TWM666882U - 具諧波傳動減速機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置 - Google Patents

Abstract

一種具諧波傳動減速機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置，包括輪轂電機、諧波齒輪減速機構、輪轂右側定軸、輪轂左側定軸以及輪轂外殼，其中輪轂電機包含定子、轉子與具橢圓形狀的凸輪軸之輪轂轉軸，諧波齒輪減速機構包含一固定的剛性齒圈、一體行星輪係具柔性齒輪和剛性環緣，由輪轂轉軸之凸輪軸作輸入旋轉運動，並藉由柔性齒輪與剛性齒圈之間嚙合的齒數差驅動柔性齒輪做反向的減速轉動，與此同時由鎖固於輪轂外殼內部的剛性環緣帶動輪轂外殼和輪圈做減速的輸出轉動。

Description

具諧波傳動減速機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置

本創作係有關於一種具諧波傳動減速機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置，尤指一種可以實現小型化、提升助力效果且無需孔銷接合對心機構的電動自行車內轉子式輪轂電機助力傳動機構之技術。

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。無太陽輪的少齒差一階行星齒輪減速機構包含擺線針輪減速機、諧波減速機、一階漸開線少齒差行星齒輪減速機構。因此發明專利第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。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；新型專利第M606074號『輪轂電機傳動系統及助力自行車』採用外轉子式馬達和新的具兩個自由度之諧波減速機。

雖然諧波減速機製造成本較高，但就一階少齒差行星齒輪減速機構而言，諧波減速機的優勢在於它帶動行星輪(輸出柔輪)的輸入軸使用凸輪軸為對心軸，即輸出軸與輸入軸皆同一軸(中心軸)，不像一階擺線針輪減速機和一階漸開線少齒差行星齒輪減速機構帶動行星輪的為偏心軸(銷)，因此諧波減速機不需要像一階擺線針輪減速機和一階漸開線少齒差行星齒輪減速機構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對心軸的旋轉輸出運動。然而發明專利第I694952號『電動自行車電動補助力之諧波齒輪傳動機構』中的殼體10並非用來帶動電動自行車的輪圈轉動，而是用來鎖固電機端側蓋與剛輪30，以及用於固定內部零件，中空軸70為馬達內轉子21帶動，並藉由套設於該中空軸的凸輪環80與柔性軸承42帶動輸出盤50，惟旋轉輸出的構件只有右側的輸出盤50與端蓋51之結合，僅一側的輸出盤50與端蓋51之結合如何藉由幅條連接輪框帶動中心輪圈轉動，該發明內容並未說明這點，另外馬達帶動中空軸70做為旋轉中心軸，但該發明內容並未有連接到車架的前叉、後叉的輪轂中心定軸，或者具體說明其殼體10(固定件)如何安裝固定接合於車架的前叉、後叉或者車架何處。至於新型專利第M606074號『輪轂電機傳動系統及助力自行車』該諧波傳動減速器的三個構件(波發生器、柔性齒輪和剛性齒輪)都會轉動，因此可算出其自由度為2。由於踩踏輸入組件帶動柔性齒輪轉動的速度不會是恆定，因此造成剛性齒輪的輸出轉速也不會是恆定，而是波動的或忽快忽慢。若不踩踏輸入組件，由於三個構件都沒有一個是固定的(但拘束在機架)，踩踏輸入組件連接的柔性齒輪本身也可能轉動，但不可能定速或不動， 造成輸出的剛性齒輪的轉速也會是波動的。此外由於柔性齒輪為橢圓形齒輪而剛性齒輪為圓形齒輪，兩者之間的嚙合是相當特殊的方式，實務上踩踏輸入組件帶動柔性齒輪做旋轉轉動極可能干擾或干涉到波發生器帶動柔性齒輪與剛性齒輪之間做嚙合的運動。更進一步而言兩個自由度的諧波傳動機構會大大降低原來一個自由度諧波傳動機構的減速比(有興趣者可自行由行星齒輪運動分析列表法或者行星齒輪運動分析公式法中推導出三個構件之間的轉速關係便可得知)，因此將諧波齒輪減速機構改設計成兩個自由度的機構乃不智的做法。

