TW202229097A - 具二階行星齒輪減速傳動機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置 - Google Patents

Abstract

一種具二階行星齒輪減速傳動機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置，包括內轉子式輪轂電機、輪轂轉軸、輪轂左右側定軸、接合成一體或一體成形的兩個的行星輪、兩個具環狀內齒輪的齒圈、定子支架以及含殼左右側蓋的輪轂外殼。定子支架與輪轂右側定軸為一體的構件。輪轂轉軸包括右側轉軸、偏心轉軸以及左側轉軸，三者經由過盈配合成為一體的輸入旋轉件，帶動第一行星輪繞固定於定子支架的第一齒圈做行星運動，另由第二行星輪帶動第二齒圈做旋轉運動，再由過盈配合於殼體內的第二齒圈帶動輪轂外殼做輸出轉動。藉此，將能以較少齒數即可達成高減速比的二階行星齒輪減速傳動機構應用於內轉子式輪轂電機，以實現電動自行車內轉子式輪轂電機的助力裝置小型化、輕量化與大幅提升助力的效果。

Description

具二階行星齒輪減速傳動機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置

本發明係有關於一種電動自行車內轉子式輪轂電機助力裝置的二階漸開線行星齒輪減速傳動機構，尤指一種可以實現小型化、輕量化與大幅提升助力效果的電動自行車內轉子式輪轂電機助力傳動機構之技術。

由於新冠肺炎疫情持續的關係，在歐美人們因害怕搭乘擁擠且密閉的地鐵或公車，兼具環保以及可維持社交距離的自行車成了當紅的交通工具，從倫敦、巴黎、柏林、米蘭，美國的費城、丹佛，哥倫比亞的波哥大，以及澳洲雪梨、墨爾本等各大城市紛紛擴建自行車道及補貼購置自行車，鼓勵市民以自行車作為交通工具，各大自行車廠的產能供不應求。而當上下班或休閒目的地距離較遠、路途有上坡路段或是膝關節有問題的騎乘人，具有電機助力裝置的電動自行車更符合需求。因此近年來電動自行車市場一直在成長，在歐洲各國都維持相當高的銷售熱潮，根據巴黎人報之報導，到2025年電動自行車每年將在法國銷售100萬台，並改變城市中心面貌。

目前市面上通用的電動自行車助力裝置乃使用無刷輪轂式電機，又根據電機裡是否經過齒輪減速機構而區分成無刷無齒輪轂電機與無刷有齒輪轂電機。圖1係市面上常用的無刷有齒輪轂電機裡的齒輪減速機構的實際圖，包含了中心齒輪51、三個中間的惰輪52及其輪盤53(固定件)及齒圈54。市面上無刷有齒輪轂電機的齒輪減速機都是採用定心齒輪系，雖然圈齒54的齒數很多如93齒，但其減速比不高，如中心齒輪51齒數為21，則減速比才-4.4(負號代表輸出輸入轉向相反)。新型專利第M484555號『具單向功能的自行車助力馬達』採用複式齒輪系，銷接在同一軸的大徑齒部與小徑齒部分別與中心齒輪和齒圈嚙合，此種複式齒輪系的減速比經由配齒(如中心齒輪20齒帶動大徑齒部60齒，與大徑齒部一起轉動的小徑齒部20齒帶動齒圈93齒)可以得到比定心齒輪系較高減速比(約-14)，但也需要大的齒輪配合。因此市面上輪轂電機的齒輪減速機構其減速與提升轉矩效果不佳，致使爬長陡坡較沒力。

無中心輪的少齒差的行星齒輪減速機構相較有中心輪的減速機構(含簡單與複式齒輪系)有較高的減速比，因此可以大大提升輪轂電機的輸出轉矩的效果，而且齒數可以較小，即較小的體積與重量。目前最常見的少齒差行星齒輪減速機為擺線針輪減速機與諧波減速機。然而擺線針輪減速機需要相當精確的中心距與相當精確的齒形，否則輸出速度與轉矩相當容易產生波動，而且需要使用相當多個銷孔搭配圓柱銷來達成輸出與輸入同軸心運動，但圓柱銷有容易磨損等缺點。發明專利第I694952號 『電動自行車電動補助力之諧波齒輪傳動機構』乃將諧波減速機應用於電動自行車之助力裝置中，但諧波減速機因具有柔輪，因此剛性與強度都較差，壽命往往較低，此外製造成本也相當高。

