CN107117252A - 一种电动助力自行车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动助力自行车，包括踏板、曲柄、中轴及其上的锥齿轮、飞轮及其上的锥齿轮、驱动轮，在轴传动的自行车的传动轴上设置扭杆，通过扭杆将传动轴分成前传动轴和后传动轴，前传动轴和后传动轴的一端分别连接扭杆，另一端均设置一锥齿轮，其中前传动轴上的锥齿轮与中轴上的锥齿轮啮合运动，后传动轴上的锥齿轮与飞轮上的锥齿轮啮合运动；测量装置通过电磁或光学方式测量扭杆的形变量，并将该形变量转换成电信号发送至控制器，由控制器控制电机的运动实施助力。本发明结构简单，能够大幅降低电动助力车的控制助力的成本，可以测得左右脚的有效踩踏力，并具有体积较小、可靠性高、维修容易的特点。

Description

一种电动助力自行车

技术领域

本发明涉及一种电动助力自行车，该电动助力自行车由人踩踏踏板提供驱动力，还具有可提供助力的电机。

背景技术

轴传动自行车技术已经十分成熟，成都地方政府的公共自行车采用上海永久自行车有限公司的全封闭无链轴传动自行车；目前摩拜共享单车也采用了全封闭轴传动自行车。封闭式无链轴传动系统无需维护、结实耐用，有利于公共自行车的推广。但是，以摩拜自行车为例，轴传动自行车自重较高，骑行时骑行者感觉负担较重。因此需要对轴传动自行车助力。但是目前没有针对轴传动自行车进行助力的技术。

现有的电动助力车在助力时，通常是由控制器根据传感器采集的信号向电机发出控制信号以控制电机输出的驱动力。常用的传感器一种是采用轮速传感器，通过轮速传感器采集助力车牙盘或者自行车飞轮的转速，给电机提供控制信号，其缺陷是：以自行车下坡为例，下坡是不需要助力的，但是此时即使不踩踏板，牙盘或者自行车飞轮也在快速地旋转，因此使用该原理的助力车的电机仍在继续提供助力，使速度已经很快的自行车的速度越来越快；而在自行车上坡时，由于牙盘或者自行车飞轮的转速较慢，控制助力电机的信号反而并未提供助力增加速度，因此不能实现真正的助力。

另外一种是通过扭矩传感器，利用磁歪效果制作的扭矩传感器，将扭矩传感器装配于助力车两曲轴中间的轴承上，通过采集曲轴扭矩，控制电机输出助力扭矩，其技术缺陷是：机构复杂，零部件多，体积大，价格高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，针对轴传动的自行车提供助力，在轴传动的自行车的传动轴上设置扭杆，利用扭杆的形变侦测踩踏力，并通过电机实施助力，结构简单，体积小，成本低，可靠性高。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种电动助力自行车，包括踏板、曲柄、中轴及其上的锥齿轮、飞轮、驱动轮，其特征是，在轴传动的自行车的传动轴上设置扭杆，通过扭杆将传动轴分成前传动轴和后传动轴，前传动轴和后传动轴的一端分别连接扭杆，另一端均设置一锥齿轮，其中前传动轴上的锥齿轮与中轴上的锥齿轮啮合运动，后传动轴上的锥齿轮与飞轮上的锥齿轮啮合运动；测量装置通过电磁或光学方式测量扭杆的形变量，并将该形变量转换成电信号发送至控制器，由控制器控制电机的运动实施助力。

进一步，所述测量装置为扭矩传感器、测扭应变片或应变片传感器。

进一步，所述电机为独立的电机或包含一减速器的电机，减速器可采用齿轮减速器，优选地采用行星减速器。

进一步，电机通过传动装置驱动后传动轴转动，后传动轴通过其上的锥齿轮驱动飞轮转动，由飞轮驱动驱动轮转动。

进一步，电机直接或者通过减速器等传动装置驱动飞轮转动，由飞轮驱动驱动轮转动，或者电机直接或者通过减速器等传动装置直接驱动驱动轮转动。驱动轮可以是前轮也可以是后轮。

进一步，所述传动装置为皮带传动或齿轮传动。

进一步，所述电机包括可相对转动的电机固定部和电机旋转部；电机固定部将电机固定于自行车上，电机旋转部直接或者通过连轴器或万向节间接设置在后传动轴上，电机旋转部转动时驱动后传动轴转动，后传动轴通过其上的锥齿轮驱动自行车飞轮转动，由自行车飞轮驱动自行车驱动轮转动进一步，在前传动轴、后传动轴或中轴上安装一可通过外力改变档位的变速器。

