TW201946835A - 電助力自行車動力模組 - Google Patents

Abstract

本發明有關於一種電助力自行車動力模組，包含一內轉子為空心軸之馬達、一可與馬達連動之行星齒輪系傳動單元，一懸浮軸向穿過內轉子空心軸之自行車曲柄軸及兩側曲柄、一傳感構件、一自行車齒盤及可與自行車齒盤固結之單向離合器；曲柄軸為腳踏軸，馬達內轉子空心軸及所連動之行星齒輪系之行星支架中央空心軸為馬達動力輸出軸，各連動不同的單向離合器，分別為主動軸與從動軸，讓腳踏與馬達動力分別作動，而以曲柄軸(腳踏軸)及所連動之傳感構件，為啟動馬達或使馬達斷電之控制單元。

Description

電助力自行車動力模組

本發明一種電助力自行車動力模組，提供電助力自行車動力輸出更簡捷、組件更精簡輕巧、重心更平穩的一種自行車電助力驅動裝置。

習知之電助力自行車，最早以馬達(電機)裝在車架上以鏈條連結者，目前習用者在前輪或後輪的輪轂中裝有馬達之前置或後置輪轂馬達者，有在輪轂旁裝置馬達之輪邊馬達者。較先進者有裝置於自行車五通處連結曲柄軸者，及將馬達置於下管或中管內連結曲柄軸者，皆稱中置馬達。先進者前者如『德國BOSCH之中華民國專利II523794電動腳踏車混合驅動器』：以腳踏曲柄分別連接太陽輪與行星支架，馬達也分別連接行星支架及太陽輪連接，為動力輸入端，環齒輪連結鏈條為動力輸出端，有如下盲點：1.一方面減速比低，太陽輪為動力輸入端，環齒輪為動力輸出端，相較於太陽輪為動力輸入端，行星支架為動力輸出端，其減速比為80%，對採用需高速馬達之中置馬達而言，減速比明顯不足；2.另方面太陽輪輸入，環齒輪輸出係反方向作動，必須對 馬達出力方向作特殊設計，如德國Bosch及台灣彭德右之專利；3.最大出力在最外環，重心較不穩。

另『日本SHIMANO之中華民國專利I475345自行車驅動單元及I561431自行車用驅動單元』：傳動方式包含以內轉子及外轉子為馬達助力動力輸出，其作動方式為『騎乘者的踏力所產生的扭矩，是朝曲軸臂101→曲軸102→第1連接部151a→第2連接部151b→第1齒輪114→第2齒輪161→動力傳達軸160→第3齒輪142→輸出部131透過變速機構被傳達。另一方面，來自馬達的輸出扭矩，是朝減速機構127→扭矩傳達構件130→單向離合器132→輸出部131被傳達。』

有如下盲點：1.其腳踏力所產生扭矩透過至少三個齒輪傳動及一動力傳達軸，過多的傳動、組件，一方面增加體積及重量，另方面增加阻力，降低傳動效率；2.其以外轉子馬達為輸出扭矩者，在平均動平衡、反應速度及成本上皆劣於內轉子馬達，不適於須高轉速的中置馬達。

