CN101774418B - 用于驱动车轮的驱动系统 - Google Patents

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Abstract

一种以各种速度驱动车轮的驱动系统。该驱动系统大体包括沿前进方向驱动车轮的传动组件和电动机，该电动机可沿第一方向和第二方向旋转并且设置成驱动传动组件。所述传动组件设置成当电动机沿第一方向旋转时以第一运行模式运行，以沿前进方向提供至少一个第一车轮速度。所述传动组件设置成当电动机沿第二方向旋转时以第二运行模式运行，以沿前进方向提供至少一个第二车轮速度。

Description

用于驱动车轮的驱动系统
技术领域
本发明涉及车轮驱动系统，且更具体地涉及包括电动机和传动组件的车轮驱动系统，其中所述传动组件设置成当电动机沿第一方向旋转时提供至少第一前进车轮速度，并且当电动机沿第二方向旋转时提供至少第二前进车轮速度。
发明内容
本发明提供一种用于沿前进方向以各种速度驱动车轮的驱动系统。所述驱动系统大体包括沿第一方向和第二方向可旋转地驱动传动组件的电动机。所述传动组件设置成当所述电动机沿第一方向旋转时以第一运行模式运行以沿所述前进方向提供至少一个第一车轮速度，并且所述传动组件设置成当所述电动机沿第二方向旋转时以第二运行模式运行，以沿所述前进方向提供至少一个第二车轮速度。尽管所述电动机沿两个方向旋转，但所述传动组件设置成在电动机的两个旋转方向上都沿所述前进方向驱动所述车轮。
在本发明的一个实施方式中，所述车轮驱动系统用于把手转向车辆。所述车轮驱动系统可安装到所述车轮处。所述传动组件包括用于在所述第一运行模式和所述第二运行模式中运行所述传动组件的变速机构和离合器组件。所述变速机构可包括第一行星齿轮机构，所述第一行星齿轮机构具有第一太阳轮、由第一行星架支撑的第一多个行星齿轮和第一环形齿轮。所述变速机构可进一步包括第二行星齿轮机构，所述第二行星齿轮机构具有第二太阳轮、由第二行星架支撑的第二多个行星齿轮和第二环形齿轮。在一个实施方式中，所述第一环形齿轮和所述第二太阳轮设置成一起旋转。
在本发明的一个实施方式中，所述离合器组件包括离合器，所述离合器被所述电动机的输出轴旋转，以选择性地接合所述第一太阳轮和所述第二太阳轮。所述离合器设置成当所述电动机沿所述第一方向旋转时沿着所述电动机的所述输出轴轴向位移，以接合所述第一太阳轮。所述离合器设置成当所述电动机沿所述第二方向旋转时沿着所述电动机的所述输出轴轴向位移，以接合所述第二太阳轮。
另一实施方式的所述离合器组件包括第一离合器和第二离合器，所述第一离合器和所述第二离合器由所述电动机驱动，以选择性地分别接合所述第一太阳轮和所述第二太阳轮。当所述电动机沿所述第一方向旋转时所述第一离合器接合所述第一太阳轮。当所述电动机沿所述第二方向旋转时所述第二离合器接合所述第二太阳轮。
在另一实施方式的所述传动组件中，所述第一太阳轮连接到所述电动机，并且离合器组件包括第一离合器和第二离合器。所述第一离合器设置在所述第一行星架和所述车轮的固定的轴之间，以防止当所述电动机沿所述第一方向旋转时所述第一行星架旋转。所述第二离合器设置在所述第一太阳轮和所述第一行星架之间，并且设置成当所述电动机沿所述第二方向旋转时将所述第一太阳轮锁定到所述第一行星架。
另一实施方式的所述离合器组件包括第一离合器和第二离合器，所述第一离合器设置在所述车轮和所述电动机之间以驱动所述车轮，所述第二离合器设置在所述变速机构和所述电动机之间。
