一种自行车用三挡变速结构及其变速方法与流程

本发明涉及自行车换挡结构，尤其是涉及一种自行车用三挡变速结构及其变速方法。

背景技术：

1、在最近几年全球兴起了一股自行车电气化的技术革命，在传统自行车上实现了电气化技术，即在原来传统人力自行车的基础上增加了电机、电池、电控、力矩传感器、速度传感器等新型电气化部件，在骑行者起步、爬坡、或者受到较大阻力时电气化系统通过力矩传感器的数据采集反馈给电机控制器让电机给予骑行者辅助动力，让骑行者骑行更轻松。

2、新的技术让自行车大大提高了加速性能，也需要变速器做到更智能更快速的换挡反应，而原来全球二大巨头日本禧玛诺和美国速联的传统手动变速器是争对于传统人力自行车设计，需要骑行者人为判断换挡时间，不停的随着速度变化切换不同的挡位，以获得较为舒适的骑行踏频，因为电助力的技术产生，要想获得舒适的踏频使得这个换挡切换更为频繁，传统的这种手动变速器反而成了新技术的负担，已经完全不能满足新技术的需要。

3、基于此原因我们特别针对全新的自行车技术需求设计出了自动换挡的三挡变速方法和结构，该自动换挡结构解决了传统手动变速器需要人为切换挡位的弊端，对于电气化自行车能完美匹配，根据速度自动切换到骑行者合适的骑行挡位获得舒适的骑行踏频。

4、且创新性的只使用一套行星齿轮机构实现了三挡变速，用了极小的尺寸空间和零件实现了三挡变速，不仅是解决了自动变速问题，更是满足了自行车需要重量轻、成本低、传动效率高的要求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种自动换挡的自行车用三挡变速结构及其变速方法。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、包括中心轴（1）、三挡变速结构及变速箱壳体（6），其中：

4、所述三挡变速结构用于转换输出方式，实现三种挡位变速，包括离心离合换挡机构（2）、复合行星齿环（7）以及行星传动机构（31），所述离心离合换挡机构（2）用于转换输出方式，所述复合行星齿环（7）和所述行星传动机构（31）用于配合所述离心离合换挡机构（2）实现部分挡位切换；

5、所述变速箱壳体（6）用于输出动力。

6、进一步地，所述三挡变速结构内部还包括有用于实现整体多级变速的一级传动机构、二级传动机构和三级传动机构，所述离心离合换挡机构用于切换一级传动机构、二级传动机构和三级传动机构进行不同方式的方式的传动；

7、所述一级传动机构和三级传动机构内部包括有用于实现变速箱壳体变速传动的行星传动机构，所述行星传动机构内部包括有复合行星架，所述行星传动机构在一级传动机构为减速传动，所述行星传动机构在三级传动机构为增速传动；

8、所述三挡变速机构通过离心离合换挡机构配合复合行星齿环、复合行星架实现行星传动机构不同方式的传动；

9、所述二级传动机构内部包括有用于离心离合换挡的第一离心换挡机构，所述三级传动机构内部包括有用于离心离合换挡的第二离心换挡机构；

10、所述第一离心换挡机构配合复合行星齿环用于将减速传动换挡为正常传动，所述第二离心换挡机构配合复合行星架用于将正常传动换挡为增速传动。

11、进一步地，所述复合行星齿环内部包括有相互固定的第一齿圈、第二齿圈和第三齿圈，三个齿圈同心布置于变速器的轴向空间上；

12、所述第一齿圈、第二齿圈和第三齿圈的齿形功能不同，所述第一齿圈、第二齿圈和第三齿圈为固连结构。

13、所述第一齿圈齿形为渐开线齿轮，该齿形是行星传动机构的行星传动三要素中的外齿圈，所述第二齿圈为内棘齿，所述第三齿圈为外棘齿。

14、通过采用上述技术方案，通过叠加结构的复合行星齿环、复合行星架的行星变速机构配合二套离心离合打狗棒法机构实现三级变速，只使用了一个行星变速机构来通过切换不同的输入输出模式实现三挡变速，少了一级行星机构，所以大大节省了空间及重量。

15、进一步地，所述中心轴外侧固定连接有太阳齿轮，所述复合行星架内部转动连接有与太阳齿轮相适配的行星齿轮组；

16、所述行星齿轮组外侧与第一齿圈啮合连接，所述行星齿轮组内侧与太阳齿轮啮合连接，所述第一齿圈与复合行星架上安装的行星齿轮组及中心轴上的太阳齿轮组合成了行星变速传动结构；

17、所述复合行星架一端固定连接有用于配合第二离心换挡机构实现增速传动的第四齿圈，第四齿圈为棘齿圈。

18、通过采用上述技术方案，行星齿圈通过行星机构传动动力到行星架上，此行星机构是减速传动，速度通过行星机构减少了，行星架再通过一级单向离合或者其它单向机构传递动力到二级驱动块上。

