TW202100893A - 齒輪變速系統 - Google Patents

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諾亞 古安尼根
柯林 戴爾慕德
威廉 哥德林
摩頓 阿帕魯德 雅各布森
蓋瑞特 葛查爾
亞歷山德 雅各布森 羅森伯里
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丹麥商陶瓷疾速運動公司
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Abstract

一種齒輪變速系統包含一驅動軸、一面齒輪及至少一個動力傳輸組件。該齒輪系統亦包含耦合至該驅動軸之第一端之一小齒輪齒輪總成。該小齒輪齒輪總成經構形以與該面齒輪上之同心齒輪環中之一者嚙合，使得該齒輪環之旋轉移動被傳輸至該軸。該齒輪變速系統易於操作，係機械上簡單的，可在任何齒輪變速條件下在齒輪之間平順地進行變速，且展現經減小組件磨損。

Description

齒輪變速系統
本發明係關於一種齒輪變速系統。特定而言，本發明係關於一種小齒輪齒輪變速系統。
習用齒輪系統利用具有多個鏈輪之一面齒輪。此等鏈輪包括若干個齒及齒谷。一組不同齒輪接合冠齒輪之齒及齒谷，藉此將動力自馬達傳送至陸上運載工具之輪。
先前已闡述諸多不同齒輪變速系統，舉例而言，一鏈條驅動及一軸驅動系統兩者。在軸驅動系統中，一面齒輪之齒接合一軸上之齒。
數種腳踏車軸驅動系統係目前可用的。目前的腳踏車軸驅動系統使用與固定齒齒輪嚙合之固定齒齒輪或與一冠齒輪上之固定齒接合之一滾子襯套系統來提供旋轉動力傳送。
舉例而言，US 5,078,416揭示使用斜面形固定齒齒輪來接收並傳輸旋轉動力之一種腳踏車軸驅動。US 2011/0062678 (A1)揭示使用扁平形固定齒齒輪來接收並傳輸旋轉動力之一種腳踏車軸驅動。US 7,434,489揭示使用球形固定齒齒輪及圓柱形固定齒齒輪來接收並傳輸旋轉動力之一種腳踏車軸驅動。本文件亦闡述一種使用安裝在面齒輪之齒輪環之間的旋轉定位銷以便系統進行齒輪變速之非高效方法。WO 2006/049366 (A1)及WO 2007/132999 (A1)兩者闡述包括接合在一冠齒輪中之襯套之腳踏車驅動軸。此等滾子襯套系統藉由使用一支撐部件上之一簡單滑動介面來提供滾子之旋轉。US 6,158,296闡述包括接合在一冠齒輪中之固定非旋轉元件之一種分拆式小齒輪齒輪。此系統依賴於變速通道之使用以適應齒輪傳輸之齒輪變速。在不使用此等變速通道之情形下，所闡述齒輪傳輸無法進行齒輪變速。使用變速通道來進行齒輪變速使得齒輪傳輸效率低下且反應緩慢。
此等參考文獻中之任一者皆未闡述一功能良好且有效的齒輪變速系統。US 2011/0062678 (A1)需要使用多齒輪小齒輪以允許同心齒輪環之間的一變速。具體而言，每一獨特齒輪環皆需要一小齒輪。在本文件之情形中，四個獨特齒輪改變係可用的，且需要四個(4)齒輪之小齒輪來在任何一個時間將動力傳送至各別四個(4)同心齒輪環。另外，在一齒輪改變期間，花鍵軸必須在以不同速度旋轉之小齒輪之間轉變。此可致使一不同步且磨削之「被迫」嚙合。
US 7,434,489使用一單齒輪小齒輪。然而，為了達成一齒輪改變，此單齒輪小齒輪必須藉助力跨越毗鄰齒輪環移動。若騎行者正在蹬踏且因此在一齒輪變速期間透過小齒輪施加扭矩，則當小齒輪齒試圖跨越齒輪環齒滑動時，將需要額外變速力來克服小齒輪齒與齒輪環齒之間的摩擦，同時在橫向滑動期間仍施加騎行者扭矩。此摩擦可產生齒之過量磨損。
鑒於現有齒輪變速系統，具有一功能良好，即使在嚴重騎行者蹬踏扭矩期間亦平順地進行齒輪變速而無磨削，無齒對齒橫向滑動摩擦，且係機械上簡單的齒輪變速系統將係有利的。另外，具有產生最小組件磨損且具有延長部件壽命之一齒輪變速系統將係有利的。
本專利中所使用之術語「發明(invention)」、「本發明(the invention)」、「本發明(this invention)」及「本發明(the present invention)」意欲寬泛地係指本專利及下文專利技術方案之所有標的物。含有此等術語之陳述應理解為不限制本文中所闡述之標的物或不限制下文專利技術方案之意義或範疇。由本專利所涵蓋之本發明之實施例由下文技術方案，而非本發明內容界定。本發明內容係本發明之各種實施例之高階概述且引入在下文實施方式章節中進一步闡述之概念中之某些概念。本發明內容並不意欲識別所主張標的物之關鍵或本質特徵，也並不意欲單獨用來判定所主張標的物之範疇。應藉由參考本專利之整個說明書之適當部分，圖式中之任一者或所有及每一技術方案來理解標的物。
根據某些實施例，一齒輪變速系統包含一驅動軸，該驅動軸經構形以連接該齒輪系統之一面齒輪及至少一個動力傳輸組件。該齒輪系統包含至少一個動力傳輸組件，其耦合至該驅動軸之第二端。該齒輪系統亦包含一面齒輪，其包含一鑲齒盤及至少一個同心齒輪環，且一驅動軸具有一旋轉軸線並具有該驅動軸之一第一端及一第二端。該驅動軸包含一小齒輪齒輪總成，其耦合至該驅動軸之該第一端，其中該小齒輪齒輪總成經構形以與該面齒輪上之該等同心齒輪環中之一者嚙合，使得該齒輪環之旋轉移動被傳輸至該軸。在某些實例中，該小齒輪齒輪總成包含一或多個接合元件，且該小齒輪齒輪總成之該一或多個接合元件接合面齒輪之該等同心齒輪環中之一者。在各種實例中，該小齒輪齒輪總成包含一旋轉器之至少兩個分拆區段。
在各種實施例中，小齒輪齒輪總成包含旋轉器中之自兩個至多達接合元件之數目的任何數目個區段。在某些實例中，小齒輪齒輪總成包含兩個至十二個區段。在某些態樣中，小齒輪齒輪總成包含獨立於彼此移動之至少兩個區段。在某些實施例中，小齒輪齒輪總成包含至少兩個區段，其中所有區段具有相同數目個接合元件。
在某些實施例中，動力傳輸組件係連接至一腳踏車上之踏板及/或一馬達的一前面齒輪。在各種態樣中，動力傳輸組件係連接至一腳踏車上之踏板的一前面齒輪。在某些實例中，接合元件係固定接合元件及/或滾動元件。在某些實例中，接合元件係固定齒、3D非滾動物件、襯套、軸承、滾珠軸承、滾子軸承及/或雙列滾珠軸承。
在某些實例中，面齒輪包含若干個齒輪環，且其中該等環中之至少某些環中之齒經放置以便形成在鑲齒盤之一徑向方向上延伸之齒谷之一變速通道。在各種實施例中，齒經放置以形成在不同徑向方向上延伸之至少三個變速通道。在某些態樣中，變速通道係未經連接的及/或實心的。
在各種實施例中，鑲齒盤包含至少六個同心齒輪環且其中齒輪環維持每增加一齒輪環增加三個齒。在某些實施例中，鑲齒盤包含至少六個同心齒輪環，齒輪環維持每增加一齒輪環增加三個齒，且在此表中列出齒輪環上之齒之數目：15-18-21-24-27-30-33-36-39-42-45-48-51-54。
在某些實施例中，小齒輪齒輪總成包含一旋轉器，且旋轉器具有均勻地分佈在距中心一徑向距離處之接合元件。在各種實施例中，面齒輪之一或多個齒輪環包含複數個齒及齒谷，且齒與鑲齒盤之一表面平面成約0°至約120°之範圍中之一角度而延伸。在某些實例中，一機電齒輪選擇裝置定位在驅動軸之內部且連接至齒輪變速控制器及小齒輪齒輪總成。
根據各種實施例，一種藉助一齒輪變速系統進行齒輪變速之方法包含：在起始齒輪變速之前，使所有區段接合面齒輪上之同一齒輪環；當起始齒輪變速時，使至少一個區段仍接合初始齒輪環，而至少一個其他區段軸向地移動，且其中此其他區段移動以便進入至與新齒輪環對準之路徑中，且當軸及小齒輪齒輪總成繼續旋轉時，現對準至新齒輪環之其他區段將在軸及小齒輪齒輪總成繼續旋轉時接合在面齒輪上之新齒輪環中。該方法包含：當初始區段與初始齒輪環解除接合時，初始區段將在與已軸向地移動之其他區段類似之方向上軸向地移動；在一個軸旋轉內，所有初始區段將解除接合面齒輪之初始齒輪環，且隨後軸向地移動以依循其他區段從而變得與新齒輪環對準並接合；此時，構成區段之所有接合元件已移動，且已與新齒輪環對準，且再次位於同一旋轉平面內；且此時，齒輪變速結束並完成且正常操作返回至齒輪系統。
根據某些實施例，一種腳踏車齒輪變速系統包含一驅動軸，該驅動軸經構形以連接該腳踏車驅動系統之一前面齒輪及後面齒輪。該腳踏車驅動系統包含一前面齒輪，其包含一鑲齒盤及至少一個同心齒輪環，及一後面齒輪，其包含一鑲齒盤及至少一個同心齒輪環。該腳踏車驅動系統亦包含一驅動軸，其具有一旋轉軸線並具有該驅動軸之一第一端及一第二端。驅動軸包含耦合至驅動軸之第一端之一小齒輪齒輪總成，及/或耦合至驅動軸之第二端之一小齒輪齒輪總成，其中小齒輪齒輪總成經構形以與前面齒輪或後面齒輪上之同心齒輪環中之一者嚙合，使得齒輪環之旋轉移動被傳輸至軸。小齒輪齒輪總成包含一或多個接合元件，且小齒輪齒輪總成之該一或多個接合元件接合後面齒輪及/或前面齒輪之同心齒輪環中之一者。在某些實例中，接合後面齒輪及/或前面齒輪之小齒輪齒輪總成包含一旋轉器之至少兩個分拆區段。
本發明中所闡述之各種實施方案可包含可能未必在本文中明確揭示，但熟習此項技術者將在審閱以下詳細說明及附圖之後明瞭之額外系統、方法、特徵及優點。意欲使所有此等系統、方法、特徵及優點皆包含於本發明內且受所附技術方案保護。