本創作的主要目的在於提供不同於發明專利第I694952號與新型專利第M606074號的結構技術特徵的一種具諧波傳動減速機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置以解決前述所提出的問題(見[0005])。

達成本創作目的的技術手段，係包括輪轂電機、諧波齒輪減速機構、輪轂右側定軸、輪轂左側定軸以及輪轂外殼，並藉由支撐和連接配件組裝而成具本創作功效的一種具諧波傳動減速機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置，其中輪轂外殼包含殼主體、殼右側蓋與殼左側蓋，輪轂右側定軸與輪轂左側定軸的一部份是裝設在輪轂外殼的內部，一部分是在輪轂外殼之外部並可藉由螺母鎖固於車架的前叉或後叉上，其中輪轂右側定軸在輪轂外殼的內部包含有一容室做為定子支架，輪轂電機包含一定子、一個裝設於定子內側的轉子、以及輪轂轉軸，該輪轂轉軸包含一段具橢圓形狀的凸輪軸，並藉由一個平鍵與兩個C型扣環與轉子 結合後一起轉動，定子則藉由一C型扣環以及與轉子之間強力磁吸力將之固定於輪轂右側定軸的定子支架內部，諧波齒輪減速機構包含一剛性齒圈、一體行星輪係具柔性齒輪和剛性環緣、和一柔性軸承(或柔性襯套)干涉裝配於柔性齒輪之內徑，該剛性齒圈藉由螺絲鎖固於輪轂右側定軸的定子支架端面，其減速增力的運動順序乃由輪轂轉軸之凸輪軸作輸入旋轉運動，帶動一體行星輪的柔性齒輪在剛性齒圈做相互嚙合，並藉由一體行星輪的柔性齒輪與剛性齒圈之間嚙合的齒數差驅動一體行星輪的柔性齒輪做反向的減速轉動，與此同時由鎖固於殼主體內的一體行星輪的剛性環緣帶動輪轂外殼做減速的輸出轉動，由於輪轂外殼係藉由幅條連接輪圈，最後由輪轂外殼帶動輪圈做減速輸出轉動。轉子和輪轂轉軸透過兩個軸承的支撐在輪轂右側定軸與輪轂左側定軸旋轉，同樣的輪轂外殼也透過兩個軸承的支撐在輪轂右側定軸與輪轂左側定軸旋轉。

11:剛性齒圈

12:一體行星輪

13:柔性齒輪

14:剛性環緣

15:柔性軸承

21:轉子

22:定子

23:輪轂轉軸

24:凸輪軸

25:平鍵

26:C型扣環一

27:C型扣環二

28:右二滾珠軸承

29:左二滾珠軸承

31:殼主體

32:殼右側蓋

33:殼左側蓋

34:螺絲二

35:右一滾珠軸承

36:左一滾珠軸承

37:右側密封件

38:左側密封件

39:螺絲三

41:輪轂右側定軸

42:輪轂左側定軸

43:定子支架

44:C型扣環三

45:螺絲一

圖1係本創作實施例具諧波傳動減速機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置的剖視圖。

圖2係本創作實施例具諧波傳動減速機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置的組合圖。

為利 貴審查委員能進一步瞭解本創作之具諧波傳動減速機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置的技術特徵，茲以具體實施例並配合圖示加以詳細說明如後：

本創作之具諧波傳動減速機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置的實施例請同時參閱圖1與圖2。實施例係包括輪轂電機、諧波齒輪減速機構、輪轂右側定軸41、輪轂左側定軸42以及輪轂外殼，並藉由支撐和連接配件組裝而成具本創作功效的一種具諧波傳動減速機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置。

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藉由螺絲二34鎖固於殼主體31。輪轂外殼係藉由幅條(未繪出)連接輪圈(未繪出)，並帶動輪圈轉動。

輪轂右側定軸41與輪轂左側定軸42的一部份是裝設在輪轂外殼的內部，一部分是在輪轂外殼之外部並可藉由螺母鎖固於車架的前叉(未繪出)或後叉(未繪出)上，其中輪轂右側定軸41在輪轂外殼的內部包含有一容室做為定子支架43。

