CN102826189B - 后变速器和换档系统 - Google Patents

Abstract

一种马达化的后变速器基本上设置有基础部件、可移动部件、滑轮装置、马达单元和功率限制电路。可移动部件在多个档位之间可移动地安装到基础部件。滑轮装置由可移动部件支承。滑轮装置包括具有发电机的滑轮，该发电机响应于滑轮的旋转产生电能。马达单元可操作地耦接在基础部件和可移动部件之间，以选择性地使可移动部件相对于基础部件在档位之间移动。马达单元电耦接到发电机以选择性地接收由发电机产生的电能。功率限制电路电耦接在发电机和马达单元之间。

Description

后变速器和换档系统

技术领域

本发明总体上涉及一种马达化的后变速器。更具体地，本发明涉及一种产生电能的马达化的后变速器。

背景技术

近来，自行车已配备有各种电部件以使骑行对于骑行者更容易并且更愉悦。一些自行车配备有电控换档系统。这些电控换档系统可以基于自行车骑行状况自动地操作或者可以由骑行者按照期望手动操作。该电控换档系统需要来自电源的电力以进行操作。一些自行车设置有电池作为电部件的电源。一些自行车设置有轮毂发电机作为电部件的电源。总之，对于配备有各种电部件的自行车需要电源。

发明内容

本公开中呈现的一个方面提供了一种马达化的后变速器，其产生用于操作该后变速器的马达的电能。

鉴于现有技术状态，提供了一种马达化的后变速器，其基本上包括基础部件(base member)、可移动部件、滑轮装置、马达单元和功率限制电路。可移动部件在多个档位之间可移动地安装到基础部件。滑轮装置由可移动部件支承。滑轮装置包括具有发电机(dynamo)的滑轮，该发电机响应滑轮的旋转产生电能。马达单元可操作地耦接在基础部件和可移动部件之间，以选择性地使可移动部件相对于基础部件在档位之间移动。马达单元电耦接到发电机以选择性地接收由发电机产生的电能。功率限制电路电耦接在发电机和马达单元之间。

附图说明

现在参照形成本原始公开的一部分的附图：

图1是根据一个说明性实施例的配备有换档系统(gear shiftsystem)的自行车的侧面正视图，该换档系统包括产生用于自行车的电部件的电力的马达化的后变速器；

图2是示出图1中图示的自行车的换档系统的整体配置的示意性框图；

图3是图1中图示的自行车的后部的侧面正视图，其示出了图1中图示的自行车的马达化的后变速器；

图4是图1和3中图示的马达化的后变速器的透视图，其中部分的导板(guide plate)和张紧滑轮(tension pulley)被去除；

图5是如沿图3的剖面线5-5所见的马达化的后变速器的剖视图，引导滑轮(guide pulley)被完整地示出；以及

图6是马达化的后变速器的滑轮的分解透视图，用于图示发电动马达的结构。

具体实施方式

现将参照附图解释所选择的实施例。根据本公开本领域技术人员将理解，下文的实施例的描述仅用于说明，而非用于限制如所附权利要求及其等同物限定的本发明的目的。

首先参照图1和2，图示了配备有换档系统12的自行车10，根据一个图示实施例，换档系统12包括马达化的后变速器14等。马达化的后变速器14安装在自行车10的自行车架16的后部上。除了马达化的后变速器14外，如图1中所见，换档系统12进一步包括马达化的前变速器18、一对换档器20和22、计算机单元24、和蓄电单元26。如下文所解释的，后变速器14产生电力，以向蓄电单元26提供电力。后变速器14是电操作设备，其从蓄电单元26接收储存的电能和/或直接接收由后变速器14产生的电能。

换档系统12使用后变速器14来使链条28在多个后链轮(sprocket)32之间移位，并且使用前变速器18来使链条28在多个前链轮34之间移位。一般说来，换档系统12的换档操作是常规的。基本上，骑行者操作设置在换档器20和22至少之一上的一个或多个电开关36来对后变速器14进行加档和减档，并且操作设置在至少一个换档器上的一个或多个电开关38来对前变速器18进行加档和减档。更具体地，电开关36的操作向后变速器14输出相应的换档信号，而电开关38的操作向前变速器18输出相应的换档信号。

