新一代高工效省力自行车及其曲柄滑块式脚踏驱动装置的制作方法

[0001]
本发明涉及自行车(人力脚踏车)技术领域，尤其涉及一种：同比于现有传统自行车、至少可使脚踏驱动机构之“踩踏骑行工效(即：人力脚踏做功工效)”提高1倍(同比提升至200﹪)及以上的“新一代高工效省力自行车”。若更具体说，是涉及一种：可约束左(右)脚踏板、皆呈“近似椭圆形”之踩踏(回转)运动轨迹的“曲柄滑块式(增矩省力型)”脚踏驱动装置。而所涉及该“曲柄滑块式”脚踏驱动装置及其设计方案，不仅能够方便用于现有自行车之人力脚踏驱动机构的“高工效”优化设计(具体为：若“踏频及车速”皆与现有自行车相同、则至少可省力50﹪，或者是“踏力及踏频”皆与现有自行车相同、则可相应提高车速1倍及以上)；并且，该“曲柄滑块式”脚踏驱动装置，亦广泛适配于包括：由两脚交替(接续)踩踏左(右)脚踏板作“上下前后、周而复始”回转运动之脚踏驱动方式做功的各种人力机械。


背景技术：

[0002]
公知的，自行车发明至今逾200年历史，若回溯其发展历程及演变过程或从中不难发现：起初的自行车是靠骑车者两脚交替用力蹬地(类似于奔跑方式)驱车前行的；直至1861年法国的米肖父子安装了能转动的脚踏板(用于直接驱动前轮)，以至之后的1869年法国人吉尔梅将脚蹬安装在车身中间、并用链条将动力传递给后轮，进而逐步演变成了由“曲柄回转式”脚踏驱动机构+链传动装置(用于驱动后轮)之“驱动及传动方式”。而该“驱动及传动方式”，不仅使骑车者的双脚离开了地面、且“人体重心高度”亦相对较低，继而使得“驾车舒适性与安全性”明显改善；特别是，与之前的“两脚交替用力蹬地”驱车(驱动)方式相比，而自采用了“曲柄回转式”脚踏驱动机构+链传动方式、更使得“人力脚踏驱动做功之工效”明显提升，进而奠定了现代自行车之“脚踏驱动及其传动系统”雏形、并且沿用至今；尤其是，目前任沿用该“脚踏驱动及传动方式”的现有自行车产品(商品)、其“市场占有率”依然较高，仍然是当前自行车(人力脚踏车)产业(行业)及消费市场之主流产品。
[0003]
诚然，传统自行车所采用的“曲柄回转式”脚踏驱动机构+链传动方式，之所以能够延续逾百年之久、仍沿用至今，若究其原因或在于：它不仅仅只是对于早期自行车的改进与完善、所体现出的“经济性与实用性”之特点乃尤为显著；而且，它对于推动自行车实现产业化(商品化)与广泛普及、继而成为普罗大众日常出行之代步工具，更具有极其深远之影响。比如，更具体说，目前任沿用“曲柄回转式脚踏驱动机构+链传动方式”的现有自行车产品，而就其产品(商品)本身仍保留和传承的“经济实用、使用便捷、易于广泛普及”等诸多固有特点来讲：首先，它不仅可作为更广泛普通人群、人人皆可拥有的日常出行(通勤)之交通代步工具，同时还兼有“运动健身、娱乐休闲”器材之功能；再者，就当今汽车(家用轿车)后普及时代而言，自行车更赋有“低碳环保节能减排(有益于改善生态环境)”、以及“占道面积少可缓解路面交通拥堵(有益于改善和提升城市交通运行效率)”等诸多社会公益性特征，乃有助于倡导“运动健身、绿色环保”的中短途出行方式。特别是，近些年来，具有中国特色之“共享单车”一时间盛行，更可谓是“满血复活”；而即便它更侧重于“移动互联网+单车”之所谓共享模式(本质上讲，乃一种“分时租赁”b2c商业模式)，但就目前普遍采用(优先选用)
“
非机动车属性”的传统自行车、作为“互联网租赁自行车”商业模式之载体来讲，而传统自行车其本身所具有的“通用性(适用人群之广泛性)”却恰恰能够表明：乃迄今为止，利用人力脚踏驱动(做功)的传统自行车、任然是人类发明最为成功的人力机械之一。
[0004]
然而，就目前广泛使用的自行车之“脚踏驱动及传动装置”而言，虽经过150多年的演变与改进，但就如何能够进一步提高脚踏驱动机构之“踩踏骑行工效(即：人力脚踏做功工效)”、继而获得“骑行更为省力(或者是相应提高车速)”之效果，可迄今为止尚未能取得更多“实质性”进展。比如，更具体讲，现有自行车产品(诸如：包括一般城市道路通勤自行车、山地车、公路车、以及折叠车等等各种车型)，无论是采用链传动、还是轴传动、或者是其它传动方式(亦包括各类变速传动)；亦不论是造价昂贵的竞技型(竞速型)产品、还是价格相对低廉的经济型(普及型)产品，皆沿用了逾百年前传统自行车之“曲柄回转式”脚踏驱动机构、且通常成人自行车的“曲柄长度(回转中心距)”为165-175mm(约为成人身高的1/10)。再比如，我们通常都会认为自行车及其“脚踏驱动装置”技术发展至今已相当成熟，欲进一步提升“骑行工效”之优化改进空间甚微，而目前技术应用相对成熟的、或只有通过调节传动装置之“传动比”的变速自行车，可实现“相对省力”；但严格地讲，变速自行车的所谓省力，或只是“力量与速度及踏频”相互间的一种转换，即所谓省力不省功、省功不省力(若欲减小“脚踏力”乃须提高“踏频”)，可这对于进一步提升骑行工效(有效降低人力做功之“体能消耗”)并未有根本性(实质性)改变。
[0005]
有鉴于如上所述的目前自行车及其“脚踏驱动装置”技术发展现状，我们不妨换一种思路、来探讨(探究)其问题的本质所在，例如：在遵循“能量守恒定律(原则)”之前提下，进而可从“人-车能量传递效应”、以及“人体能量做功之有效利用率”的角度，来更深入探寻(寻觅)现有自行车之“骑行工效(即：人力脚踏做功工效)”难以获得进一步提高的确切原因所在，继而寻求更为有效的技术解决方案加以改进。现就此，具体分析研讨如下(以供参考)：
[0006]
为便于讨论，我们暂且将“脚踏驱动机构”乃视为一个“能量转换器”，它是将“人的脚踏力(人体能量)”转换为“驱动转矩(机械能)”的一种人力机械，而这就涉及到“人-车能量传递(转换)效应”、以及“人体能量做功之有效利用率”等问题；为方便进一步讨论，我们不妨引入(或参照)“能效比”之参数概念，而具体针对于“人力脚踏车”来讲，则将“能效比”定性并理解为：乃脚踏驱动机构的“输出转矩”与“输入踏力”之比[即：能效比＝输出转矩(m)/输入踏力(f)]。显然，基于如上分析讨论、尤其是引入“能效比(m/f)”之参数概念来探讨问题，进而可从“人力(脚踏力)对机械(脚踏机构)做功所产生的实际效果(即：人-车能量传递效应)”之角度、来探究其问题的本质原因所在；那么，则可以更为确切地讲，制约脚踏驱动机构之“能效比(m/f)”难以获得进一步提升的最主要原因乃在于如下方面：首先，由于现有自行车依然沿用逾百年前传统自行车之“曲柄回转式”脚踏驱动机构，而为了能够适应人体下肢运动“可及范围”，则使得“曲柄(驱动力臂)”的进一步加长受到限制；再者，由“杠杆原理”可知，力矩(m)＝力(f)
×
力臂(l)，据此，当脚踏力(f)及“踏频”一定时，而由于“曲柄[驱动力臂(l)]”的进一步加长受到限制，则限制了脚踏驱动机构其“能效比(m/f)”难以获得更进一步提升。乃因此，而制约了现有传统自行车、至今仍沿用的“曲柄回转式”脚踏驱动机构之“踩踏骑行工效(即：人力脚踏做功工效)”难以实现更进一步提高。
[0007]
不仅于此，自行车逾百年来一直沿用的“曲柄回转式”脚踏驱动机构，是通过两脚
交替(接续)踩踏脚蹬联动曲柄作“上下前后、周而复始”的360
°
