TWI668152B - 用於具有再生制動和反向踏板能量儲存的齒輪傳動之腳踏車的系統及用於此系統之改良後輪圈 - Google Patents

Abstract

本文揭露了一種用於具有再生制動和反向踏板能量儲存的齒輪傳動之腳踏車的系統，其整合到傳統的腳踏車中，以當腳踏車在反向慣性滑行模型中踩踏時能夠儲存踩踏能量，並且還分別當操作制動桿時使得鏈條從來自腳踏車動量的能量反向轉動。藉由提供動力提升或加速，在腳踏車向前運動期間，所儲存的能量可由與踩踏作用力相關的力矩形式釋放。除了能量儲存制動器之外，如果需要的話，在釋放能量期間使用傳統的磨擦制動器以調節腳踏車的加速度。

Description

用於具有再生制動和反向踏板能量儲存的齒輪傳動之腳踏車的系統及用於此系統之改良後輪圈

本發明有關於用於車輛的再生制動機構，並且特別係有關於藉由反向踩踏實現再生制動(regenerative braking)和能量儲存的踏板驅動車輛。

踏板的簡單性和藉由齒輪反應車輪的圓周運動而提供機械優勢的能力，使得如腳踏車的車輛能夠廣泛用於運輸、運動和娛樂。全世界嘗試著創造騎行設計，以達成提高效率並減少踩踏力度的目標。

行車型態通常需要車輛制動和加速。若腳踏車越快抵達巡航速度(cruising speed)，則腳踏車失去平衡和轉向徘徊(其暫時會造成不安全的狀況)的可能性就越小。踏板驅動的車輛的頻繁的啟動和停止會造成巨大的身體疲勞，且對機動車輛來說增加了燃料消耗。

本文所公開的技術僅藉由在制動之前向後踩踏，便能夠更快地加速車輛。理論上這個功能可以將腳踏車車輪幾次轉動內的加速力矩提高近80%。可預期在競爭性的騎行中， 使用者可以藉由在制動時僅藉由向後踩踏來減少加速至巡航速度的時間。

在本領域中眾所周知如彈簧之類的彈性介質會立即反應變形力，並且在移除變形力時立即釋放能量，因此使其對於立即儲存和釋放能量是理想的。此外，隨著石墨烯(graphene)等新興材料的出現，單位重量彈簧所儲存的能量預計將顯著改善彈簧在儲存能量方面的應用。

本公開技術採用時鐘彈簧(clock spring)來儲存制動時或藉由反向踩踏的能量，並且當彈簧伸展時使用彈簧作為加速的動力。

以下描述的是使用用於儲存和釋放能量的彈性介質的現有技術的參考文獻。每種技術都有其獨特的機構以達成車輛的制動和加速。

例如，Li Binghua等人的CN101367420A教示了一種具有發條彈簧加強件(clockwork spring strengtheners)的腳踏車，其具有框架、手柄、輪子、中心軸和飛輪。上述腳踏車的特徵在於踏板中心軸具有與上述框架連接的能量儲存和釋放裝置。當腳踏車向前踩踏時，反向旋轉的中心軸會壓縮發條彈簧以施加力。時鐘彈簧被釋放，以節省駕駛的力量。但是，這種技術並不利用腳踏車制動時的空閒時間。此外，當向前踩踏時，與現有的不需要移動腳踏車和騎車者的重量便能夠儲存能量的發表不同，上述系統需要負荷腳踏車質量。

以另一個例子來說，US 6053830提供了一種用於如腳踏車之類的踏板操作的騎士推進式車輛(pedal-operated rider-propelled vehicle)的彈簧輔助驅動器，上述腳踏車利用安裝在腳踏車框架內的捲繞螺旋彈簧(wind-up coil spring)作為輔助動力。然而，上述彈簧輔助驅動器有要求使用者在制動器接合(engage)時向前踩踏以將能量儲存在彈簧內的限制。其並無藉由向後踩踏以儲存能量的機會。

最近三輪和四輪踏板式車輛已經成為貨運腳踏車(Cargo Bicycles)綠色倡議的一部分。然而由於這些車輛重量增加，從靜止狀態開始時需要踏比較大力。

另外，通過陡峭的上坡和下坡進行極端地形交通的車輛(像山地腳踏車)將受益於動力的提升。山地腳踏車必須更加堅固，才能承受產生巨大震動和側向力的山地。這種騎行經常產生空中跳躍，其中騎士藉由操縱車輪旋轉產生的陀螺力來控制空降的飛行姿態。對於這些應用，迫切需要在腳離開踏板時提供用於產生車輪旋轉的裝置。本文公開的技術具有無需踩踏便可加速車輪的能力。

因此，需要一種用於具有再生制動和反向踏板能量儲存的踏板輔助齒輪傳動車輛的系統，其使得騎士能夠使用車輛的反向踩踏動作及/或動量來儲存能量並將其用於加速車輛。

本發明提供了一種用於再生制動和反向踏板儲存能量的系統，上述系統適於安裝在踏板輔助車輛的改良後輪圈(rear wheel hub)上。本發明的系統包括彈簧盒組件(spring cassette assembly)，上述彈簧盒組件包括鐘錶彈簧，上述鐘錶 彈簧被配置成可選地藉由反向踩踏或通過模仿反向踩踏動作的制動來充能。制動的能源的來源係來自於腳踏車的動量損失。若發生越多導致超過彈簧捲繞閾值(spring coiling thresholds)的力矩制動，則越多能量被儲存。可以改變時鐘彈簧的寬度和厚度，以達成超過時鐘彈簧閾值的制動力廣泛變化，且同時最小化鐘錶彈簧的全長纏繞(full length wrapping)的發生率。在時鐘彈簧完全纏繞後存在的任何制動力都會導致放能盤(discharge disc)在保持制動力的同時打滑。然而，可理解的是，上述盤的滑動是不能儲存在彈簧中的能量，並因此會造成損失。

