TW202200443A - 具有承載結構和過載保護裝置的換擋機構滾子 - Google Patents

Abstract

本發明涉及一種用於後自行車換擋機構的鏈條滾子，所述鏈條滾子包括旋轉軸承、齒圈連同構建在其上的輪齒，以及將旋轉軸承與齒圈連接在一起的承載結構。齒圈和承載結構由不同的材料形成，且在徑向和軸向上形狀匹配地相連。

Description

具有承載結構和過載保護裝置的換擋機構滾子

發明領域

本發明涉及一種根據請求項1的前言部分所述的用於自行車換擋機構的鏈條滾子。

下文也稱換擋機構滾子的同類型鏈條滾子用於自行車鏈式換擋裝置的後自行車換擋機構，並且在該處為鏈罩配置的功能性組成部分，其也被簡化地稱為換擋機構罩或鏈罩。後自行車換擋機構的鏈罩配置包含通常佈置在鏈罩的兩個導向板之間的上鏈條滾子和下鏈條滾子。

其中，上鏈條滾子承擔對鏈條的運行至小齒輪飛輪的空鏈股的導引任務，以特別是精確控制小齒輪飛輪的不同小齒輪之間的換擋。下鏈條滾子承擔容置多餘的鏈條長度的任務，以及在所有操作條件下盡可能可靠地將鏈條的空鏈股導入換擋機構的任務。

本發明既可以應用於上鏈條滾子，又可以應用於下鏈條滾子。

發明背景

傳統的換擋機構滾子大多以注塑法由塑料製成，且通常包含用於以可低摩擦地旋轉的方式緊固在鏈罩中的球軸承。注塑法能夠低成本地製造換擋機構滾子，其中以這種方式同樣可以在換擋機構滾子上成型複雜的幾何形狀。

球軸承通常在鏈條滾子的這個初級成型中就已經被注塑包封進而成型在鏈條滾子中，從而節省了形成軸承配合和用於軸承裝配的成本。塑料製成的換擋機構滾子的特徵還在於較強的運轉平穩性。為此，當鏈節在操作中徑向地撞擊在滾子上時，滾子材料的阻尼特性起決定性作用。

這個結構的鏈條滾子的缺點在於較小的剛度以及收縮過程所引起的製造公差。這些缺點特別是在鏈條滾子的直徑較大的情況下尤為明顯。

塑料製成的鏈條滾子的另一缺點在於，鏈條滾子的軸承區域與輪齒區域之間的承載結構質量較大且經常開裂，但幾乎沒有任何空隙。傳統鏈條滾子的這個承載結構在結構上是由基於給定的結構空間和結構要求的材料特性產生的。

實踐表明，特別是在氣候條件不利的情況下，沉積物和污染物會在傳統鏈條滾子的這種承載結構的區域內積聚。這樣就會增加磨損、因摩擦而減小傳動效率，以及因異物夾在換擋機構滾子與鏈罩之間而產生換擋滾子完全卡住的危險。

整體而言，以注塑法製成的塑料換擋滾子會產生以下缺點： 1. 側向剛度較小 2. 節圓直徑和側向偏擺的精度較低 3. 髒污嚴重時的自清潔功能較弱 4. 缺點1-3隨著換擋滾子直徑的增大而增強。 這類鏈條滾子的優點是： 1. 成本較低 2. 製造複雜齒形時的設計自由度 3. 噪聲排放較少。

替代地，換擋機構滾子以切削加工製成，其中大多採用鋁合金。即使在採用具有輪輻狀承載結構的較大鏈條滾子的情況下，這類鋁合金的相較於塑料而言明顯更大的彈性模量同樣能改善側向剛度。這類較大的鏈條滾子不僅因運轉平穩且摩擦較小，還因其外觀而越來越受歡迎。

即使在鏈條滾子相對較大的情況下，同樣可以極為精確地以切削加工製成對鏈條嚙合而言非常重要的節圓公差和橫向偏擺公差。如此地製成的鏈條滾子的精度特別是在鏈條滾子、鏈條和換擋機構罩的複雜相互作用中有助確保換擋機構在不同的騎行狀況下的無錯操作。

