探討UBike內變速

 

除了少數淑女車與特殊車外，現代的自行車再怎麼陽春都有變速機構，讓騎車可以因應環境與騎車者的狀態而更有彈性。

目前主流的變速機構稱為平行四邊形變速機構，另一種為常見於都市通勤車輛，整合於花轂內部的內變速機構，對比之下通常將前者稱為外變速。每一種變速機構都有其優缺點，內變速的優點是不需要維修，讓車輛更簡潔，可以在靜止狀態變換速度等。

內變速[1]

作為城市進步表徵的公共自行車系統，台灣最普遍的為Ubike。從最早的1.0，到目前逐漸成為主流的2.0版，以及正在試辦的電動輔助版等。其簡潔明亮注重使用者體驗的設計，逐漸成為人們在都會區中主要的短程移動工具。其簡潔外觀某一部份拜使用內變速機構所賜，少了粗曠陽剛的外變速機構，讓其更融入都市風格。

整合內變速機構的後輪花轂明顯比一般的花轂胖不少，這是它最鮮明的外觀。內變速機構如何達到變速的目的？答案是使用齒輪！其實大多數的變速機構都是透過齒輪之間比數的變化，而達到變速的目的，最常見的就是使用內燃機引擎的機動車輛所使用的變速箱，例如汽車或機車的變速箱。要將變速機構塞進體積不大的花轂內，要選擇適當的齒輪系統與變換裝置。

根據可以取得的資料得知，第一個以安裝於花轂內的行星齒輪機構進行變速的專利，是由美國印第安那州的機械技師Seward Thomas Johnson於1895年取得，該變速機構只有二速而且沒有成功商業化[1]。

於2000年賣給台灣的Sun Race公司更名為Sun Race Sturmey-Archer的Sturmey-Archer公司，成立於1902年，則於1903年開始生產三速的行星齒輪內變速器，Ubike使用的內變速便是這種三速結構。之後出現5, 8, 12速等內變速形式。

去掉齒環的內變器[3]

當代自行車主流變速機構的名稱Dérailleur為法文，原文的意思代表火車出軌。集自行車旅行家，作家，與自行車推廣者於一身的法國人 Paul de Vivie，發明二速的後變速機構，在阿爾卑斯山探險過程中使用，並於1905年以Vélocio為名取得專利[2]。

所以論起源，從專利的角度來看內變速早於外變速。

內變速系統的主要機構是行星齒輪（Epicyclic Gearing）。它有一或多個稱為行星齒輪的齒輪，繞著中間稱為太陽齒輪的齒輪旋轉，因為像行星繞著太陽公轉般，因而得名。行星齒輪機構由三個組件構成

• 太陽齒輪(Sun gear)：位於內層。
• 行星齒輪(Planet gear)：位於中層，一般為四個安裝在套筒狀的行星籠(Planet cage)上頭
• 齒環(Gear ring)：位於外層

內、中、外層的齒輪互相嚙合。

行星齒輪[3]

行星齒輪的運作有些複雜，以自行車內變速的應用而言，它的基本運作可以簡化如下：

兩個齒數不等的兩個齒輪(假設齒數分別為30跟40齒)互相嚙合。

假設用手轉動小齒輪帶動大齒輪旋轉，那麼小齒輪轉一圈，大齒輪尚未轉一圈，根據齒數比，小齒輪轉四圈大齒輪才轉三圈。相對於小齒輪的轉速，大齒輪為減速，減速比為3/4=0.75。

反過來，手轉動大齒輪帶動小齒輪旋轉，那麼大齒輪轉一圈，小齒輪旋轉超過一圈，根據齒數比，大齒輪轉三圈小齒輪則轉四圈。相對於大齒輪的轉速，小齒輪為加速，加速比為3/4=1.33。

改變大小齒輪的主動與從動地位，可實現改變速度的目標。就自行車結構而言，飛輪處於主動地位，花轂則是被動地位。假設再加上離合器與其他機構，讓鍊條帶動的飛輪跟連接車輪的花轂，可以接上大齒輪或小齒輪，就達到變速的目的。將飛輪跟花轂帶入上述敘述中，變成：

飛輪連接小齒輪，花鼓連接大齒輪，鍊條帶動飛輪旋轉小齒輪，因而轉動大齒輪，也讓與之連接的花轂旋轉。飛輪輪轉四圈花轂才轉三圈。相對於飛輪的轉速，花轂為減速，減速比為3/4=0.75。

飛輪連接大齒輪，花鼓連接小齒輪，鍊條帶動飛輪旋轉大齒輪，因而轉動小齒輪，也讓與之連接的花轂旋轉。飛輪輪轉三圈花轂則轉四圈。相對於飛輪的轉速，花轂為加速，加速比為3/4=1.33。

文字敘述是否覺得有些繞舌與頭暈，用動畫演示較容易了解。

將上述敘述歸納如下：

• 低速(#1)：飛輪連接齒環、花轂連接行星籠
• 中速(#2)：飛輪與花轂直接耦合
• 高速(#3)：飛輪連接行星籠、花轂連接齒環

安裝於把手上的變速撥桿可以改變離合器的位置，使得元件間產生上述的對應關係，至於離合器內部如何運作，有興趣者可以參考所提供的資料。

Sturmey Archer製作一部介紹內變速行星齒輪機構的動畫，很詳細的說明動作原理。

資料來源[4]

根據實際觀察，UBike 2.0大盤跟飛輪分別為38T與21T。

Shimano官方網站取得整合剎車機構的三速內變速裝置的規格如下[5]：

齒速比：由1~3分別為：0.733, 1, 1.364，全程齒速比為1.86

齒速比結合大盤與飛輪的齒比，整體變速比為：

齒速比：由1~3分別為：1.326, 1.81, 2.47

變速器撥桿

離合器位置窗

內變速花轂

上述為Ubike內變速的簡易研究心得。電機資訊專業背景外加機械實務經驗，探究過程中或許有些想當然耳的內容被略過，或是認知有誤，請包涵將就參考吧!

參考資料

1.  https://en.wikipedia.org/wiki/Hub_gear
2.  https://en.wikipedia.org/wiki/Derailleur
3.  https://en.wikipedia.org/wiki/Epicyclic_gearing
4. Sturmey Archer Epicyclic gearing. https://www.youtube.com/watch?v=K3QJTTcDXJo
5. 4. SG-3C41 https://bike.shimano.com/en-US/product/component/nexus-inter3/SG-3C41.html