TWI857590B - 縮小具高減速比之電動自行車助力裝置 - Google Patents

Abstract

一種縮小具高減速比之電動自行車助力裝置，包括二階漸開線少齒差行星齒輪減速機構、線性致動器、左側定軸、右側定軸與輪轂外殼，並藉由支撐和連接配件組裝而成，其中線性致動器裝置於二階漸開線少齒差行星齒輪減速機構的內部中空的空間，並鎖固於左側定軸和右側定軸，該線性致動器具有複數個徑向執行桿沿著周向依序以一個或兩個執行桿來驅動二階行星齒輪減速機構。與市面上或其它公告的發明專利採用內轉子式或外轉子式輪轂電機來帶動齒輪減速機構的電動自行車助力裝置技術相比較，明顯具有軸向尺寸縮小功效。

Description

縮小具高減速比之電動自行車助力裝置

本發明係有關於一種縮小具高減速比之電動自行車助力裝置，尤指一種可以實現更小型化、輕量化並提升助力效果的電動自行車助力裝置之技術。

由於環保加上之前疫情的影響，世界各大城市鼓勵市民以自行車作為交通工具，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。

目前市面上通用的電動自行車助力裝置乃使用輪轂電機(輪轂馬達)，可區分成外轉子式輪轂電機與內轉子式輪轂電機，又根據電機裡是否經過齒輪減速機構而區分成無齒輪轂電機與有齒輪轂電機。市售常用的有齒外轉子式輪轂電機裡的齒輪減速機構實際都是採用簡單定心齒輪系，包含太陽齒輪(輸入輪)、三個中間的惰輪和圈齒(輸出輪)，因此其減速比不高，例如具21齒的太陽齒輪和具93齒的圈齒其減速比才-4.4。新型專利第M484555號『具單向功能的自行車助力馬達』採用複式齒輪系內轉子式輪轂電機，銷接在同一軸的大徑齒部與小徑齒部分別與太陽齒輪(輸入輪)和齒圈(輸 出輪)嚙合，此種複式齒輪系的減速比經由配齒(如太陽齒輪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)可以得到比簡單定心齒輪系較高減速比(約-14)，但也需要大的齒輪配合。可見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。

無太陽輪的少齒差的行星齒輪減速機構相較有太陽輪的定心輪系(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。無太陽輪的少齒差的行星齒輪減速機構包含擺線針輪減速機、諧波減速機、一階與二階漸開線少齒差行星齒輪減速機構(即K-H-V與2K-H少齒差行星齒輪減速機構)。因此發明專利第I694951號『擺線齒輪傳動機於電動自行車助力系統』採用內轉子式馬達和擺線針輪減速機；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』採用內轉子式馬達和諧波減速機。發明專利第I773222號『具一階漸開線少齒差行星齒輪減速傳動機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置』採用內轉子式馬達和一階漸開線少齒差行星齒輪減速機構；發明專利第I786567號『具一階漸開線少齒差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』採用外轉子式馬達和一階漸開線少齒差行星齒輪減速機構。上述擺線針輪減速機與一階漸開線少齒差行星齒輪減速機構都須要額外的孔銷接合的等速對心機構將偏心軸的旋轉運動轉為與輸入軸相同軸心的旋轉輸出運動。雖然諧波減速機無上述缺 點，但因具有柔輪，製造成本較高。

二階漸開線少齒差行星齒輪減速機構其輸出軸具有與輸入軸相同軸心而且具有更好提升助力效果，發明專利第I764556號『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』採用外轉子式輪轂電機和二階漸開線少齒差行星齒輪減速機構。發明專利第I779427號『具二階行星齒輪減速傳動機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置』採用內轉子式輪轂電機和二階漸開線少齒差行星齒輪減速機構。圖1係上述二階漸開線少齒差行星齒輪減速機構的示意圖，其中輪轂轉軸27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，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，左側齒圈12是固定件，輪轂轉軸27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，與此同時右側偏心轉軸25耦合地帶動右側行星輪13繞右側齒圈14做行星運動，其減速比公式為

，其中z _i 代表齒輪i的齒數。如前所述，單式與複式定心齒輪系其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(以下簡稱二階行星齒輪減速機構)於電動自行車之輪轂電機的助力機構上， 可以實現小型化、輕量化與大幅提升助力的效果。

本發明主要係針對現行或上述發明專利採用內轉子式或外轉子式輪轂電機來帶動齒輪減速機構的電動自行車助力裝置體積仍過大的缺失，所為的全新發明。

本發明的主要目的在於提供一種縮小具高減速比之電動自行車助力裝置，主要是將線性致動器取代內轉子式或外轉子式輪轂電機來帶動二階漸開線少齒差行星齒輪減速機構的電動自行車助力裝置，由於助力機構軸向配置上無須輪轂電機，因此軸向尺寸可以縮小，更能實現小型化、輕量化，並仍維持大幅提升助力之效果。

