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TWI874931B - 具有省力機制的曲柄裝置及自行車曲柄總成 - Google Patents

具有省力機制的曲柄裝置及自行車曲柄總成 Download PDF

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TWI874931B
TWI874931B TW112110515A TW112110515A TWI874931B TW I874931 B TWI874931 B TW I874931B TW 112110515 A TW112110515 A TW 112110515A TW 112110515 A TW112110515 A TW 112110515A TW I874931 B TWI874931 B TW I874931B
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sleeve
sleeved
shaft
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林暄智
林凱文
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林暄智
林凱文
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Priority to EP24163931.9A priority patent/EP4434868B1/en
Priority to KR2020240000488U priority patent/KR20240001609U/ko
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Abstract

本發明係關於一種具有省力機制的曲柄裝置及自行車曲柄總成，曲柄裝置包括曲柄機構、傳動機構、支承組件及旋臂組件，曲柄機構包括曲柄、軸端齒輪及踏板端齒輪；傳動機構包括轉軸、第一齒輪及第二齒輪，轉軸的兩端設有環形溝；支承組件套接在轉軸且包括外環圈及滾珠，滾珠容置在環形溝並分別被夾持在轉軸和外環圈之間；旋臂組件包括第一旋臂及第二旋臂，第二旋臂的一端連接第一旋臂，第二旋臂的另一端則連接踏板端齒輪。藉此，可提升傳動時的穩定度和延長使用壽命。

Description

具有省力機制的曲柄裝置及自行車曲柄總成
本發明係有關一種自行車之曲柄裝置技術，尤指一種具有省力機制的曲柄裝置及自行車曲柄總成。
習知自行車的曲柄為一固定長度的桿體，用以連接腳踏板與自行車的中心軸，自行車在運作過程中是透過使用者踩踏腳踏板，使腳踏板以中軸為旋轉中心進行以曲柄長度為半徑的圓周運動，並帶動自行車的驅動裝置如齒盤、鏈條等元件，進而使自行車前進。
現存廣泛應用在自行車的曲柄裝置，並不能夠在腳踏板旋轉至需要的施力處時，伸長其曲柄進而增加力臂的長度，因此無法達成增加力矩的效果。或許有些是採用曲柄能夠伸縮的特性做設計，惟此等伸縮曲柄的設計因不符合人體工學，無法以規律且慣性的做一圓周運動，實質上為一費力設計，其不僅結構複雜且易導致使用者疲勞的踩踏曲柄裝置。又，現存的曲柄裝置有些存有結構強度不足而導致使用壽命不長的問題；又有些則存有組裝對位不易等問題，都亟待被克服解決。
有鑑於此，本發明人遂針對上述現有技術的缺失，特潛心研究並配合學理的運用，盡力解決上述之問題點，即成為本發明人改良之目標。
