CN113048199A - 一种用于自行车变速器的离合执行装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于自行车变速器的离合执行装置及系统，该离合执行装置包括凸轮轴；还包括设置在凸轮轴中的驱动组件和减速轮系；减速轮系通过对驱动组件减速，使得减速轮系输出端扭矩大于减速轮系输入端扭矩；采用本方案，使用者在使用过程中能够更加轻松地进行换挡操作；通过将驱动组件和减速组件设置在凸轮轴中，可以使离合器结构外形更简洁，并且不会因为离合器齿轮和其他零件的外形而影响驱动组件在离合器外部的安装方式，便于驱动组件的布置，使用者操控更加轻松，换挡效率高。

Description

一种用于自行车变速器的离合执行装置及系统

技术领域

本发明涉及离合器技术领域，更具体地说，涉及一种用于自行车变速器的离合执行装置及系统。

背景技术

多速自行车的变速箱可以让自行车使用者依据体力和路况选择合适的变速器传动比，进而帮助人体维持最大功率输出所对应的踏频，这对于竞赛尤其重要。离合器通常是变速箱的核心部件，评价其设计水平优劣的标准通常有：可靠性、换挡效率(尤其是在使用者蹬踏的情况下)、设计复杂度、制造成本、工艺性、某些离合器还会考虑挡位之间的空行程大小，特别当要在换挡后立即传递扭矩的场景，如上陡坡。

转动式变速箱离合器是最近十年才开始应用在自行车领域的一种机构，多应用在中置变速箱领域。在尺寸不受严格限制的情况下，这类离合器可以让离合动作在使用者蹬踏时顺利完成，这一点对于争分夺秒的竞技类型山地车的离合器至关重要，因其关乎到在频繁、迅速切换挡位中的操作效率。而现有的该类离合器通常因为追求尺寸的小巧，造成离合器在使用者蹬踏时很难正常执行动作，并且每个离合器齿轮对应的棘齿个数少，体积小，负载能力较差。这类离合机构目前在市面上应用趋势向好，改进潜力也大。

美国专利(US9163702)公开了一种变速设备和传动机构，其中，凸轮轴与离合器大轴都是直接连在行星轮系的齿圈上，两组行星轮系以同样的角速度和方向运转，并拥有完全相同的太阳轮、行星轮、大齿圈齿数，凸轮轴上的太阳轮所在行星轮系的齿圈平时固定，当对自行车的换挡器进行操控时，可以使该齿圈相对变速箱体以一定角度旋转。但该离合器执行机构(两个行星轮系)所搭配使用的离合器大轴和凸轮轴在体积上比较小巧，但正是过于紧凑的尺寸导致踩踏时棘爪无法轻易与齿轮脱开，并且在换挡时，齿圈对太阳轮加速，齿圈部分的输入扭矩大于太阳轮上的输出扭矩，使用者操控费力，换挡效率低，且将若要加入电机系统，电机本身的安装位置设置较为麻烦，不便于电机的布置。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于现有的转动式变速箱离合器存在操控费力，换挡效率低、布置空间小等缺点，针对现有技术的上述缺陷，提供一种用于自行车变速器的离合执行装置及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于自行车变速器的离合执行装置，包括凸轮轴；还包括设置在所述凸轮轴中的驱动组件和减速轮系；所述减速轮系通过对所述驱动组件减速，使得所述减速轮系输出端扭矩大于所述减速轮系输入端扭矩。

进一步地，所述减速轮系包括减速太阳轮、减速齿圈和减速行星轮；所述减速太阳轮与所述减速行星轮啮合连接；所述减速齿圈与所述减速行星轮啮合连接。

进一步地，所述减速轮系还包括减速行星架；所述减速行星架内设有用于容纳所述减速行星轮的第一安装位。

进一步地，所述驱动组件包括：电机架、以及设置在所述电机架中的电机；所述凸轮轴内设有用于容纳所述电机架的安装腔；所述电机的输出端与所述减速太阳轮连接；所述减速齿圈设置在所述电机架上。