達成本發明目的的技術手段，係包括二階行星齒輪減速機構、線性致動器、左側定軸、右側定軸與輪轂外殼，並藉由支撐和連接配件組裝而成具本發明功效的縮小具高減速比之電動自行車助力裝置，其中二階漸開線行星齒輪減速機構包含左側齒圈、右側齒圈、一體的左側行星輪與右側行星輪(以下簡稱一體的行星輪)和一襯套干涉裝配於一體的行星輪的內徑，線性致動器具有複數個徑向執行桿，輪轂外殼包含殼主體、殼右側蓋與殼左側蓋。線性致動器置於二階漸開線行星齒輪減速機構的內部中空的空間，做為支撐與帶動一體的行星輪運動，該線性致動器鎖固於左側定軸和右側定軸，做為取代圖1輪轂轉軸27，如此則不需要多出一軸向和徑向空間來安裝傳統的輪轂電機與輪轂轉軸。上述作動請參閱圖2係線性致動器沿著周向依序以一個執行桿來驅動一體的行星輪的示意 圖，其中線性致動器21的複數個徑向執行桿包含已作動執行桿22與其它未作動執行桿23，當下一個相鄰執行桿作動接觸到左側行星輪11(或右側行星輪13)內部襯套15後，前一個已作動執行桿22則退回未驅動位置，其作動類似諧波減速機以凸輪的凸出部來帶動行星輪接觸齒圈並繞著齒圈公轉(見https：//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/21/HarmonicDriveAni.gif)，但本發明使用的行星輪並非柔輪無法以凸輪帶動，而且凸輪帶動須設置輪轂電機。為使作動更具連續性，具有複數個徑向執行桿的線性致動器也可以沿著周向以相鄰兩個執行桿來驅動一體的行星輪，並依序由下一個執行桿做驅動，而原先兩個已作動執行桿中沒有與下一個執行桿相鄰的執行桿則退回驅動前位置，如此就會一直有相鄰兩個執行桿來驅動一體的行星輪。

11:左側行星輪

12:左側齒圈

13:右側行星輪

14:右側齒圈

15:襯套

21:線性致動器

22:已作動執行桿

23:未作動執行桿

25:右側偏心轉軸

26:左側偏心轉軸

27:輪轂轉軸

31:殼主體

32:殼右側蓋

33:殼左側蓋

34:螺絲

35:右側滾珠軸承

36:左側滾珠軸承

37:右側密封件

38:左側密封件

41:右側定軸

411:右側定軸階梯

42:左側定軸

421:左側定軸階梯

43:平鍵

44:C型扣環

45:螺絲

圖1係二階漸開線少齒差行星齒輪減速機構的示意圖。

圖2係線性致動器沿著周向依序以一個執行桿來驅動一體的行星輪的示意圖。

圖3係本發明實施例縮小具高減速比之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2至圖3，圖3係本發明實施例縮小具高減速比之電動自行 車助力裝置的剖視圖。在本發明實施例中輪轂外殼，包括殼主體31、殼右側蓋32與殼左側蓋33，殼右側蓋32與殼左側蓋33藉由螺絲34鎖固於殼主體31，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。左側定軸42和右側定軸41，該左側定軸42的右端具有左側定軸階梯421，該右側定軸41的左端具有右側定軸階梯411，左側定軸42和右側定軸41藉由左側滾珠軸承36、左側密封件38和右側滾珠軸承35、右側密封件37設置於輪轂外殼的中心，左側定軸42和右側定軸41分別露出於輪轂外殼外面的部分可藉由螺母(未繪出)鎖固於車架的前叉或後叉上(未繪出)。二階漸開線行星齒輪減速機構，包括左側齒圈12、右側齒圈14、左側行星輪11、右側行星輪13與襯套15，其中左側齒圈12利用平鍵43以及兩個C型扣環44固定於左側定軸42，右側齒圈14則藉由干涉配合裝設於殼主體31內，右側行星輪13與左側行星輪11接合成一體(或一體成形)，襯套15干涉裝配於一體的右側行星輪13與左側行星輪11的內徑。左側定軸階梯421與右側定軸階梯411可限制一體的右側行星輪13與左側行星輪11不會因振動而有軸向側移。線性致動器21，係具有複數個徑向執行桿，該複數個徑向執行桿包含已作動執行桿22和其它未作動執行桿23，該線性致動器21藉由已作動執行桿22和其對面部分未作動執行桿23做為帶動與支撐一體的右側行星輪13與左側行星輪11之運動。

