TWI453145B - 用於腳踏車內輪轂傳動之行星齒輪機構 - Google Patents

Description

用於腳踏車內輪轂傳動之行星齒輪機構

本發明大體上係關於一種用於腳踏車內輪轂傳動之行星齒輪機構。更特定言之，本發明係關於一種包含一階梯式行星齒輪之行星齒輪機構。

騎腳踏車正成為一種漸流行的消遣形式以及運輸方式。此外，對於業餘及職業選手兩者而言，騎腳踏車已成為一種極其流行的競技運動。不論腳踏車是否用於消遣、運輸或競技，腳踏車工業正不斷改良腳踏車的各種組件。

一態樣係提供一種具有包含兩組螺旋齒輪齒之一階梯式行星齒輪之行星齒輪機構。

另一態樣係提供一種包含兩組螺旋齒輪齒之階梯式行星齒輪，其中該等螺旋齒輪齒具有使該行星齒輪在較少製造步驟下更低廉製造之相對螺旋角。

鑒於已知技術，用於腳踏車內輪轂傳動之行星齒輪機構具有至少一階梯式行星齒輪，其具有一第一外直徑之複數個第一螺旋齒輪齒及大於該第一外直徑之一第二外直徑之複數個第二螺旋齒輪齒。該等第一螺旋齒輪齒具有一第一螺旋角且該等第二螺旋齒輪齒具有一第二螺旋角。該等第一及第二螺旋角係經成角使得對於該階梯式行星齒輪之一給定旋轉量，該等第一及第二螺旋齒輪齒上之相對應行進點相對於該階梯式行星齒輪之該旋轉軸移動相同軸向量。

現參考形成此原始揭示內容之一部分之隨附圖式。

現將參考該等圖式解釋所選實施例。熟習此項技術者透過此揭示內容應瞭解該等實施例之下文詳細描述係僅為說明提供而非為了限制如由附隨申請專利範圍及其均等物所界定之本發明之目的。

首先參考圖1，繪示具有根據一第一實施例之一內輪轂傳動12之一腳踏車10。

如圖2所示，該內輪轂傳動12包含具有在下文中更詳細描述之一階梯式行星齒輪16之一行星齒輪機構14。

再次參考圖1，該腳踏車10除包含其他組件外還包含一框架20、一曲柄總成22、一鏈條24、一後輪26及該內輪轂傳動12。當該曲柄總成22由一騎士(圖中未顯示)旋轉時，該曲柄總成22之旋轉變成透過該鏈條24傳輸至該內輪轂傳動12之諸元件並穿過該內輪轂傳動12至該後輪26之轉矩。該框架20、該曲柄總成22、該鏈條24及該後輪26均係習知腳踏車組件。由於吾人熟知此等習知組件，故為簡潔之目的省略進一步描述。

如圖2最佳所示，該內輪轂傳動12除包含其他組件之外還包含一固定軸30、一鏈條環32、一驅動器34、一第一掣子機構36、一變速區段38、該行星齒輪機構14、一單向離合器機構40、一第二行星齒輪機構42、一第二掣子機構44及一輪轂殼46。該固定軸30包含一固定恆星齒輪50(圖2及圖7中顯示)。該鏈條環32接合該鏈條24並以一習知方式自該鏈條24傳輸轉矩至該驅動器34。

該第一掣子機構36係安置於該驅動器34之諸部上並作為選擇性地傳輸轉矩至該行星齒輪機構14之一單向離合器。

該變速區段38係以與美國專利第5,928,103號及/或第6,607,464號(兩案均受讓於Shimano Inc.)中之變速機構相同之方式操作之一習知變速機構。該變速區段38接合及脫離該內輪轂傳動12內之特定元件以便選擇複數個轉矩傳輸路徑之一者。特定言之，當該驅動器34旋轉時，該驅動器34以一習知方式傳輸轉矩至該第一掣子機構36或直接傳輸至該行星齒輪機構14之一部。由於習知該變速區段38之操作及內輪轂傳動之各種轉矩傳輸路徑，故為簡潔之目的省略進一步描述。

