TW202218939A - 車輛換檔系統 - Google Patents

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克努特 托爾 理爾森
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挪威商Ｃａ科技系統公司
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Abstract

一種車輛及一種車輛換檔系統(1)，包括：可移動的換檔元件(10)，其係建構成在此車輛的多速齒輪系統中換檔；能量源(20)；以及，能量儲存元件(30)，其中，該能量源係建構成將位能加載或充載至該能量儲存元件，而且，該能量儲存元件係建構成移動該換檔元件。

Description

車輛換檔系統
本發明係有關於一種改良式車輛換檔系統。本發明特別有關於在轉矩下進行換檔及/或車輛之性能在換檔期間受到轉矩損耗的嚴重影響下之具有多齒輪的車輛。這樣的車輛可以是例如踏板推進的車輛，其中，踩踏板係由例如用於電動自行車的馬達所輔助，但是，關於沒有這樣的馬達輔助的多速齒輪系統之換檔，亦可以實施，或者，用於純馬達驅動的車輛，例如，拖拉機或其它重型機械。
如最初所述，本發明可用於廣泛的應用中。一種這樣的應用是踏板推進的車輛。
大多數踏板推進的車輛，例如自行車，都配備有某種可選擇的齒輪比，以提高踩踏板效率及舒適度。
不同於換檔系統與馬達驅動系統可以在換檔期間協同工作的馬達驅動的其它類型車輛中之諸多齒輪，自行車控制系統無法以相同的方式控制騎手及騎手在踏板上產生的轉矩。
因此，經驗豐富的騎手已經對換檔方案發展出自己的理解及應用。最佳換檔方案將取決於自行車的類型、騎手的特徵等，這意味著實際上沒有任何換檔方案是相同的。
這造成麻煩，並且，可以很容易地觀察到，經驗不足、甚至經驗豐富的騎手在某些情況下很難有效率地換檔。
隨著踩踏板由馬達驅動以支援的電動自行車之推出，同樣的問題仍然存在。換檔控制系統可以控制來自馬達的供力，但不能控制來自騎手的供力。
雖然運動領域中之許多經驗豐富的騎手已經接受甚至讚賞發展自己的換檔方案，但是，對許多騎手以及對任何帶有馬達支援的踏板推進的車輛而言，例如，標準電動踏板輔助自行車、輕便摩托車式電動自行車、兩輪或多輪的電動貨車、山岳自行車、休閒自行車、通勤自行車等，換檔仍然是項障礙；隨著這類受影響的車輛及騎手之數量增加，這個問題越來越嚴重。
踩踏板速率被定義為單位時間內曲軸之轉數。這亦稱為「步調(cadence)」，主要被定義為每分鐘轉數(rpm)。
雖然每個騎手的最佳步調都是獨特的，但是很明顯，為了保持高效的動力產生及舒適度，人體生理學一般不允許步調有很大的變化。
因此，大多數現代自行車都配備有某種可變的齒輪機構，以改變步調與驅動輪轉速之間的關係。藉由改變齒輪比，可以針對不同的速度及不同的騎行條件(例如，上坡或下坡)選擇所需的步調。
換檔是由換檔機構來執行。換檔機構的類型將取決於在特定情況下使用之齒輪系統的類型。
然而，自行車上的有效率換檔需要精確度及定時。有經驗的騎手知道他們應該靠近曲柄之死點進行換檔，以減少騎手的腳施加在齒輪機構上的轉矩。 大的轉矩會使換檔更加困難，並且通常會縮短換檔機構及傳動裝置的使用壽命。
電動自行車增加換檔的複雜性。 除了來自騎手的轉矩之外，亦應該考慮來自馬達的轉矩。 如果有經驗的騎手鬆開踏板進行換檔，則在存在來自電動馬達的大轉矩之情況下，換檔機構仍然會掙扎。反之亦然，即使在控制系統能夠在換檔期間暫時減少來自馬達的轉矩之情況下，來自騎手的大轉矩仍將顯現換檔之問題。
因此，需要一種負責讓有經驗或經驗不足的騎手平穩且有效地換檔之改良式換檔機構。
WO2012128639A1及WO2020130841揭露用於踏板推進的車輛之多速齒輪系統。
WO207149396揭露一種用於多速系統的序列式換檔器。
