CN101031469A - 与可变比传动系统结合的轮毂 - Google Patents

Abstract

一种轮毂包括大体为圆柱形的中空的轮毂件(2)，轮毂件安装成围绕该轮毂件的轴线旋转并且内部容纳有传动系统，所述传动系统具有安装成围绕所述轴线旋转的输入(10)以及连接成随着所述轮毂件旋转的输出。所述传动系统包括第一和第二行星齿轮组(14，16)，所述第一齿轮组(14)包括第一太阳轮(18)，第一太阳轮安装成围绕所述轴线旋转并且与多个第一行星齿轮(20)啮合，所述多个第一行星齿轮安装成围绕被第一公共承载器(24)承载的各自的行星轴(22)旋转，所述第一公共承载器安装成围绕所述轴线旋转。所述第二齿轮组(16)包括第二太阳轮(28)，第二太阳轮安装成围绕所述轴线旋转并且与多个第二行星齿轮(30)啮合，所述多个第二行星齿轮安装成围绕被第二公共承载器(34)承载的各自的行星轴(32)旋转。所述第一和第二太阳轮(18，28)分别与第一和第二电动机/发电机的转子(38，40)相连。两个定子(42，46)的动力连接通过控制器(50)相连，所述控制器设置用来控制从一个电动机/发电机到另一个的动力传输。

Description

与可变比传动系统结合的轮毂

技术领域

本发明涉及轮毂，尤其是但不排除地涉及用于或者与车轮结合的轮毂，特别是自行车轮或摩托车轮，但也可以是三轮或多轮车辆的车轮，并且涉及与可变比传动系统结合类型的轮毂。

背景技术

自行车车轮公知具有与可变比传动系统结合的轮毂，但是这种传动系统只能提供相对少量的不连续的齿数比。期望提供一种具有与连续可变比传动系统结合的轮毂的自行车车轮。

机动车制造商承受着不断增加的社会和法律压力，来给发动机提供减少的燃料消耗以及减少的污染物排放。实现这些目标的一个方法是保证车辆的传动系统总是使用最优的齿数比，并且这只能通过提供连续的或者无级变化式的传动系统并因此具有无限数量的齿数比来实现。上面提到的减少燃料消耗从而减少发动机排放的污染物的压力的结果之一是所谓的混合型车辆快速增加广泛普及。因此也需要一种传动系统，其能够简单地将机械能输入和电能输入结合成一个机械能输出。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种结合有可变比传动系统的轮毂，其满足了上面的所有需要。

根据本发明，轮毂包括大体为圆柱形的中空的轮毂件，所述轮毂件安装成围绕该轮毂件的轴线旋转，并且容纳在所述轮毂件内部的是传动系统，所述传动系统具有安装成围绕所述轴线旋转的输入以及连接成随着所述轮毂件旋转的输出，所述传动系统包括第一和第二行星齿轮组，所述第一齿轮组包括第一太阳轮，所述第一太阳轮安装成围绕所述轴线旋转并且与多个第一行星齿轮啮合，所述多个第一行星齿轮安装成围绕被第一公共承载器承载的各自的行星轴旋转，所述第一公共承载器安装成围绕所述轴线旋转，所述第一行星齿轮与另一个齿轮件啮合，所述第二齿轮组包括第二太阳轮，所述第二太阳轮安装成围绕所述轴线旋转并且与多个第二行星齿轮啮合，所述多个第二行星齿轮安装成围绕被第二公共承载器承载的各自的行星轴旋转，所述第二行星齿轮与第二齿圈啮合，所述第一行星齿轮或所述第一公共承载器连接成与所述第二行星齿轮或所述第二承载器同步旋转，所述第一和第二太阳轮分别与第一和第二可逆机构的转子相连，所述第一和第二可逆机构设置用来产生动力或者用作电动机，两个定子的动力连接通过控制器相连，所述控制器设置用来控制从一个机构到另一个机构的动力传输。