該行星齒輪機構14包含一環形齒輪54，其具有包含接合該第一掣子機構36之內齒輪齒58(圖2)之一第一端56(圖8)及包含內螺旋齒輪齒62之一第二端60，如圖8最佳所示。該行星齒輪機構14亦包含下文更詳細描述之複數個階梯式行星齒輪16。透過該等圖式及本文中之描述應瞭解包含於該行星齒輪機構14中的階梯式行星齒輪16之數目視各種設計準則而定，諸如轉矩傳輸路徑之數目及該內輪轂傳動12之意欲轉矩容量。舉例而言，一手動驅動腳踏車(由一騎士驅動)可包含2個、3個或4個階梯式行星齒輪16。若該腳踏車10係經設計為由小孩或小成年人操作，則階梯式行星齒輪16之數目為小。然而，若腳踏車包含一電動馬達及由大成年人操作之構件，則可增加階梯式行星齒輪16之數目。

該第二行星齒輪機構42係一習知行星齒輪機構且因此為簡潔之目的省略進一步描述。

視已由該變速區段38所接合之轉矩傳輸路徑而定，該第二掣子機構44以一習知方式自該第二行星齒輪機構42傳輸轉矩至該輪轂殼46。

現具體參考圖3至圖6、圖9及圖10提供該階梯式行星齒輪16之一描述。

該階梯式行星齒輪16包含複數個第一螺旋齒輪齒70及複數個第二螺旋齒輪齒72。該等第一螺旋齒輪齒70係經組態以與該恆星齒輪50嚙合。該等第二螺旋齒輪齒72與該環形齒輪54之第二端60之該等內螺旋齒輪齒62嚙合。

如圖3最佳所示，該複數個第一螺旋齒輪齒70具有一第一外直徑D₁ 且該複數個第二螺旋齒輪齒72具有大於該第一外直徑D₁ 之一第二外直徑D₂ 。在該描繪的實施例中，存在十四個(14)第一螺旋齒輪70及二十個(20)該等螺旋齒輪齒包含20個齒輪齒。然而，透過該等圖式及本文中之描述應瞭解齒輪齒之數目可根據具體應用變化且不固定於該等圖式中顯示的齒之數目。

該等第一螺旋齒輪齒70具有一第一螺旋角α₁ 且該等第二螺旋齒輪齒72具有一第二螺旋角α₂ ，如圖3所示。在該描繪的實施例中，該第一螺旋角α₁ 等於20度且該第二螺旋角α₂ 等於30.2315度。

如圖7中所示，該恆星齒輪50之該等螺旋齒輪齒亦係經形成具有該第一螺旋角α₁ 。如圖8所示，該環形齒輪54之該等內螺旋齒輪齒62係經形成具有該第二螺旋角α₂ 。

該等第一螺旋齒輪齒70之每一者具有一軸向端74，其具有一傾斜邊緣。該等軸向端74之該傾斜邊緣自垂直於該階梯式行星齒輪16之一旋轉軸A之一線成角度偏移，如圖4所示。更特定言之，該等第一螺旋齒輪齒70之該等軸向端74係自垂直於該旋轉軸A之該線偏移達一角度α₃ 。

類似地，該等第二螺旋齒輪齒72之每一者具有一軸向端76，其具有一傾斜邊緣。該等軸向端76之該傾斜邊緣亦係自垂直於該階梯式行星齒輪16之該旋轉軸A之一線成角度偏移，如圖4所示。更特定言之，該等第二螺旋齒輪齒72之該等軸向端76係自垂直於該旋轉軸A之該線偏移達一角度α₄ 。

透過該等圖式及本文中之描述應瞭解該第一螺旋角α₁ 及該第二螺旋角α₂ 可係其中該第一螺旋角α₁ 介於15度與30度之間之一角度範圍之任何角度。該第二螺旋角α₂ 係基於下文更詳細描述的準則來決定。

特定言之，圖3中指示的該第一螺旋角α₁ 及該第二螺旋角α₂ 係經成角使得對於該階梯式行星齒輪16之一給定旋轉量，該等第一螺旋齒輪齒70及該等第二螺旋齒輪齒72上之一對相對應行進點P₁ 及P₂ (圖9及圖10)相對於該旋轉軸A移動相同軸向量β。

為更好瞭解該第一螺旋角α₁ 與該第二螺旋角α₂ 之間之關係，提供下文解釋。由圖9中之線L₁ 表示的一固定平面通過該旋轉軸A並亦通過該等第一螺旋齒輪齒70之一者上之該行進點P₁ 並穿過該等第二螺旋齒輪齒72之一者上之該等行進點P₂ 。該等行進點P1及P2基本上係該等第一螺旋齒輪齒70及該等第二螺旋齒輪齒72與由該線L₁ 表示的該固定平面之間之交叉點。

