CN1078554C - 一种自行车变速控制装置 - Google Patents

Abstract

一种自行车变速控制装置，其目的在于进行合理的自动变速。其构成是：接收来自用于检测蹬力的检测装置的蹬力信号、并在蹬力小的时候允许变速用驱动装置动作，从而避免不合理的变速，进行完全的自动变速。

Description

一种自行车变速控制装置

本发明涉及自行车的变速控制装置。更详细地说，是涉及一种设有自动变速装置的自行车的变速控制装置，自动变速装置根据程序自动进行齿轮变换。

近年来，自行车进一步的实用性得到越来越多的认知。自行车的运动化促进了这种自行车变速操作的自动化。自动化的自行车变速装置由于微型计算机的日益低廉而提高了其实用性。

我们从美国专利第5,213,548号了解了自动操作变速装置的齿轮变换装置，该变速装置能改变曲轴与后轮的转数比。该美国专利记载了根据曲柄速度和自行车速度之比检测当前齿轮比、并在曲柄慢而自行车快等情况下根据程序进行变速动作的自动化装置。

另外，由例如EP 0 529664A2我们还了解了用流体压力装置作为驱动装置来进行变速动作的方式，其中通过利用机算机来判断变速条件而实现变速的自动化。

在反抗链条的强张力而被驱动的变速机构的机械部分上，受到过大负荷的作用。当提供连接这种反抗强张力而动作的流体压力装置与机械部分的连接机构作为强化手段时，不能忽视成本的问题。并且，在这种负荷条件下动作的机械部分存在磨损消耗加大、寿命下降的缺点。

因此，希望能开发使变速机构的机械部分在小负荷下动作的自动变速装置。这样理想的自动变速装置由于缩短了动作的延迟时间而可以在小负荷条件继续的短时间内进行变速动作。

本发明是基于上述的技术背景而进行的，并达到以下的目的。

本发明的目的在于提供一种在小负荷下动作的自行车变速控制装置。

本发明的另一目的在于提供一种变速机构的机械部分不会受到过大负荷作用的自行车变速控制装置。

本发明的再一目的在于提供一种变速指令信号发出时间与变速动作进行时间之间延迟时间短的自行车变速控制装置。

本发明的再一目的在于提供一种寿命长的自行车变速控制装置。

为达到上述目的，本发明提供一种自行车变速控制装置，包括：用于检测根据骑乘者的蹬力作用在曲轴和驱动链轮之间的转矩的转矩检测装置；用于变换所述曲轴与后轮的变速比的变速机构；为了变换所述变速机构的变速比，将所述变速机构进行变速驱动的驱动装置；输入来自所述转矩检测装置的检测信号、借助所述驱动装置使所述变速机构进行变速动作的控制装置；其特征在于：所述曲轴与所述驱动链轮设置成能够在旋转方向上只相对移动一定的量；所述转矩检测装置包括：将所述曲轴与所述驱动链轮的相对移动变换移动为曲轴的轴向上的移动的移动体；将所述移动体向曲轴的轴向偏压的弹簧；以及将所述移动体在曲轴的轴向上的位置进行检测的位置检测装置。

在上述自行车变速控制装置中，最好是所述转矩检测装置具有与所述移动体固定成一体的环状体，利用所述位置检测装置检测出所述环状体在曲轴的轴向上的位置。

在上述自行车变速控制装置中，最好是所述转矩检测装置具有固定在所述曲轴上的传递构件；在所述传递构件上设有与所述移动体的端部接触、将所述移动体向曲轴的轴向移动的斜面。

在上述自行车变速控制装置中，最好是所述控制装置，在由所述转矩检测装置检测出的转矩小于所定的设定转矩时，使所述变速机构进行变速动作。

发明的作用及效果说明如下：

本发明的自行车变速控制装置，在脚的蹬力或曲轴的转矩小的时间段允许变速机构动作。即，只有在发出变速指令的时间段与转矩小的时间段重合的时候，变速机构才动作。曲轴转矩小的时间段，如下所述那样有3种情况。

a、曲轴的转数与后轮的转数相比，其比值比特定的比值小的时候，即，链条的张力为零、且曲轴上没有转矩而使曲轴相对后轮进行空转的时间段；这时，曲轴的转矩绝对为零。

b、转矩不为零、且自行车加速的时候，周期性变化的转矩值处于最小区域的时间段；这时，自行车向正方向加速。

c、转矩不为零、且自行车没有加速的时候，周期性变化的转矩值处于最小区域的时间段；这种情况，包括自行车减速的时间段。该时间段包括脚蹬子位于上死点区域或下死点区域的时间段。

