CN100475644C - 电力助动自行车 - Google Patents

Abstract

一种结构简单的电力助动自行车，具有优越的稳定性、可靠性和操作的确定性，并且具备一种发电功能及一种辅助刹车功能。由一个曲柄轴传递而至的踏板驱动力通过第一个传输工具被传递至驱动轴，作为辅助动力的一台电机的输出也通过离合器装置及第二个传输工具被传递到驱动轴，该离合器装置可结合车手的刹车操作而改变啮合方向。

Description

电力助动自行车

技术领域

本发明涉及一种采用电机输出作为辅助动力的电力助动自行车。

背景技术

一种电力助动自行车，包括一个作为电机电源的电池，该自行车在平路及上坡路行驶时采用电机输出作为辅助动力。然而，对于单位电量总存在一个行程的限度，因此增大里程数成为一个迫切需要。

针对该需要，日本专利Laid-Open Publication No.2001-213383(在本文以下章节中称为现有技术)，揭露了一项发明，其中刹车时车轮的转动可以用来再生发电，电池由再生电流充电。在现有技术中，电机驱动部分的转动通过棘齿结构之类的单向离合器装置被传递到后轮，而直接耦合方式响应制动后轮的刹车装置的操作将该单向离合器装置直接耦合。

通常在单向离合器装置安装于车轮与电机之间的实施例中，当电机作为辅助动力时，转矩由电机传递至车轮，而当刹车时，转矩传输方向被反转，变成由车轮传递至电机，因此该单向离合器装置不工作。如果不发明任何方法，转矩将不能传递至电机，因而也不能进行发电。为了解决这个问题，上述现有技术提供一个摩擦离合器装置作为直接耦合方式，其中通过向一输出侧构件及一输入侧构件压迫一个离合盘(在专利发布中用代码86来表示)而将转矩靠摩擦力从输出侧传递至输入侧。

然而，使用此种直接耦合方式使得结构变复杂，因为除该单向离合器装置外还必须要另外一个离合器装置。而且，摩擦离合器装置因其摩擦结构而缺乏稳定性及操作的可靠性。

由此可见，上述现有的直接耦合方式仍存在有诸多的缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决现有的直接耦合方式的缺陷，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，此显然是相关业者急欲解决的问题。

有鉴于上述现有的直接耦合方式存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的电力助动自行车，能够改进现有的直接耦合方式，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的直接耦合方式存在的缺陷，而提供一种新型结构的电力助动自行车，所要解决的技术问题是使其结构简单，并具有优越的稳定性、可靠性及操作的确定性，并且具备电力再生功能及辅助刹车功能。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种电力助动自行车，其中来自一个曲柄轴的一个踏板驱动力和一个电机的一个输出都被传递到一个驱动轴，一个离合器装置与该电机的一个输出轴耦合。该离合器装置包括：一个输入侧构件，用以接受正常转动方向上的电机转矩输入；一个输出侧构件，用以接受转矩输出；楔形间隙，形成于输入侧构件及输出侧构件之间，且在正常转动方向上及反向转动方向上缩小；啮合元件，配置于输入侧构件和输出侧构件之间的该楔形间隙；一个盒体，支撑该啮合元件；以及一个弹性体，对该盒体施加一个弹力，并使该啮合元件在楔形间隙的正常转动方向上一直保持楔状方式啮合，并与车手的刹车操作共同作用而对该盒体施加一个转动的延迟来切换，使该啮合元件在该楔形间隙的反向转动方向上呈楔状方式啮合。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的电力助动自行车，其中所述的曲柄轴通过第一个传输工具(means)与输出轴耦合，并且该离合器装置的输出轴通过第二个传输工具与驱动轴固定耦合。

前述的电力助动自行车，其中一个单向离合器被安置于第一个传输工具与驱动轴之间。

前述的电力助动自行车，其特征在于其中所述的离合器装置的输出轴通过传输工具与驱动轴固定耦合，并且曲柄轴与该离合器装置的输出轴耦合。

前述的电力助动自行车，其中一个单向离合器被安置于曲柄轴与该离合器装置的输出轴之间。

前述的电力助动自行车，其特征在于其中所述的离合器装置的输出轴通过传输工具与驱动轴固定耦合，并且其中所述的曲柄轴通过前述传输工具与驱动轴耦合；

前述的电力助动自行车，其中一个单向离合器被安置于前述曲柄轴与传输工具之间。

前述的电力助动自行车，其中所述的离合器装置的多个凸轮面使啮合元件与输入侧构件及输出侧构件在正常及反向转东方向上均以楔状方式啮合。

前述的电力助动自行车，其中所述的离合器装置在来自输出侧的反向输入转矩小于或等于一个预设值时将该反向输入转矩从输出侧传递到输入侧，而在来自输出侧的该反向输入转矩超过该预设值时中断转矩从输出侧到输入侧的传递。

前述的电力助动自行车，其中所述的离合器装置在反向输入转矩小于或等于一个预设值时将该反向输入转矩从输出侧传递到输入侧，而在该反向输入转矩超过该预设值时中断转矩从输出侧到输入侧的传递。

