电动辅助脚踏车的制作方法

1.本发明涉及电动辅助脚踏车。


背景技术：

2.脚踏车有多种形式。脚踏车的一个常规形式为仅由骑车人对踏板施加力来一直驱动，此类自行车有时称为“推动自行车”。脚踏车的另一种较新的形式为电动辅助脚踏车，目前通常称为“电动自行车”，其中电力用于辅助或代替骑行者的力。常规脚踏车和电动自行车都可具有两个、三个或四个车轮，且在一些情况下甚至更多。在本文档中，术语“脚踏车”用于包含常规脚踏车和电动自行车两者。
3.如所提及，在电动自行车中，电力用于辅助或在一些情况下代替骑行者的力。因此，电子自行车包含用于存储电能的构件，例如电池，和布置成与踏板输入组合或代替踏板输入推进的电动机。电池可通过将其插入到电能供应器(例如，市电电源的插座)中进行再充电；在一些情况下，还通过借助于再生制动从自行车的运动中恢复能量，而在其他情况下，通过串联混合配置产生电力。本技术领域的技术人员将熟悉再生制动的原理。
4.因此，骑车人骑电动自行车所需的总体的力通常低于常规自行车，或者根本不需要。电动自行车可以放入两组中的一组。
5.第一组是自行车可在任何时间按需要提供电力辅助，无论骑车人是否踩踏板。此组中的自行车可以被认为通常等同于电动助力车。电池放电时，踏板输入可能很少使用或仅作为“跛行回家”功能。第二组中的自行车仅在骑车人踩踏板时提供电力辅助。这些被称为“电单车”。
6.目前，在包含英国在内的所有欧盟国家和许多其它国家/地区，电单车在法律上实际上归类为常规自行车，因此可以在没有驾驶许可证或保险的情况下骑行，从而提供限速为25kph的电力辅助(但限速为45kph的单独类别的“速度电单车”有许可证和保险要求)。因此，拥有和操作电单车几乎没有障碍。
7.近年来，机电驱动布置和用于电动自行车中的相关的能量存储和恢复装置已取得技术进步。这些进步已使得骑车人可以更高效地且因此更容易操作电动助力。
8.由于上文给出的所有原因，电动自行车在全世界变得越来越受欢迎。
9.借助于背景，读者可参考我们的pct公开案wo2010/092345、w02017/021715和w02018/020259，其中提供关于电动自行车的大量信息。特别参考无极变速器(cvt)在电单车中的使用。
10.cvt在电单车中的使用是最近的且其特征在于具有明显的易用性优势。然而，鉴于电单车早期采用了直接驱动系统，因此需要调整cvt的骑行感觉使其行为和感觉类似于直接驱动，这已成为标准。这涉及修改cvt的机械配置以在启动和高扭矩需求情况下提供额外的增压能力。随后出现关于以受控且平稳的方式接通和切断额外电力辅助的问题。
11.本发明的优选实施例旨在提供电单车及其驱动系统，其中可以可预测和可重复的方式提供电力增压，以便为骑行者提供尽可能自然的骑行体验。本发明的实施例在cvt传输
中使用3分支动力组合周转传输装置(两个输入和一个输出)时可能特别有效。
12.虽然本发明的优选实施例涉及仅在骑车人踩踏板时提供电力辅助的电单车，但还可在骑车人不踩踏板时可选地提供电力辅助。


技术实现要素：

13.根据本发明的一个方面，提供一种用于电动辅助脚踏车的驱动系统，所述系统包括：
14.输入，其在使用时从自行车的踏板接收驱动且围绕轴旋转；
15.输出，其在使用时围绕所述轴旋转以将驱动提供到自行车的驱动轮；
16.电机，其在使用时将电动机驱动提供到所述输出；以及
17.驱动系，其在使用时从电机和踏板接收驱动且将驱动传输到所述输出：
18.其中：
19.驱动系包括第一周转齿轮组和第二周转齿轮组：
20.周转齿轮组中的每一个包括太阳齿轮、行星架、多个行星齿轮和环状齿轮，行星齿轮安装在行星架上且与太阳齿轮和环状齿轮两者啮合，且环状齿轮连接到所述输出以在使用时与所述输出一起旋转：
21.两个太阳齿轮经连接以由电机驱动：
22.在使用时第一周转齿轮组在其行星架处于固定位置的情况下将驱动从其太阳传输到其环状：且
