TWI709703B - 電動機車之變速機構 - Google Patents

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吳健銘
鄒忠全
王東勳
王柏翔
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吳健銘
鄒忠全
王東勳
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
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Abstract

本發明揭露一種電動機車之變速機構，其包含驅動皮帶輪組、從動皮帶輪組、傳動皮帶以及油壓裝置。驅動皮帶輪組於沿著輸入軸之軸向方向移動以調整第一節圓半徑。從動皮帶輪組沿著輸出軸之軸向方向移動以調整第二節圓半徑。傳動皮帶連接驅動皮帶輪組與從動皮帶輪組。油壓裝置包含設置於驅動皮帶輪組上之驅動端缸體及設置於從動皮帶輪組上之從動端缸體，通過壓力槽連通，槽內壓力對驅動皮帶輪及從動皮帶輪提供推力，以保持對傳動皮帶之夾持力。

Description

電動機車之變速機構
本發明是關於一種電動機車之變速機構，特別是關於一種藉由油壓裝置來避免傳動皮帶打滑之電動機車之變速機構。
在傳統使用燃油引擎的機車上，會設置無段變速傳動裝置(Continuously Variable Transmission,CVT)來驅動機車行進。其傳動裝置可如第1圖所示，傳動裝置包含驅動皮帶輪組10、從動皮帶輪組11及傳動皮帶12。驅動皮帶輪組10連接燃油引擎13，隨著燃油引擎13運轉而轉動。驅動皮帶輪組10轉動時，隨著轉速增加，離心滾子14的離心力亦隨之增加並推動可動的驅動皮帶輪產生軸向位移，進而改變傳動皮帶12在驅動皮帶輪組10的位置(節圓直徑變化)，而使傳動裝置的減速比隨著車速增加而變小。傳動皮帶12是驅動皮帶輪組10與從動皮帶輪組11之間的動力傳輸媒介，由於傳動皮帶12的長度是固定的，當驅動皮帶輪組10或是從動皮帶輪組11產生軸向位移時，傳動皮帶12在驅動皮帶輪組10或從動皮帶輪組11上的半徑也會隨之產生改變，進而達到無段變速的目的。
另一方面，從動皮帶輪組11則是系統輸出端，透過傳動皮帶12將動力傳遞至從動皮帶輪組11，帶動輪胎15轉動。從動皮帶輪組11上設置壓縮彈簧16及扭力凸輪17，壓縮彈簧16提供基礎的軸向推力，以確保從動皮帶輪組11對傳動皮帶12的基本夾持力。扭力凸輪17主要目的在於當車輛行駛中遭遇阻力增加時，因從動皮帶輪組11的兩側皮帶輪承受的扭力不一致，使可動的從動皮帶輪產生軸向位移，改變傳動皮帶12在從動皮帶輪組11的位置(半徑變大)，即使傳動裝置的減速比變大，提供車輛行駛所需的扭力。
不過，傳統燃油機車因為在怠速時引擎是持續運轉，故設有離心式離合器18，以確保車輛在怠速時切斷燃油引擎13與輪胎15之連結，即讓引擎處於無負載狀態下空轉。當車輛起步，離心式離合器18達到設定的接合轉速時，離合器18才接合並將引擎輸出的動力傳遞至輪胎15，使車輛前進。傳統燃油機車起步時，驅動皮帶輪組10的離心滾子14已處於相對較高的轉速，可對傳動皮帶提供一定的夾持力，以傳遞動力，但此時的傳動皮帶12因夾持力不足，仍處於打滑狀態(約需時速達到60km/h時，打滑現象才會消失)。若是要將傳統燃油機車的無段變速傳動裝置用在電動機車上，由於電動機車之馬達無怠速運轉問題，並不會設置離合器，避免離合器未接合前馬達空轉虛耗電力，且若電動機車直接採用傳統燃油機車的傳動裝置，在中低車速時，因傳動裝置打滑現象，會耗費大量電力，將使電動機車的續航力大幅縮減。