本發明的系統適於安裝在固定車輛後輪的改良輪圈上。彈簧盒組件(spring cassette assembly)設有允許儲存的彈簧能量放能的機構，其與制動桿操作同步，或者藉由選擇分離的桿來手動選擇能量釋放的瞬間。此外，在停放時，不對腳踏車車輪供電便可釋放能量。這樣可以避免在停放時對腳踏車意外加速。

本發明的系統包括手柄制動器組件(handle brake assembly)，其包括用作能量釋放桿(energy release lever)以及模式選擇桿(mode selector lever)的桿件。模式選擇桿允許選擇在自動模式或手動模式下能量釋放。在自動模式下，僅藉由釋放制動桿即可釋放能量。

改良後輪圈(modified rear wheel hub)被設計為允許像傳統腳踏車那樣在傳統位置安裝齒輪。其更形成了橫跨後輪中心的橋樑，使得上述彈簧盒可位在橫跨車輪的另一側且允 許其為車輪提供動力。

改良後輪圈允許輪子由一側的彈簧盒和另一側的齒輪鏈輪(gear sprocket)提供動力。齒輪鏈輪藉由固有的可選主曲柄對鏈輪齒輪的比值以反向踩踏作用力來影響彈簧的充能。彈簧盒在腳踏車向前運動的所有齒輪組合中提供固定的加速力矩。可手動操作的控制桿允許騎士根據地形或在競爭中獲得戰略領先優勢而在任何給定的瞬間釋放能量。

在本發明一實施例中，即分佈式輪圈(distributed hub)的實施例中，用於再生制動和反向踏板能量儲存的系統包括動量齒輪(momentum gear)和反向齒輪(reversing gear)，其將腳踏車的動量傳遞到第二離合器嚙合齒輪(second clutch meshing gear)，其旋轉方向與腳踏車車輪的旋轉方向相反。此外，上述系統包括惰輪鏈輪(idler sprocket)和第一離合器嚙合齒輪，其中第一離合器嚙合齒輪係藉由操作制動桿而與第二離合器嚙合齒輪嚙合。惰輪鏈輪是第一離合器嚙合齒輪的延伸部分，並與腳踏車鏈條耦接，因此具有與鏈條一樣的切向速度(tangential velocity)。上述組合用於將車輛的動量與車輛中使用的彈簧儲存器相耦合。上述機構位於腳踏車曲柄和後輪圈之間與鏈條同側的中間位置。在此實施例中，騎士藉由執行與第一離合器嚙合齒輪的切向速度與鏈條的速度相匹配的受限制的半旋轉後踏板(limited half rotation back pedal)，來輔助第一和第二離合器嚙合齒輪的同步嚙合。當釋放制動桿以向前加速時，這種半旋轉踩踏技術也用於釋放配合的齒輪。

在本發明的另一優選實施例中，即整合的輪圈 (integrated hub)實施例中，用於再生制動和反向踏板能量儲存的系統包括再生制動單元，其如同傳統的腳踏車一樣在鏈輪的相對側與改良輪圈整合，從而為傳統腳踏車的傳統空間提供了用於安裝齒輪鏈輪組的空間，並且減少了踏板曲柄與後輪圈之間所使用的空間。這也減少了部件數量並減輕了重量。此實施例藉由串聯一組三個齒輪來連接彈簧，從而實現在車輪旋轉的反向旋轉中車輪動量與彈簧的耦合，其中，第一齒輪組固定到彈簧轉子(spring rotor)上，彈簧轉子與包括太陽齒輪(sun gear)和行星齒輪(planetary gear)的第二齒輪組嚙合，行星齒輪可手動移動以與第三齒輪組嚙合，第三齒輪組包括動量齒輪，其耦接到固定到車輪的同步齒輪。在此實施例中，改良後輪圈通過內輪圈鏈輪連接到動力同步耦合齒輪(momentum synchromesh coupled gears)。行星齒輪係藉由制動桿來操作，以在完全纏繞狀態時繞太陽齒輪旋轉，並且能夠藉由同步齒輪接觸並嚙合輪子的動量齒輪，從而減輕行星齒輪與動量齒輪的耦接。上述耦接包括轉動動量和同步齒輪，以便與相對固定的行星齒輪匹配。