因此，當該階梯式行星齒輪16旋轉時，該等行進點P₁ 及P₂ 沿著該等第一螺旋齒輪齒70及該等第二螺旋齒輪齒72之該等相對應齒移動，並最終齒對齒移動。

如圖10中所指示，當該階梯式行星齒輪16旋轉達(舉例而言)一小角度α₅ 時，該等行進點P₁ 及P₂ (與該平面L1交叉之點)均沿著該等第一螺旋齒輪齒70及該等第二螺旋齒輪齒72之各自齒移動相同距離β至行進位置P₁ '及P₂ '。換言之，當該階梯式行星齒輪16旋轉一特定角度距離(諸如該角度α₅ )時，該等交叉點或行進點P₁ 及P₂ 均在軸向方向移動相同距離β。

更特定言之，行進點P₁ 與該行進位置P₁ '之間之距離等於該角度位移角度α₅ 之該距離β。此外，行進點P₂ 與該行進位置P₂ '之間之距離亦等於該角度位移角度α₅ 之該距離β。

因此，對於該階梯式行星齒輪16而言，該第一螺旋角α₁ 與該第二螺旋角α₂ 之間之關係、該等相對應直徑D₁ 及D₂ 及該等第一螺旋齒輪齒70及該等第二螺旋齒輪齒72之每一者上的齒輪齒之數目係經決定使得該等第一螺旋齒輪齒70及該等第二螺旋齒輪齒72上之該對相對應行進點P₁ 及P₂ 相對於該旋轉軸A移動相同軸向量β。

術語之一般解譯

在理解本發明之範圍時，如本文中所使用之術語「包括」及其派生詞意欲為指定被說明之特徵、元件、組件、群組、整數及/或步驟之存在但並不排除其他未說明之特徵、元件、組件、群組、整數及/或步驟之存在的開放式術語。前述亦適用於具有相似意義的詞語，諸如術語「包含」、「具有」及其等派生詞。此外，以單數形式使用的術語「部分」、「區段」、「部」、「部件」或「元件」可具有單個部分或複數個部分的雙重含義。如本文中用以描述該(等)上文實施例，下列方向性術語「向前」、「向後」、「上方」、「向下」、「垂直」、「水平」、「下方」及「橫向」以及任何其他類似方向性術語係關於經裝備具有用於一腳踏車內輪轂傳動之該行星齒輪機構的一腳踏車之該等方向。因此，如用以描述用於一腳踏車內輪轂傳動之該行星齒輪機構之此等術語應相對於經配有如在正常騎行位置所用的經裝備具有用於一腳踏車內輪轂傳動之該行星齒輪機構的一腳踏車而被解譯。最後，如本文中所用的諸如「實質上」、「大約」及「大概」之程度術語意指修飾性術語之一合理的偏離量，使得最終結果不會明顯改變。

儘管僅選擇經選擇的實施例以說明本發明，但熟習此項技術者透過此揭示內容應瞭解本文中可作出各種變化及修改而不背離如隨附申請專利範圍中界定的本發明之範圍。舉例而言，該等各種組件之大小、形狀、位置或定向視需要及/或所需可變化。顯示相互直接連接或接觸之組件可具有安置於其等之間的中間結構。一元件之功能可由兩個元件執行，反之亦然。一實施例之該等結構及功能可在另一實施例中採用。未必所有優點同時存在於一特別實施例中。對先前技術而言唯一、單獨或與其他特徵組合之每個特徵亦應被認為申請者之包含由此(等)特徵體現的結構性及/或功能性理念之進一步發明之一獨立描述。因此，根據本發明之該等實施例之前文描述僅為說明而提供，且並非為了限制如由附屬申請專利範圍及其均等物所界定之本發明之目的。