结合附图，根据对于本发明的特定实施方式的以下描述，将会更加充分地理解本发明的这些和其他特征以及优点。
附图说明
附图中：
图1是包括根据本发明的一个实施方式的车轮驱动系统的自行车的侧视图；
图2是图1中车轮驱动系统的剖视图；
图3是沿着图2中的线3-3截取的局部剖视图，显示了锁定到毂轴的传动组件的第一行星架；
图4是沿着图2中的线3-3截取的局部剖视图，显示了锁定到传动组件的第一太阳轮的第一行星架；
图5是根据本发明的另一实施方式的车轮驱动系统的剖视图；
图6是根据本发明的另一实施方式的车轮驱动系统的剖视图，显示了以第一运行模式运行的传动组件；
图7是图6的车轮驱动系统的剖视图，显示了以第二运行模式运行的传动组件；
图8是沿着图6中的线8-8截取的局部剖视图，显示了与传动组件的第一太阳轮接合的轴向离合器；
图9是根据本发明的另一实施方式的车轮驱动系统的剖视图，显示了以第一运行模式运行的传动组件；
图10是沿着图9中的线10-10截取的局部剖视图，显示了将电动机接合到传动组件的第一太阳轮的第一离合器；
图11是沿着图9中的线11-11截取的局部剖视图，显示了将电动机从传动组件的第二太阳轮上分离的第二离合器。
具体实施方式
图1-4示出了根据本发明的一个实施方式的用于驱动自行车9的自行车车轮7的车轮驱动系统10。车轮驱动系统10设置在自行车轮毂12处，但是，系统10可以位于自行车9的其他位置并且设置成驱动自行车车轮7。驱动系统10可应用在诸如小型摩托车(scooter)和三轮车的其他类型的把手转向的车轮车辆上，以及应用在诸如汽车的其他类型的车轮车辆上。系统10通常包括电动机14和传动组件16，所述传动组件16可以在至少两个运行模式之间运行，以响应电动机沿第一方向A和第二方向B的旋转而提供至少两个前进车轮速度。轮毂12包括毂轴18和毂壳体20，所述毂轴18能够以不可转动的方式安装至自行车9的框架5，所述毂壳体20封装电动机14和传动组件16。毂壳体20包括外部凸缘22，所述外部凸缘22具有孔24以接收辐条3的端部，所述辐条3将毂壳体20连接到自行车车轮的外部边缘13。滚柱轴承21设置在毂壳体20和毂轴18之间。
电动机14围绕毂轴18安装，以沿第一方向和第二方向旋转，在该实施方式中，分别为顺时针方向A和逆时针方向B。在该实施方式中，电动机14为无刷电动机，但是，电动机可为任意其他类型的电动机。电动机14通常包括固定的定子26、可旋转的转子28和磁体。从控制器/电源15延伸的电线27激励转子28的线圈，以围绕毂轴18可旋转地驱动转子28。转子28的旋转方向可通过改变经由电线27供应的电能的极性而改变。滚柱轴承29设置在转子28和毂轴18之间。
传动组件16通常包括变速机构31和离合器组件34。变速机构31包括第一行星齿轮机构30，该第一行星齿轮机构30具有第一多个行星齿轮36、第一太阳轮38和第一环形齿轮40。第一太阳轮38可旋转地连接到电动机14的转子28。第一多个行星齿轮36可旋转地支撑在从第一行星架44延伸的轴42上。滚柱轴承45设置在第一行星架44和毂轴18之间。第一多个行星齿轮36使第一太阳轮38与第一环形齿轮40啮合。变速机构31包括第二行星齿轮机构32，该第二行星齿轮机构32具有第二多个行星齿轮46、第二太阳轮48和第二环形齿轮50。第二多个行星齿轮46可旋转地支撑在从第二行星架54延伸的轴52上，第二行星架54固定到毂轴18。第二多个行星齿轮46使第二太阳轮48与第二环形齿轮50啮合。第二环形齿轮50连接到毂壳体20以可旋转地驱动轮毂12。在该实施方式中，第一环形齿轮40和第二太阳轮48形成为单一的部件并从而一起围绕轴18旋转。可理解的是，可使用其他变速机构，这些变速机构包括但不限于正齿轮机构。