這個結構的鏈條滾子的缺點在於成本較高、在實現複雜齒形時存在製造相關的限制，以及與塑料鏈條滾子相比，在騎行操作中因與鏈條的相互作用而產生較大的噪聲。

在鏈條滾子在輪輻承載結構中具有原本期望的較大的材料缺口的情況下特別不利。如上所述，較大的材料缺口有助於自清潔且易於清潔。但實踐證明，缺口的增大同樣會導致相應長度和厚度的較大異物(特別是較小的樹枝)進入缺口且鏈輪卡住的可能性增大。如果在這種情況下不立即停止踩踏，則可能會導致換擋機構斷裂並且造成傳動系和車架的其他後續損傷。

整體而言，由金屬銑切而成的換擋機構滾子的主要缺點在於： 1. 成本較高 2. 特別是在較為複雜的輪齒幾何形狀中，設計可能性有限 3. 噪聲產生 4. 因異物而卡住的危險。 這類由金屬製成的換擋機構滾子的優點是： 1. 側向剛度較大 2. 精確性 3. 在開放式設計的承載結構中的良好的自清潔能力 4. 技術上和外觀上的設計自由度。

發明概要

有鑑於此，基於前述現有技術，本發明的目的是提供一種克服前述缺點的用於自行車換擋機構的鏈條滾子。其中，特別是應保留上述兩個結構的優點，也就是由塑料以及由金屬製成的換擋機構滾子的優點。

本發明用以達成上述目的的解決方案為具有請求項1的特徵的一種鏈條滾子。優選實施方式參閱從屬申請專利範圍。

同類型的鏈條滾子首先具有旋轉軸承、齒圈連同構建在其上的輪齒，以及將旋轉軸承的外圈與齒圈相互連接在一起的承載結構。下文中也將承載結構比喻為“骨架”。視具體應用範圍和價格檔次而定，可以將球軸承或滑動軸承用於旋轉軸承。

鏈條滾子的特徵在於，齒圈和承載結構由不同的材料形成，承載結構優選由金屬形成，齒圈優選由塑料形成，其中齒圈與承載結構在徑向和軸向上形狀匹配地相連。

這樣就能優選借助注塑與鏈條滾子的承載結構無關地以較高的設計自由度和精度製成齒圈，從而與鏈條最佳地且吸聲地嚙合，而鏈條滾子的優選由金屬製成的承載結構帶來較高的徑向跳動精度、較強的側向剛度和自清潔能力，且同樣可以實現較高的設計自由度。

其中，承載結構與齒圈之間的連接在徑向以及軸向上均形狀配合地固定，但在周向上優選構建為自由的或構建為可以摩擦配合地旋轉運動的。

因此，如果鏈條滾子的承載結構或骨架例如因異物而相對於換擋機構罩卡住，那麼通過鏈條驅動的齒圈就能以相應的摩擦力矩相對於承載結構繼續旋轉。這樣鏈條滾子就能獲得內置的過載保護，並且可以有效避免上文所描述的對換擋機構或傳動系甚至對自行車車架的損傷。

鏈條滾子的承載結構與齒圈之間的連接優選設計為包覆成型。為此，可以將承載結構嵌入注塑模具的用於齒圈的空穴，隨後用聚合物進行注塑包封或包覆成型，從而首先形成齒圈。其中，因是通過注塑包封鏈條滾子骨架來進行製造，由塑料製成的齒圈同樣具有較高的精度和徑向跳動精度，因為骨架的剛性承載結構使得齒圈的收縮相關的公差或形狀變化大幅減少。

鏈條滾子優選配設有球軸承，其優選同樣通過注塑包封與承載結構連接。軸承與承載結構之間的連接通過用聚合物一體式地圍繞軸承的外圈注塑包封的軸承罩來實施，該軸承罩既形狀配合地包圍軸承的外圈，又形狀配合地包圍承載結構的內凹口，並且以這種方式將外圈與承載結構固定地相互連接在一起。

借助以這種方式注塑包封的軸承罩在軸承與承載結構間形成的連接會使得公差最小化、徑向跳動良好並且增強鏈條滾子的負載能力。除球軸承外，這個實施方式也可以採用滑動軸承。

其中，承載結構優選構建為由金屬片，特別優選由鋁硬質合金製成的衝壓件。這樣也能實現特別是具有較大直徑的鏈條滾子，其將較小的重量、良好徑向跳動與較少的噪聲產生以及美觀的外觀相結合。

較佳實施例之詳細說明

圖1示出本身已知的具有鏈式換擋裝置的自行車的後換擋機構2。可以看出具有可以緊固在自行車的車架後叉端上的B轉向節BK的換擋機構2的常規結構，該B轉向節通過換擋機構平行四邊形與P轉向節PK連接，該P轉向節可以向一側偏轉以進行換擋。