回转(圆周)运动，而这就涉及到人体下肢肌肉收缩运动与曲柄转动之间的“实时能量传递(转换)”问题。那么，若在向前(向下)“踩踏做功”的半周期内、假定踩踏施力方向是“竖直向下”的，则随着曲柄转动角度的变化、曲柄其“有效长度”亦随之变化；只有当脚踏板(脚蹬子)处于(位于)最前点(即“脚踏施力方向与曲柄相垂直”时刻)，而曲柄(驱动力臂l)其“有效长度”达到“最大值”，则此时所产生的驱动力矩(输出转矩m)最大、其“能效比m/f(瞬时值)”亦最高。换言之，或就是说，在向前(向下)“踩踏做功”的半周期内(即：脚踏板自“上止点”围绕“中轴”转至“下止点”的180
°
做功范围内)，只有沿着(或趋于)圆周切线方向施力(即：脚踏施力方向始终保持与曲柄相垂直、或趋于垂直)，方能使“脚踏做功工效”得以进一步提升，以至“综合工效[即：由
‘
两脚交替(接续)踩踏左(右)脚踏板做功一周’之平均力矩(驱动转矩的
‘
平均值’)]”乃相应提高；但这对于“尚未经过特殊训练”的更广泛普通人群(非专业自行车运动员)来讲，就更加难以做到。不仅如此，在实际骑行体验中，为节省体力，我们通常都会借助于人体自身重量向下踩踏施力，则“踩踏施力方向”乃趋于“竖直向下”的。而基于以上分析与研讨，则更为客观地讲：自行车逾百年来一直沿用的“曲柄回转式”脚踏驱动机构，由于受到其固有机械原理(机构特征)及人体下肢运动“可及范围”等限制，加之人们“习以为常”的骑车方式与“自然而然”的踩踏习惯(即：踩踏施力方向总体上是趋于“竖直向下”的)，则使得驱动力臂(l)“有效长度”、乃随着曲柄转动角度之变化而“实时变化”，以至驱动力矩(输出转矩m)亦按照(或趋于)“正弦曲线(注：正半周曲线)”变化；故而导致“两脚交替(接续)踩踏左(右)脚踏板做功一周”之驱动力矩(输出转矩)的“平均值”、仅为(约为)驱动力矩(输出转矩)“最大值mmax”的0.637倍，以致“人体能量(脚踏力)做功之有效利用率”也只有63.7﹪左右(即：人力脚踏做功效率η≈0.637)。乃因此，而使得现有传统自行车、至今仍沿用的“曲柄回转式”脚踏驱动机构之“踩踏骑行工效(即：人力脚踏做功工效)”难以做到更有效提高。
[0008]
鉴于此，而许多发明者拟通过增加曲柄(踏杆)长度、并改用“上下交替往复踩踏”之脚踏方式，欲摆脱传统自行车“曲柄回转式”驱动机构及其脚踏方式之束缚与桎梏；进而可在保持(维持)原有“上下踏幅”不变(或相当)之前提下，乃通过相应增加驱动力臂(l)“有效长度”、即可相应提高驱动力矩(m)；又据杠杆原理：力矩(m)＝力(f)
×
力臂(l)，故而可获得“增矩省力(增臂省力)”之效果。诸如：申请号为cn200820091303.9、cn201020502615.1、cn201120501823.4、cn201320627919.4、cn201510126497.6、cn201620450969.3以及cn201610352262.3等专利文献所提供的技术解决方案中，无一例外的皆采用(改用)了这种由两脚交替作“上下往复踩踏”之脚踏驱动方式。
[0009]
可是，上述“上下交替往复踩踏”之脚踏驱动方式，即便从“杠杆省力”原理上讲、看似是可行的，但却难以付诸于实际应用，究其原因就在于：若改用“上下交替往复踩踏”驱动方式，乃有悖于人体运动的自然规律与生理特征。具体而言，公知的，我们在行走或奔跑时，总是下意识的一脚在前、而另一脚在后，加之两臂的摆动、来保持行进过程中身体重心的平衡；不仅如此，我们通过仔细观察人体奔跑过程或从中不难发现：我们下肢(两脚)交替作“上下前后、周而复始”回转运动所形成的轨迹，皆呈“近似圆形”轨迹。而据如上所述或不难理解，现有自行车通常所采用的“骑姿踩踏”驱动方式[即：人体上身前倾或略前倾、而下肢(两脚)交替踩踏脚蹬作“上下前后、周而复始”的360
°
回转(圆周)运动]，之所以延续了逾百年之久、仍沿用至今，乃遵循了人体运动的基本规律；尤其是，当我们需用上肢(手臂)掌握
车把时，而下肢(两脚)交替作“上下前后、周而复始”的回转运动，则是维持运动过程中“人体重心”之自然平衡状态不可或缺的，亦更符合“两脚交替(接续)踩踏(回转)”过程中人体下肢运动的生理特征。而基于以上分析与研讨，则较为客观地讲，前述技术解决方案或存在的最大问题(弊端)就在于：它不仅仅只是忽略了人体运动的基本规律，而且更有悖于人体运动的生理特征、以至“上下交替往复踩踏”过程中易导致“人体重心”或失去自然平衡状态，乃缺乏“传承性(继承性)”；以致难以适应人们“习以为常”的骑车方式与“自然而然”的踩踏习惯。或因此，则试图改用“上下交替往复踩踏”之脚踏驱动方式、以替代已沿用了逾百年之久的“曲柄回转式”驱动机构及其脚踏方式的自行车，至今亦尚未能被普遍接受；而现实情况更印证了其难以获得推广普及与实际应用，至少目前尚未有“技术应用较为成熟、且易于被广泛消费者(骑行爱好者)普遍接受的”该类或类似的“普及型(经济型)”自行车产品(商品)面世。
[0010]
很显然，就如何能够适应(符合)“骑姿状态”人体运动自然规律(即：两脚交替作“上下前后、周而复始”回转运动过程中，人体重心始终处于自然平衡状态)之前提下，来进一步更有效提高传统自行车“曲柄回转式”驱动机构及其脚踏方式之“做功工效”、以获得“骑行更为省力(或者是相应提高车速)”之效果，乃成为诸多发明者逾百年来一直为此而不懈努力探索(探究)之课题；而就目前已知的相关技术改进方案中，通常多是采用由“伸缩式曲柄+偏心圆定位导槽(导轨)及滚轮(即：曲柄伸缩牵引滑轮)”等构成的技术解决方案。例如，申请号为cn200720083239.5、cn201120510451.1、cn201520741221.4以及cn201710725315.6等专利文献所提供的典型案例中，不仅皆采用了相同的设计原理、并且其共同特征是：当向前(向下)“踩踏做功”的半周期内曲柄相应伸长、以增加驱动力臂其“有效长度”，继而可获得“增矩省力(增臂省力)”之效果；而在向后(向上)“回转复归”的半周期内曲柄相应缩短、以适应人体下肢运动“可及范围”。很明显，据上所述典型案例可见，它们不仅仍基本保留了公知的“传统自行车”之左(右)脚踏板(脚蹬子)、皆呈圆形(或近似圆形)的踩踏(回转)运动轨迹，而且更为重要的是：皆延续了人们“习以为常”的骑车方式与“自然而然”的踩踏习惯[即：人体上身前倾或略前倾、而下肢(两脚)交替(接续)踩踏左(右)脚踏板作“上下前后、周而复始”的回转运动]，传承性(继承性)较好，而这似乎为实际应用与推广普及或提供了可能性。
[0011]
然而，针对于如上所述“典型案例”，或需要指出与商榷的是：由该类技术方案所构成的脚踏驱动机构(装置)，它的耐用性能及其工作可靠性或存在可谓“致命性”缺陷。诸如：前述典型案例中，所述“伸缩式曲柄”在受力情况下、“伸缩机构”相互间的摩擦阻力会相应增大，而即便是采用“直线轴承导轨”及踏杆、来相应减轻“伸缩机构”相互间的摩擦阻力，但就“脚踏驱动机构”整体(总体)构造而言，它的耐用性能(结构强度)及其工作可靠性或难以保障；特别是，所述“伸缩式曲柄”的伸缩，是通过“偏心圆定位导槽”及置于偏心圆导槽内的“滚轮(即：曲柄伸缩牵引滑轮)”来实现的，但由于脚踏板(脚蹬子)位于(安装于)曲柄(踏杆)端部的外侧，当踏动(踩踏)脚蹬施力(发力)时、伸缩式曲柄(踏杆)将发生歪扭(形变)，而由此所产生的“侧向力(侧偏力)”，则使得安装于“伸缩式曲柄(踏杆)内侧、并置于偏心圆导槽内的滚轮(即：曲柄伸缩牵引滑轮)”与“偏心圆导槽”二者之间，乃产生类似于“面接触”的侧向滑动摩擦阻力，可这与诸发明者原先设计初衷之“偏心圆导槽与滚轮”二者间为“点接触(即以为：仅有
‘
滚动摩擦’阻力)”的理想状态、或相差甚远；尤其是，当滚轮(即：曲柄伸
