本发明涉及自行车曲柄，包括

至少一个链轮，其绕一中心轴可转动地安装，

两个踏板臂，每一踏板臂在第一端以限制可转动的方式安装在其转动 铰链处，该转动铰链相对于链轮固定并且偏心地设置在链轮的每一侧，并 在第二端分别可转动地连接到其踏板上，以便骑车人运用力，和

两个弹簧装置，每一弹簧装置在第一端连结到其第一弹簧连结件上， 第一弹簧连结件相对于链轮固定并且偏心地设置在链轮的每一侧，并在第 二端连结到第二弹簧连结件的每一踏板臂上，第二弹簧连结件离踏板臂的 第一端一定距离，以向中心轴线牵引带有踏板的踏板臂的第二端，并且当 在踏板上运用的力增大时，允许带有踏板的踏板臂的第二端转离中心轴 线。

自行车曲柄从自行车踏板向一个或多个偏心的链轮传递运动和力，以 经一链条向后轮进一步传递运动和力。

在骑车人的蹬踏作用过程中，在向下运动部分中的力最大，而在剩下 的运动部分中则很轻微或不再存在。为了增大从骑车人传递给自行车的能 量，提出了几种装置，在向下蹬踏作用过程中这些装置能延伸从踏板到曲 柄中心的距离，从而给踏板上的力一更长的转矩臂。

FR2062858描述了一种自行车曲柄，其中一内部踏板臂和一外部踏板臂 连接在一弹簧加载的铰链处。通过一片簧使该铰链被压入这样的位置，其 中两个踏板臂形成大约90°的角度。在向下蹬踏作用过程中当力作用在踏板 上时，铰链被弄直，结果踏板臂伸长并且踏板上的力就获得一更长的力臂。

DE858648描述了带有一类似踏板臂的一种自行车曲柄，但不同处是采 用螺旋弹簧来代替叠层弹簧。

NO80229描述了一种自行车曲柄，其带有一弹性(sprung)的弯曲踏板 臂，当在向下蹬踏作用过程中力作用在该踏板臂上时，踏板臂被强制拉出 到大致笔直的位置，从而增大从踏板到自行车曲柄中心的距离。

US2316530描述了一种自行车曲柄，其中踏板臂偏心地可转动地连结到 链轮上，靠近链条的啮合半径。采用压缩弹簧形式的弹簧装置从链轮的偏 心连结件向踏板臂上的一连结件延伸，其中弹簧装置带有完全为螺纹的拉 杆，其促使压缩弹簧作为拉伸弹簧起作用，从而向链轮牵引踏板臂。弹簧 的偏心转动连结件位于踏板臂偏心连结件的径向相反侧，并且在踏板臂内 的弹簧连结件与踏板臂的转动连结件相比，位于更靠近踏板的位置。拉杆 上的调节螺母提供限制弹簧运动的挡块，从而使踏板臂在内部位置与外部 位置之间运动。

带有可调节或可动踏板的其它自行车曲柄描述在DE2509021， DE3813953，FR2388713，SE419960，SE446846和DK162083中。

上述自行车曲柄都没有投入广泛的使用中。推想这主要是由于踏板太 容易屈服的事实，结果使得骑车人失去了控制自行车的感觉。另一原因可 能是在骑车人所希望的蹬踏作用点处却没有出现踏板臂的伸长。

本发明的目的是提供一自行车曲柄，其中在蹬踏作用过程中踏板上的 力最大时能部分地储存能量，而在接下来的蹬踏作用过程中其被释放为一 驱动力。另一目的是骑车人在能量的储存和释放过程中能将足部的运动和 足部上的力作为一稳定的运动或力而加以体验。再一目的是在蹬踏作用的 下部过程中，与不储存能量的已知自行车曲柄的情形相比，踏板不会运动 到更靠近于地面，以避免刮蹭地面。还有一目的是根据本发明的自行车曲 柄将提供自行车对骑车人的振动和颠簸的缓冲。又一目的是踏板力的力臂 在向下蹬踏作用过程中将延伸。再进一步的目的是本发明可通过在踏板相 对于链轮固定的已知类型的自行车曲柄中交换或增加元件来实现。