23.在使用时第二周转齿轮组经由其行星架将驱动从踏板传输到其环状。
24.优选地，驱动系统进一步在第二周转齿轮组的行星架与环状之间包括单向离合器，以防止第二周转齿轮组的行星架比环状旋转地更快。
25.优选地，自由轮机构可在自行车的踏板和驱动轮之间操作。
26.优选地，电机配置成选择性作为发电机或电动机地操作，且系统进一步包括交替地将电机作为发电机操作第一时段且随后作为电动机操作第二时段的控制器，控制器根据发电机输出获得施加于内轮毂处的扭矩的指示，且随后根据所指示的扭矩将电力施加到电动机。
27.如上所述的驱动系统可位于自行车的中间位置处，其中所述轴是踏板的旋转轴。
28.如上文所述的驱动系统可位于自行车的驱动轮的轮毂处，其中所述轴是驱动轮围绕其旋转的轮轴的轴。
29.所述驱动轮可为自行车的后轮。
30.第一周转齿轮组的太阳齿轮和第二周转齿轮组的太阳齿轮可设置为共同的太阳齿轮。
31.第一周转齿轮组的太阳齿轮和第二周转齿轮组的太阳齿轮可为单独的齿轮，所述齿轮中的一个经由单向轴承连接以接收所述电动机驱动，以促进向后推动自行车。
32.优选地，第一周转齿轮组和第二周转齿轮组具有不同的传输比。
33.第一周转齿轮组和第二周转齿轮组可安置在电机的相对侧处。
34.第一周转齿轮组和第二周转齿轮组可安置在电机的同一侧处。
35.本发明延伸到具有根据本发明前述方面中的任一个的驱动系统的电动辅助脚踏
车。
36.这种电动辅助脚踏车优选的是仅在骑车人踩踏板时提供电力辅助的电单车。
37.可选地，电力辅助在骑车人踩踏板和在骑车人不踩踏板时均可用。
38.可能会提供一种节流控制，骑车人可通过所述节流控制施加或叠加所需的电力辅助量。
39.在另一方面，本发明提供一种操作此类电动辅助脚踏车的方法，其包括以下步骤：通过所述电机且经由所述第一周转齿轮组将电动机驱动提供到自行车的驱动轮，以及经由所述第二周转齿轮组将踏板驱动提供到自行车的驱动轮。
附图说明
40.为更好地理解本发明且展示其实施例如何实现，现将借助于实例参考随附图式，在附图中：
41.图1为电单车的侧视图；
42.图2为用于电单车的驱动系统的主要截面图；
43.图3说明第一周转齿轮组的齿轮的运动；
44.图4说明第二周转齿轮组的齿轮的运动；
45.图5为用于电单车的替代驱动系统的主要截面图；
46.图6为用于电单车的另一替代驱动系统的主要截面图；且
47.图7为展示图2的驱动系统可如何在不同条件下参考连续时间单位操作的实例的表。
具体实施方式
48.在图中，类似参考表示类似或对应的部分。
49.应理解，在以下所描述和/或在图中所说明的各种特征是优选的但并非必需的。所描述和/或所说明的特征的组合不被视为唯一可能的组合。除非相反地陈述，否则在所附权利要求书的范围内，在可行的情况下，个别特征可省略、改变或以不同组合进行组合。
50.图1展示呈自行车10形式的电单车。自行车10类似于常规自行车，在前部具有可转向轮20，在后部具有可驱动轮30。自行车10还具有在曲柄臂50上的踏板40的传统布置，所述曲柄臂50驱动通过链条70连接到后链轮80的前齿齿轮60，后链轮与后轮30同轴安装。然而，自行车10与常规自行车的不同之处在于后链轮80没有固定地安装到后轮30的轮毂100以直接驱动车轮。替代地，后链轮80将骑行者的动力输入提供到安置在轮毂100内的驱动系统。
51.控制外壳90和电池外壳92装配到自行车10的车架上。
52.驱动系统安装在轮毂100内且参考图2描述如下。为了易于解释，轮毂100在下文中称为外轮毂100且提供系统的输出。外轮毂100通常通过辐条或任何其它连接件连接到后轮30的外侧以向后轮30提供驱动力。