缩牵引滑轮)与“偏心圆导槽”相互间、在“受力(侧偏力)”情况下，即便是瞬间或产生(出现)类似于“面接触”的侧向滑动摩擦阻力、乃将远大于“点接触”的滚动摩擦阻力，则难以避免“卡滞(卡顿)现象(情况)”的发生。总而言之，前述典型案例及其类似技术解决方案的“可实施性(实用性与经济性)”乃有待商榷，至少目前尚未有该类技术解决方案、或已成功实现“商品化(至少应该是小批量产销规模)”的实际应用案例，而相关公开出版物及媒体亦未见有“具体产品(商品)实际推广普及使用情况”的相关报道；或许是，由于该类技术解决方案其综合实施成本相对较高，这其中主要包括“偏心圆定位导槽及伸缩式曲柄机构”等非标零部件的制作成本相对较高、且制造工艺(加工装配精度及结构强度)要求亦相对较高，或因此乃使得整车造价(综合实施成本)相对较高、而“性价比”不高，以致目前仍未见该类或类似的“普及型(经济型)”自行车产品(商品)面世。


技术实现要素：

[0012]
为有效克服前述诸技术解决方案存在的缺陷、以及现有技术之不足，本发明提出一种：同比于现有传统自行车、至少可使脚踏驱动机构之“踩踏骑行工效(即：人力脚踏做功工效)”提高1倍(同比提升至200﹪)及以上的“新一代高工效省力自行车”及其经济型(高性价比)技术解决方案。旨在攻克(有效解决)逾百年来诸多发明者欲攻克、但始终未能有效解决的或可谓“世纪性”技术难题：就如何实现“更高工效(增矩省力型)自行车”的商品化与广泛普及、乃迄今为止(已延续一个多世纪之久)尚未能取得更多“实质性(实效性)”进展。为此，本发明的总体改进思路(设计方案)及其主要目标任务更集中于以下两点：其一，提供一种可约束左(右)脚踏板、皆呈“近似椭圆形”之踩踏(回转)运动轨迹的“曲柄滑块式(增矩省力型)”脚踏驱动装置，即可在显著提升脚踏驱动机构之“能效比[注：能效比＝输出转矩(m)/输入踏力(f)]”的同时，仍基本保留和继承现有传统自行车及其人们“习以为常”的骑车方式与“自然而然”的踩踏习惯[即：由两脚交替(接续)踩踏左(右)脚踏板作“上下前后、周而复始”的回转运动]，易于广泛消费者(骑行爱好者)普遍接受，以便于推广普及；其二，运用典型的“曲柄滑块式连杆机构”之基本工作原理而构成的“增矩省力型”脚踏驱动装置，则须对“曲柄滑块机构”之移动副(滑块及导轨)、以及“连杆机构(包括
‘
转动副’)”作相应的(切合实用的)优化与创新改进，进而使脚踏驱动装置(总体上)乃具备：造价低廉、工作性能可靠、简便易实施、便于推广应用、以至易于实现“新一代高工效省力自行车”的商品化与广泛普及等诸多技术优势及显著优点。而为了完成如上所述预期(既定)目标任务，则本发明是通过如下所述技术解决方案来实现的。
[0013]
为节省本说明书篇幅、且便于更直观地阐明本发明所述的“新一代高工效省力自行车及其曲柄滑块式脚踏驱动装置”，以及便于(有助于)理解本发明“设计原理”及其所述技术解决方案的“科学合理性与可实施性(实用性和经济性)”等，现结合如下所述“典型实施例”、并对照附图予以说明。
[0014]
新一代高工效省力自行车及其曲柄滑块式脚踏驱动装置，包括自行车和曲柄滑块式脚踏驱动装置，其典型实施方案如下(请参见附图1、1a、1b、2、2a及2b所示)：
[0015]
优选地，将“中轴”[1]的左(右)两端、分别与所对应的左(右)“短臂曲柄”[2a(2b)]的一端作固定连接(刚性连接)，而所述左(右)“短臂曲柄”之左曲柄[2a]与右曲柄[2b]二者间、则呈“相差(互差)180
°
转角”的对称布置，而后，再将所述左(右)“短臂曲柄”[2a(2b)]的
延伸端(另一端)其端部外侧、分别装有左(右)“销轴”[3a(3b)]；其中所述装于左(右)“短臂曲柄”[2a(2b)]的延伸端其端部外侧的左(右)“销轴”[3a(3b)]、与左(右)“短臂曲柄”[2a(2b)]之间为“螺纹联接”；而这其中，左销轴[3a]与左曲柄[2a]之间、为正向螺纹联接，即“顺时针”旋进(旋紧)；而右销轴[3b]与右曲柄[2b]之间、则为反向螺纹联接，即“逆时针”旋进(旋紧)；将左(右)“延伸踏杆(连杆)”[4a(4b)]其前端部位之外侧、分别装有左(右)“脚踏板”[5a(5b)]，而将所述左(右)“延伸踏杆(连杆)”[4a(4b)]的中段部位、则分别与所述左(右)“短臂曲柄”[2a(2b)]实施“转动副”连接；而所述“转动副”及其连接方式，则是由分别安装于左(右)“短臂曲柄”[2a(2b)]的延伸端其端部外侧的左销轴[3a]及右销轴[3b]、分别经“双列轴承”[6a]及[6b]，再分别与所对应的左(右)“延伸踏杆(连杆)”[4a(4b)]的中段部位完成(实施)“转动连接”；而这其中，所述装于左(右)“短臂曲柄”[2a(2b)]的延伸端其端部外侧的左(右)“销轴”[3a(3b)]其“轴心线”、以及左(右)“脚踏板”[5a(5b)]其转轴的“轴心线”，皆与“中轴”[1]的“轴心线”相平行；
[0016]
进一步，优选地，将所述左(右)“延伸踏杆(连杆)”[4a(4b)]的后端部位，分别与坐落于“车架”[7]后部左(右)两侧的“滚轮式移动副”相连接；而所述“滚轮式移动副”，则是由分别安装于左(右)“延伸踏杆”[4a(4b)]后端部位之内侧的“双滚轮(上、下滚轮)”和置于其间的“单导轨”组合构成；而所述置于“双滚轮(上、下滚轮)”其间的“单导轨”之左导轨[8a]及右导轨[8b]、皆由“条状圆柱体”构成，而所述左导轨[8a]与右导轨[8b]二者之间、则为彼此相互平行的“左右横向对称布置”，并且左导轨[8a]及右导轨[8b]、皆呈“前后纵向水平状(或趋于水平状)”；而所述“双滚轮(上、下滚轮)”的构成及其连接方式，则是由分别垂直安装于左(右)“延伸踏杆”[4a(4b)]后端部位之内侧的左(右)“销轴”[9a(9b)]、并通过该“销轴”[9a]及[9b]的延伸端(另一端)部位，再分别安装“轴承滚轮”[10a]及[10b]；而所述“轴承滚轮”[10a]及[10b]其外圆(滚套)皆带有v型槽、并将其分别置于所对应的左导轨[8a]及右导轨[8b]的下方，继而使该“轴承滚轮”[10a]及[10b]其外圆(滚套)所带有的v型槽、则与由“条状圆柱体”所构成的左导轨[8a]及右导轨[8b]接触(或接触滚动)时，皆为“点接触(两点接触)”；
[0017]
而所述(上述)“轴承滚轮”[10a]及[10b]、分别与所对应的左导轨[8a]及右导轨[8b]接触(或接触滚动)时皆为“点接触(两点接触)”，则是通过分别置于左导轨[8a]及右导轨[8b]上方的“轴承滚轮”[11a(11b)]及其“拐臂式弹性约束装置(上、下滚轮自调节束紧机构)”来实现的；而所述该“拐臂式弹性约束装置(上、下滚轮自调节束紧机构)”的构成及其连接方式，则是分别将“拐臂”[12a]及[12b]的一端、与分别置于左(右)“导轨”[8a(8b)]上方的“轴承滚轮”[11a]及[11b]其转轴的外侧一端作固定连接(紧固连接或铆接)，而所述“拐臂”[12a]及[12b]的另一端、则分别与垂直安装于左(右)“延伸踏杆”[4a(4b)]后端部位之内侧的左销轴[9a]及右销轴[9b]的中段部位实施“轴套式”铰接，而后，再分别由弹性约束件之“拉力弹簧”[13a]及[13b]的一端、分别与“拐臂”[12a]及[12b]的中段部位相连接，而所述“拉力弹簧”[13a]及[13b]的另一端、则分别与所对应的左(右)“延伸踏杆”[4a(4b)]的后端部位相连接，所述用于构成“拐臂式弹性约束装置(上、下滚轮自调节束紧机构)”的“拉力弹簧”[13a]及[13b]，也可以选用“扭力弹簧”[16a]及[16b]、并将其分别套置于所对应的左销轴[9a]及右销轴[9b]的中段部位上(如附图1b所示)；而这其中，所述分别置于左导轨[8a]及右导轨[8b]上方的“轴承滚轮”[11a]及[11b]其转轴的“轴心线”，以及用于分别
