一种机械式制动能量回收自行车

摘要

一种机械式制动能量回收自行车，其传动机构通过第一链轮和第一超越链轮与自行车后轴联接，通过第一锥齿轮和第二锥齿轮与第三锥齿轮啮合实现同弹簧蓄能器联接；控制机构由安装在车把上的蓄能式制动闸、前行助力闸和后退辅助闸构成，分别通过闸线与传动机构中相对应的凸轮拉杆联接。该自行车利用机械方式将制动动能回收，在启动或加速时将能量释放，达到节能和环保目的。输入采用四级传动，输出为对称四级传动，能量利用效率高；机械式控制机构结构简单，造价低，易操作，符合骑车习惯；弹簧蓄能器重量轻，体积小，将其作为车梁，不改变车体外形；该车还具有后退功能。

权利要求

1.一种机械式制动能量回收自行车，包括前车架（54）、后车架（58）、车座、脚蹬、大链轮（39）、自行车前轮、自行车后轮（1）、传动机构、储能机构和控制机构；其特征在于：所述传动机构包括固定安装在自行车后轴上的第一链轮（3）、第一超越链轮（4）、第二超越链轮（38）和安装在后车架下部齿轮箱（37）中的齿轮传动组件；所述储能机构为上端与前车架固定连接、下端与传动机构相接的弹簧蓄能器；所述控制机构包括安装在前车架（54）车把上、并分别通过闸线与传动机构相接的蓄能式制动闸（55）、前行助力闸（56）和后退辅助闸（57）；

所述齿轮箱中的齿轮传动组件，包括第一花键轴（7）、第二花键轴（8）、第三花键轴（22）和第一凸轮轴（23）、第二凸轮轴（24）、第三凸轮轴（32）；第一花键轴上安装有第一套筒（10），第二花键轴上安装有第二套筒（11）和第一齿轮（9），第一齿轮两侧被嵌入在第二花键轴上的卡簧固定；第一花键轴内侧轴端有小光轴A，其上套有第一滚针轴承（14），并插入到第二花键轴内侧轴端的内孔里形成配合；第一花键轴与第二花键轴两端安装有第一滚动轴承（12）和第二滚动轴承（13），并支承在齿轮箱（37）上；第三花键轴上安装有第三套筒（18）、第四套筒（19）、第一锥齿轮（16）、第二锥齿轮（17）和第二齿轮（15），第一锥齿轮、第二锥齿轮和第二齿轮轴向固定；第二齿轮与第一齿轮啮合；第三花键轴两端安装有第一单向轴承（20）和第二单向轴承（21），并支承在齿轮箱上；第一凸轮轴（23）上安装有第一拨叉（25），第一拨叉与第一套筒（10）形成配合；第二凸轮轴上安装有第二拨叉（26），第二拨叉与第二套筒（11）形成配合；第一凸轮轴内侧轴端有小光轴B，第二滚针轴承（27）套在小光轴B上，并插入到第二凸轮轴内侧轴端的内孔里形成配合；第一凸轮轴和第二凸轮轴外侧轴端分别固定有第一凸轮拉杆（28）和第二凸轮拉杆（29），第一复位弹簧（30）和第二复位弹簧（31）一端固定在齿轮箱上，另一端分别连接在第一凸轮拉杆和第二凸轮拉杆上；第三凸轮轴（32）上安装有第三拨叉（33）和第四拨叉（34），两者分别与第三套筒（18）和第四套筒（19）配合；第三凸轮轴外侧一端固定有第三凸轮拉杆（35），第三复位弹簧（36）一端固定在齿轮箱上，另一端连接在第三凸轮拉杆上。