根据本发明，用在引言部分所述类型的自行车曲柄加上权利要求书中 所述的特征，可以达到上述这些目的。

下面结合对具体实施例的描述，与US2316530中所述类型的已知的自行 车曲柄进行对比，并且参照附图，更详细地叙述本发明，图中：

图1是根据本发明的自行车曲柄从自行车的链轮侧观看的正视图，

图2是图1的自行车曲柄从相反侧观看时的正视图，

图3是用于本发明中的一转动铰链的分解透视图，

图4是根据本发明自行车的原理图，

图5a-e表示在向下蹬踏作用过程中根据本发明的自行车曲柄，

图6a-e表示在向下蹬踏作用过程中在US2316530中所述类型的自行车 曲柄。

在所有附图中，同样的参考标记用于相应的部件。

图1和2分别表示从自行车的链轮侧和相反侧观看时根据本发明的自行 车曲柄。没有记号的参考标记表示前踏板臂和相应的元件及部分，其中前 踏板臂即位于向下蹬踏作用中的踏板臂。带有记号的参考标记表示位于向 上返回运动中的踏板臂。

在已知方式中，自行车曲柄包括至少一个链轮1，其绕一中心轴线2可 转动地安装，通过半径为R1的外齿环来操作一链条。此外，两个踏板臂3、 3’在第一端4、4’以限制可转动的方式分别安装在其转动铰链6、6’处，其中 转动铰链偏心地设置在链轮1的每一侧并且相对地固定于其上。通过在托架 17的一端布置转动铰链6而在链轮侧获得转动铰链与链轮之间的固定连 接，其中托架17被牢固地连接到链轮1上并且在功能上构成链轮的一加强 件。在相反侧，转动铰链6’布置在一托架17’上，该托架17’经一可转动的轴 毂16被牢固地连接到链轮上。可转动的轴毂16是与不储存能量的已知的自 行车曲柄同样的类型，因此不再进一步描述。

每一踏板臂在第二端5、5’以可转动连结件15、15’可转动地连接到其踏 板7、7’上，以便骑车人用力。采用拉伸弹簧8、8’形式的两个弹簧装置在第 一端9、9’分别连结到其第一弹簧连结件11、11’上，所述的连结件相对于链 轮固定并且偏心地布置在链轮的每一侧。该固定的连结是通过在链轮侧上 成为链轮一部分的弹簧连结件11获得的，而在链轮相反侧上的弹簧连结件 11’则成为托架17’的一部分。

拉伸弹簧8、8’在第二端10、10’连结到第二弹簧连结件12、12’处的每 一踏板臂3、3’上，第二端离踏板臂的第一端4、4’一定的距离。在所述实施 例中，第二弹簧连结件12、12’位于踏板臂的第二端5、5’，靠近踏板的连结 件15、15’，并且与踏板的连结件相比，离转动铰链6、6’略远。第二弹簧连 结件也可以与踏板的连结件15、15’相同。

当增大的向下力作用在踏板上时，拉伸弹簧8、8’向中心轴线2牵引带 有踏板7、7的’踏板臂的第二端5、5’，使带有踏板的踏板臂第二端沿箭头P2 所示方向转离中心轴线。

图3是转动铰链6、6’的一分解透视图。被牢固地连接到托架17、17’上 的一挡块13、13’与在踏板臂3、3’第一端4、4’的一挡块14、14’相配合。这 两组挡块一起在转动铰链6、6’内导致受限制的转动性。

根据本发明，挡块13、14、13’、14’适于允许踏板臂3、3’在一内部位 置与一外部位置之间转动，其中在内部位置踏板臂与在中心轴线2和转动铰 链6、6’之间的线形成一钝角V1，而在外部位置踏板臂3、3’从中心轴线2向 外大致径向伸出(指向)。这非常清楚地表示于图4中，该图是根据本发明的 自行车曲柄的一原理图，其表示在内部位置的踏板臂。外部位置示于图1 中，其中前踏板臂5位于外部位置。

