CN1073504A - 自动变速系统装置及其变速方法 - Google Patents

Abstract

一种自动变速系统装置及方法包括：一第一变速 装置设于驱动回转装置例如脚踏车踏板及其驱动链 轮，含有第一组行星齿轮系及一棘轮，能以外力初级 变换该驱动回转装置之速度者；以及一第二变速装置 设于一从动回转装置例如一设于脚踏车后轮上从动 链轮为前述驱动回转装置所驱转者，其含有至少一组 第二行星齿轮系，藉至少一具离心耦合器以耦合该从 动链轮俾令该从动回转装置依不同转速自动变速 者。

Description

本发明涉及自动变速系统装置及其变速方法。

习用之变速器，例如脚踏车之多段变速器系统包括一自由轮上设置多个直径不同之链轮，藉一移位机构将啮合于某一链轮上之链条拨动使改套入另一链轮，配合一张力小齿轮以收放该链条而作多段变速操作者。唯此种习用之变速器有以下诸缺点：

1.虽备有多数个链轮，唯实际使用操作上只使用二、三具链轮而已，殊多之链轮多作缓冲变速徒增安装、使用与维修之不便。

2.自一链轮跳至另一链轮变速时，链条离开该链轮影响正常脚踩动作及车之运转且常脱链之困扰。

3.最高速与最低速取决于最小与最大链轮之直径，但最大与最小链轮间之直径比固定有限，导致脚踏车之变速比范围受限。

4.习用之脚跳车变速装置利用人手拨控变速并无“自动”变速功能，且影响行车分心无法增进行车便利。另习知之内燃机车辆虽有自动变速装置，但彼由油压机转构成，构造笨重复杂，成本昂贵，维修困难，更无法适用如脚踏车之轻便机具。

本案发明人有鉴于此，乃加研究创新，揭示出本发明之新颖自动变速系统，希能对中国脚踏车、汽机车或其他动力传输产业机具有所贡献。

本发明之目的旨在提供一种自动变速系统包括：一第一变速装置设于驱动回转装置例如脚跳车踏板及其驱动链轮内含第一行星齿轮条以及一棘轮，能以外力初级改变该驱动回转装置之速度者，以及一第二变速装置设于一从动回转装置例如一从动链轮设于脚踏车后轮上为上述驱动回转装置所驱转者，系含有至少一第二行星齿轮系，藉至少一具离心耦合器以吻合该从动链轮俾令该从动回转装置自动变速者。

本发明之可取实体可由以下说明书配合所附诸图面而得以明晰之。

图面之简单说明：

图1是表示本发明第一变速装置之示意图。

图2是本发明自图1之2-2方向剖视之侧视图。

图3是自图1之3-3方向剖视之示意图。

图4是自图1之4-4方向剖视之驱动棘轮装置图。

图5是显示该棘轮装置在本发明一驱动轴上之定位示意图。

图6表示本发明之第二变速装置。

图7为本发明之第二链轮。

图8为本发明离心耦合器解离时示意图。

图9为本发明为该离心耦合器吻合之示意图。

图10为该离心耦合器和一支撑环之部分透视图。

参阅图1及6，本发明包括：一第一变速装置（1）其连设于一驱动装置彼可为一脚踏车踏板（11）之驱动轴（10）或其他驱动系者，以及至少一第二变速装置（3）连设于一为该驱动装置所驱转之从动装置上，该从动装置可为第二链轮（21），所回旋之车后轮（4），系经由该驱动轴（10）及第一链轮（15）所驱转者。

