TW202323135A - 自行車驅動器與自行車 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種自行車驅動器（20），其包括電機（22）及行星齒輪傳動裝置（26），該電機（22）具有從動軸（24）。該行星齒輪傳動裝置（26）具有傳動裝置從動軸（36）、第一切換元件、單向離合器元件以及包含太陽齒輪（30）、行星架（32）及環形齒輪（34）之行星齒輪組。該從動軸（24）以永久不能相對轉動的方式與該行星架（32）連接。該太陽齒輪（30）可用該切換元件加以固定。該行星架（32）可藉由該單向離合器元件以不能相對轉動的方式與該環形齒輪（34）連接。此外，本發明還關於一種具有此種自行車驅動器（20）之自行車。

Description

自行車驅動器與自行車

本發明係關於一種包括電機及行星齒輪傳動裝置的自行車驅動器。此外，本發明還關於一種具有此種自行車驅動器之自行車。

先前技術中具有不同傳動裝置配置的自行車驅動器已為吾人所知。人們希望自行車能夠輕鬆提供不同的傳動比及較輕的重量，以便實現有效騎行。對於許多自行車如城市自行車來說，低成本設計往往比大量不同的擋位更重要。人們通常還希望自行車驅動器為騎行者提供馬達驅動輔助。馬達驅動輔助同樣應有效地在驅動器上提供驅動功率，以便例如用電池實現儘可能長的騎行距離。總體來說，自行車驅動器應該是輕便、成本低廉且堅固的。

DE 10 2015 100 676 B3描述一種包括電力輔助驅動器的自行車用驅動組件，該驅動組件具有諧波傳動裝置。

第一態樣係關於一種自行車驅動器。該自行車驅動器可被設計為將肌力傳遞至自行車的受驅行走輪。該自行車驅動器可適於被安裝在可電力驅動的自行車如電動助力自行車上。該自行車驅動器可被安裝在自行車的車架上，例如至少部分地安裝在自行車的下管、中軸殼體中，以及替代性或附加性地安裝在座管中。藉此可實現低重心。此外，例如與帶輪轂馬達的自行車驅動器相比，藉此可以使自行車的旋轉質量特別小。

該自行車驅動器具有電機。電機具有從動軸。可由電機在從動軸上提供馬達驅動力。該自行車驅動器可被設計成僅為肌力驅動提供支持，而非單獨驅動自行車。從動軸可形成電機的轉子，或者可以以不能相對轉動的方式與電機轉子連接。電機可以例如是異步電機或同步電機。電機可被設計為將電能轉換成機械能。可選地，電機亦可被設計用來進行回收。

該自行車驅動器具有行星齒輪傳動裝置。行星齒輪傳動裝置具有傳動裝置從動軸、第一切換元件、單向離合器元件以及包含太陽齒輪、行星架及環形齒輪之行星齒輪組。太陽齒輪、行星架及環形齒輪可形成行星齒輪組的相關旋轉元件。一個或多個行星齒輪可以可旋轉地支承在行星架上。例如，三個行星齒輪可以可旋轉地支承在行星架上。每個行星齒輪皆可例如與太陽齒輪及環形齒輪嚙合。行星齒輪組亦可具有多組可旋轉地支承在行星架上之行星齒輪，例如在被配置成複式行星齒輪組的情況下。舉例而言，行星齒輪組可被設計成簡式行星齒輪組或複式行星齒輪組。該自行車驅動器可被設計為透過行星齒輪傳動裝置將扭矩從電機傳遞至傳動裝置從動軸，以及替代性或附加性地傳遞至行走輪。行星齒輪傳動裝置的操作方式例如是總體上產生正傳動比。

傳動裝置從動軸可例如以永久不能相對轉動或可切換地不能相對轉動的方式與其中一個旋轉元件連接。傳動裝置從動軸可與其中一個旋轉元件（例如環形齒輪）一體形成。傳動裝置從動軸可被設計為將扭矩傳遞至自行車的行走輪。例如，傳動裝置從動軸可藉由鏈條或皮帶與行走輪機械可操作式的連接。為此，傳動裝置從動軸可例如形成牙盤或皮帶輪。

