CN101438082B - 踏板车变速装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于自动调节机动车辆中无级变速传动装置(CVT)的***与方法。车辆中的微处理器处理器从多个传感器接收关于车辆工作状态的数据。车辆数据的例子包括车辆速度、电动机速度、油门位置、电池的电流消耗及电池电平。伺服电动机与CVT机械联系并提供调节CVT的轴向力。微处理器使用车辆数据最佳设置点的查找表来指示伺服电动机根据由传感器所提供的车辆数据调节CVT的传动比。

Description

踏板车变速装置
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2006年3月14日提交的美国临时专利申请No.60/783,108的权益和优先权，该申请的技术公开内容在此引入作为参考。
技术领域
本发明总体上涉及无级变速传动装置(CVT)，具体而言涉及用于对CVT提供自动调节的***与方法。
背景技术
传动装置是将输入扭矩转换成输出扭矩的任何机械联动装置。它通常涉及一系列具有不同直径的齿轮，允许处于第一旋转速率的第一齿轮链接到以第二速率旋转的第二齿轮。传动装置最普通的应用是在车辆中。例如，汽车可以有自动传动装置或者手动传动装置。自行车有将脚踏板链接到后轮轮觳(hub)的的简单传动装置。
传动装置允许将输入的力转换成更有用和适当的输出。但是，通过使用齿轮和联动装置，一般的传动装置可能只有4或5个可用比率。例如，汽车中的四速自动传动装置只有4组输出齿轮耦合到引擎的输入。十速自行车只有十个输入输出比。对于传动装置，存在不受齿轮个数限制的需求。另外，将大量齿轮放到传动装置中会增加其成本、重量和空间需求。
无级变速传动装置(CVT)是消除了对特定个数齿轮需求的传动装置。相反，它允许几乎无限个数的输入输出比。因为它允许在最佳输入(即，引擎的每分钟转数(rpm))实现输出(即，车辆的速度)，所以这是有利的。例如，引擎可能在1800转/分钟最有效。换句话说，引擎的峰值扭矩输出可以在引擎的这个每分钟转数实现，或者可能有最高的燃料经济性。因此，运行在经济模式或功率模式的指定RPM是理想的。然而，在第三档，汽车可能以1800rpm前进，比司机期望得要快。无级变速传动装置将允许实现中间比，其允许最佳输入实现期望输出。
CVT传动装置具有用于比率的无级调节的变速器(variator)。惯用的结构是具有两对有斜面滑轮(beveled pulley)的皮带传动变速器，并旋转其中的扭矩传动器元件，例如推链接的带子或链条。有斜面的滑轮按照次序加载来自传动装置油泵的压力，一方面启动比率调节，另一方面确保施加到皮带传动元件上的扭矩传动所需的触点压力。另一种有用的结构是半环面或全环面设计中的旋转斜盘(swash plate)变速器。
CVT的例子由转让给加州圣地亚哥的Fallbrook technologies的美国专利No.6,419,608和No.7,011,600示例，这两个申请的内容在此引入作为参考。在这两个申请的每一个当中，杆的轴向运动或轴向力的施加(如在每个参考文献中由标号11所指示的)都用于改变这种传动装置的输入输出比。
图1是描述例如踏板车的轻型电动车辆中的手动控制CVT或变速器工作的现有技术示意性表示。如图1所示，手动的推按钮控制箱101具有对应于发送到微处理器112的0％102、25％103、50％104、75％105和100％106信号输出108的按钮。该微处理器的输出可以显示在显示器150上面。微处理器112与电动机控制板114连接，其中电动机控制板114接收来自电池组118的功率。
伺服电动机120啮合90度的齿轮箱(gearbox)122，其中齿轮箱122向与后轮134接触的变速器(CVT)132提供轴向力130。后轮134是由连接到驱动电动机140(例如，Briggs&Stratton ETEK)的链条136或其它等效装置来提供动力的。
