CN1082273C - 用于电动助推车辆的传动装置的配置 - Google Patents

Abstract

一种改进的电动助推车辆，包括一个电马达和行星传动装置构成的使组装容易并保持低成本的构造及一个改进的单向离合器，它不再需要为能驱动而对轴承与离合器元件进行调整。

Description

用于电动助推车辆的传动装置的配置

本发明涉及一种电动助推车辆，而且特别是一种这种类型的改进的自行车，一种为此关于发动机、单向离合器及轴承总成的传动装置的配置。

在我的1993年7月13日颁发的美国专利证第5266501号及我的都还处于申请期间已被转让给受让者的1993年3月5日申请的顺序号第08/026868，1993年3月10日申请的顺序号第08/059540及1993年9月29日申请的顺序号第08/128886所示这类型的电动助推自行车有许多的优点。在这些申请及上述专利各自所示的结构中，自行车具有普通的由乘骑者操纵的踏板机构。

此外，一个由电池提供动力的电动马达和根据踏板输入提供辅助推力的控制装置被给出，以使自行车的骑行更容易而且同时保持其使乘骑者得到锻炼的性能。在电动马达与自行车的驱动后轮之间的连接方面，置入齿轮减速器以减少速度并增加电动马达输送到动力轮的动力输出是常用方法。这里参考结合我的上述顺序号第08/026868申请所揭示的内容，正如其中所述，一个行星齿轮传动装置被用于马达输出轴和后轮的驱动器之间来实现上述速度的减速。虽然这种配置形式是十分有效的，但电动马达和传动装置叠置多少增加了电驱动器的长度并且马达和传动装置分开使用要求部件对正以保证平衡的工作。

因此，本发明的一个主要的目的是给出一种用于给象自行车这样的驱动器提供动力的改进的电动马达和传动装置总成。

本发明的一个进一步的目的是给出一个电动马达与传动装置的结合，以给出一个紧凑的总成。

本发明的另一个目的是给出一个改进的总成，其中电动马达和传动装置被简化并且能够自调整。

结合用电动马达作为自行车辅助动力，如在上述几个悬而未决的申请及专利中所揭的通常常用的方法是单向离合器被置入在电动马达和后轮之间及在曲柄机构与后轮驱动器之间以简化动力的传递并且不将动力传递到不应被驱动的部件上。单向离合器的应用需要一对在其中设置入单向离合元件的元件。用单向离合器相互结合在一起的两元件必须被保持使得它们的转轴基本是同心的并且为此目的一般常用的方法是用轴承结构。这显然增加了成本并且结构复杂。

此外，本发明的再一个目的是给出一种改进的并且简化的适用于包括这些电动马达助动自行车的各种驱动器的单向离合器总成。

本发明的一个首要特性是适于被装配在一个紧凑的可被用来驱动电动自行车的电动马达和传动装置***中。这样的配合包括一个具有外壳的电动马达，该外壳有一个端板，通过端板伸出一个马达的输出轴。一个支架轴颈支承行星元件并且适于被驱动地与输出轴驱动的载荷连接。一个环绕轨道环形元件被相对于马达壳固定并且被与行星元件简单地啮合。