在上述情况b、c下，有时转矩的绝对值大。但是，当连接两脚的脚蹬子处于上限位置与下限位置时，同时处在蹬力极低的下死点。处于这样下死点的脚的蹬力与两脚位于水平方向时的蹬力相比通常极小。

在坡道等处，即使脚蹬子不规则地压向水平方向或靠近水平方向的方向时，也不会改变这种极端的大小关系。即使转矩在设定值以下时，且微分值是负值，其绝对值在设定值以上时也许可变速动作。由于这种许可，使变速机构的寿命减少实质上不存在。

在外力大时，其他道路情况、环境不稳定的时候，将自动模式切换到手动模式，可望进行常用那样的手动操作。

在这种条件下动作的变速机构的机械部分，例如，在前后拨链器和链条上，没有大的负荷作用。因此，机械部分的磨损少，动作的延迟时间短。

附图图面简单说明如下：

图1是适用本发明自行车变速控制装置的自行车实施形式的正视图。

图2是控制盘的平面示意图。

图3是变速控制硬件的方块图。

图4是显示转矩变动的曲线图。

图5是显示合成转矩的曲线图。

图6是变速控制软件的流程图。

图7是转矩检测装置适用例的正剖视图。

图8是图9中的线VIII-VIII的剖视图。

图9是图8的左侧视图。

图10是转矩检测装置另一适用例的正剖视图。

以下，对本发明的自行车变速控制装置及其方法的实施形式进行说明。图1是本发明的自行车变速控制装置的实施形式1的正视图，是自行车部分的示意图。作为后轮1转动轴的后轮轴3，通过相互交叉的线状的多根支撑构件6支撑在后轮1上。

三角形支架7通过其他的支架支撑在后轮轴3上。三角形支架7还通过其他的支架支撑在前轮轴4上。三角形支架7的顶端部通过套筒11可自由转动地与前轮叉支架9结合。在前轮叉支架9上端部的车把13上安装控制盘15。

在三角形支架7的下顶端部可自由转动地安装前齿轮组17。前齿轮组17由多个齿轮或链轮17n(n在2以上)构成。链轮17n支撑在同一轴上。

在三角形支架7的后顶端部可自由转动地安装后齿轮组19。后齿轮组19由多个齿轮或链轮19n(n在2以上)构成。链轮19n支撑在同一轴上。

前拨链器21及后拨链器23分别固定在三角形支架7及其他支架上，其动作部可沿轴向移动地支撑在拨链器本体上。前拨链器21被前驱动装置25驱动。前驱动装置25是固定在三角形支架7上的、例如流体压力装置。也可用电磁直线驱动装置取代流体压力装置。

后拔链器23被后驱动装置27驱动。后驱动装置27是固定在其他支架上的、例如流体压力装置。也可用电磁直线驱动装置取代流体压力装置。

图2是控制盘15的正面示意图。在控制盘15上，有电源开关钮31、自动模式选择钮33、手动模式选择钮35。在控制盘15的前面，设有显示变速档位数的档位数显示表37、以及显示后面所述转矩波形的波形显示表39。

如图1所示那样，转矩传感器40与前齿轮组17同轴固定设置在三角形支架7的下顶端部。可采用各种原理的常用装置作为转矩传感器40。精度高、反应速度快、不损失脚部蹬力的转矩传感器可参见专利申请特愿平8-40425号。

该转矩传感器在本发明公开的时候应该已经发表，所以，详细的说明请参见该公开公报的记述，不过，在此仍将其要点进行简单的说明。即，转矩传感器由第2转动体构成，该第2转动体通过弹簧传递可自由转动地支撑在曲轴上的第1转动体的转矩，而弹簧弹性强且变位量小；并且，转矩传感器具有这样的功能，即，通过将上述弹簧的变位机械变换为轴向变位、且每转1圈就被接近的传感器测到这样变换后的变位的变位量，从而测出转矩绝对值的功能。但是，如后面所述那样，做了一点改进，使测出的不是1圈中特定的离散时间的转矩，而是实质上连续的时间的参数。