在图示实施例中，换档器20和22是公路类型的换档器，其安装在如图1中所示的下弯把手上。如所示出的，电开关36和38构成手动操作输入设备(即，换档控制部件)，其安装在换档器20和22的托架上和/或换档器20和22的制动杆上。然而，换档器20和22不限于公路类型的换档器。此外，电开关36和38可以安装在与制动杆分开的位置。优选地，电开关36和38安装在骑行者可以在骑行时容易触及的区域中，诸如安装在自行车10的把手40上。尽管电开关36和38优选地安装在自行车10的把手40上，但是也可以根据需要和/或期望安装在其他地方。电开关36和38选择性地向变速器14和18输出开关信号以改变变速器14和18的档位。计算机单元24对于变速器14和18的操作不是必要的。由于换档器20和22以及电开关36和38是已知的结构，因此为了简明，将省略换档控制部件20和22以及电开关36和38的详细描述。

如图1和2中所示，换档系统12被图示为完全线连系统，其中每个部件通过一个或多个电导线电连接。然而，换档系统12的一些部件可以被配置为使用无线通信进行通信。如图2中所示，电开关36和38分别通过电导线41和42电连接到计算机单元24。电配线束(electricalwiring harness)43将计算机单元24电连接到配线接点(wiringjunction)44。配线接点44通过电源线45电连接到蓄电单元26，并且分别通过配线束46和47电连接到后变速器14和前变速器18。每个配线束43、46和47包括用于接收来自蓄电单元26的电力和如下文讨论的由后变速器14产生的电力的电源线。在图示实施例中，每个配线束43、46和47包括：至少一个用于传递来自变速器14和18之一的变速器位置信号的变速器位置信号线，以及至少一个用于传递来自电开关36和38之一的换档开关信号的换档开关信号线。在图示实施例中，变速器14和18和电开关36和38中的每一个通过PCL(电力线通信)技术连接以经由电源线传送/接收电信号和信息信号。

在图示实施例中，如图2中所见，变速器14和18、计算机单元24、以及电开关36和38均电耦接到蓄电单元26以从其接收电力。后变速器14产生提供给蓄电单元26的电力。然而，变速器14和18、计算机单元24、以及电开关36和38均可以按照需要和/或期望具有分立的电源(例如，蓄电单元)。在这种多个蓄电单元的情形下，后变速器14产生电力，该电力可以按照需要和/或期望提供给一个或多个蓄电单元。

然而，如上文所述，电开关36和38可以被配置为按照需要和/或期望通过无线通信分别直接向变速器14和18发送信号。当电开关36和38通过无线通信直接向变速器14和18发送信号时，可以消除导线41和42以及配线束43。此外，在该情况下，计算机单元24可以按照需要和/或期望与变速器14及18和/或电开关36及38无线通信。可替选地，可以消除计算机单元24。这里使用的术语“信号”不限于电信号，而是包括其他类型的信号，诸如命令。

如图1中所示，计算机单元24安装到自行车10的把手40。计算机单元24优选地是自行车计算机，其测量、计算和显示各种骑行参数，诸如自行车速度、行进距离、踩踏速度、踩踏节奏等。计算机单元24包括对于把手40的附接部件和可从附接部件拆卸的主体。该主体包括具有控制电路的微计算机，其具有一个或多个CPU、蓄电单元(例如，电池)、存储器单元、计算单元等。微计算机还包括软件，其根据从电开关36和38以及其他输入设备(未示出)的输出的输入信号来输出预定参数。

如图1中所见，前变速器18被安装到车架16，使得其链条引导件位于前链轮34上方，链条28穿过其链条引导件。在图示的实施例中，前变速器18包括电动马达单元48。马达单元48可以是常规部件，其基本上包括具有齿轮减速(gear reduction)单元(未示出)的电动马达(未示出)。马达单元48优选地包括位置传感器(未示出)。马达单元48的位置传感器可以是任何类型的位置传感器，诸如，电位计或者霍尔效应传感器和磁体装置。马达单元48基于来自电开关38的开关信号进行操作。马达单元48被配置和布置为使前变速器18的链条引导件相对于自行车架16横向移动，以使链条28在前链轮34之间移位。在图示的实施例中，马达单元48从蓄电单元26接收电力。由于马达化的前变速器是已知结构，因此为了简明起见，将省略前变速器18的详细描述。

