TW202400462A - 自行車之曲柄裝置 - Google Patents

Abstract

一種自行車之曲柄裝置，係裝設於一自行車之一車架，包含有：一太陽齒輪，具有預定數量之太陽齒；複數個行星齒輪，可環繞該太陽齒輪移動；每一該行星齒輪具有一第一齒輪以及一第二齒輪，且該第一齒輪與該第二齒輪同步轉動；該第一齒輪具有預定數量之第一齒，該第二齒輪具有預定數量之第二齒；該等行星齒輪之該等第一齒輪嚙合該太陽齒輪；一曲柄件，連接於該等行星齒輪，受外力驅動而轉動；以及一被動件，具有預定數量之被動齒；該被動件與該等行星齒輪之該等第二齒輪嚙合；當該曲柄件轉動時，透過該等行星齒輪與該太陽齒輪，該被動件可被帶動而轉動。

Description

自行車之曲柄裝置

本發明係與自行車有關，特別是指一種可改變傳動效率並使鏈條/皮帶張力最佳化的自行車之曲柄裝置。

按，一般自行車調整速度的方式通常是藉由調整前後齒盤的大小來配出不同的齒比，進而產生不同的傳動比。所謂的齒比，就是前齒盤的齒數與後齒盤的齒數之比值。例如前齒盤的齒數為44，後齒盤的齒數為22，則齒比就是44/22=2。齒比為2就代表前齒盤轉動1圈，會帶動後齒盤轉動2圈。由於前齒盤是被曲柄帶動，後齒盤則會帶動後輪轉動，一般在沒有變速器的情況下齒比等於傳動比，因此在前述例子中，可得知曲柄轉動1圈，即帶動後輪轉動2圈。

習用曲柄裝置的缺點在於，為追求高傳動比則需要高齒比，然而高齒比伴隨而來的是兩個齒盤之間的大小差距過大，容易使鏈條/皮帶因張力過大而變形，在維持高齒比的情況下用力踩踏的話，長期下來無論是鏈條/皮帶或是前後齒盤都會形成嚴重的變形磨損。

台灣M343637號新型專利揭示了一種自行車之中軸增速傳動裝置，係在一自行車的一中軸之軸向安裝有一行星齒輪系統，其中該中軸連接於二曲柄及一齒盤。該行星齒輪系統包含一內齒輪、一外齒輪及複數個位於內齒輪與外齒輪之間的行星齒輪，藉由該行星齒輪系統達到曲柄與齒盤的不等速運動，使該齒盤在不增大的情況下，也能達到大齒盤的增速效果。

然，前述的習知傳動裝置具有一問題：由於該中軸之軸向空間是有限的，因此該內齒輪、該行星齒輪與該外齒輪之齒數受限於空間限制勢必無法相差太多，導致其增速效率有限。因此如何克服曲柄傳動裝置的增速效率不足並最佳化鏈條/皮帶的張力是相關領域之業者亟待解決的問題之一。

本發明的主要發明目的在於提供一種自行車之曲柄裝置，其可以改善傳動效率進而使鏈條/皮帶的張力最佳化。

為達成上述之發明目的，本發明所提供之一種自行車之曲柄裝置，係裝設於一自行車之一車架，包含有：一太陽齒輪，具有預定數量之複數個太陽齒；該太陽齒輪固定於該車架；複數個行星齒輪，可環繞該太陽齒輪移動，且每一該行星齒輪可各自沿一軸向轉動；每一該行星齒輪具有一第一齒輪以及一第二齒輪，而該第一齒輪與該第二齒輪同步轉動；該第一齒輪具有預定數量之複數個第一齒，該第二齒輪具有預定數量之複數個第二齒；該等行星齒輪之該等第一齒輪嚙合該太陽齒輪；一曲柄件，連接於該等行星齒輪，受外力驅動而轉動，藉以帶動該等行星齒輪環繞該太陽齒輪移動；以及一被動件，具有預定數量之複數個被動齒；該被動件與該等行星齒輪之該等第二齒輪嚙合；當該曲柄件轉動時，透過該等行星齒輪與該太陽齒輪，該被動件可被帶動而轉動。

在一實施例中，該被動件與該曲柄件之間具有一第一傳動比，經定義為該被動件之轉速與該曲柄之轉速的比值；當該太陽齒輪之齒數為a，該第一齒之齒數為b，該第二齒之齒數為c，該被動齒之齒數為d，則該第一傳動比為(a*c)/(b*d)+1。