如图1至5所示者，本发明之第一变速装置（1）包括：一行星齿轮系（12）含有一驱动太阳齿轮（13）藉一第一轴棘轮（131）与爪子（132）回转地耦合该驱动轴（10）者〔注：该棘轮（131）连接轴（10）与该爪子（132）则同心环地枢连该太阳齿轮（13）〕，一组以上之驱动行星齿轮（14）分别啮合该太阳齿轮（13）并啮合一外圈内齿环盘（140）上之一内齿环（141），而盘（140）则连至轴（10）之轴套（10a）者;一第一链轮（15）含有一中央轴承（151）旋接于轴（10）上，多数链轮齿（152）设于链轮（15）之圆周上耦合一驱动链条（2），以及复数之右边棘齿（153）径向，弧形或摆线形地设于链轮（15）之外面而链轮（15）里面向左内伸设一组以上之齿轮梢子（142）以旋接行星齿轮（14）者;一驱动棘齿装置（16）含有一轮盘（160）其直径约等于第一链轮（15）者;复数之左边棘齿（163）径向、弧形或摆线形地设于轮盘（160）之左方里面可向左滑动操作吻合第一链轮（15）上之棘齿（153）者;一组以上之爪子（162）同心环地枢设于轮盘（160）之中央部分和固定于轴（10）之第二轴棘轮（161）吻合者，以及一同心环突缘（164）设于轮盘（160）之外圆周;以及一离合装置（17）含有一U型扣件弧形地套合该棘轮装置（16）之同心环外突缘（164）藉以滑移该棘轮装置（16）能和第二链轮（15）之棘齿（153）吻合者。

该离合装置（17）可藉一设于诸如脚踏车把手处之拉杆（未示出）加以手动调节，一如一般车辆之自动变速排档者。

该第一链轮（15）之棘齿（153）各齿包括一斜面微微向前渐斜，而该驱动棘轮装置（16）之棘齿（163）各齿则包括一斜面微微向后渐斜。第二轴棘轮（161）之各棘齿含一斜面向前渐斜俾使各该爪子（162）正向吻合各该棘轮（161）齿如图4之R1方向所示者，如是可使该棘轮装置（16）和该轴（10）正向轻易地耦合回转且不易脱离者。

如图5所示，该离合装置（17）可向左移动使该棘轮装置（16）吻合该第一链轮（15），令一凹设于棘轮装置（16）中央部分轴套（10a）中之一同心凹环（165）与一藉钢珠弹簧（167）持设于轴（10）之钢珠洞（168）中之一钢珠（166）相吻合而得以定位者。

该第一轴棘轮（131）各齿包括一斜面向后渐斜俾令棘轮（131）各齿能与各爪（132）正向吻合使轴（10）与太阳齿轮（13）能正向耦合转动如图2方向R1所示者。然，太阳齿轮（13）之正向旋转并无法带动正转轴（10），此因爪子（132）会滑脱棘轮（131）各齿如图2所示者。如是则可使第一轴棘轮（131）和爪子（132）提供一轴（10）之单向驱转操作者，此于当驱动盘（160）啮合第一链轮（15）作快速运转时，有关轴（10）和驱动轮盘（160）之驱动不会与太阳齿轮（13）与轴（10）间之关系发生冲突。

该驱动链条（2）之后端部耦合一第二链轮（21）系旋接于脚踏车之后部如图6，7所示者。该第二链轮（21）包括：一组以上之多数链轮齿（211）环设于链轮（21）上以耦合该链条（2），一组以上之外爪子（22）同心环地枢设于该链轮（21）之外环和设于该链轮（21）外部之一外棘轮（23）正向吻合，一组以上之内爪子（24）设于链轮（21）中央部分和固连于中空心轴（411）上之内棘轮（25）正向吻合者，该心轴（411）固连后轮（4）之轮毂（41），系旋设于一固定于车架之后轮轴（42）上者。该外棘轮（23）及外爪子（22），以及内棘轮（23）与内爪子（24）促使链轮（21），心轴（411）及轮毂（41）之正向耦合旋转如图6，7所示者，且容链轮（21）及链条（2）之自由反转者。

