具有嵌套行星齿轮机构的自行车轮毂内变速器的制作方法

1.本发明属于行星齿轮机构传动技术领域，涉及一种轮毂变速装置，特别是用于自行车的动力传动系，具体涉及具有嵌套行星齿轮机构的自行车轮毂内变速器。


背景技术：

2.自行车是一种交通工具，对于业余爱好者和职业运动员来说，自行车还是健身、娱乐和竞技的工具。自行车厂商不断地改进自行车的各种部件，已经被重新设计的一种部件是自行车轮毂，使轮毂具有不同的转速和转矩的部件是变速器。变速器分为外变速器和内变速器两种。外变速器是通过调整前、后齿轮盘齿数来调整车速快慢和转矩大小，使自行车能适应不同的路况。外变速器结构较简单，但构件裸露在外部，易受外界雨水、泥土、油污等影响，需定期清洗保养，并且换挡动作不稳定，换挡过程中产生噪声较大，普遍具有使用寿命不长的缺点。内变速器是将行星齿轮机构安装于自行车后轮轮毂内部，骑行者可以选择不同的齿轮传动比来调整车速快慢和转矩大小。与外变速器相比，内变速器具有体积小、寿命长、免维修的优点，使内变速器生产应用越来越普及。
3.轮毂内变速器通常包括安装于自行车车架的轮毂轴，轮毂轴可转动地支撑飞轮和轮毂壳，骑行人的踩踏力经由主动链轮和链条传递给飞轮。轮毂壳内容纳有设置在飞轮和轮毂壳之间的多个行星齿轮机构，动力经由飞轮传递给多个行星齿轮机构，再传递给轮毂壳。多个行星齿轮机构可产生多个不同动力传递路径的特定传动比，骑行人可以通过换挡机构来选择传动比。
4.行星齿轮机构的轮毂内变速器已在现有技术中被多次描述并且始终被进一步开发和改进。比如专利号为200710126284.9的中国发明专利，公开了一种自行车轮毂组件，该组件沿着轮毂轴轴向布置四个行星齿轮机构，有选择地操纵七个换挡机构控制四个行星齿轮机构的太阳轮或行星架或齿圈的接合或分离实现八个不同的动力传动路径，该换挡机构采用棘爪式超越离合器。自行车轮毂内的换挡机构数量增加，一方面会使换挡逻辑变得更加复杂，另一方面会使内变速器结构变得复杂且重量增加，显然这些不利的因素会制约轮毂内变速器在自行车上的推广应用。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是克服了现有轮毂内变速器重量较重且存在数量较多、布置分散的换挡机构的问题，提供了一种换挡机构数量少、结构紧凑、重量较轻且控制逻辑简单的具有嵌套行星齿轮机构的自行车轮毂内变速器。
6.为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：具有嵌套行星齿轮机构的自行车轮毂内变速器，包括不可转动的轮毂轴8、设置在轮毂壳11内的二个嵌套行星齿轮机构、七个可转动的轴和六个换挡机构；所述二个嵌套行星齿轮机构分别为第一嵌套行星齿轮机构t1、第二嵌套行星齿轮机构t2；所述第一嵌套行星齿轮机构t1包括第一行星轮组p1、第二行星轮组p2；所述第二嵌套行星齿轮机构t2包括第三行星轮组p3、第四行星轮组
p4；所述第一行星齿轮组pl嵌套在第二行星齿轮组p2的内圆周；所述第一行星轮组pl包括第一太阳轮p11、第一行星架p12和第一齿圈p13；第一行星架p12在圆周轨道上引导第一行星轮p14，第一行星轮p14能够在第一行星架p12上圆周转动；第一行星轮p14与第一太阳轮p11外啮合并且与第一齿圈p13内啮合；所述第二行星轮组p2包括第二太阳轮p21、第二行星架p22和第二齿圈p23；第二行星架p22在圆周轨道上引导第二行星轮p24，第二行星轮p24能够在第二行星架p22上圆周转动；第二行星轮p24与第二太阳轮p21外啮合并且与第二齿圈p23内啮合；所述第三行星齿轮组p3嵌套在第四行星齿轮组p4的内圆周；所述第三行星轮组p3包括第三太阳轮p31、第三行星架p32和第三齿圈p33；第三行星架p32在圆周轨道上引导第三行星轮p34，第三行星轮p34能够在第三行星架p32上圆周转动；第三行星轮p34与第三太阳轮p31外啮合并且与第三齿圈p33内啮合；所述第四行星轮组p4包括第四太阳轮p41、第四行星架p42和第四齿圈p43；第四行星架p42在圆周轨道上引导第四行星轮p44，第四