TWI764556B - 具二階行星齒輪減速傳動機構之外轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置 - Google Patents

Abstract

一種具二階行星齒輪減速傳動機構之外轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置，包括輪轂電機的外轉子、內定子、帶有偏心轉軸的輪轂轉軸、輪轂中心定軸、接合成一體或一體成形的兩個行星輪、兩個具環狀內齒輪的齒圈、齒圈支架以及含殼左右側蓋的輪轂外殼。內定子與輪轂中心定軸之間除了做干涉配合，並利用平鍵做周向定位以及與定軸一體的階梯和C型扣環做軸向定位；外轉子則藉由輪轂中心定軸上的兩個軸承在內定子外側旋轉。齒圈支架與輪轂中心定軸之間除了做干涉配合，並利用平鍵做周向定位以及兩個C型扣環做軸向定位，並藉由螺絲將左側齒圈固定於齒圈支架。輪轂轉軸藉由螺絲鎖固於外轉子，並隨外轉子一起轉動做為輸入旋轉件，帶動左側行星輪繞固定於齒圈支架的左側齒圈做行星運動，另由右側行星輪帶動右側齒圈做旋轉運動，再由干涉配合於殼體內的右側齒圈帶動輪轂外殼做輸出轉動。藉此，將能以較少齒數即可達成高減速比的二階行星齒輪減速傳動機構應用於外轉子式輪轂電機，以實現電動自行車外轉子式輪轂電機的助力裝置小型化、輕量化與大幅提升助力的效果。

Description

具二階行星齒輪減速傳動機構之外轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置

本發明係有關於一種電動自行車外轉子式輪轂電機助力裝置的二階漸開線行星齒輪減速傳動機構，尤指一種可以實現小型化、輕量化與大幅提升助力效果的電動自行車外轉子式輪轂電機助力傳動機構之技術。

由於新冠肺炎疫情持續的關係，在歐美人們因害怕搭乘擁擠且密閉的地鐵或公車，兼具環保以及可維持社交距離的自行車成了當紅的交通工具，從倫敦、巴黎、柏林、米蘭，美國的費城、丹佛，哥倫比亞的波哥大，以及澳洲雪梨、墨爾本等各大城市紛紛擴建自行車道及補貼購置自行車，鼓勵市民以自行車作為交通工具，各大自行車廠的產能供不應求。而當上下班或休閒目的地距離較遠或是路途有上坡路段的騎乘人，具有電機助力裝置的電動自行車更符合需求。因此近年來電動自行車市場一直在成長，在歐洲各國都維持相當高的銷售熱潮，因此電動自行車是台灣自行車產業持續在世界自行車產業上領先並獲利的重要關鍵方向。

目前市面上通用的電動自行車助力裝置乃使用無 刷輪轂式電機，又根據電機裡是否經過齒輪減速機構而區分成無刷無齒輪轂電機與無刷有齒輪轂電機。圖1係市面上常用的無刷有齒輪轂電機裡的齒輪減速機構的實際圖，包含了中心齒輪51、三個中間的惰輪52及其輪盤53(固定件)及齒圈54。市面上無刷有齒輪轂電機的齒輪減速機都是採用定心齒輪系，雖然圈齒54的齒數很多如93齒，但其減速比不高，如中心齒輪51齒數為21，則減速比才-4.4(負號代表輸出輸入轉向相反)。新型專利第M484555號『具單向功能的自行車助力馬達』採用複式齒輪系，銷接在同一軸的大徑齒部與小徑齒部分別與中心齒輪和齒圈嚙合，此種複式齒輪系的減速比經由配齒(如中心齒輪20齒帶動大徑齒部60齒，與大徑齒部一起轉動的小徑齒部20齒帶動齒圈93齒)可以得到比定心齒輪系較高減速比(約-14)，但也需要大的齒輪配合。因此市面上輪轂電機的齒輪減速機構其減速與提升轉矩效果不佳，致使爬長陡坡較沒力。

