TW201300278A - 電動自行車之變速機構 - Google Patents

Abstract

本發明有關於一種電動自行車之變速機構，包含有一控制單元、一變速驅動單元，以及一連接變速驅動單元與控制單元之變速線，其中，控制單元所需的變速換檔拉力(F1)、變速驅動單元的輸出扭力(T)、變速驅動單元之捲線盤半徑(R)，以及變速線的彎曲半徑(r)之間將滿足以下關係：r≦R≦(T/F1)，藉此便能在變速驅動單元可以驅動控制單元進行換檔的條件下，計算出變速線的最小彎曲半徑，如此便能減少對電力的需求而選用適當的電動馬達，讓本發明之變速機構達到輕量化的需求。

Description

電動自行車之變速機構

本發明與電動自行車有關，特別是指一種電動自行車之變速機構。

面對全球自行車運動與休閒人口的與日俱增及環保意識抬頭的趨勢，自行車不但要兼具運動休閒與短程代步的功能之外，結構設計上也要能兼顧舒適與流行，同時又要具備輕量化的特性，藉以符合現代人的需求。

就電動自行車來說，除了具有一般自行車的構造之外，另外還包含了驅動馬達與電池組來作為輔助動力源，為了讓騎乘者能有多種速度的選擇，通常會再安裝一組變速機構，但是這些機構會讓整台車體增加相當多的重量，勢必將無法滿足輕量化的要求，而在這些機構當中又以變速機構為目前業界的核心技術，因此，如何針對變速機構進行輕量化的研發改良，實為本發明之所欲解決的困難點所在。

本發明之主要目的在於提供一種電動自行車之變速機構，其可設定出變速線的最小彎曲半徑，以減少對電力的需求而選用適當的動力源，以達到輕量化的目標。

本發明之次一目的在於提供一種電動自行車之變速機構，其可設定出變速線之疲勞限值，以確保變速線的使用壽命。

本發明之又一目的在於提供一種電動自行車之變速機構，其可設定出捲線盤的最大半徑限制，以避免變速線的捲線行程產生誤差。

為了達成上述目的，本發明之變速機構包含有一控制單元、一變速驅動單元，以及一變速線，該控制單元具有一變速控制件，該變速控制件所需的變速換檔拉力定義為F₁；該變速驅動單元具有一電動馬達與一連接該電動馬達之捲線盤，該變速驅動單元的輸出扭力定義為T，該捲線盤的半徑定義為R；該變速線連接於該變速驅動單元之捲線盤與該控制單元之變速控制件之間，可受該變速驅動單元之驅動而帶動該控制單元進行變速換檔作業，而且，該變速線的彎曲半徑定義為r，r滿足以下公式：r≦R≦(T/F₁)。藉由上述計算公式便能在該變速驅動單元可以驅動該控制單元進行換檔的條件下，計算出該變速線的最小彎曲半徑，接著即可根據該變速線的彎曲半徑而選用適當的電動馬達，讓本發明之變速機構達到輕量化的目的。

更進一步來說，該變速控制件所需的變速換檔拉力(F₁)必須要小於該變速線之疲勞限值(F_limit)，以確保該變速線的使用壽命；另一方面，該捲線盤的半徑R滿足以下公式：R≧(D+L)/(2π)，其中，D為該變速線在最大變速換檔行程中所需的直線行程距離，L為該捲線盤供該變速線固定的長度，π為圓周率，如此即可計算出該捲線盤的最大半徑，以避免該變速線捲繞於該捲線盤的行程超過一圈而產生不必要的誤差。

為了詳細說明本發明之結構、特徵及功效所在，茲列舉三較佳實施例並配合下列圖式說明如後。

請參閱第一圖，為本發明第一較佳實施例所提供之電動自行車之變速機構10，包含有一控制單元20、一變速驅動單元30，以及一變速線40。

控制單元20具有一變速控制件22。

如第二及三圖所示，變速驅動單元30具有一電動馬達32、一減速蝸輪34，以及一捲線盤36，其中，電動馬達32具有一蝸桿322；減速蝸輪34嚙合於電動馬達32之蝸桿322，可受蝸桿322的驅動而轉動；捲線盤36設於減速蝸輪34之一側面，可隨著減速蝸輪34同步轉動，另外，捲線盤36之外周面具有一環槽362及一與環槽362正交之溝槽364。

變速線40之兩端分別具有一頭部42，其中一頭部42固定於捲線盤36之溝槽364內，另一頭部42固定於變速控制件22，使得變速線40連接於變速驅動單元30之捲線盤36與控制單元20之變速控制件22之間，可受變速驅動單元30之捲線盤36的拉動而捲繞於捲線盤36之環槽362內，並在受拉力的過程中同步帶動控制單元20進行變速換檔作業。