本發明即為解決上面所發現的問題之如獨立權利請求項1所述之車輛換檔系統。
此換檔系統與習知技藝相比具有以下優點中之一個或多個。
首先，具有本發明之換檔系統的一種多速齒輪系統，在許多情況下係比習知技藝方案換檔更迅速，並且可以減少換檔期間的轉矩損耗。
在踏板推進的車輛之情況下，其換檔將更加可靠且可預測，因為它較少依賴於騎手的行為。
在許多情況下，此換檔系統可以很容易地與現有的多速齒輪系統整合。
此換檔系統僅包括少量易於製造的組件。
與沒有提出額外特徵的習知技藝換檔致動器相比，此換檔系統只需要極少的額外空間。
此換檔系統可以用於升檔及降檔。
對於踏板推進的車輛以及對於通常具有或不具有馬達支援的車輛而言，不管多速齒輪系統是建構在例如輪轂中或曲柄附近，此換檔系統可以用於不同類型的車輛構型。
圖1及圖2為本發明具體例之換檔系統1之等角的部分剖開圖。一些特徵在圖1中被隱藏，但在圖2的剖面中是可看見的。
圖3為與圖1及圖2中相同的本發明具體例之3D模型視圖。呈多速齒輪系統之換檔軸之形式的換檔元件10係以部分透明方式來說明，以顯示在換檔軸內側配置有包括套筒34的能量儲存元件30。銷32延伸穿過套筒，且進一步進入換檔軸之內壁中之縱向的凹槽11a、11b，而防止其相對於換檔軸旋轉。
圖4為更詳細地說明圖3之能量儲存元件的3D模型視圖。可以看出，在套筒34內側配置有螺旋彈簧31及固定構件33。固定構件係配置在套筒之第二端34b中，相對立於第一端34a。銷32橫向地延伸穿過固定構件之通孔，並穿過套筒34中之相對立的通孔35、36。
圖5為與圖4中相同的能量儲存元件30之視圖。可以看出，相對立的通孔35、36分別延續至兩個切口35a、35b與36a、36b，而在相對立的彎曲或螺旋方向上從通孔朝套筒之第一端延伸。包括通孔35及其兩個螺旋狀延伸的切口35a、35b的完整切口具有第一個「V」形。 通孔36及其兩個螺旋狀延伸的切口36a、36b則界定了與第一個「V」形在橫向上相對立的相似「V」形。再者，可以看出，套筒的第一端34a係建構成連接至能量源，而該能量源則建構成使套筒相對於換檔軸旋轉。
圖6先前描述的能量儲存元件30之諸組件之分解視圖。在組裝之後，在套筒內側使彈簧預負載。亦即，彈簧之第一端抵靠套筒之第一端之內壁，其第二端則抵靠固定構件，而該固定構件係在銷穿過套筒及固定構件中的諸通孔以進入之前被用力推入套筒中。
圖7a為說明控制系統60如何與能量源20及具有齒輪操作器感測器71的齒輪操作器70相互作用的具體例的簡化方塊圖。齒輪操作器感測器包括升檔感測器71a及降檔感測器71b。當騎手啟動升檔感測器時，控制系統60使能量源20能夠提供位能至能量儲存元件。當騎手啟動降檔感測器時，控制系統60使能量源20能夠提供位能至能量儲存元件。然而，兩種情況下的位能具有不同的徵狀。例如，如果能量源是馬達，則當啟動升檔感測器時，馬達將朝一個方向旋轉，當啟動降檔感測器時，馬達將向相反的方向旋轉。
圖7b為說明控制系統60如何以與圖7a中之具體例相同的方式與能量源20及具有齒輪操作器感測器71的齒輪操作器70相互作用的具體例的簡化方塊圖。在此情況下，其車輛包括由控制系統所控制的驅動馬達80。
圖7c為說明控制系統之另一具體例的簡化方塊圖，其中，除了圖7b所述的特徵之外，控制系統還根據由檔位偵測器61所偵測到的換檔元件10之位置以進行操作。亦即，控制系統可以使用所偵測到的檔位作為用於操作能量源20的輸入。
圖8為安裝在整合的踏板式車輛曲柄可安裝驅動系統中的換檔系統1之部分示意圖。驅動系統包括殼體2，而具有曲軸3、電動馬達80及多速齒輪系統90。在此特定具體例中，多速齒輪系統包括行星齒輪組，並且可以例如是WO2020130841中揭露之齒輪的類型。雖然未見於附圖中，但是應該理解的是，換檔系統1係操作與曲軸平行的多速齒輪系統之換檔軸。在馬達20是部分可見的同時，減速齒輪40係位於蓋子後面。在此具體例中，控制系統60亦配置在殼體內側。在圖式中，配置在車把上的齒輪操作器70係連接至先前所述的控制系統。可充電的電池85連接至控制系統及其它耗電組件，例如，馬達20之驅動電路。