在一實施例中，該第一傳動比的範圍為2~4。

在一實施例中，該行星齒輪之該第一齒輪僅嚙合於該太陽齒輪而不嚙合於該被動件；該第二齒輪僅嚙合於該被動件而不嚙合於該太陽齒輪。

在一實施例中，該曲柄件具有一基座、一中軸及一曲柄，該基座固定於該車架上；該中軸可轉動的穿設於該基座之軸向內部；該曲柄之一端樞設於該中軸，使該曲柄可受外力驅動而相對該基座轉動。

在一實施例中，該基座之一端具有一第一定位部；該太陽齒輪具有一齒環件，該等太陽齒形成於該齒環件之外周面，且該齒環件之一側具有一對應於該第一定位部的第二定位部；當該太陽齒輪連接於該基座時，該第二定位部嵌合於該第一定位部，藉以防止該太陽齒輪相對該基座轉動。

在一實施例中，該曲柄更具有一行星架，可與該曲柄同步轉動；該等行星齒輪連接於該行星架，可受該行星架的驅動而環繞該太陽齒輪移動。

在一實施例中，該行星架具有複數個柱部，一端伸入該被動件；該等行星齒輪樞設於該行星架之該等柱部，可受該行星架的驅動而各自以樞設之該柱部為軸心轉動。

在一實施例中，更包含複數個承載齒輪，連接於該曲柄件，可環繞該太陽齒輪移動，並各自沿一軸向轉動；其中，該等承載齒輪僅嚙合於該被動件而不嚙合於該太陽齒輪。

以下即依本發明所揭示的目的、功效及結構組態，舉出較佳實施例，並配合圖式詳細說明。

請參閱第1圖所示，本發明一較佳實施例提供一自行車1包含有一車架2、二車輪3、一曲柄裝置4、一第二被動件5及一傳動帶6上。該二車輪3樞設於該車架2之前後兩側。該曲柄裝置4樞設於該車架2，可供操作以產生一扭力。該第二被動件5設於位於該車架2後側的該車輪3之中心位置，可與該車輪3一起轉動。該傳動帶6連接該曲柄裝置4與該第二被動件5。藉此，該曲柄裝置4作動產生之該扭力可藉由該傳動帶6傳遞至該第二被動件5，令其產生相對應的一驅動扭力，致使該車輪3藉該驅動扭力而轉動，並使該自行車1前進移動。

請參閱第2圖至第4圖所示，本發明一較佳實施例所提供之該曲柄裝置4主要包含有：一曲柄件10、一被動件20、一太陽齒輪30、一側蓋40及一行星齒輪50。其中：

該曲柄件10具有一基座11、一中軸12及一曲柄13。該基座11係固定於該車架2上，無法相對該車架2移動或轉動。該基座11概呈中空管狀，其一端設有一第一定位部110，該第一定位部110在本實施例中為環繞於該基座11之外壁面概呈凹凸相間的環狀卡榫。該中軸12穿設於該基座11之軸向內部，其兩端分別沿該基座11之兩端伸出該基座11外。該中軸12與該基座11之間設有二第一軸承(圖未示)，使該中軸12可相對該基座11轉動。該曲柄13設於該基座11之一側，可相對該基座11轉動。該曲柄13具有一行星架14及一臂部15。該行星架14概呈圓盤狀，其中心處具有一凸部140，在該凸部140之中心處更設有一軸孔141，供該中軸12之一端伸入該軸孔141，並利用一螺絲142固定該中軸12於該曲柄13，使該曲柄13與該中軸12可一起轉動。該行星架14更設有複數個柱部143，沿該行星架14之垂直方向延伸，並環繞於該凸部140周圍。其中，該柱部143概呈中空狀，且其內壁面設有內螺紋。該臂部15係沿該行星架14之周緣向遠離該行星架14之方向延伸，其遠離該行星架14之一端可配置一踏板16(如第1圖所示)，供操作者踩踏該踏板16以帶動該曲柄13相對該基座11轉動。要補充的一點是，該曲柄件10一般會設置的該曲柄13之數量為二，分別設置於該基座11的兩端。由於其與該基座11、該中軸12的連接關係相同，因此在本實施例中僅具體敘述其中一該曲柄13，另一該曲柄13可自行推及。