此外，根据本发明，当踏板臂位于其内部位置时，第一弹簧11、11’应 当位于中心轴线2与转动铰链6、6’之间的线与踏板臂的第二端5、5’的同一 侧。参照图4，这意味着第一弹簧连结件11应当位于中心轴线2与转动铰链 6、6’之间的线之上。而且，第一弹簧连结件的位置将由一角度V2确定，该 角度由在第一弹簧连结件11、11’与中心轴线2之间的线与在中心轴线2与转 动铰链6、6’之间的线形成，其应当在30°～150°之间。

图5a—e表示根据本发明的自行车曲柄在向下蹬踏作用过程中的情况，其 中踏板由力F作用并且链轮沿由箭头P1所示的方向运动。在此可看出当踏板 臂从内部位置(参见图5b)向外部位置(参见图5c)运动时，弹簧如何拉伸，从 而储存能量。当踏板臂进一步下移，接近蹬踏作用的底部时，弹簧就收缩(参 见图5d)，释放作为驱动力的储存能量，该驱动力驱动链轮，而与此同时踏 板臂运动返回到内部位置。

测试表明，在从内部位置到外部位置和返回到内部位置的踏板臂的运 动过程中，经受着作用于骑车人足部的踏板的运动与反压力，作为稳定的 运动或力。

测试还表明，在踏板作用的下部过程中，与不储存能量的已知自行车 曲柄相比，踏板不会运动得大致更靠近于地面。

根据本发明的自行车曲柄还提供对从自行车向骑车人的振动与颠簸的 缓冲。当骑车人站立在车架上同时一山地自行车沿粗糙的斜坡向下骑行 时，这种缓冲效果尤为明显，其中路面可能包括例如树根或石头，其在自 行车内产生剧烈的振动与颠簸。在该情形中，自行车的速度由重力维持， 并且骑车人几乎站在踏板上，踏板向前和向后伸出，如图5c所示。由于骑 车人将其重量分配在两个踏板上，并且假定自行车曲柄的各种尺寸和弹簧 的张力适于骑车人的重量，则前踏板将呈现在内部位置与外部位置之间的 弹性的中间位置。由于后轮的转动和在链轮与后轮之间的自由轮连结件， 前踏板的弹性运动将传递给后踏板而不会传递给后轮。由此提供了两个踏 板的弹簧缓冲作用。

采用根据本发明的自行车曲柄，可达到其进一步的目的，即踏板力的 转矩臂(力臂)、也就是由骑车人作用在踏板上的力的转矩臂在向下蹬踏作用 过程中被延伸了。踏板力的转矩臂的延伸有助于增大从骑车人传递给链轮 的能量，但由于在开头所提及的几种已知自行车曲柄中也能完成此效果， 因此该特征本身不能说是构成本发明的核心。

本发明可通过将托架17安装在一链轮和标准的已知类型的一相应轴毂 上来实现，其中在标准类型的轴毂中，踏板相对于链轮固定。类似地，托 架17’可以安装在轴毂上相对于链轮的相反侧。第一弹簧连结件11可通过链 轮内的已有的或新的孔来实现。因此可以通过改进(retro-fitting)踏板相对于 链轮固定类型的自行车曲柄内的元件来实现本发明。

在根据本发明的自行车曲柄的设计与使用者如何体验之间的准确关系 非常复杂，这取决于使用者的重量、自行车使用的方式以及骑车人的个人 爱好。因此，不可能指明有关弹簧装置和自行车曲柄的不同距离的一准确 的、通用的最佳尺寸。

然而，测试表明在转动铰链6、6’和踏板臂第一端4、4’内的挡块13、14、 13’、14’应当设计成使得角度V1在110°和160°之间，更好的是在130°和150° 之间，而最好是如图4所示大约为145°。

还已证明第一弹簧连结件11、11’应当以这样的方式设置，即角度V2在 60°与120°之间，更好的是在75°与105°之间，而最好是如图4所示大约为90°。

此外，中心轴线2与转动铰链6、6’之间的距离应当为链条的啮合半径 R1的0．6～1．4倍，更好的是0．8～1．2倍，而最好是大约为1．0倍，如图4所示。

第一弹簧连结件11、11’与中心轴线2之间的距离应当为在中心轴线2与 转动铰链6、6’之间的距离的0．3～1．0倍，更好的是0．5～0．8倍，而最好是大 约为0．65倍。