2.根据权利要求1所述的机械式制动能量回收自行车，其特征在于：所述弹簧蓄能器有一上端与前车架（54）固定连接、下端与齿轮箱（37）固定连接的长筒形蓄能器外筒（45），在蓄能器外筒内有滚珠丝杠（41），该滚珠丝杠通过键与第三锥齿轮（40）连接，第三锥齿轮与所述第一锥齿轮（16）和第二锥齿轮（17）形成配合；滚珠丝杠两端装有第三滚动轴承（43）和推力轴承（51），第三滚动轴承位于滚动轴承座板（44）内，滚动轴承座板两个侧面分别通过螺栓与蓄能器外筒（45）和轴承盖（42）联接；推力轴承座板（52）通过螺栓固定在蓄能器外筒上；压板（48）固定在丝母（41）上，圆柱螺旋压缩弹簧（45）位于压板和滚动轴承座板（44）之间，压板侧面装有螺栓杆（49），螺栓杆由微型滚动轴承（50）支承在蓄能器外筒筒壁的导槽内。

3.根据权利要求1所述的机械式制动能量回收自行车，其特征在于：所述控制机构的蓄能式制动闸（55）通过闸线与所述第一凸轮轴（23）上的第一凸轮拉杆（28）联接；前行助力闸（56）通过闸线与第三凸轮轴（32）上的第三凸轮拉杆（35）联接，后退辅助闸（57）通过闸线与第二凸轮轴（24）上的第二凸轮拉杆（29）联接。

说明书

一种机械式制动能量回收自行车

技术领域

[0001] 本发明涉及自行车，特别是一种利用弹簧作储能元件的机械式制动能量回收自行车。

背景技术

[0002] 目前，随着人类的大量开采，全球能源资源供应越来越紧张，节能和环保已经成为社会的一个主要问题。目前，我国自行车市场主要销售电动自行车和普通人力自行车，这两种自行车都是靠传统的摩擦制动方式刹车，频繁的刹车制动将大量动能转化为热能白白损失。为回收这部分刹车能量，目前有两种方式：一种是将电动自行车的电动机通过电路转换等复杂设计转换成既能当电动机使用、也能当发电机使用的两用型电机，将刹车制动能量转化为电能进行回收；另一种是采用纯机械式蓄能装置将刹车制动能量转换为其他形式的机械能进行回收。第一种方法的缺点是电动机结构和电路设计复杂，电池价格高、耗损大、寿命短，能量利用率低，且存在污染。而第二种方法却简单易行，将刹车制动能量用高效率的蓄能装置储存起来，在自行车启动或加速时释放，具有极大的节能与环保意义，同时通过机械结构优化可减轻装置重量；合理布局蓄能装置可使普通人力自行车美观大方，改善骑车的舒适性，从而实现普通人力自行车的改进。

[0003] 据文献报导，目前已有人对利用弹簧蓄能在进行研究。ZL201020165328.6号专利公开了一种刹车能量回收弹射装置，主要用卷簧将刹车能量回收应用于汽车；ZL2010202734569.2号专利公开的机械储能式半自动自行车和申请号为00107108.4的专利申请公开的涡卷弹簧蓄能助力自行车主要用发条将人力和自行车的惯性冲力转换为机械力加以储存，在上坡或逆风行驶时将能量释放，以改善骑车舒适性，但其只起到省力作用，未起到回收制动能量的作用。ZL200620066939.9号专利还公开了一种新型机械储能装置，利用扭簧对交通工具进行蓄能，但没有涉及到电动自行车和普通人力自行车在制动时回收能量。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对上述现有技术存在的缺陷和不足，提供一种机械式制动能量回收自行车。利用圆柱螺旋压缩弹簧做储能元件，将自行车刹车时的动能转化为弹簧势能存储起来，避免其被摩擦方式转化为热能而耗散掉；在启动或加速时再将该能量释放，达到节能和省力的效果。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供的机械式制动能量回收自行车，包括前车架、后车架、车座、脚蹬、大链轮、自行车前轮、自行车后轮、传动机构、储能机构和控制机构；其中传动机构包括固定安装在自行车后轴上的第一链轮、第一超越链轮、第二超越链轮和安装在后车架下部齿轮箱中的齿轮传动组件；所述储能机构为上端与前车架固定连接、下端与传动机构相接的弹簧蓄能器；所述控制机构包括安装在前车架车把上、并分别通过闸线与传动机构相接的蓄能式制动闸、前行助力闸和后退辅助闸。

