CN101337545A - 自行车和机动车的防抱死和防滑机械转矩刹车***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于使车轮、尤其是自行车车轮转动减速和终止的节省成本的防抱死刹车***。该***包括用于使施加的制动力机械地降低并维持到一基准的装置，该基准低于车轮的前向扭力，从而防止不安全的车轮抱死。

Description

自行车和机动车的防抱死和防滑机械转矩刹车***及方法

技术领域

本发明尤其涉及用于自行车及其它电动轮车辆的防抱死(antilock)和防滑机械刹车***。

背景技术

现有技术中已知尤其适用于自行车和摩托车的许多刹车***。人们提出了多种机构和技术，其适用于在急停时避免减速轮抱死(lock)并因此消除自行车打滑。

人们不断提出仅对市售产品进行改进的刹车***。因此，授予Sugimoto的美国专利No.6,155,383和授予katsuyuki等人的美国专利No.5,913,388(两篇文献均属Shimano公司)公开了用于自行车的机械改进的刹车***。另一方面，授予Abdulatif的美国专利No.5,730,256教授了一种复杂的机械防抱死刹车***，用于间歇地释放由制动靴施加到正在减速的车轮上的压力。该***是仅基于车辆速度的易损坏、特别重并且复杂的***，其不适于大量生产和用于山地或运动自行车上。

因此，存在对用于自行车的低成本防抱死和防滑机械刹车***的需要，该***重量轻，适于日常使用。

授予Li、标题为“Brake Shoe Assembly for a Bicycle BrakeDevice”的美国专利No.5,503,253和授予Huang、标题为“Anti-LockBrake System for a Bicycle”的美国专利申请No.2004/0182655中介绍了用于自行车的其他防抱死刹车***。这两个发明涉及容纳在自行车制动靴组件内的防抱死刹车机构。两者都不能有效工作，这是因为他们实际上没有考虑在紧急刹车的情况下作用在制动靴上的大制动力。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于自行车和电动自行车的防抱死和防滑机械刹车***，包括简单、可靠、耐久的***，其可适用于与任何自行车类型、尺寸和用途(例如，山地、运动或公路自行车)一起使用。

本发明的防抱死和防滑机构背后的原理在于，由车辆负载轮产生的扭矩作为在紧急刹车期间使同一轮解锁的力源，从而允许车轮在最接近抱死点的摩擦点处转动。

因此，提供了一种用于使车轮转动减速或停止的防抱死刹车***，包括用于将施加的制动力机械降低并保持在一基准的装置，所述基准低于车轮的向前扭力，从而避免危险的车轮抱死。保持这一基准，直到车轮达到足够低速使得抱死导致自行车或其他车辆以完全安全的方式停止，而不会飞出或打滑的时刻为止。

优选地，所述装置包括至少一个可运动推杆和连接到其上的至少一个施力构件，从而有助于向车轮施加磨擦制动力。当施力构件在过度刹车期间与车轮一起瞬时抱死时，施力构件适于与车轮一起向前短距离运动。当施力构件向前运动时，这导致推杆自动作用在施力构件上，从而导致施力构件以防抱死方式运动，从而解除车轮上的抱死。

下面将描述两个优选实施方式。首先，适合于与V型制动器一起使用，施力构件相当于一对制动臂和相连的制动靴。这样，在制动臂由于车轮抱死而与车轮一起向前拖曳的情况下，一对推杆作用在制动臂上，从而导致它们向外运动，远离轮缘。在第二主优选实施例中，用于与盘式制动器一起使用，施力构件相当于制动器箱和齿轮组件。这样，推杆连接到齿轮组件上，使得当制动器箱由于抱死原因而与所述盘一起向前拖曳时，推杆动作以使齿轮组件上的制动作用反向，从而解除车轮上的制动器箱抱死。

