CN103770900A - 包括可变传动比传动***的轮毂 - Google Patents

Abstract

一种轮毂，包括轮毂件，该轮毂件安装为绕其轴旋转并且轮毂件内置有传动***，该传动***具有安装为绕轴旋转的输入和连接为与轮毂件一起旋转的输出，传动***包括单个行星齿轮组，该行星齿轮组包括与多个行星齿轮啮合的太阳轮，多个行星齿轮安装为绕各自的行星轴旋转，多个行星齿轮的行星轴由公共支架支撑，公共支架安装为与输入绕轴一起旋转。行星齿轮与环形齿轮相啮合，该环形齿轮和太阳轮连接以与第一和第二电动机/发电机的转子一起旋转。电动机/发电机的定子的电连接通过控制器连接以控制功率的传递。轮毂还包括单向离合器，该单向离合器包括驱动件和从动件，单向离合器布置为连接轮毂件以当支架旋转的快于轮毂件时与支架一起旋转。

Description

包括可变传动比传动***的轮毂

技术领域

本发明涉及一种轮毂，特别地但并不唯一地，本发明涉及一种用于或包括在车辆车轮（具体地，自行车车轮或摩托车车轮）中的轮毂，并且本发明还涉及一种包括可变传动比传动***的轮毂类型。

背景技术

具有合并可变传动比传动***的自行车轮是已知的，但是这种传动***仅能够提供相对少数的离散的齿轮比。需要提供一种具有连续可变传动比的传动***的自行车轮。

由于社会压力和法制压力不断增长，使得机动车辆制造商提供具有减少燃料消耗的发动机从而减少污染物的排放。达到这些目的的一种方式为保证车辆的传动***总是使用最佳齿轮比，然而这只能通过提供连续或无级变量类型的传动***，从而具有无数个齿轮比。关于上述减少燃料的消耗从而减少发动机污染物的排放的压力的一个结果是所谓的混合型车辆普遍迅速增长。因此，还需要一种能够简单地将机械动力输入和电源输入结合为单一机械动力输入的传动***。

EP1642820B公开了一种轮毂，该轮毂包括例如自行车的可变传动比传动***。该传动***包括两个复合行星齿轮组，每个行星齿轮组包括太阳轮，该太阳轮与多个行星齿轮啮合，该多个行星齿轮由各自的共同支架支撑的。一个齿轮组的一个部件连接于传动***的输入，一个齿轮组的另一个部件连接于中空轮毂件并且与该中空轮毂件一起旋转。两个太阳轮连接于第一可逆机的转子和第二可逆机的转子，具体地，第一可逆机和第二可逆机为电动机/发电机，连接在一起的两个定子的电源连接通过控制器连接，该控制器设置为控制从一个机构到另一个机构的动力传送。

在现有技术文档中公开的轮毂的广泛发展分析显示，某些严重的问题仍然需要解决方案。第二行星齿轮系的存在使得装配（尤其是线路）复杂、昂贵并且缓慢。还发现已知的轮毂不能够始终如一地且有效地将由骑自行车的人提供的或由内燃机提供的机械输入转矩与由电动机/发电机提供的电输入转矩结合。已知的轮毂还患有所谓的“脚踏板下降”综合征，即当骑自行车的人将力矩施加到自行车的脚踏板上时，脚踏板曲柄旋转受到很小的阻力或不受到阻力，这对于骑自行车的人来说是不方便的，同时也是令人不安的。在两个完全不同情况下，现有的轮毂上能够出现脚踏板下降。首先，当自行车爬陡坡时，骑自行车的人可以向脚踏板上施加大的力，这可以在太阳轮上产生扭矩，该扭矩大于连接于该太阳轮的电动机/发电机能够产生的反扭矩。这导致踏板相对于减小的阻力突然迅速运动，从而导致骑自行车的人踉跄向前，甚至在极端的情况下从自行车上掉下来。第二，当自行车静止时，例如当等待交通灯时，骑自行车的人常常移动一个脚踏板至升高的位置，然后将脚放在上面以准备在交通灯变绿时向脚踏板施加大的力从而再次起动自行车。然而，当自行车静止时，将没有电源施加到连接于太阳轮的电动机/发电机，这意味着电动机/发电机不能够施加任何反扭矩。在这些情况下，即使施加到脚踏板上的骑自行车人的脚的重量的平缓力足够使得脚踏板旋转（也就是向下移动），当骑自行车的人希望再次起动时，这意味着脚踏板将位于低位置，从而位于次优位置。最后，发现现有的轮毂在电池供电故障的情况下难于提供完整的或一致的“回家（get home）”的能力，也就是当只通过骑自行车的人提供动力并且同时使用电动机/发电机中的一个作为直流发电机以向自行车照明***供电使自行车有效地运转。