相關申請案之交叉參考 本申請案主張於2019年4月22日提出申請且標題為「齒輪變速系統(A GEAR SHIFTING SYSTEM)」之美國臨時專利申請案第62/836,864號及於2019年9月2日提出申請且標題為「齒輪變速系統(A GEAR SHIFTING SYSTEM)」之丹麥申請案第PA 2019 01029號之優先權，該等申請案兩者特此以全文引用之方式併入。
此處將本發明之實施例之標的物闡述為具有特異性以滿足法定要求，但此說明未必意欲限制申請專利範圍之範疇。所主張標的物可以其他方式體現，可包含不同元件或步驟，且可結合其他現有或將來技術來使用。此說明不應解釋為暗指各種步驟或元件當中或之間的任何特定次序或配置，除了當明確闡述個別步驟之次序或元件之配置時。諸如「上」、「下」、「頂部」、「底部」、「左」、「右」、「前」及「後」以及其他方向性參考之方向性參考意欲係指組件及方向正參考之圖(或各圖)中圖解說明及闡述之定向。
本發明之一特定實施例可用作一腳踏車上之一齒輪變速系統。本發明包括具有標準組件之一腳踏車，諸如，前輪(2a)、後輪(2b)、曲柄臂(5)、座位(10)及車把(9)。本發明未修改此等標準組件(圖1)。根據本發明，來自不同車架製造商之標準車架(3)可與一升高鏈條撐(30)一起使用。
圖2a、圖2b及圖2c圖解說明小齒輪齒輪總成(13)之一實施例之示意圖。圖2a圖解說明安裝在一驅動軸(8)上之小齒輪齒輪總成(13)，而圖2b及圖2c展示與驅動軸(8)一起之小齒輪齒輪總成(13)組件之分解視圖。小齒輪齒輪總成(13)包括一連接器(16)。連接器(16)確保小齒輪齒輪總成(13)可安裝在驅動軸(8)上，但亦可在使用期間有助於穩定小齒輪齒輪總成(13)。小齒輪齒輪總成(13)包括一旋轉器(29)。旋轉器(29)包括兩個相同區段(25a、25b)。此兩個區段(25a、25b)可獨立於彼此移動以促進齒輪變速。在此實施例中，旋轉器(29)包括兩個區段(25a、25b)，然而，旋轉器可包括位於旋轉器中之自兩個至接合元件之任何數目的任何數目個區段(在此情形中為自兩個至十二個)。每一旋轉器中之所期望區段之數目由較佳變速機構判定，但亦由齒輪變速系統併入哪個系統或運載工具中判定。每一區段(25a、25b)包括複數個接合元件(22)及兩個旋轉器板(20a、20b)、(23a、23b)。在此實施例中，每一區段(25a、25b)包括六個接合元件(22)。接合元件(22)放置於一旋轉器外板(20a、20b)與一旋轉器內板(23a、23b)之間。旋轉器內板(23a、23b)、旋轉器外板(20a、20b)及接合元件(22)使用緊固構件(15)緊固在一起。緊固構件可係允許內及外旋轉器板來固定接合元件之任何適合緊固構件。在此實施例中，兩個區段(25a、25b)藉由提供圓周穩定性但允許兩個區段(25a、25b)相對於彼此軸向移動之一連結方法(42b)來連結。較佳地，區段(25a、25b)連結構件係一燕尾接頭(42b)。
小齒輪齒輪總成(13)亦使用一連接器(16)及花鍵/鍵槽接合連接至驅動軸(8)。鍵槽(40a、40b)位於區段(25a、25b)之外板(20a、20b)及內板(23a、23b)兩者上，且此等鍵槽接合放置在驅動軸(8)上之兩個花鍵(42a)。花鍵/鍵槽接合確保小齒輪齒輪總成(13)將在使用期間將旋轉扭矩傳送至驅動軸(8)或自驅動軸(8)接收旋轉扭矩，且允許小齒輪齒輪總成(13)相對於驅動軸(8)軸向移動。
在圖2a至圖2c中，將滾珠軸承用作接合元件(22)。然而，可使用任何適合接合元件，諸如固定接合元件(諸如齒或一定位銷上之球銷帽)；或可旋轉接合元件，諸如滾動元件，諸如襯套、滾子軸承及/或雙列滾珠軸承。在此實施例中，所使用滾珠軸承係包括一外滾道、一內滾道及位於內滾道與外滾道之間的若干個滾珠之習用滾珠軸承。外板(20)及內板(23)接合滾珠軸承(22)之內滾道中之每一者。此使得滾珠及外滾道圍繞滾珠軸承之內滾道自由旋轉。
圖3圖解說明小齒輪齒輪總成(13)之一不同實施例之一示意圖。在此實施例中，小齒輪齒輪總成(13)包括一旋轉器(29)，該旋轉器包括兩個相同區段(25a、25b)。每一區段可獨立於彼此移動以促進齒輪之變速。旋轉器(29)包括兩個區段(25a、25b)，其中每一區段包括六個接合元件(22)。在此實施例中，接合元件係固定金屬齒(22)。每一區段由其中雕刻固定齒之一金屬板構成。然而，接合元件(22)亦可包括繪示為球形、正方形或任何所期望幾何結構之齒之固定齒。旋轉器(29)可包括位於旋轉器中之自兩個至接合元件之任何數目的任何數目個區段(在此情形中為自兩個至十二個)。每一旋轉器中之所期望區段之數目由較佳變速機構判定，但亦由齒輪變速系統併入哪個系統或運載工具中判定。
圖3a至圖6圖解說明接合在一鑲齒盤(12)中之小齒輪齒輪總成(13)。在特定實施例中，其中將齒輪變速系統安裝在一腳踏車上，接著將小齒輪齒輪總成(13)接合在一後鑲齒盤(12)中。後鑲齒盤(12)附接至後輪(2b)。由腳踏車騎行者在蹬踏時提供之旋轉力被傳送至後輪 (2b)。驅動系統(4)將能量自腳踏車踏板傳送至後輪(2b)。驅動系統(4)包括一驅動軸(8)。一小齒輪齒輪總成(13)附接至驅動軸(8)之第一端，且至少一個動力傳輸組件耦合至驅動軸(8)之第二端。動力傳輸組件可係踏板、引擎或一馬達(電或燃料驅動)。
在圖3a中，齒輪操作者(或腳踏車騎行者)使用面齒輪之鑲齒盤(12)上之齒輪中之一者，亦即，旋轉器(29)正在同心齒輪環(32)中之一者中旋轉。圖3b及圖3c圖解說明齒輪變速機構；當操作者想要改變齒輪時，其藉由電子或機械構件起始變速。此致使旋轉器分拆成至少兩個區段(25a、25b)。區段(25a)仍接合在與啟動齒輪變速機構之前相同的同心齒輪(32a)中，而另一區段(25b)正移動至一更高或更低齒輪傳動。在此特定實例中，區段(25b)移動至一更高齒輪傳動。在區段(25a)開始移動並開始與另一同心齒輪環(32b)接合之例項中，另一區段(25b)接著開始與齒輪環(32a)解除接合，且此後依循第一區段(25a)至齒輪環(32b)。此接著完成齒輪變速，且機器或腳踏車現正於一不同齒輪中操作。
圖4及圖5兩者圖解說明在齒輪變速機構期間接合在一多齒輪面齒輪(7)中之小齒輪齒輪總成(13)之一項實施例之一示意圖。圖4與圖5之間的差異係繪示旋轉器(29)與鑲齒盤(12)接合之角度。展示具有十三個同心齒輪環(32)之一鑲齒盤(12)。旋轉器(29)包括如在圖2中圖解說明及闡述之特徵。在起始齒輪變速機構之前，旋轉器(29)在自盤之中心起之第七個同心齒輪環(32c)處接合鑲齒盤。亦即，所有區段，及構成區段之所有接合元件皆位於同一旋轉平面內。當起始齒輪變速時，至少一個區段(25b)仍接合第七齒輪環(32c) (且將動力傳送至第七齒輪環或自第七齒輪環傳送動力)，而至少一個其他區段(25a)軸向地(相對於驅動軸軸線)移動。此其他區段(25a)移動以便進入至與新齒輪環(32d)對準之路徑中。當軸及分拆式小齒輪齒輪總成(13)繼續旋轉時，現對準至新齒輪環(32d)之其他區段(25a)將在軸及分拆式小齒輪齒輪總成繼續旋轉時接合面齒輪(7)上之新齒輪環(32d)。當初始區段(25b)與初始齒輪環(32c)解除接合時，初始區段(25b)將在與已軸向地移動之其他區段(25a)類似之方向上軸向地移動。在一個軸旋轉內，所有初始區段(25b)將解除接合面齒輪(7)之初始齒輪環(32c)，且隨後軸向地移動以依循其他區段(25a)從而變得與新齒輪環(32d)對準並接合。此時，構成區段(25a、25b)之所有接合元件(22)已移動並已與新齒輪環(32d)對準，且再次位於同一旋轉平面內。此時，齒輪變速結束並完成且正常操作返回至齒輪系統。
如在圖3a至圖8中所展示，面齒輪(7)具有一鑲齒盤(12)。面齒輪(7)經設計以具有一鑲齒盤(12)及至少兩個同心齒輪環(32)；每一齒輪環(32)具有複數個齒(27)。緊挨每一齒(27)，存在一齒谷(28)。每一同心齒輪環(32)中之齒之數目可變化且取決於鑲齒盤(12)及齒輪環(32)之直徑。如在圖3a至圖8中所展示，所有齒(27)與齒谷(28)具有相同幾何結構及大小。接合元件(22)接合面齒輪(7)之齒(27)及齒谷(28)。面齒輪經設計使得齒(27)與鑲齒盤表面成一角度而放置。齒(27)與鑲齒盤(12)表面之間的角度較佳地係90°，但替代地可自約0°至約120°。
每一齒輪環(32)之齒(27)經設計使得接合元件(22)裝配至齒谷(28)中。齒輪廓及接合元件之輪廓經設計使得齒(27)與接合元件(22)之間的交互具有一滾動性質且摩擦最小化或至少極大地減小。此確保具有一最小摩擦位準之一極其高效驅動系統，但亦確保不滯後之一簡單及快速變速機構。齒輪廓取決於接合元件(22)之大小及形狀。齒輪廓經設計使得接合元件(22)裝配至齒谷中，如在圖3a至圖7中所展示。裝配在一起意指齒谷(28)之形狀及大小以一類似方式對應於接合元件之互補形狀及大小。重要的是，在嚙合期間，接合元件既不束縛至亦不對齒(27)及齒谷(28)形成機械干擾。接合元件對齒及齒谷之束縛及干擾可致使接合元件損壞及/或一不良變速效能。當齒與接合元件嚙合並接合時，齒將一力施加至接合元件。此力線可稍微偏離中心，接著對準中心，且在接合元件接合及解除接合齒時再次偏離中心。為了消除接合元件對齒及齒谷之束縛，正確齒形狀、間距及齒斜面係極其重要的。
