CN102712346A - 带有电驱动器的自行车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有电驱动器的自行车，其包括：带有车座管和后叉的车架；车把；前轮以及后轮；底部托架中的曲柄轴，该底部托架与所述车座管的下侧相连；在曲柄轴的每一末端处的踏板；所述曲柄轴和所述后轮通过相应的链轮和一个链条相互联接；带有从动轴的电动机，该从动轴借助一个传动系联接至前链轮；以及与电动机相连的电池和控制器，所述控制器被布置用于控制馈送至所述电动机的功率，所述电动机被容纳在所述车座管内部。

Description

带有电驱动器的自行车
技术领域
本发明涉及带有电驱动器的自行车，所述自行车包括：一个带有从动轴的电动机，该从动轴通过一个传动系联接至前链轮；一个电池和一个控制器，它们连接至所述电动机，所述控制器被布置用于控制供应至电动机的功率。
背景技术
越来越多的人使用带有电驱动器的自行车。电驱动器用来利用骑车者施加在踏板上的力来支持通常的驱动。在许多情况下，电驱动器被容纳在后轮或前轮的轮毂中。但是，这样的缺点是可用空间非常有限，特别是因为所述轮毂还容纳有齿轮和/或制动装置。自行车轮毂通常还容纳有发电机(dynamo)。将驱动器容纳在前轮或后轮的轮毂中的另一缺点是，驱动电机的额外重量的不平衡或不利分配。此外，在使用前轮驱动器并遇到打滑的/湿滑的表面以及不利载荷的情况下，存在轮子打滑的可能性。与能量源的电缆连接长且难以定位。带有直接驱动器的轮毂电机的特征通常在于低转速，由此是相对不利的转速。当然，始于静止位置，电机效率低，能量消耗高。
还已知这样的例子，其中电动机和相应的驱动器(通常是间接的)被连接至自行车的曲柄轴。这里，可用空间通常也存在问题。与其说关注电动机的定位，不如说更加关注电动机的从动轴至曲柄轴的传动。当电动机位于自行车的中心以外时，这通常导致踏板的更大间隔距离(从上方向下看)。这在人体工程学上对骑自行车的舒适度具有不利影响。
还已知这样的系统，即，使用一个额外的驱动轮来驱动链条。除了其他以外，这使得系统较不紧凑，并且需要更多构造空间，这会增加自行车的长度，损害最佳的驱动行为和自行车设计。
将电动机定位在曲柄轴的前面或下面的较低位置，使电动机以及相应的电气部件和机械部件易受到损坏和污染。
目前可用的带有电驱动器的自行车的另一缺点在于对电驱动器支持由肌肉力产生的驱动的量的控制。通常基于测量踏板的(转动)速度，接通电动机的支持。这通常产生一种不平稳的感觉，这种感觉由接合支持或通过接通或断开电驱动器引起。用户对此的感觉是不愉悦的。
发明内容
本发明的一个目的是提供带有电驱动器的自行车，这种自行车消除根据现有技术的这种自行车的上述缺点，另外有助于使用者的骑行舒适度。
这一目的是通过如下一种自行车实现的，其中电动机被容纳在车座管(saddle tube)中。所述车座管定位于自行车的中心并且在曲柄轴的中心上方。通过这样，可以容纳用于通过电动机对曲柄轴进行驱动的所有必须部件，而不需要在一侧或两侧延伸曲柄轴。这增加了骑自行车的人的舒适度。另外，电动机及其相应的敏感电气零件被保护在车座管内。这些零件因此受到保护免受机械外部影响，诸如碰撞和撞击，也免受飞溅的湿气、污垢、泥土等等。根据本发明，电子装置(诸如，控制器)被尽可能保持在驱动器外面，例如被构建在车座管内位于驱动器上方。因此这样的单元对于干扰就不那么敏感。然而，也可能的是，电子装置被容纳在自行车的任何其他地方，例如与电池一起作为一个单元。
在根据本发明的自行车的一个优选实施方案中，所述车座管在容纳有电动机的部分相比安装有车座的上侧的部分具有较大直径。这使得能够将一个具有合理直径的电动机放置在车座管中，而不需要使车座管在车座附近具有同样大的直径，在车座附近，较大直径没有任何作用并且可能令人讨厌。这在底部托架(bottom bracket)中也形成一个较大空间，所述底部托架连接至车座管的下侧。因为从车座管到底部托架存在过渡，这在底部托架中也形成较大空间，在底部托架中，例如可容纳传动系的零件。通过使底部托架与车座管的附接可分离，电动机可轻易从下侧安装进车座管中，并且也可从所述下侧轻易拆除。然后，电动机和传动系可形成一个单元，这增加了系统的模块性，因为电动机可作为一个整体被更换。此外，在仅需要对电动机的一部分进行维护期间，以这种方式通过最小努力就可安装一个临时的新的电动机，使得自行车又再次供使用者处置，以及在合适的车间，有充足时间来改变或修理电动机的拆卸单元。