電助力自行車，除了做為大眾通勤工具外，也是運動、休閒、代步工具；簡捷、輕量、易於量化實施為需求重點，上述已知之各類電助力自行車之馬達驅動裝置在體積、組件及重心平穩上仍有不足；本發明係裝置於習用自行車腳踩之五通軸位置，並替代五通軸，以曲柄軸為中心，重心平穩，增加騎乘的穩定性；以馬達連動之行星齒輪系減速傳動單元，以環齒輪固定，太陽輪為入力軸，行星支架為出力軸，使驅動裝置能以較少的模組化組件組成，結構簡捷、減速比高，有利大量生產並降低成本，使電助力自行車成為大眾化的運動休閒交通工具；且以兩個習用之單向離合器元件，作為配置腳踏與馬達動力之輸出，分別為主動軸與從動軸，讓腳踏與馬達動力分別作動，不相互干涉，而以曲柄軸(腳踏軸)及所連動之傳感構件，為啟動馬達或使馬達斷電之控制單元，動力輸出簡捷、俐落，享受騎乘的樂趣，茲分述如下：本發明有關於一種電助力自行車動力模組，包含一內轉子為空心軸之馬達、一可與馬達螺合連動之二個同心軸行星齒輪系傳動單元，一懸浮軸向穿過馬達內轉子空心軸之自行車曲柄軸、一傳感構件、一自行車齒盤，及兩個可分別與自行車齒盤固結連動和單向連動之單向離合器(或稱超越式離合器、自由輪)；其中行星齒輪系傳動單元係以環齒 輪(或稱內齒輪)固定，太陽輪為入力軸，連動行星輪，及行星支架為出力軸之同轉向減速結構；該馬達內轉子空心軸右端為外齒輪結構，為第一行星齒輪系之太陽輪；第一行星齒輪系行星支架具中央空心軸，該中央空心軸右端為外齒輪結構，為第二行星齒輪系之太陽輪；第二行星齒輪系行星支架具中央空心軸；在環齒輪固定的情況下，馬達內轉子空心軸右側構成之太陽輪連動兩個行星齒輪系，同時連動第二行星齒輪系行星支架中央空心軸，該中央空心軸連動固結於該自行車齒盤內側內緣之第一單向離合器，連動該自行車齒盤，於馬達受傳感構件感應轉動時，助力帶動車輛前進；該曲柄軸懸浮穿過該馬達內轉子空心軸後，右側再懸浮穿過同心軸之第一行星齒輪系之行星支架中央空心軸，右側又固結穿過第二行星齒輪系之行星支架中央空心軸內軸承之中心孔後，再固結圓盤狀扣環，該圓盤狀扣環固結第二單向離合器，該第二單向離合器內緣套在齒盤之外側外緣，與齒盤順時鐘單向連動，於腳踩車輛前進時，該曲柄軸左側連動該傳感構件，啟動該馬達，助力帶動車輛前進。

該電助力自行車動力模組，係被安裝於自行車五通軸位置並取代五通軸。

馬達內轉子空心軸右端為外齒輪結構外，亦可為在軸內兩端套緊銅環的結構，其右端外緣為逆時鐘的螺紋結構，可 供內緣為逆時鐘螺紋之環狀外齒輪對應螺固，該環狀外齒輪為第一行星齒輪系之太陽輪。

曲柄軸為腳踏軸，馬達內轉子空心軸及所連動之行星齒輪系之行星支架中央空心軸為馬達動力輸出軸；該曲柄軸右側具圓盤狀扣環，該圓盤狀扣環固結第二單向離合器，該單向離合器內緣與齒盤外側外緣順時鐘單向連動；行星支架中央空心軸與固結於齒盤內側內緣之第一單向離合器順時鐘單向連動，分別為主動軸與從動軸，讓腳踏與馬達動力分別作動，驅動齒盤使車輛前進。而以曲柄軸(腳踏軸)及所連動之複數個磁極感應傳感線圈，電性連接控制器，為啟動馬達或使馬達斷電之控制單元。

與馬達螺合連動之同心軸行星齒輪系傳動單元，為兩個行星齒輪系重疊連動之雙層減速比之行星齒輪系傳動單元，以增加減速比；通常單層減速傳動結構最高減速比為10，雙層減速傳動結構減速比可達100，可運用在馬達轉速與齒盤轉速之調配上，讓自行車騎乘者腳踩踏板之轉速得到最舒適程度。