该第二变速装置（3）示如图6-9者，包括：一初级支撑环（31）固连于第二链轮（21）之外面如图式系固连至该外棘轮（23）者，一初级离心耦合器（32）持设于该支撑环（31）上，一初级耦合轮（33）旋接于该心轴（411）上有一耦合突缘（331）向内突伸以和该离心耦合器（32）摩擦耦合者，一第一单转向联结器（30）操作地耦合该轮（33）与设于链轮（21）上之支撑环（31）仅能由轮（33）驱转以联结该轮（33）与支撑环（31）正向运转者，一组以上之初级行星齿轮（34）各齿轮（34）枢连于设于耦合轮（33）外面之齿轮梢（341）上，一初级太阳齿轮（35）连设于一支撑盘（352）上和该行星齿轮（34）相啮合，并藉一设于齿轮（35）中央“心轴棘轮”吻合有复数之“太阳齿轮爪子”（351）者旋接于后轮毂之心轴（411）俾于受齿轮（35，34）驱动时能正向耦合旋转该齿轮（35）及心轴（411）者，以及一初级内齿环（36）设于一固定至车体之环盘（361）中以吻合该等行星齿轮（34）如图6所示者。该行星齿轮（34）及太阳齿轮（35）形成一第二行星齿轮系者。

如图8，10所示之初级离心耦合器（32）包括：复数膨胀靴（320）各靴（320）约呈弧形于两端形成两凹处（321），一内金属板（323）含有多数上方榫窝（323a）凹设于金属板（323）之底部，一外摩擦块（324）制自弹性材而与该金属板（323）结合以离心操作摩擦方式耦合该耦合轮（33）之耦合突缘（331）如图9所示者，以及多组张力弹簧（322）各张力弹簧（322）连接两相邻之靴（320）者。

该初级支撑环（31）包括复数支持突块（311）设于环面上为该离心耦合器（32）之相邻两刹车靴之相对凹处（321）所夹合者，以及多数推顶榫栓（312）各榫栓（312）之下部常时吻合于该环（31）所凹设之下方榫窝（313）中如图8所示者。该突块（311）有一斜面向外向后呈倾斜俾于如图9之环（31）正向回旋时可将靴（320）向外且径向之方向推顶者。当脚踏车被加速至离心耦合器（32）和耦合突缘（331）耦合时，各榫栓（312）由于受支撑环（31）径向推力之关系逐添益其顶撑靴（320）之支撑力使耦合动作更为牢靠者。

如图8，6所示之第一单转向联结器（30）包括：一外环壁（301）设于支撑环（31）之里侧，一凸轮（302）固连一设于耦合环（33）中央部位之内环（306）上，以及多数楔形部（303）各楔形部向外向后偏斜各含有一滚珠（304）弹性连接一滚珠弹簧（305）推顶滚珠（304）向后向外至一介于轮（302）与环壁（301）间之渐尖隔间，由是可单向操作地耦合凸轮（302）与支撑环（31）者。

本发明之联结器（30）能因该内环（306）之驱转使支撑环（31）与凸轮（302）与内环（306）耦合正转回旋者;但若欲自外支撑环（31）驱动，图使该支撑环（31）与凸轮（302）及所连之内环（306）耦合联动时，则因楔形部（303）之斜面与滚珠（304）关系无法由外面之支撑环（31）直接带转该内环（306）者。此节于本发明脚踏车滑行中未踩踏板时尤其重要，盖因内环（306），凸轮（302）和支撑环（31）及车轮旋转之转动惯性可回逆耦合带动使诸环一起耦合运转，当吾人欲再踩动车子时〔即踩踏板11，驱动链条2及第二链轮21〕。链轮（21）即能马上驱动，而不致于变速“换档”过程中，时有踩空之不便现象。

另一组第二变速装置（3′）和前述之变速装置（3）相似（示如图6中）包括：一二级支撑环（31′）设于第一太阳齿轮（35）之支撑盘（352）之外面，一二级离心耦合器（32′）持设于该支撑环（31′）上，一二能耦合轮（33′）旋设于该心轴（411）上含有一耦合突缘（331′）向内空伸以与该离心耦合器（32′）摩擦耦合者，一二级单转向联结器（30′）操作地耦合该耦合轮（33′）与设于一级太阳齿轮（35）之支撑环（31′）俾使耦合轮（33′）与支撑环（31′）仅能为该耦合轮（33′）所驱转而耦合正转者，一组以上之二级行星齿轮（34′）枢接于耦合轮（33′）之外面啮合设于盘（361）之二级内齿环（36′），以及一二级太阳齿轮（35′）与该行星齿轮（34′）啮合并固接于该心轴（411）上者。