圖9為操作成為踏板推進的車輛之內部多速輪轂齒輪之換檔致動器的換檔系統1之示意圖。多速齒輪系統90包括行星齒輪組，並且可以例如是WO2020130841中揭露之齒輪的類型。在此情況下，馬達20係建構成垂直於前述具體例，並且，馬達小齒輪41及第一齒輪組42之大直徑齒輪42a係為傘齒輪(bevel gear)，其中元件符號參照圖1中的數字。減速齒輪40及控制系統60係位於換檔系統之蓋子後面。提供電能至換檔系統之控制系統及馬達的電池22被表示為經由電連接器以連接。電池可以例如位於座銷柱內側或任何其它合適的位置。配置在車把上的無線的齒輪操作器70係連接至控制系統。
在以下描述中，闡述本發明的各種實例及具體例，以提供熟練技藝者對本發明更透徹的理解。在各種具體例的上下文中參考附圖描述的具體細節沒有意欲被解釋為限制。更確切地，本發明的範圍被界定在所附申請專利範圍請求項中。
對下面描述的具體例編號。此外，描述關於編號的具體例所定義的從屬具體例。除非另有說明，可以與一個或多個編號的具體例組合之任何具體例亦可以直接與所參照之編號的具體例之任何從屬具體例組合。
EM 1：在此具體例中，本發明是一種車輛換檔系統1，包括： 可移動的換檔元件10，建構成在車輛之多速齒輪系統中換檔； 能量源20； 能量儲存元件30， 其中，能量源係建構成將位能加載或充載至能量儲存元件，而且，能量儲存元件係建構成移動其換檔元件。
在第一從屬具體例中，能量儲存元件係建構成從平衡位置朝兩個相反方向移動換檔元件，其中，能量儲存元件未加載或充載有來自能量源的能量。
在可以與第一從屬具體例組合的第二從屬具體例中，能量源係建構成將相對於平衡位置的正負位能加載或充載至能量儲存元件。能量的徵狀係取決於所選擇的換檔方向。
在可以與第一或第二從屬具體例組合的第三從屬具體例中，能量儲存元件係在其平衡位置預先加載有能量。
EM 2：EM1的踏板推進車輛換檔系統，包括控制系統60，其係建構成控制從能量源提供的能量。
EM 3：EM2的踏板推進車輛換檔系統，其中，控制系統係建構成在開始時間T0啟始從能量源至能量儲存元件的能量傳遞，並且在開始時間之後的一段預定的時間跨距TS1結束能量傳遞。
在第一從屬具體例中，換檔系統包括齒輪操作器70，該齒輪操作器包括齒輪操作器感測器71，其係連接至控制系統且建構成偵測齒輪操作器之一個或多個換檔，其中，控制系統係建構成在齒輪操作器感測器偵測到換檔時設定其開始時間T0 。
在依附於第一從屬具體例的第二從屬具體例中，控制系統係建構成在齒輪操作器感測器偵測到單次換檔時開始能量輸遞。
在依附於第一或第二從屬具體例的第三從屬具體例中，控制系統係建構成在齒輪操作器感測器偵測到雙重換檔時開始能量傳遞，其中，雙重換檔的時間跨距是單次換檔的時間跨距之兩倍。
在第四從屬具體例中，控制系統包括步調偵測器，並且，控制系統係建構成在由步調偵測器所偵測到的步調高於或等於上臨界值、或者低於或等於下臨界值時啟始能量傳遞。
在第四從屬具體例中，對於單次換檔，預定的時間跨距TS1係小於0.5s、小於0.3s或小於0.2s。
在第五從屬具體例中，能量傳遞的徵狀係取決於控制系統是啟始升檔還是降檔。
在第六從屬具體例中，換檔元件包括用於上檔及/或下檔的終端止擋器。
在第七從屬具體例中，作為初始化過程的一部分，控制系統係建構成移動換檔元件，直到已經達到用於上檔及/或下檔的終端止擋器為止。
EM 4：EM2的車輛換檔系統，包括連接至控制系統的檔位偵測器61。
在一從屬具體例中，控制系統係建構成在位置偵測器指示已變換至少一個檔速時結束能量傳遞。
EM 5：EM 1至EM 4中任一者的車輛換檔系統，其中，能量源係建構成提供旋轉能量的馬達。
在第一從屬具體例中，控制系統係建構成控制馬達之啟動及停止。