安装“轴承滚轮”[10a]及[10b]、并垂直安装于左(右)“延伸踏杆”[4a(4b)]后端部位之内侧的左(右)“销轴”[9a(9b)]其“轴心线”，皆与安装于左(右)“延伸踏杆”[4a(4b)]前端部位之外侧的左(右)“脚踏板”[5a(5b)]其转轴的“轴心线”相平行，并且所述(上述)诸“轴心线”亦皆与“中轴”[1]的“轴心线”相平行；
[0018]
再进一步，优选地，将所述左(右)“导轨”[8a(8b)]、分别安装固定于左(右)“导轨基架”[14a(14b)]上，并通过该“导轨基架”[14a]及[14b]、再分别与“车架”[7]后部左(右)两侧作固定连接(紧固连接或焊接)；而这其中，令所述分别置于左(右)“导轨”[8a(8b)]下方的“轴承滚轮”[10a]及[10b]、分别沿着所对应的左导轨[8a]及右导轨[8b]作“前后交替往复滚动”时，二者的“移动轨迹”皆与同一“空间平面”重合；而所述该“空间平面”包含(或趋于)“空间水平面”，并且该“空间平面”也与“中轴”[1]的“轴心线”重合(或者是“相平行而不重合”)；进而令所述“轴承滚轮”[10a]及[10b]、分别沿着所对应的左导轨[8a]及右导轨[8b]滚动时，二者“前后交替往复滚动”之移动轨迹(直线轨迹)的“延长线”、皆与“中轴”[1]的“轴心线”垂直相交(或者是“相垂直而不相交”)，乃构成左(右)两套、且相差(互差)180
°
转角的“曲柄滑块(滚轮式)连杆机构”；而所述该“曲柄滑块(滚轮式)连杆机构”，其中包含典型的“对心式”曲柄滑块(滚轮)连杆机构、以及“偏距(e)”≦所述“短臂曲柄[2a(2b)]”2/3长度(回转中心距)的“偏置式”曲柄滑块(滚轮)连杆机构；而所述(上述)左(右)两套、且相差(互差)180
°
转角的“曲柄滑块(滚轮式)连杆机构”，则可以约束装于左(右)“延伸踏杆(连杆)”[4a(4b)]其前端部位之外侧的左脚踏板[5a]及右脚踏板[5b]、二者“交替(接续)踩踏(回转)”之运动轨迹，皆呈“近似椭圆形”轨迹。
[0019]
本发明设计原理[以“对心式”曲柄滑块机构(工作原理)为例(请重点参见附图3、3a及附图1、2所示)]及其工作方法(骑行踩踏驱动方式)：
[0020]
据前所述(所称)“近似椭圆形”轨迹，为“横坐标(x轴)对称、纵坐标(y轴)非对称”的不规则椭圆形，具体为：该“近似椭圆形(轨迹)”之短轴(c-d)与横坐标(x轴)重合，而长轴(a-b)则与纵坐标(y轴)相平行(不重合)、且位于(靠近于)“中轴”[1]的“短半轴(c-o)”一侧[即：长轴(a-b)与短轴(c-d)垂直相交之“相交点(o
′
)”位于“短半轴(c-o)”一侧]；令所述“近似椭圆形(轨迹)”之长轴(a-b)的“上端点a”至“下端点b”二者间的距离、与现有传统自行车之左(右)脚踏板二者间的距离相同(或相当)，即“上(下)踏幅”与现有传统自行车相同(或相当)；而当交替(接续)踩踏左(右)脚踏板时，则由左(右)“延伸踏杆”[4a(4b)]同步联动左(右)“短臂曲柄”[2a(2b)]作旋转(回转)运动；而当左(右)“脚踏板”[5a(5b)]其转轴的“轴心线”、分别位于(相交于)长轴(a-b)的“上端点(上止点)a”及“下端点(下止点)b”位置时，则安装于左(右)“短臂曲柄”[2a(2b)]延伸端其端部的左(右)“销轴”[3a(3b)]其“轴心线”、亦旋转至(对应于)其本身“圆形(圆周)”运动轨迹的“最高点(上止点)a”及“最低点(下止点)b”位置{即：此时左(右)“短臂曲柄[2a(2b)]”皆与所述“近似椭圆形(轨迹)”的长轴(a-b)相平行}；这其中，令“坐标原点o(z轴)”为所述“近似椭圆形”轨迹的“回转(转动)中心”、并且以纵坐标(y轴)作为“临界基准线”，以及参照(比照)“圆形(圆周)”运动轨迹、来划分“驱动(做功)角”与“回转(复归)角”，则：自长轴(a-b)的“上端点(上止点)a”围绕“坐标原点o(z轴)”向前(向下)旋转(运动)至长轴(a-b)的“下端点(下止点)b”、所转过的“有效驱动角”α(∠aob)≧180
°
，而与之相对应的“回转复归角”β(∠boa)≦180
°
(如附图3a所示)；
[0021]
而如上所述(所称)“有效驱动角α≧180
°”
、以及“回转复归角β≦180
°”
，则是在交
替(接续)踩踏装于左(右)“延伸踏杆[4a(4b)]”其前端部位之左脚踏板[5a]或右脚踏板[5b]时、皆“竖直向下”踩踏施力，而所述(所称)“竖直向下”踩踏施力、是指“踩踏施力方向”与纵坐标(y轴)相平行(或趋于平行)，并且，是以“坐标原点o(z轴)”作为回转(转动)中心、并以“纵坐标(y轴)”为界(临界基准线)，来划分其“有效驱动角(α)”与“回转复归角(β)”的；而当左脚踏板[5a]或右脚踏板[5b]其转轴的“轴心线”，分别(交替)沿着所述“近似椭圆形”轨迹、向后(向上)回转(复归)至与“纵坐标(y轴)”上方相交位置(相交点a
′
)时，而与之同步联动的“短臂曲柄”之左曲柄[2a]或右曲柄[2b]的延伸端其端部、所对应的位置已越过(转过)其本身“圆形(圆周)”运动轨迹的“最高点(上止点)a”[注：“a点”位置与“a点”位置是“相对应”的(如附图3所示)]，则此时“竖直向下”踩踏施力(做功)、乃可避开(避免)左脚踏板[5a]或右脚踏板[5b]处于(位于)其本身“近似椭圆形”轨迹的“上止点(上
‘
死点’)a”位置(即：此时位于a
′
位置)；并且，此时(踩踏瞬间)驱动力臂的“有效长度”、同比于现有公知的“传统自行车”则相应延长，而所述(所称)相应延长了的驱动力臂其“有效长度”、则为(等于)“坐标原点o(z轴)”至中轴[1]其“轴心线”二者间连线(线段)的长度，而所述连线(线段)的长度、则为该“连线”垂直相交于中轴[1]其“轴心线”所测量(测得)的距离；这其中，设“坐标原点o(z轴)”至中轴[1]其“轴心线”二者间连线(线段)的长度为l1、并且令l1≧现有“传统自行车”之曲柄(回转中心距r)的长度(即：l1≧r)；
[0022]
而如上所述(所称)驱动力臂的“有效长度”，乃随着左(右)脚踏板[5a(5b)]其“运动轨迹”之变化而实时变化；而当左脚踏板[5a]或右脚踏板[5b]其转轴的“轴心线”、分别(交替)沿着所述“近似椭圆形”轨迹，自“纵坐标(y轴)”上方相交位置(相交点a
′
)、向前(向下)运动时，则驱动力臂的“有效长度”将随之逐渐增加(延长)；而当运动至与“横坐标(x轴)”相交位置(相交点d)时，则此时驱动力臂的“有效长度”达到“最大值”，而所述驱动力臂其“有效长度”的“最大值”、则为(等于)l1+l2，其中l2为所述“近似椭圆形”轨迹之“短半轴(o-d)”的长度、并且l2与所述“短臂曲柄[2a(2b)]”其长度(回转中心距r)相同(即：l2＝r)；而当左脚踏板[5a]或右脚踏板[5b]其转轴的“轴心线”，分别(交替)沿着所述“近似椭圆形”轨迹、继续向下运动时，则驱动力臂其“有效长度”将随之逐渐减小(缩短)；而当运动至与“纵坐标(y轴)”下方相交位置(相交点b
′
