TWI865365B

TWI865365B - 非圓形鏈輪之最佳化之設計方法

Info

Publication number: TWI865365B
Application number: TW113109037A
Authority: TW
Inventors: 張信良; 王議弘; 安迪黎
Original assignee: 國立虎尾科技大學
Priority date: 2024-03-12
Filing date: 2024-03-12
Publication date: 2024-12-01
Also published as: TW202535732A

Abstract

本發明係依序包括一取得非圓形鏈輪影像步驟、一輪廓影像定位步驟、一取得複數原始參考點步驟、一取得曲軸扭力曲線步驟、一取得扭力曲線之特徵步驟、一最佳化區域定義步驟、一點位調整步驟、一第二輪廓產生步驟及一鏈輪成形步驟。將輪廓影像之複數齒谷影像連成具有一原點之一第一輪廓，取得第一輪廓之複數原始參考點的座標值。於第一輪廓上配合一右及一左腳曲軸扭力曲線，分別定義一右及一左腳最佳化區域。配合右及左腳最佳化區域，將對應之原始參考點進行外移與內縮而形成一第二輪廓，以第二輪廓為基礎產生一非圓形鏈輪之外形。達成可將市售產品依特定使用者進行再改良，可提升曲柄扭力、曲柄動力及後輪轉速相當有利等優點。

Description

非圓形鏈輪之最佳化之設計方法

本發明係有關一種非圓形鏈輪之最佳化之設計方法，尤指一種兼具可將市售產品依特定使用者進行再改良，可提升曲柄扭力、曲柄動力及後輪轉速相當有利之非圓形鏈輪之最佳化之設計方法。

傳統之自行車鏈輪，已由圓形逐漸改良為非圓形，而市面上已有多家製造商或研究機構，生產或設計各類之非圓形鏈輪。例如：中華民國專利第I712544(複合式鏈輪及具有複合式鏈輪之自行車)、I722688(具有由四段橢圓弧線組成之複合式鏈輪之自行車)、I805512(具有四段橢圓弧線之自行車鏈輪結構及其設計方法)及I828465(以踏板扭矩產生非對稱鏈輪之方法)等。

然而，每一位自行車使用者(或選手)的身體結構，與其左、右腳踩踏力道，都是獨一無二的。如此，即使已有一個評價不錯的市售公知非圓形鏈輪的產品，則對有些人可能適合，但對其他人不一定適合。

目前市面上並無利用現有公知的非圓形鏈輪的產品，再針對某一特定使用者進行優化之產品的設計方式。

有鑑於此，必須研發出可解決上述問題之技術。

本發明之目的，在於提供一種非圓形鏈輪之最佳化之設計方法，其兼具可將市售產品依特定使用者進行再改良，可提升曲柄扭力、曲柄動力及後輪轉速相當有利等優點。特別是，本發明所欲解決之問題係在於目前市面上並無利用現有公知的非圓形鏈輪的產品，再針對某一特定使用者進行優化之產品設計方式等問題。

解決上述問題之技術手段係提供一種非圓形鏈輪之最佳化之設計方法，其依序包括下列步驟：一取得非圓形鏈輪影像步驟；一輪廓影像定位步驟；一取得複數原始參考點步驟；一取得曲軸扭力曲線步驟；一取得扭力曲線之特徵步驟；一最佳化區域定義步驟；一點位調整步驟；一第二輪廓產生步驟；及一鏈輪成形步驟。