在支撑于三角形支架7上的控制盘15内，装有微型控制器41。图3是微型控制器41的硬件方块图。微型控制器41装有CPU43。微型控制器41由CPU43、RAM45及ROM47组成。转矩传感器40与微型控制器41之间由电路连接、且中间设有A/D变换器49和寄存器电路51。

通过A/D变换器49和寄存器电路51，转矩传感器40的输出波形作为时间的参数被数字化，并输入微型控制器41。转矩传感器40输出波形的大小也被数字化，并输入微型控制器41。这样，曲轴转矩的绝对值可在实际时间输入微型控制器41。

同样，曲轴的速度信号53和后轮的速度信号55也被输入微型控制器41。由于用于进行该输入的部分不是本发明的主题，所以，在本说明书中不作说明。可根据曲轴的速度和后轮的速度算出变速机构正确的变速档位数(参考文献：上述美国专利第5,213,548号)。用于变速档位切换的程序可用于别的方面，但在本说明书中不作介绍。

前伺服机构57和微型控制器41为双向电气连接。前伺服机构57控制前驱动装置25的驱动，可正确算出前拨链器21的移动距离、并将前拔链器21固定在其计算位置上。

后伺服机构59和微型控制器41为双向电气连接。后伺服机构59控制后驱动装置27的驱动，可正确算出后拔链器23的移动距离、并将后拨链器23固定在其计算位置上。

曲轴的转矩、即脚蹬子的转动半径一定时的脚的蹬力，有图4所示的特征。横轴是相位P、纵轴是转矩T。点划线所示转矩曲线是右脚的、实线所示转矩曲线是左脚的。在转动的脚蹬子位于上限位置或下限位置时，不容易将脚的蹬力向下传递给脚蹬子，向下的力量没有作用在脚蹬子上，并且，知道这一点的骑手注意使这些位置的蹬力为零。

即，上限位置和下限位置分别对应于作用力或转矩(由于半径一定，所以作用力和转矩对于自行车的推进力具有同样的意义，即，具有比例关系)的上死点和下死点。骑手在脚蹬子位于水平方向时，蹬踏其中一方、即位于前方的脚蹬子，使其在瞬间受到蹬力作用。

在一方的脚蹬子上，蹬力作用的相位在1个周期内位于π/2至3/2π的范围，蹬力最大的相位在π的附近(标在与自行车一起运动的同动坐标系上，该坐标系设脚蹬子的转动方向为正方向、上限位置为π/2、且在曲轴的中心线上设原点)。

左右脚蹬子的相位相差180度。图5所示是左右脚蹬子转矩的合成情况。转矩为最大值时的曲轴的转动位置，在曲轴的1圈转动中有2个。转矩为最小值时的曲轴的转动位置，在曲轴的1圈转动中也有2个。最大值的转动位置与最小值的转动位置的相位差是π/2。

下面，参照图6所示的流程图对微型控制器41的动作原理进行说明。按压控制盘15的电源开关钮31(步骤S1)，然后按压自动模式选择钮33和手动模式选择钮35中的任何一方(步骤S2)。如果选择自动模式(步骤S3)，则由RAM45、ROM47将程序和设定值数据输入CPU43(步骤S4)。

设定值数据是后面所述的最低值的转矩、计时器的延迟时间ΔT等。转矩传感器40以短的时间间隔测出转矩的绝对值。转矩的绝对值被A/D变换器数字化，作为时间坐标上所定间隔时间的参数，直接或间接地输入微型控制器41的CPU43内。CPU43随时将转矩参数的微分值算出。

转矩参数的微分系数比设定值小(步骤S5)、且这时的转矩值也比设定转矩TQ小的时候(步骤S6)，CPU43内发出变速动作许可信号(步骤S7)。该信号作为数据输入“与”电路的部分程序中，该“与”电路相当于该发射信号和下述信号。

CPU43内的其他程序随时确认是否满足变速动作条件。变速动作条件是根据当前的自行车的速度、当前的变速档位、曲柄的转动速度等计算出来的。由于该条件不是本发明的主题，所以不进行说明。如果具备变速动作条件，则发出变速动作条件信号。