因此，在本发明的第一优选实施例中提供了一种防抱死刹车***，包括一对制动臂，每个制动臂具有连接到其下端的制动块，用于对车轮施加制动力。制动臂适于向内运动，其能够以类似于传统刹车***的方式将施加的制动作用传递给制动块。防抱死***还包括一对可运动推杆，其在一端连接到制动臂的顶端，在另一端经追踪器(tracker)连接到主弹簧上。当制动臂在初始刹车期间向内运动时，推杆以相应的方式向内运动，并且弹簧由于制动作用而压缩。制动臂还适于向前运动，使得当制动块和制动臂在发生紧急刹车的情况下抱死到车轮上时，制动臂与车轮一起向前拖曳。该制动臂的向前拖曳允许推杆向外后退，从而导致制动臂相应的向外运动。当制动臂向外运动时，制动块在车轮上的抱死解除。应当认识到，车轮上的制动块只允许瞬间抱死，以便触发防抱死动作。

因此，根据本发明的第二优选实施方式还提供了一种与盘式制动器一起使用的防抱死刹车***。该***包括连接到车轮中心轴上的刹车盘，用于在摩擦力施加到盘上时使车轮减速，如本领域中众所周知的那样。该***还包括制动器箱，该制动器箱包括齿轮组件，用于将施加的制动力传递给制动盘。当制动器箱在发生紧急刹车的情况下抱死到所述盘上时，该制动器箱适于与该盘一起向前运动。该***还包括连接到齿轮组件，和连接到主弹簧上的至少一个可运动推杆。推杆适于向前转动，使得当制动器箱抱死到盘上时，推杆以相应方式推动，从而导致推杆以防抱死方式作用在齿轮组件上，这样，所述盘上的制动器箱的抱死得以解除。优选地，推杆经回转接头连接到齿轮组件上，使得推杆作用在齿轮组件的至少一个齿轮上，这样，齿轮沿与初始制动作用相反的方向转动，盘上的有效摩擦力因此减少到低于车轮转矩的基准。

附图说明

为了理解本发明并了解本发明在实践中如何实现，现在将参照附图仅通过非限定实施例的方式对多个优选实施例进行描述，其中

图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例的防抱死刹车***的侧面立体图，其特征在于操作具有上铰链的V型制动臂，推杆机构，以及适于在发生紧急刹车时对自行车轮产生的转矩作出反应；

图2示意性地显示了在未使用防抱死刹车***、并且自行车轮自由转动时，图1所示防抱死刹车***的顶部前向透视图；

图3示意性地显示了在刹车操作刚一开始时，图1所示防抱死刹车***的顶部前向透视图。当压住制动线时，由使用者施加给所述机构的作用力的方向由曲线箭头表示，并且所述机构回缩到完全刹车抱死由箭头标出；

图4示意性地显示了当防抱死机构由于主弹簧完全压缩而致动时，图1所示防抱死刹车***的顶部前向透视图。该阶段由箭头表示为推杆改变方向并且取代向内运动，制动臂迫使它们以回转方式运动(由于制动臂和轮缘上的制动块的瞬间抱死)，从而打开远离中心轴。这导致制动臂被推离轮缘，因此，解除制动块的夹紧并在下一个最高的摩擦基准时使制动解锁，从而允许车轮发生运动，同时在没有车轮抱死的情况下，允许车轮尽可能安全地迅速减速。

图5示意性地显示了防抱死刹车动作终止、再抱死动作刚刚开始以便实现最终的停止时，图1所示防抱死刹车***的顶部前向透视图。因为减速轮的转矩变得极小；在弹簧压力和沿箭头方向的制动线拉力的作用下，推杆开始回缩，从而使车轮停止运动；

图6示意性地显示了当防抱死刹车***返回到非致动状态，允许车轮为了进一步运动而旋转时，图1所示防抱死刹车***的顶部前向透视图；

图7示意性地显示了减速齿轮和作用于其上的作用力；

图8示意性地显示了根据本发明的第二优选实施例的防抱死机构的侧部透视图，所述机构与具有盘式制动器的自行车或其他车辆一起使用；以及，

图9和10示意性地显示了示出防抱死机构的盘和相关部件的可选侧视图的图8中的防抱死机构。

具体实施方式

与本发明的所有章节一起提供了下列说明，从而使本领域中的所有技术人员能够利用所述发明，并且提出了由实现本发明的发明人所考虑的最佳方式。但是，由于本发明的一般原理已经明确限定为提供一种用于自行车和/或所有轮驱动车辆的防抱死和防滑机械刹车***，因此各种改进对于本领域的技术人员来说显而易见。

