自行车驱动系统的制作方法

本申请涉及并且要求2018年3月27日提交的发明名称为“bicycledrivesystem(自行车驱动系统)”的美国临时申请no.62/648,588、以及2018年4月16日提交的发明名称为“bicycledrivesystem(自行车驱动系统)”的丹麦申请no.pa201800163的优先权，上述申请的内容在此通过引用的方式整体并入。

本发明涉及自行车。具体地，本发明涉及一种自行车驱动系统。

背景技术：

传统的多档位自行车驱动系利用链条驱动系统，该链条驱动系统包括：链条、链轮和后变速器，以将骑手的动力从脚蹬传递到自行车的后轮，并允许多个档位选择。传统的多档位链条驱动器的一些缺点如下：

·多档位自行车链条驱动器的总功率传递效率可能相对低。由于众多的旋转驱动系部件并且各个链节(chainlinks)随着链节通过后变速器滑轮接合和脱离前链环、后链轮和曲折部(zig-zag)而铰接，所以在链条驱动系统内产生摩擦。

·当链条被置于较高档位链轮和较低档位链轮时，多档位后链轮使链条处于未对准状态(也被称为交叉链接)。未对准的链条增加了摩擦水平。

·传统自行车链条的链节在链节之间的铰接点处没有密封。污垢、污染物和异物能够滞留在链节上和链节内，这会增加摩擦水平。

·需要定期润滑所暴露的链节。

·链条和后变速器必须被正确地调整，否则可能会发生链条滑移和跳齿(gearskipping)。

·衣服、草或其它物体也可能被链条和链轮挂住。

·后变速器机构悬挂在自行车车架的后部下方并从自行车车架的后部下方向外突出。该机构的路径中的异物能够被卡在该机构内，从而潜在地导致对驱动系的损坏或在骑车时产生不安全的状况。另外，突出的后变速器机构产生空气湍流并降低了自行车的空气动力学效率。

替代地，当与传统的链条驱动系统相比时，利用轴驱动而不是链条将骑手的动力传递到后轮的自行车驱动系具有几个优点。然而，现有技术的轴驱动系统是相对低效的，甚至比链条驱动更低效。

一些自行车轴驱动系统使用传统的固定齿式齿轮或滚子轴套系统来传递旋转力。在固定齿齿轮和滚子轴套系统两者中，所述齿/轴套与冠齿轮接合，并在施加和传递旋转力时产生滑动动作。尽管在齿设计和齿几何形状方面取得了进步，但在前述齿轮组中的任一个中将会出现一定程度的滑动摩擦。无论使用固定齿还是滚子轴套系统，现有技术中所述的所有轴驱动都在操作期间都产生相对高水平的摩擦。这是因为两种系统都使用简单的滑动界面：无论是使用驱动轴小齿轮上的固定齿(该驱动轴小齿轮上的固定齿与嵌齿齿轮(gearcogs)的对向的固定齿接合并相对于该对向的固定齿滑动)，还是使用滚子轴套系统(该滚子轴套系统在嵌齿齿轮的固定齿上滑动)。

现有技术公开了几种自行车轴驱动系统。本自行车轴驱动系统使用与固定齿齿轮啮合的固定齿齿轮，或者使用与冠齿轮上的固定齿接合的滚子轴套系统，以提供旋转动力传递。现有技术文献美国专利no.5,078,416公开了一种自行车轴驱动器，该自行车轴驱动器使用斜形固定齿齿轮来接收和传递旋转动力。现有技术文献美国公开no.2011/0062678公开了一种自行车轴驱动器，该自行车轴驱动器使用扁平形的固定齿齿轮来接收和传递旋转动力。现有技术文献美国专利no.7,434,489公开了一种自行车轴驱动器，该自行车轴驱动器使用球形固定齿齿轮和圆柱形固定齿齿轮来接收和传递旋转动力。现有技术文献wo2006/049366和wo2007/132999都描述了自行车驱动轴，所述自行车驱动轴包括轴套，该轴套作为接合在冠齿轮中的滚动元件。这些滚子-轴套系统通过使用支撑构件上的简单滑动界面来提供滚子的旋转。这些系统导致低效的传动系统，并且具有由于高摩擦水平而导致的高磨损率、高的维护程度并且较短的零件更换间隔。因此，现有的自行车轴驱动系统不被视为高效率驱动系统。

考虑到现有的自行车驱动系，对于如下的多档位自行车驱动系统存在着需求：该多档位自行车驱动系统非常高效，并且无论骑行条件如何，都保持高的效率水平。

技术实现要素：

在本专利中使用的术语“发明”、“该发明”“此发明”和“本发明”旨在广义地指代本专利和下文专利权利要求书的所有主旨。包含这些术语的陈述应被理解为不是限制本文所述的主题或限制所附专利权利要求书的含义或范围。本专利所涵盖的本发明的实施例由所附权利要求书而非由该发明内容限定。该发明内容是本发明的各种实施例的高度概括，并且介绍了在下面的具体实施方式部分中进一步描述的一些概念。该发明内容并非旨在确认所要求保护的主旨的关键特征或必要特征，也并非旨在单独使用以确定所要求保护的主旨的范围。应通过参考本专利的整个说明书的适当部分、任何或所有附图以及每个权利要求来理解所述主旨。

根据特定示例，自行车驱动系统包括驱动轴，该驱动轴被构造成用于连接该自行车驱动系统的前面齿轮(frontfacegear)和后面齿轮(rearfacegear)。该自行车驱动系统还包括：前面齿轮，该前面齿轮包括嵌齿盘和至少一个同心齿环；后面齿轮，该后面齿轮包括嵌齿盘和至少一个同心齿环；以及驱动轴，该驱动轴具有旋转轴线并具有该驱动轴的第一端和第二端。在一些示例中，该驱动轴包括：联接到该驱动轴的第一端的滚子齿式齿轮组件；和/或联接到该驱动轴的第二端的滚子齿式齿轮组件，其中所述滚子齿式齿轮组件被构造成与所述前面齿轮或后面齿轮上的所述同心齿环中的一个齿环啮合，使得该齿环的旋转运动被传递到所述轴。所述一个或多个滚子齿式齿轮组件包括一个或多个滚子元件。所述滚子齿式齿轮组件的所述一个或多个滚子元件接合所述前面齿轮或后面齿轮的同心齿环中的一个齿环。所述滚子元件包括滚珠轴承、滚子轴承和/或双列滚珠轴承。