本發明之一目的，在於提供一種具有省力機制的曲柄裝置及自行車曲柄總成，其可使整體的結構強度更加優化，進提升傳動時的穩定度和延長使用壽命。
為了達成上述之目的，本發明係提供一種具有省力機制的曲柄裝置，包括一曲柄機構、一傳動機構、複數支承組件及一旋臂組件，該曲柄機構包括一曲柄、設置在該曲柄之一端的一軸端齒輪及設置在該曲柄之另一端的一踏板端齒輪；該傳動機構設置在該曲柄的內部，該傳動機構包括一轉軸、一第一齒輪及一第二齒輪，該轉軸具有一第一端及一第二端，該第一齒輪連接該第一端並與該軸端齒輪囓合傳動，該第二齒輪連接該第二端並與該踏板端齒輪囓合傳動，在該第一端和該第二端分別設有至少一環形溝；各該支承組件係分別套接在該轉軸的該第一端和該第二端，每一該支承組件包括一外環圈及複數滾珠，各該滾珠係容置在各該環形溝並分別被夾持在該轉軸和各該外環圈之間；該旋臂組件包括一第一旋臂及一第二旋臂，該第二旋臂的一端連接該第一旋臂，該第二旋臂的另一端則連接該踏板端齒輪。
為了達成上述之目的，本發明係提供一種自行車曲柄總成，所述自行車具有一中軸承接座，該曲柄總成包括一中軸、一組曲柄裝置及一組轉接構件，該中軸穿接所述中軸承接座，每一該曲柄裝置連接在該中軸的一端；每 一該轉接構件係套接每一該軸端齒輪並且介於每一該曲柄和所述中軸承接座之間。
本發明還具有以下功效，利用轉軸之環形溝設計不僅可以容置較大直徑的滾珠，且能夠增加外環圈的厚度，如此能夠倍數提升強度和使用壽命。藉由定位環之開口設計，利於讓定位環產生扭轉變形而套接在轉軸，並被推入外環圈內而固定。藉由各抵止壁的設置，藉以消弭轉軸之上下方向的軸向推力，使傳動機構之運作更為穩定。踩踏腳踏板讓曲柄做圓周運動的過程中，完全沒有上、下死點的問題和頓挫等傳動不良情況。藉助斜齒輪和傘形齒輪的傳動，不管曲柄是做正向或反向的旋轉皆能達成密合接觸，進而可降低噪音的產生，更能夠提昇傳動效能和定位的精準度。
1:曲柄裝置
10:曲柄機構
11:曲柄
111:外側殼體
111A:封邊外圍板
112:圓筒柱
113:第一接孔
114:鉚接柱
115:齒形孔
116:內側殼體
116A:封邊內緣面
1161:套接孔
117:第二接孔
118:套設孔
119:凸柱
12:軸端齒輪
121:內襯套
122:斜齒輪
1221:嵌槽
123:滾珠軸承
13:踏板端齒輪
131:軸套
132:前滾珠軸承
133:後滾珠軸承
134:斜齒輪
1341:卡條
20:傳動機構
21:轉軸
211:第一端
212:第二端
213:環形溝
22:第一齒輪
23:第二齒輪
30:支承組件
31:外環圈
32:滾珠
33:定位環
331:底圈
332:容珠部
333:開口
40:旋臂組件
41:第一旋臂
411:踏板承接柱
412:套接槽
413:插塊
42:第二旋臂
421:貫通孔
422:嵌入塊
423:承接槽
424:螺柱
425:卡槽
A:夾軸半部件
B:另一夾軸半部件
C:上抵止壁
D:下抵止壁
5:中軸
51:主軸段
52:延伸段
521:齒柱
522:螺孔
53:螺栓
6、6A:轉接構件
61:接合件
611:環體
612:連接臂
613:插條
614:外插條
615:內插條
62:抵桿
63:螺固元件
7:鏈輪組件
71:鏈齒輪
72:固定架
721:穿孔
8:自行車
81:車架
82:中軸承接座
821:插槽
83:左叉管
84:右叉管
85:立管
86:腳踏板
87:嵌固環
圖1係本發明具有省力機制的曲柄裝置分解圖。
圖2係本發明之軸端齒輪分解圖。
圖3係本發明之踏板端齒輪分解圖。
圖4係本發明之傳動機構分解圖。
圖5係本發明之支承組件分解圖。
圖6係本發明之旋臂組件分解圖。