[0006] 所述齿轮箱中的齿轮传动组件，包括第一花键轴、第二花键轴、第三花键轴和第一凸轮轴、第二凸轮轴、第三凸轮轴；第一花键轴上安装有第一套筒，第二花键轴上安装有第二套筒和第一齿轮，第一齿轮两侧被嵌入在第二花键轴上的卡簧固定；第一花键轴内侧轴端有小光轴，其上套有第一滚针轴承，并插入到第二花键轴内侧轴端的内孔里形成配合；第一花键轴与第二花键轴两端安装有第一滚动轴承和第二滚动轴承，并支承在齿轮箱上；第三花键轴上安装有第三套筒、第四套筒、第一锥齿轮、第二锥齿轮和第二齿轮，第一锥齿轮、第二锥齿轮和第二齿轮轴向固定；第二齿轮与第一齿轮啮合；第三花键轴两端安装有第一单向轴承和第二单向轴承，并支承在齿轮箱上；第一凸轮轴上安装有第一拨叉，第一拨叉与第一套筒形成配合；第二凸轮轴上安装有第二拨叉，第二拨叉与第二套筒形成配合；第一凸轮轴内侧轴端有小光轴，第二滚针轴承套在小光轴上，并插入到第二凸轮轴内侧轴端的内孔里形成配合；第一凸轮轴和第二凸轮轴外侧轴端分别固定有第一凸轮拉杆和第二凸轮拉杆，第一复位弹簧和第二复位弹簧一端固定在齿轮箱上，另一端分别连接在第一凸轮拉杆和第二凸轮拉杆上；第三凸轮轴上安装有第三拨叉和第四拨叉，两者分别与第三套筒和第四套筒配合；第三凸轮轴外侧一端固定有第三凸轮拉杆，第三复位弹簧一端固定在齿轮箱上，另一端连接在第三凸轮拉杆上。

[0007] 所述弹簧蓄能器有一上端与前车架固定连接、下端与齿轮箱固定连接的长筒形蓄能器外筒，在蓄能器外筒内有滚珠丝杠，该滚珠丝杠通过键与第三锥齿轮连接，第三锥齿轮与所述第一锥齿轮和第二锥齿轮形成配合；滚珠丝杠两端装有第三滚动轴承和推力轴承，第三滚动轴承位于滚动轴承座板内，滚动轴承座板两个侧面分别通过螺栓与蓄能器外筒和轴承盖联接；推力轴承座板通过螺栓固定在蓄能器外筒上；压板固定在丝母上，圆柱螺旋压缩弹簧位于压板和滚动轴承座板之间，压板侧面装有螺栓杆，螺栓杆由微型滚动轴承支承在蓄能器外筒筒壁的导槽内。

[0008] 所述控制机构的蓄能式制动闸通过闸线与所述第一凸轮轴上的第一凸轮拉杆联接；前行助力闸通过闸线与第三凸轮轴上的第三凸轮拉杆联接，后退辅助闸通过闸线与第二凸轮轴上的第二凸轮拉杆联接。

[0009] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0010] 1、该机械式制动能量回收自行车输入采用四级传动，其中包括一级链传动，两级齿轮传动和一级丝杠丝母传动；输出为对称机构，也为四级传动，能量利用效率高。

[0011] 2、控制系统采用纯机械式，结构简单，造价低，使用寿命长，无污染；操作简单易行，只要按下蓄能式制动闸，自行车动能被存储为弹簧势能，实现自行车制动，按下前行助力闸，弹簧势能转化为自行车动能，实现启动或加速，控制方式符合自行车骑车习惯。