100‧‧‧系統

102‧‧‧手柄組件

104‧‧‧後輪組件

106‧‧‧前輪制動桿

108‧‧‧後輪磨擦制動桿

110‧‧‧鏈條反向齒輪桿

112‧‧‧異步桿/選擇器

114‧‧‧改良後輪圈

116‧‧‧軸或心軸

118‧‧‧輪圈座

120‧‧‧支撐軸承

122‧‧‧第一對扣環

124‧‧‧內輪圈

126‧‧‧端

128‧‧‧單向離合器

130‧‧‧扣環

132‧‧‧外輪圈

134‧‧‧圓軸環

136‧‧‧主踏板曲柄

138‧‧‧後輪

140‧‧‧鏈條

141‧‧‧動量齒輪

142‧‧‧反向齒輪

144‧‧‧第二離合器嚙合齒輪

146‧‧‧反向齒輪軸

147‧‧‧單向反向凸輪

148‧‧‧惰輪鏈輪

149‧‧‧惰輪殼體

150‧‧‧第一離合器嚙合齒輪

150A‧‧‧轉子盤

150B‧‧‧圓形突起

150C‧‧‧鍵部

150D‧‧‧第一銷

150E‧‧‧窗部

150F‧‧‧第二銷

150G‧‧‧彈簧印記

150H‧‧‧軸

150I‧‧‧軸承

150J‧‧‧支撐件

152‧‧‧惰輪軸

154‧‧‧惰輪臂

154A‧‧‧孔

156‧‧‧惰輪鉸鏈銷

158‧‧‧支架

158A‧‧‧第一孔

158B‧‧‧第二孔

160‧‧‧第一纜線承載器

162‧‧‧制動纜線

164‧‧‧第二纜線承載器

166‧‧‧齒輪鏈輪組

168‧‧‧外殼

170‧‧‧內殼

171‧‧‧單向離合器

172‧‧‧彈簧

173‧‧‧輪圈

174‧‧‧外端

176‧‧‧內端

178‧‧‧延伸套筒/輪圈

179‧‧‧盤式制動器

180‧‧‧棘輪鎖

181‧‧‧制動器殼體

182‧‧‧旋鈕

184‧‧‧剛性框架

186‧‧‧棘爪

188‧‧‧放能鎖

190‧‧‧套筒

1302‧‧‧手柄組件

1304‧‧‧後輪組件

1306‧‧‧制動桿

1308‧‧‧後輪磨擦制動桿

1310‧‧‧內輪圈反向桿

1312‧‧‧異步桿/選擇器

1510‧‧‧異步單元

1520‧‧‧太陽-行星齒輪單元

1530‧‧‧動量齒輪單元

1602‧‧‧支架安裝件

1603‧‧‧活塞

1604‧‧‧活塞殼體

1606‧‧‧異步框架

1608‧‧‧異步嚙合齒輪

1610‧‧‧單向離合器/凸輪1610

1612‧‧‧太陽齒輪

1614‧‧‧行星齒輪

1616‧‧‧太陽齒輪殼體

1618‧‧‧第一慣性輪軸

1620‧‧‧行星齒輪殼體

1622‧‧‧第二惰輪

1624‧‧‧軸承

1632‧‧‧動量轉移盤

1634‧‧‧同步嚙合齒輪

1636‧‧‧同步嚙合彈簧

1638‧‧‧改良後輪圈

1640‧‧‧軸或心軸

1642‧‧‧支撐軸承

1644‧‧‧內輪圈

1646‧‧‧單向離合器

1648‧‧‧外輪圈

1650‧‧‧圓軸環

1651‧‧‧動量齒輪

1652‧‧‧鏈條

1654‧‧‧齒輪鏈輪組

1658‧‧‧延伸套筒/輪圈

1660‧‧‧外殼

1662‧‧‧內殼

1664‧‧‧彈簧

1670‧‧‧單向離合器/凸輪

1673‧‧‧排放鎖

1674‧‧‧排放鎖銷/旋鈕

1675‧‧‧排放鎖框架

1676‧‧‧惰輪/制動臂

1676A‧‧‧第一孔

1676B‧‧‧第二孔

1676C‧‧‧第三孔

1677‧‧‧套筒

1678‧‧‧第一纜線承載器

1680‧‧‧第二纜線承載器

1682‧‧‧制動纜線

第1圖是根據本發明的分佈式輪圈實施例的用於安裝在腳踏車上的再生制動和能量儲存系統的立體圖；第2圖是第1圖的用於再生制動和能量儲存的系統的手柄組件的立體圖；第3圖是根據本發明的定制後輪圈的立體圖； 第4圖是第3圖的定制後輪圈的爆炸圖；第5圖是第3圖的定制後輪圈沿A-A線段的剖面圖；第6圖是包括第1圖的系統的第一區、第二區、第三區和輔助區的腳踏車後輪組件的側視圖；第7圖是第6圖的系統的放大側視圖；第8圖是第7圖的系統沿E-E線段的剖面圖；第9圖是第7圖的系統沿F-F線段的剖面圖；第10圖是第9圖的系統當未沿第7圖的線段F-F剖開時的爆炸圖；第11圖是根據本發明一實施例繪示的第1圖的系統的第一離合器嚙合齒輪組件的前視圖；第12圖是第11圖的第一離合器嚙合齒輪組件的爆炸圖；第13圖是根據本發明一優選實施例(即整合輪圈實施例)的安裝在腳踏車上用於再生制動和儲存能量的系統的立體圖；第14圖是第13圖的用於再生制動和能量儲存的系統的手柄組件的立體圖；第15圖是第13圖的用於再生制動和儲存能量的系統的後輪組件的局部放大前視圖；以及第16圖是第15圖的後輪組件的爆炸圖。

為了更佳理解本發明，在此使用特定的公開內容/機構示例性的細節來解釋本發明。然而，本領域技術人士可在不使用這些特定公開的情況下進行所揭露的發明。

說明書中的「一個實施例」或「一實施例」係表示結合此實施例描述的特定特徵、結構、特性或功能係包括在本發明的至少一個實施例中。說明書中各處出現的短語「在一個實施例中」並不一定都指相同的實施例。