离合器组件34包括第一离合器56和第二离合器58。在该实施方式中，第一离合器56和第二离合器58包括棘爪51，棘爪51被可围绕轴49枢转地支撑，轴49设置在第一行星架44上，以选择性地接合毂轴18上的齿53或接合第一太阳轮38上的齿55(见图3和图4)。这种构造防止系统10锁定自行车车轮。在本实施方式中为弹簧47的摩擦元件包括连接到棘爪51的一个端部和与第一太阳轮38摩擦接合的另一个端部，以在第一太阳轮38沿第一方向A旋转时将棘爪51偏压成与毂轴18接合，并且在太阳轮38沿第二方向B旋转时将棘爪51偏压成与第一太阳轮38接合。
当转子28沿第一方向A(顺时针方向)旋转时，传动组件16以第一运行模式运行。最初，与转子28一起旋转的第一太阳轮38偏压弹簧47，并且进而又将棘爪51偏压成与固定毂轴18接合(见图3)。一旦第一行星架44锁定到毂轴18，第一多个行星齿轮36使第一环形齿轮40围绕毂轴18沿第二方向B(逆时针方向)旋转，并且因此也使第二太阳轮48沿第二方向B围绕毂轴18旋转。第一环形齿轮40和第二太阳轮48一起旋转而以大约2∶1的比率运行。第二太阳轮48使第二多个行星齿轮46沿第一方向A围绕固定轴52旋转，第二多个行星齿轮46进而又使第二环形齿轮50沿第一方向A围绕毂轴18旋转。第二环形齿轮50然后使毂壳体20以第一车轮速度、沿第一方向A围绕毂轴18旋转，驱动自行车前进。
当转子28沿第二方向B(逆时针方向)旋转时，传动组件16以第二运行模式运行。与转子28一起旋转的第一太阳轮38偏压弹簧47，并且进而又将棘爪51偏压成与第一太阳轮38接合(见图4)，使得第一多个行星齿轮36、第一环形齿轮40和第二太阳轮48锁定在一起而围绕毂轴18旋转且以1∶1的比率运行。第二太阳轮48使第二多个行星齿轮46沿第一方向A(顺时针方向)围绕轴52旋转，第二多个行星齿轮46进而又使第二环形齿轮50沿第一方向A围绕毂轴18旋转，可旋转地沿第一方向A以第二车轮速度围绕毂轴18驱动毂壳体20，驱动自行车前进。
图5示出了与图1-4中的毂驱动系统10相似的替代实施方式的毂驱动系统25，不过进一步包括有第三运行模式，其中离合器组件34包括设置在毂壳体20和电动机14之间的第三离合器35。第三离合器35可以是离心离合器，该离心离合器设置成在毂壳体20的阈速度(threshold speed)下将毂壳体20可旋转地连接到转子28。
参见图6-8，示出了本发明的替代的毂驱动系统62。毂驱动系统62大体包括传动组件64和电动机66。毂驱动系统62设置在轮毂61处，该轮毂61包括固定的毂轴63和用于封装传动组件64和电动机66的可旋转毂壳体65。滚柱轴承71设置在毂壳体65和毂轴63之间。毂壳体65包括外部凸缘57，该外部凸缘57具有接辐条(未示出)的端部的孔59，辐条将毂壳体65连接到自行车车轮的外部边缘(未示出)。