圖3a至圖8圖解說明一多齒輪後面齒輪(7)。在此等圖中，驅動軸(8)未以其全部長度展示。多齒輪後面齒輪(7)包括具有一多數目個同心齒輪環(32)之一鑲齒盤(12)。在圖3a至圖3c中所展示之實施例中，鑲齒盤包括八個同心齒輪環，而圖6中之鑲齒盤具有六個同心齒輪環，此與其中鑲齒盤(12)具有十三個同心齒輪環(32)之所有其他實施例形成對比。然而，在圖3a至圖8中所圖解說明之所有實施例中，鑲齒盤(12)可具有(舉例而言)自兩個至三十個之任何數目個所期望齒輪環。若齒輪變速系統用於一腳踏車上，則面齒輪(7)包括具有平行於後輪(2b)且與後輪輪軸成同軸關係之一旋轉平面之一後鑲齒盤(12)。在腳踏車上，齒輪變速系統可用於前面齒輪及/或後面齒輪上。
在圖中，小齒輪齒輪總成之旋轉器(29)與具有一中等大小之直徑之同心齒輪環(32)嚙合並接合。每一齒輪環(32)包括一固定數目個齒(27)及齒谷(28)。如在圖7中之所展示實施例中，最小齒輪齒輪環(32c)大小包括十五個齒，而最大鑲齒大小包括五十一個齒(32a)。此意指齒輪環維持每增加一齒輪環增加三個齒。
當驅動系統(4)在運動中時，小齒輪齒輪總成(13)中之旋轉器(29)中之滾珠軸承(22)嚙合並接合面齒輪(7)之齒(27)。更具體而言，一滾珠軸承之外滾道與一齒尖(34)接合且當滾道與齒嚙合在一起時隨後與一齒谷(28)接合，此導致滾珠軸承(22)旋轉。滾珠軸承之此旋轉確保在嚙合期間於面齒輪齒(27)與小齒輪齒輪總成(13)之間產生之摩擦之量係一最小值。此結果係一總體更低之能量之量由於摩擦而消耗。
當騎行者或操作者想要進行齒輪變速時，齒輪變速系統可利用一變速通道來使齒輪變速效能平順。使用一變速通道可增強變速之體驗，使得系統不滯後。
使用具有十四個齒輪環(其中最小齒輪齒輪環具有十三個齒且最大者具有五十四個齒)之一面齒輪導致一個特定變速通道。然而，替代地使用具有十三個齒輪環之一面齒輪(其中最小齒輪齒輪環具有十五個齒且最大齒輪環具有五十一個齒)導致具有三個變速通道之一面齒輪，其中齒輪環維持每增加一齒輪增加三個齒。圖7中展示包括三個變速通道之一面齒輪。箭頭圖解說明三個變速通道(38)。變速通道由鑲齒盤(12)上之毗鄰齒輪環之特定對準產生。當彼此毗鄰之複數個同心齒輪環(32)在鑲齒盤(12)上以使得一或多個毗鄰齒輪環之齒谷(28)以一徑向方式對準之一方式對準時，變速通道產生。與在圖7中顯示之變速通道(38)相比，亦可使用如在圖6及圖8中展示之實心變速通道(36)。實心變速通道(36)以與圖7中顯示之未經連接變速通道(38)相同的方式起作用。實心變速通道與未經連接變速通道兩者具有相同齒幾何結構。實心變速通道可由與齒及鑲齒盤之其餘部分相同的材料製造。為了齒輪變速系統之良好變速性質，可使用實心變速通道及未經連接變速通道兩者。
變速可發生在一接合元件(22)處於嚙合循環中途且接合元件定位於未經連接變速通道(38)或實心變速通道(36)中之齒谷(28)之底部處時。此時，包括接合元件(22)之小齒輪齒輪總成(13)可透過經對準齒谷之變速通道在毗鄰齒輪環(32)之間前/後滑動。實心變速通道可有利地幫助計時分拆式小齒輪齒輪總成(亦即，當旋轉器(29)之兩個區段(25a、25b)彼此解除接合且獨立移動時)。舉例而言，若一分拆發生得太早或太晚，則在其必須跨越齒「滑動」的情況下，實心經連接變速通道可幫助分拆。若在分拆之區段仍接合時發生分拆，則實心變速通道可有所幫助。此可在分拆係太快或太慢之情形下發生。
使用具有三個而非一個變速通道(實心或未經連接)之一齒輪變速系統係更有利的，此乃因此將使得系統更加有效且操作者將不體驗到其需要等待旋轉器與一變速通道接合，之後才可發生齒輪變速。
圖9至圖15圖解說明小齒輪齒輪總成(13)之一齒輪變速序列之一替代實施例。小齒輪齒輪總成(13)連接至一驅動軸(8)，然而在圖9至圖15中之任一者上並未繪示驅動軸(8)。小齒輪齒輪總成(13)之旋轉器(29)接合在一多齒輪後面齒輪(7)中。多齒輪後面齒輪(7)包括具有一多數目個同心齒輪環(32)之一鑲齒盤(12)。在多齒輪後面齒輪(7)之中間中，放置有助於將鑲齒緊固至腳踏車上之轂之一緊固構件(42)。在圖10至圖15中，多齒輪後面齒輪(7)未以其全部大小展示。
在圖9至圖15中，小齒輪齒輪總成包括一旋轉器(29)。旋轉器(29)包括三個區段(25a、25b、40)。區段(40)亦稱為一旋轉體且包括兩個接合元件，該兩個接合元件較佳地係滾珠軸承(22)。區段(25a)包括四個接合元件而區段(25b)包括六個接合元件，兩個區段(25a、25b)較佳地包括作為接合元件(22)之滾珠軸承。當命令齒輪變速時，主部件始終首先沿著驅動軸(8)軸向地移動(在此實施例中，主部件包括區段(25b))，而從部件始終其次沿著驅動軸(8)軸向地移動(在此實施例中，從部件包括區段(25a)及旋轉體(40))。與兩個區段(25a、25b)相比，旋轉體(40)經設計使得其可在變速期間圍繞驅動軸旋轉自約0°高至約36°之旋轉以適應毗鄰齒輪環之齒未對準。
兩個區段(25a、25b)包括用以將小齒輪齒輪總成(13)緊固至驅動軸(8)之緊固構件(15)。
圖9圖解說明接合在自鑲齒(12)之中心計算之第五齒輪環中之一小齒輪齒輪總成(13)。當命令齒輪變速時，主部件(區段(25b))沿著驅動軸(8)軸向地移動以在後面齒輪(7)上使小齒輪齒輪向上或向下變速，如在圖10中所圖解說明。在沿著驅動軸(8)移動之後，主部件(區段(25b))之接合元件(22)接合新齒輪環(在此情形中為自鑲齒(12)之中心計算之第六齒輪環)，如在圖10至圖12中所圖解說明。在主部件(區段(25b))與新齒輪環接合之前，旋轉體圍繞驅動軸軸線(8)旋轉以適應齒輪齒未對準。圖10及圖11中圖解說明旋轉體之旋轉。旋轉體(40)可在變速期間圍繞驅動軸(8)旋轉自約0°高至約36°之旋轉。為了適應齒輪齒未對準，在此實例中，旋轉體(40)及主部件(區段(25b))兩者在同一時刻接合第五齒輪環及第六齒輪環。此後，旋轉體(40)在相反方向上旋轉並與區段(25a)重新連接，如在圖12中所展示。從部件(旋轉體(40)及區段(25a))接著沿著驅動軸(8)之軸線一起軸向地移動(如在圖13中所展示)並與新齒輪環接合。如在圖14及圖15中所圖解說明，齒輪變速機構完成且圖解說明接合在第六齒輪環中之小齒輪齒輪總成(13)之旋轉器(29)。此後，現可起始一新齒輪變速命令。
圖16a至圖16c圖解說明與區段(25a)、區段(25b)及旋轉體(40)連接之一轉鼓(44)。三個銷(48a、48b、48c)始終接合轉鼓(44)以確保小齒輪齒輪總成(13)在自行車騎行期間不與後面齒輪(7)解除接合。
轉鼓包括複數個單向閘(50)。每一單向閘(50)包括兩個凹槽(46a、46b)。兩個凹槽(46a、46b)確保主部件始終首先移動且從部件始終其次移動，而不管轉鼓之一順時針或逆時針旋轉。轉鼓(44)上之三個區段(25a、旋轉體、25b)之移動在齒輪變速期間展示一滯後曲線。
下文提供例示性實施例之一集合，包含明確地列舉為「圖解說明」之至少某些實施例，該等圖解說明根據本文中所闡述之概念提供各種實例實施例之額外說明。此等圖解說明並不意欲為相互排斥的、窮盡的或限制性的；且本發明不限於此等實例圖解說明，而是囊括在所頒發申請專利範圍及其等效物之範疇內之所有可能修改及變化形式。
圖解說明1。一種齒輪變速系統(4)，其包括一驅動軸(8)，該驅動軸(8)經構形以連接齒輪系統之一面齒輪(7)及至少一個動力傳輸組件(6)，該齒輪系統包括：至少一個動力傳輸組件(6)，其耦合至驅動軸(8)之第二端；一面齒輪(7)，其包括一鑲齒盤(12)及至少一個同心齒輪環(32)；及一驅動軸(8)，其具有一旋轉軸線並具有驅動軸之一第一端及一第二端，其中驅動軸包括：一小齒輪齒輪總成(13)，其耦合至驅動軸之第一端，其中小齒輪齒輪總成經構形以與面齒輪(7)上之同心齒輪環(32)中之一者嚙合，使得齒輪環(32)之旋轉移動被傳輸至軸(8)，其中小齒輪齒輪總成(13)包括一或多個接合元件(22)，其中小齒輪齒輪總成(13)之一或多個接合元件(22)接合面齒輪(7)之同心齒輪環(32)中之一者，且其中小齒輪齒輪總成(13)包括一旋轉器(29)之至少兩個分拆區段(25)。
圖解說明2。一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中小齒輪齒輪總成(13)包括自兩個至多達旋轉器(29)中接合元件(22)之數目的任何數目個區段(25)。
圖解說明3。一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中小齒輪齒輪總成(13)包括兩個至十二個區段(25)。
圖解說明4。一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中小齒輪齒輪總成(13)包括獨立於彼此移動之至少兩個區段(25)。
