TWI822582B - 縮小電動自行車助力機構 - Google Patents

Abstract

一種縮小電動自行車助力機構，包括以剛性齒圈輸出的倒置諧波減速機構、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諧波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徑向端兩個執行桿來驅動倒置諧波減速機構。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

縮小電動自行車助力機構

本發明係有關於一種縮小電動自行車助力機構，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。

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輸出的一體行星輪(含柔性齒輪與剛性環杯)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，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，這也是為什麼諧波減速機目前被工業界大量採用的原因。

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。此外，該發明專利以及其他前述三樣發明專利皆採用內轉子式或外轉子式輪轂電機來帶動齒輪減速機的電動自行車助力裝置仍有體積過大的缺點(可參閱各發明專利的剖視圖中馬達或輪轂電機配置便知)。

本發明主要係針對發明專利第I694952號『電動自行車電動補助力之諧波齒輪傳動機構』上述的不足以及使用內轉子式輪轂電機來帶動諧波齒輪減速機構的電動自行車助力裝置仍有 體積過大的缺點所為的全新發明。

本發明的主要目的在於提供一種縮小電動自行車助力機構，主要技術特徵之一為使用倒置諧波齒輪減速機構，乃以剛性齒圈當輸出輪、具柔性齒輪和剛性環杯的一體行星輪(本發明稱為具左側柔性齒輪和右側剛性環杯的一體外齒輪)當固定件；另一個主要技術特徵是將線性致動器取代轉子式輪轂電機來帶動倒置諧波齒輪減速機構的電動自行車助力機構，由於助力裝置軸向配置上無須轉子式輪轂電機，因此軸向尺寸可以縮小，更能實現小型化、輕量化，並仍維持提升助力之效果。

傳統諧波齒輪減速機構都是以剛性齒圈當固定件(機架)，具柔性齒輪和剛性環杯的一體行星輪當輸出輪，眾所周知其減速比為-(柔性齒輪齒數)除以(剛性齒圈齒數-柔性齒輪齒數)，例如剛性齒圈齒數22、柔性齒輪齒數20，其減速比為-10；剛性齒圈齒數52、柔性齒輪齒數50，其減速比為-25；剛性齒圈齒數102、柔性齒輪齒數100，減速比為-50。本發明使用倒置諧波齒輪減速機構乃以剛性齒圈當輸出輪，一體外齒輪當固定件，其減速比可由機構學教科書中的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得到為(剛性齒圈齒數)除以(剛性齒圈齒數-柔性齒輪齒數)。因此剛性齒圈齒數22、柔性齒輪齒數20，其減速比為11(代表扭矩相較前述傳統諧波齒輪減速機構增加10%)；剛性齒圈齒數52、柔性齒輪齒數50，其減速比為26(代表扭矩相較前述增加4%)；剛性齒圈齒數102、柔性齒輪齒數100，減速比為51(代 表扭矩相較前述增加2%)。相同大小下使用倒置諧波齒輪減速機構除了相較傳統諧波齒輪減速機構的扭矩有所增加外，使用一體外齒輪當固定件，相較傳統使用具柔性齒輪的一體行星輪當輸出旋轉輪在疲勞壽命上會較佳。

達成本發明目的的技術手段，係包括倒置諧波齒輪減速機構、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電動自行車助力裝置。輪轂外殼包含殼主體、殼右側蓋與殼左側蓋。倒置諧波齒輪減速機構包含一剛性齒圈其干涉裝配於殼主體內、一體外齒輪係具左側柔性齒輪和右側剛性環杯、和一柔性軸承(或柔性襯套)干涉裝配於該一體外齒輪的左側柔性齒輪之內徑。線性致動器具有複數個徑向執行桿，配置於倒置諧波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，做為取代輪轂電機和輪轂轉軸，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1係線性致動器沿著周向依序以徑向端兩個執行桿來驅動剛性齒圈的示意圖，其中線性致動器21的複數個徑向執行桿包含已作動兩個執行桿22與其它未作動執行桿23，當下一個相鄰徑向端兩個未作動執行桿23開始作動接觸到左側柔性齒輪13內部的柔性軸承15時，前兩個已作動執行桿22則退回未驅動位置，如此周而復始藉由驅動左側柔性齒輪13與剛性齒圈11的嚙合以及兩者的齒數差來帶動剛性齒圈11旋轉並產生減速運動。

11:剛性齒圈

12:一體外齒輪

13:左側柔性齒輪

14:右側剛性環杯

15:柔性軸承

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

圖1係線性致動器沿著周向依序以徑向端兩個執行桿來驅動剛性齒圈的示意圖。

圖2係本發明實施例縮小電動自行車助力機構的剖視圖。

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1至圖2，圖2係本發明實施例縮小電動自行車助力機構的剖視圖。在本發明實施例縮小電動自行車助力機構中輪轂外殼，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軸，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)。倒置諧波齒輪減速機構，包括剛性齒圈11、一體外齒輪12係具左側柔性齒輪13和右側剛性環杯14，其中剛性齒圈11干涉裝配於殼主體31內，右側剛性環杯14係利用平鍵43以及一C型扣環44固定於右側定軸41，柔性軸承15干涉裝配於左側柔性齒輪13的內徑。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。

線性致動器21置於倒置諧波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沿著周向順時鐘或逆時鐘依序以徑向端兩個已作動執行桿22來驅動左側柔性齒輪13與剛性齒圈11之嚙合，當下一個相鄰徑向端兩個執行桿作動接觸到左側柔性齒輪13的內部柔性軸承15時，前一個已作動兩個執行桿22則退回未驅動位置，如此周而復始藉由線性致動器21的執行桿(22與23)以及左側柔性齒輪13與剛性齒圈11的齒數差，使得剛性齒圈11相對可變形嚙合但固定的左側柔性齒輪13做同軸心的旋轉運動，與此同時由干涉配合於殼主體31內的剛性齒圈11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。

綜上所述，本發明縮小電動自行車助力機構明顯具有以更小尺寸達成高減速比和提升助力效果，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:剛性齒圈

12:一體外齒輪

13:左側柔性齒輪

14:右側剛性環杯

15:柔性軸承

21:線性致動器

22:已作動執行桿

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 (1)

1. 一種縮小電動自行車助力機構，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；

   倒置諧波齒輪減速機構，包括剛性齒圈、一體外齒輪係具左側柔性齒輪和右側剛性環杯，其中一柔性軸承干涉裝配於左側柔性齒輪的內徑；

   線性致動器，係具有複數個徑向執行桿，可以高速驅動倒置諧波齒輪減速機構，再由倒置諧波齒輪減速機構以高減速比傳遞至輪轂外殼；

   其特徵在於：

   該剛性齒圈干涉裝配於殼主體內，一體行星輪的右側剛性環杯則藉由平鍵和C型扣環固定於右側定軸，線性致動器置於倒置諧波齒輪減速機構的內部中空的空間，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，具有複數個徑向執行桿的線性致動器沿著周向順時鐘或逆時鐘依序以徑向端兩個已作動執行桿來驅動一體外齒輪的左側柔性齒輪與剛性齒圈之嚙合，當下一個相鄰徑向端兩個執行桿作動接觸到左側柔性齒輪內部柔性軸承時，前一個已作動兩個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驅動左側柔性齒 輪與剛性齒圈的嚙合，並藉由左側柔性齒輪與剛性齒圈的齒數差，使得剛性齒圈相對可變形嚙合但固定的左側柔性齒輪做同軸心的旋轉運動，與此同時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。

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