术语“自行车”在本发明中通常是指所有自行车(尤其是运动和山地自行车)，串座双人自行车，四轮马车，手推车，摩托车；机动自行车及类似交通工具；还指以至少一个转动负载轮按可控方式偶然停止或减速为特征的任何车辆或汽车。为了简化起见，下文将根据自行车进行描述。

术语“弹簧构件”在本发明中是指任何弹簧，螺旋弹簧或其他弹簧状构件；弹簧组件(例如，围绕更窄的逆时针方向盘簧的顺时针方向盘簧，多个平行簧片等)，液压制动机构，压缩液体***中的活塞，等等。本发明公开了防抱死和防滑机械刹车***。在附图显示的一个优选实施例中，自行车的刹车***为V型制动器，如本领域众所周知的那样。在附图显示的另一个优选实施例中，制动为盘式，同样为本领域中所公知。本领域的技术人员应当认识到，本发明的防抱死机构还可以容易地应用于其他类型的制动上。

应当认识到，本发明满足与已知自行车刹车***一起使用的需要，所述刹车***防止了在紧急刹车时发生车轮打滑和抱死。在本发明的上下文中，“紧急刹车”是指骑车人使用过度作用力致动刹车机构，导致制动块抱死车轮的情况。应当认识到，本发明的机构提供了高效的机械***，用于使自行车能够尽可能快地减速，同时防止打滑或抱死。

现在参考图1，该图是根据本发明的一个实施例的防抱死刹车***的侧面立体图。该制动的特征在于具有前驱动叉(1)，前轮(2a)和轮缘(2)。自行车以受控方式通过防抱死刹车组件的装置减速，所述装置包括两个略微弯曲的制动臂(6)(6a)，每个制动臂具有连接到其上的制动块(7)(7a)，制动块(7)(7a)适于在刹车期间夹紧轮缘(2)，从而通过摩擦力使车轮(2a)减速。在本领域已知的刹车***中，当使用者致动自行车制动时，内向力施加到制动臂(6)(6a)上，从而将制动块(7)(7a)压靠在轮缘(2)上。

应当认识到，尽管本发明的优选实施例根据自行车的前轮进行描述，但是所述机构还可以容易地应用于后轮，以及自行车的两个轮。

仍然参考图1，本发明的防抱死刹车组件还包括容纳于弹簧室(3a)内的主弹簧(4)，所述弹簧室位于驱动叉(1)下方和自行车轮(2a)上方。防抱死追踪器(13)用于将弹簧(4)机械地连接到第一推杆(5)和第二推杆(5a)上，使得推杆(5)(5a)向内和向外的运动影响刹车期间弹簧(4)的压缩度。该过程将在下文进行更详细地描述。

每个制动臂(6)(6a)安装在回转轴(8a)上，所述回转轴能够使制动臂(6)(6a)相对于车轮(2a)向内运动以实现制动，并且当施加的制动力减少时向外运动，从而减少车轮(2a)上的有效制动力。还设置相对的轴(6b)，在施加过度制动力期间，允许制动臂(6)(6a)在制动块(7)(7a)抱死轮缘(2)的情况下与车轮(2a)及其扭力一起向前运动。每个制动臂(6)(6a)的上部连接到推杆(5)(5a)的末端，从而在需要时致动防抱死机构。

现在参考图2，其示意性地显示了在未使用防抱死刹车***、并且自行车轮自由转动时，图1所示防抱死刹车***的顶部前向透视图。所述机构显示为在任何制动作用之前出现并处于“松弛”状态。位于制动线套(6c)内部的制动线(6d)配置为将来自用户手制动(未显示)的制动作用传递给每个制动臂(6)(6a)，并且在施加制动力时使制动臂(6)(6a)向内运动(这将在图3中显示)。在所示实施例中，存在单根制动线(6d)，其与两个制动臂(6)(6a)相连。但是，有可能存在单独的制动线或一根以上的制动线部件，用于将制动作用传递给制动臂，如现有技术中已知的那样。出于清楚的目的，只显示了一根制动线。

应当注意，在“松弛”状态下，推杆(5)(5a)假设为打开延伸配置，如图2所示，并且弹簧(4)处于大体上非压缩状态。

本发明的机构设计成能在用户拉动制动线(使用手制动)时以及当自行车以高于大约4公里/小时的速度前进时被致动。随后的附图显示了本发明的自致动防抱死机构在这种情况下如何操作，从而以安全的方式使自行车减速。