在可以與第一從屬具體例組合的第二從屬具體例中，控制系統係建構成在正向及反向方向上操作馬達。
EM 6：EM 5的車輛換檔系統，包括建構在能量源與能量儲存元件之間的減速機構40，其中，減速機構係建構成將能量從馬達傳遞至能量儲存元件。
在第一從屬具體例中，減速機構係為減速齒輪。
在依附於第一從屬具體例的第二從屬具體例中，減速齒輪係單一輸入/單一輸出減速齒輪。
在具體例中，減速齒輪可以是兩段或三段減速齒輪。
EM 7：EM 1至EM6中任一者的車輛換檔系統，其中，能量儲存元件包括彈性機械元件31，其係建構成在輸入部與輸出部之間彈性變形。
在第一從屬具體例中，彈性機械元件之輸入部及輸出部分別連接至能量源及可移動的換檔元件。可選擇地，其輸入部係經由減速機構40以連接。
在可以與第一從屬具體例組合的第二從屬具體例中，使彈性機械元件機械地預負載。亦即，當沒有能量從能量源提供時，其係為彈性變形。
EM 8：EM 1至EM7中任一者的車輛換檔系統，其中，可移動的換檔元件係為換檔軸。
在第一從屬具體例中，換檔軸係建構成旋轉以進行多速齒輪系統的換檔。
EM 9：EM 7及EM 8的車輛換檔系統，其中，彈性機械元件係為建構成要加載以位能的彈簧。
在第一從屬具體例中，彈性機械元件係為螺旋彈簧。
在依附於第一從屬具體例的第二從屬具體例中，藉由至少0.1或0.2Nm的力量壓縮，使螺旋彈簧預負載。
在第二從屬具體例中，換檔軸包括在其內壁 中的一個或多個縱向的凹槽11a、11b，並且，能量儲存元件包括相鄰於螺旋彈簧之輸出部或第二端31b的銷32，其中，銷之諸端部係配置在換檔軸內壁中的一個或多個凹槽內，而防止其相對於換檔軸旋轉，但允許其相對於換檔軸縱向移動。該銷係建構成在推壓彈簧之第二端時壓縮彈簧。
在可以與第二從屬具體例組合的第三從屬具體例中，能量儲存元件包括固定構件33，而該固定構件包括延伸進入螺旋彈簧之第二端中的徑向引導突起，其中，銷係配置在固定構件之橫向的膛孔中。
EM 10：EM 9的車輛換檔系統，其中，能量儲存元件包括套筒34，其具有縱向地配置在換檔軸內側的第一及第二端34a、34b，其中，彈簧及固定構件係配置在套筒內側，且其中，固定構件係建構成在套筒內側旋轉及滑動。
在第一從屬具體例中，套筒的外徑在剖面上相似於換檔軸的內徑。
EM 11：EM 10的車輛換檔系統，其中，套筒之第二端之壁包括用於銷的通孔。
在第一從屬具體例中，其中，彈簧係為螺旋彈簧；當螺旋彈簧處於平衡位置時，亦即，處於未壓縮或加載有來自能量源的位能時，通孔的位置係對應於銷的位置。
在可以與第一從屬具體例組合的第二從屬具體例中，套筒之第二端34b之壁包括從通孔朝套筒之第一端沿相反方向延伸的兩個切口35a、35b及36a、36b。
諸切口可以沿著套筒壁之環周呈彎曲狀，其中，對於在從套筒之第二端至第一端的方向上的曲線之曲線段，其曲線之橫向分量比縱向分量增加得快。
諸切口圍繞以縱軸線係呈對稱。
在可以與第二從屬具體例組合的第三從屬具體例中，每個切口的環周長度係至少對應於使銷及換檔軸旋轉單次換檔。亦即，如果單次換檔對應於換檔軸的10度旋轉，則切口的環周長度對應於一個扇形的弧度，其中，半徑為套筒的半徑，扇形的角度為10度。
在可以與第二或第三從屬具體例組合的第四從屬具體例中，諸切口的縱向長度係至少對應於在使銷及換檔軸旋轉單次檔換時彈簧的壓縮量。
在可以與第二至第四從屬具體例中任一者組合的第五從屬具體例中，套筒壁中之諸切口之長度係至少對應於使銷及換檔軸旋轉一次雙重換檔或兩次連續的單次換檔。諸切口的環周長度允許銷旋轉兩個連續的換檔，亦即，如果如上述每次換檔為10 度，則為 20 度。
在可以與第二至第四從屬具體例中任一者組合的第六從屬具體例中，諸切口的縱向長度係至少對應於在銷及換檔軸進行一次雙重換檔或兩次連續的單次換檔時彈簧的壓縮量。
諸切口允許銷在受該等切口約束的情況下，相對於套筒在縱向及旋轉方向上移動。