行星轮p44能够在第四行星架p42上圆周转动；第四行星轮p44与第四太阳轮p41外啮合并且与第四齿圈p43内啮合；所述七个可转动的轴分别为输入轴1、输出轴2、第三轴3、第四轴4、第五轴5、第六轴6、第七轴7；所述输入轴1与飞轮10、第一行星架p12不能相对转动地连接；所述输出轴2与轮毂壳11、第二齿圈p23、第三行星架p32、第四行星架p42不能相对转动地连接；所述第三轴3与第一太阳轮p11不能相对转动地连接；所述第四轴4与第三齿圈p33、第四太阳轮p41不能相对转动地连接；所述第五轴5与第二行星架p22、第四齿圈p43不能相对转动地连接；所述第六轴6与第三太阳轮p31不能相对转动地连接；所述第七轴7与第一齿圈p13、第二太阳轮p21不能相对转动地连接；所述六个换挡机构由四个制动器和二个离合器组成，所述四个制动器分别为第一制动器c1、第二制动器c2、第三制动器c3、第四制动器c4，所述二个离合器分别为第一离合器c5、第二离合器c6；第一制动器c1是可操纵的扭拒传递装置，以有选择性地将所述第六轴6与不可转动的轮毂轴8连接起来；第二制动器c2是可操纵的扭拒传递装置，以有选择性地将所述第四轴4与不可转动的轮毂轴8连接起来；第三制动器c3是可操纵的扭拒传递装置，以有选择性地将所述第五轴5与不可转动的轮毂轴8连接起来；第四制动器c4是可操纵的扭拒传递装置，以有选择性地将所述第三轴3与不可转动的轮毂轴8连接起来；第一离合器c5是可操纵的扭拒传递装置，以有选择性地将所述输入轴1与第三轴3连接起来；第二离合器c6是可操纵的扭拒传递装置，以有选择性地将所述输入轴1与第五轴5连接起来。
7.技术方案中所述六个换挡机构设置在不可转动的轮毂轴8上，并沿轴向按顺序相继布置，从输入轴1方向观察依次是第四制动器c4、第一离合器c5、第二离合器c6、第三制动器c3、第二制动器c2、第一制动器c1。
8.技术方案中所述第一制动器c1、第二制动器c2、第三制动器c3、第四制动器c4构造成能根据操纵需要的换挡机构，尤其是机械和/或电动的棘爪式离合器；所述第一离合器c5、第二离合器c6构造成能根据操纵需要的换挡机构，尤其是机械和/或电动的牙嵌式离合器。
9.对于“不能相对转动地连接”应理解为两个构件通过花键或刚性等形式连接，使两个构件转动时具有相等的角速度。
10.对于“离合器”尤其是应理解为被设置用于使两个可转动地设置的轴选择性不能相对转动地接合或分离的单元。对于“制动器”尤其是应理解为被设置用于使可转动的轴与
不可转动的轴尤其是内变速器轮毂轴选择性不能相对转动地接合或分离的单元。
11.与现有技术相比本发明的有益效果是：本发明将第一个行星齿轮机构沿径向嵌套入第二个行星齿轮机构的太阳轮中，使第一个行星齿轮机构的齿圈与第二个行星齿轮的太阳轮不可转动地连接，组成一个嵌套行星齿轮机构，四个行星齿轮机构可以被嵌套成二个嵌套行星齿轮机构，极大地精简轮毂内变速器的结构，可将轮毂内变速器的尺寸做得更小，有效地减轻了轮毂内变速器的重量，同时设置的换挡机构数量较少且沿轮毂轴轴向依次集中布置，使轮毂内变速器更加紧凑，进一步减轻了轮毂内变速器的重量，换挡逻辑简单，使轮毂内变速器生产成本更低。
附图说明
12.下面结合附图对本发明作进一步的说明：图1是根据本发明的一个实施例具有嵌套行星齿轮机构的自行车轮毂内变速器的示意性视图；图中：1输入轴；2输出轴；3第三轴；4第四轴；5第五轴；6第六轴；7第七轴；8轮毂轴；9链条；10飞轮；11轮毂壳；12滚珠轴承；13滚珠轴承；14滚珠轴承；c1第一制动器；c2第二制动器；c3第三制动器；c4第四制动器；c5第一离合器；c6第二离合器；t1第一嵌套行星齿轮机构；t2第二嵌套行星齿轮机构；p1第一行星齿轮组；p2第二行星齿轮组；p3第三行星齿轮组；
p4第四行星齿轮组；p11第一太阳轮；p12第一行星架；p13第一齿圈；p14第一行星轮；p21第二太阳轮；p22第二行星架；p23第二齿圈；p24第二行星轮；p31第三太阳轮；p32第三行星架；p33第三齿圈；p34第三行星轮；p41第四太阳轮；p42第四行星架；p43第四齿圈；p44第四行星轮。