該被動件20概呈環狀，位於該曲柄件10之該基座11與該曲柄13之間，並可隨該曲柄13同時轉動。在本實施例中，該被動件20與該第二被動件5均為一皮帶輪，而該傳動帶6則為對應於該等皮帶輪之一皮帶，形成一皮帶傳動系統；在另一實施例中，該被動件20與該第二被動件5均為一齒盤，而該傳動帶6則為對應於該等齒盤之一鏈條，形成一鏈條傳動系統。該被動件20具有預定數量的複數個被動齒21，形成於該被動件20之內壁面；及預定數量的複數個傳動齒22，形成於該被動件20之外壁面，供該傳動帶6嚙合。

該太陽齒輪30固定於該基座11，令該太陽齒輪30不會相對該基座11移動。在本實施例中，該太陽齒輪30包含一齒環件31及一第二軸承32。該齒環件31具有預定數量的複數個太陽齒310，形成於該齒環件31之外周面，且在該齒環件31之軸向一側延伸有一第二定位部311，在本實施例中該第二定位部311為一體成形於該齒環件31一側之環形構件，其內壁面設有對應於該第一定位部110的凹凸相間之卡榫。透過該將齒環件31之該第二定位部311嵌合於該基座11之該第一定位部110，可固定該太陽齒輪30於該基座11之一端，防止該太陽齒輪30相對該基座11轉動。該第二軸承32設於該齒環件31之內壁面與該凸部140之外壁面之間，使該太陽齒輪30不會受該曲柄13驅動而轉動。

該側蓋40容置於該被動件20之軸向一側並固定於該曲柄13之該行星架14，使該被動件20位於該側蓋40與該曲柄13之間。該側蓋40概呈環形，沿軸向設有複數個貫孔41，該等貫孔41環繞於該側蓋40周圍並對應於該行星架14之該等柱部143，供複數個螺固件42穿過該等貫孔41並嚙合於該等柱部143，使該側蓋40可鎖固於該曲柄13上，藉以隨該曲柄13同步轉動。其中，該等柱部143之一端伸入該被動件20內，且該等柱部143之軸向平行於該太陽齒輪30之軸向。

該等行星齒輪50分別樞設於該行星架14之該等柱部143上，且以該柱部143為間隔環狀排列在該行星架14周圍。每一該行星齒輪50具有一第一齒輪51及一第二齒輪52，該第一齒輪51具有預定數量的複數個第一齒510，形成於該第一齒輪51之外周面；該第二齒輪52具有預定數量的複數個第二齒520，形成於該第二齒輪52之外周面，且該等第二齒520之數量大於該等第一齒510之數量。其中，該第一齒輪51之該等第一齒510僅嚙合於該太陽齒輪30之該等太陽齒310而不嚙合該被動件20之該等被動齒21；該第二齒輪52之該等第二齒520僅嚙合於該被動件20之該等被動齒21而不嚙合該太陽齒輪30之該等太陽齒310。在本實施例中，該第一齒輪51與該第二齒輪52以一體成形的方式形成同軸且並排之設置。

在本實施例中，更包含複數個承載齒輪60。該等承載齒輪60分別樞設於該行星架14之該等柱部143上，與該等行星齒輪50呈交錯設置，即任二該承載齒輪60之間具有該行星齒輪50，或任二該行星齒輪50之間具有該承載齒輪60。每一該承載齒輪60具有預定數量的複數個承載齒61，形成於該承載齒輪60之外周面。該等承載齒輪60之該等承載齒61僅嚙合於該被動件20之該等被動齒21而不嚙合於該太陽齒輪30之該等太陽齒310。該等承載齒輪60僅用以提供該被動件20一承載力，並不影響該曲柄裝置4的傳動關係。

