TWI404640B - 自行車滑行機構 - Google Patents

Description

自行車滑行機構

本發明係關於一種自行車滑行(coasting)或飛輪(freewheel)機構，特別是關於輕量且低成本之滑行機構。

自行車使用之滑行機構有時亦稱作飛輪機構，其交替連結及脫離踏板之驅動力及自行車之後輪。多年前，踏板和後輪係直接連結，使得每當輪子轉動時，踏板也跟著旋轉。然，後來發現值得包含一允許自行車「滑行」之機構，亦即使得輪子轉動但踏板不轉動。傳統上之滑行機構可透過使用棘爪(pawl)和棘齒(ratchet teeth)達成，其係由鋼珠軸承以接近同軸對準的方式握持。軸襯(bushing)曾被試過以取代滾珠軸承但不甚成功，因為其同時需要自由轉動及棘爪和棘齒之接近同軸對準以正確運作。鋼滾動構件軸承允許滑行時自由轉動，但必須支承於施加驅動力時遭遇到的高力量負載。當有污染及特別是有小空隙以維持同軸對準時，軸襯運作不良。防止污染之密封件可導入相當大的拖曳力，但不適當的密封件隨著增加的磨損及拖曳力而造成污染。經過相當時間後，滾動構件鋼珠軸承被接受為目前最佳的解決方案。鋼珠軸承的缺點在於重量及成本，以及將軸承安裝於可用空間之大小限制以符合廣為採用之配合件之工業標準。

滑行機構仍有一自由轉動之需求，如同鋼珠軸承，不傳送透過滾珠軸承施加驅動力所產生之高力負荷，相反地，當無自由轉動需要時，滑行機構之作動如受驅動之軸襯系統直接傳送負載。在維持耐用及可靠的前提下，仍希望滑行機構之成本及重量儘可能降低。顯然，所需之機構相較於市場現今之替代物必須有較低之成本及較輕之重量。本發明揭示一滑行機構，其包含前述及其他之重要特徵。

本發明關於一自行車滑行機構或飛輪機構。該機構提供一驅動體與一被驅動體(特別是花轂本體，其支承一自行車輪)之驅動嚙合。然而，當驅動體之轉動速度小於被驅動體之轉動速度時，該機構解除驅動體與被驅動體之嚙合。自行車中之驅動體通常接收驅動力，且該驅動力透過踏板透過輸入至該系統，或透過鏈條或甚至皮帶傳輸至驅動體。當輸入至該驅動體之驅動力使得驅動體嘗試轉動得較該轉動中之被驅動體為快時，滑行機構之力矩傳輸系統嚙合驅動體及被驅動體且將力矩由驅動體傳輸至被驅動體。當驅動體轉動沒有被驅動體快時，滑行機構之力矩傳輸系統解除驅動體與被驅動體之嚙合，使得被驅動體可轉動的比驅動體快。當驅動力施加於驅動體時，滑行系統允許將驅動力傳輸至車輪，且當驅動體不轉動時，允許被驅動體轉動；如此一來，當自行車滑行時，踏板無須轉動。

根據本發明，驅動體和被驅動體係由專門的滾珠軸承支承成同軸關係，使得驅動體之一接觸面及被驅動體之一相鄰接觸面間形成一小間隙。有一棘齒及棘爪系統以將力矩由驅動體傳輸至被驅動體。當施加大於一相對小的驅動力於驅動體時，滾珠軸承開始變形，且當施加足夠大的驅動力時，滾珠軸承有足夠的變形，使得驅動體及被驅動體之接觸面進行嚙合，以支承驅動體及被驅動體呈近同軸關係。於滑行中，滾珠軸承回復為圓形，且藉由滾動及允許驅動體及被驅動體間之低摩擦力相對轉動而回復作為正常的滾珠軸承。當一足夠大的驅動力施加於驅動體時，滾珠軸承再次彈性變形，使得驅動體及被驅動體之部分接觸面再次彼此接觸，以於力矩傳輸期間支承驅動體及被驅動體之相互關係。接觸面間之間隙係足夠小，使得當施加足夠大的驅動力時該滾珠僅有小部分的變形，而不致永久變形或破壞。因此，當移除驅動力負載時，其再次彈性回復成正常的滾珠軸承。當大於一相對小驅動力傳輸通過系統時，這些滾球之強度不足以抵抗變形。當傳輸一足夠大的驅動力時，滾珠變形直到驅動體和被驅動體之部分接觸面嚙合時。軸承滾道可設計以利用滾球之低硬度及高彈性滾珠之性質。軸承滾道可直接加工於被驅動體及/或驅動體之輕量鋁中，且僅需要一錐體或一栓塞以完成軸承之組合。當滾珠軸承變形時產生之同軸不對準並不傳導至多個驅動棘爪之同時嚙合。因此，機構使用一對寬棘爪，其交替性的地單一嚙合。各單一棘爪之強度足夠傳輸驅動力產生之力矩。因為沒有分離的軸承座圈佔據機構中之空間，棘爪可為很寬而有較高強度。棘齒可為粗糙，因為交替地嚙合棘爪，使得機構運作如同擁有兩倍的棘齒數目一般。此允許一接觸面位於棘齒的頂端之間。而不導致如該粗糙棘齒所預期之於嚙合位置之間之大角度間隙。

