TWI630144B - 自行車變速系統 - Google Patents

Abstract

一種自行車變速系統，適用於包括變速線與連接至所述變速線的變速器的自行車。所述變速系統包括電機裝置以及控制器。電機裝置用以藉由變速線連接至變速器，並且用以控制變速線的拉伸量，以調整變速線的張力。控制器藉由訊號線電性連接至電機裝置，透過控制電機裝置調整變速線的拉伸量，以切換變速器至多個變速檔位的其中之一，達到電子化變速之目的。

Description

自行車變速系統

本發明是有關於一種變速系統，且特別是有關於一種自行車的變速系統。

自行車為了因應不同地形上的需求，發展出了變速的系統。一般而言，自行車的變速系統包含前變速器以及後變速器，用以改變自行車的大盤與飛輪的齒輪比。

傳統上，具有變速系統的自行車是透過連接變速線的變速把手，來直接改變變速線的鬆緊以帶動變速器的位置，來將鏈條導引到不同大小的齒輪上。然而，不同的變速把手與變速器可能有不相容的拉線比產生，導致變速功能無法正常運作。此外，由於變速線的配置路徑長，會產生變速線線阻過大以及變速線滯滑等現象，進而導致使用時的費力以及變速時間延遲等問題。另一方面，若變速線長時間處在高張力的狀態時，容易造成鋼絲拉伸導致變速設定失準。

因此。如何有效的解決上述自行車傳統變速系統的問題，能夠快速而精準的切換變速檔位，一直是本領域技術人員所共同致力的目標。

有鑑於此，本發明提供一種自行車變速系統，能夠使自行車快速而精準的切換自行車的變速檔位，並且達成電子化變速的目的。

本發明的自行車變速系統，適用於包括變速線與連接至所述變速線的變速器的自行車。所述變速系統包括電機裝置以及控制器。電機裝置用以藉由變速線連接至變速器，並且用以控制電機裝置控制變速線的拉伸量，以調整變速線的張力。控制器藉由訊號線電性連接至電機裝置，用以控制電機裝置調整變速線的拉伸量，以切換變速器至多個變速檔位的其中之一。

在本發明的一實施例中，上述的變速器包括後變速器，並且電機裝置設置於自行車的後下叉。

在本發明的一實施例中，上述的變速器包括前變速器，並且電機裝置設置於自行車的立管。

在本發明的一實施例中，上述的變速系統更包括切換器，設置於自行車的手把並且耦接至控制器，用以選擇所述多個變速檔位的其中之一，並控制控制器以切換變速器至所選擇的變速檔位。

在本發明的一實施例中，上述的控制器更用以記錄電機裝置拉動變速線的拉伸量。

在本發明的一實施例中，上述的控制器更用以記錄變速器當前的變速檔位與其持續時間。

在本發明的一實施例中，上述的控制器更依據所記錄的變速檔位與持續時間，計算變速線的老化指標，並且在老化指標大於預設閥値時補償變速線的張力。

在本發明的一實施例中，上述的變速系統更包括感測器，其耦接於控制器，用以偵測自行車的移動狀態。控制器依據感測器的偵測結果判斷自行車處於使用狀態或非使用狀態。若自行車處於非使用狀態，控制器記錄電機裝置拉動變速線的當前拉伸量，並且控制電機裝置釋放變速線的張力。若自行車從非使用狀態轉換為使用狀態，控制器控制電機裝置恢復為以所記錄的當前拉伸量拉動變速線。

在本發明的一實施例中，上述的控制器控制電機裝置釋放變速線的張力時，變速器維持在釋放前的變速檔位。

在本發明的一實施例中，上述的變速系統更包括通訊模組，其耦接於控制器，用以與電子裝置通訊。控制器耦接至變速器，並且藉由通訊模組將變速器、電機裝置以及控制器的狀態資訊傳遞至電子裝置。