JP2008285069A公开了一种具有上面讨论的普通类型的传动***的电动车，尽管传动***实际上与自行车的曲轴相连接，但传动***并不包含在一个车轮的轮毂中。文件中公开传动***具有由自行车曲轴构成的输入和由皮带轮等构成的输出，该皮带轮等通过皮带接合以将动力传递到后车轮。传动***包括太阳轮，该太阳轮安装以关于曲轴旋转并且与多个行星齿轮相啮合。行星齿轮由普通的支架支撑并且也与连接于输出的环形齿轮相啮合。普通的支架连接为与曲轴一起旋转。太阳轮连接为与第一电动机/发电机的转子一起旋转，并且环形齿轮连接为与第二电动机/发电机的转子一起旋转。实际上，普通的支架通过第一单向离合器连接于曲轴，但这基本上只是普遍设置在自行车上的滑轮机构类型，以使自行车沿陡坡下滑时脚踏板能够不必与旋转的车轮同时旋转。太阳轮通过第二单向离合器连接于第一电动机/发电机的转子，当在自行车正常运转的情况下第一电动机/发电机驱动太阳轮时，第二单向离合器将被啮合以调整传动比，但是当太阳轮比第一电动机/发电机旋转地更快速并且企图逆向旋转时，第二单向离合器将被分离。在所述文件中，第二单向离合器的目的不清晰并且未进行描述。

当先前的日本文件中的自行车静止时，骑自行车的人将脚放置在处于抬高位置的脚踏板时，施加到太阳轮上的轻微的扭矩将使太阳轮趋向顺时针方向旋转，因此第二单向离合器分离。因此，将没有对太阳轮的旋转的大的阻力，将会出现关于上述的脚踏板下降。如果先前文件中的自行车爬坡并且骑自行车的人向脚踏板施加大的力，通过骑自行车的人施加到太阳轮上的扭矩将引起太阳轮顺时针旋转以及第二单向离合器分离；避免第一电动机/发电机施加任何反向转矩。这将导致抵抗骑自行车的人施加的力矩的反向扭矩突然且大量减少，骑自行车的人会感觉到蹬车的阻力的突然且大量地减少。因此，当爬坡时，第二单向离合器的存在将显著恶化关于上述的脚踏板下降现象。

发明内容

因此，被发明的目的为提供一种关于上述类型的轮毂，尤其是用于自行车的轮毂，该轮毂尺寸小、价格低、重量轻，并且克服上述某些或全部问题。

根据本发明，提供一种轮毂，该轮毂包括大致圆柱形的、中空的轮毂件，该轮毂件安装为绕其轴线旋转，并且所述轮毂件的内部放置有连续可变传动比的传动***，该传动***具有安装为绕所述轴线旋转的输入和连接为与所述轮毂件一起旋转的输出，所述传动***包括单个行星齿轮组，该行星齿轮组包括与多个行星齿轮啮合的太阳轮，所述多个行星齿轮安装为绕各自的行星轴旋转，所述多个行星齿轮的行星轴由公共支架支撑，所述公共支架安装以与所述输入绕所述轴线一起旋转，所述行星齿轮与环形齿轮相啮合，该环形齿轮连接为与所述轮毂件一起旋转，所述环形齿轮和所述太阳轮连接为与第一电动机/发电机和第二电动机/发电机各自的转子一起旋转，所述两个电动机/发电机的定子的电连接通过控制器连接，该控制器布置以控制功率从一个电动机/发电机到另一个电动机/发电机的传递，所述轮毂还包括单向离合器，该单向离合器包括驱动件和从动件，所述驱动件由所述公共支架组成，所述从动件连接为与所述轮毂件一起旋转，所述单向离合器布置为连接所述轮毂件以当所述支架旋转的快于所述轮毂件时与所述支架一起旋转。

