技术领域
[0001] 本
发明关于一种转轴机构，尤其关于一种应用于
自行车以侦测踩踏
力大小的转轴机构。
背景技术
[0002] 现在的自行车已从原本的代步工具转变为增进休闲健康生活的工具之一。然而，并非每个人的体能都能负担长程的路线或艰难的爬坡路段，因此具有辅助动力的
电动自行车应运而生。
[0003] 一般电动自行车利用电动
马达作为辅助的动力来源，以降低踩踏时所花费的力气。电动自行车根据踩踏力量的大小，利用马达增加驱动力量，一方面可使自行车骑士达到运动的效果，同时遇到爬坡或力有未逮时，亦可提供辅助动力。
[0004] 然而，如何有效量测自行车骑士施予
踏板的踩踏力进而提供所需的辅助动力，现有的电动自行车还不能够实现，因此，该课题成为现今重要的研发方向之一。
发明内容
[0005] 因此，本发明的目的在于提供一种转轴机构，其藉由应变计直接量测
轴承座的
变形量以有效判断作用力矩的大小，从而确定所需提供的辅助动力，以解决
现有技术中难以达到有效量测自行车骑士施予踏板的踩踏力进而提供所需的辅助动力的技术问题。
[0006] 本发明提供一种转轴机构，设置于
框架中，该转轴机构包含：转轴，用于接受作用力矩以绕轴向进行转动；轴承，套接于该转轴，以减低该转轴绕该轴向转动时的摩擦阻力；轴承座，设置于该框架和该轴承之间，该轴承座容设并
支撑该轴承，该轴承座具有沿轴承径向的径向平面，且该轴承座外侧抵接于该框架；以及应变计，设置于该轴承座的沿该轴承径向的该径向平面上；其中，当该作用力矩转动该转轴时，该作用力矩经由该转轴和该轴承传递，使得该轴承座上的该径向平面发生变形并产生变形量，该应变计量测该变形量。
[0007] 作为进一步可选的技术方案，该轴承座为环体，该轴承容设于该环体的环心空间中，该径向平面的法线方向垂直于该轴承径向，且沿该径向平面对应于该轴承容设于该环心空间的
位置。
[0008] 作为进一步可选的技术方案，该轴承座具有沟槽，该径向平面位于该沟槽中，该沟槽的
槽口朝向平行于该轴向的方向，以使该应变计沿该轴向自该槽口容设于该沟槽中。
[0009] 作为进一步可选的技术方案，该轴承具有轴承厚度且该轴承座具有第一环面，该沟槽自该第一环面延伸入该环体一深度，且该深度对应于该轴承容设于该环心空间时该轴承厚度中央的位置。
[0010] 作为进一步可选的技术方案，该沟槽包含容置槽及与该容置槽连通的走线槽，该应变计还包含
信号线，该走线槽沿该环体的圆周方向延伸并供布设该信号线以输出量测所得的该变形量。
[0011] 作为进一步可选的技术方案，该环体还包含
挡墙，该挡墙设置于该第一环面且沿该轴承径向朝该转轴延伸，其中该转轴机构还包含限位件，该限位件固定于该转轴，以配合该轴承座的该挡墙限制该轴承沿该轴向的位移。
[0012] 作为进一步可选的技术方案，该轴承座具有至少一薄化区邻近该向平面的，其中该环体于该薄化区位置的径向厚度小于该环体于该径向平面的位置的径向厚度。
[0013] 作为进一步可选的技术方案，该应变计还包含信号线，该轴承座还具有走线槽连通该薄化区，该走线槽形成于该环体的外环面沿该环体的圆周方向延伸并供布设该信号线以输出量测所得的该变形量。
[0014] 作为进一步可选的技术方案，该轴承座还具有
定位槽，该定位槽形成于该环体的圆周表面且沿该轴向延伸，以作为该轴承座与该框架连接时的定位标记。
[0015] 作为进一步可选的技术方案，该转轴机构还包含支撑壳与定位栓柱，该支撑壳具有延伸定位槽，当该轴承座与该支撑壳定位于预设
角度时，该定位栓柱可跨越该轴承座与该支撑壳，同时设置于该定位槽及该延伸定位槽中。
[0016] 作为进一步可选的技术方案，该转轴机构还包含支撑壳与
电路单元，该支撑壳环绕该转轴并连接该轴承座，该电路单元设置于该支撑壳上。
[0017] 作为进一步可选的技术方案，该电路单元电性连接辅助动力源，该电路单元依据该应变计所量测的该变形量，来控制该辅助动力源。