線性致動器21置於二階漸開線行星齒輪減速機構的內部中空的空間，其左右兩側藉由螺絲45鎖固於左側定軸階梯421和右側定軸階梯411，具有複數個徑向執行桿的線性致動器21沿著周向依序以一個已 作動執行桿22來驅動一體的右側行星輪13與左側行星輪11之運動，當下一個相鄰的執行桿作動接觸到行星輪後，前一個已作動執行桿22則退回未驅動位置，如此周而復始由線性致動器21的執行桿(22與23)並藉由行星齒與齒圈的齒數差，帶動左側行星輪11與左側齒圈12做相對旋轉運動，與此同時耦合地帶動右側行星輪13與右側齒圈14做相對旋轉運動，再由干涉配合於殼主體31內的右側齒圈14帶動輪轂外殼在左側滾珠軸承36和右側滾珠軸承35做輸出轉動。

具有複數個徑向執行桿的線性致動器21也可以沿著周向以相鄰兩個執行桿來驅動一體的行星輪(11與13)，並依序由下一個執行桿做驅動，而原先兩個已作動執行桿中沒有與下一個執行桿相鄰的執行桿則退回驅動前位置，如此就會一直有相鄰兩個執行桿來驅動一體的行星輪。

綜上所述，本發明之縮小具高減速比之電動自行車助力裝置明顯具有以更小尺寸達成高減速比和大幅提升助力效果，本發明所具體界定於請求項之結構特徵，未見於同類物品，具產業利用性、新穎性與進步性，已符合發明專利要件，爰依法提出申請，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:襯套

21:線性致動器

22:已作動執行桿

23:未作動執行桿

31:殼主體

32:殼右側蓋

33:殼左側蓋

34:螺絲

35:右側滾珠軸承

36:左側滾珠軸承

37:右側密封件

38:左側密封件

41:右側定軸

411:右側定軸階梯

42:左側定軸

421:左側定軸階梯

43:平鍵

44:C型扣環

45:螺絲

Claims (2)

1. 一種縮小具高減速比之電動自行車助力裝置，包括：

   輪轂外殼，包括殼主體、殼右側蓋與殼左側蓋，殼右側蓋與殼左側蓋藉由螺絲鎖固於殼主體，輪轂外殼可連接與帶動輪圈轉動；

   左側定軸和右側定軸，該左側定軸的右端具有左側定軸階梯，該右側定軸的左端具有右側定軸階梯，左側定軸和右側定軸藉由左右兩側的滾珠軸承與密封件設置於輪轂外殼的中心軸上，左側定軸和右側定軸分別露出於輪轂外殼外面的部分可連接於車架的前叉或後叉上；

   二階漸開線行星齒輪減速機構，包括左側齒圈、右側齒圈、左側行星輪與右側行星輪，其中左側齒圈藉由平鍵以及兩個C型扣環固定於左側定軸，右側齒圈則藉由干涉配合裝設於殼主體內，左側行星輪與右側行星輪接合成一體(或一體成形)和一襯套干涉裝配於一體的行星輪的內徑；

   線性致動器，係具有複數個徑向執行桿，可以高速驅動二階漸開線行星齒輪減速機構，再由二階漸開線行星齒輪減速機構以高減速比傳遞至輪轂外殼；

   其特徵在於：

   線性致動器置於二階漸開線行星齒輪減速機構的內部中空的空間，做為支撐與帶動一體的行星輪運動，該線性致動器左右兩側藉由螺絲鎖固於左側定軸階梯和右側定軸階梯，該兩側定軸階梯可限制一體的行星輪不會因振動而有軸向側移，具有複數個徑向執行桿的線性致動器沿著周向依序以一個已作動執行桿來驅動一體的行星輪，當下一個相鄰的執行桿作 動接觸到行星輪後，前一個已作動執行桿則退回未驅動位置，如此周而復始由線性致動器的執行桿並藉由行星齒與齒圈的齒數差，帶動二階漸開線行星齒輪減速機構的右側齒圈做旋轉，並帶動輪轂外殼在左側定軸和右側定軸的兩個軸承做輸出轉動。
2. 如請求項1所述縮小具高減速比之電動自行車助力裝置，其中，具有複數個徑向執行桿的線性致動器也可以沿著周向以相鄰兩個執行桿來驅動一體的行星輪，並依序由下一個執行桿做驅動，而原先兩個已作動執行桿中沒有與下一個執行桿相鄰的執行桿則退回驅動前位置，如此就會一直有相鄰兩個執行桿來驅動一體的行星輪。

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