本研究針發展對自行車後花鼓設計方法，在自行車的各種零組件分類中，花鼓是屬於傳動的零件，後輪的花鼓機構組成包括有棘輪離合器與軸承，離合器的功能需擔任動力傳送的耦合(自行車踏板正踩)與分離(自行車踏板反踩)，為增加自行車的靈敏性，正踩與反踩之間的間隔(本文稱為:反應角)度愈小愈佳，首先使用機械設計法針對單向離合器之零件，進行花鼓外殼、塔基和齒的嚙合方式及尺寸設計，定義齒的齒數與塔基內凹槽的數量，並進階設計齒的幾何尺寸參數，反應角度(即後花鼓傳動上的靈敏性)也隨之被定義。
利用材料力學的基礎可以計算花鼓外殼的尺寸與強度關係，從使用者期望達到的最大扭矩，提供設計最佳設計，再利用分析軟體ANSYS進行理論結果的驗證，對離合器進行最大扭矩測試，得知各零件之間失效的負載條件，並確認各種花鼓所能承載的最大扭矩上限，可對分析結論做綜合判斷與選擇方法，讓自行車花鼓總耐受強度更高，且能有效評估降低零件失效的風險，並根據將離合器的設計方式，選擇在合適的離合器相關尺寸，若還有有足夠的設計空間，可再將齒數倍增，此種設計方式不僅可以有效的使用零件空間，並讓齒達到輪替嚙合的效果，除了提升自行車的靈敏性，同時也增加離合器的使用壽命。

The research developed a methodology for the design of the rear hub of bicycle The purpose of the rear hub is to transmit the power from fly wheel to the tire which contains hub, ratchet clutch, and bearing. The function of the clutch provides the power transmission when the clutch is coupling (clockwise pedaling on pedals of bicycle) and separated (counterclockwise pedaling on pedals of bicycle). To increase the sensitivity of the bicycle, the angle between coupling and separation should be smaller.
First, the fundamental methodology of mechanism of the rear hub was established based on the concept of the mechanics. Once the action and reaction of the rear hub was analyzed, the influence of the design parameters such as the number of gears, the dimension of the cavities of clutch, the gears geometrical parameter, and the space of the clutch is then determined. To validate the theoretical the methodology of the analysis of the mechanism, A CAE tool ANSYS was implemented to study the deviation between the theoretical analysis and the simulation results.
This study shows that the dimension of the rear hub mechanism can withstand the torque without failure. In case of the design space is enough, the gear number of the clutch can be doubled. This design method can not only effectively use the clutch space, but also allow the power of gears couple. It can improve the sensitivity of the bicycle, and also increases the using life of the clutch.

摘要................................i
Abstract...........................ii
誌謝...............................iii
目錄...............................iv
表目錄.............................vii
圖目錄............................viii
符號說明...........................xi
第一章 緒論.........................1
1.1 前言............................1
1.2 文獻回顧........................1
1.3 研究動機與目的..................5
1.4 研究流程........................5
1.5論文架構與步驟...................7
第二章 理論基礎.....................8
2.1 離合器介紹......................8
2.2 離合器組成與種類................8
2.3單向離合器(ONE-WAY-CLUTCH)......10
2.3.1定位功能(Indexing)............10
2.3.2過轉速功能(Overrunning).......10
2.3.3止逆功能(Backstopping)........10
2.4棘輪離合器(RACHET CLUTCH).......11
2.4.1自行車後花鼓..................12
2.4.2自行車後花鼓傳動方式...........13
2.5棘輪離合器設計...................13
2.5.1離合器模型.....................13
2.5.2離合器之反應角度...............15
2.5.3反應角度分析流程...............16
2.5.4離合器設計變更說明.............19
2.5.5離合器之設計變數和限制關係.....19
2.6 力學理論基礎...................20
2.6.1力矩公式......................21
2.6.2慣性矩與中性軸.................21
2.6.3彎曲力矩基本原理...............22
2.6.4 Euler-Bernoulli樑理論........26
2.6.5 Timoshenko樑理論.............28
第三章優化與分析方法................32
3.1市售花鼓設計.....................32
3.2離合器傳動位置轉換...............35
3.3材料特性........................36
3.4優化方法........................37
3.4.1 優化目標.....................37
3.4.2設計變數......................38
3.4.3位移函數......................39
3.4.4應力函數......................40
3.4.5研究模型設定...................41
3.5 改變樑結構幾何對其位移之影響.....46
第四章 案例探討與模擬分析結果........49
4.1實驗方法........................49
4.1.1 Ansys / Workbench簡介........49
4.1.2 Ansys / Workbench分析步驟....49
4.2花鼓外殼分析運算與理論結果驗證....51
4.2.1模型建立與材料性質.............51
4.2.2邊界條件及負載設定.............51
4.2.3位移分析與理論對照結果.........52
4.2.4應力分析與理論對照結果.........54
4.3離合器設計流程..................57
4.4離合器受力分析..................58
4.4.1離合器模型建立................58
4.4.2材料性質......................60
4.4.3接觸條件......................60
4.4.4邊界條件及負載設定.............61
4.4.5齒寬設計影響總扭矩分析.........61
4.4.6齒數倍增設計分析...............65
4.5優化與分析......................68
4.5.1三齒三槽各零件分析結果.........70
4.5.2六齒三槽各零件分析結果.........72
4.5.3小結..........................74
第五章 結論與研究建議...............75
5.1結論............................75
5.2研究建議........................76
參考文獻...........................77
Extended Abstract.................79
Abstract..........................79
1.Introduction....................80
2.Fundamantal theory..............80
2.1Ratchet clutch design..........80
2.2Clutch reaction angle and Deflection Angle............81
3.Optimization analysis methods..........................81
3.1Material parameters...................................81
4.Case study and simulation analysis.....................82
4.4Clutch force analysis.................................82
4.5 Optimization and analysis............................82
4.5.1Three gears and three cavities analysis result......83
4.5.2 Six gears and three cavities analysis result.......83
5.Conclusion.............................................84

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