进一步，中轴上的锥齿轮与中轴之间设置一单向离合器或单向轴承。

进一步，前传动轴、后传动轴上设置有限制扭杆的最大形变量的限位装置。

进一步，所述限位结构包括两个可啮合插接在一起形成中空的、可容纳扭杆的啮合齿框架，两个啮合齿框架啮合插接在一起后具有一设定的旋转间隙，可以设定的旋转间隙为最大的旋转范围相对旋转。

进一步，每个啮合齿框架上至少具有1个可与另一个啮合齿框架啮合插接并形成设定旋转间隙的啮合齿；啮合齿沿周向或径向排列。

本发明所述的自行车可有两种工作模式，第一种：骑行者踩动踏板，电机提供助力，人力与电机助力并存；第二种：仅由电机提供动力，骑行者通过动力调节装置调节电机输出力矩的大小。因此，本发明所述的电动自行车还安装有助力模式切换装置，调节电机输出力矩大小的装置。

本发明所述的自行车还安装有调节行星齿轮变速器挡位的换挡机构。

本发明所述的自行车还安装有操作显示装置，用于设定助力比档位、锁定车辆、显示和传输电池电量、车速、助力模式、挡位、车辆位置等信息。

本发明所达到的有益效果：

本发明针对轴传动的自行车，在传动轴上安装扭矩传感器，利用扭杆的形变侦测踩踏力，扭矩传感器采集与脚踏力成比例的扭矩信号，控制器根据该扭矩信号，控制电机输出辅助扭矩为自行车提供助力，驱动自行车行驶。本发明结构简单，能够大幅降低电动助力车的控制助力的成本，可以测得左右脚的有效踩踏力，并具有体积较小、可靠性高、维修容易的特点。

附图说明

图1a是实施例1电机通过传动装置驱动后传动轴方式的电动助力自行车；

图1b是实施例1方式的电动助力自行车示意图；

图2是实施例1采用齿轮传动驱动后传动轴方式的电动助力自行车

图3是实施例2带有变速器的电动助力自行车；

图4是实施例3电机通过传动装置驱动飞轮方式的电动助力自行车；

图5是实施例4电机直接驱动后传动轴方式的电动助力自行车；

图6a是限位装置示意图；

图6b是啮合齿框架未旋转时的示意图；

图6c是啮合齿框架旋转至最大旋转范围时的示意图；

图中，1：踏板/摇把；2：中轴；21：锥齿轮；3：飞轮；31：锥齿轮；4：前传动轴；5：后传动轴；6：扭矩传感器；7：扭杆；8：助力电机；9：传动装置；91：皮带传动；92：齿轮传动；10：控制器；11：电池；12：显示操作附件；13：变速器；14：啮合齿框架；14-1：旋转间隙；14-2：啮合齿。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

采用轴传动方式的自行车可以避免链传动方式的自行车的弊端，具有降低故障率，提高传动效率等优点，因此，轴传动方式的自行车逐渐兴起。而现有的对自行车进行助力的方式并不适合于对轴传动方式的自行车的助力。

因此，本发明在轴传动的自行车的传动轴上设置扭杆，将传动轴分为前传动轴、后传动轴两部分，扭杆的两端分别与前传动轴、后传动轴连接。通过测量扭杆的形变量，扭杆的形变量与踩踏力成正比，将形变量转换成电信号，通过该电信号反映出的扭杆的形变侦测踩踏力，从而控制电机实施助力。对于轴传动的自行车与助力无关的结构未作改进。

实施例1

如图1a和图1b所示，图中箭头代表各轴的转向。本实施例中，采用扭矩传感器6测量扭杆的扭矩。扭杆7的两端分别与前传动轴4、后传动轴5连接。

施加在踏板1或摇把上的踩踏力经曲柄传递至中轴2，通过中轴2上的锥齿轮21传递到前传动轴4，前传动轴4和后传动轴5之间的扭杆7发生弹性形变，扭矩传感器6侦测到该形变量，并将此包含踩踏力信息的形变信号转换成电信号传递给控制器10，控制器10按照设定的算法控制电机8输出扭矩，该扭矩可经过减速器或者直接通过传动装置9驱动后传动轴5转动，后传动轴5通过其上的锥齿轮与飞轮3上的锥齿轮31相啮合驱动飞轮3转动，由自行车飞轮3驱动自行车驱动轮转动。此实施例中是采用的电机通过传动装置9驱动后传动轴5转动的驱动结构。