在根据本发明的自行车的一个优选实施方案中，曲柄轴的中心线位于电动机的轴的中心线前面。这意味着，底部托架定位于相对于车座管的稍前方。这样的构造给出了一个从车座管到底部托架的通道，该通道通过车座管的斜切形成，形状是椭圆的，其中椭圆的短轴等于车座管的直径，所以长轴更大。通过这一较大的通道，可以容纳位于从电动机到前链轮的传动系中的一个较大齿轮，而不需要使该齿轮定位于车座管和底部托架的保护以外。
优选地，根据本发明的自行车包括用于确定所述电动机传输的扭矩的装置，以及用于确定传输至自行车的总驱动扭矩的扭矩传感器。这确定了总驱动扭矩中电动机供应的部分，以及自行车的使用者供应的部分。这使得能够根据电动机传输的功率相对于使用者传输的功率的关系，来影响电动机传输的扭矩。如与基于(转动)速度的控制器相比，利用这样的控制器，电动机传输的功率可具有平滑的进展，这相当大增加了使用者的舒适度。电动机传输的扭矩可由一个扭矩传感器确定，该扭矩传感器定位于例如电动机的从动轴上或定位于与其直接联接的传动系的部分上，但是也可能的是测量其他特性，所述其他特性与电动机传输的扭矩具有一对一的关系。这样的关系例如可按照电动机特性的形式存储在控制器的存储器中。这些特性的一个例子可以是，记录来自电机的信号，所述信号代表例如电机速度以及电机消耗的电功率。根据这些性质，可以确定电动机的预定特性以及电动机传输的总扭矩。因此，当这些信号被传送至控制器时，控制器利用存储在控制器的存储器中的特征来处理这些信号，从中可以确定传输的扭矩。
用于确定传输至自行车的总驱动扭矩的扭矩传感器可例如定位在后叉处。然而，扭矩传感器也可布置在另一合适位置，例如曲柄轴处。这使得能够例如确定使用者传输的扭矩。因为电动机传输的扭矩被测量从而是已知的，所以足以或者估量使用者传输的扭矩，或者估量总共传输的扭矩。然后可计算这二者中的另一个。
操作装置为使用者提供了一种影响电驱动器的可能性。除了一个将电驱动器接通或断开的接通/断开开关，所述操作装置还包括一个用于调整电动机传输的功率的装置。这样的设置可通过一个具有多个分立位置的开关实现，但是也可通过一个连续变化的开关实现，或者通过与分别增加或减少电动机传输的设置功率相关的按钮来实现。
在一个实施方案中，自行车包括无级变速传动系(continuouslyvariable transmission)。这使得在几乎所有情况下都能够选择理想的传动速率。在这方面，踩踏板频率(pedalling frequency)可被限制在一个相对小的范围内。自行车的大部分使用者都有对某一踩踏板频率的偏好。在这同一个范畴内，这一频率不会变化至太大程度。这进一步产生了如下的可能性，即，为此使电动机与传动系相适应，以及以这样一种方式确定传动系的尺寸，使得电动机将主要在电机具有高效率的范围内工作。通过结合无级变速传动系以及自行车中的电驱动器，以一种非常有利的方式影响电动机的效率，使得电支持的范围将由此被相当大地增加。
所述无级变速传动系可被手动控制，但是也可通过控制电动机而被控制。在一个有利的实施方案中，这一控制被布置用于以这样一种方式控制无级变速传动系，使得尽可能地近似一个恒定的踩踏板频率。这一踩踏板频率可以例如使用操作装置被设置或调整，以类似于上文所述的相关于设置电动机所传输的功率的方式。
根据本发明的用于控制踩踏板频率的受控的无级变速传动系的应用还包括，具有与本发明所述的电驱动器不同的驱动器的自行车。
附图说明
现在将参照附图进一步解释根据本发明的带有电驱动的自行车的优选实施方案，在所述附图中：
图1是根据本发明的自行车的一个实施方案的一个实施例的示意图；
图1a是图1的自行车的一部分的另一视图；
图2描绘了图1中的车座管和底部托架的细节；
图3描绘了图1和2的电动机和传动系以及曲柄轴的分解图。
具体实施方式
图1和1a示出了带有车架的自行车1，其中可看到车座管2。在车座管2的底部，附接有底部托架3，该底部托架在其中包括一个曲柄轴6，该曲柄轴可将扭矩从骑车者经由前链轮4和链条5传递至后轮，也可参见图2。车座管2被制造为使得车座管2在下端包括的直径大于在上端的直径。在下端的直径被增大，使得在车座管的下侧可容纳一个电动机7(参见图3)。车座管2从其中容纳有电动机7的下部向上渐缩(taper)至自行车车架的车座管的通常直径。这里没有进一步示出并由电池供电的电动机7包括一个从动轴8，该从动轴借助一个传动系连接至一个联接元件16。联接元件16与前链轮4刚性连接。下面将进一步解释传动系。所述自行车还包括一个显示单元，在该显示单元中显示设置和其他相关数据。