圖7係本發明具有省力機制的曲柄裝置組合剖視圖。
圖8係本發明自行車曲柄總成與自行車車架分解圖。
圖9係本發明具有省力機制的曲柄裝置與抵止構件分解圖。
圖10係本發明自行車曲柄總成與自行車車架組合剖視圖。
圖11係本發明曲柄總成結合於自行車車架組合外觀圖。
圖12係本發明曲柄總成應用於自行車的組合圖。
圖13係本發明自行車曲柄總成使用狀態圖。
圖14係本發明之轉接構件另一實施例與自行車車架分解圖。
圖15係圖14組合剖視圖。
有關本發明之詳細說明及技術內容，配合圖式說明如下，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
請參閱圖1至圖7所示，本發明提供一種具有省力機制的曲柄裝置，其中曲柄裝置1主要包括一曲柄機構10、一傳動機構20、複數支承組件30及一旋臂組件40。
請先參閱圖1至圖3，曲柄機構10主要包括一曲柄11、一軸端齒輪12及一踏板端齒輪13，本實施例的曲柄11主要包括一外側殼體111和一內側殼體116，在外側殼體111的上端延伸有一圓筒柱112，下端則設有一第一接孔113，並在外側殼體111內部之圓筒柱112和第一接孔113之間設有一夾軸半部件A；又，在外側殼體111的內側面周緣設有均勻分布的複數鉚接柱114；再者，於圓筒柱112的內部形成有一齒形孔115。
內側殼體116的形狀與外側殼體111的形狀相對應，在內側殼體116的上端設有一第二接孔117，在內側殼體116的下端設有一套設孔118，套設孔118是對應於前述第一接孔113配設，並在內側殼體116內部之第二接孔117 和套設孔118之間的延伸有一另一夾軸半部件B，此另一夾軸半部件B是對應於前述夾軸半部件A配設。
軸端齒輪12為一靜齒輪(即固定不轉)，其是套接在圓筒柱112後再穿接第二接孔117，從而使軸端齒輪12被支承在圓筒柱112和內側殼體116之間(如圖7)。如圖2所示，軸端齒輪12主要包括一內襯套121、一斜齒輪122及一滾珠軸承123，其中內襯套121套接在前述圓筒柱112上，斜齒輪122套接在內襯套121上，滾珠軸承123則套接在斜齒輪122並被內側殼體116和斜齒輪122所共同夾持。斜齒輪122設有複數嵌槽1221，各嵌槽1221是相等間隔設置。
踏板端齒輪13為一動齒輪(即在曲柄11旋轉運作的過程中，受到傳動機構20的驅動而產生旋轉)，其是跨設在第一接孔113和套設孔118之間，從而使踏板端齒輪13被支承在外側殼體111和內側殼體116的下端(如圖7)。如圖3所示，踏板端齒輪13主要包括一軸套131、一前滾珠軸承132、一後滾珠軸承133和一斜齒輪134，軸套131對應於套設孔118穿接，前滾珠軸承132套接在軸套131的一端並容置在套設孔118內，斜齒輪134套接在軸套131的另一端，後滾珠軸承133則套接在斜齒輪134並被外側殼體111和斜齒輪134所共同夾持(如圖7所示)。
請一併參閱圖4和圖5所示，傳動機構20設置在曲柄11的內部，且其主要包括一轉軸21、一第一齒輪22及一第二齒輪23，其中轉軸21、第一齒輪22及第二齒輪23為一體構成，第一齒輪22和第二齒輪23都是傘形斜齒輪。轉軸21具有一第一端211及遠離第一端211的一第二端212，第一齒輪22是自第一端211延伸並與軸端齒輪12相互囓合傳動，第二齒輪23則自第二端 212延伸並與踏板端齒輪13相互囓合傳動，在第一端211和第二端212分別設有複數環形溝213，此環形溝213亦可以是單一個數之設計。
