一种轮毂电机齿轮减速机构及方法

技术领域

本发明涉及一种减速机构，具体涉及一种轮毂电机齿轮减速机构及方法。

背景技术

电助力自行车轮毂电机是将电能转换为机械运动，从而驱动车轮前进的装置。常见的电助力自行车轮毂电机主要包括：主轴、行星减速机构、转子和定子。其中，行星减速机构包括齿圈、行星齿轮和太阳齿轮。主要包括两种结构形式：

第一种：主轴贯通结构：其结构原理为：主轴左右完全贯通，并与自行车后支叉固定连接，完全固定不旋转。太阳齿轮需要开设供主轴穿过的内孔，进而将太阳齿轮套设于主轴的外面。此种结构具有以下问题：由于太阳齿轮需要开设内孔，因此，太阳齿轮的尺寸较大，齿数较多，导致行星减速机构的传动比有限。另外，由于太阳齿轮的尺寸较大，因此，齿轮模数受限，承载能力受限，无法满足电助力自行车对高传动比，高承载能力以及小体积的需求。

第二种：主轴为左右两个不相连的半轴结构：为了克服第一种完全贯通主轴的缺点，此种结构将主轴斩断，形成断开不相连的左右两个半轴。因此，电机输出轴和太阳轮不再设置内孔，太阳轮可以尽可能的减小齿数，满足传动比的要求。此种结构具有以下问题：由于主轴断开为左右两个半轴，齿轮箱和整个驱动单元必须依靠外壳找正，定位，支撑，对安装精度要求过高，整体结构的可靠性较低。

因此，如何提供一种高传动比，高承载能力、小体积以及高可靠性、易安装装配的轮毂电机齿轮减速机构，是目前急需解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种轮毂电机齿轮减速机构及方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明还提供一种轮毂电机齿轮减速机构，包括：主轴(1)、偏心套(2)、轴承(3)、双联行星轮(4)、输出齿圈(5)、外固定齿轮(6)和单向器(7)；

所述主轴(1)穿过所述偏心套(2)的中心孔和所述单向器(7)的内圈；其中，所述偏心套(2)的中心孔，空套于所述主轴(1)的外表面，可相对所述主轴(1)自由转动；所述偏心套(2)的中心孔与所述主轴(1)同轴，所述偏心套(2)的旋转轴线与所述主轴(1)的轴线重合；所述单向器(7)的内圈与所述主轴(1)的外表面固定，所述单向器(7)的外圈可相对所述主轴(1)进行单方向转动；

所述偏心套(2)外圆柱面的轴线和自身的旋转轴线有一个偏心距，所述偏心套(2)的外圆柱面套设安装所述轴承(3)；所述单向器(7)的外圈套设固定安装所述外固定齿轮(6)；

所述双联行星轮(4)包括行星轮壳体(4-1)，所述行星轮壳体(4-1)的一端外表面具有行星外齿轮(4-2)，另一端内腔具有行星内齿轮(4-3)，所述行星外齿轮(4-2)的内腔套设于所述轴承(3)的外部，并与所述轴承(3)的外表面固定；所述行星内齿轮(4-3)套于所述外固定齿轮(6)的外面，并与所述外固定齿轮(6)为渐开线少齿差啮合，形成第一齿轮副；所述行星外齿轮(4-2)的外部套设安装所述输出齿圈(5)，并与所述输出齿圈(5)为渐开线少齿差啮合，形成第二齿轮副；

其中，在轮毂电机动力驱动时，所述偏心套(2)为动力输入部件，所述输出齿圈(5)与轮毂(8)固定连接，为动力输出部件。

优选的，还包括平衡体(9)；所述偏心套(2)与所述平衡体(9)固定。

优选的，所述主轴(1)为电助力自行车后轮主轴；所述主轴(1)与电助力自行车车架固定连接。

优选的，还包括电机定子(10)和电机外转子(11)；

所述电机定子(10)与所述主轴(1)固定连接；所述电机外转子(11)通过转子轴承(12)套于所述主轴(1)的外面，可相对所述主轴(1)自由转动；所述电机外转子(11)与所述偏心套(2)固定连接。

