CN103723234A - 自行车的驱动单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自行车的驱动单元，其具有辅助行驶用的马达，能够实现轻量化和紧凑化。该驱动单元具备：曲柄轴；具有能够配置曲柄轴的孔的马达；与曲柄轴分开设置，传递曲柄轴的旋转的动力传递轴；传递动力传递轴的旋转，将所述马达的输出加和的输出部。

Description

自行车的驱动单元

技术领域

本发明涉及一种使用马达输出作为辅助动力的电动辅助自行车的驱动单元。

背景技术

作为使用马达输出用作辅助动力的电动辅助自行车有专利文献1中记载的发明。专利文献1所涉及的电动辅助自行车中，传递在脚踏板上受到的踏力，将传递来的驱动力和来自马达的驱动力合成后，将合成的驱动力传递给后车轮。

专利文献1：德国专利DE102010028667

专利文献1的自行车的驱动单元中，曲柄轴20、马达的旋转轴以及设置在曲柄轴30与链轮28之间的动力传递路径上而保持齿轮32以及34的轴30分开设置，因此驱动单元变大。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而研发的，其目的在于提供一种具有辅助行驶用的马达的自行车的驱动单元，其用以实现轻量化和紧凑化。

用于解决上述问题的自行车的驱动单元，其具备：曲柄轴；马达，其具有能够配置曲柄轴的孔；动力传递轴，其与曲柄轴分开设置，传递曲柄轴的旋转；以及输出部，其传递动力传递轴的旋转，将马达的输出加和。

由此，能够将曲柄轴通过马达的孔，将传感器部配置在马达的孔的内部，所以实现自行车的驱动单元的轻量化和紧凑化。

另外，在该自行车的驱动单元中，动力传递轴在曲柄轴的轴线方向上在马达的一侧与曲柄轴连结，在所述马达的另一侧与所述输出部连结。由此，能够将重量比较大的马达在曲柄轴的轴线方向上靠近驱动单元的中央配置。

另外，在该自行车的驱动单元中，可以设有将曲柄轴与动力传递轴连结的第一连结机构和将动力传递轴与输出部连结的第二连结机构。

另外，在该自行车的驱动单元中，曲柄轴的旋转轴与马达的旋转轴可以可以同轴设置。由此，能够简化马达的内部机构。

另外，可以在输出部连接链轮。由此，能够将来自输出部的输出向后轮毂等传递。

另外，马达的旋转力可以经由单向离合器传递给输出部。由此，能够防止曲柄轴的旋转力传递给马达。

另外，该自行车的驱动单元还可以具有减速机构，马达的旋转力经由减速机构传递给输出部。由此，能够将马达的输出减速而传递给输出部，所以能够实现使马达效率良好地动作的动力传递部。

另外，该自行车的驱动单元还可以具有减速机构，马达的旋转力被输入给减速机构，减速机构的输出经由单向离合器传递给输出部。由此，能够同时实现防止曲柄轴的旋转力传递给马达并使马达效率良好地动作。

另外，在该自行车的驱动单元中，第一连结机构可以具有齿轮、链轮和滑轮的任一个。

另外，在该自行车的驱动单元中，第二连结机构可以具有齿轮、链轮和滑轮的任一个。

另外，在该自行车的驱动单元中，输出部的旋转轴与曲柄轴的旋转轴可以同轴设置。由此，能够将输出部的旋转轴与曲柄轴的旋转轴的轴承一体化，所以能够实现自行车的驱动单元的进一步轻量化和紧凑化。

另外，输出部可以具有与变速机构的输出部结合的第一结合部和与马达结合的第二结合部。并且，第一结合部可以具有外齿轮。另外，第二结合部可以具有内齿轮。由此，该驱动单元能够将曲柄轴的旋转力矩和马达的旋转力矩合成。

