提
供的至摆动臂24的接触点和摆动臂24的自由端之间的更大距离进一步放
大了。
因此，当身体力量选择器9选择为CH时，如图9(c)所示，需要滑车
25离开推进齿条47行进更小的距离，以移动摆动臂24以具有最大摆动的
可能性。接收轴50将移动到其最远端并且将系统切换至最低档，甚至当所
检测到的转矩小于身体力量选择器9选择为M或者W时所需的时。
图10(a)和10(b)描绘了与根据本发明的一个实施例的自动变速设
备的接收齿条48相互作用的部件的分解视图。顶视图显示了推进齿条47
与传动齿轮92接合以借助于接收齿条48来移动滑车25。在接收齿条48的
各侧面上分别存在槽。接收齿条48的各槽装配到第一轨48A和第二轨48B
上以引导接收齿条48的运动。在接收齿条48的一端处设置弹簧46来将接
收齿条48恢复到其初始位置。
当由转矩传感器26检测到的转矩减小时，推进齿条47向上移动，沿
顺时针方向转动传动齿轮92。当传动齿轮92沿顺时针方向转动时，接收齿
条48沿朝向推进齿条47的方向移动。滑车25跟随接收齿条48的运动并
且朝推进齿条47移动。
当接收齿条48离开推进齿条47时，摆动臂24利用相对于滑车25的
运动固定的一端沿逆时针方向摆动。摆动臂24的自由端沿远离推进齿条47
的方向推动接收轴50。
图11(a)描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设备的推动臂的
分解视图。推动臂23具有设置在其本体中的弹簧23A。弹簧23A将下部齿
轮固定块78和上部齿轮固定块77的组件保持在当推动轴49不推压在摆动
臂(未显示)上时该组件不固定到锯齿轨道上的一位置中。推动轴49的端
部中的每个分别穿过上部齿轮固定块77和下部齿轮固定块78设置。C形挠
性锁存器37A在推动轴49的端部穿过下部齿轮固定块78之后卡锁住该端
部。另一C形挠性锁存器37B在推动轴49的另一端部穿过上部齿轮固定块
77之后卡锁住推动轴49的该另一端。
图11(b)和图11(c)描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设
备的推动臂与各个阶段相应的工作机理：(b)当推动臂松驰时；(c)当推
动臂被按压时。图11(b)显示了当推动轴49不与摆动臂24接触时推动臂
23的侧视图。推动臂23内部的弹簧23A恢复至其松弛状态并且将齿轮固定
块的组件从与锯齿轨道接合中释放出来。图11(c)显示了当推动轴49推
压在摆动臂24上时推动臂23的侧视图。C形挠性锁存器37C在其枢轴处固
定推动臂23。当推动轴49推压在摆动臂24上时，推动臂23内部的弹簧
23A被压缩，并且齿轮固定块组件被压靠在锯齿轨道上以沿锯齿轨道将推动
轴49固定到位。
图12描绘了沿图3中的E-E轴线截取的自动变速设备的剖视图。框架
27将盖51和外壳52一起保持在其内部。在盖51和外壳52之间存在防尘
板条54以密封盖51和外壳52之间的任何间隙。框架53固定转矩传感器
26的位置。转矩变化输出环39的运动通过框架53上的轨53A来引导。滑
车25在框架53的一侧上滑动。推动轴49移动摆动臂24以推动接收轴50。
图13描绘了沿图3中的F-F轴线截取的自动变速设备的剖视图。配重
65安装在配重升降架61的下部分处。
配重吊架40的上部分通过杆61A与配重吊架61的下部分连接。可以
通过释放件38释放所述杆61A以将配重吊架40的上部分与配重吊架61的
下部分分开(参见图4和13)。配重吊架的上和下部分的分离允许容易接近
转矩自动变速设备的其他部分，并且允许转矩自动变速设备的其他部分的
移除、安装和维修。弹簧66在齿条块50A上提供了恢复力。
