无段变速控制系统与应用此无段变速控制系统的自行车的制作方法
【专利摘要】一种无段变速控制系统与应用此无段变速控制系统的自行车。此无段变速控制系统由辅助马达、行星齿轮组(包含行星臂、环齿轮、太阳齿轮及行星齿轮)与转速比控制器所组成。辅助马达透过连接环齿轮提供动力辅助。行星臂连接至自行车脚踏板，传递使用者提供的主动力。行星齿轮组结合由行星臂所传递的主动力及环齿轮提供的辅助动力，于太阳齿轮输出主动力与辅助动力所混合的动力。转速比控制器以电性连接至辅助马达，并根据行星臂转速来调整转速比控制参数(α)的值，以控制辅助马达(即环齿轮)的转速，其中wr＝αwc，wr为辅助马达转速，wc为行星臂转速。借此，可达到无段变速的功效。
【专利说明】
无段变速控制系统与应用此无段变速控制系统的自行车
技术领域
[0001] 本实用新型是有关于一种无段变速控制系统与应用此无段变速控制系统的自行 车。
【背景技术】
[0002] 电助自行车是一种利用马达提供的电助力搭配骑乘者踩踏力量而获得前进动力 的自行车。由于电助自行车可减少骑乘者骑乘时的体力负担，同时也可让骑乘者在休闲之 余达到健身的效果，电助自行车于近年来市场持续成长和发展。
[0003] 自行车为因应不同的骑乘路况，其传动系统通常皆配备由拨链器所构成的变速 器，W提供不同的齿轮比变换。然而，此拨链式变速器存在着变速不平稳及链条脱落等问 题。此外，电助系统若末与变速器合适的搭配，例如在低踩踏转速区使用高增速比、高踩踏 转速区却搭配低增速比等，将导致电助系统的效果下降。对使用者而言，同时亦须考量电助 系统的控制面板W及变速器的转速比选择，过多的控制选择将造成骑乘者的困扰。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型的一目的为提供一种无段变速控制系统与应用此无段变速控制系统 的电助自行车，其可连续性地调整输入及输出间转速比，此种转速比调变的过程即为无段 变速，透过设计辅助马达的转速比调控曲线特性，在不同踩踏转速提供骑乘者合适的转速 比及辅助力。
[0005] 根据本实用新型的上述目的，提出一种无段变速控制系统，此系统由辅助马达、行 星齿轮组(包含行星臂、环齿轮、太阳齿轮及行星齿轮)与转速比控制器所组成。辅助马达透 过连接环齿轮提供动力辅助。行星臂机械连接至自行车脚踏板，传递使用者提供的主动力。 行星齿轮组结合由行星臂所传递的主动力及环齿轮提供的辅助动力，于太阳齿轮输出主动 力与辅助动力所混合的动力。转速比控制器W电性连接至辅助马达，并根据行星臂转速来 调整传动控制参数α的值，W控制辅助马达（即环齿轮）的转速，其中Wr = aWG，Wr为调控端辅 助马达转速，W。为输入端的行星臂转速。行星齿轮组包含输入端、控制端W及输出端。输入 端用W接收主动力。控制端用W接收辅助动力。输出端用W混合主动力和辅助动力，W输出 混合动力。
[0006] 根据本实用新型的一实施例，输入端包含行星臂，控制端包含环齿轮，输出端包含 太阳齿轮，其中环齿轮环绕太阳齿轮，多个行星齿轮晒合于环齿轮与太阳齿轮之间，输入行 星臂连接至行星齿轮，输入端的转速为行星臂的转速。
[0007] 根据本实用新型的一实施例，该太阳齿轮的一太阳齿轮转速与该行星臂及该马达 转速的关系为：
[000引
[0009]其中Ws为该太阳齿轮转速，I?s该太阳齿轮的半径，Rc为该行星臂的长度，Rr该环齿 轮的半径。
[0010]根据本实用新型的一实施例，Rs、Rc、Rr的比值化：2:3。
[0011] 根据本实用新型的一实施例，
[0012]
[OOK]其中，Wrefd为预设中踩踏转速区下限值，Wrefu为预设中踩踏转速区上限值。
[0014] 根据本实用新型的一实施例，该预设中踩踏转速区下限值为40rpm，该预设中踩踏 转速区上限值为80巧m。