A‧‧‧馬達

A1‧‧‧內轉子空心軸

A11‧‧‧銅環

A12‧‧‧逆時鐘的螺紋結構

A13‧‧‧逆時鐘的螺紋結構

A14‧‧‧環狀外齒輪

A2‧‧‧外線圈定子

A3‧‧‧馬達機殼

A41‧‧‧右外蓋

A411‧‧‧軸承

A412‧‧‧中心孔

A42‧‧‧左外蓋

A421‧‧‧軸承

A422‧‧‧中心孔

B‧‧‧行星齒輪系

B1‧‧‧第一行星齒輪系

B12‧‧‧行星輪

B13‧‧‧行星支架

B131‧‧‧中央空心軸

B132‧‧‧中心孔

B14‧‧‧環齒輪

B141‧‧‧環齒輪外殼

B15‧‧‧太陽輪

B2‧‧‧第二行星齒輪系

B21‧‧‧右外蓋

B211‧‧‧軸承

B212‧‧‧中心孔

B22‧‧‧行星輪

B23‧‧‧行星支架

B231‧‧‧中央空心軸

B232‧‧‧軸承

B233‧‧‧中心孔

B25‧‧‧太陽輪

1‧‧‧曲柄軸

11‧‧‧右曲柄

12‧‧‧左曲柄

13‧‧‧環狀扣環

2‧‧‧齒盤

20‧‧‧中央穿孔

21‧‧‧第一單向離合器

211‧‧‧滾針

22‧‧‧第二單向離合器

221‧‧‧滾針

23‧‧‧鍊條

3‧‧‧傳感構件

30‧‧‧基座

301‧‧‧軸承

302‧‧‧中心孔

303‧‧‧外緣

31‧‧‧圓盤

311‧‧‧中央穿孔

32‧‧‧帽蓋

321‧‧‧中央穿孔

322‧‧‧內緣

33‧‧‧複數個磁極

34‧‧‧傳感線圈

第一圖為本發明實施例之摘要立體分解圖。

第二圖為本發明實施例之剖視圖。

第三圖為本發明實施例之詳細立體分解圖。

第四圖為本發明第二實施例，馬達內轉子空心軸不同結構之立體分解圖。

第五圖為本發明實施例腳踩動，曲柄軸為主動軸，帶動第二單向離合器，順時鐘單向連動齒盤之軸向作動情形。

第六圖為本發明實施例腳踩動，馬達被感應啟動後連動之行星支架中央空心軸，帶動第一單向離合器，順時鐘單向連動齒盤之軸向作動情形。

茲配合圖式，以後視自行車的角度，列舉以下實施例，用以對本發明之結構及功效進行詳細說明。

請參閱第一至三圖，本發明有關於一種電助力自行車動力模組，包含一內轉子為空心軸之馬達A、一可與馬達A螺合連動之二個同心軸行星齒輪系B傳動單元，一懸浮軸向穿過馬達A內轉子空心軸A1之自行車曲柄軸1、一傳感構件3、一自行車齒盤2，及兩個可分別與自行車齒盤固結連動和單向連動之單向離合器21、22；該馬達A內轉子空心軸A1右端為外齒輪結構，為第一行星齒輪系B1之太陽輪B15；第一行星齒輪系B1行星支架B13具中央空心軸B131，該中央空心軸B131右端為外齒輪結構，為第二行星齒輪系B2之太陽輪B25；第二行星齒輪系B2行星支架B23具中央空心軸B231；在環齒輪B14固定的情況下，馬達A內轉子空心軸A1右側構成之太陽輪B15連動第一行星齒輪系B1，同時連動第二行星齒輪系B2行星支架B23中央空心軸B231，該中央空心軸B231連動固結於該自行車齒盤2內側內緣之第一單向離合器21，單向連動該自行車齒盤2，為馬達A動力輸出結構，於馬達A受傳感構件3感應轉動時，帶動車輛前進；該曲柄軸1懸浮穿過該馬達A內轉子空心軸A1後，右側再懸浮穿過同心軸之第一行星齒輪系B1之行星支架B13中央空心軸B131，右側又固結穿過第二行星齒輪系B2之行星 支架B23中央空心軸B231內軸承B232之中心孔B233後，再固結圓盤狀扣環13，圓盤狀扣環13固結第二單向離合器22，該第二單向離合器22內緣套在齒盤2之外側外緣，與齒盤2順時鐘單向連動，為腳踏軸；曲柄軸1右、左兩端分別固結自行車曲柄11、12，腳踏曲柄11、12時連動曲柄軸1；於腳踩車輛前進時，該曲柄軸1左側連動該傳感構件3，啟動該馬達A，助力帶動車輛前進。