蓄电单元26构成了电能储存设备或储存元件，其用作变速器14和18、计算机单元24以及电开关36和38的电源。蓄电单元26可以例如由一个或多个可再充电的蓄电池、电容器或电池形成。例如，蓄电单元26可以是可再充电的镍氢电池、锂离子电池、或锂离子电容器。蓄电单元26通过固持器(holder)26a可移动地安装到自行车架16(例如，车架下管(down tube))。蓄电单元26经由配线接点44电耦接到变速器14和18、计算机单元24以及电开关36和38，配线接点44安装到自行车架16(例如，悬架管(hanger tube))。因此，蓄电单元26被配置为将储存的电能提供给变速器14和18、计算机单元24、以及电开关36和38。在某些情况下，计算机单元24的附接部件电连接在配线接点44与电开关36和38之间，使得电能流过配线接点44与电开关36和38之间的附接部件。在该情况下，计算机单元24的主体不包括蓄电单元。而是，通过计算机单元24的附接部件向计算机单元24的主体提供电能。

现在，将参照图2至6更详细地讨论马达化的后变速器14。在图2中示意性地图示了马达化的后变速器14的基本电部件，同时在图3中以简单的形式图示了马达化的后变速器14的基本机械部件。首先转到图3，马达化的后变速器14基本上包括基础部件50、联接部件(linkmember)、可移动部件56、和滑轮装置58。联接部件包括外联接件52和内联接件54。基础部件50通过限定枢轴A1的车架附接螺栓60固定地安装到自行车架16(例如，变速器悬架)。车架附接螺栓60螺纹连接到自行车架16的螺孔。基础部件50优选地包括偏置装置(未示出)，其以常规方式可操作地布置在基础部件50和自行车架16之间。外联接件52和内联接件54均在第一端枢轴安装到基础部件50并且在第二端枢轴安装到可移动部件56以形成四杆联接。滑轮装置58由可移动部件56枢轴支承。因此，可移动部件56在多个档位之间可移动地安装到基础部件50。如下文讨论的，滑轮装置58被配置为咬合链条28以用于使链条28在后链轮32之间移位。

马达化的后变速器14进一步包括电动马达单元62，其固定地安装在基础部件50上。马达单元62具有输出轴(shaft)，该输出轴可操作地连接到外联接件52和内联接件54至少之一，以使外联接件52和内联接件54相对于基础部件50移动。结果，外联接件52和内联接件54使可移动部件56相对于基础部件50在自行车架16的横向方向上移动。换言之，马达单元62可操作地耦接在基础部件50和可移动部件56之间，以选择性地使可移动部件56相对于基础部件50在档位之间移动。马达单元62基于来自电开关36的开关信号操作。马达单元62被配置和布置为使滑轮装置58相对于自行车架16横向移动，以使链条28在后链轮32之间移位。马达单元62从蓄电单元26和/或滑轮装置58接收电力。

再次参照图2，马达单元62可以是常规部件，其基本上包括具有齿轮减速单元(未示出)的电动马达(未示出)。电动马达64是例如DC马达或者三相无刷DC马达，在其输出轴上具有齿轮减速单元(未示出)。如果AC马达用于电动马达64，则典型地马达单元62将包括逆变器，其将提供给电动马达单元48的DC电流转换为用于为电动马达64供电的AC电流。

如图2中所见，马达化的后变速器14进一步包括位置传感器66(例如，电位计或者霍尔效应传感器和磁体装置)，位置传感器66可以按照需要和/或期望是马达单元62的一部分或者与马达单元62分开。优选地，位置传感器66优选耦接到电动马达64的齿轮减速单元的移动部。位置传感器66提供指示齿轮减速单元的移动部的当前位置的信号，使得电动马达64可以操作来基于来自电开关36的开关信号对马达化的后变速器14进行加档和减档。