[0015] 根据本实用新型的一实施例，输入部包含太阳齿轮，控制部包含环齿轮，输出部 包含行星臂，其中环齿轮环绕太阳齿轮，多个行星齿轮晒合于环齿轮与太阳齿轮之间。
[0016] 再者，根据本实用新型的上述目的，提出一种应用无段变速控制系统的自行车。此 应用无段变速控制系统的自行车包含踩踏板与无段变速控制系统。踩踏板是用W供使用者 踩踏，W提供主动力的来源。无段变速控制系统包含辅助马达、行星齿轮组(包含行星臂、环 齿轮、太阳齿轮及传动行星齿轮组）W及转速比控制器。辅助马达用W输出辅助动力。行星 臂用W承载使用者提供的主动力。行星齿轮连接至行星臂，W接收行星臂所传递的主动力。 环齿轮用W接收辅助动力，其中环齿轮具有内齿部，内齿部晒合于行星齿轮。太阳齿轮设置 于环齿轮中且晒合于行星齿轮，W输出主动力与辅助动力所混合的动力。转速比控制器是 电性连接至辅助马达，用W根据输入端行星齿臂转速来调整一转速比控制参数α的值，W控 审揃助马达转速，其中Wr = aWc，Wr为马达转速，Wc行星臂转速。行星齿轮组包含输入端、控制 端W及输出端。输入端用W接收主动力。控制端用W接收辅助动力。输出端用W混合主动力 和辅助动力，W输出混合动力。
[0017] 根据本实用新型的一实施例，该太阳齿轮的一太阳齿轮转速与该行星臂及该马达 转速的关系为：
[001 引
[0019]其中Ws为该太阳齿轮转速Js该太阳齿轮的半径，Rc为该行星臂的长度，Rr该环齿 轮的半径。
[0020]根据本实用新型的一实施例，Rs、Rc、Rr的比值为1:2:3。
[0021 ]根据本实用新型的一实施例，
[0022]
[0023] 其中，Wrefd为预设中踩踏转速区下限值，Wrefu为预设中踩踏转速区上限值。
【附图说明】
[0024] 为了更完整了解实施例及其优点，现参照结合所附附图所做的下列描述，其中：
[0025] 图1是绘示根据本实用新型实施例的电助自行车的结构示意图；
[0026] 图2是绘示根据本实用新型实施例的无段变速控制系统的结构示意图；
[0027] 图3是绘示根据本实用新型实施例的α值与行星臂转速W。的关系示意图；W及
[0028] 图4是绘示根据本实用新型实施例的输出端太阳齿轮转速ws与输入端行星臂转速 W。的比值(WV。)其与行星臂转速W。的关系示意图。
【具体实施方式】
[0029] 请参照图1，其是绘示根据本实用新型一实施例的电助自行车100的结构示意图。 电助自行车100包含踩踏板110、无段变速控制系统120W及电池130。踩踏板110是用W供使 用者踩踏，W提供动力至无段变速控制系统120,进而使自行车前进。电池130是用W提供电 力至无段变速控制系统120, W使无段变速控制系统120内的马达提供动力来搭配使用者的 主动力，减少使用者骑乘电助自行车100的负担。
[0030] 请参照图2,其是绘示根据本实用新型实施例的无段变速控制系统120的结构示 意图。无段变速控制系统120包含辅助马达121、转速比控制器C0NW及行星齿轮组。行星齿 轮组包含行星臂122、多个行星齿轮123、环齿轮124W及太阳齿轮125。行星齿轮组是设置于 前链条齿盘126上，W混合使用者踩踏提供的主动力和辅助马达的辅助动力，驱使电助自行 车100前进。
[0031] 在行星齿轮组中，环齿轮124是环绕太阳齿轮125,而行星齿轮123则设置于环齿轮 124与太阳齿轮125之间，W分别晒合环齿轮124与太阳齿轮125。具体而言，环齿轮124具有 内齿部，此内齿部晒合于多个行星齿轮123,而太阳齿轮125设置于多个行星齿轮123之间并 与其晒合。
[0032] 行星臂122是连接于行星齿轮123与踩踏板110之间，透过踩踏板110承载使用者提 供的主动力，并将主动力透过行星臂122传递至行星齿轮123。环齿轮124是用W接收辅助马 达121所提供的辅助动力，W使主动力和辅助动力于齿轮组中混合，再透过太阳齿轮125来 输出混合动力，驱使电助自行车100前进。