具体实施方式
13.下面结合附图对本发明作详细的描述：图1示出了具有嵌套行星齿轮机构的自行车轮毂内变速器的一个实施例，该轮毂内变速器具有两个嵌套行星齿轮机构，第一行星齿轮组p1嵌套在第二行星齿轮组p2的内圆周组成第一嵌套行星齿轮机构t1，第三行星齿轮组p3嵌套在第四行星齿轮组p4的内圆周组成第二嵌套行星齿轮机构t2，四个行星轮组p1、p2、p3、p4都具有负传动比行星轮组。轮毂内变速器沿轮毂轴轴向按顺序相继设置六个换挡机构c1、c2、c3、c4、c5、c6、。这些换挡机构有选择性地被操纵，能建立八个不同的动力传递路径，每个动力传递路径分别产生一个特定的传动比，使轮毂内变速器具有八个前进挡位v1、v2、v3、v4、v5、v6、v7、v8。
14.具有嵌套行星齿轮机构的自行车轮毂内变速器被设置用于使自行车飞轮10与自行车的未详细示出的驱动轮连接。借助于轮毂内变速器可调整飞轮与驱动轮之间的变速比。
15.具有嵌套行星齿轮机构的自行车轮毂内变速器的动力输入侧具有输入轴1，该输入轴可转动地设置在配置有滚珠轴承13的轮毂轴8上，并且输入轴与被链条9驱动的飞轮10不可转动地连接，该输入轴被设置用于将驱动力矩引入到轮毂内变速器中。
16.另外，具有嵌套行星齿轮机构的自行车轮毂内变速器的动力输出侧具有输出轴2，该输出轴与轮毂壳11、第二齿圈p23、第三行星架p32、第四行星架p42不能相对转动地连接，该轮毂壳可转动地设置在配置有滚珠轴承12的输入轴1上，并且可转动地设置在配置有滚珠轴承14的轮毂轴8上，该输出轴被设置用于将驱动力矩从轮毂内变速器引出传递给轮毂壳，该轮毂壳与未详细示出的驱动轮不可转动地连接。
17.第一行星轮组p1设置在动力输入侧。第一行星轮组pl具有单级行星轮组。单级行
星轮组包括第一太阳轮p11、第一行星架p12和第一齿圈p13。行星架p12在圆周轨道上引导行星轮p14。行星轮p14与太阳轮p11外啮合并且与齿圈p13内啮合。行星轮p14可在行星架p12上圆周转动。第一行星轮组pl的特征系数行星轮组固定传动比k1＝
ꢀ‑ꢀ
4.00。
18.第二行星轮组p2在中间设置在输入侧。第二行星轮组p2具有单级行星轮组。单级行星轮组包括第二太阳轮p21、第二行星架p22和第二齿圈p23。行星架p22在圆周轨道上引导行星轮p24。行星轮p24与太阳轮p21外啮合并且与齿圈p23内啮合。行星轮p24可在行星架p22上圆周转动。第二行星轮组p2的特征系数行星轮组固定传动比k2＝
ꢀ‑ꢀ
1.45。
19.第三行星轮组p3在中间设置在输出侧。第三行星轮组p3具有单级行星轮组。单级行星轮组包括第三太阳轮p31、第三行星架p32和第三齿圈p33。行星架p32在圆周轨道上引导行星轮p34。行星轮p34与太阳轮p31外啮合并且与齿圈p33内啮合。行星轮p34可在行星架p32上圆周转动。第三行星轮组p3的特征系数行星轮组固定传动比k3＝
ꢀ‑ꢀ
3.15。
20.第四行星轮变速器p4设置在输出侧。第四行星轮组p4具有单级行星轮组。单级行星轮组包括第四太阳轮p41、第四行星架p42和第四齿圈p43。行星架p42在圆周轨道上引导行星轮p44。行星轮p44与太阳轮p41外啮合并且与齿圈p43内啮合。行星轮p44可在行星架p42上圆周转动。第四行星轮组p4的特征系数行星轮组固定传动比k4＝
ꢀ‑ꢀ
2.64。
21.六个换挡机构设置在不可转动的轮毂轴8上，并沿轴向按顺序相继布置，从输入轴1方向观察依次是第四制动器c4、第一离合器c5、第二离合器c6、第三制动器c3、第二制动器c2、第一制动器c1。第一制动器c1被操纵时将不可转动的轮毂轴8与第六轴6连接起来，第二制动器c2被操纵时将不可转动的轮毂轴8与第四轴4连接起来，第三制动器c3被操纵时将不可转动的轮毂轴8与第五轴5连接起来，第四制动器c4被操纵时将不可转动的轮毂轴8与第三轴3连接起来，第一离合器c5被操纵时将输入轴1与第三轴3连接起来，第二离合器c6被操纵时将输入轴1与第五轴5连接起来，如图1所示的本发明具有嵌套行星齿轮机构的自行车轮毂内变速器，包括不可转动的轮毂轴8、设置在轮毂壳11内的由二个嵌套行星齿轮机构（t1、t2）组成的四个行星齿轮组（pl、p2、p3、p4）、七个可转动的轴（1、2、3、4、5、6、7）和六个换挡机构（c1、c2、c3、c4、c5、c6）。