由此，在具有辅助行驶用的马达的自行车的驱动单元中，能够实现轻量化和紧凑化。

附图说明

图1是组装有本发明的第一实施方式所涉及的驱动单元的电动辅助自行车的侧面图。

图2是本发明第一实施方式所涉及的驱动单元的剖面图。

图3是本发明第二实施方式所涉及的驱动单元的剖面图。

图4是本发明第三实施方式所涉及的驱动单元的剖面图。

附图标记说明：

1 驱动单元

102 曲柄轴

103 前链轮

111 机罩

120 马达

121 定子

123 转子

127 减速机构

130 转矩传递部件

131 输出部

132 单向离合器

160 动力传递轴

具体实施方式

图1是表示组装有本发明第一实施方式所涉及的驱动单元1的电动辅助自行车的一例的右侧面图。该电动辅助自行车将作用于脚踏板100的踏力经由曲柄臂101→驱动单元1→前链轮103→链104→后链轮105的路径传递给能够绕后车轮的车轴106旋转地设置的轮毂体。该过程中，该电动辅助自行车将马达输出作为辅助动力合成，以辅助行驶。该电动辅助自行车由后述的传感器部检测与作用于驱动单元1的曲柄轴102上的转矩对应的力。并且，该电动辅助自行车在该检测值超过设定值时，驱动马达而产生与踏力对应的转矩作为辅助动力。包含辅助用的马达的驱动单元1一般配置在车架的座管的下端部和车架的下管的后端部的连结部分附近。马达驱动用的电池沿后载物架、下管或座管配置。

本发明以具有曲柄轴的旋转轴和马达的旋转轴同轴构成的驱动单元为特征。以下，说明驱动单元1的结构以及功能。参照图2，驱动单元1具备：具有能够配置曲柄轴102的孔120a的马达120；在孔120a的内部至少一部分配置在马达120和曲柄轴102之间的传感器部150。

如图2所示，曲柄轴102插入机罩111的贯通孔111a。曲柄轴102经由轴承112、113旋转自如地支承在机罩111上。在曲柄轴102的两端通过螺栓能够拆装地安装曲柄臂101。曲柄臂101配置在机罩111的外部。两个曲柄臂101中的一个曲柄臂101可以不能拆装地形成在曲柄轴102上。

马达（电动机）120具有能够配置曲柄轴102的孔120a。孔120a设置在马达120的旋转中心部。马达120以其旋转轴与曲柄轴102的旋转轴同轴的方式配置。马达120的定子121形成圆筒状，被卷绕上励磁用线圈而配置在曲柄轴102的同心圆上，由安装部122固定在马达壳125上。马达壳125固定在机罩111上。在定子121的径向内侧形成有孔120a。定子123形成为圆筒状，旋转自如地支承在马达壳125上。转子123具有例如在周向上具有多个磁极的磁铁（未图示）和保持磁铁的磁铁保持部（未图示）。本实施方式的马达是定子121被转子123包围而设置的外转子式的马达。转子123通过在曲柄轴方向上隔开间隔配置的第一轴承124a以及第二轴承124b绕曲柄轴102旋转自如地支承。第一轴承124a和第二轴承124b支承在马达壳125上。另外，马达120由省略图示的变流器驱动。变流器由未图示的控制部驱动，控制部对应踏力以及自行车的速度来控制变流器。

传感器部150检测施加在曲柄轴102上的扭矩。由于该扭矩与施加在曲柄轴102上的用户的踏力成正比，所以通过检测扭矩，可知施加在曲柄轴102上的用户的踏力。传感器部150具备具有能够配置曲柄轴102的插入孔的中空部件151以及应变传感器155。中空部件151具备第一连接部151a、第二连接部151b、以及插通孔151c。第一连接部151a与曲柄轴102连接。第二连接部151b对后述的动力传递轴传递旋转力。在插通孔151c中能够配置曲柄轴102。中空部件151除了第一连接部151a，从配置在内侧的曲柄轴102分开。在第一连接部151a上，中空部件151被从曲柄轴102突出的键或锯齿插入，通过螺纹拧紧或压入等手段固定连接。第一连接部151a和第二连接部151b在曲柄轴102方向上隔离设置。应变传感器155是磁应变传感器，具备设于中空部件151上的磁应变元件155a以及设于磁应变元件155a的周围的检测线圈155b。检测线圈155b通过固定部件156固定在马达壳125上。由此，检测线圈155b不能旋转地支承在机罩111上。