仍参照图2，马达化的后变速器14进一步包括马达控制器68。马达控制器68电耦接到蓄电单元26以接收蓄电单元26中储存的电能。如下文解释的，马达控制器68还可以接收由滑轮装置58产生的电能。电动马达64还可操作地耦接到马达控制器68以响应来自马达控制器68的控制信号进行操作。具体地，马达控制器68通过基于来自位置传感器66的信号控制针对电动马达64的电能供应来操作电动马达64。马达控制器68包括中央处理单元(CPU)、马达控制电路和休眠模式控制电路以及马达驱动器等。如下文解释的，马达控制器68的休眠模式控制电路响应于在预定时间量中不存在速度信号而将马达控制电路置于休眠模式，并且响应于检测到速度信号而将马达控制器68的马达控制电路从休眠模式激活。

此外，如图2中所见，马达化的后变速器14进一步包括功率限制电路70，如下文解释的，功率限制电路70用于调节滑轮装置58产生的电能。在该图示的实施例中，功率限制电路70设置有整流器电路72，其用于将滑轮装置58产生的交变电流(AC)转换为直流电流(DC)。功率限制电路70可以是马达控制器68的一部分或者可以是分立的芯片。如图3中所见，在该图示的实施例中，印刷电路板安装在包括功率限制电路70的滑轮装置58上。马达控制器68被置于基础部件50上或者在马达单元62的壳体内部。功率限制电路70也可以置于基础部件50上或者在马达单元62的壳体内部。

现在参照图4和5，现将更详细地解释滑轮装置58。滑轮装置58通过安装轴74(例如，螺栓或其他适当的紧固件)安装到可移动部件56。安装轴74设置有套管76，使得滑轮装置58可以相对于可移动部件56在安装枢轴74上回转。安装枢轴74限定枢轴A2，枢轴A2被偏移，但是平行于由安装螺栓60限定的枢轴A1。偏置装置(未示出)以常规方式可操作地布置在可移动部件56和滑轮装置58之间，使得滑轮装置58绕枢轴A2在顺时针方向上偏置，如图3中所见的那样。

基本上，如图4和5中所见，滑轮装置58包括引导滑轮78、张紧滑轮80和一对链条导板82。每个滑轮78和80包括多个用于咬合自行车链条28的链条咬合齿。链条导板82位于滑轮78和80的相反的轴线两侧以将链条28引导到滑轮78和80上。滑轮78和80可旋转地安装在链条导板82之间。基本上，后变速器14利用链条28产生电力，链条28使张紧滑轮80旋转并且将电力储存在蓄电单元26中。特别地，张紧滑轮80包括发电机84，其响应于自行车链条28使张紧滑轮80旋转而产生电能。张紧滑轮80可旋转地安装在回转轴87上，回转轴87限定发电机84的旋转轴A3。回转轴87固定到一个链条导板82，使得回转轴87相对于链条导板82静止。

发电机84电连接到蓄电单元26，以将发电机84产生的电能提供给蓄电单元26。马达单元62也电耦接到发电机84以接收发电机84产生的电能。发电机84还产生速度信号。发电机84的速度信号被发送到马达控制器68，以用于确定发电机84正在产生电力还是停止。功率限制电路70电耦接在发电机84和马达单元62之间。功率限制电路70电耦接到配线束45和46的电源线，其将来自蓄电单元26的储存的电能经由配线接点44提供给马达单元62。以这样的方式，将储存的电能从蓄电单元26提供给马达单元62。另一方面，发电机84产生的电能通过功率限制电路70经电源线(图2中示意性示出)提供给马达单元62。

在图示的实施例中，仅张紧滑轮80包括发电机84。然而，引导滑轮78也可以按照需要和/或期望设置有通过链条28进行操作以产生电力的发电机。如果引导滑轮78包括发电机，则可以在需要和/或期望时消除张紧滑轮80中的发电机84。