图1是由本发明的实施例所构成的一个电马达助动自行车的一个侧视图。

图2是在图1中基本上沿箭头2方向看而示出的踏板机构，驱动电马达及传动装置和电池盒的相互关系的放大俯视图。

图3是显示驱动后轮的不同元件及其控制的示意图。

图4是在图2中基本上沿箭头4方向看的一个放大的侧示图，其中部分剖开示出力矩检测机构和速度传感器。

图5是说明现有技术结构类型的电马达和传动装置的配置的一个局部部件分解示图。

图6是沿图4中6-6线的一个放大的横剖面图。

图7是沿图6中7-7线的一个进一步放大的横剖面图。

图8是一个沿图6中8-8线的横剖面图。

图9是图7所示单向离合器部分剖开的一个放大透视图。

图10是一个部分剖开的局部侧示图，其中部分与图7相同而示出一个现有技术的结构类型。

图11是沿图10中线11-11的一个横剖面图。

图12是一个显示在座位，座位支柱和电池盒间相互关系的放大侧视图，并且分别用虚线和实线说明了在中间位置和电池存取位置的座位。

现在详细参见附图，先看图1和2，依据本发明实施例构成的一个电动助动自行车总体由标记21表示。自行车21包括一个总体由标记22表示的车架总成，车架包括借助于前叉总成25可操纵地轴颈支承前轮24的一个前管23。一个车把26被附加到前叉总成25的上端，其方式为适于前轮24操纵的已知的方式。

车架总成22进一步包括一个向下倾斜的从前管23向后向下伸出并在其下端端接于一个连接件28的主架管27。连接件28已经安装在一个车座支拄29上，在支柱29上以后面将说明的方式连接着一个鞍座形座位31。

连接件28还被连接到传动装置和踏板支承壳体32的上端，踏板支承壳32以后面将说明的方式轴颈支承着一个曲柄轴33，一对曲柄臂34从曲柄轴33上在壳体32的相对侧伸出。踏板35以已知方式被轴颈支承在曲柄臂34的外端。曲柄轴33的转轴大体上横向地被设置在车架总成22上。

一个后轮36为了在车架总成22上转动借助一个后臂37和一对后部撑杆39被轴颈支承，后臂37被连接到一个被适当地附加到壳体32上的托架38上，后部撑杆39从架37的扁平端41伸出并在其上端被连接于车座支柱29上。

曲柄总成，具体地是曲柄轴37，驱动一个被说明的链轮，该链轮进而通过链条42驱动后轮36。链条42被一个链条保护装置43包起来，链条保护器43被附装在车架总成27和在自行车21的一侧的后部撑杆39之一上。

除了人力驱动后轮36之外，自行车21还装备有一个电动助动机构，它包括一个以后面说明的方式被安装在主架管27上并由此保持低重心的电马达43。电马达43由一组装在电池盒45中的电池提供电能，电池盒45以被说明的方式被平行地安装在车座支柱29后边。座位31是从将要说明的方式可移动的，便于在置换和/或维修时装拆电池44。

通过由总体从标记46表示的被安装在主架27的前下方的在电马达43上边的控制器，电池44向电马达43供电。通过一个附加在主管27下边与前管23相邻的主开关控制器46，由电池45提供电能。

很明显，电马达43和控制器46相对于曲柄轴33的向前设置与电池44和电池盒45相对于该轴的向后设置提供了基本上相等的前后平衡，以保持自行车21的稳定性。此外这些部件被安装得相对较低以保持一个低重心而同时又不减少离地高度。

电马达43和控制器46被部分地封装在一个壳体总成48中，壳体总成48由一个上部49和一个下部51以已知的方式相互附装在一起组成。这些部件配有一个开口，通过它控制器46的部分伸出，如图1中括号52所示，以使冷确空气流过控制器46的各部件，这些部件应当保持在较低的温度。

一个链轮53按图2所示的方式或者由曲柄33或者由电马达43驱动并且驱动上述链条42来驱动后轮36。在参照附图4和6-9详细说明该驱动机构之前，该驱动***将参照图3被说明，图3概要地说明了各式各样的部件。正如图3所示，由座在车座31上的乘骑者施加在踏板35和曲柄臂34上的脚踏力通过一个示意地表示在54的单向离合器被传递到链轮53和链条42上。链条42进而以一个示意地显在55的飞轮机构被可驱动地偶合到后轮36上，飞轮机构也可以带有一个单向离合器。