另一種常見的是RV減速機，由於第一階乃使用中心輪(太陽齒)帶動行星齒輪，第二階則使用少齒差擺線針輪減速機構，構造複雜，體積相對較大，重量相對重，因此並不適合做為電動自行車助力裝置。

本發明主要係針對現行電動自行車的內轉子式輪轂電機之齒輪減速機構以及習知的齒輪減速機應用於電動自行車助力裝置的缺失，所為的全新發明。

本發明的主要目的在於提供一種二階漸開線少齒差行星齒輪減速機構於電動自行車的助力裝置，主要是將二階漸開線少齒差行星齒輪減速機構應用於電動自行車的內轉子式輪轂電機上，藉以實現小型化、輕量化與大幅提升助力之效果。圖2係本發明所使用二階行星齒輪減速機構的示意圖，包含具環狀內齒輪的第一齒圈13是固定件，三段一體的轉軸含接合在輪轂電機的右側轉軸23、偏心轉軸11與左側轉軸24，三者接合成一體或一體成形作為輸入旋轉件，偏心轉軸11帶動具外齒輪的第一行星輪12繞第一齒圈13做行星運動或偏心旋轉運動，具外齒輪的第二行星輪14與第一行星輪12接合成一體(或一體成形)一起旋轉，最後由第二行星輪14帶動具環狀內齒輪的第二齒圈15做輸出旋轉運動。圖3係二階漸開線少齒差行星齒輪減速機構的分解示意圖(省略偏心 軸與行星輪之間的軸承)，其減速比公式為

，其中z _i 代表齒輪i的齒數。如前所述，單式與複式齒輪系其93齒的圈齒的減速比才-4.4與-14(尚需大徑齒部60齒)，使用二階漸開線少齒差行星齒輪減速機構能以較少的齒數即可達成較高的減速比，而且有更多的齒數組合可以選擇。如齒12、齒13、齒14、齒15的齒數在這些組合(z ₁₂-z ₁₃-z ₁₄-z ₁₅)下可以輕易達成高減速比：24-28-26-30的組合減速比即可達成-90；30-34-28-32的組合減速比即可達成120。顯而易見，使用二階漸開線少齒差行星齒輪減速機構於電動自行車的內轉子式輪轂電機之動力傳動機構上，可以實現小型化、輕量化與大幅提升助力的效果。

達成本發明目的的技術手段，係包括二階漸開線行星齒輪減速機構、內轉子式輪轂電機以及輪轂外殼這三個次組合件，前面兩個次組合件裝設於輪轂外殼內部，並藉由支撐和連接構件將這三個次組合件組裝成具本發明功效的具二階行星齒輪減速傳動機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置，其減速增力的運動順序為內轉子式輪轂電機的左右側轉軸同二階漸開線行星齒輪減速機構的偏心轉軸經由過盈配合(干涉配合)成一體後帶動第一行星輪繞固定的第一齒圈做行星運動，第二行星輪與第一行星輪接合成一體(或一體成形)一起旋轉，由第二行星輪帶動第二齒圈做旋轉運動，再由過盈配合於殼體內的第二齒圈帶動輪轂外殼做轉動，由於輪轂外殼係藉由幅條連接輪框，最後由輪轂外殼帶動輪圈轉動。輪轂的中心轉軸，除了殼體內部的左右側轉軸之外，還包括殼體外部的左右兩側輪轂定軸，而左右兩側輪轂定軸則通過軸承支撐旋轉的輪轂外殼與 輪轂轉軸。右側的輪轂定軸與殼體內的定子支架為一體的構件，藉由螺母與C型扣環將輪轂電機定位於定子支架內部，此外二階漸開線行星齒輪減速機構的第一齒圈也鎖固於定子支架。