無中心輪的少齒差的行星齒輪減速機構相較有中心輪的減速機構(含簡單與複式齒輪系)有較高的減速比，因此可以大大提升輪轂電機的輸出轉矩的效果，而且齒數可以較小，即較小的體積與重量。目前最常見的少齒差行星齒輪減速機為擺線針輪減速機與諧波減速機。然而擺線針輪減速機需要相當精確的中心距與相當精確的齒形，否則輸出速度與轉矩相當容易產生波動，而且需要使用相當多個銷孔搭配圓柱銷來達成輸出與輸入同軸心運動，但圓柱銷有容易磨損等缺點。發明專利第I694952號『電動自行車電動補助力之諧波齒輪傳動機構』乃將諧波減速機 應用於電動自行車之助力裝置中，但諧波減速機因具有柔輪，因此剛性與強度都較差，壽命往往較低，此外製造成本也相當高。

另一種常見的是RV減速機，由於第一階乃使用中心輪(太陽齒)帶動行星齒輪，第二階則使用少齒差擺線針輪減速機構，構造複雜，體積相對較大，重量相對重，因此並不適合做為電動自行車助力裝置。

本發明主要係針對現行電動自行車的外轉子式輪轂電機之齒輪減速機構以及習知的齒輪減速機應用於電動自行車助力裝置的缺失，所為的全新發明。

本發明的主要目的在於提供一種二階漸開線少齒差行星齒輪減速機構於電動自行車的助力裝置，主要是將二階漸開線少齒差行星齒輪減速機構應用於電動自行車的外轉子式輪轂電機上，藉以實現小型化、輕量化與大幅提升助力之效果。圖2係本發明所使用二階行星齒輪減速機構的示意圖，其中輪轂轉軸23包括了右側偏心轉軸25與左側偏心轉軸26，這些轉軸是接合成一體或一體成形，具環狀內齒輪的左側齒圈12是固定件，輪轂轉軸23的左側偏心轉軸26帶動左側行星輪11繞固定的左側齒圈12做行星運動而右側偏心轉軸25帶動右側行星輪13做行星運動，與此同時，右側行星輪13與左側行星輪11接合成一體(或一體成形)一起旋轉，由右側行星輪13帶動右側齒圈14做旋轉運動。圖3係二階漸開線少齒差行星齒輪減速機構的分解示意圖(省略習知之軸與齒輪之間 的鍵槽與平鍵)，其減速比公式為

，其中z _i 代表齒輪i的齒數。如前所述，單式與複式齒輪系其93齒的圈齒的減速比才-4.4與-14(尚需大徑齒部60齒)，使用二階漸開線少齒差行星齒輪減速機構能以較少的齒數即可達成較高的減速比，而且有更多的齒數組合可以選擇。如齒11、齒12、齒13、齒14的齒數在這些組合(z ₁₁-z ₁₂-z ₁₃-z ₁₄)下可以輕易達成高減速比：24-28-26-30的組合減速比即可達成-90；30-34-28-32的組合減速比即可達成120。顯而易見，使用二階漸開線少齒差行星齒輪減速機構於電動自行車的外轉子式輪轂電機之動力傳動機構上，可以實現小型化、輕量化與大幅提升助力的效果。

達成本發明目的的技術手段，係包括二階漸開線行星齒輪減速機構、包含內定子、外轉子與轉軸的輪轂電機以及輪轂外殼這三個次組合件，前面兩個次組合件裝設於輪轂外殼內部，並藉由支撐和連接構件將這三個次組合件組裝成具本發明功效的具二階行星齒輪減速傳動機構之外轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置，其減速增力的運動順序為鎖固於輪轂電機外轉子的具偏心轉軸之輪轂轉軸帶動左側行星輪繞固定於齒圈支架的左側齒圈做行星運動，右側行星輪與左側行星輪接合成一體(或一體成形)一起旋轉，由右側行星輪帶動右側齒圈做旋轉運動，再由干涉配合於殼體內的右側齒圈帶動輪轂外殼做轉動，由於輪轂外殼係藉由幅條連接輪框，最後由輪轂外殼帶動輪圈做輸出轉動。輪轂中心定軸透過干涉配合、平鍵、軸階梯和C型扣環做為支撐及固定內定子，並透過兩個軸承支撐旋轉的外轉子與輪轂轉軸，也透過兩個軸承支撐旋轉的輪轂外殼。中 空的輪轂轉軸與輪轂中心定軸之間有一定間隙。齒圈支架透過干涉配合、平鍵、兩個C型扣環將之固接於輪轂中心定軸，並藉由螺絲將左側齒圈固定於齒圈支架。