以相同的方式，电马达43驱动一个示意地显示在56的行星传动装置或其它减速传动装置，由传动装置进而还通过一个未示意地显示在57的单向离合器驱动链轮53。控制器46根据提供动力辅助来驱动后轮36的***操纵电马达43，驱动后轮36的辅助动力的量至少部分地依乘骑者作用在踏板35上的力来确定。任何在我的上面提到的几个未决申请的上面提到的发证专利中所述的对策可以被应用。基本上该装置包括一个总体表示为58并且在图中显示为一个方框形式的速度传感器和一个总体表示为59并且也在图中显示为一个方框形式的力矩传感器。因为乘骑者通过一个踏板和曲柄机构作用在上述机构上的力的原因，实际输出力矩将随着曲柄臂34相对于曲柄轴33的轴线的角度关系变化，这是已知的并且在上面提及的未决申请中已被说明。

在说明驱动后轮36的实际实施例之前，现有技术结构的某些类型所伴随的问题之一将特别地参照图5被说明，图5示出一个总体由标记201表示的电马达，它被偶合到一个总体由标记202表示的减速器传动装置上，减速器传动装置202进而被连接到驱动原件的外壳203上，该外壳203就象上述实施例中的外壳总成23。

对于现有技术的结构类型，电马达装配有一个具有一前端面205的外壳204，一个花键输出轴206穿过该前端面205伸出。

马达201的输出轴206被偶合到传动装置202的输入轴(图中未示出)上，以驱从其外壳209的后端面208伸出的输出轴207。外壳209有一个凹槽211，电马达201的前端面必须被装配在其中。因此，有一个马达轴206与传动轴及壳体204与209的对准的问题。

此外，轴207必须与在最终驱动装置壳体203中的轴(未示出)连接，而传动装置壳体209被装入上述驱动装置壳体的凹槽212中。由此，显然现有技术的结构不仅由于几个壳体和部件互相组装给出了一个相当长的结构，而且还显露出数个轴及支承壳体相互对齐的问题。本结构的一个特征避免了上述布置，现在将特别地结合附图4、6和8对其详细说明，其中电马达43及与其一体的减速传动装置被更详细地显示。马达43有一个外壳61，外壳有一个具有后端面62的端板，电马达输出轴63穿过后端面62伸出。在图4中示意地示出的传动装置56在图6和8中被详细说明，它包括许多行星摩擦元件64，这些元件通过中间抗摩擦轴承66被轴颈地安装在支架轴65上。这些行星摩擦元件64以将被说明的方式被紧密的摩擦结合保持在总成中的电马达输出轴63的外圆上。由此将在马达轴63和行星摩擦元件64之间建立驱动关系。

行星摩擦元件64还被结合着固定摩擦轨道环形部件67的筒形内部，该环形部件67有一对通过许多螺纹固定体69附装在马达端面62上的端板68和69。可以理解出在实际总成中，轨道元件67和端板68和69在其总成被装到结构的其余部分上之前被附装到电马达的壳体61上，这将在下面说明。

壳体32由一个附装一个盖板73的第一部件72构成。壳体部件72有一个基本上筒形的部分，它套在轨道环元件67及支架元件74上，支架元件74有许多孔75用来装入支架销65，行星元件64在支架销65上转动。一个球形推力轴承76被设置在马达输出轴63的端部与支架74的前端面之间，以实现轴向对正。

一个小齿轮轴77利用一对球轴承78被可转动地轴颈地支承在壳体构件72上，并且抵着一个推力轴承79，推力轴承79进而抵着支架74的背面。一个单向离合器81被设置在支架部件74的内圆周与小齿轮轴77之间。单向离合离81具有一个允许小齿轮轴77轴向***其中而不产生干涉的形式，而且它在装配后允许驱动从支架部件74传动到小齿轮轴，而不允许小齿轮轴驱动支架部件74。任何已知的单向离合器的形式可以被应用，但一个具体的滚柱形离合器元件将使装置更容易。