一較佳實施例中，驅動體係花轂體本體，如此一來，將包含軸承插槽以供自行車輪於車軸上之轉動。花轂本體亦包含一接收輪輻之裝置(例如凸緣)以支承輪圈，或其表面可被一碟輪鎖緊。花轂本體一般可選用輕量且具延展性之材質，例如鋁、鎂或工程塑膠。滑行機構之內軸承座圈係於花轂本體中直接加工，而滾珠軸承可於軸承滾道中滾動。而不破壞製作花穀本體之材質。棘爪插槽亦可形成於花穀體中，且和一接觸面共同作為驅動體上之一接觸面以處理高負載以及力矩傳輸。為求輕量化考量，驅動體可為鋁且其內可加工有滾珠滾道，或者考量低成本或耐用性而採用傳統之鋼材。兩種材料可均可行，且各有優缺點。外滑行機構軸承處理所有的側負載且最後利用錐體，或於一其他實施例中之填充物槽式之軸承而完成。兩棘爪於實作上儘可能做寬，不過仍然配合於軸承之間，且棘爪仍由插槽握持。兩棘爪相隔180度，且以一彈性件作為樞軸而與棘齒以傳統方式嚙合。

該滑行機構專用的滾珠軸承可利用如塑膠或橡膠之彈性材料製成。尼龍或氨基鉀酸酯橡膠係適合之材料。若外滑行機構軸承最後由輪圈中有軸承滾道之錐體完成，該錐體最好是杯形。該錐體係旋入該花穀之軸承插槽，而花穀軸承輕輕壓入配合該錐體。根據一可替換實施例，外軸承座圈具有一填出物孔或槽，允許滑行機構之滾珠軸承插入。

驅動體之棘齒個數為奇數個，例如15或17個，且棘齒的齒尖有一接觸面，在施加足夠大的驅動力時，該接觸面接觸一花榖之相應接觸面。對於奇數個棘齒及相隔180度之棘爪，該棘爪交替地嚙合，亦即在力矩傳輸期間，只有一棘爪進行嚙合。在施加足夠大的驅動力於機構時，彈性的滾珠軸承將收縮，使得驅動體及被驅動體不再成同軸形式。也就是兩者將輕微不對準，且接觸面將彼此支承驅動體及被驅動體。在力矩傳輸期間，只有單一個棘爪完全嚙合，另一個則不嚙合。

參照圖1，具有滑行機構之花轂10包含一驅動體11及一被驅動體12，其係以同軸之關係設置，且以滾珠軸承13間隔，以供相對轉動。當驅動力不傳輸通過該花轂10時或僅傳送一較小之驅動力時，滾珠軸承13支承驅動體11及被驅動體12，使得被驅動體12之外接觸面15及驅動體11之內接觸面16間形成一小的周圍間隙16。

