TWM520498U - 無段變速控制系統與應用此無段變速控制系統之自行車 - Google Patents

Description

無段變速控制系統與應用此無段變速控 制系統之自行車

本新型是有關於一種無段變速控制系統與應用此無段變速控制系統之自行車。

電助自行車係一種利用馬達提供之電助力搭配騎乘者踩踏力量而獲得前進動力的自行車。由於電助自行車可減少騎乘者騎乘時之體力負擔，同時也可讓騎乘者在休閒之餘達到健身的效果，電助自行車於近年來市場持續成長和發展。

自行車為因應不同的騎乘路況，其傳動系統通常皆配備由撥鏈器所構成之變速器，以提供不同的齒輪比變換。然而，此撥鏈式變速器存在著變速不平穩及鏈條脫落等問題。此外，電助系統若末與變速器合適的搭配，例如在低踩踏轉速區使用高增速比、高踩踏轉速區卻搭配低增速比等，將導致電助系統的效果下降。對使用者而言，同時亦須 考量電助系統的控制面板以及變速器之轉速比選擇，過多的控制選擇將造成騎乘者的困擾。

本新型之一目的為提供一種無段變速控制系統與應用此無段變速控制系統之電助自行車，其可連續性地調整輸入及輸出間轉速比，此種轉速比調變的過程即為無段變速，透過設計輔助馬達的轉速比調控曲線特性，在不同踩踏轉速提供騎乘者合適的轉速比及輔助力。

根據本新型之上述目的，提出一種無段變速控制系統，此系統由輔助馬達、行星齒輪組(包含行星臂、環齒輪、太陽齒輪及行星齒輪)與轉速比控制器所組成。輔助馬達透過連接環齒輪提供動力輔助。行星臂機械連接至自行車腳踏板，傳遞使用者提供之主動力。行星齒輪組結合由行星臂所傳遞之主動力及環齒輪提供之輔助動力，於太陽齒輪輸出主動力與輔助動力所混合之動力。轉速比控制器以電性連接至輔助馬達，並根據行星臂轉速來調整傳動控制參數(α)之值，以控制輔助馬達(即環齒輪)之轉速，其中w _r =αw _c ，w _r 為調控端輔助馬達轉速，w _c 為輸入端之行星臂轉速。

再者，根據本新型之上述目的，提出一種電助自行車。此電助自行車包含踩踏板與無段變速控制系統。踩踏板係用以供使用者踩踏，以提供主動力的來源。無段變速控制系統包含輔助馬達、行星齒輪組(包含行星臂、環齒輪、太陽齒輪及傳動齒輪組)以及轉速比控制器。輔助馬達用以 輸出輔助動力。行星臂用以承載使用者提供之主動力。行星齒輪連接至行星臂，以接收行星臂所傳遞之主動力。環齒輪用以接收輔助動力，其中環齒輪具有內齒部，內齒部囓合於行星齒輪。太陽齒輪設置於環齒輪中且囓合於行星齒輪，以輸出主動力與輔助動力所混合之動力。轉速比控制器係電性連接至輔助馬達，用以根據輸入端行星齒臂轉速來調整一轉速比控制參數(α)之值，以控制輔助馬達轉速，其中w _r =αw _c ，w _r 為馬達轉速，w _c 行星臂轉速。

100‧‧‧電助自行車

110‧‧‧踩踏板

120‧‧‧無段變速控制系統

121‧‧‧輔助馬達

122‧‧‧行星臂

123‧‧‧行星齒輪

124‧‧‧環齒輪

125‧‧‧太陽齒輪

126‧‧‧前鍊條齒盤

130‧‧‧電池

CON‧‧‧轉速比控制器

為了更完整了解實施例及其優點，現參照結合所附圖式所做之下列描述，其中：〔圖1〕係繪示根據本新型實施例之電助自行車的結構示意圖；〔圖2〕係繪示根據本新型實施例之無段變速控制系統的結構示意圖；〔圖3〕係繪示根據本新型實施例之α值與行星臂轉速w _c 的關係示意圖；以及〔圖4〕係繪示根據本新型實施例之輸出端太陽齒輪轉速w _s 與輸入端行星臂轉速w _c 之比值(w _s /w _c )其與行星臂轉速w _c 的關係示意圖。

請參照圖1，其係繪示根據本新型一實施例之電助自行車100的結構示意圖。電助自行車100包含踩踏板110、無段變速控制系統120以及電池130。踩踏板110係用以供使用者踩踏，以提供動力至無段變速控制系統120，進而使自行車前進。電池130係用以提供電力至無段變速控制系統120，以使無段變速控制系統120內的馬達提供動力來搭配使用者之主動力，減少使用者騎乘電助自行車100的負擔。