通过应用如到现在为止所述的摩擦行星传动装置，能够保证这些元件能被容易地装配和置位。这可以通过首先装配轨道部件67和将端板68和69装配到具有设置在它们之间的摩擦行星元件64的马达壳体61的端部上来做到。然后支架销65可以被***轴承66和摩擦行星元件64中同时***支承支架74。在包括板68和69的装配之后应做的是，轨道环67和摩擦元件64通过螺纹固定件71被安装在马达壳体61上。这种装配形式实质上形成一种强制配合的形式。这样，马达输出轴63的外表面将形成不同元件以彼此为基准的位置。基本上，马达和如此装配的摩擦行星传动装置56能被如此地套在小齿轮轴77上以完成最终的装配，并且这样的总成能够利用螺栓82固定在一起(图4)。

壳体部件72设置于支架74和轴承78后部的位置区域具有一个其中置入踏板总成的曲柄轴33的进一步的空腔。曲柄轴被转动地轴颈支承长空腔中，其两端从室腔中向外伸出以将被说明的方式连接于曲柄臂34。

小齿轮轴77上成型有一个与其一体的小齿轮，该小齿轮与一个环形齿轮83啮合。环形齿轮83进一步被附装在一个轮毂84上，轮毂84利用一个环轴承总成85被轴颈地支承在壳体部件72中。轮毂84利用固定件式铆钉86与小齿轮83相连。链轮53有一个用花键方式与轮毂84的连接，这样当环齿轮83转动时，链轮53将被驱动。曲柄轴33的一端利用抗摩擦轴承88被轴颈地安装在轮毂84中，抗摩擦轴承有一个被设置在其外圆上的油密封89。曲柄轴33的相对端利用另一个环承总成91被可转动地轴颈地安装在壳体总成32的盖部件73中。

一个由标记92总体表示的行星传动装置被用来在曲柄33和环齿轮83之间构成一驱动关系，并且这个连接也包括有一个单向离合器。该单向离合器在图7中被更清楚地示出，并且除了起单向离合器的作用外，它还给出了用于保证单向离合器的不同元件的同轴关系的轴承装置，而且这样避免不得不用分离的轴承元件保持单向离合离的内外环的相互关系。

通常，外部元件利用滚柱式球轴承与内部式驱动元件以转动关系被支承，而这样的轴承和相关联的棘爪元件都总分离的部件，它们必须被组装并且不仅增加了成本还包括装置的尺寸。这样的单向离合器和轴承总成的现有技术的类型被图10和11示出，其中给出一个在内轮毂211和条链轮212一类的外部部件之间的驱动连接。内轮毂211上已转动地附装一个内部部件213，内部部件213枢轴地支承着许多在凹口215内的棘爪214。这些棘爪214被弹簧装置向外常态地偏压入整体成形在链轮212的整体上的接收凹槽216中经构成一个如图2所示的逆时针方向的驱动关系，但允许链轮212在某些条件下超过轮毂211。

球轴承217被置于成形在轮毂211及一个螺纹端头零件218与在链轮212内部之间的滚道中。由此，需要提供一个复杂的总成装置来保持所述的在轮毂211和链轮212间的相对转动的轴，这增加了装置的成本和复杂性。

在图6和7中由于将被说明的结构，显然避开分离的轴承采用总体由标记93表示的单向离合器总成是必要的。该单向离合器总成93包括一个第一或内部元件94，内部元件94上成形有键槽以用来装入曲柄轴33上的突键95，以达到在曲柄轴33与第一元件94之间形成驱动连接。

元件94具有弧形凹口，用来置入总体用标记98表示的棘爪元件的与其弧形互补的柱形部件97。这些棘爪元件98有分叉的指99，其上成形有槽101，槽101对着一个在元件94的外圆上成形的对应的槽102。一个保持弹簧元件103被置入这些槽101和102中，并保持棘爪元件98在其位置上。槽101的形状是这样的，使弹簧103象图7和9所示的那样偏压棘爪98到一个啮合位置。

单向离合器93包括一个第二式外部部件，该部件总体用标记104表示，它具有许多适于接收棘爪98的凹槽105并构成在曲柄轴33和部件104之间的驱动关系。这些棘爪接收槽105是以这样的方式成形的在慢速滑行状态或当踏板向后转时，允许部件104驱动或转动得比单向离合器部件94快。