传感器150至少一部分配置在马达120与曲柄轴102之间。本实施方式中，马达120与曲柄轴102之间是马达120的旋转轴的延伸方向上定子121的两端之间的区域W、且与曲柄轴102之间的区域。优选传感器部150中、应变传感器155的至少一部分或全部设置在所述马达120的旋转轴的延伸方向上定子121的两端之间且与曲柄轴102之间的区域上。另外，也可以是应变传感器155的至少一部分或全部设置在马达120的旋转轴的延伸方向上定子121的两端之间的区域W、且马达120的旋转轴的延伸方向上与定子123重叠的范围、且与曲柄轴120之间的区域。

减速机构127将转子123的旋转传递给转矩传递部件130。减速机构127具有一个以上的齿轮。图2的例子表示减速机构127具有两个行星齿轮机构的情况。第一行星齿轮机构包括：与转子123连结的第一太阳齿轮部128a、多个第一行星齿轮128b、能够旋转地支承多个第一行星齿轮128b的第一齿轮架部128c、固定在机罩111上的第一环形齿轮部128d。第二行星齿轮机构包括与第一齿轮架部128c连结的第二太阳齿轮部129a、多个第二行星齿轮129b、能够旋转地支承多个第二行星齿轮129b的第二齿轮架部129c、固定在机罩111上的第二环形齿轮部129d。减速机构127的输出经由转矩传递部件130传递给输出部（详细地后述）。转矩传递部件130与第二齿轮架部129d结合，在此为一体形成。转矩传递部件130经由单向离合器132和旋转支承部133能够旋转地支承在输出部131（详细地后述）的内侧面上。旋转支承部133在本实施方式中由滑动轴承构成，但是也可以由轴承构成。旋转支承部133关于曲柄轴比单向离合器132配置在半径方向的外侧。转矩传递部件130支承单向离合器132的多个棘爪。

输出部131将马达120的旋转力以及曲柄轴102的旋转力传递给前链轮103。输出部131设置在曲柄轴102的端部侧。输出部131形成环状，具有第一环状部分131a、第二环状部分131b以及第三环状部分131c。第一环状部分131a沿曲柄轴102延伸。第二环状部分131b从第一环状部分131a的马达120侧的端部相对于曲柄轴102向径向延伸。第三环状部分131c从第二环状部分131b的马达侧的端部向与曲柄轴102平行的方向延伸。输出部131的内周部经由单向离合器132与转矩传递部件130连结。在第一环状部分131a以及第二环状部分131b的内周部形成单向离合器132的棘槽。棘槽是第二连结部，构成内齿轮。在第三环状部分131c的内周部设置旋转支承部133。旋转支承部133支承转矩传递部件130的旋转。在第一环状部分131a的与第二环状部分131b相反侧的端部上设置向周向的内侧延伸的第四环状部分131d。在第四环状部分131d的内周部上设置轴承113。在第一环状部分131a的外周部上设置轴承134。由此，输出部131由机罩111能够旋转地支承。轴承113以及134例如由向心轴承形成，轴承113的内圈体支承曲柄轴102，轴承134的外圈体支承在机罩111上。输出部131的端部（第四环状部分的端部）从机罩111的开口111b向外部突出。输出部131在第四环状部分131d的从机罩111突出的部分的外周部设置链轮连接部131e。在链轮连接部131d上例如通过螺栓能够拆装地安装前链轮103。由此，前链轮103能够与输出部131构成一体旋转。

关于传感器部150的第二连接部151b的旋转力经由第一齿轮114以及第二齿轮161传递给动力传递轴160。另外，动力传递轴160的旋转经由第三齿轮142传递给输出部131。

