TWI730823B

TWI730823B - 應用在自行車的無段變速裝置

Info

Publication number: TWI730823B
Application number: TW109121205A
Authority: TW
Inventors: 許坤寶; 賴世元
Original assignee: 國立虎尾科技大學
Priority date: 2020-06-22
Filing date: 2020-06-22
Publication date: 2021-06-11
Also published as: TW202200445A

Abstract

本發明係包括一框架，及與其連結之一動力輸入軸、一偏心凸輪部、一滑座、一變速機構及一控制部。框架設複數控制桿及複數工作齒輪。滑座設相對應之複數擺動桿及球形滾輪。動力輸入軸傳動偏心凸輪部旋轉一圈，係使每一擺動桿往復擺動一工作角度，進而驅動相對應之工作齒輪單向傳動變速機構輸出動力。且當控制部控制複數控制桿同步轉動，係可傳動複數滑座與相對應之控制桿相對移動，而改變球型滾輪與偏心凸輪部之接觸位置，而可無段改變工作角度之大小，以產生無段變速。本案達到兼具可達成自行車之無段變速，及無段變速較符合不同騎乘需求等優點。

Description

應用在自行車的無段變速裝置

本發明係有關一種應用在自行車的無段變速裝置，尤指一種兼具可達成自行車之無段變速，及無段變速較符合不同騎乘需求之應用在自行車的無段變速裝置。

傳統之變速裝置廣泛地應用於各工業領域，從車輛到產業機械都能看到。在腳踏車的應用中，變速機構除了具有傳遞動力的功能外，主要目的在依據道路狀況與行車需求，適時地調整其轉速比，以符合騎乘者之要求。市售的腳踏車變速機構有兩大類： [1] 移鏈式變速裝置的外變速器。移鏈式變速裝置具有變速控制簡單、製造容易、以及成本低廉等優點，然而由於該變速機構組件直接暴露於外部，使該變速機構較易受外在環境的污染、鏽蝕，造成運作不順暢。 [2] 裝置於後輪轂的內變速器。內變速器整個變速機構係裝置於一外殼中，因此封閉性與潤滑良好，不易受外在環境影響其變速精確性，但由於內變速器構造緊密、體積較小、以及變速動作要求較精確，在設計與製造上較困難。然而，不論是移鏈式外變速器或是後輪轂內變速器，這兩類都是有段變速機構，市面上欠缺腳踏車用之無段變速機構。因此，有必要研發新技術，以解決上述缺點。

本發明之目的，在於提供一種應用在自行車的無段變速裝置，其兼具可達成自行車之無段變速，及無段變速較符合不同騎乘需求等優點。特別是，本發明所欲解決之問題係在於公知移鏈式變速裝置的外變速器，因變速機構組件直接暴露於外部，使變速機構較易受外在環境的污染、鏽蝕，造成運作不順暢。而內變速器因構造緊密、體積較小、以及變速動作要求較精確，在設計與製造上較困難。重點在於，前兩類都是有段變速機構，市面上欠缺腳踏車用之無段變速機構的問題。解決上述問題之技術手段係提供一種應用在自行車的無段變速裝置，其包括：一框架，係具有一對第一孔、複數對第二孔及複數對第三孔；該複數對第二孔之間設有複數控制桿；該複數對第三孔之間設有複數多角輸出桿；該每一多角輸出桿係具有一外延端部，其上設有一單向離合器及一工作齒輪；該單向離合器係設於該多角輸出桿之該外延端部與該工作齒輪之間；一動力輸入軸，係具有一中央部及兩端部，且該動力輸入軸具有一旋轉軸心線；該中央部係樞設於該對第一孔上；一偏心凸輪部，係具有一圓錐外表面及一虛擬軸心線，該偏心凸輪部係偏心的設於該中央部；該虛擬軸心線係與該旋轉軸心線平行且間隔一偏心距；複數滑座，該每一滑座係具有一控制孔、一滑動孔、一擺動桿、一球型滾輪及一彈性元件；該複數控制孔係連結相對應之該複數控制桿，該每一控制桿被轉動時可控制相對應之該滑座於該旋轉軸心線上移動，該滑動孔係供該相對應之該多角輸出桿穿過，並可相對滑動；該擺動桿具有一多角滑座及一樞接座，該多角滑座係連接該相對應之該多角輸出桿，並為可相對滑動、不可相對轉動之結構；該彈性元件係拉動而使相對應之該每一球型滾輪保持貼合接觸該圓錐外表面；一變速機構，係具有一變速輸入部、一變速部及一變速輸出部，該變速輸入部係囓合該複數工作齒輪；一控制部，係連結而用以控制該複數控制桿同步轉動；藉此，當該任一端部輸入動力後，迫使該動力輸入軸旋轉，因該偏心凸輪部為偏心設置，使得當該偏心凸輪部旋轉一圈時，該每一擺動桿均會產生一往復擺動，其擺動範圍係被定義為一工作角度，該擺動桿係同步驅動相對應之該工作齒輪單向轉動該工作角度，該複數工作齒輪透過該變速輸入部及該變速部後，經該變速輸出部輸出動力；且當該控制部控制該複數控制桿同步轉動，該複數滑座係與相對應之該控制桿相對移動，進而改變該球型滾輪與該圓錐外表面之接觸位置，而能夠無段的改變該工作角度之大小，而能產生無段變速者。本發明之上述目的與優點，不難從下述所選用實施例之詳細說明與附圖中，獲得深入瞭解。茲以下列實施例並配合圖式詳細說明本發明於後：