各支承組件30是分別套接在轉軸21的第一端211和第二端212上。如圖5所示，每一個支承組件30主要包括一外環圈31、複數滾珠32及一定位環33，各滾珠32是部分容置在環形溝213內並分別被外環圈31所圈設，定位環33則裝設在外環圈31內並用以將各滾珠32分隔定位，定位環33主要包括一底圈331及自底圈331向上延伸的複數容珠部332，各容珠部332是相等間隔配置並分別供各滾珠32容置，其中在底圈331設有一開口333，其主要是用以提供定位環33產生扭轉變形而套接在轉軸21，並被推入外環圈31內而固定。在一實施例中，外環圈31的內徑大於前述第一齒輪22和第二齒輪23的其中之一的外徑，以便利於組配安裝。
在一實施例中，支承組件30除了可以單一設置在轉軸21的第一端211和第二端212外，也可以將各支承組件30相互層疊再分別設置於轉軸21的第一端211和第二端212。
請再參閱圖1所示，在一實施例中，外側殼體111之夾軸半部件A和內側殼體116之另一夾軸半部件B是共同夾掣各支承組件30和轉軸21，在外側殼體111之夾軸半部件A和內側殼體116之另一夾軸半部件B之上端共同圍設有一上抵止壁C(如圖7所示)，在外側殼體111之夾軸半部件A和內側殼體116之另一夾軸半部件B之下端共同圍設有一下抵止壁D(如圖7所示)，上方的各支承組件30是貼接在上抵止壁C，下方的各支承組件30則貼接下抵止壁D，藉此可消弭轉軸21之上下方向的軸向推力，使傳動機構20的運作更加地穩定。
續參圖1所示，在一實施例中，外側殼體111的周緣成型有一封邊外圍板111A，內側殼體116對應於外側殼體111的周緣成型有一封邊內緣面116A，並於內側殼體116設有對應於前述各鉚接柱114的複數套接孔1161，其中封邊外圍板111A是對應於封邊內緣面116A套接，各鉚接柱114則分別穿設各套接孔1161，並透過一封合鉚固加工使外側殼體111和內側殼體116緊密地套接固結(如圖7所示)。
請續參閱圖6，旋臂組件40包括一第一旋臂41及一第二旋臂42，第一旋臂41和第二旋臂42皆為一弧形旋臂，第一旋臂41是形成在曲柄11和第二旋臂42之間，且其設有一踏板承接柱411，另在遠離踏板承接柱411的一端設有一套接槽412和一插塊413。第二旋臂42設有一貫通孔421，且在遠離貫通孔421的一端設有一嵌入塊422和一承接槽423；其中踏板承接柱411是穿設前述貫通孔421，承接槽423和嵌入塊422則分別對應於第一旋臂41的插塊413和套接槽412做結合。
在一實施例中，在第二旋臂42之貫通孔421側邊設有一螺柱424及形成在螺柱424外周圍的複數卡槽425，前述斜齒輪134設有複數卡條1341；其中螺柱424是穿接前述斜齒輪134，各卡條1341則分別插接各卡槽425，將一螺栓從內側殼體116外側穿入並通過軸套131而對應於螺柱424鎖設連接。
請參閱圖8至圖11所示，本發明還提供一種自行車曲柄總成，其主要包括一中軸5、一組曲柄裝置1及一組轉接構件6。
中軸5主要包括一主軸段51及自主軸段51的兩端分別向外伸出的一延伸段52，在延伸段52設有一齒柱521，以供前述的圓筒柱112以其齒形 孔115套接結合，另在延伸段52的端面設有一螺孔522，以供一螺栓53穿接鎖固。
每一個轉接構件6主要包括一接合件61及一抵桿62，每一個接合件61主要包括一環體611及自環體611延伸出的一連接臂612，環體611的一側設有一嵌入環，環體611的另一側則設有複數插條613，抵桿62是透過一螺固元件63穿接連接臂612而固鎖，且各抵桿62是相互連接鎖設。
