一种拨叉式非机动车 【技术领域】
本发明涉及非机动车领域，具体涉及一种利用活动式座凳进行辅助驱动的拨叉式非机动车。
背景技术
自行车作为一种简便的交通工具，已经与人们的日常生活紧密相连，随着人们对自行车的需求，同时对自行车的要求也越来越高，从1816年法国出现第一辆木头固定式座凳自行车，摘自《机械创新设计》，发展至今，将近200年的历史，自行车已经得到很大改进和更新。例如：用脚踏单动力单速自行车，发展成用脚踏单动力的两个大小直径双链轮，通过前后链条换档器，使链条可啮合多个不同直径的单飞轮进行转动，可进行多速变换，从而带动车轮前进。但是，无论车速如何变换，传统固定式座凳自行车都是单动力，依靠踏脚板作驱动，如果脚不踏自行车就无法前进，而且这种多速固定式座凳自行车，由于增加链轮和飞轮的前后换档器，尤其是后部链条沿后部换档器“S”形曲线走向转动，因此摩擦阻力增加，踏起来就费力一点。
长期以来，传统固定式座凳自行车确实给人们的出行带来方便，它不需要油耗和电能，有利环保。但是随着时代发展和科技进步，人们对自行车这个简便的交通工具提出更高标准和要求，长期以来人们一直渴望解决，由骑车者既是使用者，又能利用本身体重作为能量，驱动自行车向前行驶，同时人们也一直渴望能利用弹簧具有输出能量的特性，驱动自行车向前行驶。
【发明内容】
本发明的一个目的在于提供一种利用活动式座凳进行辅助驱动的拨叉式非机动车。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种拨叉式非机动车，包括车身，主动轮，被动轮，座凳、车把手和踏脚板，踏脚板与主链轮连接，主链轮通过主链条与主飞轮连接，主飞轮与主动轮连接，其特征在于该座凳下方的车身设有往复式齿轮箱，往复式齿轮箱内设有往复式齿轮组件，座凳与导轨轴连接，导轨轴固定有一弹簧靠山，弹簧靠山与往复式齿轮箱之间设有弹簧，弹簧靠山与后拨叉连接，后拨叉与后拨叉臂连接，后拨叉臂与车身转动连接，导轨轴下端通过往复式齿轮组件与辅助链轮连接，该辅助链轮通过辅助链条与辅助飞轮连接，辅助飞轮与主动轮连接。
导轨轴分成三段，上段一侧是圆弧形曲面，另一侧设有凹槽，中段是圆柱体，与弹簧靠山固定连接，下段前后两侧分别设置有前齿条和后齿条。
座凳和弹簧靠山之间设有导轨箱，导轨轴穿过该导轨箱，导轨轴两侧设有与导轨轴垂直的上下两组滑轮轴，导轨轴为圆柱形，其中一侧设有凹槽，导轨轴设有凹槽侧的上下滑轮轴上分别设有第一滚动滑轮和第三滚动滑轮，导轨轴另一侧的上下滑轮轴上分别设有第二滚动滑轮和第四滚动滑轮，其中第一滚动滑轮和第三滚动滑轮为普通的圆柱形，其边缘嵌入导轨轴的凹槽内，第二滚动滑轮和第四滚动滑轮的侧面为内凹的圆弧面，与导轨轴的圆柱面相配合。
其中导轨轴下端两侧分别设有前齿条和后齿条，往复式齿轮组件包括与前齿条啮合连接的前棘轮机构，前棘轮机构设有前齿轮轴，前齿轮轴还与前高齿轮连接，前高齿轮与二级后中齿轮啮合连接，二级后中齿轮与二级传动轴连接，后齿条与后棘轮机构啮合连接，后棘轮机构设有后齿轮轴，后齿轮轴与后高齿轮连接，后高齿轮与二级后低齿轮啮合连接，二级后低齿轮与二级传动轴连接，二级传动轴还设有二级后高齿轮，二级后高齿轮与三级前低齿轮啮合连接，三级前低齿轮通过三级齿轮轴与辅助链轮连接。
主动轮与花盘轴连接，花盘轴上设有主飞轮和辅助飞轮。