有鑑於此，如何建立一種適用於電動機車之無段變速傳動機構，避免使用上述燃油引擎之傳動裝置所遇到的問題，是值得在電動機車領域中思考的。因此，本發明之發明人思索並設計一種電動機車之變速機構，針對現有技術之缺失加以改善，進而增進產業上之實施利用。
有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種電動機車之變速機構，以解決習知之燃油引擎機車的無段變速傳動裝置用於電動機車上所造成之問題。
根據本發明之目的，提出一種電動機車之變速機構，其包含驅動皮帶輪組、從動皮帶輪組、傳動皮帶以及油壓裝置。其中，驅動皮帶輪組包含第一驅動皮帶輪及第二驅動皮帶輪，第一驅動皮帶輪固定於輸入軸，連接於電動馬達，第二驅動皮帶輪沿輸入軸之軸向方向移動以調整驅動皮帶輪組之第一節圓半徑。從動皮帶輪組包含第一從動皮帶輪及第二從動皮帶輪，第一從動皮帶輪固定於輸出軸，第二從動皮帶輪沿著輸出軸之軸向方向移動以調整從動皮帶輪組之第二節圓半徑。傳動皮帶連接驅動皮帶輪組與從動皮帶輪組。油壓裝置包含驅動端缸體及從動端缸體，驅動端缸體設置於驅動皮帶輪組上而從動端缸體設置於從動皮帶輪組上，驅動端缸體與從動端缸體藉由壓力槽連通，壓力槽內之壓力使第二驅動皮帶輪朝第一驅動皮帶輪移動且使第二從動皮帶輪朝第一從動皮帶輪移動，以提供傳動皮帶之夾持力。
較佳地，驅動端缸體可包含驅動端活塞及驅動端加壓板，壓力槽中之壓力藉由驅動端活塞推動驅動端加壓板，使第二驅動皮帶輪朝第一驅動皮帶輪移動。
較佳地，從動端缸體可包含從動端活塞及從動端加壓板，壓力槽中之壓力藉由從動端活塞推動從動端加壓板，使第二從動皮帶輪朝第一從動皮帶輪移動。
較佳地，從動皮帶輪組可包含扭力凸輪，當輸出軸遭遇外部阻力時，扭力凸輪使第二從動皮帶輪朝向第一從動皮帶輪移動，增加第二節圓半徑。
較佳地，驅動皮帶輪組與驅動端缸體之間可設置調速彈簧，當標準單人駕駛時，調速彈簧對第二驅動皮帶輪施加推力以保持傳動皮帶之張力，當電動馬達於重負荷低速啟動時，扭力凸輪動作使第二從動皮帶輪朝向第一從動皮帶輪移動，調速彈簧被第二驅動皮帶輪移動壓縮使其遠離第一驅動皮帶輪，減少第一節圓半徑。
較佳地，驅動皮帶輪組與驅動端缸體之間可設置離心調速機構，當電動馬達轉速增加，藉由離心滾子的離心力使離心調速機構施加壓力將第二驅動皮帶輪推向第一驅動皮帶輪，增加第一節圓半徑。
較佳地，油壓裝置可包含壓力彈簧及壓力槽活塞，壓力槽活塞一端連接壓力彈簧，另一端連接壓力槽，當壓力槽內壓力與容積變化時，由壓力彈簧吸收。
較佳地，壓力彈簧可連接於調整螺帽，由調整螺帽調整壓力彈簧位置，控制壓力槽內之壓力。
承上所述，依本發明之電動機車之變速機構，其可具有一或多個下述優點：
(1)此電動機車之變速機構能讓電動機車能通過變速傳動裝置降低高速行駛時電動馬達的轉速，進而減少電能消耗，提升電動機車所能行駛之里程數。
(2)此電動機車之變速機構能解決電動機車未設置燃油機車之離合器所產生的問題，通過油壓裝置提供夾持力，避免啟動時傳動皮帶的打滑現象造成電能消耗，提高電動機車之續航力。
(3)此電動機車之變速機構能通過調速彈簧之設計，使電動機車在重負荷低速起步時，提供較大的減速比以降低馬達轉速，避免馬達進入較低效率的轉速範圍，提升車輛操控之便利性及實用性。
10、20:驅動皮帶輪組
11、30:從動皮帶輪組
12、40:傳動皮帶
13:燃油引擎
14、63:離心滾子
15:輪胎