现在参考图3，其示意性地显示了当用户为了实现刹车而拉动制动线开始制动操作时，图1所示防抱死刹车***的顶部前向透视图。当制动用手致动时，一系列机械动作开始。首先，拉动制动线套(6c)内的制动线(6d)，导致制动臂(6)(6a)由于在回转轴底座(8a)上旋转的原因而朝向彼此向内旋转。该运动由图3中的箭头A表示。制动臂(6)(6a)的内旋产生沿垂直于车轮(2a)方向的作用于制动块(7)(7a)上的内向力。制动块(7)(7a)上的内向力导致制动块(7)(7a)向内运动(沿“B”箭头的方向)以接触轮缘(2)，并且在其上施加摩擦力，从而开始使车轮运动减速的过程。

仍然参考图3，当制动臂(6)(6a)向内运动时，制动臂(6)(6a)推动推杆(5)(5a)，导致推杆(5)(5a)相对于由防抱死追踪器(3)限定的轴线向内旋转。该运动由图3中的箭头C表示。弹簧(4)根据磨擦制动力的程度和车轮转矩压缩。

上述动作顺序连续进行，只要施加制动力并且车轮(2a)仍然转动就会产生减速。但是，如果骑车人对制动线(6c)施加过度作用力的话，制动臂(6)(6a)抵靠制动块(7)(7a)的杠杆作用将在车轮(2a)上产生摩擦力，其大于影响负载轮(2a)的全部作用力。摩擦力将因此克服由车轮(2a)产生的转矩，并导致车轮(2a)在其受控减速过程中抱死。以刚刚描述过的方式进行的车轮抱死将立即触发防抱死***，从而使车轮解锁并且允许自行车以安全方式减速。该解锁过程将在接下来的附图中进行描述。

现在将参考图4，其示意性地显示了当防抱死机构由于弹簧(4)完全压缩而致动时，图1所示防抱死刹车***的顶部前向透视图。当车轮(2a)和制动块(7)(7a)由于较大的内向摩擦能而暂时“熔融”在一起以作为一个单元动作时，解锁过程开始。用户解除制动上的夹紧力在从车轮上松开制动块方面是不起作用的，从而避免自行车打滑或飞出。因此，需要其他作用力以便终止自行车轮上的抱死。

本发明的防抱死刹车***由负载轮的转矩自动致动，从而以下列方式使制动块从车轮上松开：当制动块(7)(7a)抱死到轮缘(2)上时，制动块(7)(7a)和相应的制动臂(6)(6a)随着车轮(2a)的运动而发生暂时向前拖曳。该拖曳由于具有相对置的轴(6b)而得以允许，通过车轮转矩克服弹簧(4)的压力而将制动臂(6)(6a)向前拖拽，使得所述相对置的轴允许制动臂(6)(6a)随着锁紧轮一起向前摆动一段极短的距离。该拖曳运动由图4中的箭头D表示。制动块(7)(7a)暂时抱死到车轮(2a)上以及制动臂(6)(6a)向前拖曳导致制动臂(6)(6a)解除对推杆(5)(5a)的内向推力(在图3中描述的内向推力是初始制动作用的结果)。推杆(5)(5a)由此被迫向外回退，如图4中的箭头E所示。当推杆(5)(5a)向外打开时，它们导致制动臂(6)(6a)以相应的方式向外打开，从而导致制动块(7)(7a)从轮缘(2)向外运动，并因此解除车轮(2a)上的抱死。该运动由图4中的箭头F表示。应当认识到，推杆(5)(5a)以类似于指南针腿的方式张开，该张开提供了用于从车轮上松开制动块(7)(7a)的杠杆作用，并且允许车轮在没有自行车飞出或打滑的情况下转动。

应当认识到，正当骑车人仍然施加过度制动力时，发生上述一连串动作。由于自致动防抱死机构的原因，车轮连续减速，而推杆提供减少车轮上摩擦力的杠杆作用，使得车轮在减速期间不会抱死。用于使车轮减速的实际摩擦力保持为低于所施加制动力的基准达一段必要的时间，以免制动块抱死到车轮上。一旦摩擦力已经充分降低，就会发生图5所示情况。