进一步地，所述安装腔中设有第一轮系；所述第一轮系包括第一太阳轮、第一齿圈和第一行星轮；所述第一太阳轮与所述减速行星架一体设置；所述第一齿圈设置在所述凸轮轴上；所述第一行星轮分别与所述第一太阳轮和所述第一齿圈啮合连接。

进一步地，所述凸轮轴外侧设有离合器大轴；所述离合器大轴中设有第二轮系；所述第二轮系包括第二齿圈和第二行星轮；所述第二齿圈与所述离合器大轴连接；所述第二行星轮与所述第二齿圈啮合连接。

进一步地，所述第一轮系和所述第二轮系之间设有公用行星架；所述公用行星架通过轴承分别与所述凸轮轴和所述第一太阳轮连接。

进一步地，所述第二轮系还包括第二太阳轮；所述第二太阳轮与所述公用行星架之间通过轴承连接；所述第二太阳轮与所述第二行星轮啮合连接。

进一步地，所述公用行星架中设有第二安装位；所述第一行星轮和所述第二行星轮均设置在所述第二安装位中；所述第一行星轮和所述第二行星轮共轴设置。

本申请提供一种自行车变速器的离合系统，包括离合器轴套、离合器齿轮和棘爪组，还包括如前述中任一项所述的离合执行装置。

本发明的有益效果在于：通过设置减速组件对驱动组件的输入转速减速，使得减速轮系输出端扭矩大于减速轮系输入端扭矩，使用者在使用过程中能够更加轻松地进行换挡操作；通过将驱动组件和减速组件设置在凸轮轴中，可以使离合器结构外形更简洁，并且不会因为离合器齿轮和其他零件的外形而影响驱动组件在离合器外部的安装方式，便于驱动组件的布置，使用者操控更加轻松，换挡效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图：

图1为本发明实施例的一种用于自行车变速器的离合执行装置的内部结构示意图；

图2为本发明实施例的图1中A处的放大示意图；

图3为本发明实施例的一种用于自行车变速器的离合执行装置的结构示意图；

图4为本发明实施例的一种用于自行车变速器的离合执行装置的爆炸示意图；

图5为本发明实施例的一种用于自行车变速器的离合执行装置的机构运动简图；

图6为本发明实施例的一种用于自行车变速器的离合系统的结构示意图。

图中，5、公用行星架；6、凸轮轴；7、离合器大轴；8、离合器轴套；9、棘爪组；11、电机；12、电机架；21、减速太阳轮；22、减速齿圈；23、减速行星轮；24、减速行星架；31、第一太阳轮；32、第一齿圈；33、第一行星轮；41、第二太阳轮；42、第二齿圈；43、第二行星轮；51、第二安装位；52、第五轴承；61、第一轴承；62、安装腔；71、第二轴承；81、离合器齿轮；91、棘爪；92、棘爪转轴；93、棘爪转动轴承；241、第一安装位；311、第三轴承；411、第四轴承。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明较佳实施例的如图1至图4所示，提供一种用于自行车变速器的离合执行装置，包括凸轮轴6；还包括设置在凸轮轴6中的驱动组件和减速轮系；减速轮系通过对驱动组件减速，使得减速轮系输出端扭矩大于减速轮系输入端扭矩。

当使用者不进行换挡操作时，凸轮轴6和凸轮轴6外侧的离合器大轴7会与离合器大轴7外的齿轮以同样的角速度转动。驱动组件和减速轮系保持静止状态。

当使用者进行换挡操作时，驱动组件接收到使用者通过变速系统控制器传来的控制信号，进而驱动减速轮系旋转，减速轮系对驱动组件的转速输入进行减速输出，使得凸轮轴6的角位移相对离合器大轴7发生变化。当凸轮轴6相对离合器大轴7转动达到一定角度时，换挡完成。