在槽形槽105之间的区域限定一个弧形柱形表面106。该表面与相应的由部件94的突出部分形成的弧形柱表面啮合，突出部分高出由第一和第二部位108和109形成的凹槽，在凹槽中棘爪98被设置入座口96的相对面上。由于柱形弧面107和106的程度范围，在元件94和104的圆周上虽然小于360°但总有充分的支承配置。这样用于上述相关的支承的分离的轴承的需要被避免，而且全部结构因此被简化。

如图6所示，外部单向离合器元件104带有许多支架销111，在其上行星齿轮112被可转动地轴颈地安装。这些行星齿轮112与轨道部件113的内齿轮啮合，轨道部件113被用固定件或铆钉86随同转动地固定到环齿轮83上。应当注意到，轨道部件113有一个较大的直径，在此其啮合着行星齿轮112的内齿被成形，同时邻近于小齿轮轴77端部处，如图中清楚地示出，保持相对整体总成的较小的外径，使得壳体总成32有一个比曲柄臂34小的外径。

行星齿轮112与轴向地附装在曲柄轴33上并可相对其转动的法兰盘115形成的中心齿轮114啮合。由此，由中心齿轮114，行星齿轮112和轨道环形齿轮113构成的行星传动装置92给出了当踏板作用时在曲柄轴33与链盘53之间的减速，以给出增大的作用力。

中心齿轮114首先起到部分上述以方框形在图3中示出并以标记59表示及以相同的标记在图4和6中示出的力矩传感器的作用。该力矩传感器59包括一个接合元件116，它被附装于一个成于于法兰盘115上的凸缘上117。该接合元件116与附装于轴119的杠杆118啮合，轴119通过一对抗摩擦轴承121轴颈地安装在壳体部件72上。轴119与电位计122的滑动片连接，以给出中心齿轮114的转动角度及相应地乘骑者作用在踏板总成上的力矩的电输出倍号显示。

一个阻尼器123与承靠着板125的一个弹簧124接触，以给出起固定杠杆1.8防止其转动的作用的偏压总成126，并因此给出力矩检测结果。一个可调整止动件127限定杠杆118及中心齿轮114在图4中沿顺时针方向转动的角度。这种力矩传感器的型式也在上述几个未决申请中被提及。

一个电导线128将倍号从力矩传感器59，具体地是电位计122传送到控制器47。

在图3中以方框显示的速度传感器58包括安装在壳体件72中邻近于环形齿轮83的齿的一个磁性元件及关联的线圈。因此，当环齿轮83和链轮53转动时，一个脉冲倍号从速度传感器58通过导体129传送到控制器46，以给出所需的速度倍号来对它控制。

一个小的盖部件131螺纹固定件132附装到盖73的侧边，以保护各种元件保持整个装置的整洁。

壳体部件72配有许多装配固定件的螺栓孔133，以固定驱动总成于车架总成22，具体地是其托架28上。

现有来特别参照图12来说明电池金45的结构及为装取电池44使车座可移动的方法。如上面已提到的，电池盒45被设置在车座支柱29的后边及相对于车轮36靠前的位置。电池盒45是较窄的并且被侧向地装在一对辅助车座管134之间，辅助车座管134被连接到车座支柱29的后面的车架上并成为车架总成22的一部分。

一个电池盒插座135相对于车架总成22被固定并且具有一对插头式电连接件136，它与电池盒45上带的插孔插座137配合啮合，当电池盒45装入插座135时，则完成电连接，如下面说明的。

一个总体由标记138表示的锁定机构配有一个闩销139，它将电池盒45保持在适当的位置上并利用一由141意示显示的金属线连接到总开关47上，以便当总开关47上的键被搬向锁定松开方向。如图1所示逆时针方向时被放开。这样除非乘骑者为了松开的目的嵌入一个在总开关中的键并接上述方向搬动它。否则电池44不能被取出。