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：

10:輪廓影像

11:齒峰影像

12:齒谷影像

S1:取得非圓形鏈輪影像步驟

S2:輪廓影像定位步驟

S3:取得複數原始參考點步驟

S4:取得曲軸扭力曲線步驟

S5:取得扭力曲線之特徵步驟

S6:最佳化區域定義步驟

S7:點位調整步驟

S8:第二輪廓產生步驟

S9:鏈輪成形步驟

L1:第一輪廓

L2:第二輪廓

LA:右腳曲軸扭力曲線

LB:左腳曲軸扭力曲線

W:原點

W1:第一外移點

W2:第一內縮點

W3:第二外移點

W4:第二內縮點

Q:原始參考點

Q1:第一基本點

Q2:第二基本點

Q3:第三基本點

Q4:第四基本點

QA:右腳最佳化區域

QB:左腳最佳化區域

QC:右不變區

QD:左不變區

P:節距

N1:右最大值

N2:左最大值

θ1:第一角度

θ2:第二角度

MA1、MB1:第一長條圖

MA2、MB2:第二長條圖

MA3、MB3:第三長條圖

MA4、MB4:第四長條圖

MA4、MB4:第五長條圖

MA6、MB6:第六長條圖

第1圖係本發明之方法之流程圖。

第2圖係本發明之取得非圓形鏈輪之輪廓影像之示意圖。

第3圖係第2圖之第一輪廓定位之示意圖。

第4圖係本發明之第一輪廓由複數個點組成之示意圖。

第5圖係本發明之第一輪廓之完整的節距(座標)之示意圖。

第6圖係本發明之右及左腳曲軸扭力之曲線圖。

第7圖係第6圖對應於第5圖之最佳化區域之對應關係之示意圖。

第8圖係本發明之第一輪廓與第二輪廓之對應關係之示意圖。

第9圖係本發明與公知產品於不同踩踏轉速下之曲柄扭力輸出結果之條狀圖。

第10圖係本發明與公知產品於不同踩踏轉速下之曲柄動力輸出結果之條狀圖。

「附件一」

第A圖係本發明之最佳化之該非圓形鏈輪之外形的實體照片。

參閱第1、第2、第3、第4、第5、第6、第7及第8圖，本發明係為一種非圓形鏈輪之最佳化之設計方法，其依序包括下列步驟：一取得非圓形鏈輪影像步驟S1。參閱第2圖，係取得一非圓形鏈輪(例如一市售之產品)之一輪廓影像10，該輪廓影像10係具有複數齒峰影像11及複數齒谷影像12；且該輪廓影像10之齒數係被定義為N。

一輪廓影像定位步驟S2。參閱第3圖，係將該複數齒谷影像12連接形成一第一輪廓L1，該第一輪廓L1近似橢圓；將該第一輪廓L1之中心點置於一原點W，並將該第一輪廓L1之一短軸置於X軸；且將該第一輪廓L1之一長軸置於Y軸。實際上，該第一輪廓L1可由複數個點(如第4圖之黑點所示，且未予編號，合先陳明)組成，該複數個點中之每一點的二維座標可透過一現有電腦軟體(例如使用WebPlotDigitizer或類似功能之現有電腦軟體均可)取得，關於其他圖中之該第一輪廓L1若為連續線條，則僅為示意，實際上均由該複數個點所組成。

一取得複數原始參考點步驟S3。參閱第5圖，係將該第一輪廓L1(該第一輪廓L1係具有一節距P，例如：該節距P可為12.7mm)分成M段，而取得複數原始參考點Q，並取得該複數原始參考點Q之座標值(例如：透過現有之電腦軟體可以達成)。

一取得曲軸扭力曲線步驟S4。參閱第6圖，係取得一使用者實際踩踏該非圓形鏈輪之後，分別實際測量得到之一右腳曲軸扭力曲線LA及一左腳曲軸扭力曲線LB。

一取得扭力曲線之特徵步驟S5。係由該右腳曲軸扭力曲線LA之一右最大值N1(如第6圖所示)對應出一第一角度θ1(可參考第7圖)；並由該左腳曲軸扭力曲線LB之一左最大值N2，對應出一第二角度θ2。

一最佳化區域定義步驟S6。參閱第7圖，係配合該右最大值N1、該第一角度θ1、該左最大值N2及該第二角度θ2。從該複數原始參考點Q中，選出一第一基本點Q1、一第二基本點Q2、一第三基本點Q3及一第四基本點Q4；其中，該第一基本點Q1、該第二基本點Q2、該第三基本點Q3及該第四基本點Q4之選出規則係為：該第一基本點Q1、該第二基本點Q2、該第三基本點Q3及該第四基本點Q4係分別鄰近30度、150度、210度及330度；其中，該第一基本點Q1至該第二基本點Q2間之區域，係被定義為一右腳最佳化區域QA；且該第一角度θ1係落於該右腳最佳化區域QA之範圍內。