馬達動力輸出軸為從動軸：馬達A軸向右側螺合連動之二個同心軸行星齒輪系B減速傳動單元；馬達A內轉子空心軸A1左端為無齒輪結構，內轉子空心軸A1左端固結於馬達A左外蓋A42中央穿孔上之軸承A421之中心孔A422；馬達A內轉子空心軸A1右端為外齒輪結構；在行星齒輪系B之環齒輪B14固定的情況下，馬達動力輸出結構包括(1)馬達A內轉子空心軸A1，(2)該內轉子空心軸A1右端作為第一行星齒輪系B1之太陽輪B15，(3)該太陽輪B15所連動之第一行星齒輪系B1之複數個行星輪B12，(4)該複數個行星輪B12連動之行星支架B13中央空心軸B131，此一中央空心軸B131右端為外齒輪結構，作為第二行星齒輪系B2之太陽輪B25，(5)該太陽輪B25所連動之第二行星齒輪系B2之複數個行星輪B22，(6)該複數個行星輪B22連動之行星支架B23中央空心軸B231，為馬達A動力輸出軸；該中央空心軸B231順時鐘單向連動固結於齒盤2內側內緣之第一單向離合器 21，於馬達A受傳感構件3感應轉動時，助力帶動車輛前進。

馬達外線圈定子A2固定於馬達機殼A3內，外線圈定子A2線圈並電性連接控制器(未標示於圖中)；馬達A具一右外蓋A41，右外蓋A41中央穿孔上固結一軸承A411；左外蓋A42中央穿孔上固結一軸承A421，內轉子空心軸A1右側外齒輪結構之太陽輪B15，於固結穿過馬達A右外蓋A41軸承A411之中心孔A412後，與第一行星齒輪系B1之行星輪B12連動。

一自行車曲柄軸1，為腳踏主動軸：曲柄軸1右、左兩端分別固結自行車腳踏曲柄11、12，腳踏曲柄11、12時連動曲柄軸1；曲柄軸1兩側懸浮穿過馬達A內轉子空心軸A1後，曲柄軸1右側再懸浮穿過同心軸之第一行星齒輪系B1行星支架B13中央空心軸B131之中心孔B132，又固結穿過第二行星齒輪系B2行星支架B23中央空心軸B231內軸承B232之中心孔B233後，再固結穿過圓盤狀扣環13；圓盤狀扣環13固結第二單向離合器22，該第二單向離合器22內緣套在齒盤2之外側外緣，與齒盤2順時鐘單向連動，帶動自行車齒盤2轉動，為腳踏主動軸；曲柄軸1於固結穿過圓盤狀扣環13後，右端再固結自行車右曲柄11；曲柄軸1左側固結穿過傳感構件3基座30中央穿孔內軸承301中心孔302後，再固結穿過有複數個磁極33之圓盤31之中央穿孔311及懸浮穿過帽蓋32中央穿孔321後，左端再固結自行車左曲柄12；曲柄軸1轉動時，連動圓盤31上之複數個磁極33感應帽蓋32上之 傳感線圈34，傳感線圈34電性連接控制器(未標示於圖中)，為啟動馬達A或使馬達A斷電之控制單元。

行星齒輪系B傳動單元為雙層減速傳動結構：可與馬達A右側螺合連動之行星齒輪系B傳動單元，左側與馬達A右外蓋A41分隔，右側有一外蓋B21；第一行星齒輪系B1為第一層減速傳動結構，係以馬達A內轉子空心軸A1右端外齒輪結構作為第一行星齒輪系B1之太陽輪B15、太陽輪B15連動複數個行星輪B12、再連動行星輪B12之行星支架B13，一環齒輪B14及其外殼B141；行星支架B13中央具一與曲柄軸1同心軸之中央空心軸B131，該中央空心軸B131右端為外齒輪結構，作為行星齒輪系B第二行星齒輪系B2(第二層減速傳動結構)之太陽輪B25；第二行星齒輪系B2與第一行星齒輪系B1共用環齒輪B14及其外殼B141；太陽輪B25連動複數個行星輪B22、再連動行星輪B22之行星支架B23、行星支架B23中央具一與曲柄軸1同心軸之中央空心軸B231，中央空心軸B231右端固結穿過外蓋B21中央穿孔上之軸承B211之中心孔B212。