如果上述变速动作许可信号和变速动作条件信号在同样的时间段(设定为狭窄的时间段)(步骤S8)，则微型控制器41向前后伺服机构发出动作信号、前驱动装置25和后驱动装置27被驱动。前拨链器21及后拨链器23同时动作到所定的档位位置，变速动作结束(步骤S9)。从该变速动作开始后的ΔT秒内，不接着进行后面的变速动作。如果不改变模式，则再寻找以后的变速许可条件。

本发明允许变速档位切换的许可条件包含在下面所述的实施形式中。即，一方的脚蹬子位于上死点附近、另一方的脚蹬子位于下死点附近时，就具备了允许变速档位切换的许可条件。该条件的检测只要检测曲柄的转动角度位置。转矩不为零时，通过检测对应曲柄转动位置的后轮的转动位置，可以测出曲柄的转动位置即可。在一方的曲柄上设置磁铁，从而可以利用固定在支架上的4个转动位置的4个磁性传感器测出该曲柄在上死点附近或下死点附近的情况。例如，可通过在与曲轴同轴的圆周上、并于上述坐标系中的例如75度、115度、255度、295度4个转动位置配置4个磁性传感器进行检测。

下面说明转矩检测装置的参考实施形式。

图7、8、9是转矩检测装置或蹬力检测装置的示意图。转矩检测装置的详细构造在特愿平8-40425说明书中有详细的说明。适用于本发明的转矩检测装置仅仅改变了其先导装置。改变的实质在于转矩的连续检测。图7、8、9简化到了可以理解的必要程度，即，抽出其原理、示意其先导装置。对不利用这种速度微分而直接检测脚部蹬力的方法的说明有助于理解本发明。首先，用下面的数学表达式对其意义进行具体的说明。

如果设自行车的加速度为A、自行车与骑手体重等合计成的总质量为M、加在自行车上的外力为G、作用于曲轴上的转矩除以半径的值即蹬力(例如，可认为是限于脚蹬子处于与曲轴同样高度位置时的蹬力)为F，则自行车的运动可用下面的微分方程式来表示。自行车在其上行驶的直线坐标为R。

即，M·R(··)＝-M·G＋kM·F括号()中的2个点是与时间相关的2阶微分。右边第2项是骑手与自行车之间的关系、是内力，所以蹬力应不会使自行车产生加速度，但是，对于有时通过车轮接触地面的自行车，该右边第2项则是外力。因此，上式成立。

从上式可看出，即使右边第2项所表示的正蹬力不为零，如果右边第1项为负，则左边有可能为零。反过来说，这样成为零的时候，蹬力即使是正值，自行车也不动。在这种情况下，转矩检测装置151通常也可测出右边第2项的值为正值，对此，进行以下的说明。

如图7、8、9所示那样，与曲轴121同轴安装第1曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)153。第1曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)153固定安装在曲轴121上。即，第1曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)153与曲轴121完全同期转动。

前链轮轴155同轴外装在曲轴121上。驱动链轮127同轴固定在前链轮轴155上。在前链轮轴155上一体设计形成第2曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)157(形成圆筒状)。

如图8所示那样，在第2曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)157的转动方向a上，从后面部分沿轴向b突出的突出部分159，在第2曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)157上作为其一部分而形成。在第1曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)153外端部153a的转动方向上，其后方的后表面161通常大致与突出部分159的前端面163进行面接触(参见后面所述)。外端部153a的前面(在转动方向a上为前方的表面)形成斜面165。

转矩检测用移动体167，可自由滑动地设在第2曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)157中。转矩检测用移动体167设有突缘169。突缘169可被引导着沿第2曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)157内形成的空洞171的内表面173滑动。

转矩检测用移动体167只在轴向b上移动(变位)。在突缘169与第2曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)157的内壁面之间装设螺旋弹簧175。螺旋弹簧175的弹簧常数非常大。即，转矩检测用移动体167的变位量小。

转矩检测用移动体167的外侧端面形成为对置斜面177。斜面165利用后面所述的弹力通常与对置斜面177进行面接触。在转矩检测用移动体167的移动方向上与转矩检测用移动体167的内侧端面相对的位置三角形支架上，如图7所示那样，固定位置检测传感器179。