在一些示例中，前滚子齿式齿轮组件联接到驱动轴的第一端，并且后滚子齿式齿轮组件附接到驱动轴的第二端。在各种示例中，前滚子齿式齿轮组件和后滚子齿式齿轮组件包括一个或多个滚子元件。在一些示例中，前滚子齿式齿轮组件的所述一个或多个滚子元件接合所述前面齿轮的所述同心齿环中的一个齿环，并且后滚子齿式齿轮组件的所述一个或多个滚子元件接合所述后面齿轮的所述同心齿环中的一个齿环，使得所述前面齿轮的旋转运动被传递到驱动轴，并由此传递到所述后面齿轮。

在各种示例中，前滚子齿式齿轮组件包括旋转器，并且该旋转器包括均匀地分布在距中心的一定径向距离处的滚子元件。在某些示例中，所述驱动轴是：伸缩式驱动轴，该伸缩式驱动轴具有同轴的内轴和外轴；或固定长度的多套筒同轴轴；或单个轴。在一些方面，所述后面齿轮和/或所述前面齿轮的一个或多个齿环包括多个齿和多个齿谷，并且所述齿与嵌齿盘的表面平面成一定角度(在0到120°范围内)延伸。在一些实施例中，所述后面齿轮和/或所述前面齿轮的所述一个或多个齿环包括多个齿和多个齿谷，并且所述前面齿轮上的齿具有相同的几何形状，和/或所述后面齿轮上的齿具有相同的几何形状。

在特定示例中，所述后面齿轮包括多个齿环，并且所述齿环中的至少一些齿环的齿被放置为形成在嵌齿盘的径向方向上延伸的由齿谷构成的换档通道。在各种情况下，所述齿被放置为形成在不同径向方向上延伸的多个换档通道。

在各种示例中，该自行车驱动系统被至少部分地封闭在保护罩中。在一些情况下，机电档位选择装置被定位在驱动轴的内部并且连接到换档控制器和后滚子齿式齿轮组件。在一些实施例中，驱动轴包括一个或多个扭转应变仪。

本公开中描述的各种实施方式能够包括附加的系统、方法、特征和优点，这些附加的系统、方法、特征和优点不一定在本文中明确地公开，但是对于研究了以下详细描述和附图后的本领域技术人员来说将是显而易见的。所有这种系统、方法、特征和优点都旨在被包括在本公开中并且受所附权利要求书保护。

附图说明

示出了以下附图的特征和部件以强调本公开的一般原理。为了一致性和清楚起见，能够通过匹配附图标记来指定所有附图中的对应的特征和部件。

图1是具有根据本发明的实施例的自行车驱动系统的自行车的侧视图。

图2是作为单档位构造的自行车驱动系统的实施例的视图。

图3示出了图2的驱动轴系统的分解图。

图4示出了滚子齿式齿轮组件的实施例的分解图的示意图。

图5示出了根据本发明的实施例的与前滚子齿式齿轮组件中的前旋转器的滚子元件接合的前面齿轮。

图6示出了根据本发明的实施例的与前滚子齿式齿轮组件中的前旋转器的滚子元件接合的前面齿轮。

图7示出了根据本发明的实施例的与后滚子齿式齿轮组件中的后旋转器的滚子元件接合的后面齿轮。

图8示出了根据本发明的实施例的与多档位后面齿轮(multi-gearrearfacegear)接合的后滚子齿式齿轮组件。

图9示出了根据本发明的实施例的与多档位后面齿轮接合的后滚子齿式齿轮组件。

图10示出了根据本发明的实施例的多档位后面齿轮上的换档通道。

图11示出了根据本发明的实施例的后面齿轮或前面齿轮的齿廓。

图12示出了根据本发明的实施例的后面齿轮或前面齿轮的齿廓。

具体实施方式

本发明的一个目的在于提供一种具有驱动系统的自行车，该驱动系统产生低摩擦力，因此提供了从脚蹬到后轮的高效的骑手动力传递装置。本发明的另一目的在于提供一种具有高效率驱动系统的自行车，该驱动系统能够改变档位以允许多个最终传动比。本发明的另一目的在于提供一种具有高效率驱动系统的自行车，其中该系统的效率不受灰尘、水、污染物或在非清洁骑行条件下通常经历的其它异物影响。与使用轴套或固定齿相反，使用轴承产生了一种动力传递系统，该动力传递系统明显更有效并且具有比现有技术文献中描述的系统低得多的磨损率。与轴套式设计或固定齿式设计相比，通过本发明，自行车骑手将体验到具有较低摩擦水平、较低维护程度和较长的零件更换间隔的驱动系统。

本发明涉及一种自行车驱动系统，该自行车驱动系统包括驱动轴，该驱动轴被构造成用于连接自行车驱动系统的前面齿轮和后面齿轮，其中，该自行车驱动系统包括：前面齿轮，该前面齿轮包括嵌齿盘(cog-disk)和至少一个同心齿环；和后面齿轮，该后面齿轮包括嵌齿盘和至少一个同心齿环；以及驱动轴，该驱动轴具有旋转轴线并具有驱动轴的第一端和第二端；并且其中，该驱动轴还包括联接到驱动轴的第一端的滚子齿式齿轮组件和/或联接到驱动轴的第二端的滚子齿式齿轮组件，其中该滚子齿式齿轮组件被构造成与所述前面齿轮或后面齿轮上的所述同心齿环中的一个齿环啮合，使得前齿环的旋转运动被传递到所述轴，并且所述轴同样将旋转运动传递到后齿环；其中，所述一个或多个滚子齿式齿轮组件包括一个或多个滚子元件；并且所述滚子齿式齿轮组件的所述一个或多个滚子元件接合所述前面齿轮或后面齿轮的同心齿环中的一个齿环，并且其中所述滚子元件包括滚珠轴承、滚子轴承和/或双列滚珠轴承。

迄今为止，使用自行车驱动轴一直是非常不利的。在传统的自行车驱动轴系统中，齿轮齿包括固定齿或滚子轴套系统，所述固定齿或滚子轴套系统通常被应用在所述轴上并且与前面齿轮和后面齿轮接合。固定齿或滚子轴套啮合并因此在相邻的固定齿上滑动的动作产生显著高的摩擦力，因此在实践中，这种齿轮通常被认为是不适合且无利可图的。