该二级太阳齿轮（351′）固设于心轴（411）上，故于脚踏车滑行不踩动时，由车行惯性联动齿轮（35′）之转动会使两组变速装置（3′，3）耦合转动，以备随时踩动链条（2）时可为第二链轮（21）立即驱转而避免踩空者。第二链轮之直径相当耦合轮（33，33′）之轮径。于运转本发明后轮（4）处之行星齿轮条，可自动增加车行速度。

以下叙述本发明之变速方法：

于应用本发明之第一变速装置（1）作手动变速控制时，可令驱动棘轮装置（16）与第一链轮（15）分离，使驱动轴（10）回转驱动太阳齿轮（13）以回旋第一链轮（15）〔注：驱动行星齿轮（14）与太阳齿轮（13）啮合〕以拉动链条（2），进而回转第二链轮（21）及后轮（4）以使脚踏车作一般慢速运转者是曰第一变速方法之一。如将驱动棘轮装置（16）耦合第一链轮（15），则链轮（15）直接驱动链条（2）作较快速运转是曰第一变速方法之二。当棘轮装置（16）驱转链轮（15）时将使太阳齿轮（13）转速超过主轴（10）转速，故并不会联动及第一轴棘轮（131）。

如爬行一陡坡时，可如图1向右移动离合装置（17）以使驱动棘轮装置（16）分离该第一链轮（15），如是于踩踏踏板911）回转轴（10）时，太阳齿轮（13）会被主轴（10）带转以旋转行星齿轮（14）以驱转链轮（15）运转脚踏车者。第一链轮（15）之转速远低于太阳齿轮（13）与主轴（10）之转速，故第一链轮（15）之驱动将甚省力。

以下计论本发明之第二变速装置（3，3′）之变速方法：

若该第二链轮（21）尚未耦合耦合轮（33），行星齿轮（34）及太阳齿轮（35）时，则链轮（21）带转心轴（411）后轮轮毂（41）以推转后轮（4）者，可谓第二变速方法（3，3′）之第一（低）速度。

当车速增高过仅由第二链轮（21）驱转所产生之第一速度后，第二变速装置（3）之膨胀靴（320）因其离心力关系克服其重量向外径向顶开，使连设于第二链轮（21）上之初级支撑环（31）与该耦合轮（33）摩擦耦合，使该行星齿轮（34）及太阳齿轮（35）能为该链轮（21）所联动，输出功自太阳齿轮（35）传至心轴（411）以驱转轮毂（41）及后轮（4）以自动加速，是为“第二变速方法之第二速度”，可参阅图8-9。

如车速再增，第二组第二变速装置（3′）将被推动以持续扩胀该离心耦合器（32′）以旋转二级行星齿轮（34′）及太阳齿轮（35′），太阳齿轮（35′）因连心轴（411）遂驱转心轴及后轮，是“第二变速方法之第三速度”。

本发明中第二变速装置（3，3′）之组数等系未加限制，唯于实际脚踏车应用中，“第二变速方法之第一、第二速度”，已足资应用，如系机械动力当可增加组数以增加变速;第一变速方法搭配第二变速方法即产生高速与低速之自动变速系统。

如图7所示者，由于第二链轮（21）之棘轮（25）与爪（24）之啮合系使该链轮（21）能正转该心轴（411），故如内中心正转该心轴（411）时，并无法驱转该链轮（21），此于变速装置（3，3′）自动高速变速后，该链轮（21）及链条（2），乃不受该心轴（411）之影响。

为计算本发明第一变速装置（1）之变速比，可参照下式：

N＝B/P-1

式中B系固定内齿环（141）之齿数，P系驱动太阳齿轮（13）之齿数，如B为48，P为36，则N＝1/3，乃表示第一链轮（15）之转速将减少1/3，使速度减慢。

如令驱动棘轮装置（16）啮合该第一链轮（15），则第一链轮（15）之转速（设为N15）系相同于棘轮装置（16）之转速（N16），即N15＝N16，故链轮（15）之输出速度即未减速。