如图6中所见，发电机84基本上包括转子88、定子90和盖92。转子88固定到张紧滑轮80以与张紧滑轮80一起旋转。定子90不可旋转地安装在回转轴87上。盖92通过卡扣连接固定到张紧滑轮80。转子88和定子90被置于盖92和张紧滑轮80配置的空间中。转子88具有多个用于生成恒定磁场的永磁体。定子90具有多个电枢绕组以在电枢绕组穿过转子88上的永磁体的磁场时产生电流。因此，转子88和定子90形成了发电机，其利用电磁原理将机械能(张紧滑轮80的旋转)转换为电能(交流电流)。特别地，响应于自行车链条28使张紧滑轮80旋转，转子88绕定子90旋转产生电能。在该图示的实施例中，整流器电路72将发电机84产生的交变电流(AC)转换为直流电流(DC)，以供换档系统12的各种电部件使用或者储存在蓄电单元26中。

在该图示的实施例中，马达控制器68和功率限制电路70优选地被配置为使得：在马达控制器68操作电动马达64时，马达控制器68检测蓄电单元26的电压。功率限制电路70被布置来限制从发电机84提供给电动马达64的电能的电压值，使得当发电机84产生的电能处于规定水平或者之上时，电能被直接提供给电动马达64。功率限制电路70限制的电压值被选择为适用于电源线46和45以及蓄电单元26的值。然而，当发电机84产生的电能在规定水平之下时，从蓄电单元26向电动马达64提供电能。如果蓄电单元26的电压被确定为低于如马达控制器68确定的预定值，并且发电机84产生的电能在规定水平之下，则马达控制器68不操作电动马达64。马达控制器68还优选地被配置为包括休眠模式，当马达控制器68在预定时间内未检测到来自开关36和38的开关信号(加档或减档信号)时，则马达控制器68进入休眠模式以节约能量。当马达控制器68在预定时间内未检测到发电机84输出的速度信号时，马达控制器68也进入休眠模式。换言之，如果张紧滑轮80在预定时间内没有移动，则马达控制器68进入休眠模式。在休眠模式期间，马达控制器68停止操作并且停止监视位置传感器66和/或与计算机单元24和/或一个开关36通信。一旦马达控制器68从一个开关36接收到开关信号(加档或减档信号)，该开关信号被输入到马达控制器68，因此马达控制器68可以唤醒。此外，一旦张紧滑轮80开始再次旋转，来自发电机84的速度信号被输入到马达控制器68，从而马达控制器68可以在链条28移动时快速地唤醒。

在理解本发明的范围时，如这里使用的术语“包括”及其衍生变形旨在是开放式的术语，其指明所陈述的特征、要素、部件、组、整体和/或步骤的存在，但是并不排除其他未陈述的特征、要素、部件、组、整体和/或步骤的存在。前述内容同样适用于具有相似含义的词，诸如术语“包含”、“具有”及其衍生变形。此外，术语“部分”、“部”、“部件”或“元件”在以单数形式使用时可以具有单个部分或多个部分的双重含义。最后，如这里使用的诸如“基本上”、“约”和“大致”的程度术语意味着使得最终结果不会显著改变的修正项的合理偏差量。

尽管仅选择了选定实施例来说明本发明，但是本领域技术人员根据本公开显见的是，这里可以进行各种改变和修改而不偏离如所附权利要求限定的本发明的范围。例如，各种部件的尺寸、形状、位置或取向可以按照需要和/或期望改变。被示出为直接地彼此连接或接触的部件可以在它们之间设置有中间结构。一个元件的功能可以由两个元件执行，反之亦然。在图示的实施例中，功率限制电路70被置于一个链条导板82上。然而，功率限制电路70可以置于基础部件50或马达单元62上。

单独地或者与其他特征组合地相对于现有技术独特的每个特征，也应被视为申请人的另外的发明的分立的描述，包括通过这些特征实施的结构和/或功能概念。因此，前面的对根据本发明的实施例的描述仅被提供用于说明目的，而非用于限制如所附权利要求及其等同物限定的本发明的目的。

Claims (14)