通过设置减速组件对驱动组件的输入转速减速，使得减速轮系输出端扭矩大于减速轮系输入端扭矩，使用者在使用过程中能够更加轻松地进行换挡操作；通过将驱动组件和减速组件设置在凸轮轴中，可以使离合器结构外形更简洁，并且不会因为离合器齿轮和其他零件的外形而影响驱动组件在离合器外部的安装方式，便于驱动组件的布置，使用者操控更加轻松，换挡效率高。

在进一步的实施例中，减速轮系包括减速太阳轮21、减速齿圈22和减速行星轮23；减速太阳轮21与减速行星轮23啮合连接；减速齿圈22与减速行星轮23啮合连接。

减速太阳轮21与电机11之间通过联轴器等方式进行连接。减速齿圈22与电机架12之间通过花键和卡簧等方式进行连接。减速太阳轮21、减速齿圈22和减速行星轮23之间为常规的齿轮配合。

在进一步的实施例中，减速轮系还包括减速行星架24；减速行星架24内设有用于容纳减速行星轮23的第一安装位241。减速行星轮23设置在第一安装位241中，第一安装位241中设有第一转轴，第一转轴穿过减速行星轮23，减速行星轮23的边缘穿出减速行星架24。

在进一步的实施例中，驱动组件包括：电机架12、以及设置在电机架12中的电机11；凸轮轴6内设有用于容纳电机架12的安装腔62；电机11的输出端与减速太阳轮21连接；减速齿圈22设置在电机架12上。

其中，电机11与电机架12通过卡簧和螺丝等方式实现轴向和径向配合，电机架12和凸轮轴6之间通过第一轴承61进行连接，凸轮轴6和离合器大轴7之间通过第二轴承71进行连接。电机11安放在电机架12内，电机架12又设置在凸轮轴6中，简化了离合器的外形。

在进一步的实施例中，安装腔62中设有第一轮系；第一轮系包括第一太阳轮31、第一齿圈32和第一行星轮33；第一太阳轮31与减速行星架24一体设置；第一齿圈32设置在凸轮轴6上；第一行星轮33分别与第一太阳轮31和第一齿圈32啮合连接。第一齿圈32和凸轮轴6之间通过花键、卡簧等方式连接。第一太阳轮31、第一齿圈32和第一行星轮33为常规的齿轮配合。

在进一步的实施例中，凸轮轴6外侧设有离合器大轴7；离合器大轴7中设有第二轮系；第二轮系包括第二齿圈42和第二行星轮43；第二齿圈42与离合器大轴7连接；第二行星轮43与第二齿圈42啮合连接。第二齿圈42与离合器大轴7之间通过花键、卡轴等方式连接。

在进一步的实施例中，第一轮系和第二轮系之间设有公用行星架5；公用行星架5通过第五轴承52与凸轮轴6连接，通过第三轴承311和第一太阳轮连接。当使用者不进行换挡操作时，公用行星架5在离合器大轴7的驱动下与其进行同向转动。

在进一步的实施例中，第二轮系还包括第二太阳轮41；第二太阳轮41与公用行星架5之间通过第四轴承411连接；第二太阳轮41与第二行星轮43啮合连接。第二太阳轮41为固定状态，不会随第二行星轮43和公用行星架5的转动而转动。

在进一步的实施例中，公用行星架5中设有第二安装位51；第一行星轮33和第二行星轮43均设置在第二安装位51中；第一行星轮33和第二行星轮43共轴设置。第二安装位51中设有第二转轴，其中，第二转轴依次穿过第一行星轮33与第二行星轮43，使得第一行星轮33和第二行星轮43可分别相对第二转轴转动。

上述实施例中，第一行星轮33与第二行星轮43的齿数相同，第一太阳轮31与第二太阳轮41的齿数相同，第一齿圈32与第二齿圈42之间的齿数相同，使得在使用者在未进行换挡操作时，凸轮轴6和离合器大轴7能够以同样的角速度进行转动。