53.如上文所提及，链轮80不像常规自行车那样直接连接到外轮毂100。替代地，所述链轮80连接到安装在轴承上以围绕固定到自行车车架的固定轮轴1旋转的内轮毂2(未在截面中展示)。如在许多常规自行车上发现，链条轮80并入有自由轮机构。外轮毂100通常为圆柱形且经由单向离合器k安装在内轮毂2上的第一端处。外轮毂100的相对端借助于轴承101
安装在轮轴1上。外轮毂100和内轮毂2可围绕共同轴旋转，所述共同轴为轮轴1的轴。
54.可作为电动机操作的电机包括固定安装在轮轴1上的定子5和安装在分体轴杆7a、7b(未在截面中展示)上的转子6，所述分体轴杆7a、7b安装在合适的轴承上以围绕轮轴1旋转。第一周转齿轮组ep-1将轴杆7a连接到外轮毂100。第二周转齿轮组ep-2将轴杆7b连接到外轮毂100。轮轴1为中空的且容纳缆线以将控制器91(和电池93)连接到驱动系统的组件。
55.在一个变化形式中，单向离合器可安装在转子6与分体轴杆7b之间，以如果在箭头a的方向上看，转子6被迫顺时针运行，那么使得分体轴杆7b能够与转子6分离。
56.第一周转齿轮组ep-1包括安装在电动机5、6的一侧处的轴杆7a上的太阳齿轮11、安装在行星架13上的三个行星齿轮12和固定到外轮毂100上的环状齿轮或齿圈14。行星架13经由单向离合器v连接到轮轴1。周转齿轮组ep-1因此提供电机的转子6与外轮毂100之间的驱动。
57.第二周转齿轮组ep-2包括安装在电动机5、6的另一侧处的轴杆7b上的太阳齿轮21、安装在行星架23上的三个行星齿轮22和固定到外轮毂100上的环状齿轮24。行星架23连接到内轮毂2，以与其一起旋转。周转齿轮组ep-2因此提供电机的转子6与外轮毂100之间的驱动。其还提供链轮80与外侧轮毂100之间的驱动。
58.第二周转齿轮组ep-2经由链轮80和行星架23将来自踏板40的物理力转化成后轮30的运动。单向离合器k防止行星架23比环状24和外轮毂100旋转得更快。
59.参考图3，来自转子6的电动机驱动用于通过顺时针驱动太阳齿轮11来提升速度(如在箭头a的方向上从图2的左手侧看)。行星架13也将倾向于顺时针旋转，但其经由离合器v固定到轮轴1，这允许行星架13仅在逆时针方向上旋转。因此，行星齿轮12逆时针旋转，导致环状齿轮14且因此外轮毂100在行驶方向上逆时针旋转。
60.参考图4，在外轮毂100且因此环状24静止时，行星架23的旋转导致行星22的逆时针旋转，因此倾向于使环状24和外轮毂100在行驶方向上逆时针旋转。同样，如果太阳21由转子轴杆7b顺时针驱动，那么其导致行星22的逆时针旋转且因此导致环状24和外轮毂100的逆时针旋转。
61.由骑行者从踏板40输入的动力经由链轮80传输到行星架23，且因此传输到外轮毂100以驱动后轮20。来自转子6的电动辅助经由太阳21供应。ep-2由此提供无级变速器(cvt)。此类cvt的实例在上文所提及的我们的wo公开案中给出。
62.在关闭后，由ep-1提供电力增压。当行星架13被锁定时，将直接驱动从转子6提供到太阳11，且由此通过齿轮系到外轮毂100。在需要时，电力增压也在其它时间可用，例如，爬山。在踏板停止和/或应用自行车10的制动器时，检测到此情况，且控制器91停止对电动机5、6的电力供应。
63.图7包含展示图2的驱动系统可如何在不同条件下参考连续时间单位1到7操作的实例的表1。双工曲柄速度传感器(例如，霍尔传感器)连接到控制器91。ep-1的传输比为1:5
‑‑
即转子6的角速度m是外轮毂100的角速度n的5倍。ep-2的典型传输比为1:8
‑‑
即转子6的角速度m是外轮毂100的角速度n的8倍。
64.系统在m/8《n《＝m/5之间具有缓冲区，且在这个缓冲区内，电动机5、6可增压，而ep-2的架23是自由旋转的，或将额外动力添加到系统，直到环状/轮毂部件100速度超过ep-1架13。
65.通过采用控制器91对其作出响应的扭矩传感器，电动机可从静止和增压开始直到轮毂100超过ep1-1为止。