[0018] 作为进一步可选的技术方案，该电路单元位于该转轴的上方，以减少环境
水气累积于该电路单元处。
[0019] 作为进一步可选的技术方案，该转轴机构还包含复数个磁环，该复数个磁环固定于该转轴，以量测该转轴的转速及该作用力矩的施力方向。
[0020] 作为进一步可选的技术方案，该转轴机构还包含一对踏板，该对踏板连接于该转轴上，使用者向下踩踏该对踏板而施加该作用力矩，其中该应变计设置于该转轴的下方，用以侦测该使用者向下踩踏该对踏板时所对应发生的该变形量。
[0021] 本发明还提供一种转轴机构，设置于框架中，该转轴机构包含：转轴，用于接受作用力矩以绕轴向进行转动；左轴承，套接于该转轴的左半部；右轴承，套接于该转轴的右半部，该左轴承与该右轴承共同降低该转轴绕该轴向转动时的摩擦阻力；左轴承座，设置于该框架与该左轴承之间，供容设并支撑该左轴承，该左轴承座具有沿左轴承径向的左径向平面，该左轴承座外侧抵接于该框架；左应变计，设置于该该左径向平面上；右轴承座，设置于该框架与该右轴承之间，供容设并支撑该右轴承，该右轴承座具有沿右轴承径向的右径向平面，该右轴承座外侧抵接于该框架；以及右应变计，设置于该右径向平面上；其中当该作用力矩转动该转轴时，该作用力矩经由该转轴、该左轴承和该右轴承传递，使该左径向平面发生左变形量，使该右径向平面发生右变形量，该左应变计量测该左变形量，该右应变计量测该右变形。
[0022] 作为进一步可选的技术方案，该转轴机构还包含左踏板与右踏板，该左踏板连接于该转轴的左端点，且该右踏板连接于该转轴的右端点，使用者向下踩踏该左踏板与该右踏板而施加该作用力矩，该左应变计和该右应变计均设置于该转轴的下方，该左应变计量测该使用者向下踩踏该左踏板时所对应发生的该左变形量，该右应变计量测该使用者向下踩踏该右踏板时所对应发生的该右变形量。
[0023] 作为进一步可选的技术方案，该转轴机构还包含支撑壳与电路单元，该支撑壳环绕该转轴并设置于该左轴承座与该右轴承座之间，该电路单元设置于该支撑壳中。
[0024] 作为进一步可选的技术方案，该电路单元电性连接辅助动力源，该电路单元依据该左应变计所量测的该左变形量及该右应变计所量测的该右变形量，来控制该辅助动力源。
[0025] 与现有技术相比，本发明的自行车装置的转轴机构，其利用应变计量测施加于踏板的踩踏力，进而有效控制辅助动力源。
附图说明
[0026] 图1A为本发明一
实施例的转轴机构装设于自行车装置的示意图。
[0027] 图1B为图1A的转轴机构装设于自行车装置的框架的局部示意图。
[0028] 图2为本发明一实施例的转轴机构的爆炸图。
[0029] 图3A至图3D为本发明一例示实施例的轴承座的不同视角示意图。
[0030] 图3E为图3C沿D-D方向的剖面图。
[0031] 图4A及图4B为本发明一例示实施例的支撑壳及轴承座的组装前及组装后示意图。
[0032] 图5A至图5C为本发明另一例示实施例的轴承座的不同视角示意图。
具体实施方式
[0033] 为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。
[0034] 本发明提供一种转轴机构，其可应用于动力装置以量测作用力矩的大小，尤其是可应用于具有辅助动力源的动力装置，以精确量测作用力矩的大小，进而有效控制辅助动力源。具体而言，于此所述的动力装置例如较佳可为利用踩踏力产生动力的动力装置，其包含但不限于电动自行车等。以下将以本发明的转轴机构安装于自行车装置的实施例加以说明，但不以此为限。
[0035] 图1A为本发明一实施例的转轴机构装设于自行车装置的示意图，且图1B为图1A的转轴机构装设于自行车装置的框架的局部示意图。如图1A及1B所示，本发明的转轴机构10可应用于自行车装置，且较佳应用于具有辅助动力源50的自行车装置1。本发明的转轴机构10应用于自行车装置1时，设置于自行车装置1的框架20中，亦即安装于自行车框架20的五通管22中，且转轴机构10具有两端，一端连接一组