综上，如图5所示，本申请的工作过程为：

当使用者不进行换挡操作时，凸轮轴6和离合器大轴7会与离合器大轴7外的齿轮以同样的角速度转动。减速齿圈22，减速行星轮23，减速太阳轮21为静止状态，减速行星架24上的第一太阳轮31因此也为静止，第二太阳轮41固定静止不动，公用行星架5在离合器大轴7的驱动下与其进行同向转动。

当使用者进行换挡操作时，电机11接收到使用者通过变速系统控制器传来的控制信号，进而驱动减速太阳轮21旋转，在减速太阳轮21、减速齿圈22和减速行星轮23的配合下，减速行星架24上的第一太阳轮31对减速太阳轮21的转速输入进行减速输出，即输出到减速行星架24上的第一太阳轮31上，第一太阳轮31的转动和公用行星架5的转动对于凸轮轴6齿圈的角位移影响的叠加造成了凸轮轴6相对离合器大轴7的角位移变化。在换挡操作完成前，凸轮轴6和离合器大轴7以接近相同的角速度(即凸轮轴6和离合器大轴7的相对角速度不为0)运动，但来自第一太阳轮31的角位移变化造成了凸轮轴6与离合器大轴7之间的相对转动，且在相对移动达到一定角度时，换挡完成，这通常表现为凸轮轴6在换挡过程中顶起和收回了离合器大轴7上的不同棘爪，进而选择了不同的离合器齿轮81与离合器大轴7进行连接。

上述实施例中，减速太阳轮21、减速齿圈22、减速行星轮23和减速行星架24构成一个行星轮系机构，其中，减速太阳轮21为行星轮系机构的输入端，减速行星架24为行星轮系的输出端。该行星轮系机构的减速过程如下所示：

减速行星轮23中心速度与减速太阳轮21和行星轮接触点速度满足下列关系式(1)：

V₁＝0.5V₂ (1)；

其中，V₁为减速行星轮中心速度，V₂为减速太阳轮和行星轮接触点速度。

减速太阳轮和行星轮接触点速度、减速太阳轮角速度、减速太阳轮半径，满足下列关系式(2)：

V₂＝w₁r₁ (2)；

其中，w₁为减速太阳轮角速度，r₁为减速太阳轮半径。

减速行星轮中心速度、减速行星架角速度、减速太阳轮半径、减速行星轮半径满足下列关系式(3)：

V₁＝w₂(r₁+r₂) (3)；

其中，w₂为减速行星架角速度，r₂为减速行星轮半径。

行星轮直径设为d₂，行星轮直径d₂与行星轮半径r₂满足下列关系式(4)：

d₂＝2r₂ (4)。

结合上述关系式(1)、(2)、(3)、(4)可得，

减速机构的传动比满足下列关系式(5)：

基于上述关系式(5)可得，该行星轮系的传动比大于1，即减速太阳轮的输入速度大于减速行星架的输出速度，输入端上的力矩小于输出端上的力矩，即实现输出端的减速增矩。

本申请提供一种变速器离合系统，结合图1至图6可得，包括离合器轴套8、离合器齿轮81和棘爪组9，还包括如前述中任一项的离合执行装置。

其中，离合器轴套8外套在离合器大轴7上，离合器轴套8上设有离合器齿轮81，棘爪组9设置在离合器大轴7上，在本实施例中，棘爪组9包含棘爪91、棘爪转轴92、棘爪转动轴承93，棘爪组9可在换挡(即：变速系统控制器控制凸轮轴6和离合器大轴7进行相对转动)过程中抬升并与离合器齿轮81进行连接或下降并与离合器齿轮81断开连接。

在其中一个实施例中，当棘爪没有与某个或某几个离合器齿轮81内部的轴承或其他结构进行配合时，离合器齿轮81可被其他与之相配合传动的轴系齿轮(一般是在传动轴上的固定齿轮)驱动，从而使离合器齿轮81在离合器大轴7套外部进行滚动或滑动，但离合器齿轮81不传递扭矩到离合器大轴7上；当棘爪与某个或某几个离合器齿轮81内部的轴承或其他结构进行连接时，离合器齿轮81可被其他与之相配合传动的轴系齿轮(一般是在传动轴上的固定齿轮)驱动，并且可传递扭矩到离合器大轴7上，进而再由其他离合器齿轮81或离合器大轴7将扭矩输出至下一级传动模块。当不同的离合器齿轮81和它们对应的棘爪连接时，会产生不同的传动比挡位，进而帮助使用者根据地形需要灵活切换挡位。