本发明示出了非常有利的自行车驱动系统，该自行车驱动系统产生最小量的摩擦。这是由于滚子齿式齿轮组件中的滚子元件以较低摩擦的滚动相互作用代替了传统的固定齿轮齿的滑动相互作用。通过使用根据本发明的滚子元件，从脚蹬到后轮的这种力和扭矩传递已被证明在物理上是可能的，并且因为前面齿轮及后面齿轮与相应的滚子元件之间的极大地减小的摩擦力而是有利可图的。

与传统的自行车驱动轴系统相比，该自行车驱动系统中的所述一个或多个滚子齿式齿轮组件上的滚子元件导致该系统的摩擦减小。仅使用与前面齿轮或后面齿轮啮合的一个滚子齿式齿轮组件就大大降低了自行车驱动系统中的摩擦。

为了最大化该系统中的摩擦降低，有利的是使一个滚子齿式齿轮组件附接到所述驱动轴的第一端并与前面齿轮啮合，并且使一个滚子齿式齿轮组件附接到所述驱动轴的第二端并与后面齿轮啮合。

因此，在本发明的一个实施例中，该自行车驱动系统包括：前面齿轮，该前面齿轮包括嵌齿盘和至少一个同心齿环；后面齿轮，该后面齿轮包括嵌齿盘和至少一个同心齿环；驱动轴，该驱动轴具有旋转轴线并具有第一端和第二端；前滚子齿式齿轮组件，该前滚子齿式齿轮组件联接到所述驱动轴的前端并且被构造成与所述前面齿轮上的所述同心齿环中的一个齿环啮合，使得前齿环的旋转运动被传递到所述轴；以及后滚子齿式齿轮组件，该后滚子齿式齿轮组件联接到所述驱动轴的第二端并与所述后面齿轮上的所述同心齿环中的一个齿环接合，使得所述轴的旋转运动传递到所述后面齿轮；其中，前滚子齿式齿轮组件和/或后滚子齿式齿轮组件包括一个或多个滚子元件；并且前滚子齿式齿轮组件的所述一个或多个滚子元件与所述前面齿轮的所述同心齿环中的一个齿环啮合；和/或后滚子齿式齿轮组件的所述一个或多个滚子元件与所述后面齿轮的所述同心齿环中的一个齿环接合，使得所述前面齿轮的旋转运动被传递到所述轴，并由此传递到所述后面齿轮。

所述前面齿轮连接到曲柄臂，该曲柄臂又连接到曲柄臂轴。脚蹬连接到曲柄臂。骑手迫使脚蹬转动，以确保所述前面齿轮旋转。所述前面齿轮包括嵌齿盘和至少一个同心齿环；优选地，所述前面齿轮包括嵌齿盘和一个或两个同心齿环。“同心齿环”是指同心地布置的齿环或圆形的齿轮齿路径，其中这些环具有不同的直径。

嵌齿盘是可以完全实心的盘，或者替代地是具有孔的实心盘。该嵌齿盘可具有任何期望的形状，优选为圆形或椭圆形。该嵌齿盘的材料优选是金属，但也可以是如下的任何适当的材料：这种材料在自行车骑行时不易破碎或变形，并且能够抵御雨水、泥浆、污垢和灰尘颗粒。

在一个实施例中，所述前面齿轮包括嵌齿盘和一个同心齿环，并由此具有包括多个齿轮齿和多个齿谷(toothvalleys)的一个齿环。

在另一实施例中，所述前面齿轮包括嵌齿盘和两个同心齿环，并由此具有两个同心地布置的齿环，其中这两个齿环具有不同的直径。两个齿环都具有相同或几乎相同几何形状的多个齿轮齿和多个齿谷，然而这两个齿环不具有相同数量的齿。所述齿环之间的径向间距优选使得前滚子齿式齿轮组件一次仅可以与单个齿环啮合并接合。由此，所述同心齿环的径向间距可以匹配所述滚子齿式齿轮组件的滚子元件的宽度，或者如果齿环的齿宽度窄于滚子元件的宽度，则径向间距可以比滚子元件的宽度窄，或者该径向间距可以比滚子元件的宽度宽。

前滚子齿式齿轮组件被沿着所述驱动轴的轴线定位，使得该滚子齿式齿轮组件与所述前面齿轮上的两个齿环中的任一个接合。

在替代实施例中，所述前面齿轮包括嵌齿盘和多个同心齿环，并由此具有多个同心地布置的齿环，其中，所述多个齿环具有不同的直径。所述多个齿环具有相同或几乎相同几何形状的多个齿轮齿和多个齿谷，然而，所述齿环不具有相同的齿数。所述齿环之间的间距使得前滚子齿式齿轮组件一次仅可以与单个齿环啮合并接合。根据需要，前滚子齿式齿轮组件能够沿着所述驱动轴的纵向轴线被选择性地前后定位成与所述前面齿轮上的所述多个齿环中的任一个处于啮合状态。前滚子齿式齿轮组件由换档机构定位。该换档机构确保前滚子齿式齿轮组件接合哪个齿环。

在另一实施例中，所述后面齿轮包括平行于或几乎平行于后轮的旋转平面以及与后轮轴的同轴关系。

所述后面齿轮包括嵌齿盘和单个或多个同心齿环。“同心齿环”的意思是指同心地布置的齿轮齿的环，这些齿环具有不同的直径。所述齿环之间的间距使得后滚子齿式齿轮组件一次仅可以与单个齿环啮合并接合。

所述后面齿轮可以包括任何数量的期望的单个齿环或多个同心齿环；优选地，所述单个齿环或同心齿环的数量为约1至20个；更优选地，所述同心齿环的数量为约10至18个；最优选地，所述同心齿环的数量为约12至15个。

前面齿轮将旋转扭矩传递到前滚子齿式齿轮组件。具体地，旋转力通过前面齿轮的一个或多个齿与前滚子齿式齿轮组件的一个或多个接合并相邻的滚子元件之间的啮合和接合而被传递。