与根据本发明的所述轮毂结合在一起的所述传动系统因此包括圆柱形的轮毂件，所述轮毂件以通常的方式安装成围绕该轮毂件的轴线旋转。在所述轮毂件内部的是传动系统，所述传动系统具有与所述轮毂件相连的同轴输入和输出，因此所述输入的旋转将导致所述轮毂件的旋转。如果所述轮毂是车轮轮毂，所述轮毂件将与车轮的其余部分相连，并且所述输入将与链轮、滑轮或类似物相连，所述链轮、滑轮或类似物安装成围绕所述轮毂件的所述轴线旋转，并且在所述链轮、滑轮或类似物周围缠绕着链条、皮带或类似物，用于将输入功率传递给所述轮毂。然而，所述轮毂也可以是例如绞盘或卷筒的一部分，并且这种情况下所述轮毂件可以简单地承载侧突缘以限定空间，绳索、缆绳或类似物缠绕在这个空间上。所述传动系统包括两个行星齿轮组，每个齿轮组包括太阳轮以及多个行星齿轮，所述太阳轮安装成围绕所述轴线旋转，所述行星齿轮与所述太阳轮啮合并且安装成围绕被相关联的公共承载器承载的各自的行星轴旋转。所述两组行星齿轮与另一个齿轮件啮合，所述另一个齿轮件可以是齿圈或者是另一个太阳轮。第一齿轮组的行星齿轮或者公共承载器连接成与第二齿轮组的行星齿轮或者公共承载器同步旋转。这种连接可以采取很多形式，如果所述两个公共承载器连接在一起，则它们当然以相同的速度旋转。然而，如果第一齿轮组的行星齿轮与另一个齿轮啮合，所述另一个齿轮依次或者与所述第二齿轮组的行星齿轮啮合或者连接成与所述第二齿轮组的承载器旋转，则所述两个被连接的元件可以以相同的速度旋转或者以不同的速度旋转，但即使它们以不同的速度旋转，它们也将同步旋转，因为所述两个被连接的元件的速度必须彼此成固定比率。所述两个太阳轮分别连接于第一和第二可逆机构的转子，所述第一和第二可逆机构设置用来产生动力或者用作电动机。两个定子的动力连接通过控制器相连，所述控制器设置用来控制从一个机构到另一个机构的动力传输。

如果所述轮毂是用于或者构成像卷筒或者绞盘那样的大件装置的一部分，那么所述第一和第二可逆机构可以是液压泵/电动机，其中之一通常用作泵，并且以加压的液压流体的形式向另一机构提供动力，另一个机构用作电动机。然而，如果所述轮毂是用于或者构成车轮的一部分，则通常不太可能具有充足的空间来安装两个可逆液压机构，在这种情况下优选地是所述两个机构构成电动机/发电机。使用中，所述电动机/发电机之一用作发电机且将电能传递给用作电动机的电动机/发电机中的另一个。如此传递的电能的量可以通过控制器来选择性改变，从而改变所述传动系统的传动比。能量通过所述传动系统被机械地和电子地传递，其比例随着变化的传动比而变化。所述传动系统的输出速度以及所述轮毂件的速度因此可以独立于输入速度而改变，这意味着所述轮或者与根据本发明的所述轮毂件相连的类似物的速度可以独立于发动机或者与之相连的踏板的速度而改变，这意味着因此可以在最适于车辆驾驶情况的速度下精确操作。

所述传动系统的输入可以连接成随着所述第一公共承载器旋转，但是在一个作为选择的实施例中，第一行星齿轮组中的所述另一个齿轮件是第三太阳轮，所述第三太阳轮安装成围绕所述轴线旋转并且连接成随着所述输入旋转。作为选择，所述另一个齿轮件可以是连接成随着所述轮毂件旋转的第一齿圈。所述第一齿圈可以是连接于所述轮毂件的单独的元件，但是优选构成为所述轮毂件的一体部分，例如与所述轮毂件的内表面一体的突缘，所述突缘的内圆表面承载齿轮齿。

第二公共承载器可以连接成随着所述轮毂件旋转，或者作为选择，所述第二齿圈可以连接成随着所述轮毂件旋转。

在进一步的实施例中，所述第一和第二公共承载器被连接在一起。在进一步的实施例中，所述第二齿圈是固定的。

所述行星齿轮可以构成传统的简单齿轮，提供了与相关联的太阳轮和相关联的齿圈或第三太阳轮相啮合的单组齿轮齿。然而，优选地是所述多个行星齿轮的至少一个并且优选地是两个的齿轮是所谓的阶梯齿轮，所述阶梯齿轮由两个相连的优选为一体相连的直径不同的部分构成，这两个部分承载齿轮齿，并且其中之一与相关联的太阳轮啮合，另一个与相关联的齿圈或第三太阳轮啮合。如果所述轮毂用于在自行车或摩托车的车轮中使用，那么需要两个行星齿轮组具有相对高的传动比，并且这个特征导致所需扭矩减少，因此两个可逆机构的尺寸以及两个齿轮组的直径也减小。所述轮毂的整个直径因此减小。