后拨叉臂通过轴承支座与前拨叉臂固定连接，轴承支座与车身转动连接，前拨叉臂与前拨叉连接，前拨叉内设有开口箱体，开口箱体两侧与活动车把手连接。
本发明通过座凳的上下运动，由导轨轴带动往复式齿轮组件运动，从而通过辅助链轮和辅助飞轮带动主动轮转动。本发明可以通过座凳的上下运动来辅助驱动车轮转动，使该拨叉式非机动车踏起来速度比原来更快、更轻松。
【附图说明】
图1是本发明一实施例的整体结构示意图
图2是图1的俯视图
图3是本发明的动力机构的结构示意图
图4是座凳和导轨轴的连接示意图
图5是导轨轴和弹簧靠山连接结构断面图
图6是导轨箱的结构示意图
图7是图6的俯视图
图8是座凳、导轨轴、弹簧靠山和后拨叉的连接示意图
图9是图8后拨叉处的剖视图
图10是往复式齿轮箱的示意图
图11是图10的俯视图
图12是后齿轮轴的结构示意图
图13是主飞轮和辅助飞轮的连接示意图
图14是前后拨叉臂与支架的连接示意图
图15是图14的俯视图
图16是支架与车身的连接示意图
图17是图16的俯视图
图18是活动车把手和前拨叉连接示意图
图19是图18的俯视图
图20是前拨叉处的连接示意图
图21是本发明的动力机构与主链轮和辅助链轮的位置示意图
图22是本发明的另一实施例的结构示意图
图23是弹簧工作图
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
图中：W1、主动轮，W2、被动轮，3、踏脚板，4、前拨叉，5、固定手把，6、主链轮，7、辅助链轮，8、后拨叉，9、主链条，10、辅助链条，11、拨叉支架，12、主飞轮，13、辅助飞轮，14、底座管道，15、弹簧，16、弹簧靠山，17、齿轮箱，18、座凳，18′、下降时座凳，18″、上升时座凳，19、车身后支架，20、导轨箱，21、导轨箱盖，22、紧固套圈，23、导轨轴，24、前齿条，25、后齿条，26、圆销轴，27、齿箱垫圈，28、夹紧螺栓，29、开口支架，30、花盘轴，31、第二滚动滑轮，32、第一滚动滑轮，33、第四滚动滑轮，34、第五滚动滑轮，35、滑轮轴承，36、孔用挡圈，37、滑轮轴，38、轴套，40、开口销，41、锁座，42、锁轴，43、飞轮填圈，44、支架螺栓，45、密封环，46、钢丝网，48、前低齿轮，49、后低齿轮，50、前高齿轮，51、后高齿轮，52、后中齿轮，53、后低齿轮，54、夹头，55、二级后高齿轮，56、三级后低齿轮，57、前拨叉滑块，58、三级齿轮轴，59、活动车把手，60、前齿轮轴，61、后齿轮轴，62、二级传动轴，63、单向轴承，66、钢丝圆环，67、开口箱体，68、弹性挡圈，69、导轨箱底座，70、三轮车花盘轴，71、滚动滑轮，72、圆销轴，73、弧形导轨，74、捏手，75、背带扣环，76、背带，77、刹车盘靠山，78、后拨叉滑块，79、下支架，80、刹车盘，81、导轨轴调整孔，82、导轨箱耳环，83、对称移动孔，84、导轨槽，85、支架开口槽，86、上止点靠山，87、夹头螺栓，88、三轮车主轴，89、螺栓，90、自行车横支架，91、拨叉支点轴，92、前拨叉臂，93、后拨叉臂，94、挡圈，95、轴承，96、齿箱油塞，97、长方形轴孔，98、齿轮箱排油孔，99、三轮车支头螺钉，100、自行车车身，101、转轴，102、拨叉脚，103、轴承，104、轴承支座，105、转轴衬套，106、锁轴手柄，107、橡皮套圈，108、橡皮环，109、橡皮套圈，110、锁紧螺母，111、前滑块油孔，112、橡皮环，113、滑块油孔，114、前叉输油孔，115、后叉输油孔，116、防尘罩，117、前叉油孔塑料塞，118、后叉油孔塑料塞，119、上夹头，120、锁紧螺母，121、下夹头，122、支轴衬套，123、轴承支座，124、挡圈，130、支头螺栓，140、支头螺栓，170、开口箱吊紧螺栓，180、吊紧调整螺栓