还应当认识到，使用本发明的***，不会以急停方式进行刹车，如一些汽车防抱死***那样。相反，本发明的***确保了平稳的刹车过程。这是因为人们发现了推杆的张开“平衡点”或范围，使得在施加过度制动力时，实际施加的制动力，即，车轮上的制动块摩擦力刚好保持低于车轮的正向转矩，从而防止抱死，同时允许车轮减速。

现在参考图5，其示意性地显示了当防抱死刹车动作终止、再抱死动作刚刚开始以便实现最终的停止时，防抱死刹车***的顶部前向透视图。由于使车轮减速的转矩变得极小，制动臂(6)(6a)向前的拖曳可忽略不计。因此，推杆(5)(5a)在施加的制动力作用下再次开始闭合，并且制动臂(6)(6a)再次向内推动，如图3所示，从而导致制动块(7)(7a)对车轮施加全部制动力。还应当注意，制动臂(6)(6a)的内向(和外向)运动通过回转轴底座(8a)变得方便。当速度降到行走速度的低值，例如4公里/小时时，施加到制动线(6b)上的制动力与缩回弹簧(4)的压力结合导致制动臂(6)(6a)和制动块(7)(7a)对车轮施加较低的压力，其远大于车轮的制动扭力。因此，车轮将抱死，以便使自行车完全停止。

现在参考图6，其示意性地显示了当防抱死刹车***返回到非致动状态时，本发明的防抱死刹车***的顶部前向透视图。在该情况下，没有作用力施加到车轮上，因此，车轮自由转动。

现在参考图7，其示意性地显示了减速车轮和作用于其上的作用力。车轮中心为点C，在点G处接触地面。C和G之间的距离等于车轮半径，R。在点B处施加制动力，与中心C大致隔开距离R。为了简化起见，假设B和G之间的距离正好为R。

车轮以角速度W顺时针旋转，以速度V沿轴线X运动。重力沿垂直于X轴的方向，反向于轴线Y作用。

车轮在其中心C处连接到自行车上。自行车的重心沿X轴方向与C相距距离D。自行车的重量为H，包括骑车人、净载重量等。

为了计算作用力F，在发生制动作用并且在其中车轮由于制动作用刚刚停止转动的某一临界瞬间，W＝0，但是自行车仍然运动，V＞0，使得地面以作用力T拖曳自行车，所述作用力T用于停止车轮动作。

当作用力T远超过一转矩时，自行车可能翻倒。在点C处计算，T施加T乘以R的转矩，或TR。该转矩由重量H施加的转矩HD平衡。自行车不会翻倒的条件是TR＜HD，并且极限情况为TR＝HD。

观察车轮，自行车剩余部分的网状物，当它停止转动时，C点处的转矩平衡要求FR＝TR或F＝T。

因此：HD＝TR＝FR，或

F＝HD/R

总之，在不发生自行车飞出危险的情况下，制动必须施加的最大作用力与自行车的重量(包括骑车人，净载重量等)成正比，与从车轮到质量中心的距离成正比，与车轮半径成反比。

当车轮转动，W＞0，并且刹车时，假设车轮重量轻并且没有惯性矩，如果牵引力T暂时消失，如在一块滑地上发生的那样，那么制动力F立即抱死车轮，而不管其大小如何。因此，防止车轮抱死的临界力取决于道路情况。

现在将参照图8、9和10对本发明的第二实施例进行描述。该优选实施例涉及与传统的盘式制动器一起使用的防抱死和防滑机构。尽管其精确的结构不同，但是该实施例基本上以与上述V制动型实施例相同的方式进行工作。即，利用车轮的正向转矩，以便在需要防止不安全的车轮抱死的情况下自动触发防抱死动作。车轮转矩提供了杠杆作用，用于使车轮上的制动块的夹紧反向，从而在紧急刹车情况下使车轮解锁。

现在结合参考图8、9和10，其显示了与盘式制动器一起使用的防抱死机构的可选示意图。该机构包括盘(3)，其中心地连接到车轮的主轴(2c)上。制动块壳体(7)机械地连接到盘(3)上并且通过铰链(7a)连接到主轴(2c)上，因此允许在紧急刹车情况下围绕车轮轴(2c)旋转有限的转动距离，如下文进一步描述的那样。

