CN103963913B - 自行车自动无段变速装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电动自行车或电动辅助自行车等具动力单元的自行车的自动无段变速装置，其包含有踏板轴、动力单元的输入轴、输出齿轮及控制系统；输入轴、踏板轴及输出齿轮结合成行星齿轮组，因此该三者的转速形成特定关系，并配合能量守恒定律，藉此控制系统可通过调整输入轴转速及扭力而改变三者的转速比以及应施予踏板轴的扭力，进而达到无段变速，并可有多种应用，此外更可放大动力单元的输入轴的扭力；本发明将自动变速装置、变速装置与动力单元结合成一体，而可节省重量及体积；最后，减速或下坡时，更可通过轮子带动输入轴转动而发电。

Description

自行车自动无段变速装置

技术领域

本发明涉及一种用于电动自行车、电动辅助自行车或以其他动力装置来辅助骑乘的自行车的自动无段变速装置。

背景技术

自行车是现今社会中相当常见的一种交通工具，其仅采用人力作为动力来源；而随着电动马达的进步，自行车上装载电动马达来推动车辆已经不是困难的事，而装载电动马达的自行车便是所谓的电动自行车或电动辅助自行车；然而，尽管有电动马达的加入以减少人力的负担，但是自行车原本的构造却没有随着电动马达的加入而有对应性的改变与机械系统的进步。

纵使是电动自行车或电动辅助自行车，为了方便骑乘，往往还是设置有变速装置；变速装置的作用主要有两种：其一，在低速起步时能够减轻脚踏力量的负担，藉由变速装置放大踩踏力量，以克服最大静摩擦力，但因此降低输出的转速；其二，高速时由于骑乘者踩动踏板轴的转速有限，因此加重脚踏力量的负担，并藉由变速装置更进一步提高输出转速，但降低输出的扭力。

然而，现有技术的变速装置具有以下缺点：

其一，变速装置需藉由骑乘者自行判断行进状况来操作，因此对于不甚了解变速装置运作机制的骑乘者来说，便可能无法掌握切换变速齿比的时机，因此无法以较高的性能与舒适性来骑乘自行车，同时亦无法让骑乘者专注在骑乘自行车上。

其二，现今虽已有业者研发出各种自动变速装置，但该些自动变速装置仅具有自动控制变速齿比的功能，因此仍须搭配现有技术的变速装置，所以等同在现有的自行车上额外增加一装置，进而造成整体重量及体积的增加。

其三，现有技术的变速装置皆藉由移动链条以啮合在不同齿数的齿轮上来变换档位，因此变换档位时会产生顿挫感；并且由于电动马达的加入，使得该顿挫感更为明显。

其四，现有技术的电动马达与齿盘之间设置有单向离合装置，以避免电动马达与踏板轴的运作相互干扰；然而这样的构造也使得轮子及齿盘的转动无法回馈到电动马达上，进而无法藉由轮子带动马达来发电。

发明内容

有鉴于前述现有技术的自动变速装置造成体积重量的增加、变换档位时会有顿挫感以及无法藉由轮子带动马达来发电缺点及不足，本发明提供一种自行车自动无段变速装置，其可有效解决上述缺点。