行星齒輪組例如可與電機的從動軸同軸佈置。傳動裝置從動軸例如可與電機的從動軸同軸佈置。由此形成緊湊佈局，便於扭矩傳遞的實現。

第一切換元件可例如被設計成形狀配合式或摩擦配合式切換元件。切換元件被操作後可將兩個元件以不能相對轉動的方式相互連接起來。未被操作時，則可藉由切換元件中斷兩個元件之間的扭矩傳遞。切換元件可被設計成自動切換的切換元件或可被主動切換的切換元件。可被主動切換的切換元件例如可由使用者調整，以及替代性或附加性地可由作動器調整，以便在其各切換狀態之間進行切換。為了對相關切換元件進行操作，自行車驅動器可具有切換桿。例如，單向離合器元件作為自動切換式切換元件根據相對旋轉方向進行鎖定，以將兩個元件相互連接。亦即，單向離合器元件是一種特殊類型的切換元件。

從動軸以永久不能相對轉動的方式與行星架連接。藉此，電機可透過行星架將驅動力導入傳動裝置。行星架可形成行星齒輪傳動裝置的輸入軸。太陽齒輪可用切換元件加以固定。舉例而言，已固定的旋轉元件以不能相對轉動的方式與靜止的部件（如殼體）連接。已固定的旋轉元件不能再隨行星齒輪組的其他旋轉元件一同旋轉。藉由固定及釋放太陽齒輪，可在行星齒輪傳動裝置中提供不同擋位。行星架可藉由單向離合器元件以不能相對轉動的方式與環形齒輪連接。

若太陽齒輪未被固定，並且由電機提供驅動力，則單向離合器元件處於鎖定方向狀態。行星齒輪組因此被鎖定。在此狀態下，太陽齒輪、行星架及環形齒輪以相同速度旋轉，電機的從動軸以及傳動裝置從動軸同樣如此。例如，由於傳動裝置從動軸的有效直徑比電機從動軸大而產生1:1.8之傳動比。若太陽齒輪被固定，則只有行星架仍被驅動。行星齒輪將在太陽齒輪上滾動並驅動環形齒輪。如此一來，環形齒輪的旋轉速度比行星架快。以此方式超越行星架後，單向離合器元件將自動從鎖定方向狀態切換為超越驅動狀態。行星架與環形齒輪之間藉由單向離合器元件而形成的抗旋連接由此而被解除。藉此可提供更高的傳動比。如此便可藉由簡單的手段，以緊湊的方式為電動助力自行車提供兩個擋位，其中可以很容易地實現換擋操作。

若兩個元件之間存在機械可操作式的連接，則其直接或間接地相互耦合，使得一個元件的運動將引起另一個元件的反應。例如，可藉由形狀配合式或摩擦配合式連接來提供機械可操作式的連接。舉例來說，機械可操作式的連接可對應於兩個元件之相應齒部的嚙合。其中，該等元件之間可設置其他元件，例如一個或多個正齒輪級。兩個元件以永久不能相對轉動的方式相互連接，係指處於此連接中的兩個元件在傳動裝置的所有預期狀態下基本上皆為相互剛性耦合。其中亦包括可能會發生期望或非期望之滑動的摩擦配合式連接。以永久不能相對轉動之方式連接的元件可作為若干以不能相對轉動之方式相互連接的單體組件存在，或者亦可為一體的。兩個元件之間藉由另一個元件形成連接，可意味著此另一個元件參與了兩個元件的間接作用性連接。例如，此元件可被佈置在該兩個元件之間的力流中。兩個元件之間藉由兩個或更多的其他元件形成連接，可意味著此等其他元件全都參與了兩個元件的間接作用性連接。

行星齒輪傳動裝置及自行車驅動器例如可以僅具有此處所描述的元件。例如，行星齒輪傳動裝置及自行車驅動器可以不設進一步的旋轉元件，以及替代性或附加性地不設切換元件。

在自行車驅動器的另一實施方式中，行星齒輪傳動裝置被設計為：當太陽齒輪藉由第一切換元件被固定時，提供第一傳動比。此外，行星齒輪傳動裝置可被設計為：當太陽齒輪藉由第一切換元件被釋放時，提供第二傳動比。自行車驅動器例如可以僅提供該兩個傳動比。一個傳動比可對應於輸入轉速與輸出轉速之固定比率。可選地，自行車驅動器可進一步適於提供怠速運轉。

在自行車驅動器的另一實施方式中，從動軸藉由齒部以永久不能相對轉動的方式與行星架連接。由此形成緊湊而牢固的永久性抗旋連接。例如，電機的從動軸可以至少在一個軸向分區中具有外齒部，行星架的內齒部與該外齒部接合。

