CN102317145A - 自行车传动系统 - Google Patents

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Abstract

自行车传动系统包括：输入(2)，其由自行车曲轴构成，在使用时所述输入(2)与自行车的踏板(4)连接；以及输出(32)，在使用时所述输出(32)与自行车链轮(34)连接。输入(2)和输出(32)与三分支行星齿轮组的各个轴连接，所述三分支行星齿轮组包括太阳齿轮(18)，太阳齿轮(18)与多个行星齿轮(16)相啮合，行星齿轮(16)由公共行星运载体(12)可旋转地承载并且与环形齿轮(20)相啮合。第一和第二电动机/发电机(22，24)的转子分别经由升压比至少为5以及至少为8的各个增速传动装置(26，18；28，20)与齿轮组的各个轴连接。电动机/发电机的定子的电气连接经由控制器(30)连接到一起，控制器(30)设置为选择性地控制从电能储蓄器(31)传送给所述电动机/发电机或从所述电动机/发电机传送给电能储蓄器(31)的电力或者在所述电动机/发电机之间传送的电力。齿轮组的Ro比率，即当所述行星运载体(12)保持静止时所述环形齿轮(20)的速度与所述太阳齿轮(18)的速度的比值，在-2和-4之间。

Description

自行车传动系统
本发明涉及可变传动比的自行车传动系统。自行车传动系统通常包括连接以与自行车踏板旋转的链轮、连接以与后轮旋转的另一链轮以及围绕两个链轮穿行以用于将施加到踏板上的推进力传输给后轮的连续链条。
已知许多可变传动比的自行车传动系统，并且最广泛使用的是所谓的齿毂和拨链器齿轮。齿毂实质上为容纳在后轮的毂内的齿轮组，所述齿毂的输入与后链轮连接，而所述齿毂的输出与后轮连接。该传动系统可选择性地切换以提供三个或多个不同的传动比。拨链器齿轮包括与后轮和/或踏板曲柄连接的两个或多个不同尺寸的链轮，以及设置为可选择地将自行车链条从一个链轮侧向地移动到另一个链轮的机构。已知的传动系统不提供无限可变的传动比而是有限数量的固定传动比。
从在NuVinci名下的名称为Fallbrook Technologies的公司可获得无限可变传动比的自行车变速器。该自行车变速器包括与可能倾斜的大球滚动接触的输入盘和输出盘，从而改变球和盘之间的接触点的有效半径并且因此也改变两个盘之间的传动比。该变速器复杂且体积庞大，而且本质上不容许另外引入由电动机产生的动力以及该动力与由用户生成的动力的组合。
已知机动车传动系统也是包括行星齿轮组的类型，在行星齿轮组中，两个轴构成了输入和输出并且因此在使用时分别与车辆发动机的曲轴和车辆的轮连接，并且两个轴与构成电动机/发电机的各个电机的转子连接。两个电机的定子连接通过控制器连接到一起，所述控制器设置为控制在两个电机之间传送的电力以及传送给诸如电池的蓄电介质的电力和从诸如电池的蓄电介质传送的电力。在使用时，电机中的一个用作发电机，并且所述发电机产生的动力被传送给作为电动机运行的另一电机。因此，通过这样的传动系统以机械方式和电气方式二者传送动力，并且以电气方式传送的动力的比例的变化将使得传动比渐进地变化。因此，有时被称为动力拆分变速器的这样的传动系统具有无限可变的传动比。
然而，尽管动力拆分变速器已广泛地用于机动车辆上，这些动力拆分变速器尚未用于自行车上，并且认为是由于如下两个主要原因引起的。因此，首先认为这样的传动系统体积过于庞大且沉重而不能用于自行车上。其次，认为电机的效率大幅度降低，因为这样的机器本身不能够在较低速处产生/吸收任何大的转矩，而较低速是自行车变速器所固有的。
本发明的目的是提供如下自行车传动系统：所述自行车传动系统具有无限可变传动比，并且因此允许传动比在任何时间处于在路况以及用户的力量和适应性方面与仅通过相对小数量的离散传动比的传动系统相比最优的比率处或非常接近所述比率。本发明的另一目的是提供如下自行车传动系统：所述自行车传动系统易于使得能够由电动机产生机械动力并且将机械动力引导到动力传动系统中以便允许自行车在选定时间处至少部分地由电动机驱动，例如当用户疲劳时或者当爬山时，并且使得由电动机产生的动力能够以简单方式与通过用户施加到自行车踏板上的动力相结合。
根据本发明，自行车传动系统包括：输入，其由自行车曲轴构成，在使用时所述输入与自行车的踏板连接；以及输出，在使用时所述输出与自行车链轮连接，所述输入和所述输出与三个分支行星齿轮组的各个轴连接，所述三个分支行星齿轮组包括太阳齿轮，所述太阳齿轮与多个行星齿轮啮合，所述行星齿轮由公共行星运载体可旋转地承载并且与环形齿轮啮合；以及第一和第二电动机/发电机，第一和第二电动机/发电机的转子分别经由各个增速传动装置与齿轮组的各个轴连接，所述增速传动装置具有至少为5且至少为8且优选地至少为10的升压比，并且第一和第二电动机/发电机的定子的电气连接经由控制器连接到一起，所述控制器设置为选择性地控制在电动机和发电机之间传送的电力，齿轮组的Ro比率，即，当行星运载体保持静止时环形齿轮的速度与太阳齿轮的速度的比率，在-2和-4之间。