第二行星齒輪系B2右側外蓋B21具一與曲柄軸1同心軸之中央穿孔，穿孔上固結一軸承B211；第二行星齒輪系B2之行星支架B23中央空心軸B231固結穿過行星齒輪系B右外蓋B21中央穿孔之軸承B211之中心孔B212後，再連動固結於自行車齒盤2內側內緣之第一單向離合器21，順時鐘單向 連動，並連動自行車齒盤2轉動；行星支架B23中央空心軸B231孔內固結一軸承B232，軸承B232中心孔B233供曲柄軸1固結穿過。

馬達A與右側行星齒輪系B為可相互對應貫穿螺合之裝置：馬達A外線圈定子A2固定於馬達機殼A3內，馬達A之右外蓋A41，為與行星齒輪系B間之隔板；行星齒輪系B環齒輪B14之外殼B141與馬達機殼A3及馬達右外蓋A41、左外蓋A42，為可相互對應貫穿螺合之裝置。

一自行車齒盤2，設置於第二行星齒輪系B2傳動單元之軸向右外蓋B21外側，齒盤2外緣為齒狀以連結鏈條23，鏈條23連接自行車後輪齒盤(無圖示)，齒盤2具中央穿孔20，齒盤內側內緣中央穿孔20外周固結第一單向離合器21，齒盤中央穿孔20外側外緣環狀結構與第二單向離合器22順時鐘單向連動；第一單向離合器21與第二行星齒輪系B2行星支架B23中央空心軸B231之外緣順時鐘單向連動，第二單向離合器22與固結於曲柄軸1上之圓盤狀扣環13固結同動。

一傳感構件3，傳感構件3與曲柄軸1同心軸，包含一圓筒狀基座30、一有複數個磁極33之圓盤31，一裝有傳感線圈34之帽蓋32，傳感線圈34與複數個磁極33對應；基座30具一中央穿孔，孔內固結軸承301，軸承301內具一中心孔302供曲柄軸1左側固結穿過；基座30右側固結於馬達A左外蓋A42外側，基座30左側圓筒狀內緣有一獨立圓盤31，圓盤 31具一中央穿孔311供曲柄軸1固結穿過，並與曲柄軸1連動，圓盤31上之外周裝設複數個磁極33；基座30圓筒狀外側有一帽蓋32，帽蓋32具一中央穿孔321供曲柄軸1懸浮穿過，帽蓋32內緣322可與基座30圓筒狀左側之外緣303螺合；複數個磁極33感應傳感線圈34，於曲柄軸1被腳踏轉動或停轉時帶動圓盤31上複數個磁極33轉動或停轉，感應固結於帽蓋32上之傳感線圈34，來控制馬達A啟動與斷電。

第四圖為本發明有關於一種電助力自行車動力模組之第二實施例，其中馬達A內轉子空心軸A1右端為外齒輪結構外，亦可為在該軸內兩端套緊銅環A11的結構，其右端外緣為逆時鐘的螺紋結構A12，可供內緣為逆時鐘螺紋A13之環狀外齒輪A14對應螺固，該環狀外齒輪為第一行星齒輪系B1之太陽輪B15。

請參閱第三至六圖，本發明有關於一種電助力自行車動力模組之作動方式：曲柄軸1右、左兩端分別固結自行車曲柄11、12，腳踩動曲柄11、12時，連動曲柄軸1；曲柄軸1啟動後，傳感構件3之圓盤31上複數個磁極33隨著曲柄軸1轉動，而感應固結於帽蓋32上之傳感線圈34，該傳感線圈34電性連接馬達A，啟動馬達A動力輸出；在環齒輪B14固定的情況下，馬達A內轉子空心軸A1轉動時，其做為第一行星齒輪系B1之太陽輪B15連動複數個行星輪B12，同時連動行星支架B13中央 空心軸B131同向減速轉動；中央空心軸B131之外齒輪結構做為第二行星齒輪系B2之太陽輪B25，連動複數個行星輪B22，再連動行星支架B23及其中央空心軸B231同向減速轉動，中央空心軸B231固結穿過第二行星齒輪系B2右外蓋B21中央穿孔內軸承B211之中心孔B212後，再單向連動固結於自行車齒盤2內側內緣之第一單向離合器21，連動自行車齒盤2轉動。