所述轮毂可以形成电动自行车或电助力自行车的后轮的一部分，或者电动力或电助力车辆的任何轮的一部分，例如混合型车辆，并且在这种情况下，控制器在使用中也将被连接到电池上，并且设置成控制两个电动机/发电机和电池之间的电能。电动机/发电机因此不仅仅是使所述传动系统的传动比连续变化所需的装置，而且也是使来自电池的电能可以转化成机械能并传递给车轮所需的装置。当所述轮毂用于像摩托车那样的机动车的车轮时，所述电动机/发电机也可以用于双重功能，因为所述电动机/发电机的一个或两个可以额外地满足不仅传统的用于产生电能以给电池再充电的交流发电机的功能，而且满足传统的起动电动机的功能。包括具有根据本发明的轮毂的车轮的车辆因此不需要具有通常的交流发电机和起动电动机。根据本发明的轮毂还可以与机动车的两个甚至四个车轮结合，并且这提供了独立控制机动车的两个甚至所有四个车轮的速度的可能，因此这也允许省略传统的差动器。

附图说明

本发明的进一步的特征和细节将通过随后的四种具体实施方式的描述而了解，实施例只是参考附图作为例子给出，其中图1到图6是根据本发明的轮毂的六种实施方式的简要的轴向截面图，为了简化，图2到图6中至少部分地省略了电子元件。

具体实施方式

首先参考图1，轮毂包括中空的圆柱形轮毂件2，所述轮毂件2安装成通过轴承6围绕轮毂件2的轴线在轮轴4上旋转，轴承6仅仅示意性表示。安装在轮轴4的一端用于围绕轮轴4的轴线旋转的是链轮8，在使用中，链条将环绕链轮。与链轮8相连的是管状输入轴10，管状输入轴10围绕轮轴4延伸并且安装成通过轴承12相对于轮轴4旋转，轴承12再次仅仅示意性表示。

在轮毂件2内部容纳的是包括第一行星齿轮组14和第二行星齿轮组16的传动系统。第一行星齿轮组14包括第一太阳轮18，第一太阳轮安装在轴承19上以围绕轮轴4旋转并且与多个行星齿轮20啮合。行星齿轮20安装成围绕各自的行星轴22旋转，行星轴与第一公共承载器24相连。承载器24连接成同输入轴10一起旋转。第一行星齿轮20是阶梯式的，并且包括相对大直径部分，这个部分承载与太阳轮18啮合的齿轮齿，以及相对小直径部分，这个部分承载与第一齿圈26啮合的齿轮齿。齿圈26由与轮毂件2一体的内突缘的环形内表面上的齿构成。

第二行星齿轮组16包括第二太阳轮28，第二太阳轮28安装成围绕轮轴4在轴承29上旋转。第二太阳轮28与围绕各自的行星轴32旋转的多个第二行星齿轮30啮合，行星轴32又与第二公共承载器34相连。在这个例子中，承载器34构成与轮毂件2一体的另一内突缘，并且因此必须与轮毂件2一同旋转。第二行星齿轮30也是阶梯式的，并且较大直径部分与第二太阳轮28啮合。较小直径部分与固定的第二齿圈36啮合。第一行星齿轮20与第二承载器34同步，但是速度不同。

第一和第二太阳轮18，28分别与第一和第二电动机/发电机的转子38，40相连。第一电动机/发电机的定子42由固定支架44承载。第二电动机/发电机的定子46与固定的第二齿圈36相连。两个定子42，46的电连接在48示意性示出并且连接于控制器50，控制器50还与电池52相连。

使用中，链轮8通过围绕其缠绕的链条旋转，并且这个旋转通过输入轴10传递到第一齿轮组的承载器24。两个电动机/发电机之一通常用作发电机，并且将电能传递给用作电动机的电动机/发电机中的另一个。在两个电动机/发电机之间传递的电能量由控制器50决定，典型地响应于安装有所述轮毂的车辆的发动机管理系统，并且这决定了作为电动机操作的电动机/发电机的旋转速度以及传动系统的传动比。输出以及轮毂件2的速度因此可以独立于输入速度而变化。实际上，由传动系统传递的大部分动力是以机械能的形式传递而不是以电能的形式传递，动力损失因此相对较少。