說明書中「優選實施例」表示詳細描述的特定特徵、結構、特性或功能，為了清楚描述本發明而省略了已知構造和功能。

參照附圖對本發明進行說明，其中附圖標號表示各個附圖中的對應部分。

參照第1圖，其繪示出適用於具有再生制動和能量儲存特徵的踩踏輔助齒輪傳動車輛的系統100，系統100使得車輛能夠根據動量以及反向踩踏而儲存能量。在此實施例中，即分佈式輪圈實施例中，系統100繪示為安裝在腳踏車上。然而，應理解在本發明的其他替代實施例中，系統100可以安裝在任何其他踩踏式車輛上。在本發明的內容中，系統100包括手柄組件102和後輪組件104。

參照第2圖，手柄組件102包括前輪制動桿106、後輪磨擦制動桿108、鏈條反向齒輪桿110以及異步(asynchronous/Async)桿/選擇器112。手柄組件102配置為使得儲存的能量釋放為輔助加速的力矩，其係同步於前輪制動桿106的運動釋放或藉由異步選擇器112手動釋放。

參照第2、3、4、5、6圖，後輪組件104包括改良後輪圈114。改良後輪圈114包括軸(shaft)或心軸(axle)116。軸116具有配置在其上的輪圈座118。軸116藉由兩側被容納在一 對相對的支撐軸承120中，上述支撐軸承120優選通過第一對扣環(retaining rings)122保持在鄰近輪圈座118的位置，使得內輪圈124的任一端126位在支撐軸承120上。支撐軸承120維持內輪圈124的內表面與輪圈座118之間的預先定義的間隙。內輪圈124被容納在其外表面上的單向離合器(one way clutch)128內。內輪圈124優選使用第二對扣環130保持在其位置上。單向離合器128被容納在位於其外表面上的外輪圈(outer hub)132內。外輪圈132包括一對圓軸環134，上述圓軸環134上定義有複數孔，圓軸環134與車輛後輪的複數輪輻(spoke)接合。

參照第1圖和第6圖，後輪組件104係形成為第一區、第二區、第三區和輔助區。第一區包括配置在主踏板曲柄136和與手柄組件102的鏈條反向齒輪桿110交界的後輪138中間的機構。第一區有利於反轉動量以及藉由鏈條反向齒輪桿110將動量傳遞至鏈條140。第二區有助於傳統的踩踏功能，從而藉由複數齒輪將踏板的力矩連接到後輪138。第二區複製傳統踏板式車輛的功能，並同時保持傳統車輛中的傳統功能的空間和位置，在本實施例中的車輛是腳踏車。第三區是根據本發明的能量儲存單元。輔助區有利於儲能機構的鎖定和解鎖，使得車輛不須加速便可放出儲存的能量，這是停車時的要求，以及騎士選擇獨立於鏈條反向齒輪桿110的釋放而藉由桿108的操作以釋放儲存的能量的能力。

參照第6至10圖，在此實施例中，第一區包括固定到改良後輪圈114上的動量齒輪141。第一區包括與動量齒輪141嚙合的反向齒輪142。反向齒輪142配置成用以反轉動量齒 輪141的方向並傳遞腳踏車的動量。第二離合器嚙合齒輪144藉由單向反向凸輪(one way reversing cam)147沿著反向齒輪軸146與反向齒輪142並排安裝。第一區包括藉由惰輪殼體149安裝在惰輪軸152上的惰輪鏈輪(idler sprocket)148和第一離合器嚙合齒輪150。一對相對的軸承151位於惰輪殼體149的兩側。惰輪鏈輪148配置成保持與鏈條140連續嚙合，以使第一離合器嚙合齒輪150能夠將第二離合器嚙合齒輪144的旋轉傳遞至鏈條140。惰輪軸152連接到惰輪臂154。

如第10圖所示，惰輪臂154包括一對位置相對的孔154A和154B，孔154A有助於將惰輪軸152連接到惰輪臂154上，並且孔154B有利於連接第一纜線承載器160到惰輪臂154。第一纜線承載器160連接至制動纜線162，制動纜線162進一步連接至第二纜線承載器164。惰輪軸152可藉由惰輪臂154而移動。惰輪臂154懸臂圍繞惰輪鉸鏈銷(idler hinge pin)156(參見第7圖)。鏈條反向齒輪桿110(參照第2圖)具有第一離合器嚙合齒輪150與第二離合器嚙合齒輪144嚙合的促動位置(actuated position)。在此位置中，鏈條反向齒輪桿110的促動使得反向齒輪142能夠將所獲得的反向動量傳遞至鏈條140，其以與腳踏車動量相稱(commensurate)的力矩反轉鏈條140的旋轉方向。應注意的是，反向齒輪142以一轉速旋轉，上述轉速是動量齒輪141和反向齒輪142之間的齒輪比和輪轉速的函數。第二離合器嚙合齒輪144以與反向齒輪142相同的轉速旋轉。

參照第10、11和12圖，為了第二離合器嚙合齒輪144與第一離合器嚙合齒輪150的平順無干涉配合(smooth interference free mating)，因發生了彈簧儲能，第一離合器嚙合齒輪150在基本狀態下為零的轉速必須加速到與第二離合器嚙合齒輪144幾乎相同的轉速，以促進動量的平順同步傳遞。為了促進平順同步傳遞，騎士在制動時向後踩踏踏板，以使鏈條140的速度與第二離合器嚙合齒輪144的切向速度相匹配。為了促進這一點，動量齒輪141對第二離合器嚙合齒輪44的比值被設計為需要較低的向後踩踏節奏。此特徵是本發明的同步嚙合特徵。為了進一步利於同步，第一離合器嚙合齒輪150係由創新的同步特徵製成，其允許輪齒在配合預定角度時鬆動，之後其與第二離合器嚙合齒輪144同步地鎖定。