10．．．腳踏車

12．．．內輪轂傳動

16．．．階梯式行星齒輪

20．．．框架

22．．．曲柄總成

24．．．鏈條

26．．．後輪

30．．．固定軸

32．．．鏈條環

34．．．驅動器

36．．．第一掣子機構

38．．．變速區段

40．．．單向離合器機構

42．．．第二行星齒輪機構

44．．．第二掣子機構

46．．．輪轂殼

50．．．固定恆星齒輪

54．．．環形齒輪

56．．．第一端

58．．．內齒輪齒

60．．．第二端

62．．．內螺旋齒輪齒

70．．．第一螺旋齒輪齒

72．．．第二螺旋齒輪齒

74．．．軸向端

76．．．軸向端

A．．．旋轉軸

圖1係裝備有具有根據一實施例之一行星齒輪機構之一內輪轂傳動之一腳踏車之一側視圖；

圖2係該腳踏車之該內輪轂傳動之一截面圖，其顯示根據該一實施例之具有一階梯式行星齒輪之該行星齒輪機構；

圖3係顯示為自該內輪轂傳動移除的該階梯式行星齒輪及根據該一實施例之顯示複數個第一螺旋齒輪齒及複數個第二螺旋齒輪齒之該行星齒輪機構之一側視圖；

圖4係顯示為自該內輪轂傳動移除的該階梯式行星齒輪及根據該一實施例之該行星齒輪機構之一透視圖；

圖5係根據該一實施例沿著圖3中之線5-5取得的該階梯式行星齒輪之一部之一截面圖；

圖6係根據該一實施例沿著圖3中之線6-6取得的該階梯式行星齒輪之一部之一側視且部分截面圖；

圖7係該內輪轂傳動之一固定軸之一側視圖，其顯示與根據該一實施例之該階梯式行星齒輪之該等第一螺旋齒輪齒嚙合之一恆星齒輪；

圖8係該內輪轂傳動之該行星齒輪機構之一環形齒輪之一透視圖，其顯示與根據該一實施例之該階梯式行星齒輪之該等第二螺旋齒輪齒嚙合之內螺旋齒輪齒；

圖9係該階梯式行星齒輪之一端視圖，其顯示兩個行進點，一行進點在該等第一螺旋齒輪齒之一者上且一行進點在該等第二螺旋齒輪齒之一者上，該等行進點位於延伸穿過該階梯式行星齒輪之旋轉軸之一平面內；及

圖10係類似於圖3之根據該一實施例之該階梯式行星齒輪之另一側視圖，其顯示該等行進點相對於該等第一螺旋齒輪齒、該等第二螺旋齒輪齒及該旋轉軸之移動。

16．．．階梯式行星齒輪

70．．．第一螺旋齒輪齒

72．．．第二螺旋齒輪齒

74．．．軸向端

76．．．軸向端

A．．．旋轉軸

Claims (20)