然后，旋转扭矩被从前滚子齿式齿轮组件传递到驱动轴，并且从驱动轴传递到后滚子齿式齿轮组件。

后面齿轮从后滚子齿式齿轮组件接收旋转扭矩。具体地，旋转力通过后滚子齿式齿轮组件的一个或多个滚子元件与后齿环的一个或多个接合并相邻的齿之间的啮合和接合而被传递。

后滚子齿式齿轮组件被沿着驱动轴的轴线定位，使得该滚子齿式齿轮组件根据需要而接合所述后面齿轮上的单个齿环或所述多个齿环中的任一个。

所述后面齿轮通过其与后轮轴的联接而将旋转扭矩传递到后轮。

前滚子齿式齿轮组件和/或后滚子齿式齿轮组件包括旋转器。该旋转器包括多个滚子元件。所述滚子元件确保该自行车驱动系统产生低摩擦水平。

在优选实施例中，前滚子齿式齿轮组件和后滚子齿式齿轮组件各自都包括旋转器。该前旋转器和后旋转器都包括多个滚子元件。在自行车驱动系统中采用两个旋转器(即，前旋转器和后旋转器)产生了比仅使用单个前旋转器或单个后旋转器时更低的整体摩擦水平。

在一个实施例中，该旋转器附接到键合式连接器(keyedconnector)。该键合式连接器具有键槽，并且该旋转器被安置到该键合式连接器上。该连接器确保前旋转器和后旋转器能够通过使用轴环或任何其它常规装置安装在驱动轴的第一端和第二端上。

在本发明的一个实施例中，前滚子齿式齿轮组件和后滚子齿式齿轮组件在设计上是等效的。即，包括前旋转器的前滚子齿式齿轮组件和包括后旋转器的后滚子齿式齿轮组件具有相同直径的旋转器，和/或相等地包括相同数量的滚子元件和/或相同尺寸的滚子元件和/或相同类型的滚子元件。另外，所述前面齿轮和所述后面齿轮的齿廓相同或几乎相同。

在替代实施例中，前滚子齿式齿轮组件和后滚子齿式齿轮组件在设计上是不同的。前滚子齿式齿轮组件和后滚子齿式齿轮组件的设计、以及每个组件中包含的各自的旋转器可以在各自旋转器的直径方面不同，和/或可以在滚子元件的数目方面不同，和/或可以在滚子元件的尺寸方面不同，和/或可以在滚子元件的类型方面不同。后滚子齿式齿轮组件或前滚子齿式齿轮组件中的较小或较大旋转器可提高换档的有效性。

在本发明的替代实施例中，前滚子齿式齿轮组件和后滚子齿式齿轮组件各自的旋转器具有不同的直径。除了通过使用所选择的前面齿轮或后面齿轮提供的单独的齿轮比之外，改变前旋转器和后旋转器相对于彼此的直径比是产生用于整个驱动系统的通常较高或通常较低的总体传动比的一种方法。

在本发明的一个实施例中，前滚子齿式齿轮组件和后滚子齿式齿轮组件各自的旋转器均包括至少两个滚子元件。有利地，每个旋转器都具有均匀分布在距中心的一定径向距离处且相对于每个滚子元件都为均匀弧长的滚子元件。“均匀分布”的意思是每个滚子元件之间的距离对于所有滚子元件都是相同的。“径向距离”的意思是旋转器的旋转轴线与滚子元件的外边缘之间的距离。每个旋转器中的所有滚子元件的径向距离都是恒定的。径向距离取决于旋转器尺寸和滚子元件尺寸。滚子元件可以放置为彼此相邻，或者滚子元件可以由实心板分开，或者被固定到旋转器板，其中每个滚子元件之间有一定距离。所有滚子元件都放置在旋转器中的一定径向距离处，因此它们能够与所述前面齿轮或所述后面齿轮上的齿环的齿和齿谷啮合并接合。

因此，在本发明的一个实施例中，前滚子齿式齿轮组件包括旋转器，并且该旋转器具有在距中心的一定径向距离处均匀分布的滚子元件。

在本发明的优选实施例中，前滚子齿式齿轮组件的旋转器和后滚子齿式齿轮组件的旋转器均包括3至25个滚子元件；更优选为6至18个滚子元件；并且最优选为10至14个滚子元件。

所述旋转器包括多个滚子元件和至少一个旋转器板。优选地，所述旋转器包括两个旋转器板。这些旋转器板确保滚子元件牢固地附接到旋转器。

在本说明书的上下文中，术语“滚动元件”涉及滚动和摩擦降低元件的一般动作、描述和存在。术语“滚子元件”涉及相同的滚动元件，在其之后“滚动元件”被并入本发明。当滚动元件被包括到旋转器中时，“滚动元件”变为“滚子元件”。

所述旋转器中的滚子元件可以是任何滚动元件，其中，元件围绕该元件的旋转轴线自由旋转。组成所述旋转器的滚子元件具有互相啮合、接触并接合所述面齿轮的相邻且对应的齿的能力。

滚动元件的示例包括传统的滚珠轴承、传统的滚子轴承、双列滚珠轴承、通过自由地旋转的滚珠球笼径向地围绕中心轴线定位的暴露滚动滚珠、通过自由地旋转的滚子球笼相对于中心轴线径向地定位的暴露滚动圆柱形滚子、和/或在内圈以同轴方式连接的多个轴承。

在本发明的一个实施例中，滚动元件可以包括不同类型的滚动元件，而在本发明的其它实施例中，滚动元件包括相同类型的滚动元件。优选地，所述滚动元件包括相同类型的滚动元件。

优选地，所述滚子元件为滚珠轴承、滚子轴承和/或双列滚珠轴承。在本发明中也可使用其它类型的轴承，所述其它类型的轴承使用位于内滚道和外滚道之间的滚子。优选地，所述滚子为滚珠或圆柱体。

所述滚子元件优选由钢轴承/合金轴承、陶瓷轴承、陶瓷混合轴承、其它低摩擦材料或多种材料的组合构成，以产生具有可能的最低摩擦的滚动元件。

如果使用滚珠轴承作为滚子元件，则这些滚子元件优选由钢轴承/合金轴承、陶瓷轴承、陶瓷混合轴承、其它低摩擦材料或多种材料的组合构成，以产生具有可能的最低摩擦的滚子元件。

传统的滚珠轴承包括外滚道、内滚道、以及位于内滚道和外滚道之间的多个滚珠。

滚动元件的纵横比(滚子长度/滚子直径)≤1，优选地，该纵横比≤0.8，并且最优选地，该纵横比≤0.5。滚动元件的纵横比确保了高效的滚动元件并且减小了驱动轴的摩擦。