图14描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设备的齿轮块的视
图。齿条块50A的一端与拉拽弹性弹簧(未显示)相连，该拉拽弹性弹簧
朝着该端部提供拉力。滑杆59与反馈齿轮59A接合，并且齿轮块55也与
反馈齿轮59A接合。当齿轮块55移动时，反馈齿轮59A转动并且按与齿轮
块55的运动相同的方向移动滑杆59。反馈齿轮59A的轴通过框架53支撑，
并且框架53为例如齿轮块55和滑杆59的不同部件提供不同的槽以在其上
移动。接收齿轮50B被齿条块50A移动。卡子56在移动过锁存器57之后
被锁存器57卡锁住。
图15(a)描绘了沿图14中的G-G轴线截取的自动变速设备的齿轮块
的剖视图。弹簧66给齿条块50A提供恢复力，以便当滑车25朝推进齿条
47的方向移动时接收轴50可以总与摆动臂24接触(参见图27)。框架53
容纳接收齿轮50B和齿条块50A。锁存器57具有钩形状并且配置成勾到卡
子56上。转动杆581容纳在齿轮块55的沟道中，并且经由螺母58与齿轮
块55接合。
图15(b)描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设备的齿轮块的
分解图。齿轮块55被设计成防止当自行车行驶的表面的斜度变化时不合乎
需要地发生齿轮变换。为了确定自行车是沿斜坡向上或者向下移动，斜度
传感器被实施为设置在配重吊架的下部分处的配重形式。因为配重总是试
图保持在指向地心的位置，所以当自行车向上爬坡时配重吊架的上部分按
逆时针方向沿枢轴转动。当自行车沿斜坡下行时，配重吊架的上部分按顺
时针方向沿枢轴转动。为了避免配重吊架的转动太猛烈，设置阻尼器64(参
见图16)来与配重吊架的顶部分上的齿接合，以便抑制配重吊架的转动。
齿轮块55具有多个卡子56。每个卡子56是直立在齿轮块55中的轨道
55A上的板。每个卡子56相互分开一定距离。轨道55A是由一段高度比另
一段高的两段组成的。多个卡子56在轨道55A上通过两段之间的坡道从一
段滑动至另一段。当卡子56滑动到高度较高的段处时，锁存器57阻止卡
子56向后移动到高度较低的段处。齿轮块55具有固定在其内部的螺母58，
以便螺母58的位移确定齿轮块55的位移。当齿轮块55移动时，反馈齿轮
59A转动并且按与齿轮块55的运动相同的方向移动滑杆59。
图16描绘了当自行车下坡时沿图3中的F-F轴线截取的自动变速设备
的剖视图。当自行车朝下坡或者在水平的地面上行驶时，配重65引导配重
吊架61沿顺时针方向转动。阻尼器64防止配重65的任何猛烈运动损害自
动变速设备的其他部分。配重吊架61还通过拖杆41移动滑块22。平衡摆
动配重62处于保持接触凸轮63的最小半径的部分的高度。
图17描绘了当自行车上坡时沿图3中的F-F轴线截取的自动变速设备
的剖视图。当自行车上坡时，齿轮块55中的卡子56移动到其被锁存器57
卡锁住以防止从上坡结构换档至下坡结构的一位置，例如，从链条与最大
的后部链轮接合转换到链条与最小的后部链轮接合。同时，凸轮63具有以
最大直径与平衡摆动配重62接触的部分。弹簧66通过在齿条块50A上提
供弹力来使其回复到初始位置。
图18描绘了根据本发明的一个实施例的处于不同坡度的自动变速设备
的齿轮块的工作机理。当自行车在水平地面上行驶时，踏板18和曲柄19
转动轴来保持运动。轴沿逆时针方向的旋转沿顺时针方向转动棘齿33，其
中观察转动方向的观察位置从纸张的左手边到右手边的或者从纸张的顶部
到底部。存在沿与棘齿33相同轴线的齿轮121和抗反转设备34。抗反转设
备34避免轴沿相反方向转动。齿轮121驱动齿轮系统，该齿轮系统通过另
一齿轮123沿逆时针方向驱动齿轮组件20。