)时，则此时驱动力臂其“有效长度”亦等于l1，从而使得“左(右)脚踏板(两脚)交替(接续)踩踏(做功)一周”之平均力矩(即：驱动转矩的“平均值”)、同比于现有传统自行车将获得较大幅度的提高[注：这其中，设“踏力及踏频”皆与现有传统自行车相同，并且“骑行踩踏驱动方式”亦大抵相同(即由两脚交替踩踏脚蹬作“上下前后、周而复始”的回转运动)；那么，严格意义上讲，本发明与传统自行车二者之间不仅具备了“可比性”、且所述“可比性”亦更趋于“合理性与严谨性”]。
[0023]
根据如前所述的“新一代高工效省力自行车及其曲柄滑块式脚踏驱动装置”，其实施方案要点包括(请重点参见附图1、1a及1b所示)：
[0024]
所述分别垂直安装于左(右)“延伸踏杆”[4a(4b)]后端部位之内侧的左(右)“销轴”[9a(9b)]其端部为“方形状(或菱形状)”，它与左(右)“延伸踏杆”[4a(4b)]后端部位所带有的方形孔(或菱形孔)作“锥度配合”连接、再分别由“紧固件(螺栓)”[15a]及[15b]将其固紧；或者是，将安装于“延伸踏杆[4a(4b)]”后端部位之内侧的“销轴[9a(9b)]”其端部、与“延伸踏杆[4a(4b)]”其后端部位二者间，也可采用“花键(亦包括方形花键)”结构及其连接方式、将其作固定(紧固)连接。
[0025]
所述用于左(右)“延伸踏杆(连杆)”[4a(4b)]中段部位之“转动副”连接的“双列轴承”[6a]及[6b]，也可以分别由两个及以上的“单列轴承”组合构成，或选用“滚针(滚柱)轴承”、或采用“轴碗”结构。
[0026]
所述用于安装固定左(右)“导轨”[8a(8b)]的左(右)“导轨基架”[14a]及[14b]，在整车设计时也可作为“车架”[7]的一部分，即分别与“车架”[7]后部左(右)两侧构为一体。
[0027]
综上所述或不难看出，本发明所述的“新一代高工效省力自行车及其曲柄滑块式脚踏驱动装置”，乃采用(运用)了典型的“曲柄滑块式连杆机构”之基本工作原理而构成、并作了相应的(切合实用的)优化与创新改进。而为了能够充分阐明本发明所具有的“突出性特点(优点)”及显著效果(有益效果)，现就本发明所涉及的“关键技术(要点)”，以及本发明与传统自行车及现有技术相比、所具有的“创新性与先进性”及其所具备的“可实施性(实用性和经济性)”，作如下进一步具体说明(阐释)。
[0028]
由本发明前述“典型实施例”及其相关技术特点可见，将常规的“曲柄滑块机构”之“滑块及滑槽”更换(更改)为“双滚轮及单导轨”、所构成的“滚轮式移动副”及其“曲柄滑块(滚轮式)连杆机构”，它的“工作可靠性及耐用性能”乃将得以显著提高。而为了便于(有助于)理解之后所阐述的本发明其“综合改进效果与可实施性”，现就本发明所涉及的“关键技术(要点)”及其作用原理简述如下(供参考)：由附图1、2、3、4所示可见，当交替(接续)踩踏左右“延伸踏杆(连杆)”其前端部位之外侧的左右脚踏板，并通过“延伸踏杆(连杆)”中段部位之“转动副”、来同步联动左右“短臂曲柄”作回转(圆周)运动的同时，而安装于左右“延伸踏杆(连杆)”后端部位之内侧的轴承滚轮[10a]及[10b]、则分别沿着所对应的左导轨[8a]及右导轨[8b]作“前后(交替)往复滚动”。进一步地，请参见附图4所示，附图4为本发明之脚踏驱动装置的“左侧结构原理示意图”{注：图4中，f为施加脚蹬的作用力，而由“延伸踏杆(连杆)”中段部位之“转动副”构成“支点”、则安装于“延伸踏杆(连杆)”后端部位之内侧的轴承滚轮[10a]受到的作用力为f
′
}。为方便理解，现以此“左侧结构(机构)”为例作如下详细说明：当轴承滚轮[10a]在受力(作用力f
′
)情况下、作“前后滚动(往复运动)”时，而轴承滚轮[10a]其外圆(滚套)带有的“v型槽”与“条状圆柱体导轨[8a]”二者间为“点接触(如附图4a所示的
‘
两点接触’)”，则滚轮[10a]与导轨[8a]二者间的“滚动摩擦”阻力、乃远小于常规的“滑块及滑槽”机构之“面接触”的滑动摩擦阻力，即可在“移动副(滚轮机构)”受力(作用力f
′
)的情况下、作“前后往复滚动”时，能够有效避免“卡滞现象(情况)”的发生；这不仅使其“工作可靠性及耐用性能”显著提高，而整体结构构成亦更为简约(实用)、且总体造价亦相对低廉(整车综合实施成本增加甚微)，则“性价比”相对较高。不止如此，经上述优化与改进后的“滚轮式移动副”及其“曲柄滑块(滚轮式)连杆机构”，不仅仅是为了提高其本身的“工作可靠性及耐用性能”，而更为重要的功能作用还在于：经改进后的“曲柄滑块(滚轮式)连杆机构”，则可以约束装于左右“延伸踏杆(连杆)”其前端部位之左脚踏板[5a]及右脚踏板[5b]、二者“交替(接续)踩踏(回转)”之运动轨迹，皆呈如附图2、3及3a所示的“近似椭圆形”轨迹。那么，它与现有公知的“传统自行车”之左(右)脚踏板、皆呈“圆形”之踩踏(回转)运动轨迹相比，其“综合改进效果(有益效果)”将具体体现于如下方面。
[0029]
具体而言，本发明之“近似椭圆形”踩踏(回转)运动轨迹、相比于现有传统自行车之“圆形”踩踏(回转)运动轨迹，所具有的“技术优势(设计方案的创新性与先进性)”及其有益效果就在于：它不仅与“人机工效学(人体工程学)”基本原理(设计理念)更趋于吻合；而
且，其显著效果更体现于如下多方面。诸如：其一，相比于“圆形”轨迹，“近似椭圆形”轨迹、可在保持与现有传统自行车之脚踏机构其“上下踏幅相同(或相当)”的前提下，可使“踏程”相应缩短，乃有助于提高“踏频”和提升“骑行工效”(请具体参见附图5所示：图中虚线标注的“圆形轨迹”为现有自行车脚踏板之运动轨迹，而本发明之脚踏板其运动轨迹、则为“近似椭圆形”轨迹)。其二，本发明之“近似椭圆形”轨迹、相比于传统自行车之“圆形”轨迹，可在保持“上下踏幅相同(或相当)”之前提下，左(右)脚踏板的“前(点)、后(点)”距离相应(适当)缩短[推荐取：现有自行车左(右)曲柄总长度(r+r)的2/3长度(2/3r+2/3r)为宜(如附图5所示)，而具体所涉及的相关零部件尺寸将在之后的“具体实施方式”中给出]；进而使得骑车者下肢运动范围(前、后运动幅度)相应(适当)减小，继而使骑车者“臀部及大腿根部(内侧)”与“鞍座”之间的摩擦强度、亦相应减轻，则使得“骑行舒适性”明显改善。其三，本发明之“近似椭圆形”轨迹、相比于传统自行车之“圆形”轨迹，可有效解决(或改善)现有自行车之曲柄机构“过止点(死点)”位置(区域)时、其驱动力矩的“不连续(不连贯)”，以及左(右)脚踏板(两脚)交替(接续)踩踏(做功)一周、其“驱动转矩”存在着“波动幅度较大”等迄今为止仍未能有效解决的技术难题(固有缺陷)，现就此作如下更进一步说明(阐释)，具体分析研讨如下(以供参考)：
[0030]
(1)对于传统自行车而言，所谓“止点(死点)”位置，通常是指：当“竖直向下”踩踏施力(做功)、其踩踏施力方向与曲柄(驱动力臂l)相平行，即“作用力(f)”施于中轴其“轴心线”时，而此时“有效驱动力臂(l)”为零、则“驱动力矩(输出转矩m)”亦为零。但除此之外，或有必要予以进一步明确和指出的是：对于公知的“传统自行车”而言，由于曲柄(驱动力臂l)的“有效长度”、乃随着曲柄转动角度的变化而“实时变化”；只有当脚踏板(脚蹬子)处于(位于)最前点(即“踩踏施力方向与曲柄相垂直”时刻)，而驱动力臂(l)其“有效长度”达到“最大值”，则此时所产生的驱动力矩(输出转矩m)最大、且远大于“止点(死点)及附近区域”之驱动力矩(输出转矩m)；故而导致“两脚交替(接续)踩踏(做功)”过程中[即：左、右脚踏板交替(交互)转换(做功)过程中]，乃存在“驱动力矩(输出转矩m)”波动幅度较大、且“不连续(不连贯)”等问题(注：现有传统自行车迄今为止一直存在的固有缺陷)。