位置检测传感器179是可以测出与自身相对的转矩检测用移动体167的位置、即，自身与转矩检测用移动体167之间的距离的非接触式传感器。该非接触式传感器可相对转矩检测用移动体167的转动周面构成轮面状的一维传感器。

如果使曲柄向正方向与前链轮轴155、即第2曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)157相向转动，则外端部153a沿图8中的方向a向正方向变位。设有与斜面165连接的对置斜面177的转矩检测用移动体167，反抗斜面165所承受的螺旋弹簧175的弹力在方向b上向内侧方向变位，从而缩短转矩检测用移动体167与位置检测传感器179之间的距离。

如果设该缩短长度为ΔL(设蹬力为零时螺旋弹簧175延伸至自然长度)、弹簧常数为j，则有

        F＝j·ΔL根据测到的位置检测传感器179的变位量ΔL可以通过计算求出蹬力F。该蹬力F即使在自行车停止、即使受到风压作用、即使在上·下的坡道上行驶的时候，都可作为自行车与人之间的内力而被测出，且该内力绝对不与任何外在条件相关。

以上的说明是有关上述先导装置的原理的实质。适用于本发明的转矩检测装置可进行如下的改进。利用上述构造移动的转矩检测用移动体167分3个以120度的间隔设在第2曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)157上，在3个转矩检测用移动体167上同轴安装垫圈181。并且，可将位置检测传感器179以120度的间隔安装在同一平面的三角形支架上，将3个位置检测传感器179测到的值进行平均。

如果进行这样的改进，3个位置检测传感器179与转矩成比例地在同一相位沿轴向移动，在实际时间连续移动的第2曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)157和采用非接触式传感器的转矩传感器之间的相邻距离在实际时间被连续测出。该连续值的模拟信号由寄存器电路在实际时间进行数字化并输入微型控制器。

图10是将与图7、8、9所示的转矩检测装置相同的装置在右脚测移动的另一实施形式的示意图。即，第2曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)157在右侧移动。主动链轮127可同轴直接固定在第2曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)157。

在坡道斜度大的时候，在道路面的凹凸、起伏接连不断的道路环境激烈变化的情况下，自动变速是有效的，这是事实。但是，最好根据情况，例如，根据骑手的熟练程度切换到手动模式更好。

Claims (5)

1.一种自行车变速控制装置，包括：

用于检测根据骑乘者的蹬力作用在曲轴(121)和驱动链轮(127)之间的转矩的转矩检测装置(151)；

用于变换所述曲轴(121)与后轮的变速比的变速机构(21，23)；

为了变换所述变速机构(21，23)的变速比，将所述变速机构(21，23)进行变速驱动的驱动装置(25，27)；

输入来自所述转矩检测装置(151)的检测信号、借助所述驱动装置(25、27)使所述变速机构(21，23)进行变速动作的控制装置(47，57，59)；

其特征在于：

所述曲轴(121)与所述驱动链轮(127)设置成能够在旋转方向上只相对移动一定的量；

所述转矩检测装置(151)包括：

将所述曲轴(121)与所述驱动链轮(127)的相对移动变换移动为曲轴的轴向上的移动的移动体(167)；

将所述移动体(167)向曲轴的轴向偏压的弹簧(175)；以及

将所述移动体(167)在曲轴的轴向上的位置进行检测的位置检测装置(179)。

2.根据权利要求1所述的自行车变速控制，其特征在于，所述转矩检测装置(151)具有与所述移动体(167)固定成一体的环状体(181)，利用所述位置检测装置(179)检测出所述环状体(181)在曲轴的轴向上的位置。

3.根据权利要求1或2所述的自行车变速控制装置，其特征在于，

所述转矩检测装置(151)具有固定在所述曲轴(121)上的传递构件(153)；

在所述传递构件(153)上设有与所述移动体(167)的端部接触、将所述移动体(167)向曲轴的轴向移动的斜面(165)。

4.根据权利要求1或2所述的自行车变速控制装置，其特征在于，所述控制装置(41，57，59)，在由所述转矩检测装置(151)检测出的转矩小于所定的设定转矩时，使所述变速机构(21，23)进行变速动作。

5.根据权利要求3所述的自行车变速控制装置，其特征在于，所述控制装置(41，57，59)，在由所述转矩检测装置(151)检测出的转矩小于所定的设定转矩时，使所述变速机构(21，23)进行变速动作。

Images