參照圖2，一力矩傳輸系統包含棘齒17及棘爪18。於一定的情況下，力矩傳輸系統用於傳送力矩自驅動體11至被驅動體12。當驅動力施加於驅動體11時，兩個棘爪18之一個或另一個將嚙合於棘齒17中的一個，將力矩由驅動體11傳送至被驅動體12。當施加足夠大的驅動力時，滾珠軸承13將承受負載，且一些滾珠軸承13將被壓縮。該滾珠13將失去其圓形而無法再作為滾珠軸承。在力矩傳輸時，驅動體11和被驅動體12間沒有相對轉動，故滾珠軸承13不能執行滾珠軸承之功用。一些滾珠軸承13之壓縮將導致接觸面15及16之一些部分互相接觸。透過該接觸，驅動體11及被驅動體12將相互支承，故驅動力負載將由一個傳送至另一個。該軸承13仍將傳送一些驅動力負載由驅動體11至被驅動體12，但對於較高的驅動力、驅動力負載主要透過接觸面15及16傳輸。當驅動力不施加於滑行機構時，亦即滑行時或於施加相對小的驅動力時，滾珠軸承13回復至未變形前之形狀，且於滑行時，滾珠軸承回復作為藉由轉動之正常滾珠軸承，且當支承驅動體11及被驅動體12處於同軸關係允許驅動體11及被驅動體12間之相對低摩擦轉動。

當施加大於一相對小的驅動力於滑行機構時，滾珠軸承13(圖1)開始彈性變形，因而失去驅動體11和被驅動體12間之同軸對準。當一足夠大的驅動力施加於機構時，軸承13之彈性變形將達相當程度，如圖4所示，接觸面15和16間的周圍間隙14將消失於某些點19，或增大於某些其他點20。間隙14(圖1)消失之處，如標記19處(圖4)，藉由接觸面15和16之接觸，高力負載係被自驅動體11承載及傳送至被驅動體12。交替地或同時地，未嚙合之棘爪18可用來傳輸驅動體11及被驅動體12間之一些驅動力負載。由圖4可知，非嚙合棘爪18係位於驅動體11之接觸面16及驅動體12上之棘爪口袋表面(未標號)。因此當軸承13變形時，一些驅動力負載或將透過如棘爪18之中介構件而傳輸於驅動體11和被驅動體12之間。接觸面15和16間之間隙14(圖1)足夠小，使得部分的接觸面15和16嚙合前軸承13僅有相對小量之變形，以支承施加足夠大的驅動力時之高力負載。因為在超過軸承13之彈性限前，負載傳輸至接觸面15和16及透過接觸面15和16傳輸，故軸承13之相對小的變形不致造成破壞。當施加之驅動力低於一相對小的閥值，軸承13再次彈性恢復成圓形且作為正常之滾珠軸承，以支承驅動體11及被驅動體12為分隔之同軸關係，而供於滑行時之相對轉動。

滾珠13不夠強或硬去支承及傳輸當實質驅動力施加於滑行機構時所見之相當大的負載。因此滾珠13不夠硬而不需硬化滾珠軸承滾道。基此，花轂10中，外軸承滾道21及22及內軸承滾道23及24係直接加工於材質為輕量的鋁(或工程塑膠或鎂或其他材料)之驅動體11或被驅動體12。因此，只需一錐體25以完成驅動體11及被驅動體間之軸承組合。可替換地，如圖3所示，於花轂10'中，滾珠13可透過一驅動體12中之徑向延伸填充物孔或槽26而導入外軸承滾道中，且當滾道被填滿時，孔或槽26接著可填入彈性栓塞27以完成軸承組合。

當施加實質驅動力時，機構中產生之同軸不對準並不傳導至多個驅動棘爪之同時嚙合。因此，機構較佳地使用相應適合於形成於被驅動體12中之寬插槽28(圖1)之一對寬棘爪18(圖2)。各單一棘爪18(圖2及4)之強度足夠傳輸力矩至被驅動體12。因為沒有分離的軸承座圈佔據驅動體11和被驅動體12間之精密空間，花轂10容置一棘爪18，棘爪18可為很寬而較有較高強度。棘齒17(圖2)可為粗糙，且以奇數個棘齒為較佳。若兩棘爪18相隔180度且棘齒17有奇數個，只有一個棘爪18或另一個棘爪18，而非兩個棘爪，可於力矩傳送時嚙合一棘齒17。基此，使得花轂10之運作如同擁有兩倍的棘齒數目一般。粗糙的棘齒17允許足夠的空間供一接觸面16設於棘齒17的頂端。一環形的彈簧(圖未示)以傳統方式彈性地驅動棘爪18與棘齒17嚙合。

如圖1所示之實施例，被驅動體12係花轂本體，其包含輪軸承插槽30(圖1)及連接花轂10及輪圈(圖未示)之裝置，如凸緣31，其可用於接收輪輻(spoke)或連接至一碟輪(圖未示)。輪軸承32係容置於軸承插槽30以支承花轂於輪軸34。

