CN102501939B - 传动集成式无手动调速脚踏电动助力自行车 - Google Patents

Abstract

本发明传动集成式无手动调速脚踏电动助力自行车，包括车架、车轮、车把、驱动车轮的脚踏传动机构和电动传动机构以及脚踏力矩传感机构，脚踏力矩传感机构的控制器设于车把上，所述脚踏传动机构包括脚踏中轴、链轮轴以及中轴行星轮减速器，所述电动传动机构包括高速助力电机、链轮轴和电机行星轮减速器，所述链轮轴上的链盘通过链条连接后车轮的飞轮，所述脚踏传动机构、电动传动机构和脚踏力矩传感机构为集中设置成以高速助力电机为主体的中置传动机构，所述车架的三角架和后叉连接在高速助力电机的机壳上。本发明简化了传动机构的结构，使传动机构空间安装位置减小，适合于传统自行车车架上安装，通用性好。

Description

传动集成式无手动调速脚踏电动助力自行车

(一)技术领域：

本发明涉及脚踏电动助力自行车，具体为一种传动集成式无手动调速脚踏电动助力自行车。

(二)背景技术：

自行车的发展经历了脚踏自行车-电动自行车--脚踏电动自行车-电动助力脚踏自行车的过程。作为最新成果的电动助力脚踏自行车实际上是以脚踏为主，而电机作为辅助进行助力式驱动的自行车，这种自行车在无电动助力的情况下进行10km路程骑行时，其速度、体能消耗均与普通自行车完全一样，在电动助力状态下，骑行时，电机仅响应脚踏应力信号予以相应的助力推动，从而降低骑行者的体能消耗。

为防止切割磁力线产生的阻力，现有的电动助力脚踏自行车所用电机，不同于传统大轮毂式电机，而是独立于车轮转轴的高速助力电机，如申请号为200810030374.2的《一种电动助力自行车脚踏力矩传感***》的发明专利，高速助力电机于脚踏中轴后置安装于车架上，高速助力电机与脚踏中轴之间通过同步带传动的脚踏力矩感应机构连接，脚踏力矩感应机构为带有感应器的行星传动机构，感应器感应脚踏的运转力矩大小并将力矩大小信号传送至微电子处理器，通过微电子处理器控制高速助力电机输出与力矩大小相匹配的转动功率。

所述《一种电动助力自行车脚踏力矩传感***》发明专利由于传动机构的分散不集中，从而造成传动机构的复杂性，并且车架结构必须特殊设计以适应高速助力电机的安装位置，造成车架的通用性差，制造成本增加，整车重量大且外形不美观。

(三)发明内容：

本发明的目的是提供一种传动机构更简约、车架结构形式更简单的传动集成式无手动调速脚踏电动助力自行车。

能够实现上述目的的传动集成式无手动调速脚踏电动助力自行车，包括车架、车轮、车把、驱动后车轮的脚踏传动机构和电动传动机构以及检测脚踏传动机构力矩大小进而控制电动传动机构输出功率大小的脚踏力矩传感机构，脚踏力矩传感机构的控制器设于车把上，所述脚踏传动机构包括脚踏中轴、链轮轴以及连接脚踏中轴和链轮轴的减速器，所述电动传动机构包括高速助力电机、链轮轴以及连接高速助力电机输出轴和链轮轴(与脚踏传动机构共用)的减速器，所述链轮轴上的链盘通过链条连接后车轮的飞轮，所不同的是所述脚踏传动机构、电动传动机构和脚踏力矩传感机构为集中设置成以高速助力电机为主体的中置传动机构，所述车架的三角架和后叉连接在高速助力电机的机壳上。

所述中置传动机构中的高速助力电机为中空轴电机，其输出轴为中空轴，所述链轮轴为轴套结构，链轮轴转动置于输出轴内，链轮轴与输出轴之间的减速器为于高速助力电机一侧设置的电机行星轮减速器；脚踏中轴转动置于链轮轴的轴孔内，脚踏中轴与链轮轴之间的减速器为于高速助力电机另一侧设置的中轴行星轮减速器。

所述电机行星轮减速器的一种结构包括电机太阳齿轮、电机行星齿轮、电机行星架和电机行星轮内齿环，所述电机太阳齿轮同轴设于输出轴的输出端，所述电机行星齿轮均布啮合于电机太阳齿轮与电机行星轮内齿环之间，所述电机行星架通过电机超越离合器连接链轮轴；所述中轴行星轮减速器的一种结构包括中轴太阳齿轮、中轴行星齿轮、中轴行星架和中轴行星轮内齿环，所述中轴行星架通过中轴超越离合器连接脚踏中轴，中轴行星齿轮均布啮合于中轴太阳齿轮与中轴行星轮内齿环之间，中轴太阳齿轮同轴与链轮轴固连。