因此，根据本发明的所述轮毂仅包括单个行星齿轮组件而不是如上述先前说明书中涉及的两个行星齿轮组件，这内在地导致所述轮毂更小、更轻并且更便宜。更重要的，根据本发明的所述轮毂也包括单向离合器，该单向离合器布置为在操作中当任何大的扭矩施加到输入时立刻出现所述支架比所述轮毂件旋转的快的情况下，所述离合器就连接为使轮毂件与所述支架一起旋转。这意味着，如果所述轮毂安装于自行车，那么当骑自行车的人施加任何显著的压力至所述脚踏板上时，就施加扭矩至所述传动***的输入，所述单向离合器啮合，从而将所述支架连接于所述轮毂件。这导致所述输入立即连接为与所述轮毂件一起旋转，从而骑自行车的人施加的推进力立刻被传递至所述轮毂件并且之后传递至自行车车轮。从而完全消除“脚踏板下降”现象。当然，常规的自行车包括自由回转机构，位于后链轮之间的该自由回转机构通过所述脚踏板和所述轮毂驱动连接于所述链条，所述自由回转机构的目的是当自行车惯性滑行时（例如，当沿陡坡滑行时）避免所述脚踏板通过从动轮驱动旋转。在没有这种自由回转机构的情况下，当例如从山坡自由滑下时，所述脚踏板将通过所述从动轮旋转，这将意味着即使在不施加任何力矩到所述脚踏板上，骑自行车的人的脚将不得不持续旋转。然而，在本发明涉及的包括具有行星齿轮组的传动***的轮毂类型中，这种现象将不会出现，从而不需要自由回转机构以用于上述目的。因此，使用这种类型的轮毂时，当自行车从山坡自由滑下时，骑自行车的人只需要将其脚保持固定在脚踏板上，并且脚踏板不通过从动轮驱动旋转。这就是公开在上述涉及的在先文件中的轮毂不包括自由回转机构的原因。然而，根据本发明包括的所述单向离合器或自由回转机构用作完全不同的目的，即保证在骑自行车的人将力矩施加到所述脚踏板上时，这个力矩被立即施加到所述从动轮上并且不出现“脚踏板下降”。然而，当自行车沿山坡滑下或如果自行车只通过一个或两个电动机/发电机推进，所述单向离合器将被分离，也就是说所述输入和所述轮毂件将不直接连接。

所述单向离合器可以具有多种不同的形式，但在优选实施方式中所述驱动件具有形成有多个凹口的大体上圆形的外周边，所述从动件为环形，所述从动件的外周边与所述环形齿轮相啮合，所述从动件的内周边围绕所述驱动件的外周边并且与所述驱动件的外周边一起限定多个在圆周方向上延伸的凹口，每个凹口容纳有止动球和在一个圆周方向上偏压所述止动球的弹簧，每个凹口在半径方向上的尺寸大于位于与所述圆周方向相反的一端的相应的球的直径，并且所述每个凹口在朝向另一端的方向上的尺寸逐渐减小至小于所述相应的球的直径。在这个实施方式中，所述止动球通过所述弹簧偏压向所述凹口的两端，所述凹口的宽度在半径方向上大于所述球的直径，从而所述驱动件和所述从动件能够关于彼此自由旋转。然而，如果通过骑自行车的人施加到所述脚踏板上的压力作为施加到所述驱动件上的力矩，以使得所述驱动件能够产生相对所述从动件的旋转，所述止动球将被迫在所述凹口内在朝向所述凹口的窄端的方向上移动直到所述止动球到达所述凹口中所述凹口的宽度等于所述所述球的直径的区域。当到达所述位置时，所述球将卡在所述驱动件和所述从动件之间，并且之后所述从动件和所述驱动件旋转地锁在一起。因此，然后所述驱动件的连续旋转直接传递至所述从动件并且之后也传递到所述轮毂件。相应地，当骑自行车的人将力矩施加到所述脚踏板上时，在最初很小的***之后，所述脚踏板的运动直接传递至所述轮毂件，从而将加速所述轮毂件。然而，在骑自行车的人停止施加力矩至所述脚踏板时，通过所述止动球上的所述弹簧施加的力矩将能够在所述一个圆周方向上移动所述止动球，并且由于所述止动球在这个方向上移动，所述驱动件和所述从动件之间的旋转抑制连接（rotary jamming connection）被打破，所述离合器分离。