在本發明的一實施例中，上述的控制器更藉由通訊模組接收來自電子裝置的維護指令，並且依據維護指令修改控制器的設定。

在本發明的一實施例中，上述的控制器更藉由通訊模組接收來自電子裝置的控制指令，並依據控制指令控制電機裝置。

基於上述，本發明實施例所提供的自行車變速系統，利用控制器以及電機裝置來調整變速線的張力，並且控制器是藉由訊號線電性連接至電機裝置。如此一來，本發明實施例所提供的自行車變速系統能夠設置於具有傳統變速器的自行車，同時快速而精準的切換變速檔位，且達到電子化變速的目的。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

本發明實施例的自行車變速系統利用透過訊號線電性連接於控制器的電機裝置來拉動連接於變速器的變速線，以調整變速線的張力。如此一來，可有效地縮短所需的變速線路徑長度，進而快速且精準的切換變速檔位，並且達到電子化變速的目的。

圖1繪示本發明一實施例的自行車變速系統的概要方塊圖。圖2繪示本發明一實施例的自行車變速系統使用方式的示意圖。請同時參考圖1與圖2，本實施例的自行車變速系統100適於設置在具有傳統機械式拉線的前後變速器的自行車200上，並且包括控制器110以及電機裝置130。然而，本發明並不以此為限。在其他實施例中，自行車變速系統100亦可以設置於僅具有傳統機械式拉線的單一變速器的自行車上。

一般來說，具有前後變速的自行車200包括前變速器FD以及後變速器RD，分別連接於自行車200的大齒盤C以及飛輪FW上。在本實施例中，前變速器FD以及後變速器RD分別連接於前變速線FSC以及後變速線RSC，藉由改變各變速線的張力，前變速器FD可於大齒盤C上切換至多個前變速檔位的其中之一，且後變速器RD可於飛輪FW上切換至多個後變速檔位的其中之一。

在本實施例中，電機裝置130更包括第一電機裝置131以及第二電機裝置133。第一電機裝置131設置於自行車200的立管（seat tube），用以藉由前變速線FSC連接於前變速器FD，並且用以調整前變速線FSC的張力。第二電機裝置133設置於自行車200的後下叉（chain stay），用以藉由後變速線RSC連接於後速器RD，並且用以調整後變速線RSC的張力。然而，本發明並不在此限制第一電機裝置131與第二電機裝置133的實際設置位置，在不影響正常運作的前提下，其可以是設置於自行車200的任意處。

具體來說，第一電機裝置131及/或第二電機裝置133可例如是使用步進馬達以及螺桿滑台來實作為線性電機裝置，並且連接於變速線。藉由步進馬達的移動便能夠控制變速線的拉伸量以改變變速線的張力。然而，在其他實施例中，第一電機裝置131及/或第二電機裝置133亦可以是使用伺服馬達以及螺桿滑台來實作，或者是使用電動捲線器等可用以控制變速線拉伸量的裝置來實作。換言之，用以控制變速線拉伸量以調整變速線張力的第一電機裝置131以及第二電機裝置133的詳細實作方式並不在此限制。

在本實施例中，控制器110藉由訊號線SL分別電性連接於第一電機裝置131以及第二電機裝置133，用以控制第一電機裝置131調整前變速線FSC的拉伸量，以切換前變速器FD至前變速檔位的其中之一，並且用以控制第二電機裝置133來調整後變速線RSC的拉伸量，以切換後變速器RD至後變速檔位的其中之一。

具體來說，控制器110可例如為Arduino微控制器，藉由訊號線SL電性連接至第一電機裝置131以及第二電機裝置133，並且控制第一電機裝置131以及第二電機裝置133的運作。也就是說，控制器110可用以分別控制第一電機裝置131以及第二電機裝置133將前變速器FD以及後變速器RD切換至想要的變速檔位。然而，本發明實施例並不限制控制器110的實作方式。在其他實施例中，控制器110亦可例如是其他微控制器（micro-controller）、嵌入式控制器（embedded controller）或中央處理器（central processing unit, CPU）等。