曲柄30及踏板32，另一端连接另一组曲柄30及踏板32，以利于使用者施加作用力矩于转轴机构10而产生动力。以下参考图式详细说明本发明的转轴机构10。
[0036] 图2为本发明一实施例的转轴机构的爆炸图。如图2所示，转轴机构10包含转轴100、轴承200、轴承座300及应变计400。在此需注意，转轴机构10应用于自行车装置1时，对应于左、右
脚轮流踩踏踏板32以施加作用力矩于转轴100，转轴100两端分别设有对应的轴承200、轴承座300及应变计400。于后仅以一端的组件进行说明，另一端则具有类似的配置，不再赘述。此外，转轴机构10还包含用于连接、支撑或其它作用的组件，例如支撑壳500、
螺纹筒600、限位件700、磁环800及电路单元900等，于后进一步详述。
[0037] 转轴100用于接受作用力矩以绕轴向A进行转动。亦即，转轴100的两端连接自行车装置1的曲柄30，且踏板32连接曲柄30，以供使用者踩踏进而通过曲柄30提供作用力矩于转轴100，而使得转轴100绕轴向A(即转轴100的长轴方向)进行转动。轴承200套接于转轴100，以减低转轴100绕轴向A转动时的摩擦阻力。轴承200可为任何习知的轴承装置，例如
滚珠轴承、
滚针轴承等，其中又以滚针轴承为较佳，但不以此为限。于此实施例，左右两侧各设置两个轴承200，其中两个轴承200沿轴向A并排设置。然而，依不同的设计需求，于其它实施例中，可将两个轴承200整合为单一轴承200，或设置两个以上的轴承200，不以实施例所示为限。
[0038] 轴承座300设置于框架20和轴承200之间，容设并支撑轴承200。请结合图3A至图3D，图3A至图3D为本发明一例示实施例的轴承座300的不同视角示意图。轴承座300具有沿轴承径向的径向平面310，且应变计400设置于轴承座300的径向平面310上，如图3C所示。具体而言，轴承200及轴承座300为环状结构，轴承200套接于转轴100，而轴承座300套接轴承200。径向平面310为在轴承径向B上供设置应变计400的平面。于此实施例，径向平面310较佳延伸于轴承径向B，亦即，如图3A及图3E所示，径向平面310的法线方向N较佳垂直于轴承径向B。当作用力矩转动转轴100时，作用力矩经由转轴100和轴承200传递，且轴承座300外侧抵接于框架20，使轴承座300上的径向平面310发生变形并产生变形量，应变计400量测此变形量。
[0039] 如图3A至图3D所示，轴承座300为环体，轴承200容设于环体的环心空间300A中。具体而言，轴承座300为具有第一环面302及第二环面304的环体，第一环面302与第二环面304相对，其中环心空间300A为第一环面302及第二环面304之间由环体所包围的空间。于此实施例，轴承座300具有沟槽320，径向平面310位于沟槽320中，且径向平面310较佳为沟槽320的底部平面。具体而言，沟槽320自环体的第一环面302延伸入环体，沟槽320的槽口320a朝向平行于轴向A的方向，以使应变计400沿轴向A自槽口320a容设于沟槽320中。再者，如图3A及3C所示，沟槽320包含容置槽322及与容置槽322连通的走线槽324，其中走线槽324沿环体的圆周方向C延伸于第一环面320并供布设应变计
400的信号线420以输出量测所得的变形量。亦即，如图2所示，应变计400包含感测本体
410及连接感测本体410的信号线420。应变计400可为任何适当的习知应变计，其一般由绝缘基片与金属敏感栅组成。应变计400的感测本体410可藉由黏着剂(例如502胶水)固着在径向平面310上，当轴承座300产生变形时，敏感栅也随之变形，因此敏感栅的
电阻值会产生相应的变化。通过惠斯通电桥可以测量到此阻值变化量，再藉由应变计生产时标明的应变计系数可将测量得到的电
阻变化量转换成实际应变值，从而确定轴承座300的变形量。
