CN102951254A

CN102951254A - 具有最佳换档时机的自动变速自行车

Info

Publication number: CN102951254A
Application number: CN2011102504150A
Authority: CN
Inventors: 郑启昌
Original assignee: JD Components Co Ltd
Current assignee: JD Components Co Ltd
Priority date: 2011-08-29
Filing date: 2011-08-29
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2031-08-29
Also published as: CN102951254B

Abstract

一种具有最佳换档时机的自动变速自行车，包含有：一自行车主体，具有一曲柄轴、二曲柄、二踏板、以及一变速器；一电源模块；一微电脑；一换档控制驱动器；以及一踏板位置感测模块，设于该自行车主体且对应于至少一该曲柄，通过该踏板位置感测模块来得知该至少一曲柄旋摆的角度位置以及踩踏方向为正踩或反踩；其中，在踩踏过程中，该微电脑是找出该至少一曲柄在下次位于踩踏死点的时间点做为最佳换档时机，或通过踩踏转速值小于一预设转速值时做为最佳换档时机，或在反踩时做为最佳换档时机。

Description

具有最佳换档时机的自动变速自行车

技术领域

本发明是与自动变速自行车有关，特别是指一种具有最佳换档时机的自动变速自行车。

背景技术

自动变速自行车，其变速的时机大多是依据车速及踩踏速度来做为判断依据，目前并没有针对使用者的踩踏角度来判断变速时机的技术。由于骑乘者在踩踏时，若是在重踩时刚好进行换档，则会造成变速器正在变化齿轮比而发生咬合不顺的问题，进而影响到使用者骑乘的舒适感。因此，若能选择骑乘者在轻踩的时机来进行换档，则可使变速更为顺畅，提高骑乘舒适性。

不过，自行车的换档必须在正踩的情形下，因此，若是欲依据骑乘者踩踏的状态来判断变速时机点时，必须连同踩踏方向一起考虑，亦即，必须判断踩踏方向。

中国台湾WO 2009036623号专利揭露了一种电动助力车的助力控制装置，其是以霍尔感应器来感测，以判断自行车是否为前进状态，其图2及图3即分别显示了霍尔感应器感测到正转及反转时的波形，由此可见，霍尔感应器可由其所感测的波形来判断正转或反转。

中国台湾CN 101412427号专利则揭露了一种用于电动自行车电动机驱动器的反向踏板检测电路，其利用了霍尔传感器在踏板正转及反转时信号的占空比不同，防止马达助力被误触发。此案也揭露了利用霍尔传感器来判断正转或反转的技术。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具有最佳换档时机的自动变速自行车，其可判断变速的最佳时机，并控制变速器在该时机点进行变速。

为了达成前述目的，依据本发明所提供的一种具有最佳换档时机的自动变速自行车，包含有：一自行车主体，具有一曲柄轴、设于该曲柄轴上的二曲柄、设于各该曲柄上的一踏板、以及一变速器；一电源模块，设于该自行车主体；一微电脑，电性连接于该电源模块；一换档控制驱动器，电性连接于该微电脑，受该微电脑的控制以驱动该变速器进行变速；以及一踏板位置感测模块，设于该自行车主体且对应于至少一该曲柄，并且电性连接于该微电脑，该微电脑即通过该踏板位置感测模块来得知该至少一曲柄旋摆的角度位置以及踩踏方向为正踩或反踩；其中，在骑乘者踩踏所述踏板的过程中，该微电脑是至少以下列条件之一判断最佳换档时机：(1)感测该至少一曲柄在正踩过程中每次位于一预定位置的角度位置及对应的时间点，并以该微电脑根据前述角度位置及时间点计算出下次通过踩踏死点的预测时间点，而做为最佳换档时机；或(2)感测该至少一曲柄在正踩过程中每次位于踩踏死点的时间点，并于该踩踏死点的时间点范围内做为最佳换档时机；或(3)感测该至少一曲柄在正踩过程中的踩踏转速值，当该踩踏转速值小于一预设转速值时，忽略该踩踏死点的时间点而判断为最佳换档时机；或(4)感测该至少一曲柄是否为反踩，若是即判断为最佳换档时机。由此，可判断变速的最佳时机，并控制变速器在该时机点进行变速，让变速过程更为顺畅，进而让骑乘者更为舒适。