齿轮组件20主要包括如图20所示的两个伞齿轮。一个伞齿轮设置在
齿轮组件20的本体的一侧上，并且另一个伞齿轮设置在相反侧上。两个伞
齿轮都具有朝向齿轮组件20的本体的齿。两个伞齿轮都沿相同的轴线和相
同的方向转动。齿轮组件20的本体沿所述轴线移位，但是相对于两个伞齿
轮的转动保持静止。齿轮组件20的本体通过挠性拖杆41连接至配重吊架。
挠性拖杆41沿伞齿轮的旋转轴线移动齿轮组件20。当自行车在水平地
面上行驶时(参见图18(a))，齿轮组件20通过挠性拖杆41保持在一位置
处，以便齿轮组件20的伞齿轮中没有一个接触滑块22的下部伞齿轮221。
当自行车上坡时(参见图18c)，配重吊架61沿逆时针方向摆动并且使挠性
拖杆41能够拉拽齿轮组件20。齿轮组件20的伞齿轮202朝着滑块22的下
部伞齿轮221移位并且与滑块22的下部伞齿轮221啮合。滑块22的下部
伞齿轮221按这样的方式设置，即，其转动轴线与齿轮组件20的伞齿轮的
转动轴线相交，并且其齿朝向齿轮组件20的伞齿轮的齿。
当齿轮组件20的伞齿轮202沿逆时针方向转动时，滑块22的下部伞
齿轮221沿顺时针方向转动。滑块22的上部伞齿轮222沿顺时针方向转动，
并且沿逆时针方向转动转动杆581。通过螺母58在转动杆581的螺纹部分
上转动，转动杆581的逆时针方向转动将齿轮块55从滑块22移开。这将
齿轮块55中的卡子56移动到齿轮块55中的轨道55A的上部水平段上以被
锁存器57卡锁住(参见图27)。锁存器57维持保持卡子56并且允许凸轮
63停留在提供最低的自行车档位的位置处。
甚至当骑车者停止骑行并且自行车呆在上坡位置时，齿轮块55防止凸
轮63返回到提供更高自行车档位的其位置处，因为锁存器57保持固定卡
子56并且使齿轮块55保持在其位置中。
转动杆581具有分别固定到立柱上的其两端，并且C形挠性锁存器37
被设置在转动杆581上、在立柱的孔附近，转动杆581通过该孔搁置以避
免转动杆581相对该立柱的滑动。
当自行车沿斜坡下行时(参见图18(b))，当配重吊架61沿顺时针方
向摆动时挠性拖杆41推动齿轮组件20并且使挠性拖杆41能够推动齿轮组
件20。齿轮组件20的伞齿轮201被朝着滑块22的下部伞齿轮221移动并
且与滑块22的下部伞齿轮221接合。当齿轮组件20的伞齿轮201开始离
开滑块22的下部伞齿轮221时，惰性飞轮21利用储存在惰性飞轮21中的
能量来保持滑块22的两个伞齿轮都转动。惰性飞轮21进一步转动滑块22
的两个伞齿轮221和伞齿轮222以确保伞齿轮221完全离开伞齿轮201或
者伞齿轮202，而没有在伞齿轮201和伞齿轮202之间的来回反弹。这避免
了伞齿轮221在伞齿轮201和伞齿轮202之间不必要地来回反弹和与伞齿
轮201或者伞齿轮202产生不必要的碰撞。
当齿轮组件20的伞齿轮201沿顺时针方向转动时，滑块22的下部伞
齿轮221沿逆时针方向转动。滑块22的上部伞齿轮222沿逆时针方向转动，
并且沿顺时针方向转动转动杆581。利用螺母58在转动杆581的螺纹部分
上的转动，转动杆581的顺时针方向转动将齿轮块55移向滑块22。这将齿
轮块55中的卡子56移动到齿轮块55中的轨道的下部水平段上，以从锁存
器57离开。锁存器57不再保持卡子56并且允许凸轮63停留在任何位置。
图19描绘了沿图3中的H-H轴线截取的自动变速设备的剖视图。图20
描绘了伞齿轮的齿轮组件的多个视图和横截面图。
图21(a)描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设备的齿轮推进
器的顶视图。图21(b)描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设备的