[0040] 于此实施例，如图3B（图3A的局部放大部分）及图3C的剖面部分所示，容置槽322垂直延伸的底部322a作为径向平面310，因此应变计400的感测本体410设置于容置槽322的底部322a，而应变计400的信号线420沿圆周方向C布设于走线槽324中，以连接电路组件900（图2所示）。在此需注意，当转轴机构10设置于自行车框架20时，对应于踩踏力的施力方向，应变计400较佳设置于转轴100的下方，用以侦测使用者向下踩踏踏板
32时所对应发生的变形量。亦即，装设转轴机构10时，以轴承座300的容置槽322的底部
322a(亦即径向平面310)位于转轴100下方的方式装设于框架20的五通管22中。在此需注意，于其它实施例，依据不同设计需求，容置槽322平行于轴承径向B的侧面322b亦可作为设置应变计400的平面，不限于图3A所示的底部322a位置。
[0041] 此外，径向平面310较佳对应于轴承200容设于环心空间300A的位置。如图3E所示，图3E为图3C沿D-D方向的剖面图，其同时示意地显示应变计400、轴承200与轴承座300的相对位置。如图3A及图3E所示，容置槽322自环体的第一环面302延伸入环体达一定深度L，且深度L较佳使容置槽底部322a(径向平面310)恰好对应于轴承200容设于环心空间300A时轴承厚度实质中央的位置。例如，于此实施例，单个轴承200在轴向A上的宽度为W/2，当两个轴承200容置于轴承座300的环心空间300A时，两个轴承200在轴向A上的宽度总和W为轴承厚度，而容置槽底部322a(径向平面310)较佳位于对应轴承厚度实质中央的位置，亦即对应两个轴承200之间的位置(即自该中央位置沿轴向A两相反方向，各具有W/2的轴承厚度)。于其它实施例，当使用单一轴承或两个以上的轴承时，紧密排列或有间距的排列，对应轴承厚度实质中央的位置指较佳对应于单一轴承或两个以上的轴承在轴向上两最外缘之间的距离所定义总宽度W的1/2处(即W/2的位置)。
[0042] 再者，于此实施例，轴承座300更包含挡墙306，其中挡墙306设置于第一环面302与第二环面304的其中一个环面(例如第一环面302)上且沿轴承径向B朝转轴100延伸。如图3A及图3D所示，挡墙306自第一环面302沿轴承径向B朝环心空间300A一侧延伸，以使得轴承座300于第一环面302的环开口小于在第二环面304的环开口。亦即，轴承座
300于第一环面302的内环直径D1小于在第二环面304的内环直径D2，且轴承200的外径较佳介于两个内环直径D1、D2之间。藉由挡墙306的设计，轴承200自第二环面304侧进入承轴座300并容设于环心空间300A，而无法自第一环面302侧脱离承轴座300。再者，如图2所示，转轴机构10的限位件700固定于转轴100，以配合轴承座300的挡墙306限制轴承200沿轴向A的位移。具体而言，限位件700可为套设于转轴100的C型环，且相对于挡墙306位在轴承座300的第二环面304侧，以将轴承200限制在挡墙306及限位件700之间，进而有效限制轴承200的轴向位移。此外，转轴100对应于限位件700设置的位置可具有卡槽102，以利于作为限位件700的C型环卡固在转轴100上，进一步加强限位件700的限位效果。
[0043] 此外，如图2及图3A所示，轴承座300还具有第一连接部330，自第一环面302沿轴向A突出形成突舌形式的第一连接部330，用以连接转轴机构10的支撑壳500。支撑壳500环绕转轴100，并具有第二连接部530连接轴承座300的第一连接部330，以支撑转轴
100进行转动，也就是说转轴100接受作用力矩时会以容置于支撑壳500内的状态以绕轴向A进行转动。于此实施例，支撑壳500为套筒形式，且其两端具有复数凹槽作为第二连接部530分别对应轴承座300突舌形式的第一连接部330，以连接左右两侧的轴承座300。亦即，轴承座300突舌形式的第一连接部330沿轴向A伸入支撑壳500的凹槽形式的第二连接部530，以使轴承座300连接支撑壳500。此外，第一连接部330及第二连接部530可分别具有对应的螺孔330a、530a，进一步藉由螺丝