因此，依据本发明的传动系统是拆分动力类型，但是惊奇的发现所述传动系统不仅非常高效而且可以足够小且足够轻以便易于容纳到自行车上。由于齿轮组的Ro比率在-2和-4之间的事实，可使得传动系统的尺寸小，并且发现在实践中大于-4的Ro的值导致齿轮组大的不可接受。也已经理解，与自行车传动系统相关联的电动机/发电机在低速处实质上效率低的问题可以利用增速齿轮传送装置来克服，以使得尽管行星齿轮组的元件在低速旋转电动机/发电机旋转得非常快，也就是说在电动机/发电机能够高效工作的速度处。因此，依据本发明的传动系统本身包括两个电动机/发电机，并且这意味着对于电动机助动安装有传动系统的自行车非常简单。因此，两个电动机/发电机可经由控制器与诸如电池的蓄电介质连接，所述蓄电介质可设置为将电力从电池选择性地引导到一个或甚至两个电动机/发电机以使它们作为电动机工作，并且因此提供驱动自行车所需的一些或者甚至全部的推进动力。因此，提出的是对控制器进行选择性地编程以将电力从电池引导到电动机/发电机中的至少一个以使所述至少一个作为电动机工作。电动机/发电机以及电池的存在也开创了使用再生制动的可能，也就是说，至少部分地以电气方式而不是以机械方式制动自行车并且利用必须消散的自行车和骑乘者的动能来产生电力，然后所述电力可用于对电池进行再充电。因此，优选的是，也对控制器进行选择性地编程以将电力从作为发电机工作的该电动机/发电机引导到电池以便对电池进行再充电。
在自行车正常工作时，电动机/发电机中的一个将作为发电机正常地工作，并且所述一个产生的动力由控制器引导到作为电动机工作的另一电动机/发电机。在两个电动机/发电机之间传递的电力的量由用户来控制，例如，通过自行车把手上的无限可变变速杆，并且这将使得传动比渐进地变成瞬时期望值。可选择地或除此之外，传动比的变化可由控制器自动地实现，例如，根据用户所施加的力，所述力可由与自行车曲轴相关联的转矩传感器感测到。因此，传动比是无限可变的并且可以设定在用户需要的无论任何值处并且不限于可通过已知自行车传动系统提供的相对小数量的离散值中的一个。
在优选实施方案中，输入与行星运载体连接，并且太阳齿轮可相对于所述输入旋转并且经由升压比至少为5的增速传动装置与第一电动机/发电机连接，并且环形齿轮经由升压比至少为8的增速传动装置与第二电动机/发电机连接。进一步优选的是，齿轮齿一体地形成在所述输入上，也就是说形成在自行车曲轴上，所述齿与行星运载体上的齿轮齿啮合。
优选的是，第一和第二电动机/发电机的转子分别连接到与太阳齿轮和环形齿轮上的齿轮齿啮合的各个游星齿轮上。
本发明还包含上文提及的原位位于自行车上的类型的传动系统，其中曲轴与自行车的踏板连接以便借此旋转，并且输出与自行车链轮连接。实际上，链条将与该链轮和被连接以与自行车的后轮一起旋转的另一链轮相啮合。
本发明的另外的特征和细节一个具体实施方案的下文描述中变得显然，具体实施方案是参照单个附图以实施例的方式给出的，该附图为依据本发明的自行车变速器的轴向剖视图。
传动系统包括输入轴2，输入轴2构成了自行车的曲轴。在使用时，该曲轴与自行车的踏板连接，但是仅显示了踏板的轴的部分4。变速器封装在外壳6内，并且曲轴被安装以便通过两个轴承8相对于该外壳旋转。与曲轴2一体形成的是齿轮齿10的周向阵列，齿轮齿10与形成在行星齿轮组的行星运载体上的互补齿轮齿相啮合。行星运载体12承载多个行星轴14，多个行星轴14中的每个可旋转地承载各个可旋转的行星齿轮16。行星齿轮16与形成在太阳齿轮18上的齿相啮合，太阳齿轮18可相对于曲轴2旋转，并且太阳齿轮18的齿形成在环形齿轮20上。
传动系统还包括第一电动机/发电机22和第二电动机/发电机24。这两个电动机/发电机的转子承载各个游星齿轮26、28。这两个游星齿轮分别与形成在太阳齿轮18和环形齿轮20上的齿相啮合。与太阳齿轮和环形齿轮相比，两个游星齿轮具有相对小的直径，并且因此游星齿轮的连接构成了增速传动装置。太阳齿轮18和电动机/发电机22之间的升压比至少为5并且在该情况下为8。环形齿轮和游星齿轮28之间的升压比至少为10并且在该情况下为12。两个电动机/发电机的定子的电气连接经由控制器30连接到一起，控制器30设置为控制在两个电动机/发电机之间传递的电力，在该情况下响应于可移动变速杆或安装到自行车的把手上的传动比变速杆的位置。控制器还与可再充电电池31连接。
环形齿轮20被连接以与环形输出构件32一起旋转，环形输出构件32被连接以与常规类型的自行车链轮34一起旋转。在使用时，自行车链条(未显示)将经过链轮34和被连接以与自行车的后轮一起旋转的另一链轮(未显示)并且与链轮34和所述另一链轮相啮合。
在使用时，用户以正常的方式旋转自行车的踏板，并且该旋转运动被传输给行星齿轮组，并且因此太阳齿轮18和环形齿轮20也旋转，而且链轮34与环形齿轮20一起旋转。尽管太阳齿轮18和环形齿轮20需要相对慢地旋转，太阳齿轮18和环形齿轮20与两个电动机/发电机22、24之间的增速意味着这两个电机相对快速地旋转。两个电动机/发电机中的一个通常作为发电机工作，并且由其产生的动力通过控制器30引导到用作电动机的另一机器。用户可通过控制控制器30任意地改变环形齿轮20的速度且因此变速器的传动比以便将期望量的电力从一个机器传送给另一个机器。如果用户应当需要电动机辅助，例如，当爬山时，用户操作控制系统以使得从电池31汲取电力并且将电力引导到作为电动机工作的该电机，从而向传动系统添加机械动力，以使得自行车更快速地移动或者减少用户保持恒速所必须施加的力量。如果用户应当操作自行车制动器，该信息传送给控制器，控制器然后将电力从作为发电机工作的该电机引导到电池31从而对电池进行再充电。当然，这就是所谓的再生制动并且将减少或大幅度地削减自行车制动系统必须施加的制动力，而且将使得通过常规装置，也就是说借助于电池充电器必须对电池31进行再充电的频率降低。