优选地，所述两个电动机/发电机同轴线并且其中一个容纳在另一个内。这允许所述两个电动机/发电机容纳在最小的空间内，从而有助于减小根据本发明的所述轮毂的尺寸。

在实践中，根据本发明的所述轮毂将与连接于所述控制器的可充电电池结合使用，所述控制器还可以设置为控制所述电池和所述两个电动机/发电机之间的功率的流动。因此，当安装到电动辅助自行车时，根据本发明的所述轮毂将允许自行车通过由所述电池供电的所述电动机/发电机中的一个甚至两个单独驱动，或者通过骑自行车的人施加到所述脚踏板上的旋转力单独驱动，在这种情况下，所述单向离合器接合以将骑自行车的人施加的力直接传递至所述轮毂件，或者将作为电动机的所述电动机/发电机中的一个或两个与骑自行车的人共同施加的力直接传递至所述轮毂件，在这种情况下，所述单向离合器可以再次接合。

本发明还包括一种自行车，该自行车具有包括上述类型轮毂的车轮。优选地，所述自行车包括脚踏板和链轮，该链轮通过链条连接以通过所述脚踏板旋转，并且所述链轮通过自由回转机构连接于所述输入件。因此，优选地，所述自行车包括两个自由回转机构或单向离合器装置，所述第二自由回转机构或单向离合器设置在所述从动链轮上并且基本上根据现有技术进行操作，也就是说当所述自行车沿山坡滑下时所述第二自由回转机构或单向离合器将分离，从而允许所述公共支架以比所述链轮转动快。

优选地，所述控制器布置为控制所述电动机/发电机中的一个或两个以作为发电机运转并且直接将产生的电功率传递到所述电池，以在当所述自行车快于用户的期望时或当用户决定应该对所述电池充电时为所述电池充电。这种状态可以通过多个方式检查，但是在简单的实施方式中，这种情况通过用户施加制动的方式检查，此时产生传递到所述控制器的信号以开始所谓的再生制动。

附图说明

本发明的更多特征和细节从根据本发明的轮毂的一个具体实施方式的描述中将变得明显，该具体实施方式通过仅参考附图的举例方式给出，其中：

图1是自行车轮毂的上半部分的轴向剖视图；

图2是从图1的右侧看单向离合器的视图；以及

图3是单向离合器的轴向剖视图。

具体实施方式

轮毂安装在中心轴2上，在使用中，中心轴2通过两个螺母4固定于自行车框架。所述轮毂包括环形的输入件6，输入件6通过传统的自由回转机构9（未详细示出）连接于传统的自行车的链轮8。输入件6安装为通过多个轴承10关于轴2旋转。输入件6也连接于单个三分支行星齿轮组，三分支行星齿轮组的全部的三个分支或轴都旋转。传动***包括太阳轮12，太阳轮12安装为绕轴2旋转并且具有齿，该齿与多个（常为3个）行星齿轮14具有的齿相啮合。行星齿轮14由各自行星齿轮轴18通过轴承16的方式可旋转地支撑，行星齿轮轴18连接于公共支架20。行星齿轮14上的齿也与环形齿轮22上的齿相啮合，环形齿轮22固定连接于轮毂外壳的右部分24。轮毂外壳的右部分24通过中央部分28连接于左部分26，中央部分28通过螺栓30连接于右部分24和左部分26。