在一實施例中，本發明自行車曲柄總成還包括一鏈輪組件7，其是套設在其中之一曲柄11的內側殼體116上，鏈輪組件7主要包括一鏈齒輪71和一固定架72，固定架72是透過螺栓等螺固元件鎖固在鏈齒輪71上，且固定架72套接在前述曲柄11的內側殼體116上，另在固定架72設有一穿孔721，於內側殼體116延伸有一凸柱119，此凸柱119是對應於穿孔721穿接，從而使曲柄11能夠帶動鏈輪組件7作旋轉運動。
本發明主要是應用在一自行車8上，此自行車8具有一車架81，在車架81的下方處安裝有一中軸承接座82，並在中軸承接座82朝著後輪方向延伸有一左叉管83、形成在左叉管83右側邊的一右叉管84及朝著上方延伸有一立管85；另自行車8還包括一組腳踏板86、一組嵌固環87及其它必要裝置。
組合時是將中軸5穿入中軸承接座82中，並以各嵌固環87鎖設於中軸承接座82，而將中軸5拘限在中軸承接座82內，其中中軸5的主軸段51能夠在中軸承接座82內做旋轉運動。次將各轉接構件6之嵌入環對應於各嵌固環87做嵌入定位，從而使各轉接構件6分別形成在中軸承接座82的兩側，將左側之轉接構件6的抵桿62連接於右側之轉接構件6的抵桿62，並將連接後的各抵桿62抵貼於立管85後側。接著，將圓筒柱112的齒形孔115對正於中軸5的 齒柱521做套接，同時讓環體611的各插條613對應於軸端齒輪12的各嵌槽1221嵌入結合。最後，再以一螺栓53穿入曲柄11的圓筒柱112中並對應於中軸5的螺孔522做鎖固，從而能夠藉助各曲柄11的旋轉來帶動中軸5做轉動。
請參閱圖12和圖13所示，進一步說明，由於從軸端齒輪12的軸心至第一旋臂41和第二旋臂42的連接處的一施力臂大於曲柄11的長度，依據力矩原理(M=F*d，F：作用力，d：力臂)，因此在力矩相同的情況下，力臂的長度加大將使施加的作用力減少。
操作時透過對腳踏板86施加作用力，曲柄機構10通過圓筒柱112帶動中軸5和鏈輪組件7跟隨各曲柄11做轉動，在旋臂組件40從頂點位置向下旋轉時，透過第一齒輪22被軸端齒輪12所驅動，進而帶動轉軸21和第二齒輪23產生旋轉，透過第二齒輪23帶動踏板端齒輪13旋轉，從而使旋臂組件40與地面維持在一恆定角度，且腳踏板86中心點的運動軌跡形成一近圓周運動。又，旋臂組件40的運動方向與曲柄11的運動方向相反。
請參閱圖14和圖15所示，本發明自行車曲柄總成，除了可如上述實施例外，其中本實施例的中軸承接座82的兩側分別設有複數插槽821，轉接構件6A主要包括一環體611、自環體611外周面延伸出的複數外插條614及自環體611內周壁延伸出的複數內插條615，各外插條614是對應於中軸承接座82的各插槽821嵌設結合，內插條615則對應於軸端齒輪12之斜齒輪122的各嵌槽1221嵌設結合，如此亦具有前述實施例的相同效果。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，非用以定本發明之專利範圍，其他運用本發明之專利精神之等效變化，均應俱屬本發明之專利範圍。
1:曲柄裝置
10:曲柄機構
11:曲柄
111:外側殼體
111A:封邊外圍板
112:圓筒柱
113:第一接孔
114:鉚接柱
115:齒形孔
116:內側殼體
116A:封邊內緣面
1161:套接孔
117:第二接孔
118:套設孔
12:軸端齒輪
13:踏板端齒輪
20:傳動機構
21:轉軸
22:第一齒輪
23:第二齒輪
30:支承組件
40:旋臂組件
41:第一旋臂
42:第二旋臂
A:夾軸半部件
B:另一夾軸半部件
C:上抵止壁
D:下抵止壁

Claims (10)

