CN1235113A - 电动助动车辅助驱动装置 - Google Patents

Abstract

电动助动车辅助驱动装置包括行星齿轮组、传动伞形轮、辅助马达、感测元件组及控制电路,行星齿轮组的行星臂与脚踏板连接、行星齿轮连接在行星臂枢轴上、太阳齿轮与行星齿轮齿合,环齿环套在行星齿轮外缘并与前传动齿轮盘连接;传动伞形轮与太阳齿轮连接,辅助马达与传动伞形轮成单向传动结构;感测元件组设于可感测到速度的位置,通过感测脚踏板踩踏转速及自行车后轮转速讯号驱动辅助马达运转,以输入适当辅助动力调整后轮运转。

Description

电动助动车辅助驱动装置

本发明涉及车辆驱动装置，尤其涉及一种电动助动车辅助驱动装置。

电动自行车为目前颇为流行的交通代步工具之一，特别是在环保观念普遍深入人心的情况下，电动自行车已颇有逐渐取代机动车，而成为未来轻型代步工具的主流。然而，在电动自行车结构中，最主要的动力来源为诸如电动马达的辅助传动动力源，因此，必须善加控制此一辅助传动动力源的运转，方可使电动自行车在运转和行使操作的过程中，达到人车一体的效果。否则只有徒增电能耗损及增加人员骑乘操作的安全问题。

在一般传统的电动自行车结构中，简单的辅助动力源操控方式是将电动辅助传动动力源装设在自行车前轮或后轮，通过装设在操作把手上的电气开关作为启动电动辅助动力源的控制装置，借以由骑乘者的手动操作来启动该辅助动力源，该辅助动力源的输出功率并未经适当的控制和调整，极易造成无谓的电力浪费。

另，在相关的在先专利文献方面，诸如美国发明专利第5704441号案，公布一种以扭力感测器装设在自行车脚踏板的装置，用以感测脚踏板踩踏力量，以控制辅助动力的马达传给自行车前轮或后轮的辅助动力。这样一来，虽可稍加改善一般电动自行车辅助传动动力未经控制即输出的问题，但其缺点则是在于以脚踏板的扭力大小来作为辅助动力传动***的控制依据，极易因人踩蹋脚踏板的施力角度不同，使得在脚踏板上所产生的扭力时大时小，且该扭力的大小差距过大，易造成辅助马达的输出动力产生时大时小的状况，使该电动自行车在行驶运转的过程中，辅助动力马达的扭力也忽大忽小难以控制，且时有晃动不稳的情况，而徒增多余的电力消耗。

又上述美国专利除了其动力输出不顺畅，影响行驶操作控制外，当使用在一般具有多段变速器的自行车中时，也无法根据不同挡位的转速或扭力辅助需求输入适当的辅助动力的转速及扭力，因而其应用范围受到限制。

本发明的主要目的，在于提供一种电动助动车辅助驱动装置，使该电动自行车可借由脚踏板的踩踏速度及后轮转速状态，以将适当的辅助动力输入该自行车，可使所输入的辅助动力能够平滑顺畅辅助电动自行车运转，达到骑乘省力的效果。

本发明的再一目的，在于提供一种电动助动车辅助驱动装置，其利用脚踏板的踩踏速度及后轮转速，决定所输入的辅助动力大小，而能够配合具有多段变速功能的自行车使用，可依变速挡位不同而产生适当扭力、转速的辅助动力输入自行车作为辅助行驶的动力，进而增加其应用范围。

本发明的又一目的，在于提供一种电动助动车辅助驱动装置，其中，脚踏板传动***及辅助动力***系为个别单独独立的状态，且该辅助动力***仅作为单向的动力传输，故在该电动自行车向后牵引倒车时，不致使辅助动力***逆转产生逆向电流流向控制电路。