參閱第1、第2A、第2B、第3A、第3B、第4、第5A及第5B圖，本發明係為一應用在自行車的無段變速裝置，其包括：一框架10，係具有一對第一孔11、複數對第二孔12及複數對第三孔13。該複數對第二孔12之間設有複數控制桿121；該複數對第三孔13之間設有複數多角輸出桿131；該每一多角輸出桿131係具有一外延端部13A，其上設有一單向離合器13B及一工作齒輪13C。該單向離合器13B係設於該多角輸出桿131之該外延端部13A與該工作齒輪13C之間。一動力輸入軸20，係具有一中央部21及兩端部22，且該動力輸入軸20具有一旋轉軸心線X；該中央部21係樞設於該對第一孔11上。一偏心凸輪部30，係具有一圓錐外表面31及一虛擬軸心線32，該偏心凸輪部30係偏心的設於該中央部21；該虛擬軸心線32係與該旋轉軸心線X平行且間隔一偏心距D。複數滑座40，該每一滑座40係具有一控制孔41、一滑動孔42、一擺動桿43、一球型滾輪44及一彈性元件45(為免圖面紊亂，請參閱第6A圖)。該複數控制孔41係連結相對應之該複數控制桿121，該每一控制桿121被轉動時可控制相對應之該滑座40於該旋轉軸心線X上移動。該滑動孔42係供該相對應之該多角輸出桿131穿過，並可相對滑動；該擺動桿43具有一多角滑座431及一樞接座432。該多角滑座431係連接該相對應之該多角輸出桿131，並為可相對滑動、不可相對轉動之結構。該彈性元件45係拉動而使相對應之該每一球型滾輪44保持貼合接觸該圓錐外表面31。一變速機構50，係具有一變速輸入部51、一變速部52及一變速輸出部53。該變速輸入部51係囓合該複數工作齒輪13C。一控制部60，係連結而用以控制該複數控制桿121同步轉動；藉此，當該任一端部22輸入動力後，迫使該動力輸入軸20旋轉，因該偏心凸輪部30為偏心設置，使得當該偏心凸輪部30旋轉一圈時，該每一擺動桿43均會產生一往復擺動，其擺動範圍係被定義為一工作角度θ(參閱第6B圖)，該擺動桿43係同步驅動相對應之該工作齒輪13C單向轉動該工作角度θ。該複數工作齒輪13C透過該變速輸入部51及該變速部52後，經該變速輸出部53(例如為鏈輪，其可再連接鏈條)輸出動力。且當該控制部60控制該複數控制桿121同步轉動，該複數滑座40係與相對應之該控制桿121相對移動，進而改變該球型滾輪44與該圓錐外表面31之接觸位置，而能夠無段的改變該工作角度θ之大小，而能產生無段變速者。實務上，該每一控制桿121可為螺桿。該每一控制孔41係對應該螺桿，而為螺孔。藉此，當該每一控制桿121被轉動時，係可控制相對應之該滑座40沿該旋轉軸心線X與該控制桿121相對移動。該每一多角輸出桿131與該多角滑座431(如第3B圖所示)係相對應結構，例如可為六角形斷面、多角形斷面或是凸塊配合凹槽，只要達成該每一多角輸出桿131與該多角滑座431可相對滑動、不可相對轉動之結構均可為之。該變速輸入部51可為齒輪結構。