传感器150的第二连接部151b与第一齿轮114连结。第一齿轮114设置在曲柄轴102的与具有输出部131的端部相反侧的端部上。随之、传感器部150的第一连接部151a设置在输出部131侧。第一连接部151a在马达120与曲柄轴102之间的区域上与曲柄轴102连结。第一齿轮114固定在第二连接部151b上，与曲柄轴102一体旋转。第一齿轮114也可以例如通过锯齿（セレ一シヨン）而能够拆装地安装在第二连接部151b上。中空部件151除了第一连接部151a，从配置在内侧的曲柄轴102分离。包含第一齿轮114以及第二齿轮161而形成第一连结机构。

第二齿轮161不能旋转地固定在动力传递轴160上，构成一体而旋转。第二齿轮161设置在动力传递轴160的一侧的端部。第二齿轮161与第一齿轮114啮合。

动力传递轴160旋转自如地支承在支承轴170上。支承轴170从曲柄轴102分开设置。即、动力传递轴160从曲柄轴102分开设置。动力传递轴160的旋转轴与曲柄轴102的旋转轴平行。可以在支承轴170以及动力传递轴160的至少一方上设置限制动力传递轴160向支承轴170轴向移动的限制部件175。在本实施方式中，动力传递轴160与支承轴170之间形成滑动轴承。

支承轴170在两端部具有用于通过螺母116固定在形成于机罩111上的插入口115中的第一阳螺纹部（未图示）。在第一阳螺纹部上分别形成旋转固定在插入口115中的平行形成的旋转固定部（未图示）。

在动力传递轴160的另一侧的端部不能旋转地固定第三齿轮142。

在输出部131的外周部形成有第四齿轮171。第四齿轮171是第一连结部，构成外齿轮。第四齿轮171形成在第二环状部分131b以及第三环状部分131c的外周部上。本实施方式中，第四齿轮171与输出部131构成一体形成。第四齿轮171与第三齿轮142啮合。包含第三齿轮142以及第四齿轮171而形成第二连结机构。

第一以及第二连结机构隔着马达120设置在输出部131和前链轮103的相反侧。由此，动力传递轴160在曲柄轴的轴线方向上在马达120的一侧与曲柄轴连结，在马达120的另一侧与输出部130连结。

接着，说明该驱动单元的动作。骑手踏力形成的转矩沿曲柄臂101→曲柄轴102→第一连接部151a→第二连接部151b→第一齿轮114→第二齿轮161→动力传递轴160→第三齿轮142→输出部131经由变速机构传递。另一方面，来自马达的输出转矩沿减速机构127→转矩传递部件130→单向离合器132→输出部131传递。输出部131将该两个转矩合成，对前链轮103传递合成后的转矩。由此，通过马达实现辅助。

本实施方式的驱动单元中，曲柄轴的旋转轴和马达的旋转轴为同轴，在马达的配置曲柄轴的孔中配置传感器部的至少一部分。由此，能够轻量且紧凑地构成具有用于辅助行驶的马达的驱动单元。

另外，通过预先调整第一至第四齿轮114、161、142、171的齿轮比（齿数），能够增加或减少输出部131的转速相对于曲柄轴120的转速的比。由此，能够对应使用对象设定具有本发明的驱动单元的自行车。

图3是本发明的第二实施方式的驱动单元的剖面图。第二实施方式的驱动单元相对于第一实施方式的驱动单元主要有以下不同点。马达120是转子123被定子121包围设置的内转子式马达。以下的说明中，关于与第一实施方式不同的内容进行详细说明。另外，图3中为了方便例示了减速机构127具有一个齿轮的情况，但是这仅是例示。减速机构127的功能与第一实施方式相同。

传感器部150的第二连接部151b与第一齿轮114连结。第一齿轮114固接第二连接部151b上，与曲柄轴102形成一体而旋转。第一齿轮114例如通过锯齿(セレ一シヨン)能够拆装地安装在第二连接部151b上。第一连接部151a在马达120与曲柄轴102之间的区域与曲柄轴102连结。中空部件151除了第一连接部151a从配置在内侧的曲柄轴102分开。