圖解說明5。一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中小齒輪齒輪總成(13)包括至少兩個區段(25)，其中所有區段(25)皆具有相同數目個接合元件(22)。
圖解說明6。一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中動力傳輸組件係連接至一腳踏車上之踏板及/或一馬達的一前面齒輪(6)。
圖解說明7。一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中動力傳輸組件係連接至一腳踏車上之踏板的一前面齒輪(6)。
圖解說明8。一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中接合元件(22)係固定接合元件及/或滾動元件。
圖解說明9。一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中接合元件(22)係固定齒、3D非滾動物件、襯套、軸承、滾珠軸承、滾子軸承及/或雙列滾珠軸承。
圖解說明10。一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中面齒輪(7)包括若干個齒輪環(32)，且其中環(32)中之至少某些環中之齒(27)經放置以便形成在鑲齒盤(12)之一徑向方向上延伸之齒谷(28)之一變速通道(38)。
圖解說明11。一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中齒(27)經放置以形成在不同徑向方向上延伸之至少三個變速通道(36、38)。
圖解說明12。一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中變速通道(36、38)係未經連接的及/或實心的。
圖解說明13。一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中鑲齒盤(12)包括至少六個同心齒輪環，且其中齒輪環維持每增加一齒輪環增加三個齒。
圖解說明 14。 一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中鑲齒盤(12)包括至少六個同心齒輪環，且其中齒輪環維持每增加一齒輪環增加三個齒，且其中在此表中列出齒輪環上之齒之數目：15-18-21-24-27-30-33-36-39-42-45-48-51-54。
圖解說明15。一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中小齒輪齒輪總成(13)包括一旋轉器(29)，且旋轉器(29)具有均勻地分佈在距中心一徑向距離處之接合元件(22)。
圖解說明16。一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中面齒輪(7)之一或多個齒輪環(32)包括複數個齒(27)及齒谷(28)，其中齒(27)與鑲齒盤(12)之一表面平面成0°至120°之範圍中之一角度而延伸。
圖解說明17。一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中一機電齒輪選擇裝置定位在驅動軸(8)之內部且連接至齒輪變速控制器及小齒輪齒輪總成(13)。
圖解說明18。一種進行齒輪變速之方法，該方法包括根據前述及後續圖解說明或圖解說明之組合中任一者之一齒輪變速系統：在起始齒輪變速之前，所有區段 (25)接合面齒輪(7)上之同一齒輪環(32c)；當起始齒輪變速時，至少一個區段(25a)仍接合初始齒輪環(32c)，而至少一個其他區段(25b)軸向地移動，且其中此其他區段(25b)移動以便進入與新齒輪環(32d)對準之路徑中；當軸(8)及小齒輪齒輪總成(13)繼續旋轉時，現與新齒輪環(32d)對準之其他區段(25a)將在軸(8)及小齒輪齒輪總成(13)繼續旋轉時接合在面齒輪(7)上之新齒輪環(32d)中；當初始區段(25a)與初始齒輪環(32c)解除接合時，初始區段(25a)將在與已軸向地移動之其他區段(25b)類似之方向上軸向地移動；在一個軸旋轉內，所有初始區段(25a)將解除接合面齒輪(7)之初始齒輪環(32c)，且隨後軸向地移動以依循其他區段(25b)從而變得與新齒輪環(32d)對準並接合；且此時構成區段(25)之所有接合元件(22)已移動，且已與新齒輪環(32d)對準，且再次位於同一旋轉平面內；且此時，齒輪變速結束並完成且正常操作返回至齒輪系統。
圖解說明19。一種腳踏車齒輪變速系統包括一驅動軸(8)，該驅動軸(8)經構形以連接腳踏車驅動系統(4)之一前面齒輪(6)及後面齒輪(7)，該腳踏車驅動系統包括：一前面齒輪(6)，其包括一鑲齒盤(11)及至少一個同心齒輪環(32)；及一後面齒輪(7)，其包括一鑲齒盤(12)及至少一個同心齒輪環(32)；及一驅動軸(8)，其具有一旋轉軸線並具有驅動軸之一第一端及一第二端，且其中驅動軸進一步包括耦合至驅動軸之第一端之一小齒輪齒輪總成(13)及/或耦合至驅動軸之第二端之一小齒輪齒輪總成(13)，其中小齒輪齒輪總成經構形以與前面齒輪(6)或後面齒輪(7)上之同心齒輪環(32)中之一者嚙合，使得齒輪環(32)之旋轉移動被傳輸至軸(8)，其中小齒輪齒輪總成(13)包括一或多個接合元件(22)，其中小齒輪齒輪總成(13)之一或多個接合元件(22)接合後面齒輪(7)及/或前面齒輪(6)之同心齒輪環(32)中之一者，且其中接合後面齒輪(7)及/或前面齒輪(6)之小齒輪齒輪總成(13)包括一旋轉器(29)之至少兩個分拆區段(25)。
圖解說明20。一種齒輪變速系統，其包括一驅動軸(8)，該驅動軸(8)經構形以連接齒輪系統之一面齒輪(7)及至少一個動力傳輸組件(6)，該齒輪系統包括：至少一個動力傳輸組件(6)，其耦合至驅動軸(8)之第二端；及一面齒輪(7)，其包括一鑲齒盤(12)及至少一個同心齒輪環(32)；及一驅動軸(8)，其具有一旋轉軸線並具有驅動軸之一第一端及一第二端；且其中驅動軸進一步包括一小齒輪齒輪總成(13)，其耦合至驅動軸之第一端，其中小齒輪齒輪總成經構形以與面齒輪(7)上之同心齒輪環(32)中之一者嚙合，使得齒輪環(32)之旋轉移動被傳輸至軸(8)；其中小齒輪齒輪總成(13)包括一或多個接合元(22；且小齒輪齒輪總成(13)之一或多個接合元件(22)接合面齒輪(7)之同心齒輪環(32)中之一者，由小齒輪齒輪總成(13)表徵包括一旋轉器(29)，其中旋轉器(29)包括至少2個區段(25)及一旋轉體(40)。
圖解說明21。一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中小齒輪齒輪總成(13)包括自兩個至多達旋轉器(29)中之接合元件(22)之數目的任何數目個區段(25、40)。
圖解說明22。一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中小齒輪齒輪總成(13)包括兩個至十二個區段(25、40)。
圖解說明23。一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中小齒輪齒輪總成(13)包括兩個區段(25、40)，其中所有區段(25、40)具有不等數目個接合元件(22)。
圖解說明24。一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中小齒輪齒輪總成(13)包括可移動獨立於彼此或其中至少一個區段(25)及一旋轉體(40)以一主/從組態移動之至少兩個區段(25)及一旋轉體 (40)。
圖解說明25。一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中旋轉體(40)可既在驅動軸(8)軸線上軸向地移動，亦圍繞驅動軸(8)旋轉自0°高至36°之旋轉。
圖解說明26。一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中小齒輪齒輪總成(13)包括至少兩個區段(25a、25b)及一旋轉體(40)，其中區段(25b)之行為表現為一主部件；且區段 (25a)及旋轉體(40)之行為表現為一從部件。
圖解說明27。一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中動力傳輸組件係連接至一腳踏車上之踏板及/或一馬達的一前面齒輪(6)。
圖解說明28。一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中接合元件(22)係固定接合元件及/或滾動元件。
圖解說明29。一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中接合元件(22)係固定齒、3D非滾動物件、襯套、軸承、滾珠軸承、滾子軸承及/或雙列滾珠軸承。