輪轂電機，包括包含一定子22、一個裝設於定子22內側的轉子21、以及輪轂轉軸23，該輪轂轉軸23包含一段具橢圓形狀的凸輪軸24，並藉由平鍵25、C型扣環一26和C型扣環二27與轉子21結合後透過右二滾珠軸承28和左二滾珠軸承29的支撐在輪轂右側定軸41與輪轂左側定軸42上做旋轉，定子22則藉由C型扣環三44以及與轉子21之間強力磁吸力將之固定於輪轂右側定軸41的定子支架43內部。

諧波齒輪減速機構，包括剛性齒圈11、一體行星輪12係具柔性齒輪13和剛性環緣14，一柔性軸承15干涉裝配於柔性齒輪13的內徑，其中剛性齒圈11透過螺絲一45鎖固於輪轂右側定軸41的定子支架43端面，一體行星輪12的剛性環緣14則藉由螺絲三39鎖固於殼主體31內。

本創作之具諧波傳動減速機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置減速增力的運動順序為輪轂轉軸23之凸輪軸24作輸入旋轉運動，帶動一體行星輪12的柔性齒輪13在剛性齒圈11做相互嚙合，並藉由一體行星輪12的柔性齒輪13與剛性齒圈11之間嚙合的齒數差驅動一體行星輪12的柔性齒輪13做與輸入轉動反向的減速轉動，與此同時由鎖固於殼主體31內的一體行星輪12的剛性環緣14帶動輪轂外殼做減速的輸出轉動，即由輪轂外殼帶動輪圈(未繪示)透過右一滾珠軸承35和左一滾珠軸承36的支撐在輪轂右側定軸41與輪轂左側定軸42上做減速的輸出轉動。

綜上所述，本創作提供一種具諧波傳動減速機構之內轉子式輪轂電機的電動自行車助力裝置，爰依法提呈新型專利之申請。

11:剛性齒圈

12:一體行星輪

13:柔性齒輪

14:剛性環緣

15:柔性軸承

21:轉子

22:定子

23:輪轂轉軸

24:凸輪軸

25:平鍵

26:C型扣環一

27:C型扣環二

28:右二滾珠軸承

29:左二滾珠軸承

31:殼主體

32:殼右側蓋

33:殼左側蓋

34:螺絲二

35:右一滾珠軸承

36:左一滾珠軸承

37:右側密封件

38:左側密封件

39:螺絲三

41:輪轂右側定軸

42:輪轂左側定軸

43:定子支架

44:C型扣環三

45:螺絲一

Claims (1)

1. 一種具諧波傳動減速機構之內轉子式輪轂電機的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；

   輪轂右側定軸與輪轂左側定軸，一部份是裝設在輪轂外殼的內部，一部分是在輪轂外殼之外部並可藉由螺母鎖固於車架的前叉或後叉上，其中輪轂右側定軸在輪轂外殼的內部包含有一容室做為定子支架；

   輪轂電機，包括一定子、一個裝設於定子內側的轉子、以及輪轂轉軸，該輪轂轉軸藉由一平鍵和兩個C型扣環與轉子結合後透過兩個滾珠軸承的支撐在輪轂右側定軸與輪轂左側定軸上做旋轉，定子則藉由一C型扣環以及與轉子之間強力磁吸力將之固定於輪轂右側定軸的定子支架內部；

   諧波齒輪減速機構，包括剛性齒圈、一體行星輪係具柔性齒輪和剛性環緣，一柔性軸承干涉裝配於右側柔性齒輪的內徑；

   其特徵在於：

   該輪轂轉軸具有一段橢圓形狀的凸輪軸，該剛性齒圈鎖固於輪轂右側定軸的定子支架端面，該一體行星輪的剛性環緣則鎖固於殼主體內，輪轂轉軸之凸輪軸作輸入旋轉運動，帶動一體行星輪的柔性齒輪在剛性齒圈做相互嚙合，並藉由一體行星輪的柔性齒輪與剛性齒圈之間嚙合的齒數差驅動一體行星輪的柔性齒輪做與輸入轉動反向的減速轉動，與此同時由鎖固於殼主體內的一體行星輪的剛性環緣帶動輪轂外殼做輸出轉動以達成減速增力的效果。

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