电动机66与图2中示出的电动机14相似，并且大体包括固定的定子70、可旋转的转子72和磁体74。定子70可由钢制成。磁体74安装到定子70的轴向面76。电刷78支撑在定子70上，并且连接到从控制器/电源(未示出)延伸的电线80。输出轴82连接到电动机66的转子72。输出轴82分别沿第一方向和第二方向(在该实施方式中分别为顺时针方向A和逆时针方向B)围绕固定的毂轴63旋转。滚柱轴承73设置在输出轴82和固定的毂轴63之间。转子72形成为盘状，其包括用塑料封装的铜线圈的平盘。转子72的内径包括换向器(未示出)，该换向器选择性地与电刷78接触，以激励转子72的线圈来围绕毂轴63旋转。可通过改变通过电线80的电能的极性来改变转子72的旋转方向。
传动组件64大体包括第一行星齿轮机构84和第二行星齿轮机构86以及离合器组件88。第一行星齿轮机构84包括第一多个行星齿轮90、第一太阳轮92和第一环形齿轮94。第一多个行星齿轮90可旋转地支撑在从第一行星架98(在该实施方式中为电动机66的固定的定子70)延伸的轴96上。第一多个行星齿轮90使第一太阳轮92以及第一环形齿轮94啮合。第二行星齿轮机构86包括第二多个行星齿轮100、第二太阳轮102和第二环形齿轮104。第二多个行星齿轮100可旋转地支撑在从第二行星架108延伸的轴106上，第二行星架108固定到毂轴63。第二多个行星齿轮100使第二太阳轮102与第二环形齿轮104啮合。第二环形齿轮104连接到毂壳体65，以驱动轮毂61。在该实施方式中，第一环形齿轮94和第二太阳轮102形成为单一的部件并因而一起围绕轴63旋转。
离合器组件88包括轴向离合器110，所述轴向离合器110可沿着输出轴82轴向位移以接合第一太阳轮92和第二太阳轮102中的一个。轴向离合器110包括可与输出轴82的螺纹部分114相匹配地接合的螺纹部分112。摩擦元件116设置在第一太阳轮92和第二太阳轮102上，以帮助离合器110沿着输出轴82轴向位移。轴向离合器110还包括可与第一太阳轮92和第二太阳轮102的齿轮齿120、121接合的多个齿轮齿118。由于第一运行模式和第二运行模式产生不同的轮速，轴向离合器110设置成选择性地接合第一太阳轮92和第二太阳轮102，以防止锁定传动组件64。
参见图6，当转子72沿第一方向A(顺时针方向)旋转时，传动组件64以第一运行模式运行。当转子72沿第一方向A旋转时，轴向离合器110沿着输出轴82、沿第一方向朝着接近输出轴82的第一端122的第一太阳轮92位移，使轴向离合器110的齿118与第一太阳轮92的齿120啮合，以使第一太阳轮92沿第一方向A围绕毂轴63旋转(见图8)。第一太阳轮92使第一多个行星齿轮90围绕其轴96旋转，第一多个行星齿轮90进而又使第一环形齿轮94以降低的速度沿第二方向(逆时针方向)旋转。由于第一环形齿轮94和第二太阳轮102形成为单一的部件，所以它们都沿第二方向B围绕毂轴旋转。第二太阳轮104进而又使第二多个行星齿轮100沿第一方向A围绕其轴106旋转，以使第二环形齿轮104和毂壳体65以第一降低的毂驱动速度、沿第一方向A围绕毂轴63旋转。可在第二环形齿轮104和毂壳体65之间设置单向离合器124，以防止在自行车惯性运动时电动机66被毂壳体65驱动，从而防止过度拖曳。由于电动机66的方向通过第一行星齿轮机构84被反转并且通过第二行星齿轮机构86被再次反转，毂壳体65沿着与电动机66相同的方向、但以由第一行星齿轮机构84和第二行星齿轮机构86所降低的速度而被驱动。