[0031]
(2)由如上(1)所述内容与讨论分析可见，对于公知的“传统自行车”而言，所谓“止点(死点)”位置并非相对固定的一个点，而将其视为左(右)脚踏板交替(交互)转换做功过程中、存在一段“过渡区域[包括
‘
止点’及其附近
‘
不易(不宜)发力’区域]”，或更趋于客观性与合理性；并且，在实际骑行体验中，当“过止点(死点)”位置(区域)时，为节省体力，我们通常会将“上位脚”向前轻拨(推)一下、而同时亦将“下位脚”向后轻拨(拉)一下，以过渡至“易发力”区域(即“高效率”区域)；乃因此，而使得曲柄机构之“有效驱动(做功)角度”仅为(约为)120
°
左右(请参见附图6所示)，则使其“综合工效[即
‘
左右脚踏板(两脚)交替(接续)踩踏(做功)一周’之平均力矩(驱动转矩的
‘
平均值’)]”大为降低。那么，与此相对照，本发明之“近似椭圆形”轨迹、相比于传统自行车之“圆形”轨迹，其“上、下止点(死点)”位置，不仅更趋于一个点(如附图3及3a中所示的a点、b点)；而且，若以本发明所述“近似椭圆形(轨迹)”之纵坐标(y轴)为界(临界基准线)来划分，则：有效驱动(做功)角α≧180
°
，而与之相对应的“回转(复归)角”β≦180
°
(如附图3a所示)。诚然，更为严格地讲，若以本发明所述“近似椭圆形(轨迹)”之长轴(a-b)、作为“临界基准线”，并且以“长轴(a-b)与短轴(c-d)垂直相交点(o
′
)”作为“回转(转动)中心”、来划分“有效驱动(做功)角α”与“回转(复归)角β”，
那么，在实际骑行体验中、其“有效驱动(做功)角α”或感到会略小于(接近于)180
°
{这是因为：所述“近似椭圆形”轨迹的“上、下止点(a点、b点)”位置，与所述“短臂曲柄[2a(2b)]”其本身圆形(圆周)运动轨迹的“上、下止点(a点、b点)”位置是相对应的(如附图3所示)}；但即便如此，本发明之“有效驱动(做功)角α”亦更趋于(接近于)180
°
，并且，亦远大于现有传统自行车约120
°
之“有效驱动(做功)角度”(如附图6所示)。不仅于此，由于本发明“有效驱动(做功)角α”更趋于(接近于)180
°
，而当左(右)脚踏板(两脚)交替(交互)转换做功时，依靠惯性作用、则瞬间即可(很容易)越过(滑过)“止点(死点)”位置；进而有效解决(或改善)了左(右)脚踏板(两脚)交替(交互)转换做功时，其“驱动力矩(输出转矩m)”的“不连续(不连贯)”、以及“波动幅度较大”等问题；特别是：(请参见附图3所示)当瞬间越过(滑过)“上止点(上死点)a”位置时刻(即位于a
′
位置时刻)，随即可“竖直向下”踩踏施力(发力)，而且，此时(踩踏瞬间)所产生的“驱动力矩(输出转矩m)”亦将远远大于现有自行车、刚刚越过“上止点(上死点)”位置时刻(瞬间)的驱动力矩(输出转矩m)。而为了更便于理解，现举例说明如下(以资参考)：
[0032]
而据本发明前述“典型实施例(请对照附图3及3a所示)”及其设计原理可知，当瞬间越过(滑过)“上止点a”位置时刻(即位于a
′
位置时刻)，本发明之驱动力臂的“有效长度”为l1，并且本发明可以方便做到(实现)l1≧现有传统自行车之曲柄(回转中心距r)的长度(即：l1≧r)；也就是说，它至少可以做到：与现有传统自行车之脚踏板运动至“最前点”时刻、其“有效驱动力臂(l)”的“最大值”相当。若更进一步讲，就是说，在向前(向下)“踩踏做功”的半周期内、且“脚踏力(f)”亦相同时，而本发明之驱动力矩(输出转矩)的“最小值mmin”、至少可以做到：与现有自行车之驱动力矩(输出转矩)的“最大值mmax”相当；进而使得本发明之“综合工效[即
‘
左右脚踏板(两脚)交替(接续)踩踏(做功)一周’之平均力矩(驱动转矩的
‘
平均值’)]”乃将获得较大幅度的提高。而就如上所述、或需要着重强调与补充说明的是：若“踏力及踏频”皆与现有传统自行车相同、并且骑行踩踏驱动方式(即由两脚交替踩踏脚蹬作“上下前后、周而复始”的回转运动)亦大抵相同，那么，严格意义上讲，本发明与现有传统自行车二者之间不仅具备了“可比性”、且所述“可比性”亦更趋于“合理性与严谨性”。
[0033]
综合如上分析与研讨、或从中不难看出，本发明相比于现有传统自行车、二者的明显区别就在于：由于本发明左(右)脚踏板的“回转(转动)中心”相应前移，并通过“延伸踏杆(连杆)”来同步联动“短臂曲柄”作回转(圆周)运动、继而带动“中轴”同步转动，则驱动力臂(l)其“有效长度”将获得较大幅度延长。而根据杠杆原理：力矩(m)＝力(f)
×
力臂(l)，则：当“踏力(f)”及“踏频”皆相同(包括“骑行踩踏驱动方式”亦大抵相同)之前提下，而本发明同比于现有传统自行车、其“驱动力矩(输出转矩m)”将获得较大幅度的提高。若是更为严谨地讲，就是：本发明同比于现有传统自行车、其“左(右)脚踏板(两脚)交替(接续)踩踏(做功)一周”之平均力矩(即：驱动转矩的“平均值”)将获得较大幅度的提高。很显然，与现有公知的“传统自行车”所采用(已沿用逾百年之久)的固定长度之“曲柄回转式”脚踏驱动机构相比，而本发明运用“曲柄滑块机构”之基本工作原理、所构成的“曲柄滑块(滚轮式)连杆机构”及其脚踏驱动装置，乃使得驱动力臂(l)其“有效长度”获得较大幅度的延长，则具有显著的“增矩省力(增臂省力)”效果；进而使得本发明之脚踏驱动机构其“能效比[即：输出转矩(m)/输入踏力(f)]”获得较大幅度提升。而为了能够更直观地阐明如上所述改进效
果及其“实际应用效果”，乃有必要着重做出如下补充说明的是：
[0034]
本发明之所以堪称为“新一代高工效省力自行车”，则是因为本发明能够实现的预期目标(技术指标)为：它同比于现有公知的“传统自行车”、至少可使脚踏驱动机构之“踩踏骑行工效(即：人力脚踏做功工效)”提高1倍(同比提升至200﹪)及以上。而为了方便理解、则更具体说，就是：当“踏力、踏频、路况及风阻”等诸条件皆相同的前提下，本发明同比于现有传统自行车、至少可使脚踏驱动机构之“平均力矩(即：驱动转矩的
‘
平均值’)”提高1倍(同比提升至200﹪)及以上。并且，由此所带来的“实际应用效果”亦将集中体现于以下两点：其一，它同比于现有公知的“传统自行车”，而当“踏频、车速(包括：后轮轮径及传动系数)”皆相同的前提下，则同比至少可以相应减少1半(50﹪)的踏力，即至少可以节省1半(50﹪)的体能消耗。其二，相比于现有公知的“传统自行车”，若保持(维持)“踏力、踏频”皆相同(即：骑行踩踏之“体能消耗”大抵相同)，而通过相应增加(增大)传统系统(传动装置)之“传动比”、则理论上讲可相应提高车速1倍及以上(注：这其中，未计“风阻”等影响)。为便于更直观地理解，现举例说明如下：比如，若以现有普及型城市道路通勤自行车“平均时速15公里”作为参照，则本发明可使“平均时速”相应提升至30公里及以上(注：这其中“踏力、踏频”皆与现有自行车相同)。而为了能够充分阐释(印证)如上所述“实际应用效果”，则在之后的“具体实施方式”中，将列举“优选实施例”、并通过本发明与传统自行车(脚踏驱动机构)之“平均力矩(即：驱动转矩的
‘
平均值’)”等相关技术指标(参数)对比，予以更为详细(详尽)的具体说明(以资参考)。
附图说明
[0035]