附图说明

为了详细说明本发明的技术特点所在，以下结合较佳实施例并配合附图说明如后，其中：

图1是本发明第一较佳实施例的结构示意图。

图2是本发明第一较佳实施例的装设示意图。

图3是本发明第一较佳实施例的局部结构示意图，显示踏板位置感测模块的结构。

图4是本发明第一较佳实施例的示意图，显示曲柄旋摆一周所经过的八个点的角度位置。

图5是本发明第一较佳实施例的传感器波形示意图。

图6是本发明第一较佳实施例的波形示意图，显示取正半周的状态。

图7是本发明第一较佳实施例的波形示意图，显示取负半周的状态。

图8是本发明第一较佳实施例的波形示意图，显示高电位时间与低电位时间的关系。

图9是本发明第一较佳实施例的波形示意图，显示第一踩踏死点与第二踩踏死点的时间点。

图10是本发明第一较佳实施例的波形示意图，显示霍尔元件感测正踩的信号形态。

图11是本发明第一较佳实施例的波形示意图，显示霍尔元件感测反踩的信号形态。

图12A是本发明第一较佳实施例的角度位置示意图，显示在上坡路面时，曲柄旋摆的角度位置及踩踏死点。

图12B是本发明第一较佳实施例的角度位置示意图，显示在下坡路面时，曲柄旋摆的角度位置及踩踏死点。

图13A是本发明第二较佳实施例的局部结构示意图，显示踏板位置感测模块的磁块设置状态。

图13B是本发明第二较佳实施例的局部结构示意图，显示踏板位置感测模块及其所产生的波形。

图14是本发明第三较佳实施例的装设示意图。

图15是本发明第三较佳实施例的示意图，显示二传感器所在的角度位置。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明第一较佳实施例所提供的一种具有最佳换档时机的自动变速自行车10，主要由一自行车主体11、一电源模块21、一微电脑31、一换档控制驱动器41、一踏板位置感测模块51所组成，其中：

该自行车主体11，具有一曲柄轴111、设于该曲柄轴111上的二曲柄12、设于各该曲柄12上的一踏板14、以及一变速器16。

该电源模块21，设于该自行车主体11，本实施例中该电源模块21是以电池为例。

该微电脑31，电性连接于该电源模块21。

该换档控制驱动器41，电性连接于该微电脑31，受该微电脑31的控制以驱动该变速器16进行变速。

该踏板位置感测模块51，设于该自行车主体11且对应于一该曲柄12，并且电性连接于该微电脑31，该微电脑31即藉由该踏板位置感测模块51来得知该曲柄12旋摆的角度位置以及踩踏方向为正踩或反踩。于本第一实施例中，该踏板位置感测模块51具有一传感器52，而以该传感器52对应于该曲柄12位于踩踏死点的角度位置，且该传感器52是为一五通管传感器(Bottom Bracket Sensor，BB sensor)，通过该传感器52本身感应时所产生的信号形态来判断该一曲柄12是正踩或反踩。于本实施例中，该传感器52是由多个磁块521环绕设置于该曲柄轴111，以及一霍尔元件522设置于该自行车主体11的五通管(图中未示)内所组成。所述磁块521是彼此等间隔而呈C形排列于该曲柄轴111，而留出缺少至少一该磁块521的一空缺523，该空缺523于本实施例中是对应于一该曲柄12的柄身。

其中，在骑乘者踩踏所述踏板14的过程中，该微电脑31是以下列条件之一判断最佳换档时机：(1)感测该至少一曲柄在正踩过程中每次位于一预定位置的角度位置及对应的时间点，并以该微电脑根据前述角度位置及时间点计算出下次通过踩踏死点的预测时间点，而做为最佳换档时机；或(2)感测该至少一曲柄在正踩过程中每次位于踩踏死点的时间点，并于该踩踏死点的时间点范围内做为最佳换档时机；或(3)感测该至少一曲柄在正踩过程中的踩踏转速值，当该踩踏转速值小于一预设转速值时，忽略该踩踏死点的时间点而判断为最佳换档时机；或(4)感测该至少一曲柄是否为反踩，若是即判断为最佳换档时机。

前述的条件(1)中，是以该曲柄12的角度位置及所对应的时间点进行运算，进而推算出正踩过程中的踩踏速度，并以该微电脑31计算出下次通过踩踏死点的预测时间点，如图4配合图2所示，在每次一该曲柄12经过点1(45度)或点5(225度)的角度位置时，即通过其时间点来推算出下次该曲柄12会经过点4(180度)或点8(0度)的时间点，由此而预测出该曲柄12在正踩过程中每次位于踩踏死点的时间点，各该预测时间点即做为最佳换档时机。前述图4所示的例子中，该曲柄12所经过的预定位置的角度位置即以点1或点5为例，而点4或点8即为踩踏死点的角度位置。