11:左側行星輪

12:左側齒圈

13:右側行星輪

14:右側齒圈

15:螺絲

21:外轉子

22:內定子

23:輪轂轉軸

24:螺絲

25:右側偏心轉軸

26:左側偏心轉軸

27:右二滾珠軸承

28:左二滾珠軸承

31:殼主體

32:殼右側蓋

33:殼左側蓋

34:螺絲

35:右一滾珠軸承

36:左一滾珠軸承

37:右側密封件

38:左側密封件

41:輪轂中心定軸

411:定軸階梯

42:齒圈支架

43:左側平鍵

44:左一C型扣環

45:左二C型扣環

46:右側平鍵

47:右側C型扣環

51:中心齒輪

52:惰輪

53:輪盤

54:齒圈

圖1係無刷有齒輪轂電機裡的齒輪減速機構的實際圖。

圖2係本發明二階漸開線行星齒輪減速機構的示意圖。

圖3係本發明二階漸開線行星齒輪減速機構的分解示意圖。

圖4係本發明實施例電動自行車助力裝置的立體圖。

圖5係本發明實施例電動自行車助力裝置的分解圖，其中殼主體與習知之配件如軸承、螺絲、密封件並未繪示。

圖6係本發明實施例電動自行車助力裝置的剖視圖。

為利 貴審查委員能進一步瞭解本發明的技術特徵與手段，茲以具體實施例並配合圖示加以詳細說明如後：請同時參閱圖4至圖6，圖4係本發明實施例電動自行車助力裝置的立體圖；圖5係本發明實施例電動自行車助力裝置的分解圖，其中殼主體與習知之配件如滾珠軸承27、28、35、36，螺絲15、24，密封件37、38並未繪示；圖6係本發明實施例電動自行車助力裝置的剖視圖。在本發明實施例電動自行車助力裝置包括二階行星齒輪減速機構、外轉子式輪轂電機以及輪轂外殼這三個次組合件，前面兩個次組合件裝設於輪轂外殼內部，並藉由支撐和連接構件將這三個次組合件組裝成具本發明功效的具二 階行星齒輪減速傳動機構之外轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置。

支撐和連接構件包括輪轂中心定軸41與齒圈支架42。輪轂中心定軸41的一部份是裝設在輪轂外殼的內部，一部分是在輪轂外殼之外部並可藉由螺母(未繪出)鎖固於車架的前叉或後叉上(未繪出)。齒圈支架42與輪轂中心定軸41之間除了做干涉配合，並利用左側平鍵43做周向定位以及左一C型扣環44與左二C型扣環45做軸向定位。

輪轂外殼包括殼主體31、殼右側蓋32與殼左側蓋33，三者藉由螺絲34做接合。實際應用時，輪轂外殼可藉由幅條(未繪出)連接輪框(未繪出)，並由輪轂外殼帶動輪圈轉動。

外轉子式輪轂電機包括一外轉子21、一個裝設於外轉子內側的內定子22以及輪轂轉軸23。內定子22與輪轂中心定軸41之間除了做干涉配合，並利用右側平鍵46做周向定位以及與輪轂中心定軸41一體的定軸階梯411與右側C型扣環47做軸向定位；外轉子21則藉由輪轂中心定軸41上的右二滾珠軸承27與右三滾珠軸承28在內定子外旋轉。輪轂轉軸23藉由螺絲24鎖固於外轉子21，並隨外轉子21一起轉動做為輸入旋轉件。

輪轂轉軸23包括了右側偏心轉軸25與左側偏心轉軸26，三者是接合成一體的或一體成形，其中偏心距通常只有幾公釐。輪轂轉軸23為中空軸與輪轂中心定軸41存在間隙。圖6的剖視圖中的右偏心轉軸25與左偏心轉軸26乃將兩偏心轉軸配置在同一方向，實際實施時也可以反方向配置(但仍為一體的構件)，以消除偏心距引起的搖動力矩。

二階漸開線行星齒輪減速機構包括左側行星輪11、左側齒圈12、右側行星輪13與右側齒圈14。左側偏心轉軸26與右側偏心轉軸25分別帶 動左側行星輪11與右側行星輪13，而且左側行星輪11與右側行星輪13接合成一體(或一體成形)，左側齒圈12藉由螺絲15固定於齒圈支架42，右側齒圈14干涉配合裝設於殼主體31內。