一种拨叉式非机动车，包括车身100，主动轮W2，被动轮W1，座凳18、固定车把5和踏脚板3，踏脚板3与主链轮6连接，主链轮6通过主链条9与主飞轮12连接，主飞轮12与主动轮W2连接，其特征在于该座凳18下方的车身设有往复式齿轮箱17，往复式齿轮箱内17设有往复式齿轮组件，座凳18与导轨轴23连接，导轨轴23固定有一弹簧靠山16，弹簧靠山16与往复式齿轮箱17之间设有弹簧15，弹簧靠山16与后拨叉8连接，后拨叉8与后拨叉臂93连接，后拨叉臂93与车身100转动连接，导轨轴23下端通过往复式齿轮组件与辅助链轮7连接，该辅助链轮7通过辅助链条10与辅助飞轮13连接，辅助飞轮13与主动轮W2连接。后拨叉8与后拨叉臂93连接，后拨叉臂93通过轴承支座123与前拨叉臂92固定连接，轴承支座123与车身100转动连接，前拨叉臂92与前拨叉4连接，前拨叉4内设有开口箱体67，开口箱体67两侧与活动车把手59连接。固定车把手5通过下支架79与车身100连接，下支架79设有弧形导轨槽84，下支架79穿过开口箱体67。
图4是座凳18和导轨轴23的连接示意图。座凳18下方设有紧固套圈22，紧固套圈22与导轨轴23连接，导轨箱盖21上方设有橡皮套圈107，橡皮套圈107内设有橡皮环108，这样，座凳下方的紧固套圈22向下运动时，橡皮套圈107可以起到避震效果。使用前，座凳18通过锁轴42和锁座41与导轨箱上的导轨箱盖21连接，使用时，将手柄106向前移动，使锁轴42脱离夹紧螺栓28，这时，座凳18就可以上下运动。
图5为导轨轴23和弹簧靠山16连接结构断面图。从图中可以看出，导轨轴23分成三段，上段一侧是圆弧形曲面，另一侧设有凹槽，中段是较长的圆柱体，上面设置有圆孔，通过圆柱销26与弹簧靠山16固定连接，下段较短，前后两侧分别设置有前齿条24和后齿条25，这样座凳18、导轨轴23和弹簧靠山16，三者组合成一体，简称“三者一体”。弹簧靠山16上设有橡皮套圈109，橡皮套圈109内设有橡皮环112。
图6和图7是导轨箱20的结构示意图。导轨箱20设在座凳18和弹簧靠山16之间，导轨轴23穿过该导轨箱20，导轨轴23两侧设有与导轨轴23垂直的上下两组滑轮轴37，导轨轴23为圆柱形，其中一侧设有凹槽，导轨轴23设有凹槽侧的上下滑轮轴上分别设有第一滚动滑轮32和第三滚动滑轮34，导轨轴23另一侧的上下滑轮轴上分别设有第二滚动滑轮31和第四滚动滑轮33，其中第一滚动滑轮32和第三滚动滑轮34为普通的圆柱形，其边缘嵌入导轨轴23的凹槽内，第二滚动滑轮31和第四滚动滑轮33的侧面为内凹的圆弧面，与导轨轴23地圆柱面相配合。这样，导轨轴位于第一滚动滑轮32和第二滚动滑轮31之间，以及第三滚动滑轮34和第四滚动滑轮33之间，对导轨轴23的上下运动起到导向作用，并能很好地限制运动件23和座凳18的转动。导轨箱20设有导轨轴调整孔81，其中一侧的滑轮轴37位于导轨轴调整孔81内，便于调整滑轮的安装位置，以适应导轨轴23的制造误差，保证导轨轴23与四个滚动滑轮之间的紧密配合。在滑轮轴37上设有吊紧调整螺杆180，通过吊紧调整螺杆180和支头螺栓130就可以控制对应两根轴之间的微动距离，然后用锁紧螺母110固定。导轨箱20底部设有导轨箱底座69。