本发明的目的是由以下技术方案实现的。

本发明电动助动车辅助驱动装置包括：一行星齿轮组、一传动伞形轮、一辅助马达、多个感测元件组以及控制电路，所述的行星齿轮组包括一行星臂、多个行星齿轮、一太阳齿轮及一环齿轮，其中行星臂是与脚踏板心轴旋转连接，行星臂周缘设有多个枢轴，该多个行星齿轮分别连接在前述行星臂的枢轴上，前述太阳齿轮的中心孔周缘与行星齿轮外缘相互传动齿合，前述环齿轮环套于行星齿轮的外缘，该环齿轮还与自行车的一前传动齿轮盘连接；所述的传动伞形轮，其后端结合有一单向棘轮和中空轴，该单向棘轮与太阳齿轮为传动连接，前述中空轴的前缘设有一缝口，该缝口与行星齿轮组太阳齿轮的缝口相对应，以套接一轴承，再内穿设脚踏板心轴，中空轴外部前缘与前述太阳齿轮穿套；所述的辅助马达，是设于自行车车架的前车架管下方，马达输出转轴连接有一输出伞形轮，该输出伞形轮与前述传动伞形轮呈90度垂直齿合，使该辅助马达与传动伞形轮间构成一单向传动结构；所述的多个感测元件组设于行星齿轮组的行星臂、自行车后轮及可感测到速度的适当位置。

本发明的上述目的还可以通过以下技术措施来进一步实现。

本发明电动助动车辅助驱动装置，所述的行星齿轮组包括一行星臂，该行星臂中心设有一连接孔，该连接孔向外至少设有一键槽，以与一脚踏板心轴上所设的键块配合连接，该脚踏板心轴穿设于一自行车车架的五通管上。所述的控制电路包括三个稳压电路S1、S2、S3、运算电路700、控制器800及功率放大器900，其中三个稳压电路S1、S2、S3分别包括稳压集成电路片U1、U2、U3，运算电路700是由三个运算放大器U4、U5、U6及其周边元件组成，其中运算放大器U4和U5分别连接组成一单独的定比积分网路，而运算放大器U6连接构成一信号相加网路，控制器800包括功率控制集成电路片U7，功率放大器900由晶体三级管Q1、Q2和闸流管Q3构成，受控制器800输出的功率控制信号控制，前述运算电路700中运算放大器U6的输出端接控制器800中功率控制集成电路片U7的输入端。

本发明的具体结构由以下实施例及其附图详细给出。

图1是本发明的分解结构立体示意图

图2是本发明的结构剖视示意图

图3是本发明的动力传动控制***示意图

图4是本发明控制电路的详细电路图

图5A是本发明的行星齿轮、太阳齿轮以及行星臂的扭力动作示意图之一

图5B是本发明的行星齿轮、太阳齿轮以及行星臂的扭力动作示意图之二

图6是本发明应用实例示意图之一

图7是本发明应用实例示意图之二

参阅图1、图2所示，本发明电动助动车辅助驱动装置，包括一行星齿轮组100、一传动伞形轮400、一辅助马达500、多个感测元件组以及控制电路，所述的行星齿轮组100包括一行星臂10、多个行星齿轮20、一太阳齿轮30及一环齿轮40，其中行星臂10中心设有一连接孔11，该连接孔11向外至少设有一键槽111，以与脚踏板心轴A上所设的键块1A配合连接，该脚踏板心轴A穿设在一自行车车架B的五通管B1上，使行星臂10可被连接在脚踏板心轴A两端的脚踏板2B的踩踏带动旋转，该行星臂10的周缘设有多个枢轴12；多个行星齿轮20分别连接在行星臂10的枢轴12上，以随行星臂10的转动而作圆周轨迹的绕行运转；太阳齿轮30的中心孔31周缘至少凹设一键口311，并与行星齿轮20外缘衔接齿合，呈相互传动的结构；环齿轮40紧密环套于行星齿轮20的外缘，而被行星齿轮20的圆周运转轨迹的带动旋转，且在周缘设有数孔41，用数螺栓2A穿锁在自行车的一前传动齿轮盘200周缘的螺孔210，使环齿轮40与前传动齿轮盘200连接；前传动齿轮盘200(chain wheel)，是脚踏动力的传动元件，可装入链条300来传动脚踏车的后车轮C运转(图6、图7所示)；传动伞形轮400，其后端结合有一单向棘轮410和中空轴420，能够作单方向的传动旋转，中空轴420的前缘适当位置设有一缝口421，该缝口421与行星齿轮组100的太阳齿轮30的缝口311相互对应，以在中空轴420外部套接一轴承D，与前传动齿轮盘200中心穿套，中空轴420内部套设一轴承D′，与脚踏板心轴A穿套，中空轴420外部前缘与太阳齿轮30穿套，并通过一连接键块430置入该对应吻合的键口311及键口421中，使太阳齿轮30与中空轴420相互连接，而受传动伞形轮400的单向传动；一辅助马达500，是通过一连接板510连接在自行车车架B的前车架管3B周缘所设的耳4B上，而固设在前车架管3B下方，该辅助马达500为直流马达与减速器的总成，并在输出转轴520上连接有一输出伞形轮530，该输出伞形轮530与传动伞形轮400呈90度垂直齿合状态(图2所示)，以使该辅助马达500可与传动伞形轮400间构成一单向传动结构，即当辅助马达500在不通电时，借以锁死中空轴420，让太阳齿轮30也无法转动，使脚踏板2B充分有效运转。