在本實施例中，自行車變速系統100更包括切換器SW。切換器SW設置於自行車200的手把（Shift lever），並且耦接於控制器110。切換器SW可用以切換選擇變速檔位的其中之一，以控制控制器110切換至切換器所選擇的變速檔位。然而，本發明並不在此限，控制器110亦可例如是接收來自其他來源的訊號或資訊來控制電機裝置130切換變速檔位。

具體來說，自行車200的手把可例如是一體式變速煞車把，而切換器可例如整合於手把（包括左手把與右手把）中。以左手把為例，整合於左手把的切換器可用以切換控制器110以控制第一電機裝置131來切換前變速器FD至所選擇的變速檔位。以右手把為例，整合於右手把的切換器可用以切換控制器110以控制第二電機裝置133來切換後變速器RD至所選擇的變速檔位。

在應用本發明實施例的自行車變速系統100時，使用者可藉由手把上的切換器來便利地切換前變速器FD與後變速器RD的變速檔位。此外，本實施例之自行車變速系統100的第一電機裝置131是設置於自行車200的立管，且第二電機裝置133是設置於自行車200的後下叉。因此，在本實施例中，前變速線FSC的路徑長度可控制在第一電機裝置131與大齒盤C之間的距離，而後變速線RSC的路徑長度可控制在第二電機裝置133與飛輪FW之間的距離，有效地縮短了各變速線所需的路徑長度。

値得一提的，除了縮短各變速線所需的路徑長度外，本實施例的控制器110還能夠提供其他的功能。舉例來說，變速器的變速檔位會隨著變速線的張力改變而改變，然而，在長時間的使用下，變速線會產生老化，而本實施例的控制器110還能夠對此老化現象作出補償。

為了補償老化現象，在本實施例中，控制器110更耦接於前變速器FD以及後變速器RD，並且用以記錄前變速器FD當前的變速檔位以及持續時間，以及後變速器RD當前的變速檔位以及持續時間。此外，控制器110更用以記錄第一電機裝置131拉動前變速線FSC的當前拉伸量、第二電機裝置133拉動後變速線RSC的當前拉伸量、第一電機裝置131對應於各變速檔位的拉伸量，以及第二電機裝置133對應於各變速檔位的拉伸量。如此一來，控制器110便能在變速線過度老化時控制電機裝置130增加拉伸量，以維持張力。

附帶一提的，上述的拉伸量是對應於電機裝置130拉動變速線的程度，也就是拉伸量越大，則對應到的變速線張力就會越大。然而，本發明實施例並不在此限制拉伸量的具體細節。在一些實施例中，拉伸量可例如對應到電機裝置130上規劃好的刻度。在另一些實施例中，拉伸量亦可例如是以電機裝置130中馬達轉動的齒數或步數來表示。

以前變速器FD為例來說，假設前變速器FD的變速檔位由輕到重包括第一檔位、第二檔位以及第三檔位。控制器110會依據所記錄的各變速檔位的持續時間，來計算前變速線FD的老化指標。在本實施例中，老化指標例如是正相關於變速線張力與其持續時間，其中變速線張力可正相關於變速線的拉伸量與張力係數，而張力係數可例如為變速線在虎克定律中的k值，或此張力係數亦可例如由廠商或使用者自行設定。

舉例而言，控制器110會設定前變速線FSC的張力係數為3。假設前變速線FSC在拉伸量為1公分的持續時間為10秒，在拉伸量為3公分的持續時間為30秒，並且在拉伸量為5公分的持續時間為20秒，則控制器110可例如是計算張力係數、各拉伸量與對應持續時間的和（3x（1x10+2x30+3x20）=390），以作為老化指標。一旦此老化指標大於控制器110的預設閥値時，控制器110會增加第一電機裝置131對應於各變速檔位的拉伸量，以補償前變速線FSC的張力。在本實施例中，後變速器RD亦可以類似的方式來對後變速線RSC作出補償，在此不再贅述。