所述高速助力电机的输出轴输出端为齿轮式，也是电机行星变速器中的电机太阳齿轮，输出轴旋转时，驱动电机行星轮减速器，经减速后的电机行星架以低速旋转，电机行星架通过电机超越离合器驱动链轮轴，与链轮轴同轴紧配的链盘被同时驱动旋转，旋转的链轮通过链条驱动后车轮使车辆前行。

由于链轮轴与脚踏中轴之间设置有中轴超越离合器，在链盘旋转时与脚踏中轴处于相互不干涉状态，当链盘受到后车轮负载应力时，即通过电机超越离合器传回链轮轴，链轮轴通过中轴行星轮减速器传递至中轴超越离合器，中轴超越离合器与脚踏中轴是单向离合联动的，只要脚踏中轴接受到的外加应力能克服链盘受到后车轮产生的阻力，车辆就往前行驶。

所述脚踏力矩感应机构的一种结构包括传感转动盘、摆动臂、传感器和控制器，带复位弹簧的传感转动盘与中轴行星轮内齿环同轴设置，经设置使中轴行星轮内齿环的圆周具有小于15度的转动量，且其外环圆周上均布开设有局部传动齿，摆动臂围绕传感转动盘均布设置，各局部传动齿与各摆动臂的摆轴轴齿对应且啮合，各摆动臂的扇形齿与传感转动盘的齿盘啮合，控制器连接感应传感转动盘转动量的传感器与高速助力电机。

在骑行时，中轴行星轮内齿环受力转动，局部传动齿即同步转动，局部传动齿驱动摆动臂摆动，摆动臂的扇形齿摆动量得到倍数放大，摆动臂的扇形齿驱动齿盘使传感转动盘克服复位弹簧的扭力转动，传感转动盘被放大的转动量被传感器扑捉，从而实现了传感器对骑行时所产生的线性力矩信号进行实时采集，并保证采集的精准度。

在骑行状态下，高速助力电机的工作状态信号是由脚踏力矩感应机构通过控制器(微电子处理器)发出，控制器的传感电频信号动势，来源与脚踏中轴相互联动的中轴超越离合器信号采集机构，而始发的应力信号线性动态量程取决于骑行者对自行车脚踏施力的大小。在只用体能骑行无需电动助力时，由于在高速助力电机输出轴与链轮轴之间设置有电机超越离合器，由脚踏中轴传递的扭矩被电机超越离合器所分离，高速助力电机完全处于静止状态，避免了带动电机转子旋转产生的阻力，使车辆骑行轻松自如。

传感转动盘的复位弹簧的弹性应力可调整，不同的弹性应力值可使脚踏骑行时助力电机的施力比产生线性变化，真正实现骑行电动助力车时人机一体化的骑行模式。

所述传感器的一种形式包括感应体和感应头，感应体设于传感转动盘上开设的弧形槽两端，感应头设于弧形槽内。

本发明的优点：

1、本发明传动集成式无手动调速脚踏电动助力自行车由于其脚踏传动、电机传动***和力矩感应***集成配置在自行车脚踏中轴部位，并以中置传动机构的形式出现，因而简化了传动机构的结构，使传动机构空间安装位置减小，减轻了整车重量，适合于传统自行车的车架上安装，通用性能好。

2、本发明传动***结构简练、性能优异可靠，工艺性良好，电助力***与体能驱车有机联动但又互不干涉，有着极高的传动效率。

3、本发明脚踏力矩传感机构完全不同于现有技术方式，采用摆动臂围绕电机轴心均布设置，并与中轴行星轮内齿环外园应力点形成连动，使脚踏与力矩传感器线性信号采集点的机械动势倍率实现几何级数放大，传感器信号精准平稳，为电机控制处理终端提供了精确的力矩变量信号。

4、本发明在实地公路测试结果表明：使用一只24V/8Ah的电池可助力骑行75～90Km，在30Km无助力状态的条件下与普通脚踏自行车进行比较性骑行时(住返换骑)，车速及体能消耗等关键指标结果与普通自行车毫无差异，这是一般的电动助力车很难达到的。

(四)附图说明：

图1为本发明中中置传动机构的立体结构示意图。

图2为图1的内部结构示意图。

图3为图1中脚踏力矩感应机构的局部立体结构图。

图4为图1中脚踏力矩感应机构的局部立体结构图(从另一视觉角度)。

图5为图3、图4中传感转动盘和感应器的位置图。

图号标识：1、感应头；2、感应体；3、摆动臂；4、传感转动盘；5、脚踏中轴；6、链轮轴；7、高速助力电机；8、中置传动机构；9、输出轴；10、电机太阳齿轮；11、电机行星齿轮；12、电机行星架；13、电机行星轮内齿环；14、中轴太阳齿轮；15、中轴行星齿轮；16、中轴行星架；17、中轴行星轮内齿环。