如果轮毂安装到电助力自行车上，则施加于链轮8的输入动力将由使用者施加给自行车的踏板。然而，控制器可以启动以从电池52额外地提供电能给电动机/发电机中的一个或另一个，以增加使用者提供的动力并且帮助骑车人例如更容易骑上山。另一方面，如果轮毂形成摩托车的一部分，则如果摩托车是混合型的，则电池可以用来提供额外的动力，但如果摩托车是传统型的，则电池将通常仅仅用于其传统目的，也就是启动、照明和点火。然而，电动机/发电机可以替代传统的起动电动机，并且当需要的时候电池可以用于启动车辆发动机，在产生的电力大于需要时可以通过控制器对电池进行再充电。传动系统还可以作为刹车非常有效地操作，并且刹车操作将发电，电力可以用来对电池再充电。这种再生刹车的使用将增加摩托车的整体燃油效率。实际上，可以操作控制器来真正锁定轮毂，并且轮毂因此能够替代传统上位于机动车上的刹车。

图2的实施例与图1的实施例非常相似，唯一的区别在于轮毂件不与第二齿轮组的公共承载器相连，而是提供了第二一体齿圈54，第二一体齿圈与阶梯行星齿轮30的较小直径部分啮合。第二齿轮组的公共承载器56在这个例子中是固定的，并且形成为与第二电动机/发电机的定子46相连的支架的一部分。因此在这种实施方式中，行星齿轮组都和与轮毂件一体的齿圈啮合。第一和第二行星齿轮的尺寸相同，提供第一和第二齿圈的两个内突缘的尺寸也相同，并且这意味着第一和第二行星齿轮实际上将以相同的速度围绕各自的行星轴旋转。然而，可以想到，这不是必要的情况，两组行星齿轮以不同速度旋转也是非常可能的。

图3的实施例也与图1的实施例相似，但在这个例子中，第二公共承载器不连接成随着轮毂件旋转，并且第一和第二齿轮组之间的连接是这样构成的，即，第一和第二公共承载器连接成一起旋转并有效地构成两个齿轮组共用的一个单一的承载器58。如图所示，每个行星轴60穿过所述单一的承载器58延伸，并承载各自的第一和第二行星齿轮。然而，这也不是必需的，像之前的实施方式那样，每个行星齿轮可以安装在各自的行星轴上。

图4中示出的实施方式与图1的实施方式的不同在于，第一行星齿轮不与齿圈啮合，而是与第三太阳轮62啮合，第三太阳轮62安装成围绕轮轴4旋转并且连接于输入轴10。与图3所示的方式相似，两个公共承载器连接在一起，并且由单一的承载器64构成，这个承载器64连接成随着轮毂件2旋转。与图3的实施例相似，每个行星轴60也承载各自的第一和第二行星齿轮，但是这也是不必须的，并且每个行星齿轮可以安装到各自的行星轴上。

在图1到图4的实施方式中，电动机/发电机是径向磁通式的，也就是说它们的定子是环形的并且与轮毂的轴线同心，因此磁通量分布图沿大体的径向方向延伸。而且，在前面的实施方式中，中心轮轴是实心的，且输入轴围绕中心轮轴旋转。这在实践中意味着轮轴很可能必须在两端被支撑，并且轮毂因此主要适于两轮车，或者应用于被叉支撑的情况，例如三轮车的前轮毂。然而，在图5的实施方式中，中心轮轴是中空的，且输入轴在中心轮轴内旋转。这个简单的颠倒使得轮毂适于仅仅一侧被支撑，如具有四个轮子或多个轮子的机动车的轮毂所期望和使用的那样，并且变得对于某些型号的自行车和摩托车越来越普遍。而且，在这种实施方式中电动机/发电机是轴向磁通式的。

更具体的，链轮8与实心输入轴10相连，输入轴安装成在中空轮轴4内旋转。输入轴10与第一行星齿轮组的承载器24相连。两个齿轮组的结构和布局大体与图2的实施方式相同。然而，第二齿轮组的承载器由固定的支撑结构66构成，支撑结构66连接于轮轴4以及仅位于轮毂的一侧上的刚性单臂支撑68，轮毂可以通过该刚性单臂支撑68来支撑。支撑结构66限定了向内开口的环形空间，其中容纳了第二电动机/发电机的径向延伸永磁转子70。第二电动机/发电机的定子构成为两个相对的环形绕组72，环形绕组在环形空间的相对径向延伸表面上位于转子70的相对两侧。支撑结构66还包括另一部分，这个部分限定了另一向内开口的环形空间，该环形空间中容纳了第一电动机/发电机的径向延伸永磁转子80。在第二环形空间的两个径向延伸表面上位于这个转子的每侧的相对的环形绕组82构成第一电动机/发电机的定子。可以想到，环形定子绕组72，82的布置将导致由它们产生的磁通量轴向朝向，而不是径向朝向，如前面实施方式那样。这种实施方式在电动自行车中使用尤其有用，在电动自行车中期望仅仅在一侧支撑轮毂。

