CN104271435A - 用于自行车的电驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于自行车的电驱动装置，其包括：两个对称设置的且反向旋转的外转子式马达，这些外传子式马达经由两个独立的马达调节器/调速器供电，这些马达调节器/调速器获得用于功率调节的相同的控制信号，其中，马达围绕一轴摆动地支承，该轴平行于、特别是基本上平行于马达轴，然而相对该马达轴特别是平行地侧向偏移。

Description

用于自行车的电驱动装置
技术领域
本发明涉及一种用于自行车的电驱动装置，其包括：两个对称设置的、反向旋转的外转子式马达，这些外转子式马达经由两个独立的马达调节器/调速器供电，这些马达调节器/调速器获得用于功率调节的相同的控制信号。
背景技术
现在主要使用的轮毂电机在25公里/小时的情况下仅仅以约200转/分钟的转轮转速旋转，并且必须产生极高的扭矩，以便在外轮周上产生足够的牵引力。这种结构的原料投入、重量和成本相当大。此外缺点在于：约3公斤的巨大的马达重量百分之百地进入未装弹簧的质量体中并对装弹簧的行驶状态产生负面影响。前轮马达可能在黏滑的走行轨道上容易打滑，跌倒危险。后轮马达妨碍盘式制动器、链式换档系统和轮毂换档系统的安装。
中置马达避免了这些缺点，因为它们通常直接安装在车架中的脚蹬轴承之后，具有高减速比的传动装置并将它们的力通过小齿轮传递到链条上。然而由于马达的原因额外地缩短了这些高负荷的磨损件的维修间隔时间。力流复杂且导致损耗，因为高速旋转的马达的功率必须首先变换到很低的链条速度，并且从那里又变回到转轮的高圆周速度上。必须事先在车架结构内考虑马达的安装空间和固定，由此排除了事后的安装。
中置马达的一种特别的变型回避了这个限制，因为在此马达同轴地位于脚蹬轴承轴上，占用链片的安装空间并只需要车架上的一个扭矩支座。因此它可以毫无问题地加装在很多自行车上。然而与轮毂电机相比，它具有进一步加剧的重量问题。由于它只能以踏动频率运行，所以它必须在60至80转/分钟的情况下产生几乎三倍多的扭矩。
除了以高销售量在市场上很成功的、具有汽油发动机的传奇的VeloSolex之外，由专利文献已知有四件另外的申请，这些申请接近于此处阐述的本发明，因为它们追求同样的目标：利用轻便的和高速运转的马达在外周上通过摩擦锁合来直接驱动转轮。在物理上这个方法是完全适宜的，因为电动机的有效功率与转速成比例地上升并且由于高的圆周速度而能够以相应较小的力传递所产生的功率。
紧随Solex之后的是US 2011/0232985A1，因为轴向平行的马达将它的切向力直接传递到后轮轮胎的工作面上。
DE 42 19 763 A1和DE 196 33 345 A1具有一个唯一的马达，该马达设置在轮胎的外侧或者上侧，并且该马达经由同时还承担将功率分流到两个摩擦辊上的传动装置来在两侧驱动轮胎侧边。
DE 690 31 993 T2不需要传动装置，因为此处两个反向旋转的马达同样位于前轮轮胎外侧/上侧，并且摩擦辊位于向下延长的马达轴上。
马达悬架和杠杆的不同的设置能够实现的是：以在轮胎上的高挤压力使得摩擦辊主动运动到工作位置中或运动到无接触的空转位置中。
发明内容
本发明的目的是一种极轻的和物美价廉的用于自行车的电驱动装置，该电驱动装置由于仅仅微微运动的部件和短的功能链而是特别耐用且需要少量的维护。由于高的马达效率和传动效率以及最低的阻力损失，尽管蓄电池具有小的重量但是也应该实现高的有效距离(Reichweite)。应该可以是前轮驱动、后轮驱动以及全轮驱动并且在链式换档系统、轮毂还动系统和制动器方面不存在限制。除了在尽可能多的自行车类型上的可加装性之外，特别期望的是：尽管具有电驱动装置但是尽可能地维持原始的自行车特性，属于此的除了视觉上不引人注意之外还有在汽车和火车中的无问题的运输以及上台阶和楼梯的不费力的携带。
根据本发明，这个目的通过如下方式得以实现：在马达的旋转的圆柱面处或上具有用于收纳弹性摩擦环的环形槽或车削槽，用于将驱动功率通过摩擦锁合传递到轮辋上，并且特别通过如下方式：马达围绕一根轴摆动地支承，该轴基本上平行于马达轴，然而相对该马达轴特别是平行地侧向偏移。