[0012] 3、弹簧蓄能器重量轻，体积小，可沿自行车或电动车的车体布局，利用其蓄能器外筒的外形特点，将其作为车梁，不改变车体的外形。

[0013] 4、本发明自行车具有后退功能。

附图说明

[0014] 图1为本发明机械式制动能量回收自行车的整体结构立体图；

[0015] 图2为图1中自行车后轮的后视图；

[0016] 图3为图1中蓄能器外筒与齿轮箱相互连接的立体图；

[0017] 图4为图3中齿轮箱的放大图；

[0018] 图5为图4顺时针转动90度视图；

[0019] 图6为图4中与第一花键轴和第二花键轴配合的组件立体图；

[0020] 图7为图4中与第三花键轴配合的组件立体图；

[0021] 图8为弹簧蓄能器的纵向剖视图。

[0022] 图中：1-自行车后轮，2-自行车后轴，3-第一链轮，4-第一超越链轮，5-第二链轮，6-第三链轮，7-第一花键轴，8-第二花键轴，9-第一齿轮，10-第一套筒，11-第二套筒，12-第一滚动轴承，13-第二滚动轴承，14-第一滚针轴承，15-第二齿轮，16-第一锥齿轮，17-第二锥齿轮，18-第三套筒，19-第四套筒，20-第一单向轴承，21-第二单向轴承，22-第三花键轴，23-第一凸轮轴，24-第二凸轮轴，25-第一拨叉，26-第二拨叉，27-第二滚针轴承，28-第一凸轮拉杆，29-第二凸轮拉杆，30-第一复位弹簧，31-第二复位弹簧，
32-第三凸轮轴，33-第三拨叉，34-第四拨叉，35-第三凸轮拉杆，36-第三复位弹簧，37-齿轮箱，38-第二超越链轮，39-大链轮，40-第三锥齿轮，41-滚珠丝杠，42-轴承盖，43-第三滚动轴承，44-滚动轴承座板，45-蓄能器外筒，46-圆柱螺旋压缩弹簧，47-丝母，48-压板，
49-螺栓杆，50-微型滚动轴承，51-推力轴承，52-推力轴承座板，53-连接法兰，54-前车架，55-蓄能式制动闸，56-前行助力闸，57-后退辅助闸，58-后车架。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0024] 本发明机械式制动能量回收自行车整体如图1和图2所示，有前车架54，后车架58，车座，自行车前轮，自行车后轮1，脚蹬，大链轮39；其传动机构包括固定安装在自行车后轴2上的第一链轮3、第一超越链轮4、第二超越链轮38和安装在自行车后车架58下部齿轮箱37中的齿轮传动组件；其储能机构由安装在蓄能器外筒45内的组件构成的弹簧蓄能器构成，蓄能器外筒上端与前车架54固定连接、下端与齿轮箱固定连接；其控制机构包括安装在前车架54车把两侧的蓄能式制动闸55、前行助力闸56和后退辅助闸57。

[0025] 结合图4和图6，传动机构中的第一链轮3和第一超越链轮4固定于自行车后轴2上，第一链轮3通过链条与第二链轮5联接，第一超越链轮4通过链条与第三链轮6联接，第二链轮5固定于第一花键轴7上，第三链轮6固定于第二花键轴8上，第一花键轴7内侧轴端有小光轴（图中未显示），第二花键轴8内侧轴端有内孔（图中未显示），第一花键轴7内侧轴端的小光轴上套有第一滚针轴承14，并与第二花键轴内侧轴端的内孔配合，第一齿轮9空套在第二花键轴8上，与第二花键轴8可以相对转动。第一齿轮9两侧有卡簧（图中未显示）限位，轴向不能移动。第一齿轮9两侧端面有端面爪孔（图中未显示），第一套筒10有内花键（图中未显示），并与第一花键轴7配合，可以沿第一花键轴7轴向滑动；第二套筒11有内花键（图中未显示），并与第二花键轴8配合，可以沿第二花键轴8轴向滑动；第一套筒
10和第二套筒11内侧端面有端面拨爪（图中未显示），第一套筒10和第二套筒11移动后端面拨爪可以插入到第一齿轮9上的端面爪孔中。第一花键轴7和第二花键轴8的两侧安装有第一滚动轴承12和第二滚动轴承13，并支承在齿轮箱37上。