19、进一步地，所述一级传动机构内部包括有转动连接在中心轴外侧的第一驱动盘，所述第一驱动盘外侧固定连接有一挡驱动块，所述一挡驱动块外侧铰接连接有与第二齿圈相适配的一挡传动棘爪，所述一挡传动棘爪内侧设置有用于加固的动力锁紧机构；

20、所述一挡驱动块位于第二齿圈的内侧；

21、所述动力锁紧机构内部包括有固定在第一驱动盘上端固定连接有安装轴，所述安装轴外侧转动连接有动力锁止弹簧，所述动力锁止弹簧一端与一挡传动棘爪外侧相互贴合；

22、所述一挡传动棘爪与第二齿圈配合形成单向传动的锁紧结构，且动力锁止弹簧和一挡传动棘爪配合形成锁紧的加力结构；

23、所述一挡驱动块与一挡传动棘爪之间设置有用于压紧定位一挡传动棘爪的第一棘爪压紧弹簧；

24、所述第二齿圈与第一驱动盘上的外侧一挡传动棘爪构成了一级传动机构和二级传动机构的一级驱动块向复合行星齿环的单向传动作用。

25、进一步地，所述第一离心换挡机构内部包括有固定在变速箱壳体内侧的第二驱动座，所述第二驱动座靠近复合行星齿环的一面固定连接有二挡驱动块，所述二挡驱动块内侧铰接连接有用于卡合第三齿圈的二挡传动棘爪；

26、所述二挡驱动块靠近二挡传动棘爪的一面固定连接有复位弹簧，所述复位弹簧远离二挡驱动块的一面与二挡传动棘爪铰接连接；

27、所述第三齿圈为单向连接第二驱动座上的二挡传动棘爪，配合第一离心换挡机构来达到单向传动的动力传递及断开。

28、所述复合行星架在第四齿圈的另一侧固连有单向离合器的输入轴，其作用为通过单向离合器与第二驱动座实现单向传动，在一级传动机构中单向传递动力，在二级传动机构和三级传动机构时实现超越离合断开一挡传动动力。

29、通过采用上述技术方案，目前所有同类产品都是类似的传动路线，离心机构安装在输入侧，本设计把离心机构布置在输出的壳体上。

30、进一步地，所述第二驱动座靠近复合行星齿环的一面铰接连接有用于控制二挡传动棘爪的二挡离心控制机构；

31、所述二挡离心控制机构转速未达到设定点且未产生离心离合时，二挡传动棘爪收缩不与第三齿圈啮合，所述二挡离心控制机构转速达到设定点且产生离心离合时，二挡传动棘爪弹开与第三齿圈啮合。

32、通过采用上述技术方案，当轮毂转速低于设定值时，离心块向内关闭带动离合片转动，同时因为降挡是一个降速的过程，轮毂在转动惯性的作用下速度会高于内部驱动端，即棘爪在轮毂转动带动下速度快于内部复合齿圈，此时单向离合机构处于超越状态，棘爪在棘齿圈上棘齿高部的超越推动力下处于向内关闭状态，此时同步的离合片在离心块离心力变小的推力下锁止棘爪，此处动力传递动力中断，实现退挡功能。

33、进一步地，所述第二离心换挡机构内部包括有三挡传动棘爪，所述三挡传动棘爪铰接连接在一挡驱动块远离一挡传动棘爪的一面；

34、所述三挡传动棘爪与一挡驱动块之间设置有用于压紧定位三挡传动棘爪的第二离心压紧弹簧；

35、所述三挡传动棘爪的外侧与动力锁止弹簧另一端相互贴合；

36、所述第一驱动盘靠近一挡驱动块的一面设置有用于控制三挡传动棘爪的三挡离心控制机构。

37、所述第四齿圈与第一驱动盘上的内侧一挡传动棘爪组合成单向传动机构；

38、所述复合行星架在第四齿圈的另一侧固连有单向离合器的输入轴，其作用为通过单向离合器与第二驱动座实现单向传动，在一级传动机构中单向传递动力，在二级传动机构和三级传动机构时实现超越离合断开一挡传动动力。

39、进一步地，所述三挡离心控制机构转速未达到设定点且未产生离心离合时，三挡传动棘爪收缩不与第四齿圈棘合，且一挡传动棘爪与第二齿圈棘合；

40、所述三挡离心控制机构转速达到设定点且产生离心离合时，三挡传动棘爪弹开与第四齿圈棘合，且一挡传动棘爪收缩与第二齿圈脱离或者超越状态。

41、通过采用上述技术方案，动力锁止弹簧被离合片上的台阶在离心机构上的弹簧力的作用下锁住棘爪关闭无法张开，这个时候推动锁止弹簧逆时针转动，弹簧向下推给予外侧棘爪更大的向外张开的弹簧力，使外侧棘爪与外侧棘齿圈保持较大的啮合力，在较大的弹簧张紧力下无法轻意超越，基本上处于固连作用，当内部棘爪张开的时候这个弹簧可以向内更多的转动角度，这个锁止弹簧对棘爪的张力基本没有，所以外侧棘爪可以向内关闭，此时实现在第三挡位时此处可以进行超越离合状态。