再者，依據當中提及銷或套筒或換檔軸的任何具體例，這些元件對縱向平面係呈對稱，其中，換檔軸包括兩個相對立的縱向凹槽，銷具有配置在換檔軸之各別的縱向凹槽中之兩個突出端，以及，套筒包括用於銷的兩個相對立的通孔。
藉由彈簧的力量，將銷推入套筒的通孔中。彈簧亦可以如先前所述般預負載。當藉由能量源(例如，馬達)使套筒經由減速齒輪以旋轉時，銷相應地旋轉換檔軸。當換檔軸自由地旋轉且沒有建立任何反轉矩時，就是這種情況。
在換檔軸因反轉矩而阻止旋轉的情況下，銷將被橫向地及縱向地從通孔推入套筒之切口中。 然而，因為切口具有縱向分量，螺旋彈簧將在縱向方向被壓縮，並且，當彈簧被壓縮時，作用在換檔軸上的銷之轉矩會越來越大。當銷之轉矩增加到超過反轉矩之絕對值時，彈簧之位能會在很短的時間內被釋放出來，這時，彈簧會膨脹，且銷被迫遵循諸切口之彎曲的路徑。
在藉由壓縮以使彈性機械元件(亦即，彈簧)預負載的情況下，只要反轉矩的絕對值低於由預負載的彈簧所產生的轉矩，銷將保持在通孔中，因此將銷推向套筒的第二端34b。
上面具體例9至11描述了基於壓縮彈簧中之能量儲存的換檔系統。 然而，在另外的具體例中，能量可以儲存在旋轉或扭轉的彈性元件中。
EM 12：EM 1至EM 8中任一者的車輛換檔系統，其中，彈簧係建構成儲存旋轉位能。
在第一從屬具體例中，彈性元件的第一端係連接至能量源20，其中，能量源係建構成旋轉彈簧的第一端。
在可以與第一從屬具體例組合的第二從屬具體例中，彈性元件的第二端係旋轉地連接至多速齒輪系統的換檔軸，並且，彈性元件係建構成當彈性元件之第二端之轉矩增加到超過換檔軸之反轉矩時旋轉換檔軸。
在可以與第一或第二從屬具體例組合的第三從屬具體例中，彈性元件係為扭轉彈簧。
在可以與第一至第三從屬具體例中之任一者組合的第四從屬具體例中，使彈性元件係在一個或兩個旋轉方向上預負載。或者，可以使用在相反的旋轉方向上預負載的兩個彈簧。
在任何具體例中，能量源可以是例如電動馬達、螺線管或者液壓或氣動馬達。
在任何具體例中，此換檔系統可以是中空的，其中，套筒、彈性元件、固定構件等中之任一者是中空的。如圖9所示，在此換檔系統配置在輪轂中的情況下，這允許車輪螺栓穿過此換檔系統。
此換檔系統可以是具有在以下具體例中進一步描述的不同構型之發明車輛的一部分。
EM 13：一種車輛，包括： 帶有踏板臂的曲軸； 驅動輪； 傳動裝置，配置在曲軸與驅動輪之間，包括： 多速齒輪系統， 其中，可以藉由在多速齒輪系統中換檔以改變傳動裝置之齒輪比； 依據具體例EM1至EM 12中任一者的車輛換檔系統。
EM 14：EM 13的車輛，包括電力的驅動馬達80。
EM 15：EM 13或EM 14的車輛，其中，多速齒輪系統及能量儲存元件係配置在驅動輪的輪轂中。
EM 16：EM 13或EM 14的車輛，包括殼體2，其中，曲軸3、多速齒輪系統90及能量儲存元件85係至少部分地配置在殼體內。
EM 17：如EM 3、EM 14至EM 16中任一者的車輛，其中，控制系統係建構成控制電動馬達。
在第一從屬具體例中，電動馬達係建構成驅動多速齒輪系統之輸入部，並且，控制系統係建構成在開始時間T0之後減少來自電動馬達的轉矩。
在可以與第一從屬具體例組合的第二從屬具體例中，控制系統係建構成在時間跨距T1減少來自電動馬達的轉矩。
本發明亦是一種如下面具體例所述之用於車輛換檔之新穎且發明性的方法。
EM 18：一種用於車輛換檔的方法，其車輛包括： 多速齒輪系統； 車輛換檔系統，包括建構成在該多速齒輪系統中，進行換檔的可移動的換檔元件； 能量源；以及 能量儲存元件，建構成移動換檔元件， 其中，此方法包括： 在開始時間T0啟始從能量源至能量儲存元件的能量傳遞，並且，在開始時間之後的一段預定的時間跨距 TS1 結束能量傳遞。
EM 19：依據EM 18之用於車輛換檔的方法，其中，其車輛包括： 電動馬達，而此方法包括： 在開始時間T0之後，減少來自電動馬達的轉矩。
