TWI805512B

TWI805512B - 具有四段橢圓弧線之自行車鏈輪結構及其設計方法

Info

Publication number: TWI805512B
Application number: TW111139680A
Authority: TW
Inventors: 張信良; 安迪黎; 王議弘
Original assignee: 國立虎尾科技大學
Priority date: 2022-10-19
Filing date: 2022-10-19
Publication date: 2023-06-11
Also published as: JP2024060595A; JP7541409B2; TW202417312A

Abstract

本發明透過右左腳踩踏力測試步驟、重要參數產生步驟、輪廓形狀產生步驟及最終齒型完成步驟，而於一鏈輪結構上具有一鏈輪旋轉中心、一第一X軸半徑、一第一Y軸半徑、一第二X軸半徑及一第二Y軸半徑。第一Y軸半徑等於第一X軸半徑；第一X軸半徑除以第二X軸半徑，以及第二Y軸半徑除以第一Y軸半徑，皆等於一右左腳踩踏力比值；其係被定義為一使用者之右腳踩踏力除以左腳踩踏力之數值。又，一鏈輪外緣係位於鏈輪結構之外圍，其由一上方點、一右方點、一下方點、一左方點、第一橢圓弧線、一第二橢圓弧線、一第三橢圓弧線及一第四橢圓弧線構成。本案兼具鏈輪結構採用獨特四段橢圓弧線具有較佳之效率，及可對不同使用者客製其自行車之鏈輪結構等優點。

Description

具有四段橢圓弧線之自行車鏈輪結構及其設計方法

本發明係有關一種具有四段橢圓弧線之自行車鏈輪結構及其設計方法，尤指一種兼具鏈輪結構採用獨特四段橢圓弧線具有較佳之效率，及可對不同使用者客製其自行車之鏈輪結構之具有四段橢圓弧線之自行車鏈輪結構及其設計方法。

傳統之自行車鏈輪，最廣泛使用的是圓形，如第5圖所示，不論是X方向、Y方向或其他方向之半徑R均相等，換言之，不論左腳或右腳踩踏時，所產生之力臂是固定的。

然而，很多高階使用者(例如自行車選手)，追求時間快一點或效率高一點，其比賽成績就會有很大的差異。

在這些高階使用者中，有許多人是左腳的踩踏力與右腳的踩踏力不同。

基於前述考量，假設某使用者是右腳踩踏力較強，而傳統圓形之鏈輪並無法將較強之右腳踩踏力轉換為較大之力矩。

雖然，現今已有業者(例如中華民國發明專利第I722688號之具有由四段橢圓弧線組成之複合式鏈輪之自行車)發產出非圓形之鏈輪，然而，其設計上非常複雜，使得業者不願意採用，或採用難度很高。

有鑑於此，必須研發出可解決上述習用缺點之技術。

本發明之目的，在於提供一種具有四段橢圓弧線之自行車鏈輪結構及其設計方法，其兼具鏈輪結構採用獨特四段橢圓弧線具有較佳之效率，及可對不同使用者客製其自行車之鏈輪結構等優點。特別是，本發明所欲解決之問題係在於傳統圓形之鏈輪無法將使用者之較強之某一腳的踩踏力轉換為較大之力矩，以及公知非圓形鏈輪設計上非常複雜，使得業者不願意採用，或採用難度很高等問題。

解決上述問題之技術手段係提供一種具有四段橢圓弧線之自行車鏈輪結構及其設計方法，關於自行車鏈輪結構，係包括：一鏈輪結構，係具有一鏈輪旋轉中心、一第一X軸半徑、一第一Y軸半徑、一第二X軸半徑及一第二Y軸半徑；該第一Y軸半徑係等於該第一X軸半徑；該第一X軸半徑除以該第二X軸半徑之值，恰等於一右左腳踩踏力比值；該右左腳踩踏力比值係被定義為一使用者之一右腳踩踏力除以該使用者之一左腳踩踏力之數值；該第二Y軸半徑除以該第一Y軸半徑之值，恰等於該右左腳踩踏力比值；及一鏈輪外緣，係位於該鏈輪結構之外圍，且該鏈輪外緣係具有一上方點、一右方點、一下方點、一左方點、一第一橢圓弧線、一第二橢圓弧線、一第三橢圓弧線及一第四橢圓弧線；該上方點、該右方點、該下方點及該左方點係分別位於該鏈輪旋轉中心之0度、90度、180度及270度方向；該第一橢圓弧線係介於該上方點及該右方點之間，該第二橢圓弧線係介於該右方點及該下方點之間，該第三橢圓弧線係介於該下方點及該左方點之間，該第四橢圓弧線係介於該左方點及該上方點之間。