以上為本發明之變速機構10的結構，以下再就本發明之計算公式、數值計算及特色進行說明。

首先將變速控制件22所需的變速換檔拉力定義為F₁，F₁在本實施例中為5 Kg，接著計算出變速驅動單元30的輸出扭力T，T滿足公式(1)：T=T₁×R_t×η，其中，T₁為電動馬達32的原始輸出扭力，R_t為減速蝸輪34的減速比，η為變速驅動單元30的傳動效率，在本實施例中，T₁為0.82 Kg-cm，R_t為1：16，η為65%，將前述數值代入公式(1)可以得到T=0.82×16×0.65=8.528 Kg-cm，接著將T與F₁相除之下可以得到捲線盤36的最大設計半徑=T/F₁=8.528/5=1.705 cm。

然而，為了避免變速線40在捲線盤36的捲線行程超過一圈而產生誤差，變速線40的彎曲半徑r與捲線盤36的半徑R之間要滿足公式(2)：r≦R≦(T/F₁)，而且，捲線盤36的半徑R要滿足公式(3)：R≧(D+L)/(2π)，其中，D為變速線40在最大變速換檔行程中所需的直線行程距離，L為捲線盤36供變速線40固定的長度，亦即為溝槽364的長度，π為圓周率，在本實施例中，D為3cm，L為0.48 cm，將前述數值帶入公式(3)可以得到(D+L)/(2π)=(3+0.48)/(2π)=0.554 cm，由此可知，捲線盤36的半徑R不得小於0.554 cm，最後再由公式(2)可以得到變速線40的最小彎曲半徑r≦0.554cm≦1.705cm。

另一方面，因不同材質之變速線40具有不同的疲勞限值，為了確保變速線40的使用壽命，變速線40之疲勞限值必須要大於變速控制件22所需的變速換檔拉力，亦即兩者之間要滿足公式(4)：F_limit＞F₁，其中，F_limit為變速線40之疲勞限值，F₁為變速控制件22所需的變速換檔拉力，藉由公式(4)可以得到變速線40的疲勞限值要大於5 Kg。因此，由公式(2)及公式(4)可以得知本實施例之變速機構10所適用之變速線40的最小彎曲半徑不得大於0.554cm，且變速線40的疲勞限值要大於5 Kg。

為了因應設計上的不同需求，以下再用兩個實施例就兩組不同數據進行計算，以便在不同配備的條件下求出變速線40的最小彎曲半徑、捲線盤36的最大半徑，以及變速線40的疲勞限值。

在第二實施例中，變速控制件22所需的變速換檔拉力F₁為6 Kg，電動馬達32的原始輸出扭力T₁為0.5 Kg-cm，減速蝸輪34的減速比R_t為1：35，變速驅動單元30的傳動效率η為70%，將前述數值代入公式(1)可以得到第二實施例之電動馬達32的輸出扭力T=0.5×35×0.7=12.25 Kg-cm，接著將T與F₁相除之下可以得到捲線盤36的最大設計半徑=T/F₁=12.25/6=2.042 cm，接著利用公式(3)計算捲線盤36的半徑R，在第二實施例中，D為5 cm，L為0.6 cm，將D跟L的數值代入公式(3)可以得到R≧(5+0.6)/(2π)=0.891 cm，亦即第二實施例之捲線盤36的半徑R不得小於0.891 cm，接著再由公式(2)得到變速線40的最小彎曲半徑r≦0.891 cm≦2.042 cm，最後再利用公式(4)得知變速線40的疲勞限值要大於6 Kg。因此，第二實施例所適用之變速線40的最小彎曲半徑不得大於0.892 cm，且變速線40的疲勞限值要大於6 Kg。

在第三實施例中，變速控制件22所需的變速換檔拉力F₁為5.5 Kg，電動馬達32的原始輸出扭力T₁為0.75 Kg-cm，減速蝸輪34的減速比R_t為1：22，變速驅動單元30的傳動效率η為75%，將前述數值代入公式(1)可以得到電動馬達32的輸出扭力T=0.75×22×0.75=12.375 Kg-cm，接著將T與F₁相除之下可以得到捲線盤36的最大設計半徑=T/F₁=12.375/5.5=2.25 cm，接著利用公式(3)計算捲線盤36的半徑R，在第三實施例中，D為5 cm，L為0.6 cm，將D跟L的數值代入公式(3)可以得到R≧(3.5+0.55)/(2π)=0.645 cm，亦即第二實施例之捲線盤36的半徑R不得小於0.645 cm，接著即可由公式(2)得到變速線40的最小彎曲半徑r≦0.645 cm≦2.042 cm，最後再利用公式(4)得知變速線40的疲勞限值要大於5.5 Kg。因此，第三實施例所適用之變速線40的最小彎曲半徑不得大於0.645 cm，且變速線40的疲勞限值要大於5.5 Kg。

綜合以上所述，本發明之變速機構可以根據不同需求而計算出最適用的變速線，以減少對電力的需求而選用適當的動力源，並且能避免變速線的捲線行程產生誤差，同時又可確保變速線的使用壽命，藉以達到本發明之目的。