驱动电动机140的速度是由电动机控制设备144所发送的电流调节的。电动机控制设备144是由油门(throttle)146调节并由电池118提供动力的。
尽管电动车辆的用户可以利用推动按钮控制手动切换齿轮，但具有自动切换传动装置来允许电动踏板车以功率模式或经济模式工作是理想的。因此，存在基于一个或多个输入变量自动调节输入输出比的需求。
发明内容
本发明提供了用于自动调节例如电池供电踏板车的机动车辆中无级变速传动装置(CVT)的***与方法。车辆中的微处理器处理器从多个传感器接收关于车辆工作状态的数据。车辆数据的例子包括车辆速度、电动机速度、油门位置、电池的电流消耗(current draw)、电池电平、CVT设置、电动机控制设备的控制设置、风向、风速及轮胎气压。伺服电动机与CVT机械联系并提供用于调节CVT的轴向力。微处理器使用车辆数据最佳设置点的查找表来指示伺服电动机以根据由传感器提供的车辆数据调节CVT的传动比。
附图说明
相信是本发明特有的新特征在所附权利要求中阐述。但是，本发明本身及其优选使用模式、其进一步的目标与优点将通过参考以下对说明性实施方式的具体描述并联系附图而得到最好的理解，其中：
图1是描述在轻型电动车辆中手动控制变速器(variator)工作的现有技术示意性表示；
图2是描述根据本发明一种实施方式在轻型电动车辆中自动控制变速器工作的示意性表示；
图3A是根据本发明一种实施方式的变速装置(shifter)的自动工作的示意性表示；
图3B是根据本发明一种实施方式的90°齿轮箱的示意性表示；
图4A是根据本发明一种可选实施方式的线性致动器的示意图表式；
图4B是根据本发明一种可选实施方式安装在后轮上的伺服电动机的示意性表示；
图4C是根据本发明另一种实施方式的可选伺服电动机设计的示意性表示；及
图4D是根据本发明另一种可选实施方式与包含变速器的轮觳联系(communication)的伺服电动机的示意性表示。
具体实施方式
图2是描述根据本发明一种实施方式在轻型电动车辆中自动控制变速器工作的示意性表示。不象图1中所显示的那样利用推动按钮控制箱101来手动控制CVT的传动比，本发明使用一个或多个自动生成的变量来自动调节变速器(CVT)。
从电动机控制设备144消耗的电流量，如由传感器244所提供的，包括可以用作微处理器112输入信号的自动生成变量。可以使用例如可以从位于格兰茨帕斯的Altrax、OR获得的电动机控制器。电动机电流消耗是油门位置和车辆状态的函数。例如：
·0mph的全油门＝全电流消耗
·下山时350mph的全油门＝低电流消耗
另一提供给微处理器112的自动生成变量是踏板车的速度，这是由安装在前轮136上的速度传感器236提供的。在优选实施方式中，多个磁体(例如，16个)安装在前轮136轮缘的周围。所有的磁体磁极都以相同的方向布置。前轮传感器236安装在从轮轴开始的托架中并用电线连接到微处理器112中。当磁体经过传感器236时，微处理器112计数一个脉冲。给定时间段内脉冲的个数就表示车轮的速度，这用于推断车辆的速度。这个输入用在设置变速器132中比率的最佳切换的计算中。
由传感器240提供的电动机速度数据是可以馈送到微处理器112的另一自动变量。电动机速度传感器240以与前轮传感器236相同的原理工作。由传感器240提供的信号给出了电动机RPM值，这个值可以用于利用以下计算验证传动比：
电动机RPM/固定齿轮减速/变速器齿轮减速
变速器齿轮减速是从前轮速度传感器236得来的，而且可以用于对照控制***的“设置比率”确认车辆速度或传动比。
自动生成变量的其它例子包括，但不限于：
·油门位置
·电池的电流消耗
·变速器设置
·电池电平
·电动机控制设备的控制设置(例如，线性的或者s曲线形的)
·风向
·风速
·轮胎气压
外部数据也可以通过蓝牙天线260提供给微处理器。
旋转油门146向电动机控制器144提供来自骑车人的输入信号。基于油门146旋转的量，它向主电动机控制器144增加阻力(resistance)值，主电动机控制器144又将这个阻力值转换成提供给驱动电动机140的电压和电流。在优选实施方式中，油门分级成0-5k阻力。