前述的踩踏死点是为踩踏力矩最小时该曲柄12的角度位置，于本实施例中是为相对于水平面的0度及180度的角度位置。

前述的条件(3)中，该预测转速值为车速与齿轮比的虚拟踩踏转数值与一增值的差值，其中，该增值至少为10转/每分(rpm)。

图5是显示该传感器52为五通管传感器(使用相同图号52)来侦测曲柄12旋转的波形图，其中，取该曲柄12旋转一周(即360度)所侦测到的波形。之后，取该曲柄12旋转正半周的波形如图6所示，以及取该曲柄12旋转负半周的波形如图7所示。由图8所示可知，在高电位时间T_H以及低电位时间T_L的比值可分类为7∶4及7∶15两种，在T_H小于T_L时即代表侦测到第一个踩踏死点P1(即0度角度位置)。再参阅图9，通过前述的第一踩踏死点再侦测到三次的正缘触发后，即可认定是第二个踩踏死点P2(即180度角度位置)。之后，再重复前述T_H小于T_L的判断即可再度找到第一踩踏死点，如此一直不断循环重复。而前述的五通管传感器52在反踩时其所感测到的波形，其电压准位恒为低电位，因此可以判断是否为正踩或反踩。若反踩时则依上述的条件(4)而判断为最佳换档时机，亦即，在反踩状况下的任何时间点均是最佳换档时机。

若该传感器52为霍尔元件时，则通过正踩或反踩时的波形的占空比不同，因此除了可以判断曲柄12的角度位置之外，还可以直接判断是否为正踩或反踩，其感测到的正踩波形如图10所示，反踩的波形如图11所示。

接下来说明本第一实施例的操作方式。

在骑乘过程中，以前述的条件(1)为例，该微电脑31是通过该踏板位置感测模块51来侦测出该曲柄12位于某个角度位置的时间点，例如踩踏死点的时间点，而这个踩踏死点依实际踩踏状况而言，即为相对于水平面的0度角度位置及180度角度位置，如图4所示的点4及点8。当取得两个踩踏死点的时间点后，即可推算出目前的踩踏速度(即曲柄12的旋摆速度)，再依据踩踏速度及踩踏死点的时间点，即可计算出下次该曲柄12通过踩踏死点的预测时间点而做为最佳换档时机。接下来，若是该微电脑31接到了骑乘者所下达的变速指令，或是该微电脑31判断应进行变速时，即会因为还没到达最佳换档时机而暂不变速，而等到下次该曲柄12通过踩踏死点的时间点(即最佳换档时机)来临时，才控制该换档控制驱动器41驱动该变速器16进行变速。如此一来，变速动作都会发生在踩踏死点的时间点，此时是踩踏扭力最小的时候，可以有最顺畅的变速动作，不会发生重踩时变速的齿轮咬合不顺的状况，骑乘者会感到更为舒适。

而前述的条件(2)、(3)及(4)，均可找出符合条件的最佳换档时机，而再依上段的换档方式进行操作，而可以有最顺畅的变速动作。

值得一提的是，本实施例中该传感器52是对应于该曲柄12位于踩踏死点的角度位置仅是举例而已。该传感器52亦可不对应于该曲柄12位于踩踏死点的位置，而仍同样的可以感测正踩或反踩动态，以及利用该传感器52所在的角度位置与踩踏死点的角度位置差值，配合踩踏速度来计算出最佳换档时机。亦即，该传感器52并不以对应于该曲柄12位于踩踏死点的角度位置为限制。

前述的状态是以平地无坡度的状态为例说明。然而，若是在骑乘过程中遭遇到上坡或下坡这种有坡度的路面时，由于踩踏死点的角度位置是为相对于水平面的0度或180度，因此必须进行角度位置的补偿。如图12A所示，当遭遇到上坡坡度为10度的路面时，则踩踏死点的角度位置就必须增加10度，亦即，变成10度及190度的角度位置。如图12B所示，当遭遇到下坡坡度为10度的路面时，则踩踏死点的角度位置就必须减少10度，而成为350度(负10度)及170度的角度位置。

由此可见，本第一实施例达到了可判断变速的最佳时机，并控制变速器16在该时机点进行变速的功效。

请再参阅图13A至图13B，本发明第二较佳实施例所提供的一种具有最佳换档时机的自动变速自行车60，主要概同于前揭第一实施例，不同之处在于：

该踏板位置感测模块61中的该传感器62，是由多个磁块621环绕设置于该曲柄轴111，以及一霍尔元件622设置于该自行车主体的五通管(图中未示)内所组成。所述磁块621中是有两个磁块621相靠近，以及相对于该曲柄轴111的对侧也另有两个磁块621相靠近，而相对180度设置，其余磁块621则彼此间等间隔排列于该曲柄轴111。