图8和图9是座凳18、导轨轴23、弹簧靠山16和后拨叉8的连接示意图。其中导轨箱底座69下设有上止点靠山86。导轨箱底座69与开口支架29的上端连接，开口支架29下端通过密封环45与往复式齿轮箱内17连接，往复式齿轮箱内17与车身100固定连接，开口支架29内设有支架开口槽85，导轨轴23和弹簧靠山16均位于开口支架29内，后拨叉8两侧分别设有后拨叉滑块78，后拨叉滑块78位于支架开口槽85外侧，两个后拨叉滑块78通过圆销轴26与弹簧靠山16和导轨轴23连接，弹簧靠山16下端与弹簧15连接。后拨叉滑块78顶部和底部均设有凹槽，后拨叉8两边均设有上叉和下叉，上叉和下叉分别位于后拨叉滑块78顶部和底部的凹槽内。上叉和后拨叉滑块78对应处设有后叉输油孔115和滑块油孔113，这样机油就可沿输油孔和空隙流入后拨叉滑块78和上下叉之间，后拨叉8上叉的后叉输油孔115内设有后叉油孔塑料塞118，防止灰尘进入。
图10和图11是往复式齿轮箱17的示意图。导轨轴23下端两侧分别设有前齿条24和后齿条25，往复式齿轮组件包括与前齿条24啮合连接的前棘轮机构，前棘轮机构设有前齿轮轴60，前齿轮轴60与前高齿轮50连接，前高齿轮50与二级后中齿轮52啮合连接，二级后中齿轮52与二级传动轴62连接，后齿条25与后棘轮机构啮合连接，后棘轮机构设有后齿轮轴61，后齿轮轴61与后高齿轮51连接，后高齿轮51与二级后低齿轮53啮合连接，二级后低齿轮53与二级传动轴62连接，二级传动轴62还设有二级后高齿轮55，二级后高齿轮55与三级前低齿轮56啮合连接，三级前低齿轮56通过三级齿轮轴58与辅助链轮7连接。根据本发明的一个实施例，前棘轮机构包括与前齿条24啮合连接的前低齿轮48，前低齿轮48通过单向轴承与前齿轮轴60连接，后棘轮机构包括与后齿条25啮合连接的后低齿轮49，后低齿轮49通过单向轴承63与后齿轮轴61连接。
图12是后齿轮轴61的结构示意图。后低齿轮49通过单向轴承63与后齿轮轴61连接，单向轴承63外侧设有弹性挡圈68。后齿轮轴61上还设有后高齿轮51。
图13是主飞轮和辅助飞轮的连接示意图。主动轮W2通过钢丝圆环66安装在花盘轴30上，花盘轴30上设有主飞轮12和辅助飞轮13。
图14和图15是前后拨叉臂与支架的连接示意图。前拨叉臂92通过轴承支座123和后拨叉臂93固定连接，轴承支座123内设有拨叉支点轴91，拨叉支点轴91设有轴承95，由孔用挡圈94固定，轴承95两侧设有衬套122，衬套122夹在拨叉支架11的凹槽内，拨叉支架11下部套设在底座管道14内，由夹头54和夹头螺栓87控制拨叉支架11上下移动，这样能调节前后拨叉的高低。
图16和图17是支架与车身的连接示意图。底座管道14的下端设有对称移动孔83，螺栓89穿过该对称移动孔83与车身100连接。