該變速部52至少包括一太陽齒輪521、複數行星齒輪522、一環形齒輪523及一行星齒輪架524。當然，該變速部52也可修改為其他類型之變速機構。藉此，該複數工作齒輪13C傳動該變速輸入部51，該變速輸入部51傳動該行星齒輪架524，此時該環形齒輪523不動，該行星齒輪架524傳動該複數行星齒輪522轉動，該複數行星齒輪522傳動該太陽齒輪521轉動，該太陽齒輪521經該變速輸出部53輸出動力。該控制部60係包括：一中控單元61；複數驅動馬達62，係對應該複數控制桿121而設，該中控單元61係連接並透過該複數個驅動馬達62，控制該複數控制桿121之轉動量。關於本案實施例，於相關圖式中之該複數控制桿121與該複數滑座40係以3組為例，實際上，數量並不限，也可為4組、5組、6組或更多組。理論上，組數越多，其動力重疊之程度越高，整體動力輸出也越平順。茲使用4個控制桿121與4個滑座40進行電腦模擬。此設計例理論速度比約1：1.2～1：4.2。當4個控制桿121與4個滑座40位於一大錐面位置P1(參考第5圖，其斷面之直徑較大)，其速度之變更範圍約350%(如第7圖之一第一曲線L1、一第二曲線L2、一第三曲線L3及一第四曲線L4所示)，實際應用時速度波動峰值因慣性而會拉平，估計約250%~300％。而當4個控制桿121與4個滑座40移動至一小錐面位置P2(其斷面之直徑較小)，其速度之變更範圍則變換至約50%(如第7圖之一第五曲線L5、一第六曲線L6、一第七曲線L7及一第八曲線L8所示)。其中，關於該每一工作齒輪13C、該太陽齒輪521、該每一行星齒輪522、該環形齒輪523及該變速輸入部51之齒數可為下列應用例：該工作齒輪13C之齒數可為36齒(因該多角輸出桿131的轉動角度大約40度，實用上該工作齒輪13C可為60度的傘型狀對應該變速輸入部51即可，其外徑並不會超出外殼。)。該太陽齒輪521之齒數可為15齒。該每一行星齒輪522之齒數可為21齒。該環形齒輪523之齒數可為18齒。該變速輸入部51之齒數可為57齒。而其輸出結果如第7圖所示，由此可看出其動力重疊之情形。因為設有單向離合器13B，所以最終輸出也只有單向旋轉，證明本案之可行性高。本發明之優點及功效歸納如下： [1] 可達成自行車之無段變速。本發明設計之框架(至少包括控制桿、多角輸入桿、單向離合器及工作齒輪)、動力輸入軸、偏心凸輪部、滑座、變速機構及控制部。即可達成使自行車無段變速。故，可達成自行車之無段變速。 [2] 無段變速較符合不同騎乘需求。本發明可應用於自行車之無段變速控制。透過控制部控制複數控制桿同步轉動，可使複數滑座沿該旋轉軸心線與相對應之控制桿相對移動，進而改變球型滾輪與該圓錐外表面之接觸位置，而能夠無段的改變該工作角度之大小，而能產生無段變速。可讓不同騎乘者依不同的騎乘狀態，自由調整。故，無段變速較符合不同騎乘需求。以上僅是藉由較佳實施例詳細說明本發明，對於該實施例所做的任何簡單修改與變化，皆不脫離本發明之精神與範圍。