如前述，驅動體11可為鋁且具有於中直接加工之軸承滾道21及23(圖1)以減輕重量。可替代地，其亦可用傳統鋼材製作而具較低成本及較大耐久性。任一種材料均為可用，且各有其優缺點。

滑行機構之軸承13(圖1)係有彈性而可利用塑膠或橡膠製作，例如尼龍(Nylon)或氨基鉀酸酯(urethane)橡膠。無數其他具有適合彈性變形範圍之彈性材料可應用於花轂10。

二個實施例係詳細討論及描述如上且顯示於附加的圖式中，其他結合本發明之精神及範圍之實施例無疑的可發生於相關領域之人士。舉例而言，滾動體可由其他特殊的滾珠替代。此外，棘爪及/或棘齒之數目可增減。又，被驅動體及花轂本體可整合，但將其分離時並不減損本發明之本質和目的。確實，熟悉本項技術之人士可作出種種不背離本發明如定義於請求項中之精神之修飾。

10．．．花轂

11．．．驅動體

12．．．被驅動體

13．．．滾珠軸承

14．．．間隙

15、16．．．接觸面

17．．．棘齒

18．．．棘爪

19．．．點

20．．．點

21、22．．．軸承滾道

23、24．．．軸承滾道

25．．．錐體

26．．．孔或槽

27．．．栓塞

28．．．插槽

30．．．插槽

31．．．凸緣

32．．．軸承

34．．．輪軸

本發明將依照後附圖式來說明，其中：

圖1係包含本發明第一實施例之滑行機構之花轂之剖示圖。

圖2係本發明之於滑行模式之滑行機構之剖示圖。

圖3係包含本發明第二實施例之包含不同外軸承安排之滑行機構之花轂之剖示圖。

圖4係本發明之施加實質驅動力時之滑行機構之剖示圖。

10．．．花轂

11．．．驅動體

12．．．被驅動體

13．．．滾珠軸承

14．．．間隙

15、16．．．接觸面

21、22．．．軸承滾道

23、24．．．軸承滾道

25．．．錐體

28．．．插槽

30．．．插槽

31．．．凸緣

32．．．軸承

Claims (18)