图1为本发明总体构造之“主体结构(脚踏驱动装置)”示意图；
[0036]
图1a为本发明主体结构(脚踏驱动装置)之其中的“拐臂式弹性约束装置(上、下滚轮自调节束紧机构，其中弹性约束件为拉力弹簧)”结构原理示意图；
[0037]
图1b为为本发明主体结构(脚踏驱动装置)之其中的“拐臂式弹性约束装置(上、下滚轮自调节束紧机构，其中弹性约束件为扭力弹簧)”结构原理示意图；
[0038]
图2为本发明运用“对心式”曲柄滑块机构之工作原理、所构成的“脚踏驱动装置”结构原理示意图(右侧主视图)；
[0039]
图2a为本发明运用“下偏置式”曲柄滑块机构之工作原理、所构成的“脚踏驱动装置”结构原理示意图(右侧主视图)；
[0040]
图2b为本发明运用“上偏置式”曲柄滑块机构之工作原理、所构成的“脚踏驱动装置”结构原理示意图(右侧主视图)；
[0041]
图3及3a是用于说明(阐释)本发明(脚踏机构)之“近似椭圆形”踩踏(回转)运动轨迹及其动态过程、以及脚踏机构(相关部件)所对应的位置及其变化过程的“三维空间坐标(x轴-y轴-z轴)”示意图(右侧主视图)；
[0042]
图4为本发明之脚踏驱动装置及其“延伸踏杆(连杆机构)”受力分析参考示意图[左侧结构(机构)原理示意图]；
[0043]
图4a为图4中“相关部件(导轨8a及滚轮10a)”局部剖视示意图；
[0044]
图5为本发明脚踏机构之“近似椭圆形”运动轨迹与传统自行车脚踏机构之“圆形”运动轨迹、二者“踏程”对照(对比)分析(研讨)参考示意图；
[0045]
图6为现有公知的“传统自行车”脚踏驱动机构(曲柄机构)的半周期“高效率驱动(做功)角度(约120
°
)”之分析(研讨)参考示意图；
[0046]
图7为本发明优选实施例之“整车结构(架构)”参考示意图(右侧主视图)；
[0047]
图8是以现有自行车之曲柄长度(尺寸)其“比率(比值)”作为参照系、来选择本发明“短臂曲柄”及“延伸踏杆”长度(尺寸)的示意图(俯视图)；
[0048]
图9为现有公知的“传统自行车”之左(右)脚踏板、交替(接续)踩踏(做功)一周之“驱动转矩(平均力矩)”曲线示意图；
[0049]
图10为本发明之左(右)脚踏板、交替(接续)踩踏(做功)一周之“驱动转矩(平均力矩)”曲线示意图。
[0050]
图中标注：1、中轴；2a、左短臂曲柄；2b、右短臂曲柄；3a、左销轴；3b、右销轴；4a、左延伸踏杆；4b、右延伸踏杆；5a、左脚踏板；5b、右脚踏板；6a、左双列轴承；6b、右双列轴承；7、车架；8a、左导轨；8b、右导轨；9a、左踏杆销轴；9b、右踏杆销轴；10a、左下轴承滚轮；10b、右下轴承滚轮；11a、左上轴承滚轮；11b、右上轴承滚轮；12a、左拐臂；12b、右拐臂；13a、左拉力弹簧；13b、右拉力弹簧；14a、左导轨基架；14b、右导轨基架；15a、左紧固件；15b、右紧固件；16a、左扭力弹簧；16b、右扭力弹簧；17、座管；18、头管；19、车把；20、鞍座；21、前轮；22、链轮。
具体实施方式
[0051]
为了能够充分阐释(印证)本发明能够实现的“预期目标(技术指标)”，即具体为：(如前文所述的)本发明同比于现有公知的“传统自行车”、至少可使脚踏驱动机构之“踩踏骑行工效(即：人力脚踏做功工效)”提高1倍(同比提升至200﹪)及以上。为此，现列举如下“优选实施例”予以进一步具体描述与详细说明(以资参考)。
[0052]
1.关于本发明之整车结构(架构)布置(调整)的简要说明
[0053]
公知的，目前现有传统自行车(人力脚踏车)通常采用“骑姿踩踏”驱动方式[即：人体上身前倾或略前倾，而下肢(两脚)交替(接续)踩踏脚蹬作“上下前后、周而复始”的回转运动]；而为了保留和继承上述传统自行车及其人们“习以为常”的骑车方式与“自然而然”的踩踏习惯，乃需要对整车结构(架构)及相关部件(位置)作相应(适当)的调整。其中，由于本发明左右脚踏板皆呈“近似椭圆形”踩踏(回转)运动轨迹、且左右脚踏板的“回转(转动)中心”亦相应前移；那么，若保留“中轴”原有位置不变，则需要将“鞍座(即：人体重心)”相应前移，以使得“左(右)脚踏板(回转中心距)”与“鞍座”及“车把”、三者间原有“相对位置”大抵保持不变。而为了便于实施和有效降低整车综合实施成本，特推荐如下具体实施方式(以供参考)：
[0054]
请参见附图7所示，可将现有自行车车架之“座管”[17]原有向后倾斜状，调整为“略趋于竖直状”、并将其相应前移，继而使得“鞍座位置(即：人体重心)”亦相应前移；而与此同时，还需将“头管”[18]及“车把”[19]位置亦相应(适当)前移、以使得“车把”[19]与“鞍座”[20]原有相对位置(距离)大抵保持不变。而为了使左(右)“脚踏板”运动至最前点时刻、它与“前轮”[21]其“后缘”原有相对位置(最小距离)保持不变，并且使前(后)轮“轴距”不宜增加过多，则可将“前轮[21]”尺寸(轮径)适当减小，继而使得整车长度、与现有自行车产品(商品)大抵相当。诚然，之所以推荐如上“具体实施方式”，乃基于“有效降低整车造价(综合
之定性及半定量分析与计算(请参见附图6、9所示)
[0062]
如附图6所示，设“踏力”为f、有效驱动力臂的“最大值”为r，而当脚踏板运动至“最前点(即：脚踏施力方向与曲柄相垂直时刻)”，则此时驱动力矩的“最大值”为mmax＝fr；那么，我们所需要的“平均力矩(即：驱动转矩的平均值)”如何来计算，则可以通过“积分计算(略)”便能够得出其结果为：平均值＝最大值的0.637倍。为方便理解，现对照附图9作进一步说明，附图9为现有传统自行车之左(右)脚踏板、交替(接续)踩踏(做功)一周之“驱动转矩(平均力矩)”曲线示意图，这其中，设：驱动力矩的“最大值”为mmax＝fr＝1，则：由两脚交替(接续)踩踏左(右)脚踏板做功一周、继而带动“中轴”同步旋转一周之驱动转矩(平均力矩)为
[0063]
(2)关于本发明“驱动转矩[注：为平均力矩(驱动转矩的
‘
平均值’)]”之定性及半定量分析与计算(请参见附图3、3a、10所示)
[0064]
设本发明之“踏力、踏频”皆与现有传统自行车相同，并且由附图3及3a所示可见，而当左(右)脚踏板其转轴的“轴心线”、分别位于(相交于)纵坐标(y轴)上方“相交点a
′”
或下方“相交点b
′”
位置时，则此时驱动力臂的“有效长度”皆为l1。而令l1与现有“传统自行车”脚踏板运动至“最前点”位置时刻、其驱动力臂“有效长度”的“最大值r”相等(即：l1＝r)；那么，本发明“驱动转矩(平均力矩)”之其中的(请参见附图10、9及附图3、3a所示)，则与前述现有“传统自行车”驱动力矩的“最大值mmax”相等，即：[注：这其中l1＝r，请参考前述(前文)所述相关内容]。进一步地，而当本发明之左脚踏板或右脚踏板其转轴的“轴心线”、运动至“最前点”位置时刻，即与“横坐标(x轴)”相交位置(相交点d)时刻(请对照附图3、3a所示)，则此时驱动力臂其“有效长度”为(等于)l1+l2，即此时“有效驱动力臂(l＝l1+l2)”达到“最大值”，而本发明之驱动转矩(输出转矩m)亦达到“最大值”；那么，本发明之“驱动转矩(平均力矩)”如何来计算？我们可计算出如附图10所示的而后，再与之前所计算出的相加(即：)，便可得出最终结果，具体如下：
[0065]