第二齿轮161与第一齿轮114啮合。在本实施方式中，第二齿轮161与动力传递轴160一体形成。另外，第三齿轮142与动力传递轴160一体形成。本实施方式中，动力传递轴160与第二齿轮161以及第三齿轮142一体形成，但是也可以是动力传递轴160与第二齿轮161以及第三齿轮142的至少一方一体形成。本实施方式中也是传感器部150的至少一部分配置在马达120与曲柄轴102之间，应变传感器155的至少一部分或全部在所述马达120的旋转轴的延伸方向上设置在定子121的两端之间的区域W、且与曲柄轴102之间。

以上的实施方式中，例示了应变传感器155为磁应变传感器的情况，但是也可以是应变规、半导体应变传感器。另外，例示了磁应变元件155a配置在中空部件151上的情况，但是磁应变元件155a也可以直接配置在曲柄轴102上。这种情况下，不设置中空部件151，而将第一齿轮114直接固定在曲柄轴102上。

图4是本发明的第三实施方式的驱动单元的剖面图。第三实施方式的驱动单元相对于第一实施方式的驱动单元主要有以下不同点。马达120是转子123被定子121包围设置的内转子式马达，用于检测人为驱动力的检测手段（转矩检测手段）不同。以下的说明中，关于与第一实施方式不同的内容进行详细说明。另外，图4中为了方便例示了减速机构127具有一个齿轮的情况，但是这仅是例示。减速机构127的功能与第一实施方式相同。另外，与前述的实施方式相同的结构采用相同的附图标记。

马达（电动机）120以其旋转轴与曲柄轴102的旋转轴同轴的方式配置。马达120的定子121被卷绕励磁用线圈而配置在曲柄轴102的同心圆上，通过安装部122固定在机罩111上。转子123旋转自如地支承在曲柄轴102上。转子123具有例如在周向上具有多个磁极的磁铁（未图示）和保持磁铁的磁铁保持部（未图示）。本实施方式的马达是转子123被定子121包围设置的内转子式马达。转子123通过在曲柄轴方向上隔开间隔配置的第一轴承124a以及第二轴承124b旋转自如地支承在曲柄轴102上。另外，马达120通过省略图示的变流器驱动。变流器由未图示的控制部驱动，控制部对应踏力以及速度控制变流器。

减速机构127将转子123的旋转传递给转矩传递部件130，将转矩传递部件130的旋转传递给转子123。减速机构127具有行星齿轮机构126。行星齿轮机构126具有太阳齿轮部126a、配置在太阳齿轮部126a的外周侧的内齿轮126b、以及与太阳齿轮部126a和内齿轮126b啮合的多个（例如三个）行星齿轮126c。太阳齿轮部126a固定在转子123上。内齿轮126b设置在安装部122上。多个行星齿轮126c由转矩传递部件130能够旋转地支承。转矩传递部件130是所谓的齿轮架。各行星齿轮126c具有齿数不同的第一以及第二齿部。第一齿部的齿数比第二齿部的齿数多。第一齿部与太阳齿轮部126a啮合，第二齿部与内齿轮126b啮合。转矩传递部件130经由单向离合器132和旋转支承部133能够旋转地支承在输出部131的内侧面。旋转支承部133在本实施方式中由滑动轴承(滑り受け軸)构成，但是也可以由轴承（ベアリング）构成。旋转支承部133关于曲柄轴比单向离合器132配置在半径方向外侧。该行星齿轮机构126中，由于内齿轮126b相对于机罩111不能旋转地固定，所以连结有转子123的太阳齿轮部126a的旋转减速，传递给转矩传递部件130。

第一连结机构具有第一齿轮114以及第二齿轮141，将曲柄轴102和动力传递轴160连结。第一齿轮114设于曲柄轴102的一端部侧。第一齿轮114固接在曲柄轴102上，与曲柄轴102构成一体旋转。第一齿轮114可以例如通过锯齿(セレ一シヨン)能够拆装地安装在曲柄轴102上。第二齿轮141与第一齿轮114啮合而对动力传递轴160传递驱动力。