在车座管2的下端，附接有底部托架3。底部托架3可分离地附接至车座管2。因此在紧凑单元的制造过程中，可从车座管2的下侧安装及拆卸电动机7。这使得电动机7被良好保护以免受外界影响，也可非常简单地安装和拆卸。
底部托架3相对于车座管2的长度方向倾斜地向前突出。在图1以及在图2中可看到，底部托架3与车座管2的连接部是椭圆形状。这样的椭圆形状也存在于底部托架3中。因为来自底部托架3和车座管2的连接开口是如下一个椭圆，该椭圆的短轴等于车座管2的最大内径的椭圆，所以椭圆形开口的长轴大于车座管2的最大内径。这样增大的空间有利于电动机从从动轴到联接元件16传递的功率传输。
当向电动机7馈送电能时，从动轴8被驱动，在从动轴的一端包括一个准双曲面齿轮9。准双曲面齿轮9与准双曲面齿轮10合作，该准双曲面齿轮10安装至一个中间轴11。这些准双曲面齿轮9、10将从动轴8的转动传送至中间轴11。中间轴11具有的中心线垂直于从动轴8的中心线。中间轴11的中心线与曲柄轴6的中心线平行。从中间轴11到联接元件16的功率传送分别由附接至中间轴11的齿轮12和附接至联接元件16的齿轮13负责。通过这样的传动系，在从动轴8和联接元件16之间出现了相当大的减速，伴随着驱动扭矩的增加。为了实现这样的减小，齿轮13需要具有相对较大的直径，这是因为前面提及的底部托架3相对于车座管2的倾斜布置，通过二者之间的椭圆形连接开口，可以容纳具有大直径的齿轮13。
在示出根据本发明的自行车的实施例中，在电动机7到前链轮4的传动中，如同在曲柄轴6与前链轮4的联接中，包括一个所谓的飞轮，飞轮本身的作用是已知的。通过该飞轮，例如有可能的是，自行车以所述方式仅被电动机7驱动，而不需要曲柄轴转动，以及自行车还可仅经由曲柄轴被驱动，而不需要电动机转动。
通过这样的构造方法，其中电动机被放置在车座管内，不仅保护电动机免受外界条件影响，而且还为位于自行车中心的驱动器获得一个位置，使得这不导致曲柄轴的延长。延长的曲柄轴确实对自行车使用者体验到的用户舒适度有不利影响。通过这样的构造，可以保持一个紧凑的传动系，这使得曲柄轴的尺寸由使用者的人体工程学而非传动系决定。
在后叉处，附接有一个扭矩传感器14。该扭矩传感器14测量所施加的总扭矩。因为电机传送的功率还基于所测量的电力消耗和速度而被确定，因此可持续计算哪部分是由骑车者产生的。
在这个实施方案中，扭矩传感器14的定位是位于后叉处，但是位置不限于此，并且其对于本发明不是必须的。扭矩传感器14还可附接至曲柄轴或另一合适位置。
扭矩传感器14的存在使得能够控制电动机7所传输的对总驱动扭矩的贡献，例如，根据一个设定值来控制，所述设定值借助一个操作装置被设定。
在后轮的轮毂中，在示出的根据本发明的自行车的实施例中，放置了一个无级变速传动系(CVT)15。CVT 15(其本身的工作是已知的)由控制器操作，使得其能够以一个固定(待被设置)的踩踏板频率骑行，这导致对于CVT 15存在一个固定的进入转速(ingoing rotationalspeed)。CVT 15是可控的，使得其以这样一种方式设置一个传动速率，即对于每一个速度，该进入转速都保持固定。对于较低速度，即使是从“刚开始”也是如此。这同时意味着，电动机能够以一个有利的转速运行。尤其是对于刚开始和在较低速度时，在使用其他的手动换挡的配置中，大量能量被使用却不能传输高效的支持，因为其在较低转速下效率差。在较高骑行速度下，也保持设定的踩踏板频率。这产生如下一个“效果”，即，相对于高的自行车速度，自行车以一个相对较低的踩踏板频率骑行。
对于一个安装有CVT的自行车，可以期望达到更加有利的结果。
在本发明的实施方案的该实施例中，CVT包括电驱动器设置的可能性。这产生了在控制器中安装具体的骑车者概况从而控制CVT的多种可能性。例如，可随着骑行速度来改变踩踏板频率进行控制。
参考数字列表
1    自行车
2    车座管
3    底部托架
4    前链轮
5    链条
6    曲柄轴
7    电动机
8    从动轴
9    准双曲面齿轮
10   准双曲面齿轮
11   中间轴