圖解說明30。一種進行齒輪變速之方法，該方法包括一種根據前述或後續圖解說明或圖解說明之組合中任一項之齒輪變速系統，其中在起始齒輪變速之前，所有區段(25、40)接合面齒輪(7)上之同一齒輪環(32c)；當起始齒輪變速時，至少一個區段(25a、40)仍接合初始齒輪環(32c)，而至少一個其他區段(25b)軸向地移動，且其中此其他區段(25b)移動以便進入與新齒輪環(32d)對準之路徑中；當軸(8)及小齒輪齒輪總成(13)繼續旋轉時，現與新齒輪環(32d)對準之其他區段(25a、40)將在軸(8)及小齒輪齒輪總成(13)繼續旋轉時接合在面齒輪(7)上之新齒輪環(32d)中；當初始區段(25a、40)與初始齒輪環(32c)解除接合時，初始區段(25a、40)將在與已軸向地移動之其他區段(25b)類似之方向上軸向地移動；在一個軸旋轉內，所有初始區段(25a)將解除接合面齒輪(7)之初始齒輪環(32c)，且隨後軸向地移動以依循其他區段(25b)從而變得與新齒輪環(32d)對準並接合；且此時構成區段(25)之所有接合元件(22)已移動，且已與新齒輪環(32d)對準，且再次位於同一旋轉平面內；且此時，齒輪變速結束並完成且正常操作返回至齒輪系統。
圖解說明31。一種根據前述及後續圖解說明或圖解說明之組合中任一者之使用齒輪變速系統進行齒輪變速之方法，其中至少一個同心齒輪環包括一第一齒輪環及一第二齒輪環，其中旋轉器之至少兩個區段包括一第一區段及一第二區段，且其中在起始齒輪變速之前，旋轉器之第一區段及第二區段兩者皆與第一齒輪環接合，其中進行齒輪變速之該方法包括：將旋轉器之第一區段與第一齒輪環解除接合且將第一區段軸向地移動成與第二齒輪環對準，同時維持旋轉器之第二區段與第一齒輪環之間的接合；致使軸旋轉且當軸旋轉時，接合旋轉器之第一區段與第二齒輪環；將旋轉器之第二區段與第一齒輪環解除接合且將第二區段軸向地移動成與第二齒輪環對準並接合，同時維持旋轉器之第一區段與第二齒輪環之間的接合，使得構成第一區段及第二區段之接合元件與第二齒輪環接合並位於相同旋轉平面內。
圖解說明32。一種齒輪變速系統，其包括：一驅動軸，其包括一旋轉軸線、一第一端及一第二端；一動力傳輸組件，其耦合至驅動軸之第二端；及一面齒輪，其包括一鑲齒盤及一同心齒輪環，其中驅動軸進一步包括耦合至驅動軸之第一端之一小齒輪齒輪總成，其中小齒輪齒輪總成經構形以與同心齒輪環嚙合使得齒輪環之旋轉移動被傳輸至軸，且其中小齒輪齒輪總成包括：至少一個接合元件，其接合面齒輪之同心齒輪環；及一旋轉器，其包括至少兩個區段及一旋轉體，其中至少兩個區段中之每一者可相對於彼此獨立移動。
上文所闡述之態樣僅係實施方案之可能實例，僅為了對本發明之原理之一清晰理解而陳述。在大致上不違背本發明之精神及原理之情形下可對上文所闡述之實施例做出諸多變化及修改。本文中所有此等修改及變化意欲被包含在本發明之範疇內；且個別態樣或元件或步驟之組合之所有可能請求項意欲由本發明支持。此外。儘管在本文中，以及以下申請專利範圍中採用特定術語，但該等術語僅在一泛用及闡述性意義上使用，且不出於限制所闡述之發明或以下申請專利範圍之目的而使用。
2a:前輪 2b:後輪 3:標準車架 4:驅動系統/齒輪變速系統/腳踏車驅動系統 5:曲柄臂 6:動力傳輸組件/前面齒輪 7:多齒輪面齒輪/面齒輪/多齒輪後面齒輪/後面齒輪 8:驅動軸/驅動軸軸線/軸 9:車把 10:座位 12:鑲齒盤/後鑲齒盤/鑲齒 13:小齒輪齒輪總成 15:緊固構件 16:連接器 20a:旋轉器板/旋轉器外板/外板 20b:旋轉器板/旋轉器外板/外板 22:接合元件/滾珠軸承/固定金屬齒 23a:旋轉器板/旋轉器內板/內板 23b:旋轉器板/旋轉器內板/內板 25a:區段/第一區段/其他區段/初始區段 25b:區段/初始區段/其他區段 27:齒/面齒輪齒 28:齒谷 29:旋轉器 30:鏈條撐 32:同心齒輪環/齒輪環/毗鄰齒輪環/環 32a:同心齒輪/齒輪環/齒 32c:第七個同心齒輪環/第七齒輪環/初始齒輪環/最小齒輪齒輪環/齒輪環 32d:新齒輪環 36:實心變速通道/變速通道 38:變速通道/未經連接變速通道 40:區段/旋轉體/初始區段 40a:鍵槽 40b:鍵槽 42:緊固構件 42a:花鍵 42b:連結方法/燕尾接頭 44:轉鼓 46a:凹槽 46b:凹槽 50:單向閘
圖解說明以下各圖之特徵及組件以強調本發明之一般原理。出於一致性及清晰之目的，各圖中對應特徵及組件可由匹配之參考字符指定。
圖1係根據本發明之一特定實施例具有齒輪變速系統之一腳踏車之一側視立面圖。
圖2a係連接至齒輪變速系統之驅動軸之一小齒輪齒輪總成之一實施例之一透視圖。
圖2b係連接至圖2a之齒輪變速系統之驅動軸之小齒輪齒輪總成之一分解視圖。
圖2c係連接至圖2a之齒輪變速系統之驅動軸之小齒輪齒輪總成之一分解視圖。
圖3a至圖3c展示根據本發明之一實施例與小齒輪齒輪總成中之旋轉器之接合元件接合之一面齒輪之一透視圖。
圖4展示根據本發明之一實施例與小齒輪齒輪總成中之旋轉器之接合元件接合之一面齒輪之一透視圖。
圖5展示根據本發明之一實施例與小齒輪齒輪總成中之旋轉器之接合元件接合之一面齒輪之一側視圖。
圖6展示根據本發明之一實施例與小齒輪齒輪總成中之旋轉器之接合元件接合之一面齒輪之一透視圖。
圖7圖解說明根據本發明之一實施例在多齒輪面齒輪上之三個未經連接變速通道之一側視圖。
圖8圖解說明根據本發明之一實施例在多齒輪面齒輪上之三個實心變速通道之一側視圖。
圖9至圖15圖解說明與一面齒輪接合之一小齒輪齒輪總成之一透視圖。
圖16a至圖16c圖解說明與兩個區段及一旋轉體連接之一變速轉鼓之剖視圖。 簡單說明
因此，本發明之一目標係提供一種新的且經改良的，易於操作，機械上簡單，可在齒輪之間在任何蹬踏條件下平順地變速，且展現經減小組件磨損之齒輪變速系統。
本發明之一目標亦係提供一種可用於使用一齒輪傳動系統之任何機器之齒輪變速系統。然而，本發明之一目標尤其係提供一種可用於諸如機車、自行車、汽車及/或卡車之所有陸上運載工具之齒輪變速系統。
在本發明之一特定實施例中，小齒輪齒輪變速系統用於在一腳踏車軸驅動系統上進行齒輪變速。當與習用鏈條驅動系統相比時，利用一軸驅動而非一鏈條來將騎行者動力傳輸至後輪之腳踏車驅動系提供數個優點。
本發明係關於一種齒輪變速系統，其包括一驅動軸，該驅動軸經構形以連接齒輪系統之一面齒輪及至少一個動力傳輸組件，該齒輪系統包括：至少一個動力傳輸組件，其耦合至驅動軸之第二端；及一面齒輪，其包括一鑲齒盤及至少一個同心齒輪環；及一驅動軸，其具有一旋轉軸線並具有驅動軸之一第一端及一第二端；且其中驅動軸進一步包括：一小齒輪齒輪總成，其耦合至驅動軸之第一端，其中小齒輪齒輪總成經構形以與面齒輪上之同心齒輪環中之一者嚙合，使得齒輪環之旋轉移動被傳輸至軸；其中小齒輪齒輪總成包括一或多個接合元件；且小齒輪齒輪總成之一或多個接合元件接合面齒輪之同心齒輪環中之一者；由小齒輪齒輪總成表徵包括一旋轉器之至少兩個分拆區段，其中旋轉器包括至少2個區段及一旋轉體。
本發明圖解說明可由操作者在不損失速度、動力或動量之情形下使用之一種高度有利的齒輪變速系統。若本發明用於一腳踏車驅動軸系統上，則騎行者可有效地進行齒輪變速。騎行者不需要等待或計時齒輪變速，而是即使在蹬踏時亦可進行齒輪變速，且騎行者不需要額外蹬踏能量來賦予一齒輪改變。
此系統之有效齒輪變速性質係歸因於小齒輪齒輪總成之構造。在齒輪變速期間，小齒輪齒輪總成可分拆成兩半，使得小齒輪齒輪總成之每一分拆區段在一個既定時間與兩個不同齒輪環對準。與兩個齒輪環同時對準之一單個但分拆式小齒輪齒輪總成導致一平順且高效之齒輪變速，而無動量、動力及能量之損失且不具有大量摩擦及磨損。
然而，在一替代實施例中，不同小齒輪齒輪總成分拆區段並不同時與不同齒輪環接合。在此實施例中，存在其中一區段就在另一區段與一新齒輪環接合之前完全解除接合之一點。然而，分拆區段可在任何既定時間與兩個齒輪環對準。
在本發明之一特定實施例中，本發明正被用作一腳踏車齒輪變速系統，該腳踏車齒輪變速系統包括一驅動軸，該驅動軸經構形以連接腳踏車驅動系統之一前面齒輪及後面齒輪，該腳踏車驅動系統包括：一前面齒輪，其包括一鑲齒盤及至少一個同心齒輪環；及一後面齒輪，其包括一鑲齒盤及至少一個同心齒輪環；及一驅動軸，其具有一旋轉軸線並具有驅動軸之一第一端及一第二端；且其中驅動軸進一步包括耦合至驅動軸之第一端之一小齒輪齒輪總成，及/或一小齒輪齒輪總成耦合至驅動軸之第二端，其中小齒輪齒輪總成經構形以與前面齒輪或後面齒輪上之同心齒輪環中之一者嚙合，使得齒輪環之旋轉移動被傳輸至軸；其中小齒輪齒輪總成包括一或多個接合元件；且小齒輪齒輪總成之一或多個接合元件接合後面齒輪及/或前面齒輪之同心齒輪環中之一者；由接合後面齒輪及/或前面齒輪之小齒輪齒輪總成表徵包括一小齒輪齒輪總成之至少兩個分拆區段。
本發明對於在一腳踏車驅動軸系統中使用係高度有利的，此乃因其對於騎行者係製造及使用容易且簡單的。因此，騎行者可進行齒輪變速而無動力、能量及動量之損失。
在當今諸多腳踏車中，在緊挨踏板之前部及後輪兩者處改變齒輪係可能的。在一項實施例中，將齒輪變速系統安裝在兩個地方處或該等地方中之僅一者處係可能的。