换挡机构有选择性地接合或分离使得在输入轴1和输出轴2之间获得八个不同的传动比，从而能实现八个前进挡位，其中，与飞轮10、第一行星架p12连接的输入轴1经由第一离合器c5与第三轴3可松脱地连接，该第三轴3与第一太阳轮p11连接，并且第三轴3经由第四制动器c4与轮毂轴8可松脱地连接，与第二行星架p22、第四齿圈p43连接的第五轴5经由第二离合器c6与输入轴1可松脱地连接，该第五轴5经由第三制动器c3与轮毂轴8可松脱地连接；与第三齿圈p33、第四太阳轮p41连接的第四轴4经由第二制动器c2与轮毂轴8可松脱地连接，与第三太阳轮p31连接的第六轴6经由第一制动器c1与轮毂轴8连接；第七轴7与第一齿圈p13、第二太阳轮p21连接；输出轴2与第二齿圈p23、轮毂壳11、第四行星架p42、第三行星架p32连接。
22.在表1中示出根据图1的具有嵌套行星齿轮机构的自行车轮毂内变速器示例性的换挡逻辑、各挡传动比和传动比间隔。每个挡位只需要接合二个换挡机构。从该换挡示意图可以示例性地得出各个挡位各自的传动比，以及可由此确定的向下更高一挡的换挡跳跃或者说传动比间隔（相邻挡位之间传动比的比值），内变速器的传动比范围是3.45。表1中各个换挡机构下方的符号
“×”
表示在相应档位该换挡机构处于接合状态，各个换挡机构下方缺
少符号
“×”
表示在相应档位该换挡机构处于分离状态。
23.表1由表1可见，通过闭合第二制动器c2、第一离合器c5得到第一前进挡v1，通过闭合第二制动器c2、第四制动器c4得到第二前进挡v2，通过闭合第二制动器c2、第二离合器c6得到第三前进挡v3，通过闭合第四制动器c4、第二离合器c6得到第四前进挡v4，通过闭合第一离合器c5、第二离合器c6得到第五前进挡v5，通过闭合第一制动器c1、第二离合器c6得到第六前进挡v6，通过闭合第一制动器c1、第一离合器c5得到第七前进挡v7，通过闭合第一制动器c1、第四制动器c4得到第八前进挡v8。
24.在顺序换挡方式时，两个相邻的挡位分别仅须分离一个换挡机构和接合一个换挡机构，另一个换挡机构接合情况不变，即换入相邻挡位时共用一个换挡机构。例如第一前进挡v1顺序换入相邻的第二前进挡v2，接合第二制动器c2和第一离合器c5实现第一前进挡v1，换入第二前进挡v2时分离第一离合器c5和接合第四制动器c4，而第二制动器c2接合情况不变。换入非相邻挡位满足共用一个换挡机构也可换挡，这种换挡方式为跳跃换挡。例如第一前进挡v1顺序换入非相邻第三前进挡v3，接合第二制动器c2和第一离合器c5实现第一前进挡v1，换入第三前进挡v3时分离第一离合器c5和接合第二离合器c6，而第二制动器c2接合情况不变。此外可见，换挡时内变速器能实现较小的换挡跳跃且密集的传动比范围。
25.根据本发明，即使在相同的轮毂内变速器示意图中视换挡逻辑的不同也可得到不同的传动比间隔，从而可实现应用于特定的变型方案。
26.根据本发明第一制动器c1、第二制动器c2、第三制动器c3、第四制动器c4构造成能根据操纵需要的换挡机构，特别是可使用力锁合的制动器，例如棘爪式离合器、滚柱式超越离合器、逆止器、单向离合器，优选机械和/或电动的棘爪式离合器。第一离合器c5、第二离合器c6构造成能根据操纵需要的换挡机构，特别是可使用力锁合的离合器，例如牙嵌式离合器、片式摩擦离合器、离心力离合器、电磁离合器，优选尤其是机械和/或电动的牙嵌式离合器。
27.在本发明一种有利的改进方案的范围内，为了驱动附加的自行车载荷可以在每个轴上，优选在输入轴1或输出轴2上安装作为发电机和/或作为附加驱动装置的电机。
28.尽管只选择了所选实施例来示出本发明，但是本发明所属领域的技术人员会在不
脱离由所附权利要求限定的本发明范围的情况下做出各种变化和修改。另外，前面根据本发明实施例的描述仅仅是示意性的，而不是限制由所附权利要求及其等同物限定的本发明的目的。