同理，应用本发明行星齿轮系之变速原理，该第二变速装置（3，3′）之太阳齿轮（35，35′）可为该链轮（15，21）所驱转之行星齿轮（34，34′）驱动反而加速者。

因此，若第一变速装置（1）之变速比为2，而第二变速装置（3，3′）之变速比为3，则本发明之总变速比应为2×3＝6。

本发明较诸习用之脚踏车变速方法而言，具有以下诸优点：

1.可自动依行车速度变速，变速方便。不需换链，移链变速，免除脱链困扰，增益行车效率。

2.由于太阳齿轮（13）、行星齿轮（14）及第一链轮（15）之操作可于爬坡时慢速，省力行车，亦即爬坡时已然有“加力档”之构设。而棘轮（16）啮合链轮（15）时，则可增速，如配合第二变速装置（3，3′）之操作则可协同地得到更高的速度，快、慢控制自如。

3.藉改变行星齿轮与太阳齿轮间之齿数比，可大大改变变速范围，最高速与最低速之变速比可大幅提高，并不受直径限制。

4.离心摩擦式换档，减轻变速振动及机械应力之瞬间负荷。而诸榫栓（312）之推顶耦合，更增益本发明高速运转耦合之稳定性。

5.不需藉助其他介质（如应用于传统变速齿轮箱之油压系统），即可直接变速，构造简单，体积小，维修容易，传输动力损失小。

6.自动、手动互补，增加操作选择性及方便性，而休闲活动日益多元化之际，本发明之多重变速选择，更饶富性趣，而增品味。

本发明并不局限于脚跳车之变速系统，其他种车辆或动力传输系统（未示出）亦可就本发明加予修饰、变化，加予应用，本发明实未加限制。

本发明所述各棘轮所采用之轴承（未示出）概以传统工艺之滚珠或滚柱轴承即可适用，并无需特别限制。

Claims (11)

1、一种变速系统装置，其特征在于它包括有：一第一变速装置含有一第一行星齿轮系由一组以上之驱动行星齿轮与一驱动太阳齿轮组成，该太阳齿轮系旋设于一驱动装置之驱动轴上以驱转同轴心连设于该第一行星齿轮系上之一第一链轮产生第一转速者，以及一驱动棘轮装置其直径相当该第一链轮之直径者系旋设于该驱动轴上可操作地啮合该第一链轮俾于驱转驱动轴时能同轴心地驱转该第一链轮以得第二转速者；以及

至少一组之第二变速装置包括：一第二行星齿轮系旋设于一车轮之轮毂之空心心轴上，一离心耦合器持设于一固连一同轴心之第二链轮上之一支撑环上，该第二链轮系藉链条或齿轮耦连该第一变速装置之第一链轮者，该离心耦合器以离心方式操作耦合该第二行星齿轮系和该第二链轮俾于驱动第一链轮时，能驱动该第二链轮及第二行星齿轮系以产生第三转速以上之变速者。

2、根据权利要求1所述之系统装置，其特征是该第一变速装置包括：一行星齿轮系含有一驱动太阳齿轮藉一第一轴棘轮与爪子同心环回转地耦合该驱动轴者，一组以上之驱动行星齿轮分别吻合该太阳齿轮并吻合一设于内齿环盘外圆周上之一内齿环者而内齿环盘则连至驱动轴之轴套者;一第一链轮含有一中央轴承旋接于轴上，多数链轮齿设于链轮之圆周上耦合一驱动链条者，以及复数右边棘齿径向、弧形或摆线形地设于链轮之外面而链轮里面向内伸设复数支齿轮梢子以旋接行星齿轮者;一驱动棘齿装置含有一轮盘其直径约等于第一链轮者;复数左边棘齿径向、弧形或摆线形地设于轮盘之里面可操作地吻合第一链轮上之棘齿者;一组以上之爪子同心环地枢设于轮盘之中央部分与固定于驱动轴之第二轴棘轮吻合者，以及一同心环突缘设于轮盘之外圆周;以及一离合装置含有一U型扣件回转地套合该棘轮装置之同心环突缘以滑移该棘轮装置以与第二链轮之棘齿吻合者。