为达到上述的发明目的，本发明所采用的技术手段为设计一种自行车自动无段变速装置，其中包含：

一踏板轴；

一动力单元，其具有一输入轴，输入轴套设于踏板轴外，且输入轴一端设有一太阳齿轮；

一环齿轮，其套设输入轴的太阳齿轮，且套设固定踏板轴，环齿轮与踏板轴相互带动旋转；

多个行星齿轮，各行星齿轮皆与输入轴的太阳齿轮及环齿轮相啮合；

一输出齿轮，其与各行星齿轮相枢设；

一齿轮组，其与输出齿轮相啮合；

一齿盘，其与齿轮组相连接，且可被齿轮组所带动；

一控制系统，其与动力单元电连接。

本发明的优点在于，在自行车的动力单元的输入轴上设置太阳齿轮、在骑乘者出力的踏板轴上设置环齿轮、将输出齿轮作为行星支架而枢设有各行星齿轮，藉此结合成行星齿轮组，并因此可使输入轴、踏板轴及输出齿轮的转速相互影响而形成一特定关系，而藉由控制系统调整输入轴的转速，便可依据该特定关系而控制输入轴、踏板轴及输出齿轮之间的转速比，同时根据输入轴、踏板轴及输出齿轮之间的能量守恒定律，经由控制系统调整输入轴的扭力，而达到改变骑乘者应施予踏板轴的扭力大小，藉此具有变速的功效，此外更可有效将动力单元的扭力放大，以使骑乘者骑乘的更为轻松；藉此本发明将自动变速装置、变速装置与动力单元结合成一体，而无需再装设其他变速装置，因此可节省整体重量及体积；并且本发明是装设于自行车的踏板轴位置处，因此可集合自动变速装置、变速装置与动力单元的重量而置于自行车的中心，使自行车维持良好的重心位置。

此外，变速时，先藉由外接的感测器感测踏板轴的转速及扭力并传递至控制系统，之后控制系统便会自动调整输入轴的转速及扭力，进而可达到自动变速的功效；藉此便可让骑乘者专注在骑乘自行车上，并且无论面对各种不同的路况，皆仅需踩动踏板即可维持舒适的状态前进。

再者，变速时仅藉由改变输入轴转速及扭力，而无其他机械性的改变，因此得以为连续的无段变速而不会产生顿挫感。

最后，本发明的输入轴、踏板轴及输出齿轮三者的转速是相互关连及影响以达到上述功效，因此输出齿轮与输入轴及踏板轴之间皆无须设置单向离合装置；而此举便可使轮子带动输入轴而使动力单元产生发电的功效，却又不会干扰骑乘者踩踏踏板；藉此当骑乘者欲减速或于下坡时，除了使用原有的刹车系统以外，亦可以藉由本发明让动力单元进行发电并储存至电池系统，藉此除可降低车速，更可回收动能。

而在进一步的应用下，当自行车在非骑乘状态下，亦可以踩动踏板来带动动力单元发电及对电池系统充电，进而满足紧急发电或是任何需要提供外部用电的需求；或者是，在骑乘前进的状态下，本发明也可藉由控制系统将行星齿轮组调整成让动力单元进行发电的模式，此时骑乘者的踩踏力量除了供应车辆前进以外，同时也对电池系统进行充电，藉此便可增加骑乘者的负载而达到训练的效果。

进一步而言，所述的自行车自动无段变速装置，其中进一步包含有一固定板，其穿设于环齿轮中，且与各行星齿轮相枢设，固定板及输出齿轮位于各行星齿轮的相对两侧。藉此可使各行星齿轮稳固地设置于固定板及输出齿轮之间。

进一步而言，所述的自行车自动无段变速装置，其中进一步包含有一受感件及一感测器；受感件装设固定于踏板轴上；感测器套设于踏板轴外，且感测器的位置与受感件的位置相对应，感测器与控制系统电连接。并且，所述的自行车自动无段变速装置，其中感测器套设于受感件外。并且，所述的自行车自动无段变速装置，其中输入轴套设于感测器外。藉由本发明包含有受感件及感测器，并且受感件及感测器统一整合于踏板轴上，再配合踏板轴、受感件、感测器及输入轴等核心元件皆共轴并且相互套设，以可有效集中进而缩小整体体积。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1本发明的立体外观图；

图2本发明的部分元件分解图；

图3本发明的另一部分元件分解图；

图4本发明的另一角度的部分元件分解图；

图5本发明的细部元件分解图；

图6本发明的俯视剖视图；

图7本发明的行星齿轮组的示意图；

图8本发明的起步时的转速示意图。

其中，附图标记

10踏板轴 11花键

12轴承 21受感件

211花键 212花键

22感测器 30动力单元

31输入轴 311太阳齿轮

312轴承 32马达转子组件

33马达定子组件 331绕线

40环齿轮 41环齿轮本体

42结合板 50行星齿轮

51轴承 52轴承

61输出齿轮 611轴承

62固定板 70齿轮组

71中齿轮 711轴承

72小齿轮 721轴承

73大齿轮 731轴承

732容置槽 733卡合部

734花键 735轴承

80齿盘 100曲柄

110踏板

具体实施方式

以下配合附图及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。

请参阅图1至图5所示，本发明的自行车自动无段变速装置包含有一踏板轴10、一受感件21、一感测器22、一动力单元30、一环齿轮40、多个行星齿轮50、一输出齿轮61、一固定板62、一齿轮组70、一齿盘80及一控制系统。