本發明於前揭實施例中所揭露的構成元件，僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍，其他等效元件的替代或變化，亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋。

10．．．變速機構

20．．．控制單元

22．．．變速控制件

30．．．變速驅動單元

32．．．電動馬達

322．．．蝸桿

34．．．減速蝸輪

36．．．捲線盤

362．．．環槽

364．．．溝槽

40．．．變速線

42．．．頭部

第一圖為本發明一較佳實施例之立體圖。

第二圖為本發明一較佳實施例之局部立體分解圖。

第三圖為本發明一較佳實施例之局部平面圖，主要顯示變速線與捲線盤之間的關係。

10．．．變速機構

20．．．控制單元

22．．．變速控制件

30．．．變速驅動單元

40．．．變速線

42．．．頭部

Claims (13)

1. 一種電動自行車之變速機構，包含有：一控制單元，具有一變速控制件，該變速控制件所需的變速換檔拉力定義為F₁；一變速驅動單元，具有一電動馬達與一連接該電動馬達之捲線盤，該變速驅動單元的輸出扭力定義為T，該捲線盤的半徑定義為R；以及一變速線，連接於該變速驅動單元之捲線盤與該控制單元之變速控制件之間，可受該變速驅動單元之驅動而帶動該控制單元進行變速換檔作業，該變速線的彎曲半徑定義為r，r滿足以下公式：r≦R≦(T/F₁)。
2. 如請求項1所述之電動自行車之變速機構，其中該變速線之疲勞限值定義為F_limit，F_limit＞F₁。
3. 如請求項1所述之電動自行車之變速機構，其中該捲線盤的半徑R滿足以下公式：R≧(D+L)/(2π)，D為該變速線在最大變速換檔行程中所需的直線行程距離，L為該捲線盤供該變速線固定的長度，π為圓周率。
4. 一種電動自行車之變速機構，包含有：一控制單元，具有一變速控制件，該變速控制件所需的變速換檔拉力定義為F₁；一變速驅動單元，具有一電動馬達與一連接該電動馬達之捲線盤；以及一變速線，連接於該變速驅動單元之捲線盤與該控制單元之變速控制件之間，可受該變速驅動單元之驅動而帶動該控制單元進行變速換檔作業，該變速線之疲勞限值定義為F_limit且滿足以下公式：F_limit＞F₁。
5. 如請求項4所述之電動自行車之變速機構，其中該變速驅動單元的輸出扭力定義為T，該捲線盤的半徑定義為R，該變速線的彎曲半徑定義為r，r滿足以下公式：r≦R≦(T/F₁)。
6. 如請求項5所述之電動自行車之變速機構，其中該捲線盤的半徑R滿足以下公式：R≧(D+L)/(2π)，D為該變速線在最大變速換檔行程中所需的直線行程距離，L為該捲線盤供該變速線固定的長度，π為圓周率。
7. 一種電動自行車之變速機構，包含有：一控制單元，具有一變速控制件；一變速驅動單元，具有一電動馬達與一連接該電動馬達之捲線盤，該捲線盤的半徑定義為R；以及一變速線，連接於該變速驅動單元之捲線盤與該控制單元之變速控制件之間，可受該變速驅動單元之驅動而帶動該控制單元進行變速換檔作業；其中，該捲線盤的半徑R滿足以下公式：R≧(D+L)/(2π)，D為該變速線在最大變速換檔行程中所需的直線行程距離，L為該捲線盤供該變速線固定的長度，π為圓周率。
8. 如請求項7所述之電動自行車之變速機構，其中該變速控制件所需的變速換檔拉力定義為F₁，該變速驅動單元的輸出扭力定義為T，該變速線的彎曲半徑定義為r，r滿足以下公式：r≦R≦(T/F₁)。
9. 如請求項8所述之電動自行車之變速機構，其中該變速線之疲勞限值定義為F_limit，F_limit＞F₁。
10. 如請求項3或6或7所述之電動自行車之變速機構，其中該捲線盤之外周面具有一環槽及一與該環槽正交之溝槽，該環槽供該變速線捲繞，該溝槽供該變速線之一端固定且該溝槽的長度定義為L。
11. 如請求項10所述之電動自行車之變速機構，其中該變速線之兩端分別具有一頭部，其中一該頭部固定於該捲線盤之溝槽內，另一該頭部固定於變速控制件。
12. 如請求項1或4或7所述之電動自行車之變速機構，其中該變速驅動單元具有一減速蝸輪，該電動馬達具有一蝸桿，該減速蝸輪嚙合該蝸桿且供該捲線盤設置。
13. 如請求項12所述之電動自行車之變速機構，其中該變速驅動單元的輸出扭力T滿足以下公式：T=T₁×R_t×η，其中，T₁為該電動馬達的原始輸出扭力，R_t為該減速蝸輪的減速比，η為該變速驅動單元的傳動效率。