3、根据权利要求2所述之系统装置，其特征是其中该第一链轮之棘齿各齿包括一斜面微微向前渐斜，而该驱动棘轮装置之棘齿各齿则包括一斜面微微向后渐斜，第二轴棘轮之各棘齿含一斜面向前渐斜俾使各该爪子正向吻合各该棘轮齿者，如是可使该棘轮装置与该驱动轴正向耦合地回转不易脱离者。

4、根据权利要求2所述之系统装置，其特征是其中该离合装置系可向左移动使该棘轮装置吻合该第一链轮，令一凹设于棘轮装置中央部分轴套中之一同心凹环和一藉钢珠弹簧持设于驱动轴之钢珠洞中之一钢珠相吻合而得以定位者。

5、根据权利要求2所述之系统装置，其特征是其中该第一轴棘轮各齿包括一斜面向后渐斜俾令棘轮各齿能与各爪正向吻合使驱动轴与太阳齿轮能正向耦合转动，该太阳齿轮之正向旋转系无法正转驱动轴者。

6、根据权利要求1所述之系统装置，其特征是其中该第二变速装置包括：一支撑环固连于第二链轮之外面者，一离心耦合器常时持设于该支撑环上，一耦合轮旋接于该心轴上有一耦合突缘向内突伸以与该离心耦合器摩擦耦合者，一第一单转向联结器单向操作地耦合该耦合轮与设于第二链轮上之支撑环仅能由耦合轮驱转以联结该耦合轮与支撑环正向运转者，一组以上之行星齿轮各行星齿轮枢连于设于耦合轮外面之齿轮梢上，一太阳齿轮连设于一支撑盘上与该行星齿轮相啮合，并藉一设于太阳齿轮中央之心轴棘轮吻合有多数太阳齿轮爪子者旋接于后轮毂之心轴俾于受太阳及行星齿轮驱动时能正向耦合旋转该太阳齿轮及该心轴者，以及一内齿环设于一固定至车体之环盘中以啮合该行星齿轮者，该行星齿轮及太阳齿轮形成一第二行星齿轮条者。

7、根据权利要求6所述之系统装置，其特征是其中该离合耦合器包括：多数膨胀靴各靴约呈弧形于两则形成两凹处，一内金属板含有多数上方榫窝凹设于金属板之底部，一外摩擦块制自弹性材而和该金属板结合以操作摩擦地耦合该耦合轮之耦合突缘者，以及复数张力弹簧各张力弹簧连接两相邻之靴，以夹合于该支撑环上者。

8、根据权利要求6所述之系统装置，其特征是其中该支撑环包括复数支持突块设于环面上常时为该离心耦合器之相邻两膨胀靴之相对凹处所夹合者，以及多数推顶榫栓各榫栓之下部常时吻合于该支撑环所凹设之下方榫窝中者，该突块有一斜面向外向后呈倾斜俾于支撑环正向回旋时可将靴向外且径向之方向推顶者。

9、根据权利要求6所述之系统装置，其特征是其中该单转向联结器包括：一外环壁设于支撑环之里侧，一凸轮固连一设于耦合环中央部位之内环上，以及多数楔形部各楔形部向外向后偏斜各含有一滚珠弹性连接一滚珠弹簧推顶滚珠向后向外至一介于凸轮与外环壁间之渐尖隔间，由是可操作地耦合凸轮与支撑环单转向驱动者。

10、根据权利要求1所述之系统装置，其特征是其中该具有多数组第二变速装置之第一组之该太阳齿轮之支撑盘外面之支撑环系藉一离心耦合器操作地耦合该具多数组第二变速装置之第二组之耦合轮者。

11、一种自动变速之方法，其特征是利用权利要求1所述之自动变速系统装置以达成自动变速之方法者。

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