以上图1、图2所示，是本发明电动助动车辅助驱动装置的结构实施图样，此结构实施图仅为本发明便于说明所列举的较佳实施例之一，并不因而拘限其范畴。

参阅图3所示，其显示本发明电动助动车辅助驱动装置的动力传动控制流程及***架构，其中的中空箭头方向所示，为机械动力的流程，它包含两个传动路径，其一为传统的脚踏板2B踩动时所产生的动力流程，即经由行星齿轮组100的行星臂10带动环齿轮40，再经一后车轮变速器E而传动后车轮C运转；另一为机械动力传动流程，即为辅助马达500传动行星齿轮组100中的太阳齿轮30，再传动环齿轮40，并再经后轮变速器E传动后车轮C运转。以上所示的两种动力传动流程在单一方向(即正转前进)传动的过程中，是允许同时存在的，即后车轮C可同时接受脚踏板2B踩踏的动力及该辅助马达所提供的辅助动力，同时驱动向前正向运转前进。

参阅图3所示，其实心线箭头所指的方向，是电子控制信号的传递流程，包括三条路径，其一为由一感测元件组600开始，该感测元件组600是极普通的市售产品，一般由马达、光电开关、磁簧开关、接近开关、霍尔IC等具有计速功能的部件构成，且装设在该行星臂10上，可感测检出行星臂10的转速，即脚踏板2B的踩踏速度，并经一信号定比放大线路K，将信号定比放大一K值比例(常数值，其值大小及计算方式在后说明)产生一输入控制信号Er，该输入控制信号Er输入一运算电路700中；另一电子控制信号的传递路径，是由另一感测元件组600′开始，该感测元件组600′形态与感测元件组600相同，且装设在后车轮C上，可感测检出后车轮C的转速，并将此反馈信号Eh反馈(feed back)输入运算电路700中；再一电子控制信号的传递路径，由运算电路700开始，该运算电路700根据感测元件组600及感测元件组600′两者所分别提供的输入控制信号Er及反馈信号Eh加以运算后，产生一误差信号Ec，并将误差信号Ec送入一控制器800中，由该控制器800根据误差信号Ec值，调整输出控制信号Es的值，并经一功率放大器900放大后，再驱动控制辅助马达500运转，使该辅助马达500可再经由上述机械动力传动流程及***，输出辅助动力至后车轮C，并经由感测元件组600′以电子反馈信号Eh反馈至运算电路700中，计算出误差信号Ec，以使控制器800调整辅助马达500精确输出扭力和转速至原先规划设计的目标，也即借由这一具有自动反馈调整的闭回路控制***，达到本发明电动助动车辅助驱动装置精确控制电动自行车动力输出的目的。

参阅图4所示，其为本发明电动助动车辅助驱动装置的控制线路结构，其中，包括数个稳压电路S1、S2以及S3，主要是由稳压ICU1、U2及U3构成，以提供三种不同电压的工作电源V+、V1及V-。如图3所示的运算电路700，主要由三个运算放大器U4、U5及U6构成，该运算放大器U4及U5所连接组成的网路分别为一单独的定比积分网路，以供图3所示的输入控制信号Er及反馈信号Eh输入，运算放大器U6连接构成一信号相加网路，以将输入控制信号Er及反馈信号Eh运算处理后，由运算放大器U6的输出端输出成为上述图3中所示的误差信号Ec。