(五)具体实施方式：

现结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：

本发明传动集成式无手动调速脚踏电动助力自行车如同传统无手动调速脚踏电动助力自行车一样包括车架、支撑车架的(前、后)车轮、转动前车轮的车把、驱动后车轮的脚踏传动机构和电动传动机构以及脚踏力矩传感机构(检测脚踏传动机构的力矩大小进而控制电动传动机构输出功率大小)，脚踏力矩传感机构的控制器设于车把上，所述脚踏传动机构包括脚踏中轴5、链轮轴6以及连接脚踏中轴5和链轮轴6的减速器，所述电动传动机构包括高速助力电机7、链轮轴6(与脚踏传动机构共用)以及连接高速助力电机输出轴9和链轮轴6的减速器，所述链轮轴6上的链盘通过链条连接后车轮的飞轮，本发明与之不同的是所述脚踏传动机构、电动传动机构和脚踏力矩传感机构为集中设置成以高速助力电机7为主体的中置传动机构8，所述高速助力电机7的输出轴9为中空轴，所述链轮轴6为轴套结构，所述车架的三角架和后叉连接在高速助力电机7的机壳上，如图1所示。

所述电机传动机构的减速器为电机行星轮减速器，链轮轴6通过轴承安装于输出轴9内，伸出输出轴9输出端的链轮轴6端部为链盘安装位置，所述电机行星轮减速器设于输出轴9与链轮轴6之间，电机行星轮减速器包括电机太阳齿轮10、电机行星齿轮11、电机行星架12和电机行星轮内齿环13，电机行星轮内齿环13卡嵌于高速助力电机7侧面壳架内，电机太阳齿轮10同轴固连于输出轴9输出端，三个电机行星齿轮11均布啮合于电机太阳齿轮10与电机行星轮内齿环13之间，电机行星齿轮11的安装支架即电机行星架12通过电机超越离合器与链轮轴6安装连接，如图1、图2所示。

所述脚踏传动机构的减速器为中轴行星轮减速器，脚踏中轴5通过轴承贯穿安装于链轮轴6的轴套内，中轴行星轮减速器设于高速助力电机7另一侧，中轴行星轮减速器主要由中轴太阳齿轮14、中轴行星齿轮15、中轴行星架16和中轴行星轮内齿环17构成，中轴行星齿轮15的安装支架即中轴行星架16通过中轴超越离合器连接脚踏中轴5，三个中轴行星齿轮15均布啮合于中轴太阳齿轮14与中轴行星轮内齿环17之间，中轴行星轮内齿环17通过卡槽卡嵌于高速助力电机7侧面壳架的卡口内，卡槽圆周长度大于卡口，保证中轴行星轮内齿环17在圆周上有小于15度的转动量，如图1、图2、图3所示。

所述脚踏力矩感应机构包括传感转动盘4、扇形摆动臂3、传感器和控制器，所述传感转动盘4于中轴行星轮内齿环17外侧同轴设置，所述摆动臂3在传感转动盘4的圆周方向均布三个，摆动臂3的转轴位对应着中轴行星轮内齿环17外环面上开设的内凹局部传动齿，各局部传动齿与对应的摆动臂3摆轴轴齿啮合，各摆动臂3的扇面齿与传感转动盘4的齿盘啮合，所述传感转动盘4具有由复位弹簧控制的回位功能；所述传感器为相互作用的感应体2和感应头1，传感转动盘4上开设有一段同圆心弧形槽，感应体2设于弧形槽两头，感应头1通过支架设于弧形槽内中间位置，所述控制器通过线路连接在传感器与高速助力电机7之间，如图3、图4、图5所示。

本发明的骑行过程：

1、只用脚踏骑行。

关闭控制器，切断高速助力电机7的控制线路。脚踩脚踏使脚踏中轴5转动，通过中轴行星轮减速器驱动链轮轴6转动，链轮轴6上的链盘通过链条带动后车轮转动使车辆前行。骑形过程中，高速助力电机7处于静止状态，避免了带动电机转子旋转产生的阻力，车辆骑行轻松自如。