此外，換擋機構2同樣以已知方式具有鏈罩配置8。鏈罩配置8包括內導向板9和外導向板10、上鏈條滾子11和下鏈條滾子1。

鏈罩配置8可以圍繞P轉向節PK的軸線PA相對P轉向節PK偏轉，以及通過以已知方式包含在P轉向節PK中拉伸彈簧被順時針地施加彈簧負載，從而在鏈條中產生操作自行車傳動系所需的張力。

圖2示出圖1中的換擋機構2的下鏈條滾子1，其中下文對現有技術以及對本發明的闡述同樣合理地適用於圖1中的換擋機構2的上鏈條滾子11。

可以看出佈置在徑向內部的軸承結構3、佈置在徑向外部的齒圈4連同構建在其上的輪齒5，以及將軸承或軸承外圈與齒圈4連接在一起的承載結構6。在這個由現有技術已知的鏈條滾子中，齒圈4連同輪齒5與承載結構6一起作為注塑件一體式構建。

特別是在鏈條滾子的直徑較大的情況下，這個一體式構建方案的缺點已在上文對現有技術的描述中闡述過。其中特別是包括，側向剛度和徑向跳動精度較小，以及由於承載結構6區域內的缺口12因材料和製造條件而相對較小且同時較深且經常開裂，而無法實現最佳的自清潔。

圖3示出根據本發明的鏈條滾子1的實施例。鏈條滾子1包括在此構建為球軸承3的軸承結構、齒圈4連同一體式構建在其上的輪齒5，以及將球軸承3與齒圈4連接在一起的承載結構6。在所示實施例中，承載結構6具有缺口12和輪輻13。

在圖3所示的斜視圖中，同樣可以看出齒圈4以及構建在齒圈4上的輪齒5的區域內的複雜幾何形狀。這些幾何形狀特別是包括具有不同寬度的特殊齒形，以專用於容置鏈條內鏈板或鏈條外鏈板，以及用於鏈條引導和自清潔的其他幾何元件。

圖4示出圖3中的鏈條滾子1的分解圖。可以看出齒圈4連同一體式構建在其上的輪齒5、承載結構或骨架6以及球軸承3。骨架6的圓環形外區域連同與其形狀匹配的凹槽在齒圈4的內周上的B處形成摩擦面，該摩擦面用作齒圈4與骨架6之間的旋轉滑動離合器。

因此，如果骨架6在騎行期間例如因異物而卡住，那麼在進一步踩踏時齒環4可以繼續圍繞靜止的骨架6旋轉，從而避免如本文開篇所述及的那樣因換擋機構斷裂而造成傳動系或自行車車架受到嚴重損傷。這個優點特別是在具有電輔助驅動器的自行車中尤為明顯，在這些自行車中起作用的驅動功率或驅動力矩往往更大，且在傳動系中發現卡阻時，電輔助驅動器可能無法足夠快速地斷開。

圖4還示出軸承罩7，其在此構建為一體式的注塑包封件。特別是結合圖8可以看出，軸承罩7既形狀配合地包圍球軸承3的外圈14，又形狀配合地包圍骨架6的內凹口15，從而至少在軸向上相對骨架6固定地固設該球軸承。

骨架6的用於容置球軸承3的內凹口或軸承配合部15在其外周上具有附加的凹口16，由軸承3和骨架6的共同注塑包封形成的軸承罩7形狀配合地穿過這些凹口。在注塑包封軸承3時，凹口16用塑料填滿，從而形成軸承罩7的連接條18。軸承罩7包括通過連接條18一體式相連的兩個半罩17。

在所示實施方式中，骨架6實施為由高品質鋁硬質合金製成的簡單衝壓件。這樣就能在製造成本較小的情況下實現極佳的製造公差。同時，骨架6的輪輻13和缺口12具有較高的設計自由度。由於骨架6的缺口12較大且構建為呈棱柱狀貫通的，還能實現鏈條滾子1的良好的自清潔。其中，齒圈4的輪齒5的複雜自由表面可以與骨架6的設計無關地以高精度由塑料以注塑法製成。

在齒圈4的初級成形中，將骨架6嵌入注塑模具的空穴，並由齒圈4的材料注塑包封。因此，骨架6與齒圈4之間的徑向和軸向形狀配合(參閱圖8的B處)可以以低成本且精確配合方式形成。基於這個過程，骨架6與齒圈4在B處沿周向U的旋轉摩擦連接(參閱圖7和圖8)同樣與這兩個構件的公差無關，而是可以在包覆成型時通過過程參數最佳地進行設定。通過齒圈4在注塑後的冷卻過程中的收縮，在B處提供齒圈4與骨架6之間所需的用以確保該連接作為過載或滑動離合器的期望功能的壓力。