參照第11、12圖，其根據本發明實施例繪示出第一離合器嚙合齒輪150的同步特徵的結構細節。第一離合器嚙合齒輪150配置成為位在轉子盤150A上。轉子盤150A具有包括鍵部(key portion)150C的圓形突起150B。鍵部(key portion)150C包括第一銷150D。第一離合器嚙合齒輪150包括在其上定義的窗部(window portion)150E。第二銷150F位於窗部150E的上方。彈簧印記(spring stamp)150G配置成位於第一銷150D和第二銷150F上方。轉子盤150A配置成藉由位於其間的軸承1501安裝在軸150H上。軸150H連接到支撐件150J。

回頭參考第6至10圖，第一區包括反向齒輪安裝支架158，沿其角落部分具有第一孔158A和第二孔158B。第一孔158A便於反向齒輪架支架158和反向齒輪軸146之間的連接。第二孔158B有助於反向齒輪安裝支架158和惰輪臂154之間的連接。

如第6至10圖所示，第二區配置成使鏈條140通過齒輪鏈輪組166連接到改良後輪圈114。齒輪鏈輪組166優選連接到改良後輪圈114的內輪圈124，使得當踏板反向旋轉時，齒輪鏈輪組166轉動內輪圈124。位在改良後輪圈114的內輪圈124上方的單向離合器128使其能夠不對外輪圈134以及輪138供能而旋轉。內輪圈124配置成在輪138的另一側上延伸。應理解的是，延伸輪圈178隨著內輪圈124旋轉。

再次參照第6至10圖，第三區包括能量儲存單元或彈簧盒單元，其包括外殼168和內殼170。彈簧172位於內殼170和外殼168之間。彈簧172在此實施例中優選是時鐘彈簧。時鐘彈簧172具有固定到外殼168的外端174。時鐘彈簧172具有連接到內殼170的內端176。內殼170通過靠近連接輪圈173的單向離合器171(參見第9圖)安裝在延伸套筒/輪圈178上。在本發明的內容中，由於鏈條140的旋轉被傳遞到彈簧盒的內殼170，內輪圈124便於向後旋轉，從而使時鐘彈簧172克服車輛經歷的作為制動力矩的彈簧偏動而旋轉。一旦倒轉鏈條反向齒輪桿110，鏈條140就從腳踏車的動量釋放。因此，內輪圈124係製作為免於腳踏車的動量，然而彈簧172的偏動藉由單向離合器128向內輪圈124施加正向力矩，其又使輪138向前加速。

如第2圖及第6至10圖所示，輔助區配置成當彈簧172要釋放能量時鎖住和解鎖彈簧盒，以選擇需要加速的瞬間或當未加速地停放車輛時，從而使用分離的桿來促動加速或不加速並釋放能量。鏈條反向齒輪桿110被設計成與連接到棘輪鎖(ratchet lock)180和棘爪(pawl)186的異步選擇器112交界。盤 式制動器179位於改良輪圈114的圓軸環134和棘輪鎖180之間。盤式制動器179具有與磨擦制動桿108連接的制動器殼體181。異步桿112具有ON位置，其中彈簧172可以被充能而不被釋放鏈條反向齒輪桿110放能。異步桿112具有OFF位置，其中彈簧172可以放能，以使車輛加速。在本發明的內容中，彈簧盒連接到位在與外殼168連接的棘輪鎖180上的放能鎖定銷/旋鈕(discharge lock pin/knob)182，當被拉動時，藉由旋轉外殼168來展開彈簧172，從而放出彈簧172的能量。旋鈕182優選地位在剛性框架184上。剛性框架184亦包括與其連接的棘爪186。棘爪186與棘輪鎖180接觸。外殼168連接到放能鎖(discharge lock)188，從而在其間具有套筒(sleeve)190。放能鎖188與旋鈕182連通。藉由調節鎖定壓縮偏動(locking compression bias)來配置旋鈕182，以藉由在當捲繞力矩(coiling torque)超過預定閾值時使棘輪鎖打滑而將彈簧盒放能至完全填充/負載狀態。使用旋鈕182的這種調整特徵允許彈簧172在被完全纏繞之後被過剩的能量過度地拉緊。作為安全預防措施，旋鈕182還有利於在停放車輛之前使用手動能量釋放特徵，而不須將能量傳遞到彈簧172。在此應理解的是，旋鈕182包括定位在軸上的彈簧(未示出)和其蓋，使得可以藉由旋鈕182的螺母調節動作而增加彈簧偏動。

參照第13圖，繪示出用於再生制動和反向踏板能量儲存的系統100的一優選實施例，即整合的輪圈實施例，其包括與改良輪圈114(參見第3圖)整合的再生制動後輪組件，其位在傳統腳踏車中的齒輪鏈輪組166(參照第10圖)的相對側，從 而提供了以傳統方式和位置安裝齒輪鏈輪組166(參見第10圖)的空間。此實施例不佔用在踏板曲柄和後齒輪鏈輪之間的腳踏車框架上的空間，以消除潛在的踩踏干擾。另外，此實施例中的機構的部件數量減少了並從而減輕了重量。