在一个实施例中，构成滚子齿式齿轮组件的旋转器被设计成使用多个滚珠轴承作为滚子元件。

在一实施例中，所述旋转器包括外板和内板。多个滚子元件位于该外板和内板之间。这两个板接合构成旋转器的每个滚子元件的中心轴线的轴。这使得每个滚子元件都围绕其中心轴线自由旋转。

所述旋转器的与齿环的固定齿啮合的滚子元件通过利用滚动动作而确保了动力的低摩擦传动。

所述板的材料可以是任何适当的材料。优选地，所述板的材料为金属或塑料或复合材料或其组合的任一种。

在替代实施例中，所述旋转器包括外板和内板。多个滚子元件位于该外板和内板之间。这两个板接合滚子元件的外圈。轴销连接滚子元件的内圈，然后接合齿环。

在替代实施例中，所述旋转器包括单个板。多个滚子元件位于该单个板的一侧上并附接到该单个板的一侧。这产生了另外的间隙，以确保滚子元件能够更自由地与齿环的齿和齿谷接合。

在替代实施例中，所述旋转器包括单个板。多个滚珠轴承位于该板的一侧上并附接到该板的一侧。

在替代实施例中，所述旋转器包括单个板，并且其中，滚子元件的旋转部件的内轴线和所述板的径向定位的臂是一个整体件。即，滚子元件不是像先前实施例中一样是附接至所述板的所述臂的单独部件，而是一体系统。在本实施例中，滚子元件的中心(该中心包括滚子元件的旋转轴线)是所述板的一体部分。这最小化了制造零件的数目，并且可以产生具有较窄的整体宽度的旋转器。

在替代实施例中，所述旋转器包括外板和内板、以及位于每个外板和内板上的多个滚珠轴承。所述轴承的外圈连接到所述板。销将外板的所述轴承的内圈同轴地连接到内板的相邻轴承的内圈。这使得内滚道并因此使连接销在滚珠轴承的外滚道内自由旋转。自由旋转的该连接销用作滚子元件并与齿环的齿啮合。

所述驱动轴是纵向延伸的轴。驱动轴横截面的几何形状可以是任何期望的几何形状，以适合自行车车架的外观。优选地，该横截面的几何形状是矩形、圆形、六边形、三角形、五边形、椭圆形、七边形、八边形、九边形或十边形；更优选地，横截面的几何形状是六边形、七边形、八边形、九边形、十边形、椭圆形或圆形；最优选地，横截面是圆形的。

所述驱动轴可以是实心或中空的横截面。优选地，横截面是中空的，这提供了具有尽可能低的重量的驱动轴。另外，用于换档的电子装置和机构和/或功率计可以放置在该中空轴内。

所述驱动轴可以由合金钢、铝、塑料、碳纤维或复合材料构成。

驱动轴的总长度取决于自行车车架设计。驱动轴的长度可被设计成期望与自行车车架设计相匹配的任何长度。驱动轴可以是固定长度的轴、或伸缩式驱动轴，其中该伸缩式驱动轴具有多套筒的同轴内轴和外轴。“伸缩式驱动轴”的意思是外中空轴，该外中空轴相对于自行车车架的前/后位置处于固定位置。直径较小且从外轴的端部突出的同轴轴位于较大的中空轴内。该内轴能够在外轴内相对于外轴向前/向后滑动，并且与较大的外轴保持同轴关系，并且这两个轴通过使用纵向键槽或狭槽保持相同的旋转速度。该键槽或狭槽允许在外轴和内轴之间传递旋转扭矩，并允许纵向滑动。较小内轴的滑动动作允许换档动作。即，滚子齿式齿轮组件附接到内轴的突出部。通过使内轴向前/向后滑动，这有效地使齿轮组件向前/向后移动，并在齿环之间引起换档(gearchange)。

所述前面齿轮和所述后面齿轮均包括嵌齿盘和至少一个同心齿环。每个齿环包括多个齿和多个齿谷，其中，所述齿与嵌齿盘的表面平面成一定角度延伸，该角度在0至120°的范围内，优选地，该角度在60到100°之间，更优选为80°、90°或100°，并且最优选为90°。

在传统自行车链条驱动器的链条环中，齿和表面平面之间的角度为0°。在一个实施例中，旋转器上的滚子元件的旋转轴线垂直于旋转器的旋转轴线并与旋转器的旋转轴线相交，然后滚子元件可以与传统的链条环接合并啮合。

在替代实施例中，所述齿和表面平面之间的角度约为90°，其中，驱动轴和滚子元件的旋转轴线平行于旋转器的轴线，然后滚子元件可以与所述面齿轮的齿接合并啮合。

在又一替代实施例中，所述齿和嵌齿盘的表面平面之间的角度约为45°，其中，旋转器上的滚子元件的旋转轴线与旋转器的轴线成大约45度角并与旋转器的轴线相交，滚子元件然后可以与所述面齿轮的齿接合并啮合。

在一个实施例中，前面齿轮上的每个齿都具有相同的几何形状；并且后面齿轮上的每个齿都具有相同的几何形状。这需要旋转器上的与所述前面齿轮接合的滚子元件具有相同尺寸和几何形状，并且旋转器上的与所述后面齿轮接合的滚子元件具有相同尺寸和几何形状。这使得旋转器易于生产和组装。

在替代实施例中，前面齿轮和后面齿轮上的所有齿都具有相同的几何形状。这要求两个旋转器上的滚子元件具有相同的尺寸和几何形状。这使得旋转器易于生产并且所述驱动轴易于组装。

在替代实施例中，前面齿轮上的每个齿都具有相同的几何形状，并且后面齿轮上的每个齿都具有相同的几何形状，然而所述后面齿轮和前面齿轮的齿几何形状是不同的。由于所述前面齿轮将扭矩传递至前旋转器的滚子元件并且所述后面齿轮从后旋转器的滚子元件接收扭矩，所以可以通过所述后面齿轮和前面齿轮上的不同的齿几何形状来增强换档和旋转力传递。

在替代实施例中，所述前面齿轮上的齿具有相同的几何形状，且所述前面齿轮上的齿谷具有相同的几何形状，并且所述后面齿轮上的齿具有相同的几何形状，且所述后面齿轮上的齿谷具有相同的几何形状。所述前面齿轮和后面齿轮上的所述齿和齿谷的几何形状相同或不同。