値得一提的，在其他實施例中，本發明實施例的自行車變速系統的控制器更能夠耦接於其他的裝置，以提供更多的功能。以下將舉另一實施例來介紹本發明實施例中的自行車變速系統。

圖3繪示本發明一實施例的自行車變速系統的概要方塊圖。請參考圖3，本實施例的自行車變速系統300類似於圖1實施例的自行車變速系統100，並且以類似圖2實施例的方式設置於自行車200上。相較於自行車變速系統100，本實施例的自行車變速系統300更包括感測器150以及通訊模組170。在以下的說明中，相同或類似的元件將不再重複贅述。

在本實施例中，控制器110更耦接於感測器150。感測器150用以偵測自行車200的移動狀態。具體來說，感測器150可例如是陀螺儀（gyroscope）、加速度感測器或其他可用以偵測移動狀態的任何感測器及其組合，本發明實施例不在此限。感測器150固定於自行車200車體的任意處，用以偵測自行車200在空間中的移動狀態。

在本實施例中，控制器110更依據感測器150的偵測結果來判斷自行車200處於使用狀態或非使用狀態。具體來說，若感測器150偵測到自行車200的移動狀態為靜止且靜止的持續時間超過其預設的時間閥値，則控制器110會判斷自行車200是處於非使用狀態。反之，若感測器150偵測到自行車200的移動狀態是正在移動中（例如，存在指向自行車200正前方的加速度，或存在不斷改變的角速度等），則控制器110會判斷自行車200是處於使用狀態。然而，本發明實施例並不在此限制從感測器150的偵測結果判斷自行車200的使用狀態的具體方式。

値得一提的，當自行車200處於非使用狀態時，若變速線仍維持張力，會造成變速線不必要的老化。因此，本實施例中的控制器110會在判斷自行車200處於非使用狀態時，釋放變速線的張力，待自行車200從非使用狀態轉換回使用狀態時，再將其復原。

以後變速器RD為例，若控制器110判斷自行車200靜止超過其所預設的時間閥値時，會記錄下第二電機裝置133拉動後變速線RSC的當前拉伸量。隨後，控制器110會控制第二電機裝置133將拉動後變速線RSC的拉伸量減少，以釋放後變速線RSC的張力。接著若控制器110判斷自行車200從非使用狀態轉換為使用狀態時，控制器110會控制第二電機裝置133恢復以所記錄的當前拉伸量來拉動後變速線RSC。在本實施例中，控制器110亦可以類似的方式來釋放以及恢復前變速線RSC的張力，在此不再贅述。

値得一提的，由於當控制器110控制電機裝置130釋放變速線的張力時，自行車200是處於非使用狀態，此時變速器並無須也不會隨著張力的改變來切換變速檔位。因此，變速器會維持在原本的變速檔位。

藉由耦接於感測器150，控制器110能夠進一步的判斷自行車200是否處於使用狀態。如此一來，本發明實施例的自行車變速系統300能夠管理自行車200各變速線的張力與變速檔位，以延長各變速線的壽命。

如以上段落所述，控制器110中會記錄有許多預先設定的資訊。例如，控制器110會記錄第一電機裝置131對應於前變速器FD的各個變速檔位的拉伸量、第二電機裝置133對應於後變速器RD的各個變速檔位的拉伸量以及老化指標的預設閥値等。一般而言，此些預先設定的資訊與各零件本身的特性息息相關。因此，當自行車200的零件初次上線或有所替換時，有必要對控制器110中預先設定的資訊作調整或初始化。