齿轮推进器的侧视图。图21(c)描绘了根据本发明的一个实施例的自动变
速设备的齿轮推进器的分解图。接收轴50被摆动臂24移位。当齿轮推进
器68相对反馈齿轮59A移动时，齿条块50A使用推力回复弹簧67恢复齿
条块50A的位置，其中推力回复弹簧67执行与如图15(a)所示的拉力回
复弹簧66相同的功能。
在另一实施例中，齿条块50A被齿轮推进器68致动。齿轮推进器68
按照配重吊架的倾斜状态移动。在没有摆动臂(未显示)参与的情况下，
可以直接和独立地推动齿条块50A。换句话说，接收齿轮50B经由齿条块
50A的运动接收转动力。并且齿条块50A被齿轮推进器68或者摆动臂24致
动，甚至被两者都致动。除了由转矩传感器来执行自动变速之外，齿轮推
进器68能够运行自动变速。然而，齿轮推进器68可以向低速档执行自动
变速。齿轮推进器68还移动反馈齿轮59A，以便相应地通过反馈齿轮59A
移动滑杆59。
滑杆59被可联络地连接至滑块22。当齿轮推进器68移动时，滑块22
通过齿轮推进器68的齿条和反馈齿轮59A之间的相互作用将沿与齿轮推进
器68相同的方向移动。滑块22按比齿轮推进器68的速度更低的速度移动。
齿轮推进器68是提供反馈功能的设备，以便当通过使卡子移动到满足斜度
传感器的条件的位置而达到平衡状态时滑块22停止移动。换句话说，当达
到平衡状态时，伞齿轮221不再与齿轮组件20的伞齿轮202接合(图18
(a)中所示)。
图22描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设备的前部和后部换
档驱动机构是如何工作的。前部链轮组件具有大、中和小链轮三种尺寸的
链轮(图22中未示出)，而后部链轮具有1到10的速度水平(1为最大轮
毂直径10为最小轮毂直径)(图22中未示出)。前部/后部换档驱动机构
包括坡道70，该坡道70与前进/反向方向变化齿轮组件320和平衡摆动配
重62相连。平衡摆动配重62与凸轮63相连。水平臂62A与竖直臂62B可
枢转相连。弹簧69主要用于提供向其自身拉拽平衡摆动配重62的作用力，
以便平衡摆动配重62的左轮保持压靠在坡道70上，并且平衡摆动配重62
的右轮保持压靠在凸轮63上。位于竖直臂62B顶端的定位球671卡配到凹
进部633之一上，以便伞齿轮321可以与伞齿轮301或者伞齿轮302脱开
或者接合，而没有不必要地在伞齿轮301和伞齿轮302之间的来回反弹。
这是因为定位球671通过将自身装配到凹进部633之一中来固定竖直臂62B
的位置，而不是具有任何不必要的摆动。
在图22(a)中，当自行车处于水平位置时，前部链轮组件移动至大链
轮(该图中未示出)，而后部链轮组件使用7或者8的速度水平。当自行车
下坡时，前部链轮组件处于大链轮，而后部链轮组件可能达到9或者10的
速度水平。
凸轮63的逆时针方向运动通过增大轮毂直径而改变了后部链轮组件的
速度水平。同时，平衡摆动配重62的向上运动朝前部链轮组件的方向推动
水平臂62A。水平臂62A的运动枢转地朝与水平臂62A的运动相同方向地拉
拽竖直臂62B并且通过定位球671与凹进部633的接合而使竖直臂62B与
延伸部62C的前部倒角互锁。转动杆70A的转动还转动前部链轮组件以沿
顺时针方向移动，以便将大链轮14转换成中链轮15(该图中未显示)，或
者如果坡度足够陡则甚至转换成小链轮16(该图中未显示)。
在自行车爬坡的短时间之后，前部/后部换档驱动机构回到水平位置的
标准状态，因为前部链轮组件已经改变为适当的链轮，而后部链轮组件也
已经切换至更大的轮毂直径(即，4-6之间的更小速度水平数)，以便恢复
转矩。在图22(c)中，当斜坡的坡度保持恒定时，转动杆70A通过螺母