请参阅图2及图3所示，前述的踏板轴10的外壁面环绕设有花键11。

请参阅图3及图6所示，前述的受感件21在本实施例中为一套筒，且套设于踏板轴10外；受感件21左端的内壁面设有花键211，并且与踏板轴10的花键11相嵌合，藉此使踏板轴10可带动受感件21转动；受感件21右端的外壁面亦设有花键212。

请参阅图2及图6所示，前述的感测器22套设于受感件21外。

请参阅图2、图5及图6所示，前述的动力单元30在本实施例中为一电动马达，且包含有一输入轴31、一马达转子组件32及一马达定子组件33；输入轴31套设于感测器22外，输入轴31的右端的外壁面成形有一太阳齿轮311；在其他实施例中，输入轴31与太阳齿轮311亦可为相互固设的两独立元件；请参阅图1、图2及图6所示，前述的马达转子组件32套设且紧配合于输入轴31外，藉此使马达转子组件32与输入轴31可互相带动；马达定子组件33套设于马达转子组件32外，马达定子组件33上环绕设有多个绕线331。

请参阅图3、图5及图6所示，前述的环齿轮40包含有一环齿轮本体41及一结合板42；环齿轮本体40具有左右两端开口，且套设输入轴31的太阳齿轮311；结合板42装设固定于环齿轮本体41的右端开口，结合板42的中心套设嵌合受感件21外壁面的花键212，藉此受感件21可带动结合板42转动，而踏板轴10可间接带动环齿轮40转动。

请参阅图5至图7所示，前述的各行星齿轮50皆位于输入轴31的太阳齿轮311及环齿轮40的环齿轮本体41之间，并且各行星齿轮50与太阳齿轮311及环齿轮本体41相啮合。

前述的输出齿轮61位于各行星齿轮50的左侧，且与该些行星齿轮50相枢设；各行星齿轮50与输出齿轮61之间设有一轴承51。

前述的固定板62位于各行星齿轮50的右侧，且穿于环齿轮本体41中，固定板62与各行星齿轮50相枢设；各行星齿轮50与固定板62之间设有一轴承52；藉由输出齿轮61与固定板62分别位于行星齿轮50的相对两侧，以可有效轴向固定行星齿轮50，同时输出齿轮61及固定板62为该些行星齿轮50的行星支架。

请参阅图2至图4及图6所示，前述的齿轮组70包含有一中齿轮71、一小齿轮72及一大齿轮73；中齿轮71位于踏板轴10的一侧，且与输出齿轮61相啮合；小齿轮72同轴突出于中齿轮71的右侧面；大齿轮73套设踏板轴10，且与小齿轮72相啮合，大齿轮73跟踏板轴10之间设有一轴承731；大齿轮73的左侧面凹设成形有一容置槽732，容置槽732套设环齿轮40，并藉此轴向集中各元件以降低本发明的轴向长度；大齿轮73的右侧面突出有一卡合部733，卡合部733端部的外壁面环绕设有花键734。

此外，由于小齿轮72的齿数小于中齿轮71的齿数，而中齿轮71的齿数小于大齿轮73的齿数，因此可使输出齿轮61达到减速及提升扭力的功效。

请参阅图4及图6所示，前述的齿盘80套设嵌合于齿轮组70的大齿轮73的花键734，并藉此齿盘80及大齿轮73可互相带动。

前述的控制系统与马达定子组件33及感测器22电连接，并感应马达转子组件32的转动位置。

请参阅图2、图3、图5及图6所示，本发明组装时，首先先将本发明装设于一壳体内，其中踏板轴10贯穿壳体；受感件21、输入轴31、马达转子组件32、环齿轮40、行星齿轮50、输出齿轮61、固定板62及齿轮组70皆位于壳体中；感测器22及马达定子组件33同样位于壳体中，且固设于壳体的内壁面；齿盘80位于壳体外；此外，踏板轴10的左端外套设有一轴承12，输入轴31的两端分别套设有一轴承312，输出齿轮61的左端套设有一轴承611，中齿轮71的左端套设有一轴承711，小齿轮72的右端套设有一轴承721，大齿轮73的卡合部733外套设有一轴承735；前述的轴承12、312、611、711、721、735皆可降低该些元件与壳体之间的摩擦，而让该些元件可稳固地设于壳体上。