为节省本说明书篇幅、且简化的计算，我们同样可参照前述传统自行车之“驱动转矩(平均力矩)”、所采用的“积分计算”方法来计算(即：平均值＝最大值的0.637倍)，并且其计算结果为：0.637倍)，并且其计算结果为：[注：这其中l2＝r＝0.667r(请参考前述相关内容)]。当然，对此计算结果或需要进一步解释的是：由附图3及附图5所示可见，本发明之“近似椭圆形(轨迹)”为“横坐标(x轴)对称、纵坐标(y轴)非对称”的不规则椭圆形，但在向前(向下)踩踏(做功)半周期内之运动轨迹(曲线)、是以横坐标(x轴)为“对称轴”的，并且其运动轨迹(曲线)之“曲率”、亦明显小于传统自行车“圆形(轨迹)”之曲率(如附图5所示)；因此，即便是参照前述传统自行车之“积分计算”的计算方法、而得出如上之结果(即：)，但仍有一定“富余量”。至此，我们可将之前的计算结果与的计算结果相加(求代数和)，便可最终得出本发明之驱动转矩(平均力矩)为：为方便理解，
请重点参见附图10所示，附图10为本发明之左(右)脚踏板(两脚)交替(接续)踩踏(做功)、继而同步联动“中轴[1]及链轮[22](请参见附图1所示)”旋转一周之“驱动转矩(平均力矩)”曲线示意图；并且，它是以前述传统自行车脚踏驱动机构之“力矩(m)、力角(θ)”作为参照系的(请对照附图9与附图10所示)，乃具有(具备)“可比性与严谨性”。而由附图10与附图9所示的“相关数据(指标)”之对比、亦明显可见：当本发明之“踏力、踏频”皆与现有传统自行车相同时，则
[0066]
4.关于本发明“驱动功率(p-2)”与传统自行车“驱动功率(p-1)”的对比分析与计算(设：“踏力、踏频”皆相同，求：p-2/p-1＝？)
[0067]
据公式p＝m
×
ω[注：这其中ω为踏频(可具体理解为：乃脚踏机构之“踩踏回转”运动时的“角频率也称角速度”)]，又据前述那么，本发明“驱动功率p-2(平均值)”与现有传统自行车“驱动功率p-1(平均值)”之比、则为：显然，由如上“p-2/p-1”的比值结果亦表明：本发明同比于现有传统自行车，若“踏力f、踏频ω”皆相同时，则可将“驱动功率p(平均值)”相应提升至223.7﹪。据此，亦充分印证了本发明能够实现的“预期目标(技术指标)”，即具体为：(如前文所述的)本发明同比于现有公知的“传统自行车”、至少可使脚踏驱动机构之“踩踏骑行工效(即：人力脚踏做功工效)”提高1倍(同比提升至200﹪)及以上。并且，由此而带来的“实际应用效果”亦将集中体现于以下两点：其一，同比于现有传统自行车，而当“踏频及车速(包括：后轮轮径及传动系数)”皆相同、且“驱动功率p(平均值)”亦相同之前提下，则本发明可将“踏力(f)”相应(同比)减少至44.7﹪(1/2.237＝0.447)，即可相应节省55.3﹪(1-0.447＝0.553)的体能消耗。其二，本发明相比于现有自行车，若维持“踏力、踏频”皆相同，而通过相应增加(增大)传统系统(传动装置)之“传动比”，则理论上讲、可将“车速”相应提升至223.7﹪(注：这其中，未计“风阻”等影响)；为便于更直观地理解，现举例说明如下：比如，若以现有普及型城市道路通勤自行车“平均时速15公里”作为参照，而本发明则可将“平均时速”相应提升至33.555(15
×
2.237＝33.555)公里[补充说明：这其中，“踏力、踏频”皆与现有自行车相同，并且“骑行踩踏驱动方式”亦大抵相同(即由两脚交替踩踏脚蹬作“上下前后、周而复始”回转运动)；而据此，则严格意义上讲，本发明与传统自行车二者间相比，不仅具有(具备)“传承性与可比性”、且所述“传承性与可比性”亦更趋于“合理性与严谨性”]。
[0068]
很显然，由如上列举的“优选实施例”及其相关技术参数(指标)的对比，亦充分印证了本发明之“显著进步”及其有益效果就在于：它同比于现有传统自行车，至少可使脚踏驱动机构之“踩踏骑行工效(即：人力脚踏做功工效)”实现倍增、且“省力(或增速)”效果乃尤为显著的。特别是：相比于现有传统自行车、本发明可在“不增加体能消耗(即
‘
踏力及踏频’皆与现有自行车相同)”之前提下，而将“平均时速”由原先的约为15公里(注：以现有普及型城市道路通勤自行车为参照)、相应提升至“30公里”及以上，则更使得本发明之“相关技术指标[如：最高时速(限速指标)]”、乃相当于(或优于)目前使用的“电动(电助力)自行车”[注：目前欧盟标准及中国标准(新国标)皆为≦25公里/小时]；并且，本发明相比于“非机动车属性”的现有电助力自行车(如：脚踏驱动装置装有“力矩传感器”的智能型电助力自行车)，不仅车辆本身造价大为降低、且“综合使用成本”亦更为低廉，既免去了动力蓄电池
“
充电的烦恼(麻烦)”、且能够有效杜绝(避免)充电过程中“易发生火灾”等安全隐患，而这些显著优点都将有助于“本发明”更容易获得广泛普及使用(应用)。尤其是：本发明若能够广泛应用于目前普及使用的“共享单车”，则对于有效改善(减轻)“超过15公里(或骑行半小时及以上)”的中短途骑行疲劳、并相应提高人们日常通勤(出行)效率，其“省时、省力效果(实际骑行体验)”乃显而易见的。而这不仅更有助于倡导“运动健身、绿色环保”的中短途(5-10公里)出行方式；并且，就当今汽车(家用轿车)后普及时代而言，自行车更赋有“低碳环保节能减排(有益于改善生态环境)”、以及“占道面积少可缓解路面交通拥堵(有益于改善和提升城市交通运行效率)”等诸多社会公益性特征。不止如此，本发明若得以广泛应用，则对于目前广泛使用的“共享单车(亦包括：城市公共自行车)”的未来发展(可持续发展)，或可谓具有“承前启后、继往开来”的现实意义；尤其是本发明同比于现有自行车、至少可使脚踏驱动机构其“能效比[即：输出转矩(m)/输入踏力(f)]”实现倍增，若就此改进效果其“显著性”而言，或堪称自行车发展史上、甚至可谓具有重要里程碑意义或也不为过[补充说明：回溯自行车逾200年发明(发展)史及其“产业化(商品化)”演变过程，并就本发明与传统自行车及现有技术相比、所具备的“可实施性(传承性与实用性和经济性)”及其相关技术指标的“先进性与可比性及严谨性”而言，则乃“实事求是”与相对客观地讲、亦并非是“夸大其词”]。
[0069]
最后需要申明的是：本发明不仅限于前文所述的“典型实施例”、以及“具体实施方式”中所列举的“优选实施例”，而本发明所涉及的应用范围及其相关产品亦较为广泛的。例如，由本发明所提供的“曲柄滑块式(增矩省力型)”脚踏驱动装置，亦广泛适配于包括：由两脚交替(接续)踩踏左(右)脚踏板作“上下前后、周而复始”回转运动之脚踏驱动方式做功的各种人力机械。比如，典型的有：可直接应用于现有“人力三(四)轮脚踏车、以及景区人力脚踏游览船”等相关类似产品。又比如，将本发明之“曲柄滑块式(增矩省力型)”脚踏驱动装置、通过相应的“传动装置”与终端设备相连接，乃可以构成诸如：人力脚踏车载“一体式”(便携式)低扬程抽水机(泵)；小型谷物脱粒机；小容量(小功率)人力脚踏发电机等等[具体应用范围(场景)不再一一赘述]。而据如上所述，乃有必要予以进一步申明的是：凡运用本发明主体结构(脚踏驱动装置)所构成的各种“利用人力脚踏驱动(做功)”之人力机械[包括延展设计(拓展设计)的相关产品及装置或设备]，若是所涉及到的“相关技术特征(以
‘
权利要求书’为参照)”并未有明显的“实质性”改进与进步、或者仅仅只是对于本发明之“曲柄滑块式(增矩省力型)”脚踏驱动装置(本质特征)及其零部件的“等效替换”；那么，皆理应落入本发明“权利要求”之保护范围。

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