其中，所述相靠近的磁块621是对应于一该曲柄12(示于图2)的柄身。

又，本实施例中所述磁块621是为偶数，且一该磁块621与其相邻磁块621的磁极是相反。

由此，当该曲柄轴111旋转时，该霍尔元件622即会感测到所述磁块621经过时的磁极变化，进而产生而如图13B外围所示的信号波形(P)，该信号波形(P)的大径部位代表信号处于高电位，而小径部位则代表信号处于低电位。在经过相靠近的两磁块621时，所感测到的波形变化区间即较短，而经过不相靠近的两磁块621时，所感测到的波形变化区间即较长。因此，通过该信号波形(P)，即可判断出该曲柄轴111的角度位置，进而可判断变速的最佳时机，并控制变速器16(示于图2)在该时机点进行变速，而具有与前揭第一实施例相同的功效。

本第二实施例的其余结构及所能达成的功效均概同于前揭第一实施例，容不赘述。

请再参阅图14至图15，本发明第三较佳实施例所提供的一种具有最佳换档时机的自动变速自行车70，主要概同于前揭第一实施例，不同之处在于：

该踏板位置感测模块71是具有二传感器72。该二传感器72分别对应位于该二曲柄78的预定角度位置，且该二传感器72位于不同的角度位置，二者的夹角小于180度。此外，该二传感器72中的一该传感器72是位于一该曲柄78位于踩踏死点的角度位置，本实施例中是为0度角度位置。

于本第三实施例中，该二传感器72可均为一霍尔元件、或均为一光遮断传感器。当该二传感器72均为一霍尔元件时，是搭配前述第一实施例中曲柄轴111上设置磁块的方式，或搭配一磁块旋转盘(类同于先前技术中的中国台湾WO 2009036623号专利的图8所示的图号2元件所设置的旋转盘，因此不再以附图表示之)设于该曲柄轴，同样可通过传感器72本身感应时所产生的信号形态来判断该二曲柄78是正踩或反踩，此外也可通过该二传感器72感测到一该曲柄78分别经过时的角度位置及时间点，进而判断正踩或反踩。当该二传感器72均为一光遮断传感器时，则可通过该二传感器72感测到一该曲柄78分别经过时的角度位置及时间点，进而判断正踩或反踩。其中，由于该二传感器72的角度位置夹角小于180度，其中一传感器72在0度角度位置，另一传感器72在270度角度位置，因此在判断曲柄78通过该二传感器72所经过的时间时，即会有两段时间，这两段时间之间在一周360度之中即会有较短时间以及较长时间的差异，例如图15所示，由270度角度位置到0度角度位置的时间，与0度角度位置到270度角度位置的时间相比，若前者较短即代表正踩，若前者较长则代表反踩。

前述的该二传感器72中的一该传感器72位于一该曲柄78位于踩踏死点的角度位置，是为举例而已，该二传感器72亦可均不在踩踏死点的角度位置，同样可以达到推算出最佳换档时机的功效。亦即，并不以该二传感器72是否位于踩踏死点的角度位置为限。

本第三实施例的其余结构及所能达成的功效均概同于前揭第一实施例，容不赘述。

由上可知，本发明可判断变速的最佳时机，并控制变速器在该时机点进行变速，让变速过程更为顺畅，进而让骑乘者更为舒适。

Claims

1.一种具有最佳换档时机的自动变速自行车，包含有：

一自行车主体，具有一曲柄轴、设于该曲柄轴上的二曲柄、设于各该曲柄上的一踏板、以及一变速器；

一电源模块，设于该自行车主体；

一微电脑，电性连接于该电源模块；

一换档控制驱动器，电性连接于该微电脑，受该微电脑的控制以驱动该变速器进行变速；以及

一踏板位置感测模块，设于该自行车主体且对应于至少一该曲柄，并且电性连接于该微电脑，该微电脑即通过该踏板位置感测模块来得知该至少一曲柄旋摆的角度位置以及踩踏方向为正踩或反踩；