图18和图19是活动车把手54和前拨叉4连接示意图。前拨叉4设有两个拨叉脚102，拨叉脚102内设有与之垂直的转轴101，该转轴101通过转弯轴承103与轴承支座104连接，轴承103由弹性挡圈124固定，轴承支座104与前拨叉臂92焊接。前拨叉4可绕转轴101转动，前拨叉臂92通过轴承支座104将力传递给拨叉脚102和前拨叉4，反过来，前拨叉4上的力也可以通过拨叉脚102和轴承支座104传递给前拨叉臂92，由于前拨叉臂92和后拨叉臂93之间固定连接，因此，在前拨叉4和后拨叉8用力均可使前拨叉4和后拨叉8绕拨叉支点轴91转动。前拨叉4内设有开口箱体67，开口箱体67两侧分别设有活动车把手59，两边的活动车把手59上均套有前拨叉滑块57，前拨叉滑块57顶部和底部均设有凹槽，前拨叉4两边均设有上叉和下叉，上叉和下叉分别位于前拨叉滑块57顶部和底部的凹槽内，活动车把手59可由前拨叉4带动上下运动。前拨叉4上设有背带75和捏手74。前拨叉滑块57设有输油孔111，前拨叉4上叉设有前叉输油孔114，这样机油可以沿输油孔和空隙流入前拨叉滑块57和前拨叉的上叉和下叉之间，减少摩擦。前拨叉4上叉的前叉输油孔114上设有前叉油孔塑料塞117，防止灰尘进入。
图20是前拨叉处开口箱体67的连接示意图。下支架79穿过开口箱体67，开口箱体67内设有与下支架79相垂直的前后两组圆销轴72，每根圆销轴72上均设有一个滚动滑轮71，下支架79位于前后两组圆销轴72之间，下支架79前后两侧分别凸设弧形导轨73，因此在两边形成了弧形导轨槽84，滚动滑轮71的侧面为与弧形导轨槽84配合的内凹弧形，滚动滑轮71边缘嵌入弧形导轨槽84内，这样开口箱体67就能沿下支架79上的弧形导轨槽84上下活动。将弧形导轨槽84的位置调整好后，由上夹头119和下夹头121收紧固定，这样能够保证开口箱体67沿弧形导轨槽84上下垂直运动。开口箱体67前面一侧上下各开有长方形轴孔97，前后两组圆销轴72中的一组安装于长方形轴孔内，这样可以调整安装位置，有利于适应安装误差，保证弧形导轨槽84和滚动滑轮71之间的紧密配合。安装在长方形轴孔内的圆销轴72设有开口箱吊紧螺杆170，开口箱吊紧螺杆170上设有支头螺栓140，用于调整对应两根轴之间的微小距离，然后用锁紧螺母120固定。在前拨叉4上设有前叉输油孔114，前叉输油孔114内设有前叉油孔塑料塞117。活动车把手59两边设有防尘罩116。
图21是本发明的动力机构与主链轮和辅助链轮的位置示意图。可以看到，往复式齿轮箱17通过自行车横支架90安装在车身100上。主链轮6与主链条9连接，辅助链轮7与辅助链条10连接。
图22是本发明的另一实施例的结构示意图。该实施例与前面实施例的区别在于该实施例是三轮车，即设有两个主动轮W2，即在三轮车花盘轴70上设有主飞轮12和辅助飞轮13，三轮车主轴88与三轮车花盘轴70连接，三轮车花盘轴70位于三轮车主轴88中间，三轮车主轴88的两端分别设有一个主动轮W2。图中77为刹车盘靠山，刹车盘靠山77通过支头螺丝99固定在三轮车花盘轴70上，两个刹车盘靠山77之间设有三轮刹车盘80。