综上，将电机11安放在电机架12之内，简化了离合器的外形。同时，由于该离合器通常安放在车架的前三角内，齿圈与凸轮轴6和离合器大轴7连接，所以凸轮轴6的设计空间并不十分受限，使得12速甚至更多挡位可在凸轮轴6转动一圈内完成，简化了凸轮轴6的加工工艺，降低了生产成本和报废率。进一步地，本申请可使凸轮轴6和离合器大轴7在转动或静止中完成换挡，即能够使凸轮轴6和离合器大轴7之间无论在运动或静止中都产生相对的转动，通过太阳轮对齿圈减速来达到换挡的目的，输入端扭矩小于输出端扭矩，更容易被操控，换挡更为轻松，换挡效率高。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于自行车变速器的离合执行装置，包括凸轮轴；其特征在于：还包括设置在所述凸轮轴中的驱动组件和减速轮系；所述减速轮系通过对所述驱动组件减速，使得所述减速轮系输出端扭矩大于所述减速轮系输入端扭矩。

2.根据权利要求1所述的用于自行车变速器的离合执行装置，其特征在于，所述减速轮系包括减速太阳轮、减速齿圈和减速行星轮；所述减速太阳轮与所述减速行星轮啮合连接；所述减速齿圈与所述减速行星轮啮合连接。

3.根据权利要求2所述的用于自行车变速器的离合执行装置，其特征在于，所述减速轮系还包括减速行星架；所述减速行星架内设有用于容纳所述减速行星轮的第一安装位。

4.根据权利要求2所述的用于自行车变速器的离合执行装置，其特征在于，所述驱动组件包括：电机架、以及设置在所述电机架中的电机；所述凸轮轴内设有用于容纳所述电机架的安装腔；所述电机的输出端与所述减速太阳轮连接；所述减速齿圈设置在所述电机架上。

5.根据权利要求3所述的用于自行车变速器的离合执行装置，其特征在于，所述安装腔中设有第一轮系；所述第一轮系包括第一太阳轮、第一齿圈和第一行星轮；所述第一太阳轮与所述减速行星架一体设置；所述第一齿圈设置在所述凸轮轴上；所述第一行星轮分别与所述第一太阳轮和所述第一齿圈啮合连接。

6.根据权利要求5所述的用于自行车变速器的离合执行装置，其特征在于，所述凸轮轴外侧设有离合器大轴；所述离合器大轴中设有第二轮系；所述第二轮系包括第二齿圈和第二行星轮；所述第二齿圈与所述离合器大轴连接；所述第二行星轮与所述第二齿圈啮合连接。

7.根据权利要求6所述的用于自行车变速器的离合执行装置，其特征在于，所述第一轮系和所述第二轮系之间设有公用行星架；所述公用行星架通过轴承分别与所述凸轮轴和所述第一太阳轮连接。

8.根据权利要求7所述的用于自行车变速器的离合执行装置，其特征在于，所述第二轮系还包括第二太阳轮；所述第二太阳轮与所述公用行星架之间通过轴承连接；所述第二太阳轮与所述第二行星轮啮合连接。

9.根据权利要求8所述的用于自行车变速器的离合执行装置，其特征在于，所述公用行星架中设有第二安装位；所述第一行星轮和所述第二行星轮均设置在所述第二安装位中；所述第一行星轮和所述第二行星轮共轴设置。

10.一种自行车变速器的离合系统，包括离合器轴套、离合器齿轮和棘爪组，其特征在于，还包括如权利要求1-9中任一项所述的离合执行装置。

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