在相關具體例中，EM 18及 EM19 的特徵可以依據 EM 1至 EM 12。
在上述任一具體例中，其車輛可以是踏板推進車輛，以及/或者，其車輛換檔系統可以是踏板推進車輛換檔系統。
在圖1及圖2所示之特定具體例中，車輛換檔系統1包括可移動的換檔元件10，其係建構成在車輛之多速齒輪系統中換檔。在此情況下，換檔元件係為配置在齒輪箱內側的中空的換檔軸。當換檔軸相對於齒輪箱旋轉時，齒輪箱的齒輪比會依據習知技藝而變化。
取決於齒輪箱內側所使用之齒輪機構的類型，換檔軸可以經由例如離合器或棘爪以與齒輪箱的齒輪相互作用。
換檔系統1進一步包括能量源20，其係呈現具有與換檔軸平行配置的驅動軸的電動馬達之形式。電動馬達係由電池供電，且由控制系統所控制。
包括預負載的螺旋彈簧的能量儲存元件30係同軸地配置在中空的換檔軸內側。
下面提出在此特定具體例中之這些元件中的每一者之進一步細節。
減速齒輪係為單一輸入/單一輸出的三段減速齒輪，並且包括位在馬達軸與螺旋彈簧31之間的第一及第二齒輪組42、43。第一齒輪組42的大直徑齒輪42a與馬達軸上的小齒輪41嚙合。第一齒輪組包括與第二齒輪組43的大直徑齒輪43a嚙合之小直徑齒輪42b。最後，其小直徑齒輪43b係與同軸地連接至套筒34的第一端34a之大直徑的換檔軸齒輪44嚙合。
已選擇減速齒輪的類型，以允許尺寸及功率小的馬達在如前述之換檔動作的第一部分中，將足夠位能加載至螺旋彈簧，亦即，壓縮螺旋彈簧。如果使用較大的馬達，則可替代使用較小的減速齒輪，例如，兩段或單段減速齒輪。螺旋彈簧按規格製造成可以被壓縮達兩個連續換檔的量。例如，如果換檔軸旋轉 10 度代表一次換檔，而 20 度代表兩次連續的換檔，則對於本具體例，螺旋彈簧必須允許在加載期間因20度扭轉而產生壓縮。然而，如果只需要單次換檔，則可以減少壓縮量。同樣地，三次連續的換檔需要更大的壓縮量，但是，在使用相同的馬達及減速齒輪的情況下，亦需要更長的時間來加載。
套筒34包括螺旋彈簧。套筒的第一端進一步直接連接至換檔軸齒輪44，並且，套筒係以此方式與馬達以固定的比例關係旋轉，而這係由減速齒輪的齒輪比所決定。
套筒之第二端34b之外徑在剖面上係對應於換檔軸之內徑，使得套筒在其第二端徑向地穩固。在其第一端方面，套筒及換檔軸齒輪係在徑向上被殼體壁2中之滾珠軸承35所支撐。在縱向方向上，套筒係藉由換檔軸之內徑變窄而被鎖定。
螺旋彈簧的第二端 31b 推動橫向的銷32，其亦包含在能量儲存元件中，而延伸進入換檔軸10之內壁之縱向凹槽11a、11b中。因此，該銷在相對於換檔軸的旋轉方向上被固定，因為，凹槽之壁阻止其旋轉。然而，該銷仍可以沿著凹槽在縱向方向上移動。
能量儲存元件進一步包括配置在套筒之第二端內側的固定構件33。 固定構件具有延伸進入螺旋彈簧之第二端中的引導突起。
固定構件進一步具有用於銷的橫向通孔。
固定構件可以在套筒內側旋轉地及縱向地移動。然而，這些運動受到彈簧壓縮及銷的限制。
在套筒之第二端，為銷而形成有相對立的第一及第二通孔35、36。當螺旋彈簧未被扭轉時，諸通孔的位置係對應於銷的位置。
從每個通孔，兩個切口35a、35b及36a、36b在相反的螺旋或彎曲方向朝向套筒之第一端延伸。諸切口允許銷在受該等切口約束的情況下，相對於套筒在縱向及旋轉方向上移動。諸切口的環周長度允許銷旋轉兩次連續的換檔，亦即，如上所述，如果每次換檔為10 度，則為 20 度。
當馬達使套筒朝第一方向扭轉，並且換檔軸在旋轉上被反轉矩所固定時，銷的第一端將從通孔35螺旋地或彎曲地移動至第一切口35a中。銷的第二端將從在相對立側上的通孔36則沿著相對立的第一切口36a螺旋地或彎曲地移動。
當馬達使套筒朝與第一方向相反的第二方向旋轉，並且換檔軸在旋轉上被反轉矩所固定時，銷的第一端將從通孔35彎曲地或螺旋地移動至第二切口35b中。銷的第二端將從在相對立側上的通孔36則沿著相對立的第二切口36b螺旋地或彎曲地移動。