較佳地，齒輪變速系統經安裝使得其連接至腳踏車之後面齒輪。一種腳踏車齒輪變速系統，其中小齒輪齒輪總成耦合至驅動軸之第一端，其中小齒輪齒輪總成經構形以與面齒輪上之同心齒輪環中之一者嚙合，使得齒輪環之旋轉移動被傳輸至軸；其中小齒輪齒輪總成包括一或多個接合元件；且小齒輪齒輪總成之一或多個接合元件接合面齒輪之同心齒輪環中之一者；由小齒輪齒輪總成表徵包括一旋轉器之至少兩個分拆區段。
下文所寫之定義獨立於齒輪變速系統之應用，無論其連接至一腳踏車、馬達還是任何其他裝置。
小齒輪齒輪總成連接至驅動軸之第一端。小齒輪齒輪總成可由任何所需構件連接至驅動軸。驅動軸之第二端連接至至少一個動力傳輸組件。動力傳輸組件可係一馬達、引擎、另一齒輪變速系統，或傳輸系統之延續。其他齒輪變速系統可係一習用齒輪變速系統，或其可係如本文中所闡述之一齒輪變速系統。較佳地，動力傳輸組件係連接至一腳踏車上之踏板及/或一馬達的一前面齒輪。最佳地，動力傳輸組件係連接至一腳踏車上之踏板的一前面齒輪。
小齒輪齒輪總成包括一旋轉器。旋轉器包括複數個接合元件。接合元件確保至或自面齒輪之平順扭矩及動力傳送。
小齒輪齒輪總成之旋轉器包括至少兩個區段。構成旋轉器之兩個或更多個區段能夠在齒輪變速程序期間彼此分拆開。在本發明之一項實施例中，旋轉器及至少兩個區段安裝在驅動軸上。兩個區段使用允許其等軸向地移動之一接頭安裝在一起，且其中存在將旋轉扭矩自軸遞送至至少兩個區段之一單獨機械機構。機械機構可係花鍵或鍵槽。在一較佳實施例中，至少兩個區段可使用一燕尾接頭或類似者安裝在一起，且接著使用一鍵槽將旋轉扭矩自軸個別地遞送至每一區段。
有利地，每一旋轉器具有均勻地分佈在距中心一徑向距離處之接合元件及相對於每一接合元件之均勻弧長度。均勻地分佈意指每一接合元件之間的距離對於所有接合元件係相同的。徑向距離意指旋轉器之旋轉軸線至接合元件之外部邊緣之間的距離。徑向距離對於每一旋轉器中之所有接合元件係恆定的。徑向距離取決於旋轉器大小及接合元件大小。所有接合元件以一徑向距離放置在旋轉器中，因此其等可與面齒輪上之齒輪環之齒及齒谷接合並嚙合。
因此，在本發明之一項實施例中，小齒輪齒輪總成包括一旋轉器，且旋轉器具有均勻地分佈在距中心一徑向距離處之接合元件。
在本發明之一較佳實施例中，小齒輪齒輪總成之旋轉器包括兩個至二十五個接合元件；更佳地自約六個至約十八個接合元件；且最佳地自約十個至約十四個接合元件。
旋轉器包括複數個接合元件及至少一個旋轉器板。較佳地，旋轉器包括兩個至區段之數目加上2的旋轉器板。舉例而言，若旋轉器包括兩個區段，則旋轉器可包括四個旋轉器板。旋轉器板確保接合元件牢固地附接至旋轉器。
在一替代實施例中，旋轉器板及接合元件由相同金屬板製造且因此係為單件。
旋轉器板在大小及形狀上可係相等的、不等的或一組合。組合意指包括一多個區段之一旋轉器可包括在大小上相等的某些區段及在大小上不等的某些區段。在一較佳實施例中，旋轉器板在大小及形狀上係相等的。
小齒輪齒輪總成之旋轉器包括至少兩個區段。區段之數目可係自兩個至多達旋轉器中之接合元件之數目的任何數目個區段。區段位於旋轉器內。在一較佳實施例中，小齒輪齒輪總成包括兩個至十二個區段。
區段在大小及形狀上可係相等、不等的或一組合。區段相對於多個區段可係對稱的或不對稱的。組合意指包括多個區段之一旋轉器可包括在大小上相等的某些區段及在大小上不等的某些區段。在一較佳實施例中，區段在大小及形狀上係相等的。在一更佳實施例中，區段在形狀上係相等的，但在大小上係不等的。
小齒輪齒輪總成包括可獨立於彼此移動之至少兩個區段。替代地，至少兩個區段以一主/從組態移動。區段之移動在齒輪變速程序期間係重要的。在正常操作期間且在起始齒輪變速之前，所有區段皆接合在面齒輪上之同一齒輪環上。亦即，所有區段及構成區段之所有接合元件皆定位在同一旋轉平面內。當起始齒輪變速時，至少一個區段仍接合初始齒輪環(且將動力傳送至初始齒輪環或自初始齒輪環傳送動力)，而至少一個其他非接合區段軸向地移動(相對於驅動軸軸線)。此其他區段移動以定位自身，以便準備進入至對準新齒輪環之路徑中。當軸及分拆式小齒輪齒輪總成繼續旋轉時，現已定位並對準至新齒輪環之其他區段在軸及分拆式小齒輪齒輪總成繼續旋轉時將接合在面齒輪上之新齒輪環中。當軸及分拆式小齒輪齒輪總成繼續旋轉且當初始區段與初始齒輪環解除接合時，初始區段將在與已軸向地移動之其他區段類似之方向上軸向地移動。在一個軸旋轉內，所有初始區段將解除接合面齒輪之初始齒輪環，且隨後軸向地移動以依循其他區段以變得重新定位，對準且與新齒輪環接合。此時，構成區段之所有接合元件已移動，且已與新齒輪環對準，且再次定位在一單個旋轉平面內；儘管為與在齒輪變速程序之前不同之一平面。此時，齒輪變速結束並完成且正常操作返回至齒輪系統。
在一較佳實施例中，小齒輪齒輪總成包括可獨立於彼此移動之兩個至十二個區段。或替代地，區段以一主/從組態移動。此確保一齒輪變速系統可在面齒輪中之所有齒輪之間高效地進行變速。
在一較佳實施例中，小齒輪齒輪總成包括具有相同數目個接合元件之區段。
在一更佳實施例中，小齒輪齒輪總成包括可獨立於彼此移動或替代地以一主/從組態移動之三個區段。此確保一齒輪變速系統可在面齒輪中之所有齒輪之間高效地進行變速。在一較佳實施例中，三個區段不包括相同數目個接合元件。
在一甚至更佳實施例中，小齒輪齒輪總成包括獨立於彼此移動或替代地以一主/從組態移動之至少三個區段。至少三個區段可較佳地具有不同數目個接合元件。區段中之一者亦稱為一旋轉體。旋轉體既在驅動軸軸線上軸向地移動；亦圍繞驅動軸旋轉自約0°高至約36°之旋轉。旋轉體之移動與其中區段僅在驅動軸軸線上軸向地移動之兩個區段之移動形成對比。
在一較佳實施例中，旋轉體及區段中之至少一者沿著驅動軸之中心軸線一起軸向地移動。
在一項實施例中，當命令齒輪變速時，旋轉體及至少一個區段始終首先沿著驅動軸軸向地移動。當另一區段依循第一區段及旋轉體之軸向移動時，齒輪變速循環完成。
在一最佳實施例中，小齒輪齒輪總成包括獨立於彼此移動之三個區段。區段中之一者包括六個接合元件，且一個區段包括四個接合元件，且最後區段包括兩個接合元件。包括兩個接合元件之區段亦稱為一旋轉體。在一較佳實施例中，旋轉體及包括四個接合元件之區段沿著驅動軸之中心軸線一起軸向地移動。
在一項實施例中，當命令齒輪變速時，旋轉體及具有四個接合元件之區段始終首先沿著驅動軸軸向地移動。當具有六個接合元件之區段依循第一區段+旋轉體之軸向移動時，齒輪變速循環完成。
在一替代實施例中，當命令齒輪變速時，具有六個接合元件之區段始終首先沿著驅動軸軸向地移動。當旋轉體及具有四個接合元件之區段依循具有六個接合元件之區段之軸向移動時，齒輪變速循環完成。
此兩個實施例(亦即兩個區段+旋轉體)之此運動型樣被視為一主/從移動。在一項實施例中，當命令齒輪變速時，包括包括四個接合元件之區段及旋轉體之主部件始終最初移動且開始與一新齒輪環接合。在主部件之移動期間，從部件(具有六個接合元件之區段)仍與前一齒輪環接合。當主部件與新齒輪環接合時，從部件開始沿著驅動軸軸向地移動且亦開始與新齒輪環接合。
替代地，旋轉體可位於從部件區段內。在此實施例中，主部件區段包括六個接合元件，而從部件區段包括兩個區段(亦即，包括兩個接合元件之一旋轉體及包括四個接合元件之一區段)。當命令齒輪變速時，具有六個接合元件之主部件區段始終首先沿著驅動軸軸向地移動。當旋轉體及具有旋轉體四個接合元件之從部件區段依循第一區段之軸向移動時，齒輪變速循環完成。兩個區段+旋轉體之此運動型樣亦被視為一主/從移動。當命令齒輪變速時，包括包括六個接合元件之區段之主部件始終最初移動且開始與一新齒輪環接合。在主部件之移動期間，從部件(具有旋轉體及四個接合元件之區段)仍與前一齒輪環接合。當主部件與新齒輪環接合時，從部件開始沿著驅動軸軸向地移動且亦開始與新齒輪環接合。若在齒輪變速期間出於某些原因，齒輪齒未對準，則旋轉體有助於適應此未對準且藉此確保一平順齒輪變速機構。旋轉體經設計使得接合元件可在變速期間圍繞軸旋轉自約0°高至約36°之旋轉以適應毗鄰齒輪環齒未對準。此確保一齒輪變速系統可在面齒輪中之所有齒輪之間高效地進行變速。
構成旋轉器之接合元件具有使面齒輪之毗鄰及對應齒互相嚙合、接觸及接合之能力。術語「接合元件」係指可接合在面齒輪之齒中且使用本專利申請案中所闡述之技術執行一齒輪變速之任何元件。在一較佳實施例中，接合元件係固定接合元件及/或滾動元件。
固定接合元件意指不可旋轉但可與面齒輪之齒接合之任何接合元件，諸如固定齒及/或3D非滾動物件。3D非滾動物件意指通常如齒一樣非扁平但具有一3D形狀之一物件，舉例而言，一球形、盒形或非旋轉球。一3D非滾動物件之實例係一定位銷上之球銷帽。固定齒意指可接合在面齒輪之齒中之一扁平或平面結構。固定齒可具有一非常尖銳或尖銳尖端但亦可具有一圓形尖端。
接合元件亦可係滾動元件。滾動元件可係任何滾動元件，其中一元件圍繞其旋轉軸線自由旋轉。滾動元件之實例可係襯套、軸承、滾珠軸承、滾子軸承及/或雙列滾珠軸承。在一更佳實施例中，接合元件係固定齒、3D非滾動物件、襯套、軸承、滾珠軸承、滾子軸承及/或雙列滾珠軸承。最佳地，滾子元件係襯套、滾珠軸承、滾子軸承或雙列滾珠軸承。若滾珠軸承、滾子軸承或雙列滾珠軸承用作滾子元件，則此等元件較佳地由鋼/合金軸承、陶瓷軸承、陶瓷混合軸承、其他低摩擦材料或材料之一組合構成以產生具有最小可能摩擦之滾動元件。