在制动作用期间，使用者拉动制动线套(6)内的制动线(6a)。拉动制动线(6a)导致齿轮(7b)转动(参见图9)，其继而导致对齿轮(7c)转动(参见图10)。齿轮(7b)(7c)组合形成齿轮组件，人们注意到，其他实施例可以包括不同数量的齿轮。齿轮运动导致位于壳体(7)内的盘式制动块压靠盘(3)，并因此使连接到其上的车轮减速。在过度刹车的情况下，当盘(3)上制动块的摩擦压力变得大于车轮(2c)的正向转矩时，壳体(7)抱死到盘(3)上，使得盘(3)、壳体(7)和车轮作为一个单元结合在一起。当这种情况发生时，制动块壳体(7)被车轮转矩经过在铰链(7a)上的转动而与车轮一起沿图8中曲线箭头的方向向前拖曳。

如9所示，制动块壳体(7)连接到推杆(5)上，所述推杆机械连接到容纳于弹簧室(4)内的负载弹簧(4a)上，所述弹簧室连接到自行车叉(1)或车架上。此外，推杆(5)通过回转接头(5a)连接到齿轮(7b)上。当壳体(7)与盘(3)一起沿车轮运动方向向前运动时，推杆(5)以相应的方式运动。然而，由于回转接头(5a)的存在，推杆(5)的运动将导致推杆(5a)驱动齿轮(7b)，导致齿轮(7b)相对于初始制动作用沿相反方向转动(也称作“防抱死”方式)。使齿轮(7a)(7c)沿方向于初始制动作用的方向旋转具有使制动块壳体(7)稍微远离盘(3)的作用，从而使盘(3)上的制动器箱(7)的抱死解除，并且防止危险的自行车抱死和打滑。

尽管已经相对于特定的具体实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，该描述并不用于限制，这是因为进一步的改进对于本领域的技术人员来说显而易见，并且本发明用于涵盖落入本发明范围的此类改进。

Claims (5)

1.一种用于使车轮转动减速和终止的防抱死刹车***，

包括用于使施加的制动力机械地降低并维持到一基准的装置，所述基准低于车轮的前向扭力，从而防止不安全的车轮抱死。

2.如权利要求1所述的***，其中，所述装置包括至少一个可运动推杆和连接到其上的至少一个施力构件，用于方便地向车轮施加摩擦制动力，其中所述施力构件适于与所述车轮一起向前运动，使得当所述施力构件发生向前运动时，所述推杆自动作用在所述施力构件上，从而导致所述施力构件以防抱死方式运动，从而解除所述车轮上的抱死。

3.如权利要求1所述的防抱死刹车***，用于与V型制动器一起使用，包括：

a.一对制动臂，每个制动臂都具有连接到其下端的制动块，用于给车轮施加制动力，其中所述制动臂适于向内运动，用于使施加的制动作用能够传递给所述制动块；和

b.一对可运动推杆，其连接到所述制动臂的顶端并连接到主弹簧上，这样，当所述制动臂在初始制动作用期间向内运动时，所述推杆以相应的方式向内运动；

其中，所述制动臂中的每一个还适于向前运动，这样，当所述制动块和所述制动臂在紧急刹车情况下抱死到所述车轮上时，所述制动臂向前运动，导致所述推杆向外运动，从而导致所述制动臂进行相应的向外运动，从而解除所述车轮上所述制动块的抱死。

4.如权利要求1所述的防抱死刹车***，用于与盘式制动器一起使用，包括：

a.制动盘，其连接到车轮的中心轴上，用于当摩擦力施加给所述盘时使所述车轮减速；

b.制动器箱，其包括齿轮组件，用于将施加的制动力传递给所述制动盘，其中当所述制动器箱在紧急刹车情况下抱死到所述盘上时，所述制动器箱适于与所述盘一起向前运动；和

c.至少一个可运动推杆，其连接到所述齿轮组件上，并连接到主弹簧上；

其中，所述推杆适于向前转动，使得当所述制动器箱抱死到所述盘上时，所述推杆以相应方式被推动，从而导致所述推杆以防抱死方式作用在所述齿轮组件上，使得所述盘上的所述制动器箱的抱死得以解除。

5.如权利要求4所述的***，其中，所述推杆通过回转接头连接到齿轮组件上。

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