12   中间轴上的齿轮
13   曲柄轴上的齿轮
14   扭矩传感器
15   无级变速传动系
16   联接元件

Claims (20)

1.带有电驱动器的自行车(1)，所述自行车包括：
带有车座管(2)和后叉的车架；前轮以及后轮；底部托架(3)中的曲柄轴(6)，该底部托架与所述车座管(2)的下侧相连；在所述曲柄轴(6)的每一末端处的踏板；所述曲柄轴(6)和所述后轮通过前链轮(4)和后链轮相互联接，所述前链轮(4)和所述后链轮通过一个链条(5)互相连接；
带有从动轴(8)的电动机(7)，该从动轴借助一个传动系联接至前链轮(4)；以及，与所述电动机(7)相连的电池和控制器，所述控制器被布置用于控制馈送至所述电动机的功率；
所述电动机(7)被容纳在所述车座管(2)内部，其特征在于，所述底部托架(3)可分离地附接至所述车座管(2)，所述电动机(7)经由所述下侧可安装在所述车座管(2)中以及从所述车座管(2)可拆除。
2.根据权利要求1所述的带有电驱动器的自行车(1)，其特征在于，所述车座管(2)朝向下部加宽至较大直径，以容纳所述电动机(7)。
3.根据权利要求1和2之一所述的带有电驱动器的自行车(1)，其特征在于，所述曲柄轴(6)的中心线位于所述电动机(7)的轴(8)的中心线前面。
4.根据权利要求1至3之一所述的带有电驱动器的自行车(1)，其特征在于，所述自行车包括用于确定所述电动机传输的扭矩的装置，以及用于确定传输至所述自行车的总驱动扭矩的扭矩传感器(14)。
5.根据权利要求4所述的带有电驱动的自行车(1)，其特征在于，所述电动机(7)传输的扭矩通过如下方式被确定，即，处理一个或多个记录的来自所述电机的信号以及已存储在所述控制器中的电动机(7)的特性。
6.根据权利要求5所述的带有电驱动器的自行车(1)，其特征在于，记录的来自所述电机的信号传达至电机速度以及所述电动机(7)消耗的电功率。
7.根据权利要求4至6之一所述的带有电驱动器的自行车(1)，其特征在于，所述扭矩传感器(14)位于所述后叉处。
8.根据权利要求4至6之一所述的带有电驱动器的自行车(1)，其特征在于，所述扭矩传感器位于所述曲柄轴(6)处。
9.根据权利要求1至8之一所述的带有电驱动器的自行车(1)，其特征在于，所述控制器与一个操作装置相连，该操作装置被布置用于设置由所述电动机传输的功率。
10.根据权利要求1至9之一所述的带有电驱动器的自行车(1)，其特征在于，所述自行车包括一个无级变速传动系(15)。
11.根据权利要求10所述的带有电驱动器的自行车(1)，其特征在于，所述无级变速传动系(15)附接至所述后轮。
12.根据权利要求10或11之一所述的带有电驱动器的自行车(1)，其特征在于，所述无级变速传动系(15)由所述控制器控制。
13.根据权利要求12所述的带有电驱动器的自行车(1)，其特征在于，所述控制器被布置用于将所述无级变速传动系(15)控制至一个基本恒定的踩踏板频率。
14.根据权利要求12所述的带有电驱动器的自行车(1)，其特征在于，所述控制器已被布置用于将所述无级变速传动系(15)控制至一个依赖速度的踩踏板频率曲线。
15.根据权利要求13或14所述的带有电驱动器的自行车(1)，其特征在于，所述操作装置被布置用于设置所述踩踏板频率和或所述踩踏板频率曲线。
16.一种自行车(1)，具有与根据权利要求1-9之一所述的驱动器不同的驱动器，其中所述自行车包括无级变速传动系(15)，其特征在于，所述自行车包括一个CVT控制器，用于控制所述无级变速传动系(15)。
17.根据权利要求16所述的自行车(1)，其特征在于，所述CVT控制器被布置用于将所述无级变速传动系(15)控制至一个基本恒定的踩踏板频率。
18.根据权利要求16所述的自行车(1)，其特征在于，所述CVT控制器被布置用于将所述无级变速传动系(15)控制至一个依赖速度的踩踏板频率曲线。
19.根据权利要求17或18所述的自行车(1)，其特征在于，所述CVT控制器包括一个操作装置，该操作装置被布置用于设置所述踩踏板频率和或所述踩踏板频率曲线。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的自行车(1)，其特征在于，所述CVT控制器由电池供电。
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