还已证实转动铰链6、6’与踏板的连结件15、15’之间的距离应当为中心 轴线2与转动铰链6、6’之间的距离的0．5～1．2倍，更好的是0．7～1．0倍，而最 好是大约0．8倍。

弹簧装置8、8’应当是预张紧的，从而需要一定量的张力来使其产生初 始拉伸。该目的通过骑车人必须在踏板上作用一定量的最小力，以从内部 位置向外部位置移动踏板臂来实现。当对弹簧正确地选择弹簧常数和预张 紧时，踏板臂将仅出现在外部位置在向下蹬踏作用的区域，此处的踏板力 最大，这意味着此时踏板处于图5b-d所示的位置。

在一优选实施例中，如图1和2所示，链轮的外径为220mm，角度V1为 145°，角度V2为90°，中心轴线2与转动铰链6、6’之间的距离为100mm，第 一弹簧连结件11、11’与中心轴线2之间的距离为65mm，转动铰链6、6’与踏 板连结件15、15’之间的距离为80mm，和转动铰链6、6’与第二弹簧连结件 12、12’之间的距离为97mm。弹簧装置包括以1．3kN的张力预张紧到初始拉 伸量的线性拉伸弹簧。

为了进一步阐明本发明与已知的自行车曲柄的区别，下面通过与图6a 中所示的在US2316530中所述类型的自行车曲柄的比较来解释本发明。

图6a中所示的自行车曲柄包括一链轮101，一踏板臂104和一弹簧装置 108，其中踏板臂在一端以偏心的转动铰链106连结到链轮101上，而在另一 端设有一踏板107，弹簧装置108在一端连结到第一弹簧连结件111的链轮101 上，而在另一端则连结到踏板臂104上，比转动铰链106更靠近踏板107的位 置。在弹簧装置108内采用螺母形式的挡块装置，确保踏板臂104可以在如 图6a所示的一内部位置与在如图6c所示的一外部位置之间运动。挡块装置还 给弹簧装置108提供预张紧。弹簧连结件111位于与转动铰链106径向相反的 位置，这相对于根据本发明的自行车曲柄是一根本的区别。此外，与根据 本发明的自行车曲柄中的踏板臂相比，踏板臂104在更靠近于曲柄中心的区 域上运动。

图5a-e表示在向下蹬踏作用过程中根据本发明的自行车曲柄，而图6a-e 表示在相应的向下蹬踏作用过程中在US2316530中所述类型的自行车曲 柄，图5a相应于图6a，图5b相应于图6b，依此类推。

下面通过考虑理论力学来解释这两种自行车曲柄之间的区别。与自行 车曲柄元件的质量有关的动力学关系对于自行车曲柄的操作模式并不重 要，因而可以忽略。

根据力学原理，当一物体受到一力矩作用时，其将开始转动，其中力 矩由一力与其力臂的乘积来定义。在两种自行车曲柄的情形中，当踏板力 的力矩超过来自于弹簧张力(下称弹簧力)的力矩时，踏板臂4、104将开始转 动并且从内部位置向外部位置运动，其中力矩是绕转动铰链6、106计算的。 用数学术语表示根据本发明的自行车曲柄的踏板臂的初始转动为下面的力 矩等式：

Fp*ap=Fs*as，

其中Fp为踏板力，ap为踏板力的力臂，Fs为弹簧力和as为弹簧力的力臂。

类似地，在US2316530中所述类型的自行车曲柄的踏板臂的初始转动为 下面的力矩等式：

F’p*a’p=F’s*a’s，

其中采用相应的标记符号。

只要转动铰链6、106不承受任何力矩，即在踏板臂向外部位置的整个 运动过程中，都会保持该力矩等式。因此，踏板臂的位置由踏板力、其力 臂以及弹簧力和其力臂确定，其中这些参数都是变量。因此，对于两种自 行车曲柄来说，可以非常透彻地理解在蹬踏作用过程中踏板臂位置的一完 整的比较。