螺旋彈簧在其第二端被固定構件在縱向方向上鎖定，其接著又被銷鎖定至套筒。套筒的端部係鄰接換檔軸內徑的變窄部分。當螺旋彈簧處於鎖定位置時，使其藉由壓縮以預負載，並且，如果未受到超越預負載力的轉矩，銷將無法從其初始位置移動。
馬達20係可操作地連接至控制系統60，並且，藉由馬達控制器電路(未顯示)，可以控制正向或反向的啟動及停止以及馬達的速度。
下面將對換檔進行逐步說明。
一旦控制系統例如從換檔操作器之感測器偵測到換檔的要求，就將一個換檔命令傳送至馬達，而該馬達將經由減速齒輪以開始旋轉套筒。只要馬達持續旋轉套筒，銷作用在換檔軸上的轉矩將會增加。
如最初所述，將換檔軸從一個位置旋轉至下一個位置所需的轉矩，在很大程度上取決於騎手的踩踏力及驅動馬達(當有使用時)。
然後，可以設想以下場景，其中，車輛是踏板推進的車輛：
在第一種場景中，騎手在換檔時釋放踏板上的壓力。在這種場景中，旋轉換檔軸所需的轉矩非常小，並且，換檔軸將正好在扭轉開始之後，即正好在開始時間T0之後，開始旋轉。換檔軸持續旋轉，直到時間跨距 T1 結束為止，此時它已到達下一個位置。
在第二種場景中，騎手在升檔或降檔之後持續對踏板施加壓力。需要相當大的轉矩以旋轉換檔軸及換檔齒輪，並且，換檔將在開始時間 T0 之後的某個時間發生，此時銷上積累的轉矩可克服齒輪箱中的反轉矩。換檔軸持續旋轉，直到時間跨距 T1 結束為止，此時它已到達下一個位置。
在第三種場景中，騎手對踏板施加很大的壓力，即，一種導致反轉矩大於換檔系統可以傳遞的最大轉矩的壓力。在這種情況下，馬達將在一段預定的最長時間、例如 0.1 秒之後停止，而不會發生換檔。然而，踏板上的壓力一旦釋放到最大轉矩以下，就會發生延遲換檔。這通常發生在曲臂處於踏板行程之頂部／底部死點位置(亦即，曲臂呈垂直)時。因為，換檔是隨著來自能量儲存元件的最大扭矩而進行，所以，當曲臂已超越死點位置時，對於持續的壓力會立即作好準備。
在第四種場景中，除了踏板產生的轉矩之外，踏板推進的車輛還具有提供轉矩的驅動馬達。這類似於第三種場景，但是，其控制系統在這裡可以在時間跨距 T1 結束時降低來自馬達的轉矩一段短的時間周期，進而減少輸入至多速齒輪系統的總轉矩，以允許進行換檔。
雙重換檔的場景將類似於單次換檔的場景，不同之處在於馬達將具有扭轉時間，亦即，較單次換檔的時間跨距T1為長的時間跨距T2。相應的轉矩亦會隨著扭轉時間的增加而增加。
在這種情況下，控制系統偵測到雙重換檔的請求，並且馬達開始扭轉。將持續扭轉直到達到時間跨距T2之末端為止，並且向上或向下變換兩個檔位。將以與上述場景所示之相似方式進行換檔。
在示例性具體例中，各種特徵及細節以組合方式來顯示。描述了關於一個特定實例的數個特徵之事實，不應被解釋為暗示那些特徵必須一起包含在本發明的所有具體例中。相反地，描述關於不同具體例的特徵不應被解釋為互斥。熟悉此項技藝者將容易理解，包含本文所述之特徵的任何子集合且不是明確地相互依附的具體例，已被發明人所預期且是所意圖揭露的一部分。然而，對所有這樣的具體例之明確描述不會有助於理解本發明的原理，因此為了簡單或簡潔而已省略諸特徵之一些置換排列。
1:(車輛)換檔系統 2:殼體；殼體壁 3:曲軸 10:換檔元件 11a:(縱向)凹槽 11b:(縱向)凹槽 20:能量源；馬達 22:電池 30:能量儲存元件 31:(螺旋)彈簧；彈性機械元件 31a:(彈簧)第一端 31b:(彈簧)第二端 32:銷 33:固定構件 34:套筒 34a:(套筒)第一端 34b:(套筒)第二端 35:(第一)通孔；滾珠軸承 35a:(通孔)(第一)切口 35b:(通孔)(第二)切口 36:(第二)通孔 36a:(通孔)(第一)切口 36b:(通孔)(第二)切口 40:減速齒輪；減速機構 41:(馬達)小齒輪 42:(第一)齒輪組 42a:(大直徑)齒輪 42b:(小直徑)齒輪 43:(第二)齒輪組 43a:(大直徑)齒輪 43b:(小直徑)齒輪 44:換檔軸齒輪 60:控制系統 61:檔位偵測器 70:齒輪操作器 71:齒輪操作器感測器 71a:升檔感測器 71b:降檔感測器 80:驅動馬達；電動馬達 85:電池；能量儲存元件 90:多速齒輪系統 T0:開始時間 T1:時間跨距 T2:時間跨距 TS1:時間跨距