[0026] 结合图7，传动机构有第三花键轴22，第三花键轴22两侧通过第一单向轴承20和第二单向轴承21支承在齿轮箱37上。第二齿轮15有内花键（图中未显示），并与第三花键轴22配合，第二齿轮15轴向固定，轴向和周向都不能移动；第一锥齿轮16和第二锥齿轮17套在第三花键轴22上，可以与第三花键轴22相对转动；第一锥齿轮16和第二锥齿轮17轴向固定，轴向不能移动；第一锥齿轮16和第二锥齿轮17的外侧端面有端面爪孔（图中未显示）；第三套筒18和第四套筒19有内花键，并与第三花键轴22配合；第三套筒18和第四套筒19可以沿第三花键轴22轴向移动；第三套筒18和第四套筒19的内侧端面有端面拨爪（图中未显示），第三套筒18移动后端面拨爪可以插入到第一锥齿轮16外侧端面上的端面爪孔内；第四套筒19移动后端面拨爪可以插入到第二锥齿轮17外侧端面上的端面爪孔内。

[0027] 结合图4和图5，传动机构中的第一拨叉25安装于第一凸轮轴23上，并随第一凸轮轴23转动而左右移动；第一套筒10与第一拨叉25配合，并随第一拨叉25左右移动而移动；第二拨叉26安装于第二凸轮轴24上，并随第二凸轮轴24转动而左右移动；第二套筒11与第二拨叉26配合，并随第二拨叉26左右移动而一起移动；第一凸轮轴内侧轴端有小光轴，第二滚针轴承（27）套在小光轴上，并插入到第二凸轮轴内侧轴端的内孔里形成配合；
第一凸轮轴23和第二凸轮轴24的外端固定有第一凸轮拉杆28和第二凸轮拉杆29，第一复位弹簧30一端固定于齿轮箱37上，另一端固定于第一凸轮拉杆28端部；第二复位弹簧31一端固定于齿轮箱37上，另一端固定于第二凸轮拉杆29端部；第三拨叉33和第四拨叉34安装于第三凸轮轴32上，并随第三凸轮轴32转动而有序移动；第三套筒18和第四套筒19分别与第三拨叉33和第四拨叉34配合，并随第三拨叉33和第四拨叉34的移动而相应一起移动；第三凸轮轴32的外端固定有第三凸轮拉杆35，第三复位弹簧36一端固定于齿轮箱37上，另一端固定于第三凸轮拉杆35端部.

[0028] 如图3所示，第三锥齿轮40与第一锥齿轮16和第二锥齿轮17啮合，并通过键与弹簧蓄能器的滚珠丝杠41下端连接，从而实现弹簧蓄能器与传动机构的连接。

[0029] 如图8所示，滚珠丝杠41两侧分别由第三滚动轴承43和推力轴承51支承，第三滚动轴承43安装于滚动轴承座板44上，其外侧的轴承盖42通过螺栓联接固定在滚动轴承座板44上；推力轴承51安装于推力轴承座板52上，推力轴承座板52和滚动轴承座板44通过螺栓联接固定在蓄能器外筒45两侧；蓄能器外筒45上轴向开有滑槽，微型滚动轴承50内圈套在螺栓杆49上，其外圈与蓄能器外筒45上的滑槽接触；螺栓杆49拧入到压板48内，压板48通过螺栓联接固定于丝母47上；圆柱螺旋压缩弹簧46套在滚珠丝杠41上，并位于压板48和滚动轴承座板44之间；推力轴承座板52外侧通过螺栓安装有连接法兰53，连接法兰53通过螺栓与自行车前架54联接。

[0030] 图1中控制机构的蓄能式制动闸55通过闸线（图中未显示）与第一凸轮轴23上的第一凸轮拉杆28联接，前行助力闸56通过闸线（图中未显示）与第三凸轮轴32上的第三凸轮拉杆35联接，后退辅助闸57通过闸线（图中未显示）与第二凸轮轴24上的第二凸轮拉杆29联接。

[0031] 上述机械式能量回收自行车的动作原理如下：

[0032] 1、自行车自由行驶：该状态下第一套筒与第一齿轮保持分离，第二套筒与第一齿轮保持啮合；第三套筒与第一锥齿轮保持啮合，第四套筒与第二锥齿轮保持分离；脚踏自行车踏板使大链轮转动，大链轮通过链条带动第二超越链轮转动，驱动自行车后轴正向转动，实现自行车后轮向前行驶；第一超越链轮处外圈静止而内圈随自行车后轴正向转动，产生超越，不会有动力输出；自行车后轴带动第一链轮正向转动，并通过链传动，带动第二链轮和第一花键轴正向转动，由于第一套筒与第一齿轮为分离状态，第一套筒随第一花键轴正向转动而第一齿轮和第二花键轴保持静止状态。