其中，在骑乘者踩踏所述踏板的过程中，该微电脑是至少以下列条件之一判断最佳换档时机：(1)感测该至少一曲柄在正踩过程中每次位于一预定位置的角度位置及对应的时间点，并以该微电脑根据前述角度位置及时间点计算出下次通过踩踏死点的预测时间点，而做为最佳换档时机；或(2)感测该至少一曲柄在正踩过程中每次位于踩踏死点的时间点，并于该踩踏死点的时间点范围内做为最佳换档时机；或(3)感测该至少一曲柄在正踩过程中的踩踏转速值，当该踩踏转速值小于一预设转速值时，忽略该踩踏死点的时间点而判断为最佳换档时机；或(4)感测该至少一曲柄是否为反踩，若是即判断为最佳换档时机。

2.依据权利要求1所述的具有最佳换档时机的自动变速自行车，其中：该踩踏死点为踩踏力矩最小时该曲柄的角度位置。

3.依据权利要求2所述的具有最佳换档时机的自动变速自行车，其中：该踩踏死点的角度位置为相对于水平面的0度或180度。

4.依据权利要求1所述的具有最佳换档时机的自动变速自行车，其中：该预测转数值为车速与齿轮比的虚拟踩踏转数值与一增值的差值。

5.依据权利要求4所述的具有最佳换档时机的自动变速自行车，其中：该增值至少为10转/每分。

6.依据权利要求1所述的具有最佳换档时机的自动变速自行车，其中：该踏板感测模块具有一传感器。

7.依据权利要求6所述的具有最佳换档时机的自动变速自行车，其中：该踏板感测模块的传感器为一五通管传感器。

8.依据权利要求7所述的具有最佳换档时机的自动变速自行车，其中：该微电脑通过该踏板感测模块的该传感器本身感应时所产生的信号形态来判断该至少一曲柄是正踩或反踩。

9.依据权利要求8所述的具有最佳换档时机的自动变速自行车，其中：该踏板感测模块的传感器是由多个磁块环绕设置于该曲柄轴，以及一霍尔元件所组成，所述磁块是彼此等间隔而呈C形排列于该曲柄轴，而留出缺少至少一该磁块的一空缺。

10.依据权利要求9所述的具有最佳换档时机的自动变速自行车，其中：该空缺对应于一该曲柄的柄身。

11.依据权利要求8所述的具有最佳换档时机的自动变速自行车，其中：该踏板感测模块的传感器由多个磁块环绕设置于该曲柄轴，以及一霍尔元件所组成，所述磁块中至少有两个磁块相靠近而其余磁块则彼此间等间隔排列于该曲柄轴。

12.依据权利要求11所述的具有最佳换档时机的自动变速自行车，其中：该二相靠近磁块对应于一该曲柄的柄身。

13.依据权利要求11所述的具有最佳换档时机的自动变速自行车，其中：所述磁块为偶数，且一该磁块与其相邻磁块的磁极相反。

14.依据权利要求1所述的具有最佳换档时机的自动变速自行车，其中：该踏板感测模块具有二传感器。

15.依据权利要求14所述的具有最佳换档时机的自动变速自行车，其中：该二传感器位于不同的角度位置，且分别对应位于该二曲柄的预定角度位置。

16.依据权利要求15所述的具有最佳换档时机的自动变速自行车，其中：该二传感器所分别对应的角度位置的夹角小于180度。

17.依据权利要求16所述的具有最佳换档时机的自动变速自行车，其中：该二传感器中的一该传感器位于一该曲柄位于踩踏死点的角度位置。

18.依据权利要求14所述的具有最佳换档时机的自动变速自行车，其中：该踏板感测模块的二传感器均为一霍尔元件、或均为一光遮断传感器；该二传感器均为一霍尔元件时，搭配一磁块旋转盘设于该曲柄轴，或搭配环绕设于该曲柄轴上的多个磁块。

19.依据权利要求18所述的具有最佳换档时机的自动变速自行车，其中：该二传感器均为一霍尔元件时，该微电脑通过该踏板感测模块的该二传感器本身感应时所产生的信号形态来判断该至少一曲柄是正踩或反踩。

20.依据权利要求14所述的具有最佳换档时机的自动变速自行车，其中：该微电脑通过该踏板感测模块的该二传感器感测到该至少一曲柄分别经过时的角度位置及时间点，进而判断该至少一曲柄是正踩或反踩。

21.依据权利要求1所述的具有最佳换档时机的自动变速自行车，其中：在条件(1)中，该微电脑以该至少一曲柄的角度位置及所对应的时间点，推算出正踩过程中的踩踏速度，并以该踩踏速度进一步推算出该至少一曲柄即将通过下一个该踩踏死点的时间点。

22.依据权利要求1所述的具有最佳换档时机的自动变速自行车，其中：在条件(1)中，该至少一曲柄在正踩过程中每次所位的一预定位置的角度位置，不同于踩踏死点的角度位置。