中轴2上的锥齿轮21与中轴2之间还可设置一单向离合器或单向轴承，中轴2旋转运动时，单向离合器或单向轴承处于锁止状态，脚踏力通过单向离合器或单向轴承传递给锥齿轮21；当锥齿轮21的转速高于与中轴2的转速时，单向离合器或单向轴承处于解锁状态，使锥齿轮21可以自由运动。

较佳地，扭矩传感器6的两端均采用联轴器实现扭杆7与前传动轴4、后传动轴5之间的连接。

在其他实施方式中，还可以采用测扭应变片或应变片传感器测量扭杆形变。在扭杆7表面或内部设置应变片，由应变片组成测量电桥，当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭杆的扭矩测量。

本实施例中，传动装置9采用皮带传动91，电机的输出轴转动时通过皮带传动91驱动后传动轴5转动。在其他实施方式中，还可以采用其他传动装置9，如图2所示，也可以采用齿轮传动92，电机的输出轴转动时通过齿轮传动92驱动后传动轴5转动。

减速器可采用齿轮减速器，优选地采用行星减速器。

控制器10由电池11提供工作电源。还可以包括一设置在电动助力自行车上便于操作或观察其显示信息的显示操作附件12，显示操作附件12根据控制器10的控制设定电机助力比档位、锁定车辆、显示和传输电量、挡位选择、电机电池的状态、车辆位置等相应信息。

该自行车助力形式适用于对于两轮或三轮或者更多轮的脚踏或者手摇自行车进行助力。

实施例2

如图3所示，在实施例1的基础上，本实施例中，后传动轴5上还安装有变速器13，变速器通过外力改变档位，由可变档位的变速器将后传动轴5分成前、后部，变速器的输入轴与后传动轴5的前部相连，并随之旋转，变速器的输出轴与后传动轴5的后部相连。

电机8的输出轴通过齿轮减速器或者直接通过传动装置9驱动后传动轴5的前部，通过变速器13后带动后传动轴5的后部及其上的锥齿轮，该锥齿轮驱动自行车飞轮3转动，自行车飞轮3的转动驱动自行车驱动轮转动。

同理，变速器也可以设置在前传动轴上。

在其他实施方式中，变速器还可以设置在中轴2上。变速器的输入轴与曲柄相连，并随曲柄旋转，变速器的输出轴与中轴2上的锥齿轮21相连，变速器通过外力改变档位。

变速器13优选采用行星齿轮组变速器。

其余与实施例1相同。

实施例3

如图4所示，本实施例中，与实施例1相比，电机的驱动结构不同，电机通过传动装置9直接驱动自行车飞轮或者驱动轮转动。施加在踏板1或摇把上的踩踏力经曲柄传递至中轴2，通过中轴2上的锥齿轮21传递到前传动轴4，前传动轴4和后传动轴5之间的扭杆7发生弹性形变，扭矩传感器6侦测到该形变量，并将此包含踩踏力信息的形变信号转换成电信号传递给控制器10，控制器10按照设定的算法控制电机8输出扭矩，该扭矩可经过齿轮减速器或者直接通过传动装置9直接驱动自行车飞轮转动或者驱动轮，驱动轮可以是前轮也可以是后轮。

其余与实施例1相同。

实施例4

如图5所示，本实施例中，与实施例1相比，电机的驱动结构不同，电机直接或间接驱动后传动轴5转动。施加在踏板1或摇把上的踩踏力经曲柄传递至中轴2，通过中轴2上的锥齿轮21传递到前传动轴4，前传动轴4和后传动轴5之间的扭杆7发生弹性形变，扭矩传感器6侦测到该形变量，并将此包含踩踏力信息的形变信号转换成电信号传递给控制器10，控制器10按照设定的算法控制电机8，电机8包括可相对转动的电机固定部8-1和电机旋转部8-2；电机固定部8-1将电机8固定于电动助力自行车上，电机旋转部8-2由控制器10控制转动输出扭矩，电机旋转部8-2直接或者通过连轴器、万向节驱动后传动轴5转动，后传动轴5通过其上的锥齿轮驱动自行车飞轮转动，由自行车飞轮驱动自行车驱动轮转动。