曲柄軸1為主動軸，作動F1：腳踩驅動自行車順時鐘方向前進時，與曲柄軸1圓盤狀扣環13固結之第二單向離合器22也順時鐘轉動，此時，齒盤2之外側外緣環狀結構藉由摩擦阻力推擠第二單向離合器22內之滾針221，使呈緊合狀態，而產生作動F2：帶動齒盤2及鍊條23同向轉動，鍊條23連動自行車後車輪齒盤，使車輛前進；此時第二行星齒輪系B2行星支架B23中央空心軸B231為從動軸，在該中央空心軸B231為從動的情況下，固結於齒盤2內側內緣之第一單向離合器21也順時鐘轉動，在相對運動的作動下，第一單向離合器21內之滾針211被逆時針方向推開，呈分離狀態，而不連動該中央空心軸B231，更不連動整個行星齒輪系及馬達A內轉子空心軸A1，不會有馬達A被拖曳的情事，而增加腳力負荷，可輕快踩動。

車輛受腳踩啟動後，傳感構件3之圓盤31上複數個磁極33隨著曲柄軸1轉動，而感應固結於帽蓋32上之傳感線圈34，啟 動馬達A動力輸出；馬達A順時鐘轉動後，內轉子空心軸A1右端外齒輪結構之太陽輪B15連動第一行星齒輪系B1之行星支架B13中央空心軸B131，再連動第二行星齒輪系B2之行星支架B23中央空心軸B231，成為動力輸出軸；產生作動F3：中央空心軸B231右端連動固結於齒盤2內側內緣之第一單向離合器21，藉由中央空心軸B231右端對第一單向離合器21內之滾針211摩擦阻力推擠，使第一單向離合器21內之滾針211順時鐘轉動，使呈緊合狀態，產生作動F4：帶動齒盤2及鍊條同向轉動，使車輛前進；此時曲柄軸1為從動軸，於齒盤2順時鐘轉動時，在相對運動的作動下，與曲柄軸1連動之第二單向離合器22內之滾針221，被順時針方向推開，呈分離狀態，腳踩之曲柄11、12處於自由狀態，不會有雙腳被拖著轉動的情事；當持續腳踩騎乘時，馬達A動力亦持續輸出，達到助力騎乘的作用；當腳停止踩動時，傳感構件3圓盤31上複數個磁極33不感應傳感線圈34，馬達A跟著斷電，停止動力輸出。

Claims (2)

1. 一種電助力自行車動力模組，包含一內轉子為空心軸之馬達、一可與馬達螺合連動之二個同心軸行星齒輪系傳動單元，一懸浮軸向穿過馬達內轉子空心軸之自行車曲柄軸、一傳感構件、一自行車齒盤，及兩個可分別與自行車齒盤固結連動和單向連動之單向離合器；該馬達內轉子空心軸右端為外齒輪結構，為第一行星齒輪系之太陽輪；第一行星齒輪系行星支架及第二行星齒輪系行星支架皆為中央空心軸結構；在環齒輪固定的情況下，馬達內轉子空心軸右側構成之太陽輪連動兩個行星齒輪系，同時連動第二行星齒輪系行星支架中央空心軸，該中央空心軸連動固結於該自行車齒盤內側內緣之第一單向離合器，連動該自行車齒盤，於馬達受傳感構件感應轉動時，助力帶動車輛前進；該曲柄軸懸浮穿過該馬達內轉子空心軸後，右側再懸浮穿過同心軸之第一行星齒輪系之行星支架中央空心軸，右側又固結穿過第二行星齒輪系之行星支架中央空心軸內軸承之中心孔後，再固結圓盤狀扣環，該圓盤狀扣環固結第二單向離合器，該第二單向離合器內緣套在齒盤之外側外緣，與齒盤順時鐘單向連動，於腳踩車輛前進時，該曲柄軸左側連動該傳感構件，啟動該馬達，助力帶動車輛前進。
2. 如申請專利範圍第1點所述，一種電助力自行車動力模組，其中該馬達內轉子空心軸，亦可為在軸內兩端套緊銅環的結構，其右端外緣為逆時鐘的螺紋結構，可供內緣為逆時鐘螺紋之環狀外齒輪對應螺固，該環狀外齒輪為第一行星齒輪系之太陽輪。