前述的电力助动自行车，其中所述的离合器装置的多个凸轮面包括：

第一凸轮面，其仅在正常转动方向上将啮合元件与输入侧构件及输出侧构件以楔状方式啮合；以及

第二凸轮面，其在正常及反向两种转动方向上将啮合元件与输入侧构件及输出侧构件以楔状方式啮合。

前述的电力助动自行车，其中所述的第二凸轮面上提供了阻塞部位，用以在一个反向转动方向上的反向输入转矩超出一个预设值时使凸轮角度等于或大于锁定角度。

前述的电力助动自行车，其中所述的第二凸轮面形成于输入侧构件与输出侧构件中的其中之一上，而另一个则在由该阻塞部位导向的啮合元件作用下发生形变以使前述凸轮角大于锁定角度。

前述的电力助动自行车，其中所述的用以使前述啮合元件在正常及反向两种转动方向上与输入侧构件及输出侧构件以楔状方式啮合的凸轮面内，正常转动方向上的啮合元件的锁定位置与反向转动方向上的啮合元件的锁定位置之间的角度被设为等于或大于5度。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，为了达到前述发明目的，本发明的主要技术内容如下：

本发明提出一种电力助动自行车，在一个电力助动自行车中，一个从曲柄轴传来的踏板驱动力及电机的输出被传递至一个驱动轴，一个响应车手的刹车操作而转变锁定方向的离合器装置与电机的输出轴耦合在一起。

根据上述结构，因为当电机助动时离合器装置被锁定于一个正常转动方向，电机的输出被传递至驱动轴，所以可实现电机的助动。通过响应车手的刹车操作而转变锁定方向，可将离合器装置锁定于相反方向；来自驱动轴(正常转动方向下的驱动轴)的反向的输入转矩被传递至电机，因此使得再生电力发电机辅助刹车成为可能。上述每个操作都通过同一个离合器装置完成，与传统的需要一个额外离合器装置的电力助动自行车相比，该电力助动自行车的驱动部分可被小型化，从而降低成本。

具体的，上述每项功能均用以下方式实现：

(1)通过第一个传输工具将曲柄轴与驱动轴耦合，并通过第二个传输工具将离合器装置的输出轴与驱动轴耦合(参照图6a和6b)；

(2)通过传输工具将离合器装置的输出轴与驱动轴锁定耦合，并将曲柄轴与离合器装置的输出轴耦合(参照图7a和7b)；

(3)通过传输工具将离合器装置的输出轴与驱动轴锁定耦合，并通过传输工具将曲柄轴与驱动轴耦合(参照图8a和8b)。

此例中，为了防止刹车时通过曲柄轴将驱动轴的转动传递至踏板，建议在方式(1)中的第一个传输工具与驱动轴间采用一个单向的离合器，在方式(2)中的曲柄轴及离合器装置输出轴之间采用一个单向的离合器，在方式(3)中的曲柄轴及传输工具之间采用一个单向的离合器。

上述离合器装置包括一个输入侧构件，电机正常转动方向的转矩对其输入；一个输出侧构件，转矩对其输出；分布于输入侧构件及输出侧构件间的多个啮合元件；多个凸轮面，以使得各个啮合元件都以楔状方式与输入侧构件及输出侧构件啮合；该离合器装置与车手的刹车操作相结合，用来将离合器装置的锁定方向由正常转动方向切换至反向转动方向。该离合器装置既可在正常转动方向的锁定状态下使用，也可在反向转动方向的锁定状态下使用。

通过采用此既可以以啮合元件的以楔状方式啮合动作来传递转矩，又可以将啮合元件以楔状方式啮合的方向由正常转动方向反转至反向转动方向的离合器装置，使得相对采用摩擦离合器装置的实施例来说，提高稳定性、可靠性、操作的确定性成为可能。啮合元件为可与输入侧构件及输出侧构件以楔状方式啮合的物体，可采用制轮木来替代滚筒来作为啮合元件。凸轮面可形成于任何输入侧构件及输出侧构件上。通常，各个输入侧构件及输出侧构件彼此外径面相邻。

离合器装置的锁定方向通过将啮合元件限制于一个盒体内，并响应车手的刹车操作对此盒体施加一个相对输入侧构件及输出侧构件的转动延迟来改变，因此可以以简单的结构得到很高的操作的稳定性。为了得到此转动延迟，一个制动体须用来对此盒体施加压力。

本实施例中，建议使啮合元件一直偏向于正常转动方向，并对该盒体施加一个弹力。

该离合器装置的多个凸轮面使得啮合元件在正常转动方向及反向转动方向上与输入侧构件及输出侧构件以楔状方式啮合。因此，当啮合元件按正常转动方向以楔状方式啮合时，该离合器装置被锁定于正常转动方向，转矩由输入侧构件传递至输出侧构件；而相反地，当啮合元件按反向转动方向以楔状方式啮合时，该离合器装置被锁定于反向转动方向，来自正常转动方向下的输出侧构件的反向输入转矩被传递至输入侧构件。