1. 一種自行車滑行機構，包含：一驅動體，具軸承座圈及一接觸面；一被驅動體，具吻合之軸承座圈及一接觸面；以及彈性可變形之滾動軸承構件，設於該軸承座圈中，以於滑行時支承一位於該接觸面間之間隙；其中該滾動軸承構件是由塑膠或橡膠製成；其中當施加一足夠大的驅動力於該驅動體時，該軸承構件產生足夠之收縮以封閉該間隙，使得驅動力負載主要透過該接觸面傳輸；其中當該驅動力移除時，該軸承構件彈性回復且無破壞，以於滑行時作為滾動構件軸承；其中當施加該足夠大的驅動力時，該驅動體與該被驅動體係嚙合，使得該驅動體與該被驅動體之該些接觸面相接觸但不相互滑動；其中該被驅動體和該驅動體中至少一者係由輕量材質製成，包含具整合軸承座圈之鋁、鎂或工程塑膠，且其中該滾動軸承構件足具彈性以避免當施加該足夠大的驅動力於該驅動體時破壞形成該軸承座圈之該輕量材質。
2. 根據請求項1所述之自行車滑行機構，其另包含一力矩傳輸系統，其允許當該驅動體之接觸面及該被驅動體之接觸面間有接觸時所發生之軸向不對準。
3. 根據請求項1所述之自行車滑行機構，其中該被驅動體建構一自行車輪花轂本體。
4. 根據請求項2所述之自行車滑行機構，其中該力矩傳輸系統係一棘齒及棘爪系統，其中系統中之各棘爪自身足夠強以傳輸驅動力矩負載。
5. 根據請求項4所述之自行車滑行機構，其中該力矩傳輸系統包含複數個棘爪及複數個棘齒，且其中在力矩傳輸期間只有單一個棘爪嚙合一個棘齒。
6. 根據請求項5所述之自行車滑行機構，其中該棘齒係粗糙的，且其各齒尖有一區塊構成該接觸面之一。
7. 根據請求項1所述之自行車滑行機構，其中有內及外軸承座圈，且提供一孔或填充物槽，藉此該滾動軸承構件可一開始放置於該外軸承座圈中。
8. 根據請求項1所述之自行車滑行機構，其另包含一位於該驅動體及被驅動體間之中介構件，以傳輸至少一些驅動力負載。
9. 一種自行車滑行機構，包含：一驅動體，包含軸承座圈及至少一接觸面；一被驅動體，包含與該驅動體之軸承座圈配合之軸承座圈以形成一軸承滾道，以及至少一接觸面；以及一力矩傳輸系統，當一驅動力施加於該驅動體而於該驅動體產生力矩時，用於傳輸該力矩至該被驅動體；以及彈性可變形之滾動軸承構件，設於軸承滾道中，其 中該滾動軸承構件是由塑膠或橡膠製成；其中當無驅動力或施加一很小的驅動力於該驅動體時，該軸承構件支承該驅動體及被驅動體成同軸關係或近同軸關係，且有一位於該驅動體之該至少一接觸面及該被驅動體之該至少一接觸面之間隙；其中當施加一足夠大的驅動力於該驅動體時，該軸承構件產生足夠之彈性變形，使得該驅動體之至少一接觸面嚙合該被驅動體之至少一驅動面，嚙合之該至少一接觸面與該至少一驅動面不相互滑動，該嚙合支承相對之該驅動體及被驅動體，以及驅動力負載由該驅動體傳輸至該被驅動體；其中該被驅動體和該驅動體中至少一者係由輕量材質製成，包含具整合軸承座圈之鋁、鎂或工程塑膠，且其中該滾動軸承構件足具彈性以避免當施加該足夠大的驅動力於該驅動體時破壞形成該軸承座圈之該輕量材質。
10. 根據請求項9所述之自行車滑行機構，其中該力矩傳輸系統允許當該接觸面間有接觸時所發生之軸向不對準。
11. 根據請求項9所述之自行車滑行機構，其中該被驅動體建構一自行車輪花轂本體。
12. 根據請求項9所述之自行車滑行機構，其中該力矩傳輸系統係一棘齒及棘爪系統，其中系統中之各棘爪自身足夠強以傳輸驅動力矩負載。
13. 根據請求項12所述之自行車滑行機構，其中該力矩傳輸系統包含複數個棘爪及複數個棘齒，且其中在力矩傳輸期間只有單一個棘爪嚙合一個棘齒。
14. 根據請求項13所述之自行車滑行機構，其中該棘齒係粗糙的，且其各齒尖有一區塊構成該接觸面之一。
15. 根據請求項9所述之自行車滑行機構，其中有內及外軸承座圈，且提供一孔或填充物槽，藉此該滾動軸承構件可一開始放置於該外軸承座圈中。
16. 一種自行車滑行機構，包含：一驅動體，具軸承座圈及至少一接觸面；一被驅動體，具配合之軸承座圈及至少一接觸面；以及彈性可變形之滾動軸承構件，設於軸承座圈中，以於滑行時支承位於該驅動體之接觸面及被驅動體之接觸面間之至少一間隙；其中該滾動軸承構件是由塑膠或橡膠製成；其中當施加一足夠大的驅動力於該驅動體時，該軸承構件產生足夠之收縮以封閉該至少一間隙；其中超過該足夠大的驅動力產生之驅動力負載透過該驅動體之至少一接觸面傳輸至該被驅動體之至少一驅動面；其中當該驅動力負載移除時，該軸承構件彈性回復，以作為滾動軸承構件；其中當施加該足夠大的驅動力時，該驅動體與該被 驅動體係嚙合，使得該驅動體與該被驅動體之該些接觸面相接觸但不相互滑動；其中該被驅動體和該驅動體中至少一者係由輕量材質製成，包含具整合軸承座圈之鋁、鎂或工程塑膠，且其中該滾動軸承構件足具彈性以避免當施加該足夠大的驅動力於該驅動體時破壞形成該軸承座圈之該輕量材質。
17. 根據請求項16所述之自行車滑行機構，其另包含一力矩傳輸系統，其允許當該驅動體之至少一接觸面及該被驅動體之至少一接觸面間有接觸時所發生之軸向不對準。
18. 根據請求項16所述之自行車滑行機構，其另包含一位於該驅動體及被驅動體間之中介構件，以傳輸至少一些驅動力負載。