之后本发明及该壳体与自行车车架相结合；而自行车的两个曲柄100则分别固设于踏板轴10的两端，最后再使链条环绕于齿盘80上即完成装设。

请参阅图2及图5至图7所示，当骑乘者踩踏踏板110而转动踏板轴10时，踏板轴10依序带动受感件21、环齿轮40、行星齿轮50、输出齿轮61、中齿轮71、小齿轮72、大齿轮73及齿盘80转动，而齿盘80则通过链条而带动后轮转动。

当控制系统通知动力单元30(电动马达)启动时，马达定子组件33会因通电产生磁场而导致穿设其中的马达转子组件32转动，而马达转子组件32依序带动输入轴31(太阳齿轮311)、行星齿轮50、输出齿轮61、中齿轮71、小齿轮72、大齿轮73及齿盘80转动，而齿盘80同样通过链条带动后轮转动。

而上述的两过程中，由于行星齿轮50同时啮合环齿轮40及输入轴31的太阳齿轮311，因此当骑乘者踩踏踏板110时，行星齿轮50除带动输出齿轮61外，同时也会带动输入轴31；反之，当马达启动时，行星齿轮50除带动输出齿轮61外，同时也会带动环齿轮40及踏板轴10；藉此输出齿轮61、输入轴31及踏板轴10三者会互相影响，而三者的转速关系可由行星齿轮组的一图表来解释：

请参阅图6及图8所示，在图8的图表中，左边的铅直线的高度为踏板轴10的转速，也就是骑乘者踩踏踏板的速度；中间的铅直线的高度为输出齿轮61的转速，而输出齿轮61的转速经过齿轮组70减速后，便为齿盘80的转速；右边的铅直线的高度为输入轴31的转速，也就是电动马达的输出转速；左边铅直线与中间铅直线的水平距离为输入轴31的太阳齿轮311的齿数；中间铅直线与右边铅直线的水平距离为环齿轮40的齿数；而根据行星齿轮组的公式，三个铅直线的顶点会连成一直线。

当骑乘者于低速起步而略为提升踏板轴10的转速时，控制系统会令输入轴31的转速快速提升，藉此根据图表中的L1，此时位于中间的铅直线亦会上升至一定的高度，亦即输入轴31的转速可拉升输出齿轮61的转速，进而让骑乘者刚起步时，便可藉由电动马达的辅助而克服最大静摩擦力及让轮子迅速提升至一定转速，进而可顺利起步。

接着当骑乘者踩动踏板而逐渐提升踏板轴10的转速后，控制系统会令输入轴31转速的上升趋缓，此时参阅图表中的L2，输出齿轮61的转速仍然会继续上升，但上升的幅度下降。

之后依照相同模式，请参阅图表中的L3，骑乘者使踏板轴10转速越来越高，而输入轴31转速的上升幅度越来越小，因此输出齿轮61转速的上升幅度也是越来越小。

而从图表中可看出，不论是图表中的哪一直线，输入轴31的转速皆明显高于输出齿轮61的转速，再加上输出齿轮61会再经过一次减速后才带动齿盘80，因此可大幅放大输入轴31相对齿盘80的扭力；例如图表中的L1时，输入轴31的转速为2000rpm，而输出齿轮61再次减速后所带动的齿盘80的转速为50rpm，则其扭力放大比共可达到40倍；L2时输入轴31的转速为2800rpm，而输出齿轮61再次减速后所带动的齿盘80的转速为80rpm，则其扭力放大比共可达到35倍；L3时输入轴31的转速为3000rpm，而输出齿轮61再次减速后所带动的齿盘80的转速为100rpm，则其扭力放大比共可达到30倍。