如果当来自输出侧构件的反向输入转矩等于或小于一个预设值时(当反向输入转矩超过该预设值，该离合器装置中断转矩由输出端向输入端的传递)该离合器装置将来自一个输出端的反向输入转矩传递至一个输入端，就可能对该离合器装置增加一个转矩限定的功能。因此，当反向输入转矩被传递到电机时，可以防止由对停止的电机进行强力加速而造成的脉冲负载对电机或其它类似元件的损害。

当该离合器装置具备多个凸轮面，其中一个凸轮面使得啮合元件仅在正常转动方向上与输入侧构件及输出侧构件以楔状方式啮合，另一个凸轮面使得啮合元件在正常转动方向及反向转动方向上都可与输入侧构件及输出侧构件以楔状方式啮合时，即可得到此功能。

换句话说，在电机助动时，第一及第二凸轮面使啮合元件与输入侧构件及输出侧构件在正常转动方向上以楔状方式啮合，以将电机输出传递至驱动轴。另一方面，当刹车时，仅第二凸轮面使得啮合元件在反向转动方向上以楔状方式啮合。本例中，因为减少以楔状方式啮合点数会导致每个啮合点上的负载增加，输入侧构件或输出侧构件会较容易形变。形变会增加啮合元件与第二凸轮面的凸轮角度。当反向输入转矩过大时，凸轮角变成一个锁定角度或更大而失去锁定功能，因此不能再将转矩传递至输入端。

锁定功能的失去是通过在输入侧构件及输出侧构件中的一个上形成该第二凸轮面，而用由阻塞部位导向的啮合元件使另一个发生形变而使凸轮角变得大于锁定角度来实现的。

在用来使啮合元件在正常及反向转动方向上与输入侧构件及输出侧构件以楔状方式啮合的凸轮面上，如果正常转动方向上的啮合元件的锁定位置与反向转动方向上的啮合元件的锁定位置之间的角度被设为等于或大于5度，则可能防止由与输出侧构件结合的传递元件(如链条)之类的速度变化而引起的意外的锁定方向的转换。

借由上述技术方案，本发明(名称)至少具有下列优点：一种结构简单的电力助动自行车，具有优越的稳定性、可靠性和操作的确定性，并且具备一种发电功能及一种辅助刹车功能。

综上所述，本发明特殊结构的电力助动自行车，其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类产品中未见有类似的结构设计公开发表或使用而确属创新，其不论在产品的结构或功能上皆有较大的改进在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的(名称)具有增进的多项功效，从而更加适于实用，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

图1是根据本发明的一种电力助动自行车的侧视图；

图2是该电力助动自行车的离合器装置的轴向剖视图；

图3是该离合器装置的径向剖视图；

图4是显示电机助动状态下的该离合器装置的径向剖视图；

图5是显示辅助刹车状态下的该离合器装置的径向剖视图；

图6a和6b分别是显示一种安装了该离合器装置的电力助动自行车的一个驱动部位的一个实施例的侧视图及俯视图；

图7a和7b分别是显示一种安装了该离合器装置的电力助动自行车的一个驱动部位的另一个实施例的侧视图及俯视图；

图8a和8b分别是显示一种安装了该离合器装置的电力助动自行车的一个驱动部位的再一个实施例的侧视图及俯视图；

图9是显示该离合器装置的凸轮面附近区域的一个放大的径向剖视图；

图10是显示根据另一个实施例的离合器装置的一个轴向剖视图；

图11是显示电机助动状态下该离合器装置的一个径向剖视图；

图12是显示辅助刹车状态下该离合器装置的一个径向剖视图；

图13一个形变的外圈的俯视图；

图14是显示该离合器装置的一个第二凸轮面附近区域的一个放大的径向剖视图。

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的电力助动自行车，其具体结构、特征及其功效，详细说明如后。

以下将在图1至14的基础上详细讲述本发明的一个实施例。

图1是显示一种电力助动自行车的一个实施例的右侧视图。在该电力助动自行车中，一个作用于一个踏板100上的踏板驱动力通过一个曲柄轴101、一个前链轮齿102(参照图6至8)、一个链条103及一个后链轮齿104的途径传递到一个后轮105的驱动轴106上，电机的输出被并入作为辅助的骑车的动力(电机助动)。一般的，转矩检测表示不断的检测作用于曲柄轴101的转矩，当一个检测到的值低于一个预设值时，一台电机将被启动用来作为辅助动力来补充转矩的不足。一个包括该辅助电机的电机装置107通常都安置于座椅支撑杠108下端与主杠109后端之间的临近区域，而用来驱动该电机的电池110则沿座椅支撑杠安置。

本发明的特点在于该电机的输出轴与一个可改变锁定方向的离合器装置相耦合。下面将首先讲述该离合器装置1的结构及功能。

请参阅图2及图3所示，该离合器装置主要包括：一个外圈2，作为一个输入侧构件，转矩从该电机输入此外圈；一个内圈3，作为一个输出侧构件，将转矩输出至车轮；多个圆柱形的滚柱4(本文此后简称为滚柱)，分布于外圈2及内圈3之间作为啮合元件；一个盒体用来按一定间距以圆周方向在多个位置安装滚柱；一个弹性体6，用来控制盒体5在一个旋转方向上的状态。