在此優選實施例中，系統100包括手柄組件1302和後輪組件1304，如圖所示。

參照第13圖及第14圖，在本優選實施例中，手柄組件1302包括前輪制動桿1306、後輪磨擦制動桿1308、內輪圈反向桿(inner hub reversing lever)1310和異步桿/選擇器1312。手柄組件1302與制動桿1306的運動同步或藉由異步選擇器1312手動同步。腳踏車上的磨擦制動器與基於彈簧的加速度一起使用以調節腳踏車的加速度。

參照第13、14和15圖，在此優選實施例中，後輪組件1304包括異步單元1510、太陽-行星齒輪單元(sun-planetary gear unit)1520和動量齒輪單元1530。在此優選實施例中，與前述實施例不同，太陽-行星齒輪單元1520係配置為用以取代動量齒輪141和反向齒輪142的配置(如第6-10圖所示)，其中再生制動機構在腳踏車車架、腳踏車鏈條側上的前輪和後輪之間的中間部分上分散。在此優選實施例中，後輪組件1304減少了整體組件的數量並且從而減小了系統100的重量。

參照第15和16圖，異步單元1510包括連接到活塞1603和活塞殼體1604的支架安裝件1602(bracket mount)。支架安裝件1602連接到異步框架1606，任何異步嚙合齒輪1608藉由 單向離合器/凸輪1610連接到異步框架1606。

太陽-行星齒輪單元1520包括太陽齒輪1612和行星齒輪1614。太陽齒輪1612位於配置在第一慣性輪軸1618上的太陽齒輪殼體1616上。行星齒輪1614通過軸承1624位在第二惰輪1622上的行星齒輪殼體1620上。

動量齒輪單元1530包括動量轉移盤(momentum transfer disc)1632。動量轉移盤1632通過同步嚙合彈簧1636連接到同步嚙合齒輪1634。可以理解的是，動態齒輪單元1530在此實施例中的結構與參照第11-12圖所述的第一離合器嚙合齒輪150的同步特徵相同。

在此實施例中，上述系統包括改良後輪圈1638。改良後輪圈1638包括軸或心軸1640。軸1640具有輪圈座，使得軸1640的兩端被容納在相對的一對支撐軸承1642內並且優選地位於輪圈座附近。在輪圈座上藉由支撐軸承1642以支撐內輪圈1644。支撐軸承1642保持內輪圈1644的內表面與輪圈座之間的預定間隙。內輪圈1644被容納在其外表面上的單向離合器1646內。單向離合器1646被容納在位於其外表面上的外輪圈1648內。外輪圈1648包括一對圓軸環1650，圓軸環1650上定義多個孔。圓軸環1650與車輛後輪的多個輪輻接合。動量齒輪/內輪圈鏈輪1651被固定到改良後輪圈1638。動量齒輪1651具有與異步單元1510的異步嚙合齒輪1608嚙合的第一端。動量齒輪1651具有與太陽-行星齒輪單元1520的太陽齒輪1612嚙合的第二端。

在此實施例中，鏈條1652連接到齒輪鏈輪組 1654，齒輪鏈輪組1654係配置為位在改良後輪圈1638的一側上。齒輪鏈輪組1654優選地安裝在改良後輪圈1638的內輪圈1644上，使得當踏板反向旋轉時齒輪鏈輪組1654幫助內輪圈1644旋轉。位於改良後輪圈1638的內輪圈1644上方的單向離合器1646使其能夠在不對外輪圈1648以及車輪供能的情況下旋轉。內輪圈1644配置成在車輪的另一側上延伸，使得定位在其上的延伸套筒/輪圈1658隨內輪圈1644旋轉。

在此實施例中，系統100包括彈簧盒單元或能量儲存單元。彈簧盒單元包括外殼1660和內殼1662。彈簧1664位於內殼1662和外殼1660之間。彈簧1664具有固定到外殼1660的外端。彈簧1664具有連接到內殼1662的內端。內殼1662通過單向離合器/凸輪1670安裝在延伸的套筒/輪圈1658上。在本發明的內容中，由於鏈條1652的旋轉被傳遞到彈簧匣的內殼1662，促進了內輪圈1644向後的旋轉，從而使時鐘彈簧1664克服了車輛經歷的作為制動轉矩的彈簧偏動而旋轉。一旦內輪圈反向桿1310(如第13圖所示)反轉，鏈條1652就從腳踏車的動量釋放。因此，內輪圈1644不受腳踏車動量的影響，然而彈簧偏動通過單向離合器1646向內輪圈1644施加正向力矩，單向離合器1646從而朝前加速車輪。

參照第13圖和第16圖，當彈簧1664放能時，啟用了彈簧盒的鎖定和解鎖以選擇想要的加速時刻或者在未加速的情況下停放車輛。內輪圈反向桿1310係設計為與異步選擇器1312交界。異步桿1312具有ON位置，其中彈簧1664可被充能而非通過制動桿1310的釋放而放能。異步桿1312具有OFF位 置，其中彈簧1664可以放能，使得車輛加速。當旋鈕1674被拉動時，彈簧盒連接到排放鎖銷/旋鈕1674，排放鎖銷/旋鈕1674通過排放鎖1673和排放鎖框架1675連接到外殼1660，使得彈簧1664放能，從而將彈簧1664從外殼1660展開。排放鎖1673藉由在排放鎖1673及外殼1660間設置套筒1677而與外殼1660連通。根據用戶的需求，旋鈕1674優選地配置成使在完全填充/負載狀態下的彈簧盒放能，並且可以調節旋鈕1674以釋放彈簧1664上的壓力。在彈簧1664被完全包覆後，旋鈕1674允許彈簧1664被過剩的能量過度地拉緊。作為安全預防措施，旋鈕1674還有利於在停放車輛之前使用手動能量釋放特徵，而不須將能量傳遞到彈簧1664。