特别适于在具有四个和多个轮子的机动车中使用的图6的实施方式与图2和图5的实施方式在机械上大体相同，尽管机械元件的形状有些不同，这主要是由于两个电动机/发电机也是径向磁通式的，而且两个定子结合成单一的定子单元。在这个例子中，链轮8由用于从车辆发动机引导机械动力输入的输入等速活节联接器74替代。两个太阳轮18，28是细长的轴向延伸的形式，并且承载两个电动机/发电机的轴向延伸转子38，40。定子42，46结合成单一的单元，位于由两个转子限定的环形空间中。图5的单臂支撑68由机动车辆中普遍使用类型的轭/主销支撑组件76替代。与图5的实施方式的唯一的不同在于行星轮30不是阶梯式的，而是恒定直径的，并且仅仅提供了一组齿轮齿，该齿轮齿与太阳轮28以及齿圈54都啮合，齿圈54与轮毂件2相连。

Claims (15)

1.一种轮毂，包括大体为圆柱形的中空的轮毂件，所述轮毂件安装成围绕所述轮毂件的轴线旋转，并且传动系统容纳在所述轮毂件的内部，所述传动系统具有安装成围绕所述轴线旋转的输入以及连接成随着所述轮毂件旋转的输出，所述传动系统包括第一和第二行星齿轮组，所述第一齿轮组包括第一太阳轮，所述第一太阳轮安装成围绕所述轴线旋转并且与多个第一行星齿轮啮合，所述多个第一行星齿轮安装成围绕被第一公共承载器承载的各自的行星轴旋转，所述第一公共承载器安装成围绕所述轴线旋转，所述第一行星齿轮与另一个齿轮件啮合，所述第二齿轮组包括第二太阳轮，所述第二太阳轮安装成围绕所述轴线旋转并且与多个第二行星齿轮啮合，所述多个第二行星齿轮安装成围绕被第二公共承载器承载的各自的行星轴旋转，所述第二行星齿轮与第二齿圈啮合，所述第一行星齿轮或所述第一公共承载器连接成与所述第二行星齿轮或所述第二承载器同步旋转，所述第一和第二太阳轮分别与第一和第二可逆机构的转子相连，所述第一和第二可逆机构设置用来产生动力或者用作电动机，两个定子的动力连接通过控制器相连，所述控制器设置用来控制从一个机构到另一个机构的动力传输。

2.如权利要求1所述的轮毂，包括固定轮轴，并且所述输入包括围绕所述轮轴延伸的中空轴。

3.如权利要求1所述的轮毂，包括固定轮轴，所述固定轮轴包括围绕所述输入延伸的中空轴，所述轮轴仅仅一端连接到支撑件上，所述轮毂通过所述支撑件支撑。

4.如权利要求1到3中任一项所述的轮毂，其中，所述输入连接成随着所述第一公共承载器旋转。

5.如权利要求1所述的轮毂，其中，所述另一个齿轮件是第三太阳轮，所述第三太阳轮安装成围绕所述轴线旋转并且连接成随着所述输入旋转。

6.如权利要求4所述的轮毂，其中，所述另一个齿轮件是第一齿圈，所述第一齿圈连接成随着所述轮毂件旋转。

7.如权利要求6所述的轮毂，其中，所述第二公共承载器连接成随着所述轮毂件旋转。

8.如权利要求5或6所述的轮毂，其中，所述第二齿圈连接成随着所述轮毂件旋转。

9.如权利要求4或5所述的轮毂，其中，所述第一和第二公共承载器连接成一起旋转。

10.如权利要求4到7中任一项所述的轮毂，其中，所述第二齿圈是固定的。

11.如上述权利要求中至少任一项所述的轮毂，其中，所述多个行星齿轮中的至少一个的齿轮是阶梯齿轮，所述阶梯齿轮由不同直径的两个连接部分构成，这两个部分都承载轮齿，并且其中之一与相关联的太阳轮啮合，且另外一个与相关联的齿圈或第三太阳轮啮合。

12.如上述任一项权利要求所述的轮毂，其中，所述可逆机构是电动机/发电机。

13.如权利要求12所述的轮毂，其中，所述两个电动机/发电机的定子是一体的，以形成单一的定子单元。

14.如上述权利要求中任一项所述的轮毂，所述轮毂是用于车轮的轮毂。

15.如权利要求14所述的轮毂，其中，所述控制器还与电池相连，并且设置用来控制所述两个电动机/发电机和电池之间的电能的流量。

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