該第三基本點Q3至該第四基本點Q4間之區域，係被定義為一左腳最佳化區域QB；且該第二角度θ2係落於該左腳最佳化區域QB之範圍內。

該第一基本點Q1至該第四基本點Q4間之區域，係被定義為一右不變區QC。

該第二基本點Q2至該第三基本點Q3間之區域，係被定義為一左不變區QD。

一點位調整步驟S7。參閱第7圖，該原點W係依據該第一角度θ1而朝該第一輪廓L1的方向延伸出，並與該第一輪廓L1交會形成一第一外移點W1；且將該複數原始參考點Q其中之一、其係落於該右腳最佳化區域QA範圍內，且離該原點W最遠者，定義為一第一內縮點W2。又，該原點W可再依據該第二角度θ2而朝該第一輪廓L1的方向延伸出，並與該第一輪廓L1交會形成一第二外移點W3；且將該複數原始參考點Q其中之一、其係落於該左腳最佳化區域QB範圍內，且離該原點W最遠者，定義為一第二內縮點W4。

一第二輪廓產生步驟S8。參閱第8圖，係將該第一外移點W1朝遠離該原點W之方向外移，同時將該第一內縮點W2朝接近該原點W之方向內移，並將該右腳最佳化區域QA之範圍內之其餘該原始參考點Q連動調整。且，將該第二外移點W3朝遠離該原點W之方向外移，同時將該第二內縮點W4朝接近該原點W之方向內移，並將該左腳最佳化區域QB之範圍內之其餘該原始參考點Q連動調整。此時，調整後之全部該原始參考點Q間之相鄰距離之總和，係被定義為一第二輪廓L2，其長度係與該第一輪廓L1相等。

一鏈輪成形步驟S9。係以該第二輪廓L2及調整後之全部該原始參考點Q為基礎，而形成一最佳化之該非圓形鏈輪之外形(如附件一之第A圖所示)。

實務上，該輪廓影像10之齒數係被定義為N；當N=34(參考第7圖)時：該右腳最佳化區域QA之範圍可為該第一輪廓L1之1/3圈(大約為110至130度，並以120度為較佳)左右，以34齒為例，34/3=11.33齒(例如11齒或11個節距P)。故，可介於10~13齒之間。同理，該左腳最佳化區域QB之範圍可為1/3圈(大約為110至130度，並以120度為較佳)左右，以34齒為例，34/3=11.33齒(例如11齒或11個節距P)，故，可介於10~13齒之間，其餘則為該右不變區QC與該左不變區QD。

又，該第一外移點W1朝遠離該原點W之方向外移之距離，係為該原點W至該第一外移點W1之距離增加5%±3%；即可產生效果。

該第一內縮點W2朝接近該原點W之方向內移之距離，係為該原點W至該第一內縮點W2之距離減少5%±3%；即可產生效果。

該第二外移點W3朝遠離該原點W之方向外移之距離，係為該原點W至該第二外移點W3之距離增加5%±3%；即可產生效果。

該第二內縮點W4朝接近該原點W之方向內移之距離，係為該原點W至該第二內縮點W4之距離減少5%±3%；即可產生效果。

當然，前述之距離增加5%及距離減少5%具有最佳之效果。

進而，可具有下例：該第一基本點Q1係位在第3個該原始參考點Q上；該第二基本點Q2係位在第14個該原始參考點Q上；該第三基本點Q3係位在第20個該原始參考點Q上；該第四基本點Q4係位在第31個該原始參考點Q上；該第一外移點W1係位在第8個該原始參考點Q與第9個該原始參考點Q之間；該第一內縮點W2係位在第12個該原始參考點Q上；該第二外移點W3係位在第23個該原始參考點Q與第24個該原始參考點Q之間；及該第二內縮點W4係位在第29個該原始參考點Q上。

該第一角度θ1可介於90度至96度之間，例如93.164度。

該第二角度θ2可介於251度至258度之間，例如254.311度。

本案重點在於以下兩點：

[a]以現有成品局部最佳化相當方便。本發明直接以最接近某一使用者之踩踏習慣之現有非圓形鏈輪，進行局部最佳化，意味著形狀修改僅應用於現有非圓形鏈輪的特定部分，因此僅現有非圓形鏈輪之形狀的一小部分發生變化。透過將鏈輪最大半徑的位置調整到受試者腿部產生最大扭矩的位置來進行修改。