两个电动机/发电机放置在所述轮毂外壳内，该两个电动机/发电机同轴线布置，一个电动机/发电机放置在另一个电动机/发电机内。内部的电动机/发电机包括定子34和通常为U型的转子32，转子32连接为与太阳轮12一起旋转。外部的电动机/发电机包括转子36和定子38，转子36固定连接于所述轮毂外壳的中央部分28。两个定子的电连接与控制器40相连，控制器40只示意性示出，并且控制器40也连接于可充电电池42。控制器40程序化以根据需要控制两个电动机/发电机之间的电功率的流动以及电池42和两个电动机/发电机中的每一个之间的电源的流动。

公共支架20与输入件6成一体，并且构成单向离合器的输入件或驱动件。公共支架20具有圆形外周边，该圆形外周边几乎由所述单向离合器的环形从动件44的圆形内周边包围，所述单向离合器的环形从动件44的外周边支撑齿46，齿46也与环形齿轮22的内齿相啮合，环形齿轮22固定连接于所述轮毂外壳部24。多个（在本实施方式中为三个）沿圆周方向延伸的凹口47形成在所述单向离合器的内部的外周边或所述单向离合器的驱动件20的外周边。止动球48和偏置弹簧50放置在每个所述凹口中。每个凹口47在半径方向上的尺寸或宽度在远离弹簧50的一端最大，并且在远离弹簧50的一端每个凹口47在半径方向上的尺寸或宽度大于所连接的止动球48的直径。然而，凹口47的宽度在朝向偏置弹簧50的方向上减小到小于止动球48的直径。偏置弹簧将止动球48偏压至凹口47的远离弹簧50的一端，在远离弹簧50的一端凹口的宽度大于止动球的直径，并且当止动球在此位置时，单向离合器的驱动件20和从动件44相互之间可自由旋转，从而所述离合器分离。然而，如果所述离合器的内部或驱动件要在顺时针方向上移动时，如图2所示，也就是说如果自行车的使用者要将力矩施加到脚踏板上，该力矩以倾向旋转驱动件20的扭矩的形式通过自行车链条传递到链轮8并且之后传递到驱动件20上，止动球48被触动以在逆时针方向上移动，见图2，并且之后移向所述凹口的宽度小于所述止动球的直径的区域。由于所述止动球靠近所述区域，所述止动球被卡在凹口47的基底和外部的内周边或从动离合器件44的内周边之间，从而能够旋转地连接两个离合器件20和离合器件44。从而，输入件6的连续转动和之后的离合器件20的连续转动直接传递至从动离合器件44并且之后也传递至环形齿轮22和轮毂外壳24、26、28，从而引起自行车车轮的旋转。如果用户将要在之后停止以将压力施加到脚踏板，通过偏置弹簧50施加的力将能够使止动球48返回到凹口47的区域内，在该区域内凹口47的宽度大于止动球48的直径，从而释放所述两个离合器件的旋转连接。

在使用中，电动机/发电机中的一个通常作为发电机并且将电功率传递至作为电动机的电动机/发电机中的另一个。通过该方式传递的电功率的量可以通过所述控制器可变化地选择，从而更改所述传动***的传动比。功率通过所述传动***成比例地以机械的和电力的方式传递，该比例随着变化的传动比。从而所述传动***的输出速度和其轮毂件的速度可以独立于输入速度而变化，这意味着连接于根据本发明的所述轮毂件的车轮的速度可以独立于所述脚踏板旋转的速度和/或所述电动机/发电机中的一个的速度进行多种变化，在此所述电动机/发电机中的一个作为电动机运转并且提供动力力矩以推进自行车或帮助用户推进自行车。这就是说所述传动可以以最适合驱动条件并且与通过一个或多个用户可操作的控制所表示的用户的期待相吻合的精确的速度运转。