根据本发明的自行车驱动装置与已知结构的不同之处在于：一个马达或者多个马达设置在轮胎圆周的内部/下侧，并且力不是传递到轮胎上，而是传递到轮辋侧面上。
与由于制造误差和装配误差在车轮旋转一圈(Radumdrehung)内可能同时具有多个不精密的形状偏差的轮胎不同，轮辋具有经过理想加工的表面，该表面最多由于侧向冲击(Seitenschlag)而造成车轮每旋转一圈进行小的横向运动。因此摩擦环在轮辋侧面上能够比在轮胎表面上滚动得均匀得多和安静得多。
在自行车保持运动期间，轮胎圆缘起如除污器那样的作用并使轮辋保持几乎完美的清洁，这有利于限定的摩擦比。与此相反，轮胎由于与路面直接接触几乎总是具有或多或少明显的污垢层或润滑油膜，这只能通过大幅提高挤压力来进行补偿，承担将轮胎挤压力升高的费用和较低的效率。
马达设置在轮胎直径以内除了视觉上不引人注意的优点之外还具有的优点是：不与挡泥板或行李架发生冲突。由于摩擦环的径向的传动力经过最短的行程导入到上侧的马达轴承中，所以没有如在上述比较中那样的环绕的轴弯曲力矩，这能够实现特别节省材料且节省重量的结构。
本发明涉及一种用于自行车的电驱动装置，在该电驱动装置中，两个对置的外转子马达将它们的切向力通过弹性环传递到自行车轮辋上。为此所需的挤压力由马达本身产生，因为如此选择马达的可运动的悬架，使得切向力与挤压力始终处于几何上事先规定的、固定的比率中。
本发明的其它有益的设计在从属权利要求中得以阐述。
附图说明
在附图中示出本发明的实施例并在下文加以详细的阐述。附图中：
图1为从上侧观察前轮上的驱动装置的视图；
图2为具有前轮上的和后轮上的驱动装置的自行车的侧视图；
图3为后轮上的驱动装置的局部视图；
图4为驱动装置的剖视图；
图5为事后增装驱动装置时的安装情况；
图6为后轮驱动装置的局部视图；
图7为按照图6的局部视图，其中示出附加的起重磁体。
具体实施方式
图1示出的是从上侧观察的并且没有轮胎的前轮上的驱动装置，其中原则上的工作原理变得清晰：弹性的摩擦环1在轮辋侧面2上滚动并对它施加合力Fres。这个合力可以分解为压紧力Fa和切向力Fu，该切向力产生所期望的牵引。由于对称的设置结构和反向的旋转方向5，压紧力抵消而牵引力累加。与上述现有技术相比，这个驱动装置具有附加的特点：由于Fres的反力以其相对马达轴3的侧向距离(杠杆臂6)而始终形成与马达力矩同样大的反作用力矩，所以每个马达本身通过它的扭矩产生挤压力。由于轮辋上的接触点并由于马达固定支架7低摩擦地支承在其中的摆动轴4，力矢量的情况(Lage)永久地固定不变，因而切向力和压紧力虽然能够与马达功率相关地变化，但是彼此之间始终处于定比中。
由于滚动摩擦以及由此还有传动损失随着挤压力的上升而增加，所以这个挤压力应该是只有所需的那样大且尽可能地小。当商Fu/Fa略小于所期望的最小摩擦系数时，则保障了以尽可能高的效率进行不打滑的和无磨损的传动。
在所选的实例中，轮轴8与马达轴和摆动轴的连接线之间的定位角α具有一个值30°，由此利用力的比例Fu/Fa＝tan21°＝0.38获得21°的楔角3。那就是说，如此选择轮辋侧面的表面处理或摩擦副，使得静摩擦系数绝不低于0.4。作为备选，可以将定位角α略微减小。由图1中清楚地看到，与30°的过大的偏差是不适宜的，因为如果角度α大幅增大，那么将快速达到附着极限。如果其大幅减小，那么杠杆臂6缩短并且马达可能形成不可控的大力。
除了自动的效率优化之外，这个驱动装置的另一优点在于：在马达断开的情况下不产生滚动摩擦并且甚至避免了旋转马达的空转摩擦，这是因为根据本发明静止的马达与旋转的轮辋分离。因此这个悬架具有强制的空转功能。
重新启动同样是自动进行，因为空载加速的转子的惯性使马达悬架向轮辋的方向扭转。一旦那里产生接触，马达就通过较高的空载圆周速度楔紧在轮辋上。由于调节器与马达同步，所以每个马达需要其自己的调节器。
止挡(未示出)的作用在于：马达最大只能从轮辋上提升2mm。类似于在轮辋制动器中那样，这个空隙对于无接触的空转来说足够并且行程限位防止马达颤抖和在启动时由于过度摆动而又弹回。
图2示出的是被完全安装弹簧的前轮和后轮上的安装情况。在前轮驱动装置的情况中，马达9位于轮叉前或者弹簧叉的插入管10前。为此建议使用盘式制动器，这是因为马达占用了轮辋制动器的通常的安装空间。未装弹簧的质量体增加了约500g的马达重量，但是这实际上几乎没有作用。