本发明还提供一种轮毂电机齿轮减速机构的减速方法，包括以下步骤：

步骤1，电动驱动状态时的电助力自行车前行状态：

步骤1.1，当电机定子(10)通过电流时，驱动电机外转子(11)绕主轴(1)进行驱动方向的转动；

步骤1.2，当电机外转子(11)转动时，带动偏心套(2)绕主轴(1)进行转动；所述偏心套(2)外圆柱面的轴线绕主轴(1)进行偏心转动；

步骤1.3，当偏心套(2)的外圆柱面绕主轴(1)进行偏心转动时，带动双联行星轮(4)做公转转动；并且，此时在外固定齿轮(6)的限制作用下，双联行星轮(4)一方面进行公转转动，另一方面只能进行外固定齿轮(6)约束条件下的自转；

当双联行星轮(4)在偏心套(2)的驱动下做公转转动时，一方面，由于双联行星轮(4)和输出齿圈(5)啮合，由此带动输出齿圈(5)旋转；当输出齿圈(5)旋转时，带动轮毂(8)旋转，由此实现动力输出；另一方面，在双联行星轮(4)公转转动的同时，双联行星轮(4)的行星内齿轮(4-3)旋转，此时行星内齿轮(4-3)的旋转向外固定齿轮(6)施加第一方向扭力，由于外固定齿轮(6)和单向器(7)的外圈固定，再由于单向器(7)的外圈相对于主轴(1)在第一方向无法转动，从而使外固定齿轮(6)在第一方向无法转动，进而约束了行星内齿轮(4)在第一方向的自转旋转。由于单向器(7)的外圈和外固定齿轮(6)在第一方向无法转动，从而进一步作用于双联行星轮(4)，对双联行星轮(4)进行限制，使双联行星轮(4)一方面进行公转转动，另一方面只能进行外固定齿轮(6)约束条件下的自转；

所述行星内齿轮(4-3)向所述外固定齿轮(6)施加第一方向扭力，所述外固定齿轮(6)约束所述行星内齿轮(4-3)向第一方向的自转，并且给了所述行星内齿轮(4-3)一个反作用扭力，在反作用扭力和偏心套驱动扭力的共同作用下，驱动所述输出齿圈(5)向前旋转，形成动力输出。；

步骤2，非电动驱动时的电助力自行车前行状态：

步骤2.1，电机定子(10)不通过电流，因此，不会驱动电机外转子(11)绕主轴(1)旋转；因此，偏心套(2)不旋转；

电助力自行车在依靠惯性力前行时，轮毂(8)转动，进而带动输出齿圈(5)转动；

输出齿圈(5)转动时，带动与其啮合的双联行星轮(4)转动，并且，此时偏心套(2)不旋转，双联行星轮(4)只进行自转转动，不进行公转转动；

步骤2.2，当双联行星轮(4)自转转动时，双联行星轮(4)的行星内齿轮(4-3)旋转，此时行星内齿轮(4-3)的旋转向外固定齿轮(6)施加第二方向扭力，第二方向扭力与第一方向扭力方向相反；第二方向扭力使与外固定齿轮(6)固定连接的单向器(7)的外圈转动；所述单向器(7)的外圈在第二方向可以相对于内圈自由转动；

因此，轮毂(8)转动并带动双联行星轮(4)自转转动时，力传递到单向器(7)，单向器(7)的外圈随之转动，此时，单向器(7)为自由超越旋转，阻断力的进一步传递，避免电助力自行车向前滑行时反向驱动电机，降低滑行阻力。