58A(图3中示出螺母58A)驱动坡道70的运动。坡道70的运动起到了反
馈作用，其最后使转动杆70A停止转动，以便伞齿轮302与齿轮组件320
的伞齿轮321分开。随后，平衡摆动配重62、水平臂62A和竖直臂62B返
回到例如水平面上的正常位置。但是凸轮63停留在如开始爬坡时的更大轮
毂直径(或者更小速度水平数)处，以便保持后轮的足够大的机械力以在
不另外输入工作负荷的情况下保持自行车稳定地上坡行驶。在该实例中，
后部链轮组件的速度水平保持大约4到6，而前部链轮组件根据斜坡的坡度
转换至中链轮或者小链轮。棘齿33和抗反转设备34属于抗反转组件。抗
反转组件的功能避免了当转矩减小和/或骑车者未踩到踏板上时脚踏轮的
反转。在后面的段落中将给出抗反转组件的详细描述。
在图22(d)中，当自行车上坡运动时，凸轮63顺时针方向转动并且
平衡摆动配重62的右轮被提起，以便将水平臂62A推向竖直臂62B。竖直
臂62B起到象杆的作用，以向延伸部62C移动齿轮组件320，以便伞齿轮
302与伞齿轮321接合。因此，辅助动力被从伞齿轮321传输至伞齿轮302，
并且随后通过转动杆70A在以下路径中传输至其他部件：
(a)转动杆70A的一端驱动前部换档齿轮10A，并且从而驱动继动齿
轮63C和63D，以便前部换档控制盘10的转动经由线13A移动前部变速齿
轮传动机构2(请参见图27)；
(b)转动杆70A的另一端驱动坡道70以提供反馈，以使坡道70朝平
衡摆动配重62移动来抬升平衡摆动配重62的左轮。随后，平衡摆动配重
62的左轮和右轮两者都停留在同一高度处。这使得水平臂62A返回其初始
位置，并且竖直臂62B也返回其最初的竖直位置。齿轮组件320的伞齿轮
302不再与伞齿轮321接触，以便转动杆70A停止转动，并且前部换档驱动
机构的其他部件也停止运动。前部换档驱动机构的不同部件保持静止直到
凸轮63再次运动。
凸轮63仅通过接收齿轮(未显示)来控制，并且除了其被接收齿轮驱
动之外保持静止。
在自行车沿相对更陡的坡爬升某一段时间之后，前部/后部换档驱动机
构返回象水平位置那样的状态，因为前部链轮组件已经改变为小链轮，而
后部链轮组件也已经转换至最大轮毂直径(即，1-3之间的速度水平)。在
图22(e)中，当相对更陡的斜坡的坡度保持恒定时，反馈作用使转动杆
70A停止转动，以便伞齿轮302与齿轮组件320的伞齿轮321分开。随后，
平衡摆动配重62、水平臂62a和竖直臂62B不接触并且返回到例如水平面
上的正常位置。但是凸轮63转到最大的轮毂直径(或者最小的速度水平数)
处，以便保持后轮的足够大的机械力以在不另外输入工作负荷的情况下保
持自行车稳定地爬坡行驶。在该实例中，后部链轮组件的速度水平保持大
约1到3，而前部链轮组件转换至小链轮。
图23描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设备的抗反转设备的
分解图并且图解了该抗反转设备是如何工作的。本发明的抗反转组件避免
了由于转矩的突然损失或者骑车者未踩到踏板上的脚踏轮的反转。抗反转
组件包括辊子推动臂71、一个或多个辊子72、相应的可转动基底73、固定
底座74、齿轮33A、棘齿33、弹簧33B和C形挠性锁存器37。当踏板沿前
进方向(或者称为踏动)转动时，棘齿33相应地沿一个方向(例如，顺时
针方向)转动，而辊子推动臂71和相应的可转动基底73沿相同方向(例
如，顺时针方向)转动。如果踏板反向地转动(或者称为倒踩脚踏板)，则
棘齿33将沿与踏板相同的方向转动，该方向与自行车的前进运动相反。然
而，由于踏板的反转，棘齿33的下部分从棘齿33的上部分释放以防止齿
轮33A的进一步驱动。利用该特征，齿轮组件320不会被踏板的反转所驱