由于摆动轴11几乎处于竖直状态，所以几乎没有重量矩作用在马达悬架上，因而无需采取其他措施而特别简单而可靠地折合和折开(An-und Abklappen)马达。
这种变型的优点还在于：可以制造完整的安装套件，在这些安装套件中马达9、其悬架、弹性的摩擦环和轮辋表面的几何形状与材料选择完美地相互协调。
在后轮驱动装置的情况中，马达12位于倾斜向上的车座撑架或者后平叉撑架13的下侧。由于轮辋制动器通常安装在这个撑架上，所以此处不存在针对其他部件的限制并且在很多自行车类型上可以进行改装。
有益的还有：马达12至后轮振动平衡杆(Hinterradschwinge)的回转点14的距离仅仅为轮毂间距的大约一半，因而未装弹簧的质量体仅仅增加了马达重量的一半，即约250g。
由于摆动轴15在此极大幅度地倾斜，所以必须通过弹簧来抵消马达重量，由此使得马达在加速时可靠地折合或者摩擦环贴靠在轮辋上。
当然马达轴16必须与轮轴17相交，因为否则在接触区中产生增加摩擦和增加磨损的相对运动。
图3示出的是沿纵向倾斜向下的后轮驱动装置。由于轮辋2在摩擦环1的上棱边上与在下棱边上相比具有略高的圆周速度，所以只有当马达轴16与轮轴17在轮辋侧面的平面19内相交时才在接触区内产生没有任何相对运动的最佳传动。摩擦环长期地在轮辋轨道上研磨并因此具有轻微的锥形外轮廓。
如不难看出的那样，马达轴16与后平叉撑架13的反向的斜度必须在结构上相匹配，这在此发生在马达固定支架7内部。也可以在轴承底座内20进行补偿，该轴承底座的轴承孔则必须相对撑架轴倾斜。
轴承底座20可以粘合、钎焊或熔焊在框架上，在事后的安装中利用螺栓、卡圈或螺纹钩进行固定。可以在弹簧叉的插入管上设置用于容纳孔的相应的铸造部分。
图4示出的是马达12的剖面，其中示出马达固定支架7和摆动轴4。这是一种新式的外转子无刷马达。由于内侧位于磁轭环22上的平坦的高性能磁体21，空隙23位于远远地外侧，使得这种结构能够产生极高的扭矩。为了将扭矩作为尽可能大的切向力传递到轮辋上，弹性的摩擦环1的展开直径Dr应该尽可能少地超过空隙23的直径DL。在结构上，这通过摩擦环1在磁体21上侧的位置得以实现。摩擦环1具有比它在环托架24上的支座小的直径，使得该摩擦环在安装时被径向预紧。另外，该摩擦环可以通过螺纹拧紧马达罩25而轴向张紧。所述罩应该含有径向的通风孔26，由此使得冷却气流强制穿过马达。
驱动装置应该无损地经受住雨中行驶和利用高压清洗机的淋浴，因此电部件被防水地封装。在马达9、12的情况中由于冷却的原因使得完全封装既没有意义也没有必要，这是因为唯一真正水敏性的构件是滚珠轴承，为了这些滚珠轴承需要设置特别的保护措施例如通过密封唇来防止溅水和湿气。应该用耐热漆来热封/浸渍叠片组和绕组，其余的马达部件无论如何受到防腐保护。
图5示出的是摆动轴4的支承装置如何事后增装在框架管27上的可能性：轴承底座29利用两个拉铆螺母28拧紧在管上。非同寻常的是轴承底座内部的回转止挡，该回转止挡防止马达从轮辋离开超过约2mm。它由销钉30构成，该销钉穿过横孔而保持在摆动轴4中并利用螺栓31来固定。由孔径与销钉直径的差产生仅仅很小程度的回转间隙。
图6示出的是位于外侧的止挡32，该止挡由一个延长的且倾斜弯曲90°的垫片构成。这种变型包含用于后轮驱动装置中的倾斜悬挂的马达的重量平衡。螺旋压力弹簧33通过埋头螺栓34进行校准并沿贴靠方向(Anlagerichtung)作用；但是仅仅预紧到重量被抵消的程度。
图7：在这个轴承底座内除了经改动的止挡(止动螺栓35)之外，还安装有起重磁体36，该起重磁体在马达启动时应该有效地支持文首述及的折合效果(Anklappeffekt)。在此，旋转方向互换，因为在电流通过时应该将马达拉入贴靠/工作位置中，在马达断开的情况中起重磁体36也应该脱离，其中垫片32被压向止动螺栓35。根据安装位置(竖直或悬挂)，弹簧可以构造成拉力弹簧或压力弹簧。这种变型在慢速的、马达加速的动力不足的车辆中或在极端条件下使用时是必要的，(例如具有严重灰尘沉积的野外)。
在很小的和特别是刚性的转轮中，如它们应用在折叠式自行车或儿童用自行车中那样，可以考虑：使用按照意义具有仅仅一个马达的驱动装置，其中压紧力Fa则完全作用在转轮结构上。