至於自行車鏈輪結構之設計方法的部分，則包括下列步驟：一、右左腳踩踏力測試步驟；二、重要參數產生步驟；三、輪廓形狀產生步驟；及四、最終齒型完成步驟。

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：

10A:鏈輪結構

10B:鏈輪外緣

10C:右腳踩踏組件

10D:左腳踩踏組件

20:壓力感測單元

21:踩踏感測器

22:控制器

91:使用者

911:左腳

912:右腳

S1:右左腳踩踏力測試步驟

S2:重要參數產生步驟

S3:輪廓形狀產生步驟

S4:最終齒型完成步驟

FR:右腳踩踏力

FL:左腳踩踏力

C:鏈輪旋轉中心

RX1:第一X軸半徑

RX2:第二X軸半徑

RY1:第一Y軸半徑

RY2:第二Y軸半徑

P1:上方點

P2:右方點

P3:下方點

P4:左方點

L1:第一橢圓弧線

L2:第二橢圓弧線

L3:第三橢圓弧線

L4:第四橢圓弧線

R:半徑

第1圖係本發明之自行車鏈輪之示意圖。

第2圖係第1圖之簡化(截圓)之示意圖。

第3圖係本發明之檢測踩踏力設計之示意圖。

第4圖係本發明之設計方法之流程圖。

第5圖係公知自行車鏈輪之示意圖。

參閱第1、第2及第3圖，本發明係為一種具有四段橢圓弧線之自行車鏈輪結構及其設計方法，關於該自行車鏈輪結構的部分係包括：

一鏈輪結構10A，係具有一鏈輪旋轉中心C、一第一X軸半徑RX1、一第一Y軸半徑RY1、一第二X軸半徑RX2及一第二Y軸半徑RY2。該第一Y軸半徑RY1係等於該第一X軸半徑RX1；該第一X軸半徑RX1除以該第二X軸半徑RX2之值，恰等於一右左腳踩踏力比值；該右左腳踩踏力比值係被定義為一使用者91之一右腳踩踏力FR除以該使用者91之一左腳踩踏力FL之數值。該第二Y軸半徑RY2除以該第一Y軸半徑RY1之值，恰等於該右左腳踩踏力比值。

一鏈輪外緣10B，係位於該鏈輪結構10A之外圍，且該鏈輪外緣10B係具有一上方點P1、一右方點P2、一下方點P3、一左方點P4、一第一橢圓弧線L1、一第二橢圓弧線L2、一第三橢圓弧線L3及一第四橢圓弧線L4。該上方點P1、該右方點P2、該下方點P3及該左方點P4係分別位於該鏈輪旋轉中心C之0度、90度、180度及270度方向；該第一橢圓弧線L1係介於該上方點P1及該右方點P2之間，該第二橢圓弧線L2係介於該右方點P2及該下方點P3之間，該第三橢圓弧線L3係介於該下方點P3及該左方點P4之間，該第四橢圓弧線L4係介於該左方點P4及該上方點P1之間。

實務上，該右左腳踩踏力比值係介於1.14~1.26之間。

該右左腳踩踏力比值係以1.2為較佳數值。

本發明進一步可再包括：

一壓力感測單元20(如第3圖所示)，其包括至少一踩踏感測器21及一控制器22。該至少一踩踏感測器21係供該使用者91之一左腳911、一右腳912其中至少一者踩踏，進而分別產生該左腳踩踏力FL與該右腳踩踏力FR，並分別傳送至該控制器22，以供參考。

該至少一踩踏感測器21可為二個，而分別供該使用者91之該左腳911與該右腳912踩踏。

一右腳踩踏組件10C(如第1圖所示)；及一左腳踩踏組件10D；該右腳踩踏組件10C及該左腳踩踏組件10D皆係與該鏈輪旋轉中心C同軸，分別用以踩踏而驅動該自行車鏈輪結構。

參閱第4圖，關於本案之設計方法的部分，係包括下列步驟：

一、右左腳踩踏力測試步驟S1：設置一壓力感測單元20(如第3圖所示)，其包括至少一踩踏感測器21及一控制器22。該至少一踩踏感測器21係供一使用者91之一左腳911、一右腳912其中至少一者踩踏，進而分別產生一左腳踩踏力FL與一右腳踩踏力FR，並分別傳送至該控制器22，該右腳踩踏力FR除以該左腳踩踏力FL之數值係被定義為一右左腳踩踏力比值。