[0033] 2、能量回收模式刹车：手动按下蓄能式制动闸，通过闸线拉动第一凸轮拉杆使第一凸轮轴转动一定角度，使第一拨叉向里移动，并带动第一套筒沿第一花键轴向里移动，实现第一套筒与第一齿轮啮合；此时，自行车后轴带动第一链轮正向转动，通过链传动带动第二链轮和第一花键轴正向转动，第一花键轴通过第一套筒、第一齿轮、第二齿轮将运动和动力传递给第三花键轴使其反向转动；由于第一链轮与第二链轮之间传动比和第一超越链轮与第三链轮之间传动比相同，故第一超越链轮处不会发生干涉；第三花键轴通过第三套筒、第一锥齿轮和第三锥齿轮将运动和动力传递给滚珠丝杠，使其正向转动，滚珠丝杠带动丝母正向移动并通过压板压紧圆柱螺旋压缩弹簧，实现刹车动能的存储。

[0034] 3、停止刹车：松开蓄能式制动闸，第一复位弹簧拉动第一凸轮拉杆，使第一凸轮轴反转会原来状态，第一拨叉带动第一套筒向外移动，实现第一套与第一齿轮分离，自行车又回到自由行使状态；压紧后的圆柱螺旋压缩弹簧通过丝母、滚珠丝杠、第三锥齿轮、第一锥齿轮和第一套筒作用给第三花键轴正向转动的力，但在第一单向轴承和第二单向轴承约束下，第三花键轴只能反向转动而不能正向转动，从而使压紧后的圆柱螺旋压缩弹簧被锁住。

[0035] 4、蓄能系统助力模式前行：启动自行车或加速时，按下前行助力闸，通过闸线拉动第三凸轮拉杆，使第三凸轮轴转动一定角度，安装于第三凸轮轴上的第三拨叉和第四拨叉发生有序移动：首先，第四拨叉向里移动，带动第四套筒沿第三花键轴向里移动，实现第四套筒与第二锥齿轮啮合；其次，第三拨叉向外移动，带动第三套筒沿第三花键轴向外移动，实现第三套筒与第一锥齿轮分离。这时，压紧的圆柱螺旋压缩弹簧通过丝母、滚珠丝杠、第三锥齿轮、第二锥齿轮以及第四套筒带动第三花键轴反向转动，第三花键轴通过第二齿轮、第一齿轮以及第二套筒将运动和动力传递给第二花键轴，使其正向转动；第二花键轴带动第三链轮，并通过链传动带动第一超越链轮，使自行车后轴正向转动，实现自行车加速前进。

[0036] 5、停止助力模式：松开前行助力闸，第三复位弹簧拉动第三凸轮拉杆，使第三凸轮轴反转回原来状态，第三拨叉和第四拨叉发生有序移动：首先，第三拨叉向里移动，带动第三套筒沿第三花键轴向里移动，实现第三套筒与第一锥齿轮啮合；其次，第四拨叉向外移动，带动第四套筒沿第三花键轴向外移动，实现第四套筒与第二锥齿轮分离。自行车回到自由行使状态。

[0037] 6、自行车后退：在某些场合下自行车需后退，此时按下后退辅助闸，通过闸线拉动第二凸轮拉杆，使第二凸轮轴转动一定角度，使第二拨叉向外移动，并带动第二套筒沿第二花键轴向外移动，实现第二套筒与第一齿轮分离；这时，自行车后轴在自行车后轮带动下反向转动，并同时带动第一链轮和第一超越链轮反向转动，通过链传动使第二链轮和第三链轮反向转动，并使第一花键轴和第二花键轴反向转动，而第一齿轮处于静止状态，故自行车能实现后退，且不会对弹簧蓄能器产生影响。松开后退辅助闸后，在第二复位弹簧作用下，自行车又回到自由行驶状态。