[0033] 转速比控制器CON是电性连接至辅助马达121，W控制辅助马达121的转速来达成 无段变速控制及动力辅助的效果。W下将介绍转速比控制器CON如何达成无段变速控制的 效果。
[0034] 首先，设定Wr = awc，其中Wr为辅助马达的转速，Wc为行星臂转速。由各齿轮元件间 的运动学转速关系，太阳齿轮转速(Ws)与马达转速的关系可W下列方程式来表示：
[0035]
[0036] 在本实用新型的实施例中，太阳齿轮125的半径Rs、行星臂122的长度RcW及环齿轮 124的半径Rr的比值为1:2:3,因此太阳齿轮转速(ws)与马达转速的关系可W下列方程式来 表不：
[0037]
[0038] 由上式可知，输入至输出的转速比关系可透过控制α值来达到变转速比的效果，因 此在本实用新型的实施例中，转速比控制器CON是根据骑乘者的踩踏转速，即行星齿臂转 速W。，来控制α值而达成无段变速控制的效果。
[0039] 请参照图3,其是绘示根据本实用新型实施例的α值与行星臂转速W。的关系示意 图。本实用新型的实施例是将自行车骑乘者的踩踏转速划分为Ξ个操作区段:低踩踏转速、 中踩踏转速W及高踩踏转速，其中低踩踏转速与中踩踏转速是W-预设踩踏转速下限值 (Wrefd)作为分界，而中踩踏转速与高踩踏转速则W-预设踩踏转速上限值(Wrefu)作为分界。 根据图3，α值可W下列方程式来表示：
[0040]
[0041] 由于一般青年合适的踩踏转速约为60-8化pm，故在此定义预设中踩踏转速区下限 值Wref d为40rpm，而预设中踩踏转速区上限值Wref U为80巧m。然而，本实用新型的实施例并不 受限于此，在本实用新型的其他实施例中，预设中踩踏转速区下限值Wrefd与上限值Wrefu可由 电助自行车制造商自行定义。
[0042] 请参照图4,其是绘示根据本实用新型实施例的输入至输出的转速比值(ws/wc)与 行星臂转速wc的关系示意图。由图4可看出，在行星臂转速上升的过程中，转速比亦随此转 速上升而增加，符合一般自行车转速比调整的概念，即低踩踏转速时需为低转速比、高踩踏 转速时则需为高转速比。
[0043] 由W上说明可知。本实用新型实施例的无段变速控制系统120整合电助系统及变 速系统，使用行星齿轮组将人力及马达力结合，且在马达改变输入及输出转速比值过程中 为连续无段变速。透过设计马达调控转速比的曲线，在不同骑乘情况下提供合适的转速比 及辅助力。另外，针对车速过高的情况，本实用新型实施例亦可提供过速保护的机制。例如， 根据下列方程式来设定过速保护的机制：
[0044]
[0045] 其中，Wlim为速度上限值。
[0046] 在本实施例中，wiim的值订为33化pm，但本实用新型的实施例并不受限于此，在本 实用新型的其他实施例中Wlim的值可由电助自行车制造商自行决定。当行星臂转速Wc大于 RsWiim/2R。时，此过速保护机制会启动，使得辅助马达121从静止再次启动(高踩踏转速时马 达维持静止、不提供动力辅助），W降低转速比，使输出端转速Ws不超过速度上限值Wlim。
[0047] 值得一提的是，本实用新型实施例的齿轮组配置方式并不受限于上述实施例。例 如，在本实用新型的前述实施例中，行星臂123是作为行星齿轮组的输入端，环齿轮124为行 星齿轮组的控制端(第二输入端），而太阳齿轮125则作为行星齿轮组的输出端。上述的配置 是应用于自行车的增速需求。然而，在本实用新型的其他实施例中，太阳齿轮125是可作为 行星齿轮组的输入端，环齿轮124做为行星齿轮组的控制端，而行星臂123改为行星齿轮组 的输出端。如此配置可适用于汽车的减速需求。例如，在此实施例中，太阳齿轮125所传递的 主动力来源为汽车引擎输出的动力，环齿轮124接收辅助马达的辅助动力，而行星臂123则 输出引擎动力与辅助动力的混合动力，亦达到无段变速的功效。