在自行車驅動器的另一實施方式中，電機具有電機殼體。例如，電機的定子及其他電氣組件可以受保護地容置在電機殼體中。電機殼體至少在一個分區中可呈圓形。行星齒輪傳動裝置可至少部分地支承在此分區的徑向外側。如此，行星齒輪傳動裝置可以很容易地安裝在電機上。作為替代方案或補充方案，自行車驅動器可具有行星齒輪傳動裝置殼體。行星齒輪傳動裝置殼體及電機殼體亦可形成共同的殼體。行星齒輪傳動裝置的殼體例如可由環形齒輪或與環形齒輪分離的部件形成。

太陽齒輪可藉由第一切換元件固定在電機殼體上。藉此可以最大程度不受自行車車架設計影響地將自行車驅動器作為組件提供。作為替代方案，太陽齒輪可藉由第一切換元件固定在自行車車架的靜止部件或行星齒輪傳動裝置的殼體上。

在自行車驅動器的另一實施方式中，太陽齒輪藉由滾動軸承可旋轉地支承在電機殼體上。太陽齒輪例如可支承於電機殼體的徑向外側。第一切換元件可整合在滾動軸承中，以實現緊湊的設計。滾動軸承例如可被設計成滾子軸承。藉由將太陽齒輪支承在電機殼體上，可以最大程度不受自行車車架設計影響地將自行車驅動器作為組件提供。

環形齒輪可以可旋轉地支承在電機殼體上。藉此亦能更容易地為自行車提供預裝組件。環形齒輪例如可支承於電機殼體的徑向外側。作為替代方案或補充方案，環形齒輪可支承在自行車車架上，例如支承在中軸殼體的徑向內側，以及替代性或附加性地支承在電機座上。如此一來，環形齒輪可進一步地支撐行星齒輪傳動裝置，以及替代性或附加性地支撐電機。

在自行車驅動器的另一實施方式中，傳動裝置從動軸藉由單向離合器元件支承在行星架上。單向離合器元件例如可被設計成滾動軸承或具有滾動軸承。單向離合器元件可整合在此滾動軸承中。作為替代方案或補充方案，環形齒輪亦可藉由單向離合器元件支承在行星架上。如此，單向離合器元件可以較低成本將兩種功能緊湊地集於一身：軸承功能以及自動切換式切換元件的功能。藉由用單向離合器元件將傳動裝置從動軸支承在行星架上，可減小作用於行星齒輪組之傾覆力。此外，傳動裝置從動軸不與環形齒輪一體形成的設計可因此而更加堅固，並且為環形齒輪與傳動裝置從動軸之間的連接減輕負荷。環形齒輪可透過傳動裝置從動軸並藉由單向離合器元件以不能相對轉動的方式與行星架連接。

在自行車驅動器的另一實施方式中，自行車驅動器具有密封墊圈，該密封墊圈佈置在環形齒輪徑向以內。密封墊圈可為行星齒輪組及整個行星齒輪傳動裝置提供防塵防水保護，例如藉由密封內腔。密封墊圈可在軸向遠離傳動裝置從動軸的一側密封行星齒輪組，該側可為軸向面向電機的一側。密封墊圈可佈置在環形齒輪與電機殼體之間。作為替代方案或補充方案，密封墊圈可佈置在環形齒輪與太陽齒輪之間。作為替代方案或補充方案，密封墊圈可佈置在環形齒輪與太陽齒輪在電機殼體上的支承點之間。行星齒輪組及整個行星齒輪傳動裝置可在軸向遠離密封墊圈的一側由旋轉元件（例如環形齒輪）進行密封，以及替代性或附加性地由傳動裝置從動軸進行密封。舉例而言，密封墊圈、太陽齒輪在電機殼體上的支承點、電機殼體、環形齒輪及傳動裝置從動軸可定義行星齒輪組的內腔，並為其提供防塵防水保護。

在自行車驅動器的另一實施方式中，自行車驅動器具有踏板曲柄軸，其中扭矩可從踏板曲柄軸傳遞到傳動裝置從動軸。踏板曲柄軸例如可橫向延伸而完全穿過自行車驅動器。踏板曲柄軸可被設計為將肌力傳遞至傳動裝置從動軸。自行車驅動器可具有與踏板曲柄軸連接的踏板。自行車驅動器可被設計為允許自行車的騎行者透過踏板向踏板曲柄軸施加扭矩。傳動裝置從動軸可被設計為將肌力傳遞給自行車的至少一個行走輪。