請參照圖2，其係繪示根據本新型實施例之無段變速控制系統120的結構示意圖。無段變速控制系統120包含輔助馬達121、轉速比控制器CON以及行星齒輪組。行星齒輪組包含行星臂122、複數個行星齒輪123、環齒輪124以及太陽齒輪125。行星齒輪組係設置於前鍊條齒盤126上，以混合使用者踩踏提供之主動力和輔助馬達之輔助動力，驅使電助自行車100前進。

在行星齒輪組中，環齒輪124係環繞太陽齒輪125，而行星齒輪123則設置於環齒輪124與太陽齒輪125之間，以分別囓合環齒輪124與太陽齒輪125。具體而言，環齒輪124具有內齒部，此內齒部囓合於複數個行星齒輪123，而太陽齒輪125設置於複數個行星齒輪123之間並與其囓合。

行星臂122係連接於行星齒輪123與踩踏板110之間，透過踩踏板110承載使用者提供之主動力，並將主動力透過行星臂122傳遞至行星齒輪123。環齒輪124係 用以接收輔助馬達121所提供之輔助動力，以使主動力和輔助動力於齒輪組中混合，再透過太陽齒輪125來輸出混合動力，驅使電助自行車100前進。

轉速比控制器CON係電性連接至輔助馬達121，以控制輔助馬達121之轉速來達成無段變速控制及動力輔助之效果。以下將介紹轉速比控制器CON如何達成無段變速控制之效果。

首先，設定w _r =αw _c ，其中w _r 為輔助馬達之轉速，w _c 為行星臂轉速。由各齒輪元件間的運動學轉速關係，太陽齒輪轉速(w _s )與馬達轉速之關係可以下列方程式來表示：

在本新型之實施例中，太陽齒輪125之半徑R _s 、行星臂122之長度R _c 以及環齒輪124之半徑R _r 的比值為1：2：3，因此太陽齒輪轉速(w _s )與馬達轉速之關係可以下列方程式來表示：

由上式可知，輸入至輸出的轉速比關係可透過控制α值來達到變轉速比的效果，因此在本新型之實施例中，轉速比控制器CON係根據騎乘者的踩踏轉速，即行星齒臂轉速w _c ，來控制α值而達成無段變速控制之效果。

請參照圖3，其係繪示根據本新型實施例之α值與行星臂轉速w _c 的關係示意圖。本新型之實施例係將自行車騎乘者的踩踏轉速劃分為三個操作區段：低踩踏轉速、中踩踏轉速以及高踩踏轉速，其中低踩踏轉速與中踩踏轉速係以一預設踩踏轉速下限值(w _refd )作為分界，而中踩踏轉速與高踩踏轉速則以一預設踩踏轉速上限值(w _refu )作為分界。根據圖3，α值可以下列方程式來表示：

由於一般青年合適的踩踏轉速約為60-80rpm，故在此定義預設中踩踏轉速區下限值w _refd 為40rpm，而預設中踩踏轉速區上限值w _refu 為80rpm。然而，本新型之實施例並不受限於此，在本新型之其他實施例中，預設中踩踏轉速區下限值w _refd 與上限值w _refu 可由電助自行車製造商自行定義。

請參照圖4，其係繪示根據本新型實施例之輸入至輸出的轉速比值(w _s /w _c )與行星臂轉速w _c 的關係示意圖。由圖4可看出，在行星臂轉速上升之過程中，轉速比亦隨此轉速上升而增加，符合一般自行車轉速比調整的概念， 即低踩踏轉速時需為低轉速比、高踩踏轉速時則需為高轉速比。

由以上說明可知。本新型實施例之無段變速控制系統120整合電助系統及變速系統，使用行星齒輪組將人力及馬達力結合，且在馬達改變輸入及輸出轉速比值過程中為連續無段變速。透過設計馬達調控轉速比的曲線，在不同騎乘情況下提供合適的轉速比及輔助力。另外，針對車速過高之情況，本新型實施例亦可提供過速保護之機制。例如，根據下列方程式來設定過速保護之機制：當時

其中，w _lim為速度上限值。

在本實施例中，w _lim之值訂為330rpm，但本新型之實施例並不受限於此，在本新型之其他實施例中w _lim之值可由電助自行車製造商自行決定。當行星臂轉速w _c 大於 時，此過速保護機制會啟動，使得輔助馬達121從靜止再次啟動(高踩踏轉速時馬達維持靜止、不提供動力輔助)，以降低轉速比，使輸出端轉速w _s 不超過速度上限值w _lim。