本实施方式中，动力传递轴160由轴承旋转自如地支承在支承轴170上。在动力传递轴160上设置用于检测给予该动力传递轴160的驱动力的传感器部180。第二连结机构具有第三齿轮142以及第四齿轮171，将动力传递轴160和输出部131连结。在动力传递轴160的另一侧的端部上不能旋转地固定第三齿轮142，与设于输出部131上的第四齿轮171啮合。传感器部180检测施加在动力传递轴160上的扭矩。由于该扭矩与施加在曲柄轴102上的用户的踏力成正比，所以通过检测扭矩，可知施加在曲柄轴102上的用户的踏力。传感器部180由应变传感器155构成。应变传感器是磁应变传感器，在本实施方式中，具有设于动力传递轴160上的磁应变元件和设于磁应变元件的周围的检测线圈。传感器部180具有与前述的传感器部150相同的结构。检测线圈固定在马达壳125上。

本实施方式中，应变传感器是应变传感器是磁应变传感器的情况，但是也可以是应变规、半导体应变传感器。这种情况下，还可以具备通过无线等将来自设于动力传递轴160上的应变传感器的信号传送到外部的发送机和接收来自该发送机的信号的接收机。在以上的实施方式中，从曲柄轴102向动力传递轴160的驱动力（转矩和旋转）的传递和从动力传递轴160向输出部131的转矩的传递经由齿轮进行，但是这些转矩的传递也可以使用链轮以及链、或滑轮以及传送带进行。

另外，第一连结机构由第一齿轮114以及第二齿轮141构成，第二连结机构由第三齿轮142以及第四齿轮171构成，但是各连结机构也可以使用三个以上的齿轮构成。

另外，若能够以低速驱动马达120，则减速机构127可以省略。这种情况下，马达输出直接传递给单向离合器132。

Claims (12)

1.一种自行车的驱动单元，其具备：

曲柄轴；

马达，其具有能够配置所述曲柄轴的孔；

动力传递轴，其与所述曲柄轴分开设置，传递所述曲柄轴的旋转；以及

输出部，其传递所述动力传递轴的旋转，将所述马达的输出加和。

2.如权利要求1所述的自行车的驱动单元，其中，所述动力传递轴在所述曲柄轴的轴线方向上在所述马达的一侧与所述曲柄轴连结，在所述马达的另一侧与所述输出部连结。

3.如权利要求2所述的自行车的驱动单元，具备将所述曲柄轴与所述动力传递轴连结的第一连结机构和将所述动力传递轴与所述输出部连结的第二连结机构。

4.如权利要求1～3任一项所述的自行车的驱动单元，其中，所述曲柄轴的旋转轴与所述马达的旋转轴同轴设置。

5.如权利要求1～4任一项所述的自行车的驱动单元，其中，在所述输出部上连接链轮。

6.如权利要求1～5任一项所述的自行车的驱动单元，其中，所述马达的输出经由单向离合器传递给所述输出部。

7.如权利要求1～6任一项所述的自行车的驱动单元，还具有减速机构，

所述马达的输出经由所述减速机构传递给所述输出部。

8.如权利要求1～6任一项所述的自行车的驱动单元，还具有减速机构，

所述马达的输出被输入给所述减速机构，

所述减速机构的输出经由单向离合器传递给所述输出部。

9.如权利要求3所述的自行车的驱动单元，其中，所述第一连结机构具有齿轮、链轮和滑轮的任一个，所述第二连结机构具有齿轮、链轮和滑轮的任一个。

10.如权利要求1～9任一项所述的自行车的驱动单元，其中，所述输出部的旋转轴与所述曲柄轴的旋转轴同轴设置。

11.如权利要求1～10任一项所述的自行车的驱动单元，其中，

所述输出部具有：

第一结合部，其与所述动力传递轴结合；以及

第二结合部，其与所述马达结合。

12.如权利要求11所述的自行车的驱动单元，其中，所述第一结合部具有外齿轮，所述第二结合部具有内齿轮。

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