动，当自行车爬坡和骑车者未踩到踏板上时踏板的反转是很常见的。
可转动基底73具有三个接收槽83，每个接收一个辊子72，并且辊子
72在接收槽83中自由地移动。辊子推动臂71处于弹簧82的回弹力作用下
并且提供作用力以保持辊子72离开接收槽83。
如图23所示，存在两种状态，一个是转动，并且另一个是反转。对于
转动，伞齿轮121沿顺时针方向转动，辊子72朝接收槽83移动并且将辊
子推动臂71压入到可转动基底73中。当伞齿轮121的转动停止时，辊子
推动臂71被弹簧82推离可转动基底73，以使辊子推动臂71离开接收槽
83。
对于反转，辊子72离开接收槽83并且被压入到可转动基底73和固定
底座74之间的间隙的较窄端部内。辊子72移动到可转动基底73和固定底
座74之间的间隙的窄端中越多，则可转动基底73沿反方向转动则越困难，
因为辊子在可转动基底73和固定底座74之间卡得越紧。因此，剩下可联
络地连接至伞齿轮121的棘齿33的下半部(也如图22和图27中所示)仍
然跟随伞齿轮121的反向转动。然而，棘齿33的上半部和齿轮33A将停止
沿反转方向的转动，因为可转动基底73的反转被阻挡了。这实现了防止齿
轮33A沿反方向转动的功能。
图24描绘了沿图3中的I-I轴线截取的自动变速设备的剖视图。转矩
传感器26被滚珠轴承35支承在外壳52的面板上。螺钉75将盖51固定到
外壳52上。C形挠性锁存器37沿轴线将齿轮定位在特定位置上，齿轮围绕
该轴线转动。
图25描绘了沿图20中的K-K轴线截取的自动变速设备的剖视图。存
在两个减缓配重吊架61的摆动运动的阻尼器64。当配重吊架61上的配重
65使配重吊架61摆动时，配重吊架61移动拖杆41。设置一些凹穴134(也
参见图5)来容纳配重65，以便当配重65在很重的冲击下已经暂时离开其
座时，配重65利用装配到所述凹穴134中的其突起被重新固定到配重吊架
61上。
图26描绘了沿图3中的J-J轴线截取的自动变速设备的剖视图。围绕
转矩传感器26的轴存在滚珠轴承35。围绕例如身体力量选择器9、前部换
档控制盘10和后部换档控制盘11的可旋转部件中的每一个存在定位球76。
围绕所述可旋转部件存在一些槽来接收定位球76，以便定位球76利用弹簧
将定位球76压靠在各可旋转部件上来维持各个可旋转部件的定向。外壳52
被盖51覆盖住，其两者之间具有防尘板条54。盖51进一步通过多个螺钉
75固定到外壳52上。
图27描绘了图解根据本发明的一个实施例的自动变速设备是如何工作
的示意图。转矩传感器26检测从踏板18通过曲柄19传输至轴的转矩。取
决于所检测到的转矩的大小，转矩传感器26驱动推进齿条47的运动以推
动接收轴50
身体力量选择器9经由挠性拉拽轴60来改变推动臂23的定向。推动
臂23根据推动臂23的定向沿摆动臂24推压在不同的点处。如果推动臂23
推压在更靠近摆动臂24的枢轴的点处，则摆动臂24的摆动幅度小于当推
动臂23推压在进一步远离摆动臂24的枢轴的点处的情况。转矩传感器所
检测的给定转矩下摆动臂24提供的摆动幅度越大，则接收轴50的运动越
大。
接收轴50移动齿条块50A，然后致动接收齿轮50B，最后控制后部换
档控制盘11来通过后部变速齿轮传动机构3将链条转移到不同尺寸的后部
链轮上而变换齿轮。后部变速齿轮传动机构3通过被保护套12包覆的线13B
可操作地被连接至后部换档控制盘11。接收轴50通过凸轮63来控制后部
换档控制盘11。凸轮63处于不规则的形状并且具有从其中心变化半径的部
分。当自行车爬坡时，凸轮63的其较大半径部分与平衡摆动配重62接合。
平衡摆动配重62从坡道70上的较低位置沿坡道70上升。后部换档控制盘
11被转动来移动线13B并且减小后部变速齿轮传动机构3的端部与后部链