参见图7，当转子72沿第二方向B(逆时针方向)旋转时，传动组件64以第二运行模式运行。当转子72沿第二方向B旋转时，轴向离合器110沿着输出轴82、沿第二方向朝着接近输出轴82的第二端126的第二太阳轮102位移，使轴向离合器110的齿118与第二太阳轮102的齿121啮合，以使第二太阳轮102沿第二方向B围绕毂轴63旋转。第二太阳轮102然后使第二多个行星齿轮100围绕其轴106旋转，第二多个行星齿轮100进而又使第二环形齿轮104和毂壳体65以第二毂驱动速度沿第一方向A旋转。不管哪个太阳轮被轴向离合器110接合，毂壳体65都沿第一方向A围绕毂轴63旋转，驱动自行车前进。
图9-11示出了与图6-8中的毂驱动系统62相似的另一实施方式的毂驱动系统130，其中轴向离合器110被第一滚柱离合器132和第二滚柱离合器134替代。在电动机66的输出轴138上形成有斜坡136。第一离合器滚柱140和第二离合器滚柱142分别通过第一间隔物144和第二间隔物145保持就位，其通过摩擦元件146连接到定子70。第一滚柱离合器132和第二滚柱离合器134设置成防止同时与第一太阳轮92和第二太阳轮102接合，以防止传动组件130锁定。
参见图9-11，当转子72沿第一方向A(顺时针方向)旋转时，传动组件64以第一运行模式运行。旋转的输出轴138的斜坡136径向向外地驱动第一离合器滚柱140以接合第一太阳轮92(见图10)，从而使第一太阳轮92沿第一方向A旋转。当第一离合器132与第一太阳轮92接合时，第二离合器滚柱142不被径向向外地驱动，因此第二太阳轮102从第二离合器滚柱142脱离并且不被第二离合器滚柱142旋转(见图11)。第一太阳轮92使第一多个行星齿轮90围绕其轴96旋转，第一多个行星齿轮90进而又使第一环形齿轮94和第二太阳轮102以降低的速度沿第二方向B(逆时针方向)围绕轴63旋转。第二太阳轮102使第二多个行星齿轮100围绕其轴106旋转，沿第一方向A围绕毂轴63以第一车轮速度可旋转地驱动第二环形齿轮104和毂壳体65。
当转子72沿第二方向B(逆时针方向)旋转时，传动组件64以第二运行模式运行。输出轴138的斜坡136径向向外地驱动第二离合器滚柱142以接合第二太阳轮102，从而使第二太阳轮102沿第二方向B围绕毂轴63旋转。当第二离合器134与第二太阳轮102接合时，第一离合器滚柱140不被径向向外地驱动，因而第一太阳轮102从第一离合器滚柱140脱离并且不被第一离合器滚柱140旋转。第二太阳轮102使第二多个行星齿轮100围绕其轴106旋转，围绕轴63以第二车轮速度可旋转地驱动第二环形齿轮104和毂壳体65。
虽然已参考若干实施方式描述了本发明，但是应理解，在所述的本发明概念的精神和范围内可以进行大量的改变。因此应认识到，本发明不限于所公开的实施方式，而是包括以下权利要求所允许的全部范围。

Claims (15)

1.一种车轮驱动系统，所述车轮驱动系统包括：
传动组件，所述传动组件设置成沿前进方向驱动车轮；和
电动机，所述电动机能够沿第一方向和第二方向旋转并且设置成驱动所述传动组件；
所述传动组件设置成当所述电动机沿所述第一方向旋转时该传动组件以第一运行模式运行，以沿所述前进方向提供至少一个第一车轮速度；
所述传动组件设置成当所述电动机沿第二方向旋转时该传动组件以第二运行模式运行，以沿所述前进方向提供至少一个第二车轮速度，
所述传动组件包括变速机构和离合器组件，以用于在所述第一运行模式和所述第二运行模式中操作所述传动组件，
所述变速机构包括第一行星齿轮机构，所述第一行星齿轮机构包括第一太阳轮、由第一行星架支撑的第一多个行星齿轮、以及第一环形齿轮，