所述齿环的每个齿都具有从齿谷的底部到齿尖测量的高度。每个齿的尺寸(即齿的高度和谷-谷长度)优选被构造成紧密对应于与所述齿接合的滚子元件的尺寸，由此减小摩擦力。所述齿的节距取决于旋转器上的每个滚子元件之间的圆周距离和齿环的半径。齿谷的几何形状和尺寸取决于滚子元件的几何形状和尺寸。优选地，滚子元件的横截面的总体形状对应于齿谷的总体形状。这提供了滚子元件与所述齿和齿谷之间的啮合，减少了摩擦。

在一个实施例中，所述滚子齿式齿轮组件的旋转轴线与驱动轴是同轴的。这减小了滚子齿式齿轮组件、驱动轴和所述前面齿轮和/或后面齿轮之间的摩擦。

在一个实施例中，所述多个滚子元件的旋转轴线能够平行于驱动轴的旋转轴线。这减小了滚子齿式齿轮组件、驱动轴和所述前面齿轮和/或后面齿轮之间的摩擦。

在替代实施例中，滚子元件的旋转轴线能够与驱动轴的旋转轴线成0到90度之间的任何相对角度，其中滚子元件的轴线和驱动轴的轴线相交。在本实施例中，滚子元件的轴线是倾斜的，并且所述齿相对于面齿轮平面的角度相应地倾斜，以与90度交叉的固定齿齿轮组的齿斜切的传统工艺类似的方式倾斜。

所述驱动轴可以由驱动轴支撑件定位，这些驱动轴支撑件可以连接到自行车车架。所述驱动轴支撑件可以包含驱动轴支撑件轴承。驱动轴可以位于驱动轴支撑件轴承的内圈内，并且与驱动轴支撑件轴承的旋转轴线同轴。

在实施例中，换档控制器启动换档的期望。

该控制器可以通过电缆、电线或者无线地连接到档位选择装置，该档位选择装置包括靠近前滚子齿式齿轮组件的机电致动器和/或靠近后滚子齿式齿轮组件的机电致动器。该前机电致动器和/或后机电致动器提供力和机械动作来移动相应的前滚子齿式齿轮组件或后滚子齿式齿轮组件，以实现档位选择的变化。

在一个实施例中，该机电档位选择装置被定位在驱动轴内部，并且连接到换档控制器和后滚子齿式齿轮组件。

在另一实施例中，该机电档位选择装置被定位在驱动轴的内部，并且连接到换档控制器和后滚子齿式齿轮组件的旋转器。

在一个实施例中，该档位选择装置的机电致动器通过连杆或丝杠连接到后滚子齿式齿轮组件，并且该致动器相对于所述轴位于外部。

在替代实施例中，处于无线构造(wirelessconfiguration)中的该档位选择装置的机电致动器通过连杆或直线丝杠连接到后滚子齿式齿轮组件，并且该致动器被定位在驱动轴内，该驱动轴优选是中空驱动轴。用于向该机电致动器供电的电池也可以位于该中空轴内。

利用至少以下的可能性，后滚子齿式齿轮组件具有相对于驱动轴轴线向前和向后滑动的能力，同时保持连续地传递旋转扭矩的能力：1)一种沿固定长度的驱动轴同轴地线性滑动的方法(即，后滚子齿式齿轮组件通过开槽方式(slotted)连接到驱动轴，但该后滚子齿式齿轮组件未被前后固定)。然后，该滚子齿式齿轮组件能够沿着驱动轴的开槽键槽(slottedkeyway)向前和向后滑动，并且开槽键(slottedkey)使得滚子齿式齿轮组件能够以与驱动轴的旋转相等的旋转速度旋转，从而允许旋转扭矩通过后滚子齿式齿轮组件传递到所选择的后面齿轮；或者2)使用伸缩式同轴传动轴；或者3)允许后滚子齿式齿轮组件的向前和向后运动的其它装置，存在或不存在后滚子齿式齿轮组件和驱动轴的同时横向移动，同时保持与驱动轴的同轴性质，并保持以旋转方式传递扭矩的能力；4)或上述方式的组合。

取决于要选择的期望的档位，机电致动器连杆致动后滚子齿式齿轮组件以前后移动，改变相对于所述后面齿轮的位置以与该面齿轮上的离散的齿环啮合并接合。

在本发明的一个实施例中，自行车骑手能够在换档期间保持踩踏旋转，并且后滚子齿式齿轮组件将在所选择的后齿环之间、在相邻齿环上的齿谷对齐的点处前后移动。

对于自行车骑手来说，重要的是能够换档。可以通过使用至少一个换档通道来执行换档。

在一个实施例中，当所述后面齿轮上的多个同心齿环的齿对齐以形成在嵌齿盘的径向方向上延伸的由齿谷构成的换档通道时，产生了‘换档通道’。

在替代实施例中，所述后面齿轮包括多个同心齿环，其中，至少一些相邻齿环中的齿被对齐，以便形成在所述盘的径向方向上延伸的由齿谷构成的换档通道。

在另一实施例中，所述齿被对齐以形成在不同径向方向上延伸的多个换档通道。

换档通道可以由横跨所述后面齿轮上的所有齿环延伸的单个换档通道形成，或者通过使用多个换档通道，或者替代地或另外由多个偏移的、较短的换档通道形成，每个换档通道都横跨所述后面齿轮上的两个或更多个相邻的齿环。

独立于使用单个换档通道或多个换档通道或多个偏移的较短换档通道，在后滚子齿式齿轮组件的一次连续的前后运动中切换的档位数量可取决于机电致动器的速度能力、由机电致动器提供的力，以及所述后面齿轮的旋转速度。

在一个实施例中，如果所述后面齿轮被设计有横跨所有齿环的单个换档通道，则自行车骑手或自动控制单元能够命令最小直径齿环和最大直径齿环之间的换档。即，通过滚子齿式齿轮组件横跨所有齿环的单次不间断的向前移动，一次从最高档位切换到最低档位。

在一实施例中，如果所述后面齿轮被设计有横跨所有齿环的单个换档通道，则自行车骑手或自动控制单元能够一次命令少至两个相邻档位之间的切换，而不是一次通过所有齿环换档。即，后滚子齿式齿轮组件能够移动两个相邻齿环的距离。为了再次换档，后滚子齿式齿轮组件将在后嵌齿盘最少一次完全旋转之后、当换档通道再次与滚子元件齿轮组件对齐时移动。此时，能够由骑手或自动控制单元确定切换另一特定档位数。