11:偏心轉軸

12:第一行星輪

13:第一齒圈

14:第二行星輪

15:第二齒圈

16:第一滾珠軸承

17:第二滾珠軸承

18:螺絲

21:定子

22:轉子

23:右側轉軸

24:左側轉軸

25:螺母

26:C型扣環

27:右二滾珠軸承

28:左二滾珠軸承

31:殼主體

32:殼右側蓋

33:殼左側蓋

34:螺絲

41:輪轂右側定軸

42:輪轂左側定軸

43:定子支架

44:右一滾珠軸承

45:左一滾珠軸承

46:右側密封件

47:左側密封件

51:中心齒輪

52:惰輪

53:輪盤

54:齒圈

圖1係無刷有齒輪轂電機裡的齒輪減速機構的實際圖。

圖2係本發明二階漸開線行星齒輪減速機構的示意圖。

圖3係本發明二階漸開線行星齒輪減速機構的分解示意圖。

圖4係本發明實施例電動自行車助力裝置的立體圖。

圖5係本發明實施例電動自行車助力裝置的分解圖，其中殼主體與習知之配件如軸承、螺絲、密封件並未繪示。

圖6係本發明實施例電動自行車助力裝置的剖視圖。

為利 貴審查委員能進一步瞭解本發明的技術特徵與手段，茲以具體實施例並配合圖示加以詳細說明如後：

請同時參閱圖4至圖6，圖4係本發明實施例電動自行車助力裝置的立體圖；圖5係本發明實施例電動自行車助力裝置的分解圖，其中殼主體與習知之配件如軸承、螺絲、密封件並未繪示；圖6係本發明實施例電動自行車助力裝置的剖視圖。在本發明實施例電動自行車助力裝置包括二階行星齒輪減速機構、內轉子式輪轂電機以及輪轂外殼這三個次組合件，前面兩個次組合件裝設於輪轂外殼內部，並藉由支撐和連接構件將這三個次組合件組裝成具本發明功效的具二階行星齒輪減速傳動機構之內轉 子式輪轂電機的電動自行車助力裝置。

支撐和連接構件包括輪轂右側定軸41與輪轂左側定軸42。輪轂右側定軸41與輪轂左側定軸42的一部份是裝設在輪轂外殼的內部，一部分是在輪轂外殼之外部並可藉由螺母(未繪出)鎖固於車架的前叉或後叉上(未繪出)。

輪轂外殼包括殼主體31、殼右側蓋32與殼左側蓋33，三者藉由若干個螺絲34做接合。實際應用時，輪轂外殼可藉由幅條(未繪出)連接輪框(未繪出)，並由輪轂外殼帶動輪圈轉動。

內轉子式輪轂電機包括一定子21、一個裝設於定子內側的轉子22以及輪轂轉軸。藉由一個螺母25及一個C型扣環26將輪轂電機定位於定子支架43內部。

定子支架43與輪轂右側定軸41為一體的構件。

輪轂轉軸包括右側轉軸23、偏心轉軸11以及左側轉軸24，三者經由過盈配合(干涉配合)成為一體後作為輸入旋轉件，並藉由一個右二滾珠軸承27與一個左二滾珠軸承28分別樞接於輪轂右側定軸41與輪轂左側定軸42。若在整體組裝上的問題可以克服，右側轉軸23、偏心轉軸11以及左側轉軸24，三者也可以一體成形。

右側轉軸23、左側轉軸24、輪轂右側定軸41與輪轂左側定軸42四者的軸心線位於同一水平軸線上。

二階漸開線行星齒輪減速機構包括偏心轉軸11、第一行星輪12、第一齒圈13、第二行星輪14與第二齒圈15。偏心轉軸11透過第一滾珠軸承16與第二滾珠軸承17帶動第一行星輪12與第二行星輪14，而且第二行 星輪14與第一行星輪12接合在一起(或一體成形)，第一齒圈13藉由若干螺絲18固定於定子支架43，第二齒圈15過盈配合裝設於殼主體31內。

本發明之內轉子式輪轂電機助力裝置其減速增力的運動順序為做輸入旋轉運動的輪轂轉軸其偏心轉軸11帶動第一行星輪12繞固定的第一齒圈13做行星運動，第二行星輪14與第一行星輪12接合成一體(或一體成形)一起旋轉，由第二行星輪14帶動第二齒圈15做旋轉運動，再由過盈配合於殼主體31內的第二齒圈15帶動輪轂外殼做輸出轉動。