1.一种马达化的后变速器，包括：

基础部件；

可移动部件，在多个档位之间可移动地安装到所述基础部件；

滑轮装置，由所述可移动部件支承，所述滑轮装置包括具有发电机的滑轮，所述发电机响应于所述滑轮的旋转产生电能；以及

马达单元，可操作地耦接在所述基础部件和所述可移动部件之间，以选择性地使所述可移动部件相对于所述基础部件在档位之间移动，

所述马达化的后变速器的特征在于：

所述马达单元电耦接到所述发电机以选择性地接收由所述发电机产生的电能；并且

所述马达化的后变速器进一步包括：功率限制电路，电耦接在所述发电机和所述马达单元之间以使得选择性地通过所述功率限制电路将电能直接提供给所述马达单元，其中，所述功率限制电路被置于所述滑轮装置、所述基础部件和所述马达单元中的一者上。

2.根据权利要求1所述的马达化的后变速器，其中：

所述功率限制电路被布置为限制从所述发电机提供给所述马达单元的电能的电压值，使得当所述发电机产生的电能处于规定水平或者在规定水平之上时将电能直接提供给所述马达单元。

3.根据权利要求1所述的马达化的后变速器，其中：

所述功率限制电路包括整流器电路。

4.根据权利要求1所述的马达化的后变速器，其中：

当所述发电机产生的电能在规定水平之下时，从蓄电单元将电能提供给所述马达单元。

5.根据权利要求1所述的马达化的后变速器，其中：

所述马达单元包括电动马达和可操作地耦接到所述电动马达以操作所述电动马达的马达控制器。

6.根据权利要求5所述的马达化的后变速器，其中：

所述马达控制器包括马达控制电路和休眠模式控制电路，所述休眠模式控制电路响应于在预定时间量中不存在速度信号而将所述马达控制电路置于休眠模式，并且响应于检测到速度信号而将所述马达控制电路从休眠模式激活。

7.根据权利要求6所述的马达化的后变速器，其中：

由所述发电机产生所述速度信号。

8.根据权利要求1所述的马达化的后变速器，进一步包括：

蓄电单元，电耦接到所述发电机以储存所述发电机产生的电能。

9.根据权利要求8所述的马达化的后变速器，其中：

所述马达单元电耦接到所述蓄电单元以从所述蓄电单元接收所储存的电能。

10.根据权利要求8所述的马达化的后变速器，其中：

所述功率限制电路电耦接到电源线并且将所储存的电能从所述蓄电单元提供给所述马达单元，使得所述发电机产生的电能也通过所述电源线提供给所述马达单元。

11.根据权利要求1所述的马达化的后变速器，进一步包括：

蓄电单元，电耦接到所述马达单元以将所储存的电能从所述蓄电单元提供给所述马达单元。

12.根据权利要求11所述的马达化的后变速器，其中：

所述功率限制电路电耦接到电源线，所述电源线将所储存的电能从所述蓄电单元提供给所述马达单元，使得由所述发电机产生的电能也通过所述功率限制电路由所述电源线提供给所述马达单元。

13.根据权利要求11所述的马达化的后变速器，其中：

所述蓄电单元安装在固持器上，所述固持器通过电源线远程连接到所述后变速器。

14.一种换档系统，包括：

马达化的后变速器；

换档控制部件，被配置为向所述马达化的后变速器输出换档信号；以及

蓄电单元，电耦接所述马达化的后变速器以将所储存的电能提供给所述马达化的后变速器；

所述马达化的后变速器包括：

基础部件，

可移动部件，在多个档位之间可移动地安装到所述基础部件，

滑轮装置，由所述可移动部件支承，所述滑轮装置包括具有发电机的滑轮，所述发电机响应于所述滑轮的旋转产生电能，所述发电机电耦接到所述蓄电单元以将所述发电机产生的电能储存在所述蓄电单元中，以及

马达单元，可操作地耦接在所述基础部件和所述可移动部件之间，以选择性地使所述可移动部件相对于所述基础部件在档位之间移动，

所述换档系统的特征在于：

所述马达单元电耦接到所述发电机以选择性地接收由所述发电机产生的电能，所述马达单元电耦接到所述蓄电单元以选择性地从所述蓄电单元接收所储存的电能；并且

所述马达化的后变速器进一步包括：功率限制电路，电耦接在所述发电机和所述马达单元之间以使得选择性地通过所述功率限制电路将电能直接提供给所述马达单元，其中，所述功率限制电路被置于所述滑轮装置、所述基础部件和所述马达单元中的一者上。