[0048] 虽然本实用新型已W实施方式掲露如上，然其并非用W限定本实用新型，任何熟 悉此技艺者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本实用 新型的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。
【主权项】
1. 一种无段变速控制系统，其特征在于，包含： 一辅助马达，用以提供一辅助动力； 一行星齿轮组，包含： 一输入端，用以接收一主动力； 一控制端，用以接收该辅助动力；以及 一输出端，用以混合该主动力和该辅助动力，以输出一混合动力；以及 一转速比控制器，电性连接至该辅助马达，用以根据该输入端的转速来调整一转速比 控制参数Ct的值，控制该辅助马达之一马达转速，其中： Wr - CtWc 其中Wr为该马达转速，W。为该输入端的转速。2. 根据权利要求1所述的无段变速控制系统，其特征在于，该输入端包含一行星臂，该 控制端包含一环齿轮，该输出端包含一太阳齿轮，其中该环齿轮环绕该太阳齿轮，多个行星 齿轮啮合于该环齿轮与该太阳齿轮之间，该行星臂连接至该行星齿轮，该输入端的转速为 该行星臂的转速。3. 根据权利要求2所述的无段变速控制系统，其特征在于，该太阳齿轮的一太阳齿轮转 速与该行星臂及该马达转速的关系为：其中Ws为该太阳齿轮转速，Rs该太阳齿轮的半径，Rc为该行星臂的长度，Rr该环齿轮的半 径。4. 根据权利要求3所述的无段变速控制系统，其特征在于，Rs、RC、Rr的比值为1:2:3。5. 根据权利要求4所述的无段变速控制系统，其特征在于：其中，Wrrfd为一预设中踩踏转速区下限值，Wrefu为一预设中踩踏转速区上限值。6. 根据权利要求5所述的无段变速控制系统，其特征在于，该预设中踩踏转速区下限值 为40rpm，该预设中踩踏转速区上限值为80rpm。7. 根据权利要求1所述的无段变速控制系统，其特征在于，该输入端包含一太阳齿轮， 该控制端包含一环齿轮，该输出端包含一行星臂，其中该环齿轮环绕该太阳齿轮，多个行星 齿轮啮合于该环齿轮与该太阳齿轮之间。8. -种应用无段变速控制系统的自行车，其特征在于，包含： 一踩踏板，用以供一使用者踩踏，以提供一主动力来源； 一无段变速控制系统，包含： 一辅助马达，用以输出一辅助动力； 一行星臂，连接至该踩踏板，以传递该使用者所提供的该主动力； 一行星齿轮，连接至该行星臂，以接收该行星臂所传递的该主动力； 一环齿轮，用以接收该辅助动力，其中该环齿轮具有一内齿部，该内齿部啮合于该些行 星齿轮； 一太阳齿轮，设置于该环齿轮中且啮合于该些行星齿轮，以输出该主动力与该辅助动 力所混合的一混合动力；以及 一转速比控制器，电性连接至该辅助马达，用以根据该行星臂的转速来调整一转速比 控制参数α的值，以控制该辅助马达的一马达转速，其中： Wr - CtWc 其中Wr为该马达转速，W。为该行星臂转速。9. 根据权利要求8所述的应用无段变速控制系统的自行车，其特征在于，该太阳齿轮的 一太阳齿轮转速与该马达转速的关系为：其中Ws为该太阳齿轮转速，Rs该太阳齿轮的半径，Rc为该行星臂的半径，Rr该环齿轮的半 径，Rs、Rc、Rr的比值为1:2:3。10. 根据权利要求9所述的应用无段变速控制系统的自行车，其特征在于：其中，Wrrfd为一预设中踩踏转速区下限值，Wrefu为一预设中踩踏转速区上限值。
【文档编号】F16H61/04GK205559717SQ201620138778
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年2月24日
【发明人】蔡明祺, 李健宏, 陈俊霖, 薛博文
【申请人】蔡明祺