在本實施例中，控制器110更耦接於通訊模組170，其中通訊模組170可用以與電子裝置通訊。詳言之，控制器110會藉由通訊模組170來將各變速器、電機裝置130以及控制器110的狀態資訊傳遞給電子裝置。其中，各變速器的狀態資訊例如前變速器FD當前的變速檔位與持續時間，以及後變速器RD當前的變速檔位與持續時間等。電機裝置130的狀態資訊例如第一電機裝置131的當前拉伸量以及第二電機裝置133的當前拉伸量等。控制器110的狀態資訊則例如是其所記錄的各項資訊，包括第一電機裝置131對應於前變速器FD的各變速檔位的拉伸量，以及第二電機裝置133對應於後變速器RD的各變速檔位的拉伸量等。

在本實施例中，通訊模組170可例如是符合無線保真度（Wireless Fidelity，Wi-Fi）、長期進化（Long Term Evolution，LTE）或藍芽（Bluetooth）標準等無線通訊協定的無線網路模組，透過無線網路來與電子裝置通訊，但本發明實施例並不在此限。而電子裝置可例如為安裝有開放式作業系統、且具有與通訊模組170支援相同通訊協定的無線通訊模組的行動式電子裝置。

在本實施例中，電子裝置可提供自行車變速系統300的管理介面，以在電子裝置接收到來自自行車變速系統300的各項狀態資訊後，能夠對應下達維護指令以對控制器110作適當的管理與調整。

圖4繪示本發明一實施例的自行車變速系統的管理介面的示意圖。請參考圖4，電子裝置提供自行車變速系統300的管理介面400，其中顯示包括前變速器FD以及後變速器RD的當前變速檔位，以及控制器110所記錄的第一電機裝置131對應於前變速器FD的各變速檔位的拉伸量，與第二電機裝置133對應於後變速器RD的各變速檔位的拉伸量。

透過管理介面400，在自行車200有零件更換、零件初次上線、有零件已長時間使用或其他情形導致變速器失準時，使用者都能夠透過管理介面400來重新校正第一電機裝置131對應於前變速器FD的各變速檔位的拉伸量，以及第二電機裝置133對應於後變速器RD的各變速檔位的拉伸量。隨後，電子裝置可向控制器110下達維護指令，以對控制器110中所記錄的各電機裝置所對應的各變速檔位的拉伸量進行修改。

具體來說，電子裝置會將管理介面400顯示於其顯示螢幕上，而使用者在使用時可例如是手動地透過電子裝置的按鍵410或按鍵430來對控制器110下達控制指令。控制器110在透過通訊模組170接收到控制指令後，會依據此控制指令來控制電機裝置130。在本實施例中，按鍵410例如是用以下達控制指令，以命令控制器110控制電機裝置130增加其所能增加的一個最小單位的拉伸量；而按鍵430例如是用以下達控制指令，以命令控制器110控制電機裝置130減少其所能減少的一個最小單位的拉伸量。如此一來，透過電子裝置上的管理介面400，使用者能夠對電機裝置130所拉動的拉伸量進行微調。

値得一提的，本發明實施例的控制器110可透過通訊模組170來將控制器110所能獲得的狀態資訊傳遞至電子裝置，而電子裝置能夠對控制器110下達維護指令或控制指令。然而，圖4實施例中的管理介面400僅為示範性的說明。本發明並不在此限制自行車變速系統的管理介面的詳細實作方式。簡言之，藉由耦接通訊模組170，控制器110能夠與電子裝置相互通訊。與此同時，電子裝置的使用者也能夠藉由其管理介面更便利且精確的對本發明實施例的自行車變速系統進行管理。

綜上所述，本發明實施例所提供的自行車變速系統，利用控制器以及電機裝置來控制變速線的拉伸量，以調整變速線的張力，並且控制器是藉由訊號線電性連接至電機裝置。據此，本發明實施例所提供的自行車變速系統能夠設置於具有傳統機械拉線式變速器的自行車，達到電子化變速的同時快速而精準的切換變速檔位。另一方面，本發明實施例的控制器更能夠在變速線老化時補償變速線的張力，以保持精準的變速功能。此外，控制器更在自行車處於非使用狀態時適當的釋放變速線的張力，能夠減緩變速線的老化。如此一來，本發明實施例所提供的自行車變速系統不僅能夠有效縮短變速線的路徑長度，也能夠對變速線的張力作良好的管理。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100、300‧‧‧自行車變速系統
110‧‧‧控制器
130‧‧‧電機裝置
131‧‧‧第一電機裝置
133‧‧‧第二電機裝置
150‧‧‧感測器
170‧‧‧通訊模組
200‧‧‧自行車
400‧‧‧管理介面
410、430‧‧‧按鍵
C‧‧‧大齒盤
FD‧‧‧前變速器
FSC‧‧‧前變速線
FW‧‧‧飛輪
RD‧‧‧後變速器
RSC‧‧‧後變速線
SW‧‧‧切換器