踏板曲柄軸可例如以永久不能相對轉動的方式或藉由其他單向離合器元件與電機的從動軸連接，以將扭矩傳遞到傳動裝置從動軸上。踏板曲柄軸亦可繞過行星齒輪傳動裝置例如以永久不能相對轉動的方式或藉由其他單向離合器元件與傳動裝置從動軸連接。踏板曲柄軸亦可與傳動裝置從動軸機械地可操作地連接，例如永久連接或藉由正齒輪級可切換地連接。

在自行車驅動器的另一實施方式中，踏板曲柄軸延伸穿過行星齒輪傳動裝置及電機。這使得自行車驅動器可作為中置馬達使用於電動助力自行車。藉此可使得自行車的各旋轉質量特別小。該自行車驅動器由此而特別適用於城市自行車及摺疊式自行車。踏板曲柄軸例如可與電機的從動軸同軸佈置，以及替代性或附加性地與行星齒輪組同軸佈置。

第二態樣係關於一種具有根據第一態樣之自行車驅動器的自行車。關於優點及進一步之特徵，請參考對第一態樣的描述，其中第一態樣的技術方案亦構成第二態樣的技術方案，反之亦然。該自行車可具有行走輪。傳動裝置從動軸可與行走輪機械地可操作地連接，特別是永久的機械可操作式的連接。舉例而言，從動軸可藉由鏈條或替代性地藉由皮帶與行走輪機械地可操作地連接。在行走輪中例如可設置其他單向離合器元件，以便自行車能夠在不移動自行車驅動器之情況下滾動。

圖1以側視圖示意性地示出自行車驅動器20。自行車驅動器20具有包含從動軸24的電機22。此外，自行車驅動器20具有行星齒輪傳動裝置26及踏板曲柄軸28。踏板曲柄軸28與從動軸24及行星齒輪傳動裝置26橫向同軸地延伸穿過電機22及行星齒輪傳動裝置26。

行星齒輪傳動裝置26具有包含太陽齒輪30、行星架32及環形齒輪34的行星齒輪組。一組三個行星齒輪48可旋轉地支承在行星架32上，在圖3中只能看到其中一個行星齒輪48。行星齒輪48分別與太陽齒輪30及環形齒輪34嚙合。

傳動裝置從動軸36沿軸向在遠離電機22的一側以永久不能相對轉動的方式與環形齒輪34連接。傳動裝置從動軸36在徑向外側形成齒部50，這在圖2中可以清楚看到。此齒部可與皮帶接合，傳動裝置從動軸36藉由該皮帶與自行車的行走輪建立機械地可操作地連接。

從動軸24在徑向外側具有齒部。該齒部與行星架32的徑向內側齒部嚙合。藉此，從動軸24以永久不能相對轉動的方式與行星架32連接。如此便可將扭矩從電機22導入行星齒輪傳動裝置26。

行星齒輪傳動裝置26具有第一滾動軸承38，太陽齒輪30藉由該第一滾動軸承支承在電機22的電機殼體40上。第一滾動軸承38被設計成滾子軸承。第一滾動軸承38中整合有切換元件。太陽齒輪30可藉由該切換元件固定在電機殼體40上。

行星齒輪傳動裝置26具有第二滾動軸承42，傳動裝置從動軸36藉由該第二滾動軸承支承在行星架32上。第二滾動軸承42中整合有單向離合器元件。藉由該單向離合器元件，傳動裝置從動軸36及環形齒輪34可根據相對旋轉方向以不能相對轉動的方式與行星架32連接。第二滾動軸承42支撐傳動裝置從動軸36，從而為與環形齒輪34的連接減輕負荷，此外還減少了經齒部50被導入行星齒輪組之傾覆力。

若太陽齒輪30未固定於電機殼體40上，並且由電機22提供驅動力，則單向離合器元件處於鎖定方向狀態。行星齒輪組被相應地鎖定，由此提供第一擋位作為傳動比。若太陽齒輪30被切換元件固定，則行星架32仍然可由電機22驅動。行星齒輪將在太陽齒輪30上滾動並驅動環形齒輪34。如此一來，環形齒輪34的旋轉速度比行星架32快。以此方式超越行星架32後，單向離合器元件將自動從鎖定方向狀態切換為超越驅動狀態。行星架32與環形齒輪34之間藉由單向離合器元件並透過傳動裝置從動軸36而形成的抗旋連接由此而被解除。如此便可提供一個傳動比比第一擋位更高的第二擋位作為傳動比。