外圈2是一个具有圆柱形内壁2a的圈体，一个衬套8被压合于其外壁上。一个输入齿轮9被压合于衬套8的外壁上，因此来自电机的转矩先通过输入齿轮9被传递到衬套8上，再进一步被传递到外圈2上。只要能够保证输入齿轮9的表面硬度，就可以将输入齿轮9与衬套8集成于一体，或者将输入齿轮9、衬套8及外圈2都集成于一体。

内圈3为安置于外圈2内壁的一个圈体，一个输出轴11被压合于其上。该输出轴11用径向安置于滚柱4两侧的轴承(如滚珠轴承12a和12b)可旋转地固定起来，一个花键11a形成于输出轴11的末端用来与链轮齿耦合以使得转矩得以被传递。根据需要，内圈3及输出轴11可以集成于一体。

多个凸轮面13(其数量与滚柱4的数量相等)形成于内圈3的外壁3a。凸轮面13的横切面形状为“V”形，其圆周方向上的中间位置处直径最小。在凸轮面13与外圈2的内壁2a之间形成一个楔形的间隙，其正常及反向转动方向上的径向宽度均很小。当滚柱4在该楔形间隙圆周方向上的中间时，滚柱可以转动，但当滚柱无论向正常转动方向或向相反方向移动时，它将与外圈2及内圈3向啮合(以楔状方式啮合)，外圈2及内圈3的转动方向被锁定。

一个自校正轴承15被安置于外圈2及内圈3之间，以确保它们彼此同轴。该自校正轴承可通过将一轴承体置入衬套8的内壁与输出轴11的外壁之间的间隙内构成。

盒体5上有袋状结构5a用来放置滚柱4；滑动表面5b，在一个闸瓦17上滑动，闸瓦17将在后文详述。图中所示的盒体5被集成提供了一个盒体部分51，做轴向延伸；一个凸缘部分52，从盒体部分51的一个末端做径向延伸；一个大直径圆柱体部分53，从凸缘部52外径的一个末端做径向延伸；一个小直径的圆柱体部分54，从凸缘部分52起在上述大直径圆柱体部分53的一个内径方向做径向延伸。袋状结构5a在盒体部分51上沿圆周方向按固定间距形成，而滑动表面则形成于大直径圆柱体部分53的外周。袋状结构5a与滚柱之间的间隙为小于或等于滚柱直径的1/20的正或负的间隙。如果间隙为正，建议在盒体部分51的袋状结构的内壁提供一个突块，使其沿圆周方向凸起，用来防止滚柱脱落。

盒体5由一个滑动轴承支撑，使其可相对输出轴11转动，因此即便滑动表面5b与闸瓦17相接触时，仍能保证盒体5与外圈2及内圈3同轴。滑动轴承18安置于一个空腔19的外壁与前述小直径圆柱体部分54的内壁之间，该空腔19被压合或者保留正间隙地放置于盒体5的小直径圆柱体部分54与输出轴11之间的间隙内。

如图所示，作为一个制动体，该闸瓦17被安置于盒体5的滑动表面5b的对面，它可以响应车手的刹车操作对盒体5施加一个制动力。除将该闸瓦17用金属丝等机械结构锁定于自行车的刹车杆112(参照图1)外，还可以采用电磁方式锁定刹车操作，例如，该刹车杆112的操作状态可以被转换成电子信号用来激发一个电磁螺线圈。

前述弹性体6可由一个弹簧环构成。该弹性体6的一个末端被插入开凿于盒体5的盒体部分51上的一个孔21内，其另一末端被插入开于内圈3的一端上的一个凹口内，即该弹性体6被放置于内圈3及盒体5之间。通过相对其自然状态拉伸或压缩该弹性体6的直径，使该弹性体6分别依附于盒体5及内圈3。当该弹性体6依附于盒体5及内圈3之后，盒体5及内圈3的状态靠该弹性体6的弹力而在一个转动方向上变化。因此，如图4所示，在此状态下，被盒体5推动的滚柱4被移动至楔形间隙14内的正常转动方向的位置，即向电机驱动下外圈2的转动方向(图中所示顺时针方向)收缩的一侧。

标号22表示一个放置于轴承12及输出轴11的肩部之间的垫圈，用来防止离合器装置1内元件脱落，并对该离合器进行密封。

具备上述结构的离合器装置的功能将参照图4及图5在以下部分进行介绍。

图4显示了电机驱动状态下的离合器装置。如前所述，在此状态下，滚柱4被弹性体6的弹力移动到楔形间隙14内正常转动方向的收缩的一侧。当将来自电机的输入转矩沿正常转动方向施加于外圈2而转动外圈2时，滚柱4与外圈2及内圈3以楔状方式啮合，以此将外圈2及内圈3锁定于正常转动方向。由此，因为来自电机的输入转矩(正常转动方向)被传递到内圈3，所以输出轴11按正常方向转动(这个状态在此文以下部分称为正常转动锁定状态)。在该正常转动锁定状态下，当反转动方向上的反向输入转矩(逆时针方向)被从输出轴11施加于内圈3时，滚柱3会相似地按楔状方式啮合，从而使转矩从内圈3向外圈2的传递成为可能。另一方面，当输入转矩或相反方向的反向输入转矩施加时，滚柱4、外圈2及内圈3之间楔状方式的啮合在楔状间隙内被释放，从而使转矩不能被传递。