圖1繪示本發明一實施例的自行車變速系統的概要方塊圖。 圖2繪示本發明一實施例的自行車變速系統使用方式的示意圖。 圖3繪示本發明一實施例的自行車變速系統的概要方塊圖。 圖4繪示本發明一實施例的自行車變速系統的管理介面的示意圖。

Claims (12)

1. 一種自行車變速系統，適用於自行車，其中該自行車包括變速線以及連接至該變速線的變速器，該變速系統包括： 電機裝置，用以藉由該變速線連接至該變速器，並且用以控制該變速線的拉伸量，以調整該變速線的張力；以及 控制器，藉由訊號線電性連接至該電機裝置，用以控制該電機裝置控制該變速線的該拉伸量，以切換該變速器至多個變速檔位的其中之一。
2. 如申請專利範圍第1項所述的自行車變速系統，其中該變速器包括後變速器，並且該電機裝置設置於該自行車的後下叉。
3. 如申請專利範圍第1項所述的自行車變速系統，其中該變速器包括前變速器，並且該電機裝置設置於該自行車的立管。
4. 如申請專利範圍第1項所述的自行車變速系統，更包括： 切換器，設置於該自行車的手把並且耦接至該控制器，用以選擇該些變速檔位的其中之一，並控制該控制器以切換該變速器至所選擇的該變速檔位。
5. 如申請專利範圍第1項所述的自行車變速系統，其中該控制器更用以記錄該電機裝置拉動該變速線的該拉伸量。
6. 如申請專利範圍第1項所述的自行車變速系統，其中該控制器更用以記錄該變速器當前的該變速檔位與其持續時間。
7. 如申請專利範圍第6項所述的自行車變速系統，其中該控制器更依據所記錄的該變速檔位與該持續時間，計算該變速線的老化指標，並且在該老化指標大於預設閥値時補償該變速線的張力。
8. 如申請專利範圍第6項所述的自行車變速系統，更包括： 感測器，耦接於該控制器，用以偵測該自行車的移動狀態，其中該控制器依據該偵測結果判斷該自行車處於使用狀態或非使用狀態， 其中若該自行車處於該非使用狀態，該控制器記錄該電機裝置拉動該變速線的當前拉伸量，並且控制該電機裝置釋放該變速線的張力， 其中若該自行車從該非使用狀態轉換為該使用狀態，該控制器控制該電機裝置恢復為所記錄的該當前拉伸量。
9. 如申請專利範圍第8項所述的自行車變速系統，其中該控制器控制該電機裝置釋放該變速線的張力時，該變速器維持該變速檔位。
10. 如申請專利範圍第1項所述的自行車變速系統，更包括： 通訊模組，耦接於該控制器，用以與電子裝置通訊， 其中該控制器耦接至該變速器，並且藉由該通訊模組，將該變速器、該電機裝置以及該控制器的狀態資訊傳遞至該電子裝置。
11. 如申請專利範圍第10項所述的自行車變速系統，其中該控制器更藉由該通訊模組接收來自該電子裝置的維護指令，並依據該維護指令修改該控制器的設定。
12. 如申請專利範圍第10項所述的自行車變速系統，其中該控制器更藉由該通訊模組接收來自該電子裝置的控制指令，並依據該控制指令控制該電機裝置。