10:框架 11:第一孔 12:第二孔 121:控制桿 13:第三孔 131:多角輸出桿 13A:外延端部 13B:單向離合器 13C:工作齒輪 20:動力輸入軸 21:中央部 22:端部 30:偏心凸輪部 31:圓錐外表面 32:虛擬軸心線 40:滑座 41:控制孔 42:滑動孔 43:擺動桿 431:多角滑座 432:樞接座 44:球型滾輪 45:彈性元件 50:變速機構 51:變速輸入部 52:變速部 521:太陽齒輪 522:行星齒輪 523:環形齒輪 524:行星齒輪架 53:變速輸出部 60:控制部 61:中控單元 62:驅動馬達 X:旋轉軸心線 D:偏心距 θ:工作角度 L1:第一曲線 L2:第二曲線 L3:第三曲線 L4:第四曲線 L5:第五曲線 L6:第六曲線 L7:第七曲線 L8:第八曲線 P1:大錐面位置 P2:小錐面位置

第1圖係本發明之分解之示意圖第2A圖係第1圖之其中一部分之放大示意圖第2B圖係第1圖之其中另一部分之放大示意圖第3A圖係本發明之示意圖第3B圖係第3A圖之部分結構之放大之示意圖第4圖係第3A圖之其他角度之示意圖第5A圖係本發明之第一種動作過程之示意圖第5B圖係本發明之第二種動作過程之示意圖第6A圖係本發明之部分結構之對應關係之一之剖視圖第6B圖係本發明之部分結構之對應關係之二之剖視圖第7圖係本發明之動力輸入之曲線圖

10:框架

12:第二孔

121:控制桿

13:第三孔

131:多角輸出桿

13A:外延端部

13B:單向離合器

13C:工作齒輪

20:動力輸入軸

21:中央部

22:端部

30:偏心凸輪部

31:圓錐外表面

40:滑座

41:控制孔

42:滑動孔

43:擺動桿

431:多角滑座

432:樞接座

44:球型滾輪

45:彈性元件

50:變速機構

51:變速輸入部

52:變速部

521:太陽齒輪

522:行星齒輪

523:環形齒輪

524:行星齒輪架

Claims

一種應用在自行車的無段變速裝置，係包括：一框架，係具有一對第一孔、複數對第二孔及複數對第三孔；該複數對第二孔之間設有複數控制桿；該複數對第三孔之間設有複數多角輸出桿；該每一多角輸出桿係具有一外延端部，其上設有一單向離合器及一工作齒輪；該單向離合器係設於該多角輸出桿之該外延端部與該工作齒輪之間；一動力輸入軸，係具有一中央部及兩端部，且該動力輸入軸具有一旋轉軸心線；該中央部係樞設於該對第一孔上；一偏心凸輪部，係具有一圓錐外表面及一虛擬軸心線，該偏心凸輪部係偏心的設於該中央部；該虛擬軸心線係與該旋轉軸心線平行且間隔一偏心距；複數滑座，該每一滑座係具有一控制孔、一滑動孔、一擺動桿、一球型滾輪及一彈性元件；該複數控制孔係連結相對應之該複數控制桿，該每一控制桿被轉動時可控制相對應之該滑座於該旋轉軸心線上移動，該滑動孔係供該相對應之該多角輸出桿穿過，並可相對滑動；該擺動桿具有一多角滑座及一樞接座，該多角滑座係連接該相對應之該多角輸出桿，並為可相對滑動、不可相對轉動之結構；該彈性元件係拉動而使相對應之該每一球型滾輪保持貼合接觸該圓錐外表面；一變速機構，係具有一變速輸入部、一變速部及一變速輸出部，該變速輸入部係囓合該複數工作齒輪；一控制部，係連結而用以控制該複數控制桿同步轉動；藉此，當該任一端部輸入動力後，迫使該動力輸入軸旋轉，因該偏心凸輪部為偏心設置，使得當該偏心凸輪部旋轉一圈時，該每一擺動桿均會產生一往復擺動，其擺動範圍係被定義為一工作角度，該擺動桿係同步驅動相對應之該工作齒輪單向轉動該工作角度，該複數工作齒輪透過該變速輸入部及該變速部後，經該變速輸出部輸出動力；且當該控制部控制該複數控制桿同步轉動，該複數滑座係與相對應之該控制桿相對移動，進而改變該球型滾輪與該圓錐外表面之接觸位置，而能夠無段的改變該工作角度之大小，而能產生無段變速者。
如請求項1所述之應用在自行車的無段變速裝置，其中：該每一控制桿係為螺桿；該每一控制孔係對應該螺桿，而為螺孔；藉此，當該每一控制桿被轉動時，係可控制相對應之該滑座沿該旋轉軸心線與該控制桿相對移動。
如請求項1所述之應用在自行車的無段變速裝置，其中，該變速輸入部係為齒輪結構。
如請求項1所述之應用在自行車的無段變速裝置，其中，該變速部係至少具有一太陽齒輪、複數行星齒輪、一環形齒輪及一行星齒輪架。
如請求項1所述之應用在自行車的無段變速裝置，其中，該控制部係包括：一中控單元；複數驅動馬達，係對應該複數控制桿而設，該中控單元係連接並透過該複數個驅動馬達，控制該複數控制桿之轉動量。