其余与实施例1相同。

实施例5

如图6a所示，前述实施例1－实施例4中，为了保护扭杆，防止在扭转变形量过大时损伤扭杆，本实施例中设置了限位结构。限位结构包括两个可啮合插接在一起形成中空的、可容纳扭杆、扭矩传感器和联轴器的啮合齿框架14，两个啮合齿框架14啮合插接在一起后具有一设定的旋转间隙14-1，可以以设定的旋转间隙14-1为最大的旋转范围相对旋转。

每个啮合齿框架上至少具有1个啮合齿14-2，以便可以与另一个啮合齿框架啮合插接并形成设定旋转间隙，啮合齿可以为图6a中的沿周向排列的啮合齿14-2，也可以为沿径向排列成可啮合插接并相对旋转的方式。

两个啮合齿框架14分别对应的连接固定在前传动轴4、后传动轴5的一端，或者直接在前传动轴4、后传动轴5的一端分别加工而形成其中一个啮合齿框架。

扭杆7与前传动轴4、后传动轴5固连，将前传动轴7的转矩传递到后传动轴5，同时由于转矩的作用，扭杆7发生扭转变形，形变量很小时，前传动轴4、后传动轴5的啮合齿框架14之间有旋转间隙14-1，如图6b，两者转矩仅靠扭杆7传递。当转矩变大，扭杆7形变量增大，前传动轴4、后传动轴5上的啮合齿框架14旋转达到设定的旋转间隙后相抵不再旋转，如图6c，扭杆7形变量不再增加，从而保护扭杆7。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种电动助力自行车，包括踏板、曲柄、中轴及其上的锥齿轮、飞轮及其上的锥齿轮、驱动轮，其特征是，在轴传动的自行车的传动轴上设置扭杆，通过扭杆将传动轴分成前传动轴和后传动轴，前传动轴和后传动轴的一端分别连接扭杆，另一端均设置一锥齿轮，其中前传动轴上的锥齿轮与中轴上的锥齿轮啮合运动，后传动轴上的锥齿轮与飞轮上的锥齿轮啮合运动；测量装置通过电磁或光学方式测量扭杆的形变量，并将该形变量转换成电信号发送至控制器，由控制器控制电机的运动实施助力。

2.根据权利要求1所述的电动助力自行车，其特征是，所述测量装置为角度传感器、测扭应变片或应变片传感器。

3.根据权利要求1所述的电动助力自行车，其特征是，所述电机为独立的电机或包含一减速器的电机，该减速器可采用齿轮减速器，更优选地采用行星减速器。

4.根据权利要求1或3所述的电动助力自行车，其特征是，电机通过传动装置驱动后传动轴转动，后传动轴通过其上的锥齿轮驱动飞轮转动，由飞轮驱动驱动轮转动。

5.根据权利要求1或3所述的电动助力自行车，其特征是，电机通过传动装置驱动飞轮转动，由飞轮驱动驱动轮转动；或者电机通过传动装置直接驱动驱动轮转动。

6.根据权利要求4或5所述的电动助力自行车，其特征是，所述传动装置的传动方式为皮带传动或齿轮传动。

7.根据权利要求1或3所述的电动助力自行车，其特征是，所述电机包括可相对转动的电机固定部和电机旋转部；电机固定部将电机固定于自行车上，电机旋转部直接或者通过连轴器或万向节间接设置在后传动轴上，电机旋转部转动时驱动后传动轴转动，后传动轴通过其上的锥齿轮驱动飞轮转动，由飞轮驱动自行车驱动轮转动。

8.根据权利要求1所述的电动助力自行车，其特征是，在前传动轴、后传动轴或中轴上安装一可通过外力改变档位的变速器。

9.根据权利要求1所述的电动助力自行车，其特征是，中轴上的锥齿轮与中轴之间设置一单向离合器或单向轴承。

10.根据权利要求1所述的电动助力自行车，其特征是，前传动轴、后传动轴上设置有限制扭杆的最大形变量的限位装置。

11.根据权利要求10所述的电动助力自行车，其特征是，所述限位结构包括两个可啮合插接在一起形成中空的、可容纳扭杆的啮合齿框架，两个啮合齿框架啮合插接在一起后具有一设定的旋转间隙，两个啮合齿框架可以该设定的旋转间隙为最大的旋转范围相对旋转。