若滾珠軸承用作滾子元件，則此等元件較佳地由鋼/合金、陶瓷軸承、陶瓷混合軸承、其他低摩擦材料或材料之一組合構成以產生具有最低可能摩擦之滾子元件。
一習用滾珠軸承包括一外滾道、一內滾道及位於內滾道與外滾道之間的複數個滾珠。
在一項實施例中，構成小齒輪齒輪總成之旋轉器經設計使得複數個滾珠軸承用作滾子元件。
在一項實施例中，旋轉器包括至少兩個區段。每一區段各自包括兩個旋轉器板：一外板及一內板。複數個接合元件位於外板與內板之間。兩個板接合包括區段之每一接合元件之中心軸線之軸。此使得每一滾子元件圍繞其中心軸線自由旋轉。
在一替代實施例中，每一區段包括兩個旋轉器板：一外板及一內板。複數個滾子元件位於外板與內板之間。兩個板接合滾子元件之外滾道。一輪軸銷連接滾子元件之內滾道且接著接合一齒輪環。
旋轉器板之材料可係任何適合材料。較佳地，板之材料係金屬的，或一塑膠或一複合材料或其組合。
在一較佳實施例中，旋轉器連接至一變速轉鼓。變速轉鼓亦連接至驅動軸且較佳地位於驅動軸內部。變速轉鼓有助於促進齒輪之變速，但亦在腳踏車騎行期間使旋轉器保持與面齒輪接合。轉鼓之設計不像一傳統變速轉鼓，此乃因轉鼓外表面具有形成且充當一「滯後曲線」之凹槽及單向閘。「滯後曲線」及單向閘展示為徑向槽及螺旋式槽。此獨特轉鼓設計有助於促進齒輪變速，此乃因其確保分拆式小齒輪齒輪總成可在不同點處沿著驅動軸之長度軸向地移動至少兩個區段。
在一較佳實施例中，變速轉鼓連接至包括兩個區段及一旋轉體之一旋轉器。較佳地，一個區段包括六個接合元件，而另一區段包括四個接合元件，且旋轉體包括兩個接合元件。兩個區段充當一主-從組態。主部件可包括包括四個接合元件之區段及旋轉體，而從部件可包括具有六個接合元件之區段。替代地，主部件可包括具有六個接合元件之區段，而從部件可包括包括四個接合元件之區段及旋轉體。當起始齒輪變速時，主組態始終首先沿著驅動軸軸向地移動且接合新齒輪環，而從組態在主部件之後移動且接合與主部件相同的齒輪環。轉鼓設計確保主部件始終首先移動，不管轉鼓之一順時針或逆時針旋轉。
一常規轉鼓設計使用一簡單螺旋式或槽式轉鼓設計。此意指若轉鼓方向經反轉，則兩個區段之移動之次序將經反轉。在其中變速轉鼓包括單向閘之此獨特轉鼓設計中，順序主-從移動不經反轉，且獨立於轉鼓之方向，亦即在從部件軸向地移動之前，主部件始終軸向地移動。
面齒輪連接至至少一個動力傳輸組件。面齒輪包括一鑲齒盤及至少兩個同心齒輪環；同心齒輪環意指同心地安置之環，或其中環具有不同直徑之齒輪齒之圓環路徑。
鑲齒盤係可為完全實心之一盤，或替代地具有孔之一實心盤。鑲齒盤可具有任何所期望形狀，較佳地圓形或橢圓形。鑲齒盤之材料較佳地係金屬，但可係不易破碎或變形之任何適合材料。
齒輪環具有複數個齒輪齒及複數個齒谷。
在一較佳實施例中，面齒輪包括一鑲齒盤及複數個同心齒輪環，且藉此具有複數個同心地安置之齒輪環，其中複數個齒輪環具有不同直徑。複數個齒輪環具有相同或近乎相同幾何結構之複數個齒輪齒及複數個齒谷，然而齒輪環不具有相同數目個齒。視需要，可沿著驅動軸之縱向軸線將小齒輪齒輪總成選擇性地前後定位成與前面齒輪上之複數個齒輪環中之任一者之一嚙合狀態。
面齒輪可包括任何數目個所期望同心齒輪環；較佳地，同心齒輪環之數目係自約兩個至約二十個；更佳地，同心齒輪環之數目係自約六個至約十八個；最佳地，同心齒輪環之數目係自約十個至約十五個。
在本發明之一實施例中，面齒輪之鑲齒盤包括至少六個同心齒輪環，其中齒輪環維持每增加一齒輪環增加三個齒。
在本發明之一較佳實施例中，鑲齒盤包括至少六個同心齒輪環，且其中一齒輪環之齒總數係3之一倍數；且齒輪環維持每增加一齒輪環增加三個齒，且其中在此表中列出齒輪環上之齒之數目：15-18-21-24-27-30-33-36-39-42-45-48-51-54。舉例而言，若六個齒輪環位於鑲齒盤上，則其等可具有以下齒之數目：15-18-21-24-27-30；或24-27-30-33-36-39；或39-42-45-48-51-54。
在本發明之一最佳實施例中，鑲齒盤包括十四個同心齒輪環，且其中齒輪環維持每增加一齒輪環增加三個齒，使得齒輪環上之齒之數目係15-18-21-24-27-30-33-36-39-42-45-48-51-54。
若本發明用於一腳踏車上，則面齒輪包括平行於或近乎平行於後輪且與後輪輪軸成一同軸關係之一旋轉平面。
驅動軸可係實心或空心剖面。較佳地，剖面係提供具有儘可能輕的重量之一空心驅動軸。另外，用於齒輪變速之電子裝置及機構及/或一功率計可放置在空心軸內部。
驅動軸可由合金鋼、鋁、塑膠、碳纖維或複合材料構造。
面齒輪包括一鑲齒盤及至少一個同心齒輪環。每一齒輪環包括複數個齒及齒谷，其中齒與鑲齒盤之一表面平面成在約0°至約120°之範圍中，較佳地自約60°至約100°，更佳地80°、90°或100°且最佳地90°之一角度而延伸。
在一習用腳踏車鏈條驅動之一鏈環中，齒與表面平面之間的角度係約0°。在一項實施例中，旋轉器上之接合元件之旋轉軸線垂直於且與旋轉器旋轉軸線相交，接合元件可接著接合並與一習用鏈環嚙合。
在一替代實施例中，齒與表面平面之間的角度係大約90°，其中軸驅動及接合元件之旋轉軸線平行於旋轉器軸線，接合元件可接著接合並與面齒輪之齒嚙合。
在又一替代實施例中，齒與鑲齒盤之表面平面之間的角度係大約45°，其中旋轉器上之接合元件之旋轉軸線與旋轉器軸線成大約45°角且與其相交，接合元件可接著接合並與面齒輪之齒嚙合。
在一實施例中，面齒輪上之齒具有相同幾何結構，且面齒輪上之齒谷具有相同幾何結構。
齒輪環之每一齒具有自齒谷之底部至齒尖量測之一高度。每一齒之尺寸，亦即，齒之高度及谷至谷長度，較佳地經構形以緊密對應於與齒接合之接合元件之尺寸，藉此減小摩擦。齒之間距取決於旋轉器上之每一接合元件與齒輪環之半徑之間的圓周距離。齒谷之幾何結構及尺寸取決於接合元件之幾何結構及尺寸。較佳地，接合元件之剖面之大體形狀對應於齒谷之大體形狀。此提供接合元件與齒及齒谷之間的一嚙合，此減小摩擦。
在一項實施例中，小齒輪齒輪總成之旋轉軸線與驅動軸同軸。此減小小齒輪齒輪總成、驅動軸與面齒輪之間的摩擦。
在一實施例中，一變速控制器起始改變齒輪之要求。
控制器可由纜線、導線或無線地連接至包括接近於小齒輪齒輪總成之一機電致動器之一齒輪選擇裝置。機電致動器提供力及機械行動來移動小齒輪齒輪總成以達成齒輪選擇改變。
在一更佳實施例中，變速控制器可由纜線、導線或無線地連接至包括一電馬達及一齒輪箱之一齒輪選擇裝置。
在一項實施例中，機電齒輪選擇裝置定位在驅動軸之內部且連接至齒輪變速控制器及小齒輪齒輪總成。
在一其他實施例中，機電齒輪選擇裝置定位在驅動軸之內部且連接至齒輪變速控制器及小齒輪齒輪總成之旋轉器。
在一其他實施例中，機電齒輪選擇裝置定位在驅動軸之內部且連接至齒輪變速控制器及構成小齒輪齒輪總成之區段以達成齒輪選擇改變。
在本發明之一實施例中，啟動並促進齒輪變速之腳踏車系統包括：一控制器(其係控制馬達之一電子印刷板。馬達有助於促進齒輪變速)、一位置感測器(其係一電子印刷板，用於感測驅動軸之位置)、一遠端裝置(其係用以啟動或調整齒輪變速之一遠端裝置。遠端裝置可係一外部裝置或位於腳踏車車把內)、一致動器(其係使轉鼓轉動之一馬達)。
在本發明之一項實施例中，系統由一無線遠端單元構建，該無線遠端單元將用於齒輪變速及齒輪調整之命令傳輸至位於驅動軸內部之一可再充電電池供電之控制及驅動單元。控制單元由具有精確致動器(馬達)位置控制之一無線微控制器單元，及裝配在致動器馬達輪軸上之一相對齒輪位置編碼器構建。當命令一齒輪變速時，控制器在兩個步驟中轉動齒輪轉鼓(每一步驟約180°)，基於當前輪軸位置觸發變速。輪軸位置由一絕對位置感測器讀取，該絕對位置感測器裝配在驅動軸之端中，量測相對於自行車車架之位置並用於計算正確變速位置。
當發出一變速命令時，驅動軸之旋轉速度可用於計算並添加一偏移以提前或撤銷變速之起始，因此補償馬達機械延遲，特此允許在相同位置處獨立於驅動軸旋轉速度而發生變速。
在一項實施例中，齒輪選擇裝置之機電致動器由一連桿或螺桿驅動連接至小齒輪齒輪總成，且致動器相對於軸位於外部。
在一替代實施例中，在一無線構形中，齒輪選擇裝置之機電致動器由一連桿或線性螺桿驅動連接至小齒輪齒輪總成且致動器位於驅動軸，較佳地一空心驅動軸內部內。用於為機電致動器供電之電池亦可位於空心軸內。
機電致動器連桿致動構成小齒輪齒輪總成之區段以致使該等區段軸向地前後移動，從而改變區段相對於面齒輪上之齒輪環之位置，且與面齒輪上之離散齒輪環嚙合並接合，此取決於待選擇之所期望齒輪。
若本發明用於一腳踏車上，則腳踏車騎行者可在齒輪之變速期間維持蹬踏旋轉，且構成小齒輪齒輪總成之區段將在所選擇後齒輪環之間在其中毗鄰齒輪環上之齒谷對準之一點處前後移動。
在本發明之一實施例中，齒輪變速藉由使用至少一個變速通道來執行。
當面齒輪上之若干個同心齒輪環之齒經對準以形成在鑲齒盤之一徑向方向上延伸之齒谷之一變速通道時，一「變速通道」產生。
在本發明之一項實施例中，面齒輪包括至少一個變速通道。
在一較佳實施例中，面齒輪包括至少三個變速通道。
在一更佳實施例中，面齒輪包括三個變速通道。