在26至28英寸的自行车中无论如何优选具有双马达的方案，其特点如下：在发电机运行中(Dynamobetrieb)仅一台以适度的弹簧压力持续地压到轮辋上的马达就完全够用了。联动的马达然后作为同步发电机起作用并且在三条马达接线中的两条马达接线中分接交流电压。也可以在这种运行模式中激活马达功能，因为电压是来自马达还是马达调速器是次要的。只须通过一个电子电路保障没有不允许的电压峰值将大灯毁坏。优点在于：这样的照明设备在利用和没有蓄电池的情况下工作，并且如果大家考虑通过这种措施能够不可替代地废除一个轮毂发电机(该轮毂发电机通常也有400g重)，那么根据本发明的驱动装置在重量方面甚至几乎是中性的(gewichtsneutral)。
两个对称对置的、摆动支承的外转子马达(Outrunner)将其机械功率经由一弹性环直接传递到轮辋上。如此选择马达悬架的回转点，即，必要的压紧力与由马达产生的牵引力保持固定比例。由于比轮毂电机高十六倍的转速，能够非常轻地和经济地制造马达。在断开的状态中，因为它们从轮辋侧边上抬起，所以它们不造成摩擦。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.用于自行车的电驱动装置，该电驱动装置包括：两个对称设置的且反向旋转的外转子式马达(9，12)，这些外转子式马达经由两个独立的马达调节器/调速器供电，这些马达调节器/调速器获得用于功率调节的相同的控制信号，其特征在于：马达(9，12)围绕轴(4，11，15)摆动地支承，所述轴平行于、特别是基本上平行于马达轴(3，16)，然而相对该马达轴特别是平行地侧向偏移，并且驱动单元能设置在轮叉前或者相应的框架撑架前，并且摆动轴(4)与马达轴(3)之间的连接线在工作位置中与轮轴(8)形成一个小于45°的夹角(α)，以便产生弹性环在轮辋上的压紧力Fa，该压紧力始终大于所传动的切向力Fu。
2.如权利要求1所述的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：在马达(9，12)的旋转的圆柱面处或上设有用于收纳弹性的摩擦环(1)的环形槽或车削槽，用于将驱动功率通过摩擦锁合传递到轮辋(2)上。
3.具有外转子式马达的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：在马达(9或12)的旋转的圆柱面处或上设有用于收纳弹性的摩擦环(1)的环形槽或车削槽，用于将驱动功率通过摩擦锁合传递到轮辋(2)上，并且马达(9或12)围绕一轴摆动地支承，该轴平行于、特别是基本上平行于马达轴(16)，然而相对该马达轴特别是平行地侧向偏移。
4.如前述权利要求之任一项所述的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：在空转位置中在弹性的摩擦环(1)与轮辋(2)之间的最大可能的间距由止挡(30，32，35)限定。
5.如前述权利要求之任一项所述的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：转子，特别是转子的或马达的罩(25)设有径向的风道(26)，这些风道通过离心作用而产生穿过马达的冷却气流。
6.如前述权利要求之任一项所述的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：将绕组和叠片浸渍或者为它们涂覆耐热的合成树脂或漆，将滚珠轴承封装，而且传递驱动功率的弹性的环(1)由耐磨的、耐臭氧和耐紫外线的材料构成。
7.如前述权利要求之任一项所述的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：柔性的固定系统能够实现在不同的自行车类型上的事后装配，特别是能够调节马达的精确的切向定向。
8.如前述权利要求之任一项所述的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：摆动轴(4)的支承装置整合在轮叉或者弹簧叉的造型中或者在后轮驱动装置的情况中整合在车座撑架或链条撑架中并且在工厂得到调节。