2、需要助力骑行。

开启控制器，接通高速助力电机7的控制线路。脚踩脚踏使脚踏中轴5转动，通过中轴行星轮减速器驱动链轮轴6转动，链轮轴6上的链盘通过链条带动后车轮转动使车辆前行。与此同时，中轴行星轮减速器的中轴行星轮内齿环17产生周向位移，摆动臂3摆动，带动传感转动盘4转动，感应体2和感应头1之间的距离发生改变而产生电信号，电信号经控制器处理后，向高速助力电机7发出指令，高速助力电机7的输出轴9转动，输出轴9通过电机行星轮减速器驱动链轮轴6，高速助力电机7的助力转矩与脚踏中轴5的转矩叠加于链轮轴6上，从而使链轮轴6获取更大的转矩，车辆得以快速骑形。

高速助力电机7的助力转矩大小由脚踏中轴5的施力大小决定，慢速踩动脚踏中轴5，感应体2和感应头1之间的感应距离较小，高速助力电机7送出的助力转矩则小一些，提高踩动脚踏中轴5的速度，感应体2和感应头1之间的感应距离增大，高速助力电机7送出的助力转矩则增加。脚踏中轴5的施力逐渐减小过程中，由于复位弹簧的作用，传感转动盘4与中轴行星轮内齿环17同时回位，感应体2和感应头1之间的感应距离减小，高速助力电机7送出的助力转矩随之减小。

所述复位弹簧的弹性应力可调整，不同的弹性应力值可使脚踏骑行时助力电机的施力比产生线性变化。

Claims (3)

1.传动集成式无手动调速脚踏电动助力自行车，包括车架、车轮、车把、驱动车轮的脚踏传动机构和电动传动机构以及检测脚踏传动机构的力矩大小进而控制电动传动机构输出功率大小的脚踏力矩传感机构，脚踏力矩传感机构的控制器设于车把上，所述脚踏传动机构包括脚踏中轴（5）、链轮轴（6）以及连接脚踏中轴（5）和链轮轴（6）的减速器，所述电动传动机构包括高速助力电机（7）、链轮轴（6）以及连接高速助力电机（7）输出轴（9）和链轮轴（6）的减速器，所述链轮轴（6）上的链盘通过链条连接后车轮的飞轮，其特征在于：所述脚踏传动机构、电动传动机构和脚踏力矩传感机构为集中设置成以高速助力电机（7）为主体的中置传动机构（8），所述车架的三角架和后叉连接在高速助力电机（7）的机壳上；所述中置传动机构（8）中，高速助力电机（7）为中空轴电机，其输出轴（9）为中空轴，链轮轴（6）为轴套结构，链轮轴（6）转动置于输出轴（9）内，链轮轴（6）与输出轴（9）之间的减速器为于高速助力电机（7）一侧设置的电机行星轮减速器；脚踏中轴（5）转动置于链轮轴（6）的轴孔内，脚踏中轴（5）与链轮轴（6）之间的减速器为于高速助力电机（7）另一侧设置的中轴行星轮减速器；所述脚踏力矩感应机构包括传感转动盘（4）、摆动臂（3）、传感器和控制器，带复位弹簧的传感转动盘（4）与中轴行星轮内齿环（17）同轴设置，中轴行星轮内齿环（17）的圆周具有小于15度的转动量，且其外环圆周上均布开设有局部传动齿，摆动臂（3）围绕传感转动盘（4）均布设置，各局部传动齿与各摆动臂（3）的摆轴轴齿对应且啮合，各摆动臂（3）的扇形齿与传感转动盘（4）的齿盘啮合，控制器连接感应传感转动盘（4）转动量的传感器与高速助力电机（7）。

2.根据权利要求1所述的传动集成式无手动调速脚踏电动助力自行车，其特征在于：所述电机行星轮减速器包括电机太阳齿轮（10）、电机行星齿轮（11）、电机行星架（12）和电机行星轮内齿环（13），所述电机太阳齿轮（10）同轴设于输出轴（9）的输出端，所述电机行星齿轮（11）均布啮合于电机太阳齿轮（10）与电机行星轮内齿环（13）之间，所述电机行星架（12）通过电机超越离合器连接链轮轴（6）；所述中轴行星轮减速器包括中轴太阳齿轮（14）、中轴行星齿轮（15）、中轴行星架（16）和中轴行星轮内齿环（17），所述中轴行星架（16）通过中轴超越离合器连接脚踏中轴（5），中轴行星齿轮（15）均布啮合于中轴太阳齿轮（14）与中轴行星轮内齿环（17）之间，中轴太阳齿轮（14）同轴与链轮轴（6）固连。

3.根据权利要求1或2所述的传动集成式无手动调速脚踏电动助力自行车，其特征在于：所述传感器包括感应体（2）和感应头（1），感应体（2）设于传感转动盘（4）上开设的弧形槽两端，感应头（1）设于弧形槽内。

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