66.图2的设计的优点在于通过连接到固定轮轴1使架ep1接地的离合器v实际上为曲柄后退防止器，其可消除曲柄50通过电机5、6向后转动的风险。另一优点为爬山可能比先前所提议的cvt驱动好得多。又另一优点为对轮毂100的扭矩增加不集中在一侧上。所说明的配置允许以并行模式推动自行车10，而不阻塞轮毂100。在推动的同时，可提供一些电动机辅助。举例来说，根据eu中的规定，在推动电单车的同时，推动车辆的人可使用助行按钮来激活电动机以向他/她提供额外扭矩，最高可达6km/h的自行车速度。
67.作为一个选项，电机5、6可配置成作为发电机或电动机选择性地操作，且控制器91交替地将电机5、6作为发电机操作第一时段且随后作为电动机操作第二时段，控制器91根据发电机输出获得施加于内轮毂2处的扭矩的指示，且随后根据所指示的扭矩将电力施加到电动机5、6。此类布置公开在我们的公开案w02017/021715中。
68.图5说明以与图2的驱动系统类似的方式操作但具有不同物理配置的驱动系统。
69.在图5中，定子5安装到门式结构200，所述门式结构200固定到轮轴1且因此保持静止。转子6安置在定子5内且安装到轴杆7b，所述轴杆7b如前所述安装在合适的轴承上以用于围绕轮轴1旋转。两个太阳齿轮11、21都安装在轴杆7b上，且因此随着转子6旋转。在图5中，第一行星架13经由单向轴承或离合器v连接到静止门式结构200，且因此连接到
‘
地面’。轴承设置在门式结构200的右手侧(如可见)，以与轴杆7b啮合。
70.应了解，图5的驱动系统具有大体上对应于图2中展示的组件的组件，且其以类似方式操作。因为两个周转齿轮组ep-1和ep-2紧邻彼此而定位，所以其可共享共同的延伸的太阳齿轮而不是两个单独的太阳齿轮11、21。图5的配置可能非常适合用作自行车的后驱动轮的轮毂。
71.在使用图5所示的装置作为后轮轮毂驱动单元的配置中，骑行者可能会时不时地向后推动他的车辆，在此期间太阳齿轮11和21将被迫逆时针转动(如在a方向上所观察到)。因为ep-1和ep-2的基础比率可能不同，所以太阳齿轮中的一个在理论上可具有与另一个不同的速度。然而，当它们耦合时，具有不同的旋转速度可变得不可能，使得在向后推动自行车时轮毂会被阻塞，且车轮会在路面上打滑。为了防止这种不方便和不自然的现象发生，太阳齿轮可保持分离且太阳齿轮中的一个可并入有一个单向轴承，以在逆时针方向上将其解耦，从而可自由地向后推动自行车。
72.图6中所展示的驱动系统也以与图2和5的系统类似的方式操作。然而，图6的变型配置为用作围绕连接两个踏板曲柄50的主轴的中心或中间驱动位置。
73.来自踏板40的驱动经由其行星架23传输到ep-2，在这种情况下，所述行星架23固定到与踏板曲柄50一起旋转驱动的轴杆150。因此轴杆150提供输入。
74.电动机5、6具有安装到外壳130的定子5，所述外壳130在140处固定到自行车的车架。外壳130在一端处具有与轴杆150啮合的轴承101，和在另一端与输出部件100啮合的轴承103，所述输出部件100又安装在与轴杆150啮合的轴承上且提供输出。输出部件100和轴杆150可围绕共同轴旋转，所述共同轴为踏板曲柄50的旋转轴。外壳130具有中间壁131以形成围绕电动机5、6的壳体。
75.转子6安装在输出轴杆7上，所述输出轴杆7又经由轴承安装在轴杆150上。ep-1和
ep-2共同的共同太阳齿轮121安装在轴杆7上。第一行星架13经由单向离合器或轴承v连接到外壳130的中间壁131，其在一个方向上将离合器或轴承v接地。两个环状齿轮14、24都连接到共同的输出部件100。单向离合器k在第二行星架23与共同输出部件100之间是有效的。
76.在使用时，来自踏板曲柄50的输入经由其行星架23施加到ep-2。电动机驱动经由共同太阳齿轮121提供到ep-1和ep-2两者。来自输出部件100的驱动经由链轮60传输到驱动轮，所述链轮60通常经由自由轮机构连接到驱动轮上的驱动链轮。