图3所示的控制器800，包括一个功率控制集成电路片U7，其中，误差信号Ec经一限流电阻器R送入功率控制集成电路片U7的输入端IP，由该功率控制集成电路片U7依据所送入的误差信号Ec，从输出端OP输出功率控制信号到功率放大器900。

图3所示的功率放大器900是由三极管Q1、Q2以及闸流管Q3构成，受控制器800输出的功率控制信号控制，予以控制所连接的辅助马达500负载的输出扭力、转速等功率大小，以达到本发明可借由脚踏板2B的踩踏速度及后车轮C的运转速度，来调整辅助马达500输出适当功率大小辅助动力的***控制目的。

另外，值得一提的是，在辅助马达500的两端跨接有一自由轮(free wheel)二极管D1，可确保辅助马达500在断电后，导引因电感性负载放电电压的逆电流，不致使其他电路元件受损。

以上图4所示本发明的实际电路结构，是本发明为便于说明控制原理及其可实施性，其实施例仅为便于说明之用，并不足以限制本发明的范畴。本实施例控制电路中各集成电路片所采用的型号分别为，U1:NS7805,U2:NS7810,U3:NSLTC111-5,U4:NSLM1111U5:NSLM1111,U6:NSLM1111,U7:NSLM3524。

参阅图5A、图5B所示，上述图1至图4所示的是本发明的控制***及电路结构图，图5A、图5B将用以说明本发明的控制原理及设计原则，借以进一步印证上述图1至图4所示的控制***及电路结构的构成。首先，图5A所示，说明行星齿轮组100中的行星臂10、行星齿轮20及太阳齿轮30间的输出力矩(扭力)及转速间的关系，其中，Wa表示行星臂10的转速；Wp表示行星齿轮20的转速；Ws表示太阳齿轮30的转速；Wr表示环齿轮40转速；Wb表示后车轮C的转速；Ta表示行星臂10的转动力矩；Tp表示行星齿轮20的转动力矩；Ts表示太阳齿轮30的转动力矩；Tr表示环齿轮40的转动力矩；Rs表示太阳齿轮30的半径；Rp表示行星齿轮20的半径；fap表示行星臂10对行星齿轮20的作用力；fpa表示行星齿轮20对行星臂10的作用力；fsp表示太阳齿轮30对行星齿轮20的作用力；fps表示行星齿轮20对太阳齿轮30的作用力；frp表示环齿轮40对行星齿轮20的作用力；fpr表示行星齿轮20对环齿轮40的作用力；Ns表示太阳齿轮30的齿数；Nr表示环齿轮40的齿数；Nf表示前传动齿轮盘200的齿数；Nb表示后车轮变速器E的齿轮齿数。

由(1)式中说明欲得环齿轮40的输出转速，即Wr，与行星臂10转速Wa，即脚踏板2B的脚踏转速，以及太阳齿轮30转速Ws，即辅助马达500的辅助动力转速，有着一定的关系式。