42、进一步地，其换挡方法为：

43、通过链轮、皮带轮或者齿轮进行动力输入到复合行星齿环（7）上，并通过行星传动机构（31）从复合行星架（32）输出，实现降速传动，作为一挡变速；

44、所述复合行星齿环（7）通过第一离心换挡机构（41）的配合，将减速传动换挡为正常传动，作为二挡变速；

45、所述复合行星齿环（7）通过第二离心换挡机构（51）的配合，将正常传动换挡为增速传动，作为三挡变速。

46、进一步地，具体的挡位状态和换挡过程如下：

47、s1：一挡变速：通过链轮、皮带轮或者齿轮进行动力输入到第一驱动盘上，第一驱动盘上的一挡驱动块外侧一挡传动棘爪在动力锁止弹簧和第一棘爪压紧弹簧的作用下保持一直向外张开传递动力到复合行星齿环的棘齿上，第一齿圈和第二齿圈固定连接在一起，第一齿圈通过行星齿轮组传动动力到复合行星架上，复合行星架再通过一级单向离合传递动力到第二驱动座上，第二驱动座和变速箱壳体固定连接在一起，动力由壳体输出；

48、s2：二挡变速：通过链轮、皮带轮或者齿轮进行动力输入到第一驱动盘上，在第二驱动座上设置一离心离合机构，当第二驱动座随着变速箱壳体转速达到设定点时，二挡离心控制机构发生作用，离心块受离心力张开推动离合片锁止二挡传动棘爪失效，二挡传动棘爪弹开，二挡传动棘爪与第三齿圈棘合，一比一传动动力到第二驱动座和变速箱壳体，此时变速器的输出速度和变速器的输入速度一致，因动力传递由行星齿圈直接传递动力到第二驱动座，此时行星机构不参与动力传递，一挡通过复合行星齿环和一挡驱动块之间有一个单向离合传动机构，此处可以形成超越，一挡传递失效；

49、s3：三挡变速：通过链轮、皮带轮和齿轮进行动力输入到第一驱动盘，第一驱动盘上布置的第二离心换挡机构当第一驱动盘的转速达到三挡设计转速，在离心力的作用下离心块张开推动离合片解锁三挡棘爪，三挡传动棘爪甩开，三挡传动棘爪向内张开，同时一挡传动棘爪在施压的动力锁止弹簧失效，外侧棘爪可以关闭，此时动力通过棘爪啮合到复合行星架上的第四齿圈上，此时通过行星架输入动力，行星齿圈输出动力，行星齿圈在前面二挡的状态为直接输入到变速箱壳体上，三挡和二挡相比多通过了行星机构传递动力，此时通过行星机构的传动方式为增加输出速度。

50、通过采用上述技术方案，其中一挡是通过行星齿圈输入通过行星传动机构从行星架输出，实现降速传动，二挡是行星齿圈直接连接到轮毂进行动力输出，此时行星机构不参与工作，三挡是这一套的行星机构从行星架进行输入，动力通过行星机构通过第三齿圈进行动力传递到轮毂进行，此时是增速传动。

51、综上所述，本发明的有益技术效果为：

52、1、采用了一级传动机构、二级传动机构和三级传动机构，利用行星传动机构的不同输入方式来实现不同的传动比，本发明利用行星传动的基础原理设计了一种全新的传动结构及方法，可以仅使用一套行星传动机构辅助二套离心离合换挡机构实现自动三挡变速，改变了原来行业内三挡变速必需要二级行星传动机构才能实现的现状，减少一级行星机构不仅压缩了空间，还因为减少一级齿轮传动增加了传动效率，并大大降低了成本及重量，在两轮车有限的空间及轻量化需求下，具有突出的发明价值，达到了简化结构、压缩结构空间、增加传动效率和降低成本的效果；

53、2、采用了动力锁止弹簧，一挡二挡动力传递时，内侧的棘爪被离合片锁止，此时把锁止弹簧向外推，此时外侧的棘爪在弹簧的干涉下保持常开的状态，相当于外侧棘爪失去单向传动作用起到固连的作用，产生稳定换挡的效果；

54、3、采用了二挡离心控制机构和三挡离心控制机构，当速度小于设定速度时，离心块的离心力小于复位弹簧的力量，离心块向内关闭，推动离合片顺时针旋转，而此时在减速状态下轮毂壳体在转动惯性下会高于输入端，即棘齿圈的转速会高于棘爪，齿圈会推开棘爪，此时刚好离合片在离心块向内收缩的力量下卡入棘爪处，棘爪因此处于关闭状态，此时传动动力断开，切换到上一挡位，原来因为升挡带来的超越离合处进行啮合传动，产生稳定退挡的效果。