轮之间的距离以允许链条与较大链轮接合。利用较大的后部链轮，为自行
车的后部齿轮自动地选择了低速档。
当自行车下坡时，凸轮的其小半径部分与平衡摆动配重62接合。平衡
摆动配重62从坡道70上的较高位置沿坡道70下降。后部换档控制盘11
被转动来移动线13B并且增加后部变速齿轮传动机构3的端部与后部链轮
之间的距离以允许链条与较小链轮接合。利用较小的后部链轮，为自行车
的后部齿轮自动地选择高速档。
抗反转设备34仅允许其中的棘齿沿顺时针方向转动，以便防止当施加
到踏板18上的作用力突然减小或者消失时踏板18和曲柄19突然沿反方向
转动，例如，如果使用者暂时将其足部从踏板18上抬起来。当转矩增大而
被转矩传感器26驱动的棘齿沿顺时针方向转动时，齿轮321沿逆时针方向
转动以控制前部换档控制盘10沿逆时针方向的转动。前部换档控制盘10
收回联接至前部变速齿轮传动机构2的线13A。线13A将拉拽前部变速齿轮
传动机构2以通过导板81将链条设置在较小的前部链轮上，例如从大的前
部链轮14设置到中等的前部链轮15上，或者从中等的前部链轮15设置到
小的前部链轮16上以将前面齿轮改变为更高档位。
当自行车下坡或者在平坦的地面上行驶转矩传感器26检测的转矩减小
时，前部换档控制盘10将沿顺时针方向转动已释放与前部变速齿轮传动机
构2连接的线13A，并且前部变速齿轮传动机构2通过导板81将链条移动
至较大的前部链轮，例如从中等的前部链轮15移动到大的前部链轮14上
或者从小的前部链轮16移动到中等的前部链轮15上。因此，自行车的前
面齿轮被改变为更低档位。前部变速齿轮传动机构2还通过把手79独立地
控制。把手79独自能够通过导板81提升和转移链条来在不同尺寸的前部
链轮之间改变前面齿轮。把手79主要用于将导板81转移到小链轮16的位
置，因为存在用于重新设置链条的更多可用空间。
齿轮块55防止当配重65和配重吊架61的斜度传感器检测到自行车上
坡时后部变速齿轮传动机构改变至更高的一个。
在一个实施例中，自动变速设备1主要响应骑车者在踏板18上的动作。
所述动作按以下流程在自动变速设备1中的不同部件中引起了一系列的反
应：踏板18、曲柄19、转矩传感器26、转矩变化输出环39、推进齿条47、
传动齿轮92、接收齿条48、滑车25、推动臂23、推动轴49、摆动臂24、
接收轴50、齿条块50A、接收齿轮50B、凸轮63、继动齿轮63A、继动齿轮
63b、后部换档控制盘11、线13B、后部变速齿轮传动机构3。
凸轮63触发前部换档驱动机构，该前部换档驱动机构是由前部换档齿
轮10A、继动齿轮63C、继动齿轮63D、前部换档控制盘10、线13A和前部
变速齿轮传动机构2组成的。凸轮63、接收齿轮50B和继动齿轮63A是同
轴线的并且沿相同方向转动。凸轮63被接收齿轮50B而不是前部换档驱动
机构中的任何其他部件驱动。
对于前部换档驱动机构，凸轮63起到键的功用并且驱动整个机构。如
果凸轮63不运动，则整个前部换档驱动机构保持静止，除了伞齿轮321可
能保持转动以为前部换档驱动机构提供辅助动力之外。
当自行车上坡运动时，凸轮63顺时针方向转动时，平衡摆动配重62
的右轮被提起，以便将水平臂62A推向竖直臂62B。竖直臂62B起到了象朝
延伸部62C移动齿轮组件320的杆的作用，以使伞齿轮302与伞齿轮321
接合。因此，辅助动力被从伞齿轮321传输至伞齿轮302，并且随后通过转
动杆70A按两路传输至其他部件。
(a)转动杆70A的一端驱动前部换档齿轮10A，并且从而驱动继动齿
轮63C和63D，以使前部换档控制盘10转动来通过线13A移动前部变速齿
轮传动机构2；
(b)转动杆70A的另一端驱动坡道70以提供反馈，以使坡道70朝平