当车手进行刹车操作时，闸瓦17相应地对滑动表面5b施加压力，因此制动力作用于盒体5上。在刹车操作过程中，因电机停转，输入转矩不会施加于外圈2，而同时由车轮转动惯性引起的正常转动方向上的反向输入转矩会使得内圈3停滞。在此状态下对盒体5施加制动力时，盒体5的转动相对弹性体的弹力延迟，其转动方向于内圈相反。相应的，如图5所示，为了将外圈2及内圈3及滚柱4锁定于反向转动方向(该状态在本文以下部分称为“一个反向转动锁定状态”)，从楔形间隙14内正常转动方向上的狭窄部分被释放的滚柱4与反向转动方向上的狭窄部分啮合，并与外圈2及内圈3以楔状方式啮合。在反向转动锁定状态下，来自输出圈2的反向转动方向上的输入转矩被机械的传递至内圈3，而来自内圈3的正常转动方向上的反向输入转矩则被传递到外圈2。因为以楔状方式啮合被释放，输入转矩及相反方向上的反向输入转矩将不能被传递。

上述离合器装置安装于其上的电机装置107的详细结构将在实施例1和3种进行解释。在任何一个实施例中，都存在一个人力驱动系统，用来将作用于踏板上的踏板驱动力传递至后轮105的驱动轴106上，及一个电机驱动系统，用来将一个电机114的输出传递到后轮105的驱动轴106上。

(实施例一)

在图6a和6b所示实施例1中，人力驱动系统的踏板驱动力及电机驱动系统的电机输出被结合于驱动轴106上，该驱动轴相距输出端较传输工具115为近。

根据实施例1，在人力驱动系统中，作用于踏板100上的踏板驱动力被转化成曲柄轴101在曲柄117内的旋转运动，其转矩通过第一个传输工具115a被传递到后轮105的驱动轴106上。第一个传输工具115a包括一个依附于曲柄轴101的前链轮齿102、一个依附于后轮105驱动轴106的后链轮齿104a和一个连接于链轮齿102及104a之间的链条103a。后链轮齿104a与驱动轴106通过一个为人熟知的单向离合器119(可能采用一种棘齿耦合方式来代替以楔状方式啮合，或采用其它类似方式)自由耦合，使其能够将来自后链齿轮104a的转矩传递到驱动轴106，而不能将来自驱动轴106的反向输入转矩传递至后链齿轮104a。

在电机驱动系统中，电机114的输出被输入到上述离合器装置1，而该离合器装置1的输出通过第二个传输工具115b被传递到后轮105的驱动轴106上。该第二个传输工具115b包括一个依附于此离合器装置1输出轴11的中间链轮齿118、一个依附于后轮105驱动轴106的后链轮齿104b和一个连接链轮齿118及链轮齿104b的链条103b。后链轮齿104b与驱动轴106固定地耦合在一起，以使得转矩可在后链轮齿104b与驱动轴106之间正反方向都可以传递。

如上所述，实施例1中安装了两个链条，但这种结构可能导致如下一种情况，当电机驱动系统的链条103b拉紧时，会使得人力驱动系统的链条103a变松弛。为了消除这种松弛，建议在人力驱动系统的链条103a内安装一个张紧轮120。

虽然图例中没有显示，转矩检测设备安装于曲柄轴101上，用来检测轴上的转矩。该装置包括类似与曲柄轴101同轴安装磁应变感应器的设备，可用小而简单的结构实现转矩的精确检测。

下面将根据实施例1讲述该实施例的骑行状态与离合器装置1的工作状态的关系。

在电机辅助下骑行时，离合器装置1处于图4中所示的正常转动锁定状态。来自电机114的正常转动方向上的输入转矩通过一个输入齿轮9、一个衬套8、一个外圈2、棍柱4、一个内圈3及输出轴11构成的通道被传递到后链轮齿104b上。因为此电机转矩在驱动轴106上与来自人力驱动系统的踏板驱动力转矩相结合，车手可以轻松的骑驶该自行车。

另一方面，当没有电机助动情况下骑行时，因后轮105惯性转动引起的正常转动方向上的转矩被由输出轴11输入到离合器装置1内，但如前所述，因为滚柱4的位移，该正常转动方向上的反向输入转矩不能被传递到外圈2，故内圈3处于停滞状态。因此当自行车下坡时，电机114不被驱动，不存在因电机内部摩擦力而造成的转矩增大，因此车手可以象骑没有电机助动的普通自行车一样轻松的骑驶该自行车。