16:壓縮彈簧
17、64:扭力凸輪
18:離合器
21:第一驅動皮帶輪
22:第二驅動皮帶輪
23:輸入軸
31:第一從動皮帶輪
32:第二從動皮帶輪
33:輸出軸
50:油壓裝置
51:驅動端缸體
52:從動端缸體
53:壓力槽
54:壓力彈簧
55:壓力槽活塞
56:調整螺帽
57:驅動端活塞
58:驅動端加壓板
59:從動端活塞
60:從動端加壓板
61:調速彈簧
62:離心調速機構
90:電動馬達
100:變速機構
R、R1、R2:第一節圓半徑
L、L1、L2:第二節圓半徑
第1圖係為習知技術之燃油機車之無段變速傳動裝置之示意圖。
第2圖係為本發明實施例之電動機車之變速機構之示意圖。
第3圖係為本發明實施例之變速機構於起步負重時之示意圖。
第4圖係為本發明實施例之變速機構於極速時之示意圖。
為利貴審查委員瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。
請參閱第2圖，其係為本發明實施例之電動機車之變速機構之示意圖。如圖所示，電動機車之變速機構100包含驅動皮帶輪組20、從動皮帶輪組30、傳動皮帶40以及油壓裝置50。驅動皮帶輪組20包含第一驅動皮帶輪21及第 二驅動皮帶輪22，第一驅動皮帶輪21為固定的皮帶輪，其中心固定於輸入軸23，輸入軸23的一端連接於電動馬達90。第二驅動皮帶輪22為可動的皮帶輪，其設置在輸入軸23相對於電動馬達90的一側，第二驅動皮帶輪22可沿輸入軸23之軸向方向移動以調整驅動皮帶輪組20之第一節圓半徑R。
從動皮帶輪組30包含第一從動皮帶輪31及第二從動皮帶輪32，第一從動皮帶輪31為固定之皮帶輪，其中心固定於輸出軸33的一端，輸出軸33的另一端可連接於電動機車的輪胎。第二從動皮帶輪32為可動的皮帶輪，其設置在輸出軸33的兩端之間，第二從動皮帶輪32可沿著輸出軸33之軸向方向移動以調整從動皮帶輪組30之第二節圓半徑L。傳動皮帶40連接驅動皮帶輪組20與從動皮帶輪組30，其可為V型皮帶，具有固定長度。當驅動皮帶輪組20或是從動皮帶輪組30之可動皮帶輪產生軸向位移時，驅動皮帶輪組20之第一節圓半徑R或從動皮帶輪組30之第二節圓半徑L會隨之改變，進而使環繞在驅動皮帶輪組20或從動皮帶輪組30上的傳動皮帶40之半徑也隨之改變，進而使的電動馬達90運轉時，變速機構100能達到無段變速傳動的目的。
但如同先前技術中所述之傳統燃油機車的無段變速傳動裝置，若將其轉用於電動機車上，由於電動機車並未設置離合器，且在中低速時打滑問題均會大量耗費電能，降低可行駛的里程，因此本揭露於電動機車之變速機構100當中設置了油壓裝置50來解決上述問題。油壓裝置50包含驅動端缸體51及從動端缸體52，驅動端缸體51設置於驅動皮帶輪組20上而從動端缸體52設置於從動皮帶輪組30上，驅動端缸體51與從動端缸體52通過壓力槽53連通，形成密閉之空間。油壓裝置50內之壓力可藉由壓力彈簧54及壓力槽活塞55調整，壓力槽活塞55一端連接壓力彈簧54，另一端連接壓力槽53，當壓力槽53內壓力與容積 變化時，由壓力彈簧54吸收。當需要調整壓力時，也可由連接壓力彈簧54之調整螺帽56調整空間內之壓力。由於油壓裝置50內為整體連通的密閉空間，其內部壓力會分別壓迫驅動端缸體51及從動端缸體52，藉由驅動端活塞57推動驅動端加壓板58，使第二驅動皮帶輪22朝第一驅動皮帶輪21移動，同時也藉由從動端活塞59推動從動端加壓板60，使第二從動皮帶輪32朝第一從動皮帶輪31移動，進而提供對於傳動皮帶40之夾持力，確保傳動皮帶40不會打滑，也不會因此而耗費不必要的電能。