在替代实施例中，能够通过使用被包括在所述后面齿轮的后齿环中的多个偏移的较短换档通道进行换档。在换档通道仅横跨两个相邻齿环的情况下，后滚子齿式齿轮组件能够在该较短换档通道内移动并因此一次切换一个档位。为了切换到另一档位级，后滚子齿式齿轮组件必须暂停前后运动，直到下一个换档通道在后嵌齿盘的小幅旋转之后与齿式滚子齿环对齐。利用多个偏移的换档通道构造，所有偏移的换档通道都在所述后面齿轮的360度旋转内发生。也就是说，能够在所述后面齿轮的一个完整旋转内完成最低档位和最高档位之间的换档。例如，如果所述后面齿轮包含12个同心齿环，并且命令了横跨所有12个档位的换档，则后滚子齿式齿轮组件将在所述后面齿轮的一次旋转内在11个偏移的换档通道之间进行11次独立的移动。

后滚子齿式齿轮组件的利用后同心齿环内的换档通道的上述换档过程同样能够被应用为前滚子齿式齿轮组件的利用前同心齿环内的换档通道的换档过程。

在清洗自行车和异物时，重要的是保护整个自行车驱动系统免受泥浆、污垢、灰尘、雨水、肥皂和水的影响。

当在泥泞、多尘或多雨的条件下使用自行车驱动系统时，该自行车驱动系统需要维护。滚子元件驱动轴和/或所述前面齿轮和/或所述后面齿轮应与泥土、灰尘和污垢隔离，以便优化自行车驱动系统的性能。如果滚子元件暴露于污染物，则滚子元件的寿命可能降低。

对于免维护的自行车驱动系统，有利的是将该自行车驱动系统至少部分地封闭在保护罩中。部分地封闭的保护罩将保护该系统的暴露部分。如果期望完全免维护的自行车驱动系统，则自行车驱动系统可以被该保护罩完全封闭。“完全封闭罩”的意思是在任何条件下使用自行车时都不需要维护所述滚子元件、驱动轴和/或所述前面齿轮和/或后面齿轮。

该保护罩可以是适合用作保护罩的任何材料，例如塑料或金属。

在替代实施例中，该保护罩是硬保护罩，该硬保护罩也保护自行车驱动系统在骑行时免受更大的固体异物或骑行事故的损坏。

在一个实施例中，滚珠轴承被用作滚子元件，其中，所述轴承配备有传统的轴承密封件。该密封件为柔韧材料，优选为橡胶、硅树脂或合适的聚合物。该密封件覆盖轴承内圈和轴承外圈之间的间隙，有利地保护轴承的内部滚动零件免受污染。该密封件还有利于保持轴承内的润滑。因此，保护各个滚子元件的内部零件免受污染有助于确保高效的驱动系统。

感测并提供骑手的动力输出的自行车功率计是现代自行车的常见特征。通过将传感器放置在驱动轴上以测量通过前滚子齿式齿轮组件和后滚子齿式齿轮组件之间的驱动轴传递的旋转扭矩，能够将功率计包括在本发明中。

在一个实施例中，功率计被连接到驱动轴。为了使功率计测量所使用的力，将扭转应变仪安装在驱动轴上以测量驱动轴的扭转变形。可以在驱动轴上安装加速度计或磁性开关，以测量驱动轴每单位时间的旋转。可以在该轴内安装硬件以收集扭转变形和旋转数据。包括该硬件的电子装置将驱动轴扭转变形信号和驱动轴旋转信号转换为骑手的功率输出测量值。电池位于该轴中，以便向所述硬件和电子装置供电，该电池可以是可充电电池。

详细说明

这里以具体方式描述了本发明的实施例的主旨以满足法定要求，但是本说明并非一定旨在限制权利要求的范围。所要求保护的主旨可以以其它方式体现，可以包括不同的元件或步骤，并且可以与其它现有或未来的技术结合使用。除了明确描述各个步骤的顺序或元件的布置时之外，本说明都不应被解释为暗示各个步骤或元件之间的任何特定顺序或布置。诸如“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“前”和“后”之类的方向性参考尤其旨在表示所述部件和方向所参考的、如图(或多幅图)中所示和所述的取向。

本发明包括自行车，该自行车具有标准部件，例如车轮2、曲柄臂5、座椅10和车把9。本发明未改动这些标准部件(图1)。根据本发明，来自不同车架制造商的标准车架3可以与升高的后下叉(chainstay)30一起使用。

图2示出了单档位驱动系统4的示意图；然而，能够使用来自该单档位驱动系统4的相同元件获得多档位驱动系统。所述单档位和多档位驱动系统4都包括前嵌齿盘11和后嵌齿盘12。前嵌齿盘11如传统的自行车驱动系中那样附接到曲柄臂5(参见图1)。后嵌齿盘12附接到后轮2b。由自行车骑手在骑踏时提供的旋转力被传递到后轮2b。驱动系统4将能量从自行车脚蹬传递到后轮2b。驱动系统4包括驱动轴8。滚子元件齿轮组件13a附接到驱动轴8的第一端，并且另一个滚子元件齿轮组件13b附接到驱动轴8的第二端。该附接可以通过任何合适的措施来进行，例如通过轴环。每个滚子元件齿轮组件13a-13b被定位成分别与前嵌齿盘11和后嵌齿盘12啮合并接合。

图3示出了驱动系统4的分解图，并且图4示出了滚子齿式齿轮组件13的分解图。滚子齿式齿轮组件13包括键合式连接器16。该键合式连接器具有键槽25，在所示的实施例中，在整个长度上加工出键槽25。孔26被设置在键合式连接器16的杆端的中心，并且可以在整个长度上轴向延伸。在本发明的一个示例中，孔26不延伸整个长度，但该长度与端盖螺栓15的长度匹配。孔26可优选地带有螺纹。