本发明提供的一种轮毂电机齿轮减速机构及方法具有以下优点：

本发明提供的一种轮毂电机齿轮减速机构及方法，是一种高传动比，高承载能力、小体积以及高可靠性、易安装装配的轮毂电机齿轮减速机构。

附图说明

图1为本发明提供的轮毂电机齿轮减速机构的主视图；

图2为图1沿D-D的剖面图；

图3为本发明提供的轮毂电机齿轮减速机构用于电助力自行车时的剖面图；

图4为本发明提供的双联行星轮的立体图；

图5为本发明提供的轮毂电机齿轮减速机构在一个角度下的立体图；

图6为本发明提供的轮毂电机齿轮减速机构在另一个角度下的立体图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种轮毂电机齿轮减速机构，是一种用于电助力自行车轮毂电机的齿轮减速机构，创新性的将双联行星轮用于电助力自行车齿轮减速机构，通过双联行星轮、偏心套、输出齿圈、外固定齿轮和单向器的配合，既能够实现电动驱动状态时的电助力自行车前行功能，又能够实现非电动驱动时的电助力自行车前行功能，满足电助力自行车使用需求。另外，主轴采用左右贯通的主轴，可靠性高，易装配，承载能力高；通过对结构空间的设计，可以有效的缩小齿轮箱的尺寸和体积；还具有高传动比的特点。

本发明提供一种轮毂电机齿轮减速机构，参考图1、图2和图3，包括：主轴1、偏心套2、轴承3、双联行星轮4、输出齿圈5、外固定齿轮6和单向器7；

主轴1穿过偏心套2的中心孔和单向器7的内圈；其中，偏心套2的中心孔，空套于主轴1的外表面，偏心套2可相对主轴1自由转动；所述偏心套2的中心孔与所述主轴1同轴，所述偏心套2的旋转轴线与所述主轴1的轴线重合；所述单向器7的内圈与所述主轴1的外表面固定，所述单向器7的外圈可相对所述主轴1进行单方向转动；

也就是说，单向器7的外圈相对主轴1只能够进行一个方向的转动，另一方向无法转动。

偏心套2外圆柱面的轴线与其自身的旋转轴线有一个偏心距；偏心套2的外圆柱面套设安装轴承3；轴承3可以采用滚针轴承，也可以采用其他类型轴承，本发明对此并不限制。单向器7的外圈套设固定安装外固定齿轮6；偏心套2可进一步与平衡体9固定，满足平衡需求。

如图4所示，为双联行星轮4的结构图，双联行星轮4包括行星轮壳体4-1，行星轮壳体4-1的一端外表面具有行星外齿轮4-2，另一端内腔具有行星内齿轮4-3，行星外齿轮4-2的内腔套设于轴承3的外部，并与轴承3的外表面固定；行星内齿轮4-3套于外固定齿轮6的外面，并与外固定齿轮6为渐开线少齿差啮合，形成第一齿轮副；如图5所示，可以看到第一齿轮副的具体结构形式。行星外齿轮4-2的外部套设安装输出齿圈5，并与输出齿圈5为渐开线少齿差啮合，形成第二齿轮副；如图6所示，可以看到第二齿轮副的具体结构形式。

其中，在轮毂电机动力驱动时，偏心套2为动力输入部件，输出齿圈5与轮毂8固定连接，为动力输出部件。

作为一种具体使用场景，主轴1为电助力自行车后轮主轴；主轴1与电助力自行车车架固定连接。

在具体实现上，还包括电机定子10和电机外转子11作为动力源，电机定子10与主轴1固定连接；电机外转子11通过转子轴承12套于主轴1的外面，可相对主轴1自由转动；电机外转子11与偏心套2固定连接。

本发明提供一种轮毂电机齿轮减速机构的减速方法，包括以下步骤：

步骤1，电动驱动状态时的电助力自行车前行状态：

步骤1.1，当电机定子10通过电流时，驱动电机外转子11绕主轴1进行驱动方向的转动；

步骤1.2，当电机外转子11转动时，带动偏心套(2)绕主轴(1)进行转动，偏心套2外圆柱面的轴线绕主轴(1)进行偏心转动；

步骤1.3，当偏心套2的外圆柱面绕主轴1进行偏心转动时，带动双联行星轮4做公转转动；并且，此时在外固定齿轮6的限制作用下，双联行星轮4一方面进行公转转动，另一方面只能进行外固定齿轮6约束条件下的自转；