在一其他實施例中，齒經對準以形成在不同徑向方向上延伸之多個變速通道。在一較佳實施例中，面齒輪包括包括在不同徑向方向上延伸之三個變速通道之一鑲齒盤。
在小齒輪齒輪總成之一個連續前後運動中進行變速之齒輪之數目可取決於機電致動器之速度能力、由機電致動器提供之力及驅動軸及分拆式小齒輪齒輪總成之旋轉速度。
在一項實施例中，若面齒輪設計有跨越所有齒輪環之至少一單個變速通道，則腳踏車騎行者或自動控制單元可命令最小直徑齒輪環與最大直徑齒輪環之間的一變速。換言之，藉助小齒輪齒輪總成跨越所有齒輪環之一單個不間斷前移動，一變速可自最高齒輪至最低齒輪一次發生。
使用具有三個或更多個變速通道之一面齒輪係有利的，此乃因此使得齒輪變速系統之變速更加有效。具有三個變速通道之一系統可進行齒輪變速比使用具有僅一個變速通道之一系統三倍快。
在本發明之一項實施例中，若面齒輪設計有跨越所有齒輪環之三個變速通道。則該三個變速通道遍及鑲齒盤均勻地分佈。操作者或自動控制單元可命令一次進行少至僅兩個毗鄰齒輪環之間的一變速，而非一次穿過所有齒輪環之變速。亦即，小齒輪齒輪總成可移動兩個毗鄰環齒輪之距離。為了再次進行齒輪變速，當變速通道再次與小齒輪齒輪總成對準時，小齒輪齒輪總成將在鑲齒盤旋轉三分之一之後移動。此時，由操作者或自動控制單元判定可進行變速之另一特定數目個齒輪。
在本發明之一項實施例中，鑲齒盤上之齒輪環上之齒經放置以形成在不同徑向方向上延伸之三個變速通道。
變速通道可係未經連接的及/或實心的。當面齒輪上之若干個同心齒輪環之齒經對準以形成在鑲齒盤之一徑向方向上延伸之齒谷之一變速通道時，未經連接變速通道產生。未經連接變速通道之齒係未經連接的。此與其中齒經連接且形成一實心通道之實心變速通道形成對比。未經連接及實心變速通道兩者具有相同齒幾何結構。實心變速通道可由與齒相同的材料製造。實心變速通道可用於幫助計時小齒輪齒輪總成之變速。舉例而言，若移動一區段之一致動發生得太早或太晚，則在分拆區段歸因於致動之誤時而必須跨越齒「滑動」的情況下，實心經連接變速通道可幫助分拆區段移動得更容易。目標係完美地計時一區段之致動，使得該等區段分拆，且在其等與後鑲齒旋轉相反時軸向地移動且因此不與後鑲齒接合。但若致動計時係太快或太慢，則一區段之致動及後續移動可在區段仍接合時發生。藉此，在此情形中，實心通道將有所幫助。
在本發明之一項實施例中，變速通道係未經連接的及/或實心的。若面齒輪包括至少一個變速通道，則變速通道可係未經連接的及/或實心的。
在本發明之一項實施例中，一機電齒輪選擇裝置定位在驅動軸之內部且連接至齒輪變速控制器及小齒輪齒輪總成。
在一較佳齒輪變速方法中，旋轉器包括至少兩個區段。
在一齒輪變速命令之前，構成旋轉器之所有區段及構成區段之接合元件在相同旋轉平面內且接合一個齒輪環。
在齒輪變速程序期間：操作者藉由使用一變速控制器來起始一齒輪變速命令。控制器預定劃分構成旋轉器之兩個區段之一區域將何時旋轉穿過鑲齒之變速通道中之一者。提前一個軸旋轉識別至變速通道之傳入區段。當經識別區段之接合元件與鑲齒解除接合時，此區段在一軸向方向上(沿著驅動軸)移動至下一騎行者命令之齒輪環。在包括現分拆區段之旋轉器之繼續旋轉之後，此原始區段接合新齒輪環。當旋轉器旋轉時，且當原始區段接合新齒輪環時，其他區段將隨後解除接合原始齒輪環。當其他區段解除接合原始齒輪環時，每一區段將軸向地移動至新齒輪環處之原始區段之新位置。在旋轉器之一個完全旋轉之後，所有區段將自與一個齒輪環對準依序移動至與另一齒輪環之一對準狀態。
在齒輪變速程序之後：齒輪變速程序已完成，且構成旋轉器之所有區段及構成區段之接合元件皆在一單個旋轉平面內且接合一個齒輪環(新齒輪環)。
在一更佳齒輪變速方法中，旋轉器包括至少兩個區段且較佳地兩個區段及一旋轉體。
在一齒輪變速命令之前：所有區段及構成旋轉器之旋轉體，及構成區段之接合元件皆在同一旋轉平面且接合一個且相同齒輪環。
在齒輪變速程序期間：操作者藉由使用一變速控制器來起始一齒輪變速命令。控制器命令主部件(亦即，一個區段及旋轉體)沿著驅動軸之長度向上或向下軸向地移動。在旋轉器，包括現分拆之區段之繼續旋轉之後，此主部件接合新齒輪環。當旋轉器旋轉時且當主部件接合新齒輪環時，從部件將隨後解除接合原始齒輪環。當從部件解除接合原始齒輪環時，其將軸向地移動至新齒輪環處之主部件之新位置。在旋轉器之一個完全旋轉之後，所有區段將自與一個齒輪環對準依序移動至與另一齒輪環之一對準狀態。若出於某些原因，在齒輪變速期間發生齒輪齒未對準，則旋轉體經設計使得旋轉體可在變速期間圍繞軸旋轉自約0°高至約36°之旋轉以適應毗鄰齒輪環齒未對準。
在齒輪變速程序之後：齒輪變速程序已完成，且構成旋轉器之所有區段及構成區段之接合元件皆在一單個旋轉平面內且接合一個齒輪環(新齒輪環)。
2a:前輪
2b:後輪
3:標準車架
4:驅動系統/齒輪變速系統/腳踏車驅動系統
5:曲柄臂
6:動力傳輸組件/前面齒輪
7:多齒輪面齒輪/面齒輪/多齒輪後面齒輪/後面齒輪
8:驅動軸/驅動軸軸線/軸
9:車把
10:座位
30:鏈條撐

Claims (13)

  1. 一種齒輪變速系統，其包括： 一驅動軸，其包括一旋轉軸線、一第一端及一第二端； 至少一個動力傳輸組件，其耦合至該驅動軸之該第二端；及 一面齒輪，其包括一鑲齒盤及至少一個同心齒輪環， 其中該驅動軸進一步包括耦合至該驅動軸之該第一端之一小齒輪齒輪總成， 其中該小齒輪齒輪總成經構形以與該至少一個同心齒輪環嚙合，使得該齒輪環之旋轉移動被傳輸至該驅動軸， 其中該小齒輪齒輪總成包括： 至少一個接合元件，其接合該面齒輪之該至少一個同心齒輪環；及 一旋轉器，其中該旋轉器包括至少兩個區段及一旋轉體。
  2. 如請求項1之齒輪變速系統，其中該旋轉器之區段之一數目不大於該小齒輪齒輪總成之接合元件之一數目。
  3. 如請求項1之齒輪變速系統，其中該至少兩個區段包括兩個區段至十二個區段。
  4. 如請求項1之齒輪變速系統，其中該小齒輪齒輪總成包括兩個區段，且其中所有該等區段具有不等數目個接合元件。
  5. 如請求項1之齒輪變速系統，其中該至少兩個區段及該旋轉體各自獨立於彼此移動，或其中該至少兩個區段中之一個區段與該旋轉體以一主/從組態移動。
  6. 如請求項1之齒輪變速系統，其中該旋轉體可在該驅動軸之該軸線上軸向地移動且可圍繞該驅動軸旋轉自0°高至36°之旋轉。
  7. 如請求項6之齒輪變速系統，其中該旋轉器之該至少兩個區段中之一個區段之行為表現為一主部件，且其中該至少兩個區段中之另一區段及該旋轉體之行為表現為一從部件。
  8. 如請求項1之齒輪變速系統，其中該至少一個動力傳輸組件係連接至一腳踏車上之踏板及/或一馬達的一前面齒輪。
  9. 如請求項1之齒輪變速系統，其中該等接合元件係固定接合元件及/或滾動元件。
  10. 如請求項9之齒輪變速系統，其中該等接合元件包括固定齒、3D非滾動物件、襯套、軸承、滾珠軸承、滾子軸承及/或雙列滾珠軸承。
  11. 如請求項1之齒輪變速系統，其中該至少一個同心齒輪環包括複數個同心齒輪環。
  12. 一種使用如請求項1之齒輪變速系統進行齒輪變速之方法，其中該至少一個同心齒輪環包括複數個同心齒輪環，且其中該方法包括： 在起始齒輪變速之前，使該旋轉器之所有該至少兩個區段接合該面齒輪上之該複數個同心齒輪環中之一第一齒輪環； 當起始齒輪變速時，使該旋轉器之該至少兩個區段中之一第一區段接合該複數個同心齒輪環中之該第一齒輪環，且該旋轉器之該至少兩個區段中之一第二區段軸向地移動且進入至與該複數個同心齒輪環中之一第二齒輪環對準之一路徑中； 當該驅動軸及小齒輪齒輪總成旋轉時，該旋轉器之該至少兩個區段中之該第二區段經對準至該複數個同心齒輪環中之該第二齒輪環，且當該驅動軸及小齒輪齒輪總成繼續旋轉時接合該第二齒輪環；及 當該旋轉器之該第一區段與該複數個同心齒輪環中之該第一齒輪環解除接合時，該第一區段在與該第二區段類似之一方向上軸向地移動， 其中，在一個軸旋轉內，該第一區段已解除接合該第一齒輪環且隨後軸向地移動成與該第二齒輪環對準並接合，且使得構成該至少兩個區段之所有該等接合元件已移動且與該第二齒輪環對準並位於一相同旋轉平面內，且此時，該齒輪變速結束並完成且正常操作返回至該齒輪系統。
  13. 一種使用如請求項1之齒輪變速系統進行齒輪變速之方法，其中該至少一個同心齒輪環包括一第一齒輪環及一第二齒輪環，其中該旋轉器之該至少兩個區段包括一第一區段及一第二區段，且其中在起始齒輪變速之前，該旋轉器之該第一區段及該第二區段兩者與該第一齒輪環接合，其中進行齒輪變速之該方法包括： 將該旋轉器之該第一區段與該第一齒輪環解除接合且將該第一區段軸向地移動成與該第二齒輪環對準，同時維持該旋轉器之該第二區段與該第一齒輪環之間的接合； 致使該軸旋轉且當該軸旋轉時，將該旋轉器之該第一區段與該第二齒輪環接合；及 將該旋轉器之該第二區段與該第一齒輪環解除接合且將該第二區段軸向地移動成與該第二齒輪環對準並接合，同時維持該旋轉器之該第一區段與該第二齒輪環之間的接合，使得構成該第一區段及該第二區段之該等接合元件與該第二齒輪環接合並位於該相同旋轉平面內。
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