图3A是根据本发明一种实施方式的变速装置的自动工作的示意性表示。在一种实施方式中，微处理器112包括可以从位于加州罗克琳的Parallax Inc.获得的基本贴片板(basic stamp board)。微处理器112可以编程成生成提供用于变量输入的优化设置点的查找表(以上所述)，以获得踏板车***的最优性能或者最佳效率。
在图3A所述的例子中，微处理器112从前轮速度传感器236和电流消耗传感器244接收数据。然后，微处理器112将信号输出到伺服电动机120，伺服电动机120又向变速器332提供轴向力，以最小化电流消耗244或者耗用功率的最佳方式切换，从而提供最佳效率。数据采样速度和伺服调节速度被调节成最小化***上将以别的方式消除效率增益的耗用功率。
如图2所示，微处理器输出可以在显示器150上显示。这是输入和输出的“板上”显示，其允许用户在测试阶段验证设置和测量结果。显示读出的例子包括：
·车轮计数
·电流安培数
·(电动机的电流传感器中的)电压
·电动机RPM
·车轮RPM
·每小时英里数(MPH)
图3B是根据本发明一种实施方式的90°齿轮箱的示意性表示。齿轮箱322包括利用螺栓310安装到踏板车框架(未示出)中的伺服电机320。耦合器323位于带螺纹的(蜗)杆轴324和伺服电机320之间。当带螺纹的杆轴324旋转时，车轮326如标号328所描述的那样旋转，使得切换杆轴(shift shaft)330旋转。切换杆轴330的这种旋转被转换成轴向力。
90°齿轮箱设置用于提供力学优点(即，36:1)并减少踏板车侧面突起的个数。
当***启动时，伺服电动机320朝终点(home)的方向驱动，直到切换杆轴330和终点传感器(home sensor)250(在图2中示出)取得联系。伺服电动机停止，微处理器112在内部电子器件中设置终点位置、登记电压、转数和旋转方向。响应来自传感器的输入，基于最后已知的伺服位置，在当前位置和“呼叫”位置之间进行比较。然后，微处理器112驱动伺服电动机320到达“呼叫”位置。
图4A是根据本发明一种可选实施方式的线性致动器的简化示意性表示。这种实施方式使用齿条-齿轮设置并可以安装到踏板车内部。带螺纹杆轴424的末端416适于在第一齿形部件412和第二齿形部件414之间耦合。当伺服电动机旋转杆轴末端416时，第一齿形部件412被轴向驱动，由此向与齿形部件412和变速器(未示出)联系的部件410提供轴向力。
图4B是根据本发明一种可选实施方式安装在后轮上的伺服电动机的示意性表示。伺服电动机420连接到具有带螺纹部分424的杆轴430，其中带螺纹部分424适于与带螺纹的变速器杆轴(未示出)耦合。内部带螺纹部分424为变速器杆轴留出了拉入和拉出的空间。伺服电动机420转动杆轴430，由此使得带螺纹部分424将变速器杆轴移入或移出，从而调节变速器。
图4C是根据本发明另一种实施方式的可选伺服电动机设计的示意性表示。就象在图4B中所描述的实施方式，这种实施方式中的伺服电动机420也安装到踏板车的后轮。但是，在这种实施方式中，伺服电动机420连接到具有花键部分425的杆轴430，其中花键部分425适于与变速器杆轴(未示出)耦合。伺服电动机420转动花键杆轴430，由此产生关于变速器杆轴的轴向力，从而调节变速器。
图4D是根据本发明另一种可选实施方式与包含变速器的轮觳联系的伺服电动机的示意性表示。在这种实施方式中，包含变速器的轮觳1102安装在踏板车(未示出)的后轮，而伺服电动机安装在踏板车中。后轮觳1102包括具有轴向力的外罩，该外罩圈住并保护耦合到线缆1012和1014的滑轮***。这些线缆1012、1014又连接到伺服电动机420，伺服电动机420交替推动线缆1012或线缆1014，以便调节轮觳1102中的变速器。