Claims (7)

1.自行车传动系统，包括：输入，其由自行车曲轴构成，在使用时所述输入与自行车的踏板连接；以及输出，在使用时所述输出与自行车链轮连接，所述输入和所述输出与三分支行星齿轮组的各个轴连接，所述三分支行星齿轮组包括太阳齿轮，所述太阳齿轮与多个行星齿轮相啮合，所述多个行星齿轮由公共行星运载体可旋转地承载并且与环形齿轮相啮合，以及第一和第二电动机/发电机，所述第一和第二电动机/发电机的转子分别经由升压比至少为5和至少为8的各个增速传动装置与所述齿轮组的各个轴连接，并且所述第一和第二电动机/发电机的定子的电气连接经由控制器连接到一起，所述控制器设置为选择性地控制从电能储蓄器传送给所述电动机/发电机、或从所述电动机/发电机传送给所述电能储蓄器的电力、或者在所述电动机/发电机之间传送的电力，所述齿轮组的Ro比率，即当所述行星运载体保持静止时所述环形齿轮的速度与所述太阳齿轮的速度的比值，在-2和-4之间。
2.如权利要求1所述的传动系统，其中，所述输入与所述行星运载体连接，并且所述太阳齿轮相对于所述输入可旋转并且经由升压比至少为5的增速传动装置与所述第一电动机/发电机连接，并且所述环形齿轮经由升压比至少为8的增速传动装置与所述第二电动机/发电机连接。
3.如权利要求2所述的传动系统，其中，键槽一体地形成在所述自行车曲轴上，所述键槽与所述行星运载体上的键槽相啮合。
4.如权利要求2或3所述的传动系统，其中，与所述第一和第二电动机/发电机的所述转子连接的是分别与所述太阳齿轮和所述环形齿轮上的齿轮齿相啮合的各个游星齿轮。
5.如前述权利要求中的任一项所述的传动系统，其中，所述控制器被选择性地编程以将电力从电池引导到所述电动机/发电机中的至少一个，以使其作为电动机工作。
6.如前述权利要求中的任一项所述的传动系统，其中，所述控制器被选择性地编程以将电力从作为发电机工作的所述电动机/发电机引导到电池，以对所述电池进行再充电。
7.如权利要求1至6中任一项所述的传动系统，在自行车上的原位，所述曲轴与所述自行车的所述踏板连接以便因此旋转，所述输出与所述自行车链轮连接，并且所述控制器与电力储蓄介质连接。
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