当车手进行刹车操作时，相应地将闸瓦17向滑动表面挤压而改变离合器装置1的锁定方向，使离合器装置1处于图5所示的反向转动锁定状态。在此状态下，因电机114停止不动，输入转矩不施加于外圈2上。另一方面，后轮105上的转动转矩通过后链轮齿104b及链条103b作用于离合器装置1的输出轴11上，链轮齿104b固定耦合于驱动轴106上。因滚柱4以反向转动方向耦合于楔形间隙内，反向输入转矩通过输出轴11、内圈3、滚柱4、外圈2、衬套8及输入齿轮9构成的通道输入至电机114上。该转矩驱动电机114再生发电，因此可以对一个电池110用再生电流进行充电。

与此同时，因为驱动电机114的动力成为了制动力，可以实现辅助刹车的功能。由此，因为较小的力即可产生强大的制动动作，由良好的电机助动而造成的骑行效果的得以改进，及与之相平衡的优良的制动效果可能得以实现。如果车手仅有比正常人较弱的握力，他可以仅用一个较小的力而得到足够的制动力，因此本发明可以帮助由此类残疾的人实现安全舒适的骑行。

实施例1的结构的优点是，电机装置107内部结构简单，可实现安装于驱动轴106或类似位置的多级传递。

(实施例二)

在图7a和7b所示的实施例2中，人力驱动系统内的踏板驱动力及电机驱动系统内的电机输出在电机装置107内相结合，该电机装置距离一个输入端传输工具115较近。换言之，组合的驱动力由共同的链轮齿102输出，而不是如上述实施例1及下面实施例3所示的将链轮齿102、118分别安置于人力驱动系统及电机驱动系统的末端。

具体地，在人力驱动系统中，作用于踏板100的踏板驱动力通过一条包括一个大齿轮121、单向离合器119、一个传输杆122，一个传输齿轮123及一个输出齿轮124的途径传递到离合器装置1的输出轴11上，并与由此离合器装置1的输入齿轮9传递至输出轴11的电机驱动系统的电机输出相结合。此组合驱动力通过传输工具115传递到后轮105的驱动轴106上，以转动后轮105，该传输工具包括依附于输出轴11的前链轮齿102、链条103及后链轮齿104。后链轮齿104与驱动轴106固定耦合在一起，以使得转矩可以在后链轮齿104及驱动轴106之间双向传递。

因实施例2的骑行状态与离合器装置1的工作状态之间的关系实施例1相同，此处不再赘述。实施例2的结构的优点包括：因不需张紧轮而使得外部结构简单化；可通过提前组装电机装置107来保证令人满意的组合工作效果等等。

(实施例三)

在图8a和8b所示的实施例3中，人力驱动系统的踏板驱动力与电机驱动系统的电机输出在传输工具115中结合。

根据实施例3，在人力驱动系统中，作用于踏板100的踏板驱动力通过一个包括曲柄轴101、单向离合器119和传输工具115的途径传递到后轮105的驱动轴106上。在电机驱动系统中，电机114的输出被输入到离合器装置1，而离合器装置1的输出则通过传输图径115传递到后轮105的驱动轴106上。此传输工具115由依附于曲柄轴101的前链轮齿102、依附于离合器装置1的输出轴11的中间链轮齿126、依附于后轮105的驱动轴106的后链轮齿104及连接链轮齿102、126和104的链条103构成。后链轮齿104与驱动轴106固定耦合，以使转矩得以在链轮齿104及驱动轴106之间双向传递。

一个用于向下偏压链条的第一张紧轮127安置于正常转动时(一个当车手骑驶时的转动方向)链条103张紧的一侧的一段上。在松弛的一侧，中间链轮齿从下向上偏压链条103，而一个第二张紧轮129则从上向下偏压链条103。

因为实施例3的骑行状态与离合器装置1的工作状态之间的关系与实施例1相同，此处不再赘述。实施例3结构的好处在于，电机装置107的内部结构简单；采用一个内嵌系统及少量的形变过程，使该实施例具有良好的机械效率；可以应用一个依附于后轮驱动轴106的多级传递，等等。

通常当链条103、103a及103b转动时，将不可避免的存在速度波动。尤其是当速度波动发生于电机驱动系统的链条103或103b时，处于正常转动锁定状态的滚柱4(如图4所示)将突然移动到反向转动锁定状态的位置(如图5所示)，因此在正常骑行中可能会发生从电机柱动状态到辅助刹车的状态。如图9所示，为了防止此种情况，建议保持处于正常转动锁定状态(止动位置)的一个滚柱42的位置与处于反向转动锁定状态(止动位置)的一个滚柱42的位置之间的夹角小于或等于5度。

在上述实施例1和3中，采用了一个链条-链轮齿类型的传输工具115、115a或115b，但也可以采用另外一种传输工具代替，如传递带驱动或传动杆驱动的传动方法。

在图2至5所示的离合器装置1中，当切换锁定方式时，即从图4所示的正常转动锁定状态切换到图5所示的反向转动锁定状态时，停止不动的电机会突然转动。在此情况下，因为一个脉冲负载被施加于一个距离输入侧较输入齿轮近的元件，如电机114，必要的消除每个元件脉冲负载的措施可能会导致成本的提升。

图10及12显示了一个离合器装置1’的另外一种实施例(第二种实施例)，此离合器装置采用了此类消除脉冲负载的措施。因为该离合器装置1’的基本结构及操作与参照图2至5介绍的第一种实施例的离合器装置1相同，与根据第一种实施例的离合器装置1的元件相同的，将使用与第一种实施例相同的序号表示，此处不再赘述，而将主要介绍其区别。