锁固轴承座300及支撑壳500。
[0044] 再者，如图2所示，支撑壳500具有容置部510，供设置电路单元900，并藉由壳盖520
覆盖并保护电路单元900，其中电路单元900电性连接自行车装置1的辅助动力源50及应变计400。电路单元900可依据上述应变计400所量测的变形量，来控制辅助动力源
50(显示于图1A)。如图1B及图2所示，容置部510于支撑壳500上具有唇边的开口形式，电路单元900设置于开口位置时由唇边所支撑，壳盖520则覆盖于电路单元900上并较佳与支撑壳500结合成一体形式。电路单元900设置于支撑壳500时，较佳位于转轴100的上方，以减低环境水气累积于电路单元900处。具体而言，相对于转轴100的轴向A，应变计
400及电路单元900的设置位置分别在转轴100的相对的两侧，亦即转轴100的下方及上方。此外，为了使转轴机构10装设于自行车框架20时有较佳的定位，如图3A所示，轴承座
300更具有定位槽340。定位槽340形成于轴承座环体的圆周表面(即外环面)300B且沿轴向A延伸，以作为轴承座300与框架20连接时的定位标记。亦即，装设转轴机构10时，使用者可根据轴承座300的定位槽340位置，轻易地使应变计400位于转轴100的下方，同时使电路单元900位于转轴100的上方。
[0045] 再者，图4A及图4B为本发明另一例示实施例的支撑壳及轴承座的组装前及组装后示意图，其中于图4A中，同时示意地显示轴承200及限位件700与轴承座300的相对位置。如图4A及4B所示，支撑壳500亦可具有延伸定位槽540对应于轴承座300的定位槽340，且转轴机构10还可包含定位栓柱550，插置于轴承座300的定位槽340及支撑壳500的延伸定位槽540之中，以进一步加强定位标记的位置。亦即，当轴承座300与支撑壳500结合时，定位槽340及延伸定位槽540对准成连续定位槽，而定位栓柱550则跨越轴承座
300与支撑壳500之间设置于定位槽340及延伸定位槽540共同组成的连续定位槽中。在此需注意，转轴机构10的定位机制(例如定位槽340、定位栓柱550)可选择性仅形成于单侧的轴承座300，但不以此为限。
[0046] 再者，如图2所示，复数磁环800固定于转轴100，复数个磁环800产生
磁场，这些磁场由检测元件检测，检测元件根据检测到的磁场变化从而量测转轴100的转速及作用力矩的施力方向。具体而言，于此实施例，两个磁环800例如以黏着、
焊接或卡固等方式固定于转轴100，以分别量测转轴100的转速及作用力矩的施力方向。举例而言，量测作用力矩施力方向的磁环800可为仅具有两个磁极区的磁环(例如N极、S极占据各半的环体)，以藉由磁极区的转变来判断为左脚或右脚施加踩踏的作用力矩。量测转轴100转速的磁环800可为具有多个磁极区的磁环(例如环体平均划分成4个磁极区，N极、S极各占据2个磁极区)，以藉由磁极区的转变速度来量测转轴100的转速。
[0047] 此外，如图2所示，转轴机构10的螺纹筒600亦为套筒形式，其套接于轴承座300并用以与自行车框架20的五通管22结合。左右两侧的螺纹筒600的其中之一(例如右侧螺纹筒)的表面具有螺纹，另一侧的螺纹筒600则配合螺纹环602，以使转轴机构10固定于自行车框架20的五通管22中。当作用力矩转动转轴100时，因转轴机构10藉由螺纹筒600与自行车框架20连结，而使轴承座300抵接于自行车框架20，进而可促进作用力矩经由转轴100和轴承200传递，使应变计400量测到轴承座300的径向平面310发生的变形量。电路单元900连接应变计400的信号线420以接收所量测的变形量，进而依据测得的变形量控制辅助动力源50，以向自行车骑士提供辅助动力，从而减轻骑乘负担。