現在參照第16圖，系統100包括具有第一孔1676A、第二孔1676B和第三孔1676C的惰輪/制動臂1676。第一孔1676A便於將第二惰輪軸1622連接到惰輪臂1676上。第二孔1676B便於將第一惰輪軸1618連接到惰輪臂1676上。系統100包括第一纜線承載器1678和第二纜線承載器1680。第一纜線承載器1678連接到制動纜線1682，制動纜線1682進一步連接到第二纜線承載器1680。桿1310(如第13圖所示)具有促動位置，其中行星齒輪1614與同步嚙合齒輪1634在此嚙合。

在此優選實施例中，騎士通過向後踩踏踏板進行有限的半旋轉，而將同步嚙合齒輪1634的切向速度與行星齒輪1614的切向速度相匹配，來輔助行星齒輪1614與同步嚙合齒輪1634的同步嚙合。當釋放制動桿1306以向前加速時，這種半旋轉踩踏技術也被用於釋放相配合的齒輪。同步嚙合齒輪1634提 供了有限滑動同步特徵(limited slip Synchro feature)，其進一步減輕了當行星齒輪1614與同步嚙合齒輪1634在彈簧盒的彈簧1664中制動和儲存能量時配合反向踩踏的負擔。

為了說明和描述，前述已對本發明的特定實施例進行描述。它們並非旨在窮舉或將本發明限制於所公開的特定形式，並且顯然可根據上述教導進行各種修改和變化。

為了最佳地解釋本發明的原理及其實際應用，選擇和描述了上述實施例，從而使本領域技術人士能夠最佳地利用本發明，以及具有適合於預期的特定用途的各種實施例的各種修改。

應理解的是，可預期同等物的各種省略和替換，因為情況可能教示或提供適宜，但是這些同等物係為了包括應用或實施，而不背離本發明的精神或範圍。

Claims (21)