藉由上述各元件結構所組合而成之本發明，其實際操作應用如下：

請參閱第4圖所示，該曲柄裝置4藉由該太陽齒輪30與該等行星齒輪50使該曲柄13與該被動件20之間形成不等速運動。在本實施例中，由於該太陽齒輪30不會相對該基座11轉動(可視為固定端)；該行星架14受該曲柄13驅動而轉動(可視為輸入端)，進而帶動該等行星齒輪50及該等承載齒輪60轉動；而該被動件20受該等行星齒輪50與該等承載齒輪60驅動而轉動(可視為輸出端)；因此該行星架14與該被動件20為同向增速的關係。其中，該曲柄13與該被動件20之間具有一第一傳動比，該第一傳動比經定義為以該曲柄13為輸入端，該被動件20為輸出端，所產生的該被動件20之轉速與該曲柄13之轉速的比值。該第一傳動比係受該太陽齒輪30、該被動件20及該等行星齒輪50之齒數所影響。當該太陽齒輪30之該等太陽齒310之數量為a；該第一齒輪51之該等第一齒510之數量為b，該第二齒輪52之該等第二齒520之數量為c；該被動件20之該等被動齒21之數量為d；則該第一傳動比為(a*c)/(b*d)+1。舉例而言，在一實施例中，該等太陽齒310之數量為54齒，該等第一齒510之數量為12齒，該等第二齒520之數量為20齒，該等被動齒21之數量為84齒，則該第一傳動比為(54*20)/(12*84)+1=2.03，意即當該曲柄件10之該曲柄13轉動一圈，即可帶動該行星架14轉動一圈，該等行星齒輪50亦環繞該太陽齒輪30公轉一圈，加上該等行星齒輪50可以該柱部143為軸向進行自轉，使得該被動件20同時受該等行星齒輪50的公轉與自轉之扭力驅動而轉動2.03圈。由此可見該太陽齒輪30及該等行星齒輪50確實具有增加該曲柄13與該被動件20之間的該第一傳動比之功效，且與習知行星齒輪系統相比，本發明藉由該行星齒輪50的該第一齒輪51與該第二齒輪52並排且同軸之設置，使其不受該太陽齒輪30與該被動件20之間的空間限制，而可根據需要調整齒數，以達到更高的該第一傳動比，使增速效率提高。要補充的一點是，本發明並不局限於本實施例所揭示的各齒輪之齒數。事實上，該第一傳動比其較佳之範圍為2~4。

復參考第1圖及第2圖所示，本實施例進一步揭示了該曲柄裝置4與該第二被動件5的關係。該第二被動件5具有預定數量的複數個第二傳動齒(圖未示)，形成於該第二被動件5的外周面，供該傳動帶6嚙合並接受來自該被動件20傳遞之扭力。其中，該被動件20與該第二被動件5之間具有一齒比，該齒比經定義為以該被動件20為輸入端，該第二被動件5為輸出端，所產生的該被動件20之該等傳動齒22之數量與該第二被動件5之該第二傳動齒之數量的比值。舉例而言，該等傳動齒22之數量為20，該等第二傳動齒之數量為10，則該齒比為20/10=2，即代表當該被動件20轉動1圈，該第二被動件5可被該傳動帶6帶動而轉動2圈。在本實施例中該齒比之較佳範圍為1~3。

另外，該曲柄裝置4與該車輪3之間更具有一第二傳動比。該第二傳動比經定義為以該曲柄13為輸入端，該車輪3為輸出端，所產生的該車輪3(或該第二被動件5)之轉速與該曲柄13之轉速的比值。其中，該第一傳動比與該齒比之乘積即為該第二傳動比。舉例而言，當該第一傳動比為4，該齒比為2，則該第二傳動比為4*2=8，即代表當該曲柄13轉動1圈，會帶動該車輪3轉動8圈。在本實施例中，該第二傳動比之較佳範圍為2~8。值得注意的是，在相同的該第二傳動比的情況下，藉由提升該第一傳動比，可以相對減少該齒比，亦即維持該被動件20與該第二被動件5的尺寸不會相差太多。此結果也會使該傳動帶6的張力可以維持在可接受的範圍內，不會因該齒比太大或太小而導致張力失衡。整體而言本發明可以藉由調整該第一傳動比與該齒比達到最佳化該傳動帶6之張力的功效。

綜上所述，本發明所提供之自行車之曲柄裝置藉由該行星齒輪50之該第一齒輪51與該第二齒輪52分別嚙合該太陽齒輪30與該被動件20，使該曲柄13與該被動件20的該第一傳動比有效增加，藉此提高該曲柄裝置4整體的傳動效率。進一步而言，該曲柄裝置4所產生之該第一傳動比可以在該被動件20與該第二被動件5維持該齒比於一預定範圍內，進一步提高該曲柄13與該車輪3之間的該第二傳動比。相較於習知自行車驅動系統僅能靠調整前後齒盤的齒比來控制傳動比，容易遇到因齒比過大或過小而導致鏈條/皮帶張力失衡的情況發生；本發明可有效改善張力問題，在維持相同之該第二傳動比的情況下，控制該齒比在一預定範圍內。如此不但可以最佳化該傳動帶6的張力，相對提高該傳動帶6的使用壽命；該被動件20與該第二被動件5也可以維持相近的尺寸，達到美觀的效果。