当双联行星轮4在偏心套2的驱动下做公转转动时，一方面，由于双联行星轮4和输出齿圈5啮合，由此带动输出齿圈5旋转；当输出齿圈5旋转时，带动轮毂8旋转，由此实现动力输出；另一方面，在双联行星轮4公转转动的同时，双联行星轮4的行星内齿轮4-3旋转，此时行星内齿轮4-3的旋转向外固定齿轮6施加第一方向扭力，由于外固定齿轮6和单向器7的外圈固定，再由于单向器7的外圈相对于主轴1在第一方向无法转动，从而使外固定齿轮6在第一方向无法转动，进而约束了行星内齿轮4在第一方向的自转旋转；

由于单向器7的外圈和外固定齿轮6在第一方向无法转动，从而进一步作用于双联行星轮4，对双联行星轮4进行限制，使双联行星轮4一方面进行公转转动，另一方面只能进行外固定齿轮6约束条件下的自转；

行星内齿轮4-3向外固定齿轮6施加第一方向扭力，外固定齿轮6约束行星内齿轮4-3向第一方向的自转，并且给了行星内齿轮4-3一个反作用扭力，在反作用扭力和偏心套驱动扭力的共同作用下，驱动输出齿圈5向前旋转，形成动力输出。

步骤2，非电动驱动时的电助力自行车前行状态，例如，依靠惯性力前行状态：

步骤2.1，电机定子10不通过电流，因此，不会驱动电机外转子11绕主轴1旋转；因此，偏心套2不旋转；

电助力自行车在依靠惯性力前行时，轮毂8转动，进而带动输出齿圈5转动；

输出齿圈5转动时，带动与其啮合的双联行星轮4转动，并且，此时偏心套2不旋转，双联行星轮4只进行自转转动，不进行公转转动；

步骤2.2，当双联行星轮4自转转动时，双联行星轮4的行星内齿轮4-3旋转，此时行星内齿轮4-3的旋转向外固定齿轮6施加第二方向扭力，第二方向扭力与第一方向扭力方向相反；第二方向扭力使与外固定齿轮6固定连接的单向器7的外圈转动；单向器7的外圈在第二方向可以相对于内圈自由转动，不受约束。

因此，轮毂8转动并带动双联行星轮4自转转动时，力传递到单向器7时，单向器7的外圈随之转动，此时，单向器7为自由超越旋转，阻断力的进一步传递，避免电助力自行车向前滑行时反向驱动电机，降低滑行阻力。

本发明提供的一种轮毂电机齿轮减速机构及方法具有以下特点：

1)以很小的体积尺寸，取得远远高于传统行星传动机构的传动比，有效节省安装空间，提高传动比；

2)由于两个齿轮副均为渐开线少齿差传动结构，双联行星轮和输出齿圈的齿数差很小，通常只有1到3个齿，因此双联行星轮的径向尺寸足够大，虽然是偏心运行，但中心仍然有足够大的空间允许左右贯通的主轴通过。因此，有效的解决了传动比与“通轴”的矛盾。

主轴采用通轴结构，贯通整个驱动单元，由于主轴非两段结构，由此提高装置的稳定性，可靠性；

3)由于可以轻松地获得需要的传动比，不需要以增多齿数的方法获得必要的传动比(轮毂电机常规行星机构齿圈的齿数往往在100齿以上)。本发明可以大幅度的减小齿圈和各齿轮的齿数。(本实例设计的齿圈齿数只有42)。因此，在相同的空间内可以大幅的增大齿轮的模数，而仍然将齿轮的尺寸控制在所需要的范围内。正因为如此，本设计可以大幅度的提高齿轮机构的承载能力，相同尺寸条件下，有效增大输出扭矩。

4)齿轮传动机构的齿轮的齿数显著减少，在主轴和双联行星轮之间的空间，安装偏心套、外固定齿轮和单向器，因此，偏心套、外固定齿轮和单向器装配于双联行星轮内部，有效减少了装置的径向尺寸和轴向长度；

5)本发明通过将双联行星轮用于电助力自行车齿轮减速机构，通过双联行星轮、偏心套、输出齿圈、外固定齿轮和单向器的配合，既能够实现电动驱动状态时的电助力自行车前行功能，又能够实现非电动驱动时的电助力自行车前行功能，满足电助力自行车使用需求。将单向器安装于外固定齿轮的内部，可以进一步节省安装空间。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。