滚子元件齿轮组件13a-13b被安置到键合式连接器16上。每个滚子元件齿轮组件13都包括旋转器29。该旋转器包括多个滚子元件22和两个板20、23。滚子元件22布置在旋转器外板20和旋转器内板23之间。旋转器内板23、旋转器外板20和滚子元件22利用紧固装置15紧固在一起。该紧固装置可以是任何适当的紧固装置，优选地，该紧固装置是轴承螺栓。如图4所示，旋转器内板23、旋转器外板20和滚子元件22利用轴环14、轴环定位螺栓15、轴环螺母24、端盖18和端盖螺栓15附接到键合式连接器16。本实施例中所示的滚子元件的纵横比(滚子长度/滚子直径)小于0.5。

在图4中，滚珠轴承被用作滚子元件22。所使用的滚珠轴承是传统的滚珠轴承，其包括外滚道、内滚道以及位于内滚道和外滚道之间的多个滚珠。

外板20和内板23接合滚珠轴承22的每个内滚道。这使得所述滚珠和外滚道围绕该滚珠轴承的内滚道自由旋转。

如图3中所示，每个旋转器29都利用键合式连接器16连接到驱动轴8。

如图5、6和7中所示，前面齿轮6和后面齿轮7分别具有前嵌齿盘11和后嵌齿盘12。两个面齿轮6、7都被设计成具有嵌齿盘和至少一个同心齿环32。每个齿环32都具有多个齿27。在每个齿27旁边，都存在齿谷28。每个同心齿环32中的齿数都能够变化，并且取决于嵌齿盘11、12和齿环32的直径。如图5、6和7中所示，所有的齿27和齿谷28具有相同的几何形状和尺寸。滚子元件22与前面齿轮6或后面齿轮7的齿27及齿谷28接合。每个面齿轮都设计为使得齿27被放置成与嵌齿盘表面成一定角度(图10)。如图10所示，齿27与嵌齿盘11、12表面之间的角度优选为90°，但也可以替代地在0-120°之间。

每个齿环32的齿27都设计成使得滚子元件22配合到齿谷28中。齿廓和滚子元件的轮廓被设计成使得齿27和滚子元件22之间的相互作用是滚动性质的，并且摩擦被最小化或至少显著降低。这确保了具有最小摩擦水平的非常高效的驱动系统。齿廓取决于滚子元件22的尺寸和形状。齿廓被设计成使得滚子元件22配合到齿谷中，如图5、6和7所示。“配合在一起”的意思是齿谷28的形状和尺寸以类似的方式相应于所述滚子元件的互补的形状和尺寸。重要的是，所述滚子元件在啮合期间不会绑定到(bind)齿27和齿谷28并且不会对齿27和齿谷28产生机械干涉。滚子元件在所述齿和齿谷上的绑定和干涉可能导致滚子元件损坏。当所述齿与滚动元件啮合并接合时，所述齿向滚子元件施加力。随着滚动元件接合、滚过并脱离所述齿，该力线(forceline)能够略微偏离中心，然后在中心，然后再次偏离中心。为了消除滚子元件在所述齿和齿谷上的绑定，正确的齿形、齿距和齿倾斜角是非常重要的。图11和12中示出了最佳的齿廓。图11a和12a分别是图11和图12的放大图。图11中示出了嵌齿盘11、12，其中齿表面垂直于嵌齿盘表面。该齿具有不包括任何倾斜表面的平面表面。

图12和12a中所示的齿廓略微不同于图11的齿廓，因为图12中的齿廓具有从齿尖34到齿长度中途的略微倾斜的表面。与图11的齿廓相比，图12的齿廓减小了所述齿和滚子元件之间的摩擦。由于齿环齿在特定的弧和平面上进入啮合区域，并且滚动元件在特定但不同的弧和平面处进入啮合区域，所以当齿环齿进入和离开啮合区域时，所述齿的倾斜补偿了滚子元件到齿接合点的非直线力线。

图8、9和10示出了多档位后面齿轮7。在这些图中，驱动轴8未以其全长度被示出。多档位后面齿轮7包括具有多个同心齿环32的嵌齿盘12。在图中所示的实施例中，该嵌齿盘包括14个同心齿环，但能够为任意数量的所期望的齿环，例如10至30个。后面齿轮7包括后嵌齿盘12，该后嵌齿盘12具有平行于后轮2b的旋转平面以及与后轮轴的同轴关系。

在图8中，滚子齿式齿轮组件的旋转器29与具有最大直径的同心齿环32a啮合并接合，而在图9中，滚子齿式齿轮组件的旋转器29与中等尺寸的同心齿环32b啮合并接合。每个齿环32都包括固定数量的齿27和齿谷28。在所示的实施例中，最小齿环32c尺寸包括16个齿，而最大嵌齿尺寸包括54个齿(32a)。所述齿环之间的间距使得后旋转器29一次仅与单个齿轮齿环32啮合并接合。

当驱动系统4处于运动中时，滚子元件齿轮组件13a-13b中的每个旋转器29中的滚珠轴承22都啮合并接合前面齿轮6或后面齿轮7的齿27。更具体地，当滚道和所述齿啮合在一起，滚珠轴承的外滚道与齿尖34接合，之后与齿谷28接合，这导致滚珠轴承22旋转。滚珠轴承的这种旋转确保了在啮合期间、在面齿轮齿27和滚子齿式齿轮组件13之间产生的摩擦量是最小的。这使得由于摩擦而浪费的骑手能量总体较低。

在图10中，以箭头(a)示出特定的‘换档通道’。通过嵌齿盘12上的相邻的后齿环的特定对齐而产生该换档通道。当彼此相邻的多个同心齿环32以使得一个或多个相邻齿环的齿谷28以径向方式对齐的方式在嵌齿盘12上对齐时，产生了换档通道。

当滚动元件22处于啮合循环的中间并且滚动元件位于齿谷28的底部时，能够进行换档。此时，包括滚子元件22的滚子齿式齿轮组件13能够通过由对齐的齿谷构成的换档通道而在相邻的齿环32之间向前/向后滑动。

上述方面仅是可能的实施方式的示例，仅是为了清楚地理解本公开的原理而阐述的。在基本不背离本公开的精神和原理的情况下，能够对上述实施例做出许多变化和改型。所有这些改型和变化都旨在被包括在本公开的范围内，并且对于各个方面或者元件或步骤的组合的所有可能的权利要求都旨在得到本公开支持。此外，尽管本文以及所附权利要求中采用了特定术语，但它们仅用于一般性和描述性意义，并非为了限制所述发明或所附权利要求的目的。