从而，所述电动机/发电机不仅是使得所述传动***的传动比可以连续变化的装置，而且是使得电池的电功率可以转换为机械功率且传递到自行车车轮的装置。优选地，如果自行车以超过用户的期望的速度行驶，所述电动机/发电机也起到双重作用，例如，因为自行车从山坡上自由向下滑行，例如指示为由用户施加制动，所述控制器程序化以引起电动机/发电机中的一个或者两个都作为发电机运转并且直接产生电功率至电池以便给电池充电。

同时所述电动机/发电机中的一个或两个都可以用在电动机模式以长时间驱动自行车，设想根据本发明的轮毂首先将用在电机辅助的自行车上而不是机动车上，从而用户大部分的操作时间将用于推进自行车所需的驱动功率。如上所示，当用户将驱动力矩施加到脚踏板上时，在没有“脚踏板下降”的情况下，所述单向制动器将立刻啮合并且通过用户施加的力将在之后立即直接到达从动自行车车轮。

Claims (7)

1.一种轮毂，该轮毂包括大致圆柱形的、中空的轮毂件，该轮毂件安装为绕其轴线旋转，并且所述轮毂件的内部放置有连续可变传动比的传动***，该传动***具有安装为绕所述轴线旋转的输入和连接为与所述轮毂件一起旋转的输出，所述传动***包括单个行星齿轮组，该行星齿轮组包括与多个行星齿轮啮合的太阳轮，该多个行星齿轮安装为绕各自的行星轴旋转，所述多个行星齿轮的行星轴由公共支架支撑，所述公共支架安装为与所述输入绕所述轴线一起旋转，所述行星齿轮与环形齿轮相啮合，该环形齿轮连接为与所述轮毂件一起旋转，所述环形齿轮和所述太阳轮分别连接为与第一电动机/发电机和第二电动机/发电机的转子一起旋转，所述两个电动机/发电机的定子的电连接通过控制器连接，该控制器布置为控制从一个电动机/发电机到另一个电动机/发电机的功率传递，所述轮毂还包括单向离合器，该单向离合器包括驱动件和从动件，所述驱动件由所述公共支架组成，所述从动件连接为与所述轮毂件一起旋转，所述单向离合器布置为连接所述轮毂件，以当所述支架旋转的快于所述轮毂件时与所述支架一起旋转。

2.根据权利要求1所述的轮毂，其中，所述驱动件具有形成有多个凹口的大体上圆形的外周边，所述从动件为环形，该从动件的外周边与所述环形齿轮相啮合，所述从动件的内周边围绕所述驱动件的外周边并且与所述驱动件的外周边一起限定有多个在圆周方向上延伸的凹口，每个凹口容纳有止动球和在一个圆周方向上偏压所述止动球的弹簧，每个凹口在半径方向上的尺寸大于位于与所述圆周方向相反的一端的相应的球的直径，并且所述每个凹口在朝向另一端的方向上的尺寸逐渐减小至小于所述相应的球的直径。

3.根据权利要求1或2所述的轮毂，其中，所述两个电动机/发电机同轴线并且其中一个容纳在另一个内。

4.根据权利1或2所述的轮毂，其中，所述轮毂与连接于所述控制器的可充电电池结合，所述控制器还可以设置为控制所述电池和所述两个电动机/发电机之间的功率流。

5.一种自行车，其中，该自行车包括权利要求1或2所述的轮毂。

6.根据权利要求5所述的自行车，其中，所述自行车包括脚踏板和链轮，该链轮通过链条连接以通过所述脚踏板旋转，并且所述链轮通过自由回转机构连接于所述输入件。

7.根据权利要求5所述的自行车，其中，所述自行车包括连接于所述控制器的可充电电池，所述控制器还能够设置为控制所述电池和所述两个电动机/发电机之间的功率流，其中所述控制器布置为控制所述电动机/发电机中的一个或两个，以作为发电机运转并且直接将产生的电功率传递到所述电池，以在当所述自行车快于用户的期望时为所述电池充电。

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