根据第二种实施例的离合器装置1’与根据第一种实施例的离合器装置1的主要区别在于凸轮面13的形状。换言之，根据第一种实施例，每个凸轮面13都具有同样的形状，而根据第二种实施例，总共有两种形状不同的凸轮面13a和13b。

参照图11，一个凸轮面13a(第一种凸轮面)在一个正常转动方向的侧面上有一区域，即在当电机助动时(图4所示状态)滚柱4移动的一个区域，具有一个平面部分，且一个楔形间隙的狭窄部分仅按该转动方向形成于凸轮面13a与外圈2的内壁2a之间。在第一凸轮面13a的一个反向转动方向侧面上的一个区域内，一个半径为R的凸曲面逃逸部位26从平面部分平滑延伸而形成，且该逃逸部位26与外圈2的内壁2a之间的间隙宽度大于滚柱4的直径。因此，滚柱4不会与外圈2及内圈3以楔状方式啮合，而在逃逸部位26内可转动。

另外一个凸轮面13b(第二凸轮面)，为整个平面，在凸轮面12b及外圈2的内壁2b之间正反两个方向上均形成一个楔形间隙的狭窄部分。在该第二凸轮面13b反向转动方向一侧的末端，有一个阻塞部位突出出来，它具备一个半径为r的凹曲面，由平面部分平滑延伸而形成。

根据上述结构，在图11所示的离合器装置1’中，当电机助动时，所有滚柱4均被未显示出来(在图2中用序号6表示)的弹性体的弹力置于正常转动方向，并与外圈2及内圈3以楔状方式啮合以使它们锁定于正常转动方向。因此，输入到外圈2的垫及114的转矩被传递到后轮105的驱动轴106上。

另一方面，如图12所示，当操作刹车时，因盒体5的转动延迟导致滚柱4离开正常转动方向上的狭窄部分而向反向转动方向移动。相应地，进入逃逸部位26的滚柱4不会与外圈2及内圈3以楔状方式啮合，而可以在第一凸轮面13a形成的楔形间隙14内转动。另一方面，在由第二凸轮面13b形成的楔形间隙14内，滚柱4于外圈2及内圈3以楔状方式啮合，外圈2及内圈3被锁定于反向转动方向。在此情况下，仅有第二凸轮面13b形成的楔形间隙14内的滚柱4承担转矩负载，而第一凸轮面13a形成的楔形间隙14内的滚柱4则失去转矩负载。因此，如图13所示，整个离合器装置1’的负载转矩缺失使外圈2在常力作用下由圆环形变为扭曲的三角形(为了便于理解，图13中外圈2的形变被夸大了)。建议外圈2采用弯曲硬度较低的薄钢材制造，以使其可以平滑地形变，而衬套8及内齿轮9则用树脂等相对钢材来讲具有较高弹性系数的材料制造，以减小产生于外径侧边的限制钢制外圈2形变的作用力。

相应于外圈2的形变，第二凸轮面13b所形成的楔形间隙内的滚柱4与第二凸轮面13b的阻塞部位27相接触，并被阻塞部位27的导向外径侧边，从而使得外圈2更进一步形变为三角形状。如图14所示，对应地当一个凸轮角θ为滚柱4到达一个由stopper27形成的区域前的一个凸轮角时，一个凸轮角β变得大于凸轮角θ(止动位置的凸轮角)，并且在一定时间内超过一个锁定角度(在图例中以点划线表示)。此处，术语“凸轮角”指的是经过滚柱4与外圈2的交点的滚柱4的切线与经过滚柱4与内圈3的交点的滚柱4的切线之间的交角(本实施例中为滚柱4与外圈2的内壁2a的交点及滚柱4与第二凸轮面13b之间的交点)，术语“锁定角度”指当未被啮合的滚柱4相对外圈2或内圈3的表面(本实施例中为外圈2的内壁2a)开始滑动时的凸轮角度。在一个普通离合器中，锁定角度被设为大于等于12度并小于等于15度。

在这样一个离合器中，当凸轮角β变大并超过锁定角度时，与阻塞部位27相接触的滚柱4开始向外圈2的内壁2a滑动，由滚柱4造成的外圈2与内圈3之间的锁定作用消失。因此，电机114在没有脉冲负载的条件下开始缓慢转动。当电机开始转动时，因为外圈2在弹性作用下回复到起始形状，凸轮角变小，而滚柱4与外圈2及内圈3之间的以楔状方式啮合使其恢复一个离合器的作用。因此，反向输入转矩被传递到电机114上，而电力再生及辅助刹车得以顺利实现。

如上所述，根据第二种实施例的离合器装置1’具备一个转矩限制器的作用，它可以阻止大于或等于一个预设值的反向输入转矩在辅助刹车时的输入。此预设值取决于外圈2的形变强度、阻塞部位27半径r的大小、滚柱4的止动位置等等。因此，换言之，该预设值可通过改变这些决定因素的设计情况而设定为任意的值。