  1. 一種具有省力機制的曲柄裝置，包括：一曲柄機構，包括一曲柄、設置在該曲柄之一端的一軸端齒輪及設置在該曲柄之另一端的一踏板端齒輪；一傳動機構，設置在該曲柄的內部，該傳動機構包括一轉軸、一第一齒輪及一第二齒輪，該轉軸具有一第一端及一第二端，該第一齒輪連接該第一端並與該軸端齒輪囓合傳動，該第二齒輪連接該第二端並與該踏板端齒輪囓合傳動，在該第一端和該第二端分別設有至少一環形溝；複數支承組件，分別套接在該轉軸的該第一端和該第二端，每一該支承組件包括一外環圈及複數滾珠，各該滾珠係容置在各該環形溝並分別被夾持在該轉軸和各該外環圈之間；以及一旋臂組件，包括一第一旋臂及一第二旋臂，該第二旋臂的一端連接該第一旋臂，該第二旋臂的另一端則連接該踏板端齒輪；其中每一該支承組件還包括一定位環，該定位環係裝設在該外環圈內並用以對各該滾珠分隔定位，該定位環包括一底圈及自該底圈延伸的複數容珠部，各該滾珠係分別對應各該容珠部置設，在該底圈設有一開口。
  2. 如請求項1所述之具有省力機制的曲柄裝置，其中該轉軸、該第一齒輪和該第二齒輪為一體構成。
  3. 如請求項1所述之具有省力機制的曲柄裝置，其中該軸端齒輪包括一內襯套、一斜齒輪及一滾珠軸承，該曲柄包括一外側殼體和對應該外側殼體組接的一內側殼體，該外側殼體具有一圓筒柱，該內襯套係套接該圓筒柱，該 斜齒輪套接該內襯套，該滾珠軸承則套接該斜齒輪並被該內側殼體和該斜齒輪所共同夾持。
  4. 如請求項1所述之具有省力機制的曲柄裝置，其中該曲柄包括一外側殼體和對應該外側殼體組接的一內側殼體，該外側殼體內部設有一夾軸半部件，該內側殼體內部設有一另一夾軸半部件，該另一夾軸半部件係對應於該夾軸半部件配設並共同夾持各該支承組件和該轉軸。
  5. 如請求項4所述之具有省力機制的曲柄裝置，其中在該外側殼體之該夾軸半部件和該內側殼體之該另一夾軸半部件之上端共同圍設有一上抵止壁，在該外側殼體之該夾軸半部件和該內側殼體之該另一夾軸半部件之下端共同圍設有一下抵止壁，一部分的該支承組件係貼接該上抵止壁，另一部分的該支承組件則貼接該下抵止壁。
  6. 如請求項1所述之具有省力機制的曲柄裝置，其中該曲柄包括一外側殼體和一內側殼體，該踏板端齒輪包括一軸套、一前滾珠軸承、一後滾珠軸承和一斜齒輪，該內側殼體設有一套設孔，該軸套係對應該套設孔穿設，該前滾珠軸承套接在該軸套的一端並容置在該套設孔內，該斜齒輪套接在該軸套的另一端，該後滾珠軸承則套接在該斜齒輪並被該外側殼體和該斜齒輪所共同夾持。
  7. 如請求項1所述之具有省力機制的曲柄裝置，其中該曲柄包括一外側殼體和一內側殼體，該外側殼體設有一封邊外圍板及複數鉚接柱，該內側殼體設有一封邊內緣面及複數套接孔，該封邊外圍板係對應於該封邊內緣面套接，各該鉚接柱則分別穿設各該套接孔，並透過一封合鉚固加工使該外側殼體和該內側殼體固結。
  8. 一種自行車曲柄總成，所述自行車具有一中軸承接座，該曲柄總成包括：一中軸，穿接所述中軸承接座；一組如請求項1至7中之任一項所述之曲柄裝置，每一該曲柄裝置連接在該中軸的一端；以及一組轉接構件，每一該轉接構件係套接每一該軸端齒輪並且介於每一該曲柄和所述中軸承接座之間。
  9. 如請求項8所述之自行車曲柄總成，所述自行車還具有連接所述中軸承接座的一立管，每一個轉接構件包括一接合件及一抵桿，該接合件包括一環體及自該環體延伸的一連接臂，各該抵桿係分別透過一螺固元件鎖接各該連接臂，且各該抵桿係相互連接並抵貼該立管。
  10. 如請求項8所述之自行車曲柄總成，其中所述中軸承接座設有複數插槽，該軸端齒輪設有複數嵌槽，每一該轉接構件包括一環體、自該環體外周面延伸的複數外插條及自該環體內周壁延伸的複數內插條，各該外插條係對應於所述各插槽嵌設結合，各該內插條則對應於各該嵌槽嵌設結合。
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