使用时可以用左手捏住固定车把手5，用右手捏住捏手74上下运动，并配合头部和人体作前倾和后仰运动，使前拨叉4和后拨叉8产生跷跷板现象，从而通过后拨叉驱动导轨轴23，带动往复式齿轮组件运动，从而通过辅助链轮7和辅助飞轮13带动主动轮W2转动。还可利用前拨叉4上的背带75固定在骑车者的臂膀上，当前拨叉4处于低位时，让头部和臂膀向上向后摆动，前拨叉4就会迅速向上运动。当座凳18下的紧固套圈22碰到导轨箱盖21停止运动，然后头部和臂膀迅速向前摆动，使重心不断偏移，使得前拨叉4和后拨叉8产生跷跷板现象，使得车轮运转。这样，失去双腿的残疾人也可以通过捏住活动把手，并将背带固定在臂膀上，通过头部和臂膀的运动，使得重心不断移动，使得前拨叉4和后拨叉8产生跷跷板现象，使得车轮运转。
图23是弹簧工作图。弹簧的长度一般为250～450mm，外圈直径为25～40mm，弹簧的钢丝直径为3～4mm。现在根据一个实施例来分析弹簧的工作情况。弹簧总长Ho是355毫米，钢丝直径d是3.5毫米，外径D是28毫米，中径D2是24.5毫米，总圈数n1是37圈，有效工作圈数n是35圈，弹簧材料是碳素弹簧钢。求：H1＝300mm时，即弹簧压缩55毫米放在圆柱形支架内的最小工作压力是多少？H2＝200mm，即向下再压缩100毫米，共压缩155毫米时的最大工作压力是多少？极限变形量和极限工作压力是多少？剪切弹性模量G＝78500MPa
求出弹簧刚度P′：P′＝G·d4/8D23·n＝78500×3.54/8×24.53×35＝2.86N/mm
求出压缩55毫米时的工作压力是F1＝(H0-H1)·P′＝55×2.86＝157N化成公斤是16公斤，
求出压缩155毫米时的工作压力是F2＝(H0-H2)·P′＝155×2.86＝443N化成公斤是45公斤，
根据弹簧15设计时还应考虑在最大载荷作用下各圈之间仍有一定的间距S1保证此时弹簧仍有弹性。S1的大小推荐为S1＝0.1d≥0.2mm
根据要求极限间距S1＝0.1d＝0.1×3.5＝0.35毫米
每圈最小安全节距是t＝d+S1＝3.5+0.35＝3.85毫米
工作有效圈数35圈时的最小安全高度是Ha＝n·t＝35×3.85＝135毫米
两端各并紧1圈并磨平，则实际极限高度是H3＝Ha+2d＝135+7＝142毫米
弹簧极限变形量H0-H3＝355-142＝213毫米
弹簧的极限载荷F3＝(H0-H3)·P′＝213×2.86＝609N
通过计算，最大工作变形量小于极限变形量，弹簧安全可靠。
设：骑车者体重一般为65公斤，座凳和导轨轴等重量忽略不计，当骑车者坐在座凳上处于运动下限，用右脚从上踏到底，左脚不踏，这时右脚下有一个反作用力向上，利用弹簧处于下限155毫米，向上弹性力最强是45公斤，同时再利用手柄扶持力作人体向上运动；用脚向下蹬踏，既为主链轮带来驱动力，又为人体向上运动带来方便，同时又为弹簧的弹性力作用在辅助链轮上带来驱动力，上升速度越快，作用力越强，上升到100毫米，弹簧靠山上面碰到导轨箱底座而停止运动；这时车速在弹簧作用力下得到提速，这时骑车者处于上限，弹簧处于压缩55毫米时的高度，弹性力16公斤，骑车者利用自重65公斤减去弹性力16公斤，再减去手和脚支撑在自行车上的重量约为15公斤，剩34公斤压力向下运动，运动到100毫米时，紧固螺栓套圈碰到导轨箱盖而停止运动；这时车速再次得到提速，根据平时踏传统自行车经验，两只脚交替踏，用力3至10公斤，就足以让传统自行车较快速度前进，现在直接把弹性力和自重压力通过导轨轴作用在增速齿轮箱里，将会产生预料不到的技术效果。而且导轨轴无论处于上升还是下降运动，始终能保持辅助链轮转动工作，达到了在设计时所要求的目的：齿轮箱在运转过程中起上下互补作用，效率达100％。