除此之外，電動機車因馬達出力特性關係，在低速時即可輸出最大扭力，但在高速行駛時，反而會增加電量消耗速度，降低電動機車的續航力。 若在中高速時能使電動機車以較小減速比行駛，即降低馬達轉速，可降低電量消耗速度，有效提高電動機車行駛里程。對此，需要能調整驅動皮帶輪組20與從動皮帶輪組30的機構，使其能藉由調整傳動皮帶40的半徑，達到調整減速比的效果。在本實施例中，驅動皮帶輪組20與驅動端缸體51之間可設置調速彈簧61及離心調速機構62，調速彈簧61設置於第二驅動皮帶輪22上，其可調整第二驅動皮帶輪22與第一驅動皮帶輪21之間的距離，進而達到調整第一節圓半徑R的大小。離心調速機構62設置在驅動皮帶輪組20與驅動端缸體51之間，其包含離心滾子63，當電動馬達90帶動輸入軸23轉動時，離心滾子63藉由離心力推動離心調速機構62，同樣能調整第二驅動皮帶輪22與第一驅動皮帶輪21之間的距離，即通過調整第一節圓半徑R來調整減速比。兩種調速裝置使用的時機不同，以下將分別說明電動機車起步負重時與達到中高速時傳動裝置運作的內容。
請參閱第3圖，其係為本發明實施例之變速機構於起步負重時之示意圖。如圖所示，電動機車之變速機構100包含驅動皮帶輪組20、從動皮帶輪 組30、傳動皮帶40以及油壓裝置50。其中，與前述實施例相同的標號表示相同元件，其內容不再重複描述。當電動機車起步時，其負重阻力較大，在驅動皮帶輪組20的部分，因扭力凸輪64機構動作，使第二從動皮帶輪32朝向第一從動皮帶輪31移動，第二節圓半徑L1增加，增加傳動皮帶40在從動皮帶輪組30之半徑，此時調速彈簧61被第二驅動皮帶輪22移動壓縮，第二驅動皮帶輪22朝遠離第一驅動皮帶輪21之方向產生軸向位移，使得第一節圓半徑R1縮小，即減少傳動皮帶40在驅動皮帶輪組20之半徑，使得減速比變大，提供電動機車行駛時所需之扭力。
當電動機車啟動後，行駛速度逐漸提升，相應的電動馬達90的轉速也逐漸提升，然而，電動馬達90在高轉速時耗電量大，對於電池續航力有所影響，若是能在達到中高速的時候以較小減速比行駛，即降低電動馬達90的轉速，將有利於提升電池續航力，讓電動機車能行駛更高的里程。
請參閱第4圖，其係為本發明實施例之變速機構於極速時之示意圖。如圖所示，電動機車之變速機構100包含驅動皮帶輪組20、從動皮帶輪組30、傳動皮帶40以及油壓裝置50。其中，與前述實施例相同的標號表示相同元件，其內容不再重複描述。當前述負重啟動後，電動機車逐漸加速，這裡的極速並非為車輛所能達到的最高速度，而是達到設定的切換速度時，即可進行調整。 如圖所示，隨電動馬達90轉速增加，離心滾子63的離心力亦隨之提升，此時離心調速機構62會因此上頂而將第二驅動皮帶輪22施以軸向推力，使第二驅動皮帶輪22往第一驅動皮帶輪21之方向產生軸向位移，增加第一節圓半徑R2，即使傳動皮帶40在驅動皮帶輪組20的半徑變大，而讓傳動裝置的減速比變小，進而降低電動馬達轉速以節省電力。
當減速比變小時，從動端油壓缸活塞59往回退，使得第二從動皮帶輪32朝遠離第一從動皮帶輪31的方向產生軸向位移，使得第二節圓半徑L2減小，此時油壓裝置50的容積變化由壓力彈簧54吸收。上述實施例為適用於電動機車的無段變速傳動裝置，針對不同車款設計，可藉由調整離心滾子63重量，調速彈簧61、壓力彈簧54、油壓缸活塞面積、軸距等參數，以匹配不同車款的變速特性，使得零件能達到最大化功效，降低設計新傳動裝置的開發成本。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精 神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