所述第一太阳轮连接到所述电动机，所述离合器组件包括第一离合器和第二离合器，所述第一离合器设置在所述第一行星架和所述车轮的固定的轴之间以防止当所述电动机沿所述第一方向旋转时所述第一行星架旋转。
2.如权利要求1所述的车轮驱动系统，其中，所述车轮驱动系统用于把手转向的车辆。
3.如权利要求2所述的车轮驱动系统，其中，所述车轮驱动系统安装在所述车轮处。
4.如权利要求3所述的车轮驱动系统，其中，所述变速机构还包括第二行星齿轮机构，所述第二行星齿轮机构包括第二太阳轮、由第二行星架支撑的第二多个行星齿轮、以及第二环形齿轮。
5.如权利要求4所述的车轮驱动系统，其中，所述第一环形齿轮和所述第二太阳轮设置成一起旋转。
6.如权利要求4所述的车轮驱动系统，其中，所述离合器组件包括离合器，所述离合器被所述电动机的输出轴旋转，以选择性地接合所述第一太阳轮和所述第二太阳轮，所述离合器设置成当所述电动机沿所述第一方向旋转时该离合器沿着所述电动机的所述输出轴轴向位移以接合所述第一太阳轮，所述离合器设置成当所述电动机沿第二方向旋转时该离合器沿着所述电动机的所述输出轴轴向位移以接合所述第二太阳轮。
7.如权利要求4所述的车轮驱动系统，其中，所述第一离合器和所述第二离合器由所述电动机驱动，以选择性地分别接合所述第一太阳轮和所述第二太阳轮，当所述电动机沿所述第一方向旋转时所述第一离合器接合所述第一太阳轮，当所述电动机沿所述第二方向旋转时所述第二离合器接合所述第二太阳轮。
8.如权利要求4所述的车轮驱动系统，其中，所述第二离合器设置在所述第一太阳轮和所述第一行星架之间，并且设置成当所述电动机沿所述第二方向旋转时将所述第一太阳轮锁定到所述第一行星架。
9.如权利要求3所述的车轮驱动系统，其中，所述第一离合器设置在所述车轮和所述电动机之间以用于驱动所述车轮，所述第二离合器设置在所述变速机构和所述电动机之间。
10.如权利要求1所述的车轮驱动系统，其中，所述变速机构还包括第二行星齿轮机构，所述第二行星齿轮机构包括第二太阳轮、由第二行星架支撑的第二多个行星齿轮、以及第二环形齿轮。
11.如权利要求10所述的车轮驱动系统，其中，所述第一环形齿轮和所述第二太阳轮设置成一起旋转。
12.如权利要求10所述的车轮驱动系统，其中，所述离合器组件包括离合器，所述离合器被电动机的输出轴旋转以选择性地接合所述第一太阳轮和所述第二太阳轮，所述离合器设置成当所述电动机沿所述第一方向旋转时沿着所述电动机的所述输出轴轴向位移以接合所述第一太阳轮，所述离合器设置成当所述电动机沿所述第二方向旋转时沿着所述电动机的所述输出轴轴向位移以接合所述第二太阳轮。
13.如权利要求10所述的车轮驱动系统，其中，所述第一离合器和所述第二离合器由所述电动机驱动，以选择性地分别接合所述第一太阳轮和所述第二太阳轮，当所述电动机沿所述第一方向旋转时所述第一离合器接合所述第一太阳轮，当所述电动机沿所述第二方向旋转时所述第二离合器接合所述第二太阳轮。
14.如权利要求10所述的车轮驱动系统，其中，所述第二离合器设置在所述第一太阳轮和所述第一行星架之间，并且设置成当所述电动机沿所述第二方向旋转时将所述第一太阳轮锁定到所述第一行星架。
15.如权利要求1所述的车轮驱动系统，其中，所述第一离合器设置在所述车轮和所述电动机之间以驱动所述车轮，所述第二离合器设置在所述变速机构和所述电动机之间。
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