衡摆动配重62移动来抬升平衡摆动配重62的左轮。随后，平衡摆动配重
62的左轮和右轮两者都停留在同一高度处。这使得水平臂62A返回其初始
位置，并且竖直臂62B也返回其最初的竖直位置。齿轮组件320的伞齿轮
302不再与伞齿轮321接触，以便转动杆70A停止转动，并且前部换档驱动
机构的其他部件也停止运动。前部换档驱动机构的不同部件保持静止直到
凸轮63再次运动。
凸轮63仅通过接收齿轮50B来控制，并且除了其被接收齿轮50B驱动
之外保持静止。
伞齿轮由转矩传感器26驱动。伞齿轮121主要用于为例如控制和反馈
任务提供辅助动力。伞齿轮121的转动被抗反转设备34接收并处理，以便
伞齿轮123(如图27所示的A点)在斜度传感器的控制下转动并且移动齿
轮组件20。例如，当自行车上坡时，斜度传感器通过移动拖杆41而使伞齿
轮202与伞齿轮221接合，以便驱动伞齿轮222来移动转动杆581和螺母
58。因此，齿轮块55从齿轮组件20处移开，并且反馈齿轮59A被齿轮块
55的齿条转动，以便滑杆59也从齿轮组件20移开。当滑杆59和滑块22
结合在一起时，滑块22在滑杆59从齿轮组件20移开时离开齿轮组件20。
因此，伞齿轮221不再与202接合。系统返回到静止状态，并且维持该平
衡状态直到斜度传感器被触发。
抗反转设备34的伞齿轮321(如图27所示的B点)为前部换档驱动机
构提供辅助动力，并且可以发现上述的前部换档驱动机构的操作。
接收齿轮50B被齿条块50A驱动。存在两个可以驱动齿条块50A的不
同作用力：一个是由转矩传感器26以及摆动臂24的运动所提供的主动力，
并且另一个是由转动杆581和螺母58的从齿轮组件20提供的辅助动力，
以便齿条块50A被齿轮推进器68驱动，如图21所示。
延伸部62C是框架53的一部分。在延伸部62C的底部有三个凹进部633，
以便竖直臂62B的一端处的定位球671装配到三个凹进部633之一中并且
将竖直臂62B稳定地固定到适当的位置中。
图28描绘了根据本发明的一个实施例的自动变速设备的分解图。框架
27与座管5、下管4和链条撑6结合在一起。外壳52保持例如转矩传感器
26、配重吊架61和配重65的自动变速设备1的不同部件。外壳52具有装
配到其上的盖51，并且其以一端显示为自动变速设备1的面板108且另一
端被前盖80封闭地形成圆筒形壳体。框架27具有导向件106，当外壳52
安装到框架27中时该导向件106与盖51的槽105配合。导向件106将外
壳52固定到框架27内部，以便当导向件106与盖51上的槽105接合时导
向件106防止外壳52相对于框架的任何转动位移。各踏板18设置在曲柄
19上，并且各曲柄19设置在转矩传感器26上。不同尺寸的链轮14、15、
16具有装配通过转矩传感器26的中心。转矩传感器26通过外壳52与前盖
80的密封防护而相对于如灰尘的任何异物和任何外部干涉得到保护。在前
盖80上的开口与转矩传感器26通过前盖80露出到外壳52外的那部分之
间存在防尘盖29和扣环17。防尘盖29和扣环17还将链轮和输出轴31固
定到转矩传感器26的一端上的转矩传感器26上，并且卡环36将输入轴32
固定到转矩传感器26的另一端上。
如果需要，可以按不同顺序和/或相互同时地执行本文中所述的不同功
能。此外，如果需要，可以任选或者组合上述功能中的一个或多个。
虽然在独立权利要求中陈述了本发明的不同方面，但是本发明的其他
方面包括来自所述实施例和/或具有独立权利要求的特征的从属权利要求
的特征的组合，而不是仅在权利要求中明确地陈述的组合。
本文中还注意到，虽然以上描述了本发明的示例性实施例，但是不会
按受限的意义来看待所述说明。相反地，在不脱离所附权利要求限定的本
发明的范围的情况下可以进行若干变化和改进。