给出本发明的描述是为了说明和描述，它不意图是穷尽的或者要将本发明限定到所公开的形式。许多修改和变更对本领域普通技术人员是显然的。实施方式的选择和描述是为了最好地解释本发明的原理、实际应用，并使得本领域其他普通技术人员能够对具有适于所期望特定用途的各种修改的各种实施方式理解本发明。

Claims (18)

1.一种用于自动调节机动车辆中无级变速传送装置(CVT)的***，该***包括：
(a)微处理器；
(b)多个传感器，向所述微处理器提供关于车辆工作状态的数据；及
(c)与CVT机械联系的伺服电动机，其中该伺服电动机提供调节CVT的轴向力；
(d)其中微处理器生成车辆数据最佳设置点的查找表来指示所述伺服电动机以根据由所述传感器提供的车辆数据调节CVT的传动比，
其中由所述传感器提供给微处理器的车辆数据包括以下至少一个：
(a)车辆速度；
(b)电动机速度；
(c)油门位置；
(d)电池的电流消耗；
(e)电池电平；
(f)CVT设置；
(g)电动机控制设备的控制设置；
(h)风向；
(i)风速；及
(j)轮胎气压。
2.如权利要求1所述的***，其中利用提供车辆数据输入的最佳设置点的查找表对微处理器编程以获得最优车辆性能。
3.如权利要求1所述的***，其中利用提供车辆数据输入的最佳设置点的查找表对微处理器编程以获得车辆的最佳效率。
4.如权利要求1所述的***，还包括90°齿轮箱，该齿轮箱提供伺服电动机与CVT之间的机械联系。
5.如权利要求1所述的***，还包括齿条-齿轮类型的线性致动器，该致动器提供伺服电动机与CVT之间的机械联系。
6.如权利要求1所述的***，其中伺服电动机安装到车辆的车轮上，与CVT相邻。
7.如权利要求1所述的***，还包括在伺服电动机和CVT之间提供机械联系的滑轮***和线缆。
8.如权利要求1所述的***，还包括输入和输出的视觉显示，使得用户能够验证设置和测量结果，其中显示读出包括以下至少一个：
(a)车轮计数；
(b)电流安培数；
(c)电动机电流传感器中的电压；
(d)电动机RPM；
(e)车轮RPM；及
(f)MPH。
9.如权利要求1所述的***，其中机动车辆是电池供电的踏板车。
10.一种用于自动调节机动车辆中无级变速传动装置(CVT)的方法，该方法包括步骤：
(a)编程车辆中的微处理器以生成车辆数据最佳设置点的查找表；
(b)从多个传感器向所述微处理器提供关于车辆工作状态的数据；及
(c)从所述微处理器将指令发送到与CVT机械联系的伺服电动机，以便根据由所述传感器提供的车辆数据调节CVT的传动比，
其中由所述传感器提供给微处理器的车辆数据包括以下至少一个：
(a)车辆速度；
(b)电动机速度；
(c)油门位置；
(d)电池的电流消耗；
(e)电池电平；
(f)CVT设置；
(g)电动机控制设备的控制设置；
(h)风向；
(i)风速；及
(j)轮胎气压。
11.如权利要求10所述的方法，其中利用提供车辆数据输入的最佳设置点的查找表对微处理器编程以获得最优车辆性能。
12.如权利要求10所述的方法，其中利用提供车辆数据输入的最佳设置点的查找表对微处理器编程以获得车辆的最佳效率。
13.如权利要求10所述的方法，还包括利用90°齿轮箱在伺服电动机与CVT之间提供机械联系。
14.如权利要求10所述的方法，还包括利用齿条-齿轮类型的线性致动器在伺服电动机与CVT之间提供机械联系。
15.如权利要求10所述的方法，还包括将伺服电动机安装到车辆的车轮上，与CVT相邻。
16.如权利要求10所述的方法，还包括利用滑轮***和线缆在伺服电动机和CVT之间提供机械联系。
17.如权利要求10所述的方法，还包括视觉显示输入和输出，使得用户可以验证设置和测量结果，其中显示读出包括以下至少一个：
(a)车轮计数；
(b)电流安培数；
(c)电动机电流传感器中的电压；
(d)电动机RPM；
(e)车轮的RPM；及
(f)MPH。
18.如权利要求10所述的方法，其中机动车辆是电池供电的踏板车。
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