[0048] 此外，应变计400设置于轴承座的位置，可以有不同的变化。图5A至图5C为本发明另一例示实施例的轴承座的不同视角示意图。如图5A至图5C所示，于另一实施例中，轴承座300具有至少一薄化区350邻近径向平面310，其
中轴承座300环体于薄化区350位置的径向厚度T2小于轴承座300环体于径向平面310位置的径向厚度T1。具体而言，邻近径向平面310的部分轴承座300环体朝环心凹陷以形成薄化区350，使得径向平面310所在的环体部分相对薄化区350形成较为突出的平台部360，以供设置应变计400。于此实施例，薄化区350包围平台部360且可具有不同径向厚度的薄化区。举例而言，于轴向A上邻接平台部360的薄化区350’具有较小的径向厚度T3(亦即T3≤T2
[0049] 下面将参考图1A-图5C对本发明的另一实施例进行说明，本实施例的转轴机构具有与上述实施例的转轴机构类似，不同之处在于本实施例的转轴机构还包含右轴承、右轴承座以及右应变计，且本实施例的右轴承、右轴承座以及右应变计与上述实施例的左轴承、左轴承座以及左应变计结构类似，因此，图1A-图5C并未示出右轴承、右轴承座以及右应变计。同时，为方便说明，本实施例中与上述实施例相同的原件仍采用相同标号，如图1A与1B所示，转轴机构10设置于框架20中，转轴机构10包含转轴100、左轴承200、右轴承（未示出，与左轴承200对称设置）、左轴承座300、右轴承座（未示出，与左轴承座300对称设置）、左应变计400以及右应变计（未示出）。转轴100用于接受作用力矩以绕轴向A进行转动；左轴承200套接于转轴100的左半部，右轴承套接于转轴100的右半部，左轴承200与右轴承共同降低转轴100绕轴向A转动时的摩擦阻力；左轴承座300设置于框架20与左轴承
200之间，供容设并支撑左轴承200，左轴承座300具有沿左轴承200径向B的左径向平面
310，左轴承座300外侧抵接于框架20；左应变计400设置于左径向平面310上；右轴承座设置于框架20与右轴承之间，供容设并支撑右轴承，右轴承座具有沿右轴承径向的右径向平面，右轴承座外侧抵接于框架20；右应变计设置于右径向平面上。其中，当作用力矩转动转轴100时，作用力矩经由转轴100、左轴承200以及右轴承传递，使左径向平面310发生左变形量，使右径向平面发生右变形量，左应变计400量测左变形量，右应变计量测右变形。
[0050] 于一具体实施例中，转轴机构10还包含左踏板32与右踏板（未示出，与左踏板20对应设置），左踏板32通过左曲柄30连接于转轴100的左端点，且右踏板通过右曲柄连接于转轴100的右端点上，使用者向下踩踏左踏板32与该右踏板而施加作用力矩，左应变计400和右应变计均设置于转轴100的下方，左应变计400量测使用者向下踩踏左踏板32时所对应发生的左变形量，右应变计量测使用者向下踩踏右踏板时所对应发生的右变形量。
[0051] 进一步地，转轴机构10还可以包含支撑壳500与电路单元900，如图2所示，支撑壳500环绕转轴100并设置于左轴承座300与右轴承座之间，电路单元900设置于支撑壳500中。电路单元900电性连接辅助动力源50，电路单元900依据左应变计400所量测的左变形量及右应变计所量测的右变形量，来控制辅助动力源50。
[0052] 相较于习知技术，本发明的转轴机构藉由轴承座的径向平面上设置应变计，使得应变计设置于轴承座进而直接量测轴承座产生的变形量，以得到更精确的量测。再者，藉由轴承座的走线槽设计，可有效管理信号线路的设置，减少信号线路与其它组件产生干涉的问题，亦无需额外的转介组件。本发明的转轴机构应用于动力装置，可精确量测作用力矩的大小，进而有效控制辅助动力源，以满足使用者需求。
[0053] 本发明已由上述实施例加以描述，然而上述实施例仅为例示目的而非用于限制。本领域人员当知在不背离本发明精神下，于此特别说明的实施例可有例示实施例的其它
修改。因此，本发明范畴亦涵盖此类修改且仅由
权利要求书的范围限制。