Ts=Rs×fsp

Ta=(Rs+Rp)×fap

Tp=(Rs×fps)+(Rs+Rp)×fpa

由上列三式各推得Ts+Ta+Tp′=0                  (2)式

其次，在图5B所示，显示行星齿轮20与环齿轮40间的转速及转动力矩的关系，其中：

Tr=(2Rp+Rs)×frp

Tp²=(2Rp+Rs)×fpr

由以上两式得到Tr+Tp²=0             (3)式故由第(2)式+第(3)式得到下列关系式：

Ts+Ta+Tp′+Tp²=0                   (4)式

又Tp′+Tp²=Tp=0，因行星齿轮20在本发明中有转速，但无力矩，其作用相当于随轮只作传动，并不作功，故将该式代入第(4)式中，即可得到下列第(5)式：

Ts+Ta+Tr=0                                         (5)式

此外，由能量守恒定理中，输入功率与输出功率的总合为零，故也可再推得下式：

(TsWs+TaWa)+TrWr=0                                 (6)式

再将第(5)式乘上行星臂10转速Wa得下列第(7)式：

TsWa+TaWa+TrWr=0                                   (7)式

将第(6)式减去第(7)式化简，可得：

Ts(Ws-Wa)+Tr(Wr-Wa)=0移项成为分式后得：

比较第(1)式可得： $\frac{\mathrm{Ts}}{\mathrm{Tr}}=\frac{\mathrm{Ns}}{\mathrm{Nr}}$ 故由此力矩与齿数呈定比的关系，可得：Ts∶Ta∶Tr=Ns∶-(Ns+Nr)∶Nr                     (9)式故由第(9)式所得的结果，可得太阳齿轮30的转动力矩Ts与行星臂10的转动力矩Ta间为某一固定比例的关系，换言之，也就是脚踏板2B输入的踩踏力矩与辅助马达500的输入辅助动力力矩也呈某一固定比例关系。

因此，以上列所推得的转动力矩、齿轮齿数及转速间的关系式，可借以作为图3、图4所示的控制***、线路结构和控制器800设计的依据，其中：Wb=K×Wa(10)式，K为常数。而考虑本发明应用于后车轮变速器E的电动自行车的状态，则： $\mathrm{Wb}=\frac{\mathrm{Nf}}{\mathrm{Nb}}\mathrm{Wr},$ 代入第(10)式，得

将第(11)式代入上列第(1)式，并化简得： $\mathrm{Ws}=\[1-\frac{\mathrm{Nr}}{\mathrm{Ns}}\×(K\×\frac{\mathrm{Nb}}{\mathrm{Nf}}1)\]\×\mathrm{Wa}$ 令 $\mathrm{As}=\[1-\frac{\mathrm{Nr}}{\mathrm{Ns}}\×(K\×\frac{\mathrm{Nb}}{\mathrm{Nf}}-1)\],$ As为常数。即得Ws=As×Wa                              (12)式也即由第(12)式中可得辅助马达500的输出转速(Ws)与脚踏板2B所输入的转速(Wa)是成正比关系，其比例关系可由前传动齿轮盘200与后车轮变速器E的齿轮齿数之比，即Nb/Nf，也就是变档档位来改变之，进一步可再推导Nb/Nf的比例越大，档位越低，则该As值变大，太阳齿轮30的转速Ws也越大，相对地，辅助马达500输出的助动转速也就越高。

因此，在上述各点中所提到的K值，诸如图4中所示的K值，可依上述所推导的第(12)式来求出，并由后车轮C转速Wb，即电动自行车的行驶速度来设计，例如：(Ⅰ)若车速在15公里/小时以下的低速行驶状态，输入1∶1定值的辅助动力，则K值为： $K=1+\[(1-\frac{\mathrm{Ta}}{\mathrm{Ts}})\×\frac{\mathrm{Ns}}{\mathrm{Nr}}\]$ (Ⅱ)若车速在15至24公里/小时范围中速行驶，输入的辅助助动动力值为斜率为负值的下降递减直线函数，则K值为： $K=1+\[(1-\frac{1-\mathrm{Wb}-15/9}{\mathrm{Ts}}\×\mathrm{Ta})\×\frac{\mathrm{Ns}}{\mathrm{Nr}}\]$

故可由太阳齿轮30的齿数Ns及环齿轮40的齿数比，代入上述已设的(Ⅰ)、(Ⅱ)式中，可获得相对的K值，诸如Ns=8，Nr=21的状态，由第(9)式的关系得：Ts∶Ta=8∶(-29)代入第(Ⅰ)、(Ⅱ)中，分别得到：(a)Wb=0至15时，k=58/21=2.761。(b)Wb=15至24时，如Ws=18,K=145/63=2.301(c)Wb=＞24时，K=0,Ws=0，即辅助马达500不提供任何辅助转速及动力。

由以上的计算结果，可得到稳定且自动调整的辅助动力，即由骑乘者以脚踩踏脚踏板2B的速度及后车轮C转速Wb两者的差，自动以辅助马达500输入辅助动力进行调整，而使骑乘者达到事半功倍的功效，并进而提高电动助动车的行驶效率。