輪轂外殼分別藉由一個右一滾珠軸承44與一個左一滾珠軸承45在輪轂右側定軸41與輪轂左側定軸42這兩定軸上做輸出旋轉運動。

綜上所述，本發明實施例之內轉子式輪轂電機使用二階漸開線少齒差行星齒輪減速機構具有以較小尺寸之齒輪即可達成高減速比和大幅提升助力效果之特性，其與市面上內轉子式輪轂電機使用之定心齒輪減速機等習知技術相較，明顯具備功效之增進，具有進步性。另本發明申請前並未見於刊物，其新穎性亦毋庸置疑。本創作合於專利法之規定，爰依法提出發明專利之申請，祈請惠予審查並賜予專利，實感德便。

11:偏心轉軸

12:第一行星輪

13:第一齒圈

14:第二行星輪

15:第二齒圈

16:第一滾珠軸承

17:第二滾珠軸承

18:螺絲

21:定子

22:轉子

23:右側轉軸

24:左側轉軸

25:螺母

26:C型扣環

27:右二滾珠軸承

28:左二滾珠軸承

31:殼主體

32:殼右側蓋

33:殼左側蓋

34:螺絲

41:輪轂右側定軸

42:輪轂左側定軸

43:定子支架

44:右一滾珠軸承

45:左一滾珠軸承

46:右側密封件

47:左側密封件

Claims (8)

1. 具二階行星齒輪減速傳動機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置，包括：

   支撐和連接構件，包括輪轂右側定軸與輪轂左側定軸，可連接於車架的前叉或後叉上；

   輪轂外殼，包括殼主體、殼右側蓋與殼左側蓋，可連接與帶動輪圈轉動；內轉子式輪轂電機，包括一定子、一個裝設於定子內側的轉子以及輪轂轉軸；

   二階行星齒輪減速機構，包括偏心轉軸、第一行星輪、第一齒圈、第二行星輪、第二齒圈以及偏心轉軸與行星輪之間的第一滾珠軸承與第二滾珠軸承。
2. 如請求項1所述具二階行星齒輪減速傳動機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置，更包括一個螺母及一個C型扣環將輪轂電機定位於定子支架內部。
3. 如請求項1與2所述具二階行星齒輪減速傳動機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置，其中，定子支架與輪轂右側定軸為一體的構件。
4. 如請求項1所述具二階行星齒輪減速傳動機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置，其中，輪轂轉軸是由右側轉軸、偏心轉軸以及左側轉軸組成，三者經由過盈配合(干涉配合)成為一體後作為輸入旋轉件，並藉由右二滾珠軸承與左二滾珠軸承將輪轂轉軸樞接於輪轂右側定軸與輪轂左側定軸。
5. 如請求項1與4所述具二階行星齒輪減速傳動機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置，其中，右側轉軸、左側轉軸、輪轂右側定軸與輪轂左側定軸四者的軸心線位於同一水平軸線上。
6. 如請求項1所述具二階行星齒輪減速傳動機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置，其中，第二行星輪與第一行星輪接合在一起(或一體成形)，第一齒圈藉由若干螺絲固定於定子支架，第二齒圈藉由過盈配合裝設於殼主體內。
7. 如請求項1所述具二階行星齒輪減速傳動機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置，其中，減速增力的運動順序為做輸入旋轉運動的輪轂轉軸其偏心轉軸帶動第一行星輪繞固定的第一齒圈做行星運動，第二行星輪與第一行星輪接合成一體(或一體成形)一起旋轉，由第二行星輪帶動第二齒圈做旋轉運動，再由過盈配合於殼主體內的第二齒圈帶動輪轂外殼做輸出轉動。
8. 如請求項1與7所述具二階行星齒輪減速傳動機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置，其中，具殼右側蓋與殼左側蓋的輪轂外殼同時藉由右側滾珠軸承與左側滾珠軸承在輪轂右側定軸與輪轂左側定軸這兩定軸上做輸出旋轉運動。

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