1. 一種腳踏車內輪轂傳動，其包括：一固定軸；一輪轂殼，其可繞著該固定軸旋轉；一驅動器，其可繞著該固定軸旋轉；及一行星齒輪機構，其設置於該輪轂殼內，以自該驅動器選擇性地傳輸旋轉動力至該輪轂殼，該行星齒輪機構包含：至少一階梯式行星齒輪，其具有一第一部分與一第二部分，該第一部分具有複數個第一螺旋齒輪齒，該等第一螺旋齒輪齒具有一第一外直徑，該第二部分具有複數個第二螺旋齒輪齒，該等第二螺旋齒輪齒具有大於該第一外直徑之一第二外直徑，該階梯式行星齒輪之該第一部分與該第二部分於截面視之為一單一元件，該階梯式行星齒輪更具有一環形表面，該環形表面起始於該等第一齒輪齒之第一軸向端，並自該等第一齒輪齒之該等第一軸向端直接徑向向外延伸至該等第二齒輪齒之內軸向端，該環形表面具有一截頭圓錐形，其中該等第一螺旋齒輪齒具有一第一螺旋角且該等第二齒輪齒具有一第二螺旋角，而該等第一及第二螺旋角係經成角使得對於該階梯式行星齒輪之一給定旋轉量，該等第一及第二螺旋齒輪齒上之相對應行進點相對於該階梯式行星齒輪之旋轉軸移動相同軸向量。
2. 如請求項1之腳踏車內輪轂傳動，其中 該複數個第一螺旋齒輪齒之每一者具有包含一傾斜邊緣之一第二軸向端。
3. 如請求項2之腳踏車內輪轂傳動，其中該第一螺旋角等於20度。
4. 如請求項3之腳踏車內輪轂傳動，其中該第二螺旋角等於30.2315度。
5. 如請求項1之腳踏車內輪轂傳動，其中該複數個第二螺旋齒輪齒之每一者具有包含一傾斜邊緣之一外軸向端。
6. 如請求項5之腳踏車內輪轂傳動，其中該第二螺旋角等於30.2315度。
7. 如請求項1之腳踏車內輪轂傳動，其中該複數個第一螺旋齒輪齒包含14個齒輪齒。
8. 如請求項7之腳踏車內輪轂傳動，其中該第一螺旋角等於20度。
9. 如請求項7之腳踏車內輪轂傳動，其中該第二螺旋角等於30.2315度。
10. 如請求項1之腳踏車內輪轂傳動，其中該複數個第二螺旋齒輪齒包含20個齒輪齒。
11. 如請求項1之腳踏車內輪轂傳動，其中該行星齒輪機構具有複數個階梯式行星齒輪。
12. 一種腳踏車內輪轂傳動，其包括：一固定軸；一輪轂殼，其可繞著該固定軸旋轉； 一驅動器，其可繞著該固定軸旋轉；及一行星齒輪機構，其設置於該輪轂殼內，以自該驅動器選擇性地傳輸旋轉動力至該輪轂殼，該行星齒輪機構包含：至少一階梯式行星齒輪，其具有一第一部分與一第二部分，該第一部分具有複數個第一螺旋齒輪齒，該等第一螺旋齒輪齒具有一第一外直徑，該第二部分具有複數個第二螺旋齒輪齒，該等第二螺旋齒輪齒具有大於該第一外直徑之一第二外直徑，該階梯式行星齒輪之該第一部分與該第二部分於截面視之為一單一元件，該階梯式行星齒輪更具有一環形表面，該環形表面自該等第一齒輪齒之第一軸向端徑向向外延伸至該等第二齒輪齒之內軸向端，該環形表面具有一截頭圓錐形；該等第一螺旋齒輪齒具有一第一螺旋角且該等第二齒輪齒具有一第二螺旋角，而該等第一及第二螺旋角係經成角使得對於該階梯式行星齒輪之一給定旋轉量，該等第一及第二螺旋齒輪齒上之相對應行進點相對於該階梯式行星齒輪之旋轉軸移動相同軸向量。
13. 如請求項12之腳踏車內輪轂傳動，其中該環形表面在該等第一齒輪齒處具有一徑向內端，及在該等第二齒輪齒處具有一徑向外端，該環形表面具有一連續增加直徑，該直徑自該徑向內端延伸至該徑向外端。
14. 如請求項12之腳踏車內輪轂傳動，其中 該環形表面在該等第一齒輪齒處具有一徑向內端，及在該等第二齒輪齒處具有一徑向外端，該環形表面於其側邊視之界定一自該徑向內端至該徑向外端之直線。
15. 如請求項12之腳踏車內輪轂傳動，其中該第一螺旋角等於20度。
16. 如請求項15之腳踏車內輪轂傳動，其中該第二螺旋角等於30.2315度。
17. 一種腳踏車內輪轂傳動，其包括：一固定軸；一輪轂殼，其可繞著該固定軸旋轉；一驅動器，其可繞著該固定軸旋轉；及一行星齒輪機構，其設置於該輪轂殼內，以自該驅動器選擇性地傳輸旋轉動力至該輪轂殼，該行星齒輪機構包含：至少一階梯式行星齒輪，其具有一第一部分與一第二部分，該第一部分具有複數個第一螺旋齒輪齒，該等第一螺旋齒輪齒具有一第一外直徑，該第二部分具有複數個第二螺旋齒輪齒，該等第二螺旋齒輪齒具有大於該第一外直徑之一第二外直徑，該階梯式行星齒輪之該第一部分與該第二部分於截面視之為一單一元件，該階梯式行星齒輪更具有一環形表面，該環形表面自該等第一齒輪齒之第一軸向端徑向向外延伸至該等第二齒輪齒之內軸向端而不於該等第一齒輪齒之該等第一軸向端與該環形表面之間存在一軸向間隙，該環形表面具有一截頭圓 錐形；該等第一螺旋齒輪齒具有一第一螺旋角且該等第二齒輪齒具有一第二螺旋角，而該等第一及第二螺旋角係經成角使得對於該階梯式行星齒輪之一給定旋轉量，該等第一及第二螺旋齒輪齒上之相對應行進點相對於該階梯式行星齒輪之旋轉軸移動相同軸向量。
18. 如請求項17之腳踏車內輪轂傳動，其中該環形表面在該等第一齒輪齒處具有一徑向內端，及在該等第二齒輪齒處具有一徑向外端，該環形表面具有一連續增加直徑，該直徑自該徑向內端延伸至該徑向外端。
19. 如請求項17之腳踏車內輪轂傳動，其中該第一螺旋角等於20度。
20. 如請求項19之腳踏車內輪轂傳動，其中該第二螺旋角等於30.2315度。