行星齒輪傳動裝置26在其遠離傳動裝置從動軸36的一側被密封墊圈44密封。其中，密封墊圈44沿徑向在第一滾動軸承38與環形齒輪34之間延伸。在軸向相反側上，行星齒輪傳動裝置26被傳動裝置從動軸36及蓋子46封閉。在所圖示的實施方式中，蓋子46亦用於將行星齒輪傳動裝置26固定在電機22上。

20:自行車驅動器 22:電機 24:從動軸 26:行星齒輪傳動裝置 28:踏板曲柄軸 30:太陽齒輪 32:行星架 34:環形齒輪 36:傳動裝置從動軸 38:第一滾動軸承 40:電機殼體 42:第二滾動軸承 44:密封墊圈 46:蓋子 48:行星齒輪 50:齒部

[圖1]為自行車驅動器的示意性側視圖，其中以剖面圖示出自行車驅動器的行星齒輪傳動裝置。 [圖2]為根據圖1之自行車驅動器的示意性立體圖。 [圖3]以圖2的立體圖示意性地圖示根據圖1的自行車驅動器，其中未圖示傳動裝置從動軸。

20:自行車驅動器

22:電機

24:從動軸

26:行星齒輪傳動裝置

28:踏板曲柄軸

30:太陽齒輪

32:行星架

34:環形齒輪

36:傳動裝置從動軸

38:第一滾動軸承

40:電機殼體

42:第二滾動軸承

44:密封墊圈

46:蓋子

Claims (10)

1. 一種自行車驅動器（20），其包括電機（22）及行星齒輪傳動裝置（26），該電機具有從動軸（24），該行星齒輪傳動裝置（26）具有傳動裝置從動軸（36）、第一切換元件、單向離合器元件以及包含太陽齒輪（30）、行星架（32）及環形齒輪（34）之行星齒輪組，其中該從動軸（24）以永久不能相對轉動的方式與該行星架（32）連接，該太陽齒輪（30）可用該切換元件加以固定，並且該行星架（32）可藉由該單向離合器元件以不能相對轉動的方式與該環形齒輪（34）連接。
2. 如請求項1之自行車驅動器（20），其特徵在於，該行星齒輪傳動裝置（26）被設計為：當該太陽齒輪（30）藉由該第一切換元件被固定時，提供第一傳動比，而當該太陽齒輪（30）藉由該第一切換元件被釋放時，提供第二傳動比。
3. 如請求項1或2之自行車驅動器（20），其特徵在於，該從動軸（24）藉由齒部以永久不能相對轉動的方式與該行星架（32）連接。
4. 如請求項1至3中任一項之自行車驅動器（20），其特徵在於，該電機（22）具有電機殼體（40），並且該太陽齒輪（30）可藉由該第一切換元件固定在該電機殼體（40）上。
5. 如請求項4所述之自行車驅動器（20），其特徵在於，該太陽齒輪（30）藉由滾動軸承（38）可旋轉地支承在該電機殼體（40）上。
6. 如請求項1至5中任一項之自行車驅動器（20），其特徵在於，該傳動裝置從動軸（36）藉由該單向離合器元件支承在該行星架（32）上。
7. 如請求項1至6中任一項之自行車驅動器（20），其特徵在於，該自行車驅動器（20）具有密封墊圈（44），該密封墊圈佈置在該環形齒輪（34）徑向以內。
8. 如請求項1至7中任一項之自行車驅動器（20），其特徵在於，該自行車驅動器（20）具有踏板曲柄軸（28），其中扭矩可從該踏板曲柄軸（28）傳遞到該傳動裝置從動軸（36）。
9. 如請求項8所述之自行車驅動器（20），其特徵在於，該踏板曲柄軸（28）延伸穿過該行星齒輪傳動裝置（26）及該電機（22）。
10. 一種自行車，具有如請求項1至9中任一項之自行車驅動器（20），其中該傳動裝置從動軸（36）可與該自行車的行走輪機械地可操作地連接。

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