值得一提的是，本新型實施例之齒輪組配置方式並不受限於上述實施例。例如，在本新型之前述實施例中，行星臂123係作為行星齒輪組的輸入端，環齒輪124為行星齒輪組的控制端(第二輸入端)，而太陽齒輪125則作為行星齒輪組的輸出端。上述的配置係應用於自行車的增速需求。然而，在本新型的其他實施例中，太陽齒輪125係可作 為行星齒輪組的輸入端，環齒輪124做為行星齒輪組的控制端，而行星臂123改為行星齒輪組的輸出端。如此配置可適用於汽車的減速需求。例如，在此實施例中，太陽齒輪125所傳遞的主動力來源為汽車引擎輸出的動力，環齒輪124接收輔助馬達之輔助動力，而行星臂123則輸出引擎動力與輔助動力之混合動力，亦達到無段變速之功效。

雖然本新型已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本新型，任何熟習此技藝者，在不脫離本新型之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本新型之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

110‧‧‧踩踏板

121‧‧‧輔助馬達

122‧‧‧行星臂

123‧‧‧行星齒輪

124‧‧‧環齒輪

125‧‧‧太陽齒輪

126‧‧‧前鍊條齒盤

CON‧‧‧轉速比控制器

Claims (10)

1. 一種無段變速控制系統，包含：一輔助馬達，用以提供一輔助動力；一行星齒輪組，包含：一輸入端，用以接收一主動力；一控制端，用以接收該輔助動力；以及一輸出端，用以混合該主動力和該輔助動力，以輸出一混合動力；以及一轉速比控制器，電性連接至該輔助馬達，用以根據該輸入端之轉速來調整一轉速比控制參數(α)之值，控制該輔助馬達之一馬達轉速，其中：W _r =αW _c 其中W _r 為該馬達轉速，W _c 為該輸入端之轉速。
2. 如請求項第1項所述之無段變速控制系統，其中該輸入端包含一行星臂，該控制端包含一環齒輪，該輸出端包含一太陽齒輪，其中該環齒輪環繞該太陽齒輪，複數個行星齒輪囓合於該環齒輪與該太陽齒輪之間，該行星臂連接至該行星齒輪，該輸入端之轉速為該行星臂之轉速。
3. 如請求項第2項所述之無段變速控制系統，其中該太陽齒輪之一太陽齒輪轉速與該行星臂及該馬達轉速之關係為： 其中W _s 為該太陽齒輪轉速，R _s 該太陽齒輪之半徑，R _c 為該行星臂之長度，R _r 該環齒輪之半徑。
4. 如請求項第3項所述之無段變速控制系統，其中R _s 、R _c 、R _r 之比值為1：2：3。
5. 如請求項第4項所述之無段變速控制系統，其中： 其中，W _refd 為一預設中踩踏轉速區下限值，W _refu 為一預設中踩踏轉速區上限值。
6. 如請求項第5項所述之無段變速控制系統，其中該預設中踩踏轉速區下限值為40rpm，該預設中踩踏轉速區上限值為80rpm。
7. 如請求項第1項所述之無段變速控制系統，其中該輸入端包含一太陽齒輪，該控制端包含一環齒輪，該輸出端包含一行星臂，其中該環齒輪環繞該太陽齒輪，複數個行星齒輪囓合於該環齒輪與該太陽齒輪之間。
8. 一種電助自行車，包含：一踩踏板，用以供一使用者踩踏，以提供一主動力來源；一無段變速控制系統，包含：一輔助馬達，用以輸出一輔助動力；一行星臂，連接至該踩踏板，以傳遞該使用者所提供之該主動力；一行星齒輪，連接至該行星臂，以接收該行星臂所傳遞之該主動力；一環齒輪，用以接收該輔助動力，其中該環齒輪具有一內齒部，該內齒部囓合於該些行星齒輪；一太陽齒輪，設置於該環齒輪中且囓合於該些行星齒輪，以輸出該主動力與該輔助動力所混合之一混合動力；以及一轉速比控制器，電性連接至該輔助馬達，用以根據該行星臂之轉速來調整一轉速比控制參數(α)之值，以控制該輔助馬達之一馬達轉速，其中：W _r =αW _c 其中W _r 為該馬達轉速，W _c 為該行星臂轉速。
9. 如請求項第8項所述之電助自行車，其中該太陽齒輪之一太陽齒輪轉速與該馬達轉速之關係為： 其中W _s 為該太陽齒輪轉速，R _s 該太陽齒輪之半徑，R _c 為該行星臂之半徑，R _r 該環齒輪之半徑，R _s 、R _c 、R _r 之比值為1：2：3。
10. 如請求項第9項所述之電助自行車，其中： 其中，W _refd 為一預設中踩踏轉速區下限值，W _refu 為一預設中踩踏轉速區上限值。