因此，在L1到L3的过程中，符合起步时踏板轴10转速尚低，且需克服较大的起步阻力，所以输入轴31可藉由转速比所带来的扭力放大效果，达到辅助骑乘者无须负担过重的扭力即可顺利骑乘；而当踏板轴10转速越高，车速越快，因需克服的阻力较小，所以输入轴31藉由转速比所带来的扭力放大比亦同时减少；在此过程中，马达转子组件32及输入轴31的转速变化为连续变动数值，因此输入轴31与输出齿轮61的转速比变化亦为连续变动数值，进而达到无段变速的功效，亦满足骑乘者起步时需要较大扭力，并随踏板转速与车速上升则扭力需求降低的骑乘情况，并且变速过程中不会有扭力输出的顿挫感。

再者，请参阅图6及表1所示，表1为阐明依据能量守恒定律所带来能量流动方向，并对应到前述的使用情形，其中踏板轴10为骑乘者施力的轴，因此扭力值为正值，而转速由于皆为正转因此恒为正值，而能量等于扭力乘转速，因此能量亦为正值；输出齿轮61是被带动，因此扭力值为负值，但转速同样为正值，所以能量为负值；输入轴31为马达出力的轴，因此扭力值为正值，而转速同样为正值，因此能量为正值；而由于能量守恒，因此配合上述三者可看出，在一般骑乘状况下，踏板轴10及输入轴31的能量皆被输出齿轮61所吸收，并用以推动齿盘80及后轮转动。

表1：本发明的一般骑乘时的能量示意表

	踏板轴	输出齿轮	输入轴
				扭力	+	-	+
转速	+	+	+
				能量	+	-	+

而使用者亦可改变控制系统的设定，例如使控制系统更改为运动模式，这时马达转速维持不变，而给予输入轴31的扭力降低，但仍保持正值；为了维持同样的车速，也就是同样的输出齿轮61转速，因此根据能量守恒定律，骑乘者踩踏踏板时的扭力便必须提升，藉此便可达到训练的目的。

更甚者，请参阅图6及表2所示，更可更改控制系统，使输入轴31改为被动端，亦即输入轴31不主动转动，而让骑乘者转动踏板轴10来同时带动输出齿轮61及输入轴31，藉此不仅可增加骑乘者的负担而作为训练用途，更可藉由带动输入轴31而达到发电的功效，而该些电力储存后便可供往后转动输入轴31时使用；另外，如需紧急发电或需提供外部用电时，亦可将自行车的后轮架高或将的固定而无法转动，并在原地踩动踏板来发电，此时由于后轮为空转或转速为零，因此在输出齿轮61的扭力值相对极低或是没有转速的情况下，而使得骑乘者的大部分输入能量可转换成电能储存。

表2：本发明的骑乘发电时的能量示意表

	踏板轴	输出齿轮	输入轴
				扭力	+	-	-
转速	+	+	+
				能量	+	-	-

此外，控制系统亦可另外设置一开关，请参阅图6及表3所示，在电力驱动输入轴31转动的情况下，当遇到下坡时可开启开关，而控制系统便会使输入轴31改为被动端，藉此让因重力而转动的轮体带动输入轴31转动，进而达到发电的功效，并将重力位能改变为电能来储存；而此时骑乘者的双脚抵靠着踏板以避免踏板轴10跟着转动，因此踏板轴10的转速为零，藉此得以使大部分的重力位能转换成电能储存；或者是，控制系统亦可与刹车系统连接，当骑乘者欲减速而按压刹车时，控制系统会同时使输入轴31改为被动端，进而成为轮胎转动的负担以降低轮胎的转速，并同时让刹车时的部分动能转换成电能而储存。

表3：本发明的下坡发电时的能量示意表

	踏板轴	输出齿轮	输入轴
				扭力	0	+	-
转速	0	+	+
				能量	0	+	-

综上所述，控制系统控制输入轴31的转速与扭力的方式可有多种应用，除了上述所揭露的实施例外，更可让控制系统纪录骑乘者骑乘的距离，并且在不同距离时有不同的输入轴31扭力，藉此可模拟各种地型的上下起伏；例如欲参加山区的自行车比赛时，则可事先在控制系统内输入该路线的数据，进而让骑乘者在平地骑乘自行车时，便可藉由改变输入轴31的扭力而使骑乘者需施予不同的扭力，进而可如同在该山区车道骑乘，以达到方便模拟练习的功效。