二、重要參數產生步驟S2：設置一鏈輪結構10A，並對應該右左腳踩踏力比值，而對該鏈輪結構10A定義出一鏈輪旋轉中心C、一第一X軸半徑RX1、一第一Y軸半徑RY1、一第二X軸半徑RX2及一第二Y軸半徑RY2。該第一Y軸半徑RY1係等於該第一X軸半徑RX1；該第一X軸半徑RX1除以該第二X軸半徑RX2之值，恰等於該右左腳踩踏力比值；且該第二Y軸半徑RY2除以該第一Y軸半徑RY1之值，恰等於該右左腳踩踏力比值。

三、輪廓形狀產生步驟S3：透過該重要參數產生步驟S2，產生一鏈輪外緣10B，其係位於該鏈輪結構10A外圍，該鏈輪外緣10B係具有一上方點P1、一右方點P2、一下方點P3、一左方點P4、一第一橢圓弧線L1、一第二橢圓弧線L2、一第三橢圓弧線L3及一第四橢圓弧線L4。該上方點P1、該右方點P2、該下方點P3及該左方點P4係分別位於該鏈輪旋轉中心C之0度、90度、180度及270度方向；該第一橢圓弧線L1係介於該上方點P1及該右方點P2之間，該第二橢圓弧線L2係介於該右方點P2及該下方點P3之間，該第三橢圓弧線L3係介於該下方點P3及該左方點P4之間，該第四橢圓弧線L4係介於該左方點P4及該上方點P1之間。

四、最終齒型完成步驟S4：該鏈輪外緣10B係可等比例放大或縮小±10%，以取得最小整數化之齒型與齒數，進而完成該鏈輪結構10A之設計者。

實務上，關於該右左腳踩踏力測試步驟S1的部分，當該使用者91之該左腳911或該右腳912分別用力對該踩踏感測器21(例如為薄膜壓力感測器)踩踏時，可分別收集到相對應之該左腳踩踏力FL與該右腳踩踏力FR，若該左腳911與該右腳912分別踩五次，再取其平均值，則可得到表1之數據。

關於本案之實驗測試，是進行下列兩種測試來分析：

[A]在相同的節奏(cadence)下進行比較。此實驗分析係以採用本案之該鏈輪結構10A與採用傳統34齒圓形鏈輪之情形下，分別進行踩踏自行車所得到之後輪速度。而四個不同之速度位階(speed level)分別為：位階一(90rpm)，位階二(95rpm)、位階三(100rpm)及位階四(105rpm)。選用這些階段之理由是因為可以達到最大的動力輸出，參考文獻為2020年之杜賓及瓦提爾(Turpin and Watier,2020)。實際測試結果如下列(表2)所示。

以位階一來看，152.59/148.72=1.0260；亦即，相較於傳統之圓形34齒之鏈輪型態，本案之鏈輪型態所產生之後輪速度，比傳統之圓形34齒之鏈輪型態快2.6%。而位階二至位階四之數據，亦可支持前述結論。

[B]在相同的後輪速度下進行比較。此實驗之目的是用來比較需要花多少曲軸動力以便達到相同之後輪轉速。藉此，可得知在不同的鏈輪設計下，其效率之差異。此實驗係採用前一實驗[A]中，本案之該鏈輪結構10A與傳統34齒圓形鏈輪分別產生之後輪速度。實際測試結果如下列之(表3)所示。

以各位階來看，在相同的後輪速度下所產生之向下行程動力，本案所需之動力較少，即可達到相同的節奏，各位階大約相差22.11%。這個結果可證明本案可用較少的動力，來達到相同的節奏，亦即，本案之效率較高。

本案之優點及功效可歸納如下：

[1]鏈輪結構採用獨特四段橢圓弧線具有較佳之效率。在高端之自行車選手中，任何比賽是差一點點就是輸贏的差別。特別是，當每踩踏一圈之效率差2.6%時，中距離比賽就可明顯感受到差異，而長距離比賽若相差2.6%之騎乘效率，則結果差異更明顯，因此，本案之設計獨特且效率較高。故，鏈輪結構採用獨特四段橢圓弧線具有較佳之效率。

[2]可對不同使用者客製其自行車之鏈輪結構。由於每個人之左腳及右腳之踩踏力可能不同，而本案利用簡單又特殊之方式即可達到客製化的目的，使每個自行車使用者之騎乘效率發揮到最高，達到可客製化之目的。故，可對不同使用者客製其自行車之鏈輪結構。

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。