参阅图6和图7所示，由图1至图5B所示本发明的电动助动车辅助驱动装置，在实际应用和实施上，可配合各种后车轮变速器E来实施，诸如图4所示的后车轮变速器E为一般常见的多段变速齿轮盘的形态，是通过链条300与前传动齿轮盘200连接构成，可由各变速齿轮齿数(Nb)与上述前传动齿轮盘200的齿数比，而使辅助马达500的输入辅助动力的大小有所依据。但也可依骑乘者变档操作习惯的不同，而根据上述所推导的各参数计算原理，随意设计各种变速档行驶时的辅助马达500输入的转速及力矩大小，其为线性(LINER)关系，可使电动自行车的运转更加顺畅及达到人车一体的效果。如图7所示，后车轮变速器E为多段内变速型态的变速器构成，也具有多段变速的功能，但并无齿轮盘的设置，相同地，也可由内变速比的原理及参数值达到与图6相同的辅助马达500输入辅助动力的设计目的及效果，进而益增本发明的产业利用价值和应用范围。

除此之外，本发明的再一特点，是在于该辅助马达500的输出伞形轮530和传动伞形轮400间是呈单向的传动结构，也即在该传动伞形轮400上设有一单向棘轮410，使本发明整体结构应用于电动自行车时，不会因向后牵车退后，而使该辅助马达500也产生逆转及逆电流，可确保图4的控制电路中各部件不致受到损坏。

综上所述，本发明的电动助动车辅助驱动装置，确实对电动助动车的行驶控制及辅助动力的输入控制，具有自动精确调整的功效，且可随骑乘者的踩踏速度及变速变档操作状态，来决定输入的辅助动力大小，而使本发明达到电动自行车与骑乘者人车一体的目的，实符合发明专利的要件。

Claims (3)

1、一种电动助动车辅助驱动装置，其特征在于，其包括：一行星齿轮组、一传动伞形轮、一辅助马达、多个感测元件组以及控制电路，所述的行星齿轮组包括一行星臂、多个行星齿轮、一太阳齿轮及一环齿轮，其中行星臂是与脚踏板心轴旋转连接，行星臂周缘设有多个枢轴，该多个行星齿轮分别连接在前述行星臂的枢轴上，前述太阳齿轮的中心孔周缘与行星齿轮外缘相互传动齿合，前述环齿轮环套于行星齿轮的外缘，该环齿轮还与自行车的一前传动齿轮盘连接；所述的传动伞形轮，其后端结合有一单向棘轮和中空轴，该单向棘轮与太阳齿轮为传动连接，前述中空轴的前缘设有一缝口，该缝口与行星齿轮组太阳齿轮的缝口相对应，以套接一轴承，再内穿设脚踏板心轴，中空轴外部前缘与前述太阳齿轮穿套；所述的辅助马达，是设于自行车车架的前车架管下方，马达输出转轴连接有一输出伞形轮，该输出伞形轮与前述传动伞形轮呈90度垂直齿合，使该辅助马达与传动伞形轮间构成一单向传动结构；所述的多个感测元件组设于行星齿轮组的行星臂、自行车后轮及可感测到速度的适当位置。

2、根据权利要求1所述的电动助动车辅助驱动装置，其特征在于，所述的行星齿轮组包括一行星臂，该行星臂中心设有一连接孔，该连接孔向外至少设有一键槽，以与一脚踏板心轴上所设的键块配合连接，该脚踏板心轴穿设于一自行车车架的五通管上。

3、根据权利要求1所述的电动助动车辅助驱动装置，其特征在于，所述的控制电路包括三个稳压电路S1、S2、S3、运算电路700、控制器800以及功率放大器900，其中三个稳压电路S1、S2、S3分别包括稳压集成电路片U1、U2、U3，运算电路700是由三个运算放大器U4、U5、U6及其周边元件组成，其中运算放大器U4和U5分别连接组成一单独的定比积分网路，而运算放大器U6连接构成一信号相加网路，控制器800包括功率控制集成电路片U7，功率放大器900由晶体三级管Q1、Q2和闸流管Q3构成，受控制器800输出的功率控制信号控制，前述运算电路700中运算放大器U6的输出端接控制器800中功率控制集成电路片U7的输入端。

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