最后，本发明将自动变速装置、变速装置与电动马达整合成一体，而无需再装设其他变速装置便可单独使用，此举除使得车体的空间能有效的利用，而不需要另再找空间装配外，更可将重量集中在自行车的踏板轴10位置处，进而使自行车维持良好的重心位置以方便骑乘；而一般状况下骑乘时，控制系统会根据预先设定的模式自动调整输入轴转速，进而可达到自动变速的功效，以让骑乘者得以专注且舒适地骑乘自行车。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (13)

1.一种自行车自动无段变速装置，其特征在于，包含：

一踏板轴；

一动力单元，其具有一输入轴，输入轴套设于踏板轴外，且输入轴一端设有一太阳齿轮；

一环齿轮，其套设输入轴的太阳齿轮，且套设固定踏板轴，环齿轮与踏板轴相互带动旋转；

多个行星齿轮，各行星齿轮皆与输入轴的太阳齿轮及环齿轮相啮合；

一输出齿轮，其与各行星齿轮相枢设；

一齿轮组，其与输出齿轮相啮合；

一齿盘，其与齿轮组相连接，且能够被齿轮组所带动；

一控制系统，其与动力单元电连接。

2.根据权利要求1所述的自行车自动无段变速装置，其特征在于，动力单元为马达，且进一步包含一马达转子组件及一马达定子组件，马达转子组件套设固定于输入轴外；马达定子组件套设于马达转子组件外。

3.根据权利要求1或2所述的自行车自动无段变速装置，其特征在于，齿轮组包含有一中齿轮、一小齿轮及一大齿轮；中齿轮位于踏板轴的一侧，且与输出齿轮相啮合；小齿轮与中齿轮同轴固设；大齿轮套设踏板轴，且与小齿轮相啮合，大齿轮与齿盘相嵌合。

4.根据权利要求1或2所述的自行车自动无段变速装置，其特征在于，进一步包含有一固定板，其穿设于环齿轮中，且与各行星齿轮相枢设，固定板及输出齿轮位于各行星齿轮的相对两侧。

5.根据权利要求3所述的自行车自动无段变速装置，其特征在于，进一步包含有一固定板，其穿设于环齿轮中，且与各行星齿轮相枢设，固定板及输出齿轮位于各行星齿轮的相对两侧。

6.根据权利要求1或2所述的自行车自动无段变速装置，其特征在于，环齿轮包含有一环齿轮本体及一结合板；环齿轮本体具有相对的两开口；结合板装设固定于环齿轮本体的其中一开口，且套设固定踏板轴。

7.根据权利要求5所述的自行车自动无段变速装置，其特征在于，环齿轮包含有一环齿轮本体及一结合板；环齿轮本体具有相对的两开口；结合板装设固定于环齿轮本体的其中一开口，且套设固定踏板轴。

8.根据权利要求1或2所述的自行车自动无段变速装置，其特征在于，进一步包含有一受感件及一感测器；受感件装设固定于踏板轴上；感测器套设于踏板轴外，且感测器的位置与受感件的位置相对应，感测器与控制系统电连接。

9.根据权利要求7所述的自行车自动无段变速装置，其特征在于，进一步包含有一受感件及一感测器；受感件装设固定于踏板轴上；感测器套设于踏板轴外，且感测器的位置与受感件的位置相对应，感测器与控制系统电连接。

10.根据权利要求8所述的自行车自动无段变速装置，其特征在于，感测器套设于受感件外。

11.根据权利要求9所述的自行车自动无段变速装置，其特征在于，感测器套设于受感件外。

12.根据权利要求8所述的自行车自动无段变速装置，其特征在于，输入轴套设于感测器外。

13.根据权利要求11所述的自行车自动无段变速装置，其特征在于，输入轴套设于感测器外。