上述實施例僅為例示性說明本發明之技術及其功效，而非用於限制本發明。任何熟於此項技術人士均可在不違背本發明之技術原理及精神的情況下，對上述實施例進行修改及變化，因此本發明之權利保護範圍應如後所述之申請專利範圍。

1:自行車 2:車架 3:車輪 4:曲柄裝置 5:第二被動件 6:傳動帶 10:曲柄件 11:基座 110:第一定位部 12:中軸 13:曲柄 14:行星架 140:凸部 141:軸孔 142:螺絲 143:柱部 15:臂部 16:踏板 20:被動件 21:被動齒 22:傳動齒 30:太陽齒輪 31:齒環件 310:太陽齒 311:第二定位部 32:第二軸承 40:側蓋 41:貫孔 42:螺固件 50:行星齒輪 51:第一齒輪 510:第一齒 52:第二齒輪 520:第二齒 60:承載齒輪 61:承載齒

第1圖為本發明之一較佳實施例裝設於自行車上的外觀示意圖。 第2圖為本發明之一較佳實施例的分解圖。 第3圖為本發明之一較佳實施例的剖視圖。 第4圖為本發明之一較佳實施例的另一視角之剖視圖。

1:自行車

2:車架

3:車輪

4:曲柄裝置

5:第二被動件

6:傳動帶

16:踏板

Claims (9)

1. 一種自行車之曲柄裝置，係裝設於一自行車之一車架，包含有： 一太陽齒輪，具有預定數量之複數個太陽齒；該太陽齒輪固定於該車架； 複數個行星齒輪，可環繞該太陽齒輪移動，且每一該行星齒輪可各自沿一軸向轉動；每一該行星齒輪具有一第一齒輪以及一第二齒輪，且該第一齒輪與該第二齒輪同步轉動；該第一齒輪具有預定數量之複數個第一齒，該第二齒輪具有預定數量之複數個第二齒；該等行星齒輪之該等第一齒輪嚙合該太陽齒輪； 一曲柄件，連接於該等行星齒輪，受外力驅動而轉動，藉以帶動該等行星齒輪環繞該太陽齒輪移動；以及 一被動件，具有預定數量之複數個被動齒；該被動件與該等行星齒輪之該等第二齒輪嚙合；當該曲柄件轉動時，透過該等行星齒輪與該太陽齒輪，該被動件可被帶動而轉動。
2. 如請求項1所述之自行車之曲柄裝置，其中該被動件與該曲柄件之間具有一第一傳動比，經定義為該被動件之轉速與該曲柄件之轉速的比值；當該等太陽齒之數量為a，該等第一齒之數量為b，該等第二齒之數量為c，該等被動齒之數量為d，則該第一傳動比為(a*c)/(b*d)+1。
3. 如請求項2所述之自行車之曲柄裝置，其中該第一傳動比的範圍為2~4。
4. 如請求項1所述之自行車之曲柄裝置，其中該行星齒輪之該第一齒輪僅嚙合於該太陽齒輪而不嚙合於該被動件；該第二齒輪僅嚙合於該被動件而不嚙合於該太陽齒輪。
5. 如請求項1所述之自行車之曲柄裝置，其中該曲柄件具有一基座、一中軸及一曲柄，該基座固定於該車架上；該中軸可轉動的穿設於該基座之軸向內部；該曲柄之一端樞設於該中軸，使該曲柄可受外力驅動而相對該基座轉動。
6. 如請求項5所述之自行車之曲柄裝置，其中該基座之一端具有一第一定位部；該太陽齒輪具有一齒環件，該等太陽齒形成於該齒環件之外周面，且該齒環件之一側具有一對應於該第一定位部的第二定位部；當該太陽齒輪連接於該基座時，該第二定位部嵌合於該第一定位部，藉以防止該太陽齒輪相對該基座轉動。
7. 如請求項5所述之自行車之曲柄裝置，該曲柄更具有一行星架，可與該曲柄同步轉動；該等行星齒輪連接於該行星架，可受該行星架的驅動而環繞該太陽齒輪移動。
8. 如請求項7所述之自行車之曲柄裝置，其中該行星架具有複數個柱部，一端伸入該被動件；該等行星齒輪樞設於該行星架之該等柱部，可受該行星架的驅動而各自以樞設之該柱部為軸心轉動。
9. 如請求項1所述之自行車之曲柄裝置，更包含複數個承載齒輪，連接於該曲柄件，可環繞該太陽齒輪移動，並各自沿一軸向轉動；其中，該等承載齒輪僅嚙合於該被動件而不嚙合於該太陽齒輪。