1. 一種系統，用於具有再生制動和反向踏板能量儲存的齒輪傳動之一車輛，該系統包括：一手柄制動組件102，具有一前輪制動桿106、一後輪磨擦制動桿108、一鏈條反向齒輪桿110及一異步選擇器112，該前輪制動桿106具有一促動位置及一釋放位置；一改良後輪圈114，具有一軸116，該軸116具有配置在其上之一輪圈座118，該輪圈座118具有位在其兩側之一對支撐軸承120，該些支撐軸承120被容納在位在其上之一內輪圈124內，該內輪圈124具有位在其外表面上之一單向離合器128，該單向離合器128被容納在位在其外表面上之一外輪圈132內，該外輪圈132連接到該車輛之一輪138，該內輪圈124藉由一齒輪鏈輪組166沿著該內輪圈124之一第一側連接到一鍊條140；一彈簧盒，具有一彈簧172，位在一內殼170及一外殼168間，該內殼170藉由沿該內殼170之一第二側之一單向離合器171安裝在該內輪圈124上，該單向離合器171安裝在位在該內輪圈124之一延伸部上之一延伸套筒178上，該外殼168具有與一放能鎖188之連接，該放能鎖188藉由一放能旋鈕182作為一鎖進行促動；一動量齒輪141，固定到一改良齒輪輪圈114，該動量齒輪141與一反向齒輪142嚙合，該反向齒輪142配置為用以反轉該動量齒輪141的旋轉方向，該反向齒輪142具有位在其附近的一第二離合器嚙合齒輪144，該反向齒輪142通過 一單向反向凸輪147位在一反向齒輪軸146上；一惰輪鏈輪148及一第一離合器嚙合齒輪150，安裝在一惰輪軸152上，該惰輪鏈輪148配置為用以維持與該鍊條140之連續嚙合，從而允許該第一離合器嚙合齒輪150通過一惰輪殼體149與該惰輪鏈輪148交界，該惰輪軸152連接到一惰輪臂154，該惰輪臂154連接到該鏈條反向齒輪桿110之一制動纜線162，其中該鏈條反向齒輪桿110之該促動位置利於該惰輪軸152移動以使該第一離合器嚙合齒輪150及該第二離合器嚙合齒輪144嚙合，以傳遞獲得之反向動量給該鍊條140，從而反轉該鍊條140之旋轉方向以重複背向踩踏，該鏈條反向齒輪桿110之該釋放位置利於該彈簧盒向前驅動該鍊條140以藉由加速的形式釋放能量。
2. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該彈簧172具有一外端，固定到該外殼168。
3. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該彈簧172具有一內端，固定到該內殼170。
4. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該彈簧172係配置為用以藉由握緊壓縮該鏈條反向齒輪桿110而充能，其造成該內殼170之反向旋轉。
5. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該彈簧172係配置為用以藉由拉伸該放能旋鈕182而放能，而未旋轉內殼170。
6. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該彈簧172具有 可變化之一寬度與一厚度，以優化在該彈簧172之整個長度之最大能量儲存。
7. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該彈簧盒之該內殼170在沒有彈簧偏動時在該內輪圈124上滑動。
8. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該齒輪鏈輪組166利於在反向踩踏時轉動該內輪圈124。
9. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該單向離合器171將該內輪圈124之向後旋轉傳遞到該內殼170。
10. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該惰輪殼體149具有位在兩側之一對相對之軸承151。
11. 一種改良後輪圈，用於具有再生制動和反向踏板儲能齒輪傳動之一車輛之一系統，該改良後輪圈包括：一軸116，該軸116上具有一輪圈座118，該輪圈座118兩側上具有一對支撐軸承120，該些支撐軸承120被容納在其上之一內輪圈124內，該內輪圈124在其外表面上具有一單向離合器128，該單向離合器128被容納在其外表面上一外輪圈132內，該外輪圈132連接到該車輛之一輪138，該內輪圈124藉由一齒輪鏈輪組166沿著該內輪圈124之一第一側連接到一鍊條140。
12. 一種系統，用於具有再生制動和反向踏板能量儲存的齒輪傳動之一車輛，該系統包括：一手柄組件1302，具有一前輪制動桿1302、一後輪磨擦制動桿1308、一內輪圈反向桿1310、及一異步桿1312；一改良後輪圈1638，具有一軸1640，該軸1640上具有一 輪圈座，該輪圈座之兩側有一對支撐軸承1642，該些支撐軸承1642被容納在其上之一內輪圈1644內，該內輪圈1644具有位在其外表面上之一單向離合器1646，該單向離合器1646被容納在其外表面上之一外輪圈1648內，該外輪圈1648連接到該車輛之該後輪，該內輪圈1644藉由一齒輪鏈輪組1654沿著該內輪圈1644之一第一側連接到一鍊條1652；一彈簧盒，具有一彈簧1664，位在一內殼1662及一外殼1660間，該內殼1662藉由沿該內殼1662之一第二側之一單向離合器1670安裝在該內輪圈1644上，該單向離合器1670連接到位在該內輪圈1644之一延伸部上之一延伸輪圈/套筒1658上，該外殼1660具有與一放能鎖1673之連接，該放能鎖1673藉由一放能旋鈕1674作為一鎖進行促動；一異步單元1510，具有連接到一活塞1603及一活塞殼體1604之一支架安裝件1602，該支架安裝件1602連接到一異步框架1606，該異步框架1606藉由一單向凸輪1610被容納在其上之一異步嚙合齒輪1608內；一太陽-行星齒輪單元1520，具有一太陽齒輪1612及一行星齒輪1614，該太陽齒輪1612位在一太陽齒輪殼體1616上，該太陽齒輪殼體1616位在一第一惰輪軸1618上，該行星齒輪1614位在一行星齒輪殼體1620上，該行星齒輪殼體1620位在一第二惰輪軸1622上，該太陽齒輪1612配置為用以與該行星齒輪1614嚙合；一動量齒輪單元1530，具有一動量轉移盤1632，該動量轉 移盤1632通過一同步嚙合彈簧1636連接到一同步嚙合齒輪1634；以及一動量齒輪1651，固定在該改良後輪圈1638，該動量齒輪1651具有一第一端，與該異步單元1510之該異步嚙合齒輪1608嚙合，該動量齒輪1651具有一第二端，與該太陽-行星齒輪單元1520之該行星齒輪1614嚙合，其中該內輪圈反向桿1310具有一促動位置，利於該行星齒輪1614及該同步嚙合齒輪1634之同步配合，通過向後踩踏踏板進行有限的半旋轉，將同步嚙合齒輪1634的切向速度相匹配到該鍊條1652之切向速度，該內輪圈反向桿1310具有一釋放位置，釋放該行星齒輪1614及該同步嚙合齒輪1634之匹配，從而允許向前加速，該行星齒輪1614被該桿1310促動，使得該行星齒輪1614當在完全嚙合位置時繞該太陽齒輪1612旋轉，且可通過該同步嚙合齒輪1634與動量齒輪1651嚙合，以利於輕易耦接該行星齒輪1614與該動量齒輪1651，其中所述耦接包括轉動動量齒輪1651及轉動該同步嚙合齒輪1634以與相對固定的行星齒輪1614配合。
13. 如申請專利範圍第12項所述之系統，其中該同步嚙合齒輪1634具有一有限滑動同步構造，其用於在該彈簧盒之在該彈簧1664制動及儲存能量時減輕該行星齒輪1614與該同步嚙合齒輪1634配合之踩踏作用力。
14. 如申請專利範圍第12項所述之系統，其中該彈簧1664具有一外端，固定到該外殼1660。
15. 如申請專利範圍第12項所述之系統，其中該彈簧1664具有一內端，固定到該內殼1662。
16. 如申請專利範圍第12項所述之系統，其中該彈簧1664係配置為藉由握緊壓縮該內輪圈反向桿1310而充能，其造成該內殼1662之反向旋轉。
17. 如申請專利範圍第12項所述之系統，其中該彈簧1664係配置為用以藉由拉伸該放能旋鈕1674而放能，而未旋轉內殼1662。
18. 如申請專利範圍第12項所述之系統，其中該彈簧1664具有可變化之一寬度與一厚度，以優化在該彈簧1664之整個長度之最大能量儲存。
19. 如申請專利範圍第12項所述之系統，其中該彈簧盒之該內殼1662在沒有彈簧偏動時在該內輪圈1644上滑動。
20. 如申請專利範圍第12項所述之系統，其中該齒輪鏈輪組1654利於在反向踩踏時轉動該內輪圈1644。
21. 如申請專利範圍第12項所述之系統，其中該單向離合器1670將該內輪圈1644之向後旋轉傳遞到該內殼1662。