本發明之外轉子式輪轂電機助力裝置其減速增力的運動為做輸入旋轉件的輪轂轉軸23的左側偏心轉軸26帶動左側行星輪11繞固定的左側齒圈12做行星運動而右側偏心轉軸25帶動右側行星輪13做行星運動，與此同時，右側行星輪13與左側行星輪11接合成一體(或一體成形)一起旋轉，由右側行星輪13帶動右側齒圈14做旋轉運動，再由干涉配合於殼主體31內的右側齒圈14帶動輪轂外殼做輸出轉動。

輪轂外殼分別藉由右一滾珠軸承35與左一滾珠軸承36在輪轂中心定軸41上做輸出旋轉運動。

綜上所述，本發明實施例之外轉子式輪轂電機使用二階漸開線少齒差行星齒輪減速機構具有以較小尺寸之齒輪即可達成高減速比和大幅提升助力效果之特性，其與市面上外轉子式輪轂電機使用之定心齒輪減速機等習知技術相較，明顯具備功效之增進，具有進步性。另本發明申請前並未見於刊物，其新穎性亦毋庸置疑。本創作合於專利法之規定，爰依法提出發明專利之申請，祈請惠予審查並賜予專利，實感德便。

11:左側行星輪

12:左側齒圈

13:右側行星輪

14:右側齒圈

15:螺絲

21:外轉子

22:內定子

23:輪轂轉軸

24:螺絲

25:右側偏心轉軸

26:左側偏心轉軸

27:右二滾珠軸承

28:左二滾珠軸承

31:殼主體

32:殼右側蓋

33:殼左側蓋

34:螺絲

35:右一滾珠軸承

36:左一滾珠軸承

37:右側密封件

38:左側密封件

41:輪轂中心定軸

411:定軸階梯

42:齒圈支架

43:左側平鍵

44:左一C型扣環

45:左二C型扣環

46:右側平鍵

47:右側C型扣環

Claims (3)

1. 具二階行星齒輪減速傳動機構之外轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置，包括：支撐和連接構件，包括輪轂中心定軸，可連接於車架的前叉或後叉上；輪轂外殼，包括殼主體、殼右側蓋與殼左側蓋，可連接與帶動輪圈轉動；外轉子式輪轂電機，包括一外轉子、一個裝設於外轉子內側的內定子以及帶有偏心轉軸之輪轂轉軸，包括了右側偏心轉軸與左側偏心轉軸，三者是接合成一體或一體成形，並藉由螺絲鎖固於外轉子，並隨外轉子一起轉動；二階行星齒輪減速機構，一種能以較少齒數即可達成高減速比的傳動機構；其特徵在於：二階行星齒輪減速機構，包括左側行星輪、左側齒圈、右側行星輪、右側齒圈以及齒圈支架，其中齒圈支架與輪轂中心定軸之間除了做干涉配合，並利用平鍵做周向定位以及兩個C型扣環做軸向定位；右側行星輪與左側行星輪接合成一體(或一體成形)；左側齒圈藉由螺絲鎖固定於齒圈支架；右側齒圈藉由干涉配合裝設於殼主體內；做輸入旋轉件的輪轂轉軸的左側偏心轉軸帶動左側行星輪繞固定的左側齒圈做行星運動而右側偏心轉軸帶動右側行星輪做行星運動，與此同時，由右側行星輪帶動右側齒圈做旋轉運動，再由干涉配合於殼主體內的右側齒圈帶動輪轂外殼做輸出轉動。
2. 如請求項1所述具二階行星齒輪減速傳動機構之外轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置，其中，內定子與輪轂中心定軸之間除了做干涉配合，並利用平鍵做周向定位以及與輪轂中心定軸一體的階梯和C型扣環做軸向定位；外轉子則藉由輪轂中心定軸上的兩個軸承 的階梯和C型扣環做軸向定位；外轉子則藉由輪轂中心定軸上的兩個軸承在內定子外旋轉。
3. 如請求項1所述具二階行星齒輪減速傳動機構之外轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置，其中，具殼右側蓋與殼左側蓋的輪轂外殼同時藉由左右兩側的滾珠軸承在輪轂中心定軸上做輸出旋轉運動。

Images