为了简化对自行车曲柄操作模式的描述和比较，假定在向下蹬踏作用 的过程中踏板力垂直地向下指向并且具有一恒定的大小，即Fp=F’p=F。

图5a、6a表示在顶部附近的踏板，其中踏板力指向转动铰链。因此踏 板力的力臂ap、a’p为0，并且踏板力不产生力矩。弹簧力具有力臂as、a’s并 且产生将踏板臂保持在内部位置的力矩。

图5b、6b表示在踏板力的力臂与弹簧力的力臂相等，即ap=as和a’p=a’s 的位置的踏板。为便于比较，假定在两种自行车曲柄中的弹簧的尺寸为这 样的方式，即弹簧初始拉伸所需的张力与踏板力相同，因此图5b、6b表示 在踏板力的力矩将要超过弹簧力的力矩并且踏板臂将开始移出内部位置时 的踏板。

图5c、6c表示在当踏板力垂直于从踏板到转动铰链的距离的位置时的 踏板。在该情形中，踏板力的力臂ap、a’p等于从踏板到转动铰链的距离，由 此获得其最大值，这意味着踏板力的力矩也获得其最大值。对于两种自行 车曲柄，可以看出踏板力的力臂ap、a’p为弹簧力的力臂as、a’s的大约两倍， 假定弹簧在两种自行车曲柄中的尺寸为这样的方式，即踏板臂位于外部位 置。

图5d、6d表示在踏板力的力臂ap、a’p为弹簧力的力臂as、a’s的大约1．33 倍位置时的踏板。由于在该情形中踏板臂位于外部位置并且弹簧被拉伸， 因此弹簧力比当踏板臂位于内部位置时要大，为便于对比，假定在两种自 行车曲柄中弹簧的尺寸以这样的方式设定，即踏板臂在此开始向内部位置 运动。

图5e、6e表示踏板臂在底部附近，并且踏板力再次指向转动铰链。踏 板力的力臂ap、a’p再次为0，因而踏板力不产生力矩。弹簧力的力臂as、a’s 促使弹簧力产生一力矩，该力矩将踏板臂保持在内部位置。

对于每一个相应的图5a-e和6a-e，踏板力的力臂与弹簧力的力臂之间的 比率相同。通过比较这些图，可以看出图6a-e中的踏板在蹬踏作用中比在相 应的图5a-e中的踏板运动得更远。当比较图5c与6c以及5d与6d时，可尤其清 楚地阐明这一点，此时处于踏板臂开始运动返回到内部位置的区域。因此， 这些图表示出在根据本发明的自行车曲柄中，获得了比在US2316530中所述 类型的自行车曲柄中更早的踏板臂的伸张和收缩。确切地说这种更早的踏 板臂的伸张和收缩有益于骑车人。

通过对比图5e与6e，可进一步看出在踏板臂运动返回到内部位置的区 域，根据本发明的自行车曲柄能获得比在US2316530中所述类型的自行车曲 柄更圆的和因而更顺滑的踏板作用。

踏板力的力矩取决于曲柄的转动位置，并且如结合图5c所述的，当踏 板力垂直于从踏板到转动铰链的距离时具有其最大值。当踏板大致位于中 心轴线的高度上时希望出现该最大力矩，因此根据本发明，当踏板臂位于 外部位置时，其从中心轴线大致径向向外地伸出。

但是，弹簧力的力臂却不取决于曲柄的转动位置。如图5和6所示，弹 簧力的力臂取决于踏板臂的位置和第一弹簧连结件的位置，并且可看出对 于这两种自行车曲柄，弹簧力的力臂随着踏板臂从内部位置向外部位置运 动而减小。

从图5可看出，第一弹簧连结件在根据本发明的自行车曲柄中不能位于 转动铰链的径向相反侧，因为当踏板臂向外部位置运动时，这将造成弹簧 力的力臂趋向0变化，其中在外部位置时踏板臂从中心轴线径向向外伸出。 根据本发明该条件由角度V2确定，其中角度V2由第一弹簧连结件与中心轴 线之间的线和中心轴线与转动铰链之间的线形成，其至少为30°。本发明进 一步由这样的事实限定，即角度V2应当最大为150°，因为在踏板臂运动过 程中较大的角度将产生弹簧较小的延伸。然而，从以上论述中应当清楚， 这些限制对于根据本发明的自行车曲柄的实际设计并不是严格的。