有前述介绍可清楚看出，外圈2应尽量可以平滑形变，而第二凸轮面13a的数量需保持较小以实现平滑形变。从此点来看，在图11及12内，总共9个凸轮面13a及13b中，3个为第二凸轮面13b，而每两个第二凸轮面13b之间有两个第一凸轮面13a。当然，凸轮面13a和13b的数量及排列并不仅限于此。

另外，如图10所示，轴承体16及垫圈22被集成在一起(如序号29所指)来减少根据第二种实施例的离合器装置1’元件数量，区别于根据第一种实施例的离合器装置1，但同样的结构也可以用于图2所示的离合器装置1。

根据本发明，可以提供一种具备电机助动、辅助刹车及电力再生功能的电力助动自行车。因为这些功能通过新添加一个单独的离合器装置实现，可以使电机装置缩小化，进而降低成本。近一步，因为该离合器装置采用啮合元件的以楔状方式啮合作用，提高了稳定性、可靠性及操作的确定性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (14)

1、一种电力助动自行车，其特征在于来自一个曲柄轴的一个踏板驱动力和一个电机的一个输出都被传递到一个驱动轴，一个离合器装置与该电机的一个输出轴耦合，且该离合器装置包括：

一个输入侧构件，用以接受正常转动方向上的电机转矩输入；

一个输出侧构件，用以接受转矩输出；

楔形间隙，形成于输入侧构件及输出侧构件之间，且在正常转动方向上及反向转动方向上缩小；

啮合元件，配置于输入侧构件和输出侧构件之间的该楔形间隙；

一个盒体，支撑该啮合元件；以及

一个弹性体，对该盒体施加一个弹力，并使该啮合元件在楔形间隙的正常转动方向上一直保持楔状方式啮合，

并与车手的刹车操作共同作用而对该盒体施加一个转动的延迟来切换，使该啮合元件在该楔形间隙的反向转动方向上呈楔状方式啮合。

2、根据权利要求1所述的电力助动自行车，其特征在于其中所述的曲柄轴通过第一个传输工具与输出轴耦合，并且该离合器装置的输出轴通过第二个传输工具与驱动轴固定耦合。

3、根据权利要求2所述的电力助动自行车，其特征在于其中一个单向离合器被安置于第一个传输工具与驱动轴之间。

4、根据权利要求1所述的电力助动自行车，其特征在于其中所述的离合器装置的输出轴通过传输工具与驱动轴固定耦合，并且曲柄轴与该离合器装置的输出轴耦合。

5、根据权利要求4所述的电力助动自行车，其特征在于其中一个单向离合器被安置于曲柄轴与该离合器装置的输出轴之间。

6、根据权利要求1所述的电力助动自行车，其特征在于其中所述的离合器装置的输出轴通过传输工具与驱动轴固定耦合，并且其中所述的曲柄轴通过前述传输工具与驱动轴耦合；

7、根据权利要求6所述的电力助动自行车，其特征在于其中一个单向离合器被安置于前述曲柄轴与传输工具之间。

8、根据权利要求1所述的电力助动自行车，其特征在于其中所述的离合器装置的多个凸轮面使啮合元件与输入侧构件及输出侧构件在正常及反向转动方向上均以楔状方式啮合。

9、根据权利要求1至7中任一项所述的电力助动自行车，其特征在于其中所述的离合器装置在来自输出侧的反向输入转矩小于或等于一个预设值时将该反向输入转矩从输出侧传递到输入侧，而在来自输出侧的该反向输入转矩超过该预设值时中断转矩从输出侧到输入侧的传递。

10、根据权利要求1所述的电力助动自行车，其特征在于其中所述的离合器装置在反向输入转矩小于或等于一个预设值时将该反向输入转矩从输出侧传递到输入侧，而在该反向输入转矩超过该预设值时中断转矩从输出侧到输入侧的传递。

11、根据权利要求10所述的电力助动自行车，其特征在于其中所述的离合器装置的多个凸轮面包括：

第一凸轮面，其仅在正常转动方向上将啮合元件与输入侧构件及输出侧构件以楔状方式啮合；以及

第二凸轮面，其在正常及反向两种转动方向上将啮合元件与输入侧构件及输出侧构件以楔状方式啮合。

12、根据权利要求11所述的电力助动自行车，其特征在于其中所述的第二凸轮面上提供了阻塞部位，用以在一个反向转动方向上的反向输入转矩超出一个预设值时使凸轮角度等于或大于锁定角度。

13、根据权利要求12所述的电力助动自行车，其特征在于其中所述的第二凸轮面形成于输入侧构件与输出侧构件中的其中之一上，而另一个则在由该阻塞部位导向的啮合元件作用下发生形变以使前述凸轮角大于锁定角度。

14、根据权利要求8、10至13中任一项所述的电力助动自行车，其特征在于在其中所述的用以使前述啮合元件在正常及反向两种转动方向上与输入侧构件及输出侧构件以楔状方式啮合的凸轮面内，正常转动方向上的啮合元件的锁定位置与反向转动方向上的啮合元件的锁定位置之间的角度被设为等于或大于5度。

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