[b]可提升踩踏效率。茲舉一例詳細說明，假設以流行的商業齒盤品牌之一的非圓形鏈輪(或稱齒盤、牙盤)進行修改，其係由某家位於歐洲的公司製造，已被多位職業自行車手使用，並已在一些國際級之著名比賽中贏得優異成績。

關於本案實測方式，是將一34齒(N=34)之公知產品進行最佳化而得到本產品，然後兩者進行實測比較。

踩踏轉速分別以高轉速：90(rpm)、100(rpm)或110(rpm)進行。每次測試進行30秒，包括45次之踩踏循環，各別進行三次，然後取平均值。

所取得之數據可利用現有之分析軟體來進行分析，例如：採用IBM SPSS統計軟體第26版，選用配對樣本T-Test法(英文為IBM SPSS Statistics version 26 software,employing the Paired Sample T-Test method)。

請參考第9圖，為本案與公知產品在不同踩踏轉速下之曲柄扭力(crank torque)輸出結果，其顯示本案產品之曲柄扭力(包括一第一長條圖MA1、一第二長條圖MA2及一第三長條圖MA3)均優於公知產品之曲柄扭力(相對應而具有一第一長條圖MB1、一第二長條圖MB2及一第三長條圖MB3)。另外，第9圖中之「*」代表：統計分析之對比公知產品之顯著性差異(Significant difference)之機率值(p值)，其中p<0.01。

舉例來講，以本案之最大曲柄扭力為48.74Nm(亦即該第二長條圖MA2)，對應公知產品之曲柄扭力為33.39Nm(亦即該第二長條圖MB2)，則：(48.74-33.39)/48.74；=15.35/48.74；=31.5%。

亦即本案產品具有31.5%之曲柄扭力提升效率。

再請參考第10圖，為本案與公知產品在不同踩踏轉速下之曲柄動力(crank power)輸出結果，其顯示本案產品之曲柄動力(包括一第四長條圖MA4、一第五長條圖MA5及一第六長條圖MA6)均優於公知產品之曲柄動力(相對應而具有一第四長條圖MB4、一第五長條圖MB5及一第六長條圖MB6)。另外，第10圖中之「*」代表：統計分析之對比公知產品之顯著性差異(Significant difference)之機率值(p值)，其中p<0.01。

舉例來講，在轉速為100rpm下，曲柄動力由328.66瓦特(亦即代表公知產品之該第五長條圖MB5)提升至479.24瓦特(亦即代表本案之該第五長條圖MA5)，則：(479.24-328.66)/479.24；=150.58/479.24；=31.4%。

亦即本案產品具有31.4%之曲柄動力提升效率。

另外，關於在不同踩踏轉速下之後輪速度比較，可參閱下表1：

*統計分析之對比公知產品之顯著性差異(Significant difference)之機率值(p值)，其中p<0.05。

上列表1係為在相同之踩踏轉速下之公知產品與本案產品之後輪速度的比較表。其中，踩踏轉速不論在90(rpm)、100(rpm)或110(rpm)，本案產品所產生之後輪速度均優於公知產品，且其差異分別達1.55(%)、1.70(%)及1.75(%)，換言之，平均提升1.67(%)。

特別是，當使用者為職業自行車選手時，若在相同之踩踏轉速下後輪速度能提升至少1.55(%)以上，則在各類自行車比賽時，可大幅增加名次提升的機率。

本案之優點及功效可歸納如下：

[1]可將市售產品依特定使用者進行再改良。原有市售產品已有相當不錯的優點，本案之設計方式可將這些市售產品再改良，而成為更適合特定使用者之最佳化產品。故，可將市售產品依特定使用者進行再改良。

[2]可提升曲柄扭力、曲柄動力及後輪轉速相當有利。在分秒必爭之自行車比賽中，能夠快幾秒，就有可能提高名次。本案只客製化的局部修改現有非圓形鏈輪之外形，即可提升曲柄扭力、曲柄動力及後輪轉速，對於職業自行車選手之比賽名次提升，極有助益。故，可提升曲柄扭力、曲柄動力及後輪轉速相當有利。

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。