圖5和圖6示出圖3和圖4所示鏈條滾子1在安裝在圖1所示換擋機構2或自行車上的安裝狀態下的側視圖和後視圖。可以看出齒圈4連同一體式構建在其上的輪齒5、具有缺口12和輪輻13的承載結構或骨架6、球軸承3以及將球軸承3與骨架6連接在一起的軸承罩7。

圖7和圖8對應於圖5和圖6所示視圖，但為剖視圖。特別是可以清楚地在B處看出骨架6與齒圈4之間的連接。可以看出，由於骨架6在B處槽形地嚙合在齒圈4的內周上(另見圖4)，骨架6與齒圈4在徑向R上以及在軸向A上形狀匹配地固定相連，其中同時在周向U上，在骨架6與齒圈4之間存在旋轉自由的，但因齒圈4在注塑包封後發生收縮而帶有摩擦的連接。

圖7中同樣可以看到骨架6的軸承配合部15區域內的凹口16，這些凹口被軸承罩7的條邊18充填並穿過，另見圖4。

軸承罩7包括兩個半罩17和條邊18，其由軸承3和骨架6的共同注塑包封形成(參閱圖3和圖4以及對應的描述)，由此，軸承罩既形狀配合地包圍球軸承3的外圈14，又在骨架的軸承配合部15區域內形狀配合地包圍骨架6的內周，並且以這種方式在骨架6與軸承3之間提供固定連接。

優選地同時在單獨一個共用模具中通過同時注塑包封軸承3和骨架6來製成軸承罩7和齒圈4，從而與特別是骨架6的構件公差無關地實現整個鏈條滾子1的最佳徑向跳動。

1:下鏈條滾子 2:換擋機構 3:軸承結構/球軸承 4:齒圈 5:輪齒 6:承載結構/骨架 7:軸承罩 8:鏈罩配置 9:內導向板 10:外導向板 11:上鏈條滾子 12:缺口 13:輪輻 14:球軸承的外圈 15:內凹口/軸承配合部 16:凹口 17:半罩 18:連接條/條邊 A:軸向 BK:B轉向節 PK:P轉向節 PA:P轉向節的軸線 R:徑向 U:周向

下面結合附圖對本發明的實施方式進行示例性描述。 其中： 圖1：現有技術中的後自行車換擋機構； 圖2：圖1所示自行車換擋機構中的根據現有技術的鏈條滾子； 圖3：根據本發明的一個實施例的鏈條滾子； 圖4：圖2中的鏈條滾子的分解圖； 圖5和圖6：圖3和圖4所示鏈條滾子的兩個視圖；以及 圖7和圖8：圖3至6中所示鏈條滾子的兩個剖視圖。

1:下鏈條滾子

3:軸承結構/球軸承

4:齒圈

5:輪齒

6:承載結構/骨架

7:軸承罩

14:球軸承的外圈

15:內凹口/軸承配合部

17:半罩

A:軸向

B:轉向節

R:徑向

Claims (5)

1. 一種用於後自行車換擋機構的鏈條滾子，所述鏈條滾子包括旋轉軸承、齒圈連同構建在其上的輪齒，以及將所述旋轉軸承與所述齒圈連接在一起的承載結構，其特徵在於， 所述齒圈和所述承載結構由不同的材料形成，且在徑向和軸向上形狀匹配地相連。
2. 如請求項1所述的鏈條滾子，其特徵在於， 所述齒圈和所述承載結構在周向上以在摩擦配合下自由旋轉的方式相連。
3. 如請求項1或2所述的鏈條滾子，其特徵在於， 所述齒圈與所述承載結構之間的連接以注塑包封形成。
4. 如請求項1至3中任一項所述的鏈條滾子，其特徵在於， 所述旋轉軸承與所述承載結構之間的連接由圍繞所述旋轉軸承和所述承載結構一體式注塑包封的軸承罩形成，所述軸承罩形狀匹配地包圍所述旋轉軸承的外圈以及所述承載結構的內凹口。
5. 如請求項1至4中任一項所述的鏈條滾子，其特徵在於， 所述承載結構構建為由金屬片，優選由硬鋁製成的衝壓件。

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