圖1為本發明具體例之換檔系統1之等角的部分剖開圖。 圖2為本發明具體例之換檔系統1之另一等角的部分剖開圖。 圖3為與圖1及圖2中相同的本發明具體例之3D模型視圖。 圖4為更詳細地說明圖3之能量儲存元件的3D模型視圖。 圖5為與圖4中相同的能量儲存元件30之視圖。 圖6為先前描述的能量儲存元件30之諸組件之分解視圖。 圖7a為說明控制系統60如何與能量源20及具有齒輪操作器感測器71的齒輪操作器70相互作用之具體例的簡化方塊圖。 圖7b為說明控制系統60如何以與圖7a中之具體例相同的方式而與能量源20及具有齒輪操作器感測器71的齒輪操作器70相互作用之具體例的簡化方塊圖。 圖7c為說明控制系統之另一具體例的簡化方塊圖。 圖8為安裝在整合的踏板式車輛曲柄可安裝驅動系統中的換檔系統1之部分示意圖。 圖9為操作成為踏板推進的車輛之內部多速輪轂齒輪之換檔致動器的換檔系統1之示意圖。
1:(車輛)換檔系統
2:殼體；殼體壁
10:換檔元件
20:能量源；馬達
40:減速齒輪；減速機構
41:(馬達)小齒輪
42:(第一)齒輪組
42a:(大直徑)齒輪
42b:(小直徑)齒輪
43:(第二)齒輪組
43a:(大直徑)齒輪
43b:(小直徑)齒輪
44:換檔軸齒輪

Claims (11)

  1. 一種車輛換檔系統，包括： 一可移動的換檔元件(10)，建構成在一車輛之一多速齒輪系統中換檔； 一能量源(20)；以及 一能量儲存元件(30)， 其中，該能量源係建構成將位能加載或充載至該能量儲存元件，而且，該能量儲存元件係建構成移動該換檔元件。
  2. 如請求項1之車輛換檔系統，其中，包括一控制系統(60)，其係建構成控制從該能量源提供的能量。
  3. 如請求項2之車輛換檔系統，其中，該控制系統係建構成在一開始時間T0啟始從該能量源至該能量儲存元件的能量傳遞，並且在該開始時間之後的一段預定的時間跨距TS1結束能量傳遞。
  4. 如請求項1至3中任一項之車輛換檔系統，其中，該能量源係為建構成提供旋轉能量的一馬達。
  5. 如請求項4之車輛換檔系統，其中，包括一減速機構(40)，其係配置在該能量源與該能量儲存元件之間，而其中，該減速機構係配置成將旋轉能量從該馬達傳遞至該能量儲存元件。
  6. 如請求項1至5中任一項之車輛換檔系統，其中，該能量儲存元件包括一彈性機械元件(31)，其係建構成在一輸入部與一輸出部之間彈性變形。
  7. 如請求項6之車輛換檔系統，其中，該彈性機械元件係機械地預負載。
  8. 如請求項1至7中任一項之車輛換檔系統，其中，該可移動的換檔元件係為一換檔軸，其係建構成旋轉以變換該多速齒輪系統之檔速。
  9. 如請求項6至8中任一項之車輛換檔系統，其中，該彈性機械元件係建構成要被加載有位能的一彈簧。
  10. 如請求項9之車輛換檔系統，其中，該換檔軸包括在其內壁中的一個或多個縱向的凹槽(11a、11b)，並且，該能量儲存元件包括一銷(32)，其係橫向地延伸穿過一套筒(34)中之至少一個通孔(35、36)，其中，該銷之諸端部係配置在該換檔軸之內壁中之該一個或多個凹槽內，而防止其相對於該換檔軸旋轉，但仍允許其相對於該換檔軸縱向地移動。
  11. 一種車輛，包括： 一曲軸，帶有踏板臂； 一驅動輪； 一傳動裝置，配置在該曲軸與該驅動輪之間，而包括： 一多速齒輪系統， 其中，可以藉由在該多速齒輪系統中換檔以改變該傳動裝置之齒輪比； 請求項1至10中任一項之車輛換檔系統。
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