电池插座135通过一个弹性支承件142被弹性地安装在车架托架28上。

如图1所示，当车座31被降下时，车座的大部分防碍电池盒更换或取放。一个总体由标记143表示的车座调整和取放总成被给出从能够垂直调整车座34的位置并也允许车座34从图12虚线所示向前转动到一个用来更换电池盒45和更换电池44的取放或检修位置。虽然某些部件在图1中已被示出，而现在上述机构还继续参照图12被说明。

车座31通过一个夹持托架总成从已知的方式被附装到支承管145的上端。支承管145被能沿车座支柱管29限定的轴线移动的滑动地支承并利用一个裂开式夹持器146以公知的方式被锁定在调整好的位置。然而与现有技术不同的是，管145有一个附装到其下端的托架147，它进而由枢轴销148被可转动地连接到一个锁位于车座支柱管29中的稍大一些的托架149上。因此，当夹持托架146被松开时，该机构可以向上滑动到图12中实线所示的位置，其中部件149是处在车座支柱管29的上端。然后车座31及其支柱145绕枢轴销148的转动是可能的，从清洁电池盒并允许以从图中应当能获得的方式更换它。

从上述说明中应当已经很明显，所述结构给出了一个非常有效，紧凑和容易制造的用于象电动助动自行车一样的电驱动车辆的驱动器。该驱动器包括一个改进的电马达，行星传动装置和一个改进的单向离合器。这不再需要附加的轴承。当然，上述说明仅是本发明的一个参考实施例而且已经很清楚电马达传动装置和单向离合器除了已揭示的较好的环境条件外，还可被用于许多其它的环境条件。各种其它的改变和修改可以不脱开本发明的范围和思想而完成，正象在所示的权利要求中所限定的。

Claims (9)

1.一种紧凑的电马达和传动装置***，包括一个具有马达壳体的电马达，该外壳体具有一个所述马达的输出轴穿出的端板，其特征在于，所述***包括许多与所述输出轴的所述伸出部分的柱形圆周摩擦地啮合的摩擦行星元件，一个轴颈地安装所述行星元件并适于被驱动地连接到由所述输出轴驱动的载荷上的支架，及一个固定在所述马达壳体上并与所述行星元件摩擦啮合的轨道环元件。

2.如权利要求1的紧凑的电马达和传动装置***，其特征在于，支架上带有许多销，每个销上各自轴颈地安装着一个摩擦行星元件。

3.如权利要求1的紧凑的电马达和传动装置***，其特征在于，行星传动装置被装入传动壳中，所述传动壳有一个内表面，它被可滑动地置入并支承在轨道环上。

4.如权利要求1的紧凑的电马达和传动装置***，其特征在于，马达传动***驱动一个车轮。

5.如权利要求4的紧凑的电马达和传动装置***，其特征在于，还包括车轮的人力操作装置，感应作用在所述人力操作装置上的力的装置和响应作用在所述人力操作装置上的力操作所述电马达的控制装置。

6.如权利要求5的紧凑的电马达和传动装置***，其特征在于，在至少在人力操作装置及电马达中之一与车轮之间的驱动装置上包括一个单向离合器。

7.如权利要求6的紧凑的电马达和传动装置***，其特征在于，单向离合器被设置在支架及车辆驱动轮的由支架驱动的元件之间。

8.如权利要求7的紧凑的电马达和传动装置***，其特征在于，支架有一个轮毂部分，它确定了一个腔，在其中单向离合器被置入，其中单向离合器与被可滑动地置入其中的从动元件共同工作。

9.如权利要求6的紧凑的电马达和传动装置***，其特征在于，单向离合器进一步提供有一个轴承总成并且由一对元件构成，其中之一确定一个具有许多棘爪接受凹槽和至少一段弧形柱体表面的内部开口，所述元件的另一个带有许多可移动的与用来可转动地偶合所述元件的所述的第一元件的所述棘爪接受凹槽啮合，并且至少第二元件的一段弧形柱表面与所述第一元件的所述弧形柱表面接触，以保持所述元件的转动轴成一直线并用来轴颈地安所述元件使其相对转动。

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