20:驅動皮帶輪組
21:第一驅動皮帶輪
22:第二驅動皮帶輪
23:輸入軸
30:從動皮帶輪組
31:第一從動皮帶輪
32:第二從動皮帶輪
33:輸出軸
40:傳動皮帶
50:油壓裝置
51:驅動端缸體
52:從動端缸體
53:壓力槽
54:壓力彈簧
55:壓力槽活塞
56:調整螺帽
57:驅動端活塞
58:驅動端加壓板
59:從動端活塞
60:從動端加壓板
61:調速彈簧
62:離心調速機構
63:離心滾子
64:扭力凸輪
90:電動馬達
100:變速機構
R:第一節圓半徑
L:第二節圓半徑

Claims (8)

  1. 一種電動機車之變速機構，其包含：一驅動皮帶輪組，係包含一第一驅動皮帶輪及一第二驅動皮帶輪，該第一驅動皮帶輪固定於一輸入軸，連接於一電動馬達，該第二驅動皮帶輪沿該輸入軸之軸向方向移動以調整該驅動皮帶輪組之一第一節圓半徑；一從動皮帶輪組，係包含一第一從動皮帶輪及一第二從動皮帶輪，該第一從動皮帶輪固定於一輸出軸，該第二從動皮帶輪沿著該輸出軸之軸向方向移動以調整該從動皮帶輪組之一第二節圓半徑；一傳動皮帶，係連接該驅動皮帶輪組與該從動皮帶輪組；以及一油壓裝置，係包含一驅動端缸體及一從動端缸體，該驅動端缸體設置於該驅動皮帶輪組上而該從動端缸體設置於該從動皮帶輪組上，該驅動端缸體與該從動端缸體藉由一壓力槽連通，該壓力槽內之壓力使該第二驅動皮帶輪朝該第一驅動皮帶輪移動且使該第二從動皮帶輪朝該第一從動皮帶輪移動，以提供該傳動皮帶之一夾持力。
  2. 如請求項1所述之電動機車之變速機構，其中該驅動端缸體包含一驅動端活塞及一驅動端加壓板，該壓力槽中之壓力藉由該驅動端活塞推動該驅動端加壓板，使該第二驅動皮帶輪朝該第一驅動皮帶輪移動。
  3. 如請求項1所述之電動機車之變速機構，其中該從動端缸體包含一從動端活塞及一從動端加壓板，該壓力槽中之壓力藉由該從動端活塞推動該從動端加壓板，使該第二從動皮帶輪朝該 第一從動皮帶輪移動。
  4. 如請求項1所述之電動機車之變速機構，其中該從動皮帶輪組包含一扭力凸輪，當該輸出軸遭遇一外部阻力時，該扭力凸輪使該第二從動皮帶輪朝向該第一從動皮帶輪移動，增加該第二節圓半徑。
  5. 如請求項4所述之電動機車之變速機構，其中該驅動皮帶輪組與該驅動端缸體之間設置一調速彈簧，當標準單人駕駛時，該調速彈簧對該第二驅動皮帶輪施加推力以保持該傳動皮帶之張力，當該電動馬達於重負荷低速啟動時，該扭力凸輪動作使該第二從動皮帶輪朝向該第一從動皮帶輪移動，該調速彈簧被該第二驅動皮帶輪移動壓縮使其遠離該第一驅動皮帶輪，減少該第一節圓半徑。
  6. 如請求項1所述之電動機車之變速機構，其中該驅動皮帶輪組與該驅動端缸體之間設置一離心調速機構，當該電動馬達轉速增加，藉由一離心滾子的離心力使該離心調速機構施加壓力將該第二驅動皮帶輪推向該第一驅動皮帶輪，增加該第一節圓半徑。
  7. 如請求項1所述之電動機車之變速機構，其中該油壓裝置包含一壓力彈簧及一壓力槽活塞，該壓力槽活塞一端連接該壓力彈簧，另一端連接該壓力槽，當該壓力槽內壓力與容積變化時，由該壓力彈簧吸收。
  8. 如請求項7所述之電動機車之變速機構，其中該壓力彈簧連接於一調整螺帽，由該調整螺帽調整該壓力彈簧位置，控制該壓力槽內之壓力。
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