77.除了配置上的变化之外，图6的驱动系统以与图2和5的驱动系统类似的方式操作。然而，其更适合于定位为邻近于踏板曲柄50和其连接主轴的中心或中间驱动。
78.本发明的实施例的特别感兴趣的特征包含以下。双头太阳齿轮(或并联的两个太阳齿轮)意味着一个电动机同时驱动两个不同齿轮组。两种不同传输比的组合，产生用于在低速下直接驱动的槽，和在具有更多人力输入的更高速度下产生到cvt驱动的转换。一个非常简单的传输系统，在低档齿轮(启动或低速时)提供直接增压，且在其cvt功能中提供混合增压同时将其从低档齿轮变为高档齿轮。齿轮系统在车辆停止(例如，在交通灯处)时切换回其最低齿轮(相比而言，如果齿轮在停止之前设置得过高，那么在交通灯处重新启动变速器自行车可能是困难的，且需要更多的力)。
79.因此，上文所说明和所描述的本发明的实施例可提供电单车及其驱动系统，其中可以可预测和可重复的方式提供电力增压，以便为骑行者提供尽可能自然的骑行体验。实施例在cvt传输中使用3分支动力组合周转传输装置(两个输入和一个输出)时可能特别有效。
80.以上描述是参考电单车给出的，其中仅在骑车人踩踏板时提供电力辅助。目前，由于如上文所提及在许多国家骑电单车不需要许可证，所以电单车具有商业吸引力。然而，不同的国家有不同的许可方案，且在一些国家，即使在骑车人不踩踏板时提供电力辅助，也可以在没有许可证的情况下骑电动辅助脚踏车。因此，存在修改上文所描述的实施例的操作以包含在骑车人不踩踏板时的电力辅助的选项。
81.此选项不需要修改上文所描述的驱动系统的机械布置。其可通过向用户提供节流控制-例如，并入在自行车的车把中的扭转抓握控制来实现。借助于实例参考图2，节流控制的输出连接到控制器91。在正常电单车模式中，控制器91运行实时计算pwm值作为控制电动机5、6的命令的算法。此pwm值确定有多少电流施加到电动机且电动机以何种速度运行。如果骑行者希望提高速度，骑行者可根据骑行者的意愿使用节流控制来简单地增加pwm值。通常，节流控制不会完全绕过控制器91算法，而是可有意且有效地增加电动机功率，即允许电动机提供比算法可能已基于预定参数计算出的命令电动机提供的功率更多的功率。如果通过节流控制设置的pwm值高于通过算法设置的实际pwm值，那么将使用较高值来控制电动机电流/速度。另一种可能的节流算法是节流提供pwm偏移值，所述偏移值加在由控制器91算法计算的pwm值之上，以用于正常的电单车操作。
82.因此，节流控制可有效地叠加在先前描述的cvt传输上。
83.在本说明书中，动词“包括”具有其正常词典含义，表示非排他性包括。即，使用词语“包括”(或其任何派生词)来包含一个或多个特征，并不排除还包含其它特征的可能性。词语“优选”(或其任何派生词)指示一个或多个优选但非必要的特征。
84.在所附权利要求书的范围内，除了此类特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的
组合之外，本说明书(包含任何所附权利要求书、摘要和附图)中所公开的所有或任何特征和/或如此公开的任何方法或过程中的所有或任何步骤可以任何组合来组合。
85.在所附权利要求书的范围内，除非另外明确陈述，否则本说明书(包含任何所附权利要求书、摘要和附图)中所公开的每个特征可由服务相同、等效或类似目的的替代性特征替换。因此，除非另外明确陈述，否则所公开的每个特征都只是等效或类似特征的通用系列的一个实例。
86.本发明不受前述实施例的细节限制。在所附权利要求书的范围内，本发明扩展到本说明书(包含任何所附权利要求书、摘要和附图)中所公开的特征中的任一个新颖特征或任何新颖组合，或扩展到如此公开的任何方法或过程的步骤的任一个新颖步骤或任何新颖组合。