9.如前述权利要求之任一项所述的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：马达壳体具有刚性的、单侧非对称的马达固定支架(7)作为用于收纳摆动轴(4)的悬臂，该马达固定支架在必要时设有散热片和/或制造成单件式的压铸件。
10.如前述权利要求之任一项所述的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：摩擦系数通过轮辋侧面(2)的例如利用陶瓷的表面处理或表面涂层得以提高，以便实现压紧力的减小和定位件/楔角的增大。
11.如前述权利要求之任一项所述的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：在利用倾斜的摆动轴安装在后轮上的情况中，通过可调节的弹簧元件来抵消或承受马达重量。
12.如前述权利要求之任一项所述的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：通过电磁铁来辅助马达从空转位置枢转运动到工作位置中、特别是提高马达在轮辋上的挤压力。
13.如前述权利要求之任一项所述的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：蓄电池或蓄电池的保持架固定在饮料瓶架的连接点上。
14.如前述权利要求之任一项所述的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：两台马达之一由弹簧压力调整并且持久地或者间歇地作为发电机运行。

Claims (15)

1.用于自行车的电驱动装置，该电驱动装置包括：两个对称设置的且反向旋转的外转子式马达(9，12)，这些外转子式马达经由两个独立的马达调节器/调速器供电，这些马达调节器/调速器获得用于功率调节的相同的控制信号，其特征在于：马达(9，12)围绕轴(4，11，15)摆动地支承，所述轴平行于、特别是基本上平行于马达轴(3，16)，然而相对该马达轴特别是平行地侧向偏移。
2.特别是如权利要求1所述的用于自行车的电驱动装置，该电驱动装置包括：两个对称设置的且反向旋转的外转子式马达(9，12)，这些外传子式马达经由两个独立的马达调节器/调速器供电，这些马达调节器/调速器获得用于功率调节的相同的控制信号，其特征在于：在马达(9，12)的旋转的圆柱面处或上设有用于收纳弹性的摩擦环(1)的环形槽或车削槽，用于将驱动功率通过摩擦锁合传递到轮辋(2)上。
3.具有外转子式马达的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：在马达(9或12)的旋转的圆柱面处或上设有用于收纳弹性的摩擦环(1)的环形槽或车削槽，用于将驱动功率通过摩擦锁合传递到轮辋(2)上，并且马达(9或12)围绕一轴摆动地支承，该轴平行于、特别是基本上平行于马达轴(16)，然而相对该马达轴特别是平行地侧向偏移。
4.如权利要求1至3之任一项所述的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：驱动单元设置在轮叉前或者相应的框架撑架前，并且摆动轴(4)与马达轴(3)之间的连接线在工作位置中与轮轴(8)形成一个小于45°的夹角(α)，以便产生弹性环在轮辋上的压紧力Fa，该压紧力始终大于所传动的切向力Fu。
5.如前述权利要求之任一项所述的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：在空转位置中在弹性的摩擦环(1)与轮辋(2)之间的最大可能的间距由止挡(30，32，35)限定。
6.如前述权利要求之任一项所述的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：转子，特别是转子的或马达的罩(25)设有径向的风道(26)，这些风道通过离心作用而产生穿过马达的冷却气流。
7.如前述权利要求之任一项所述的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：将绕组和叠片浸渍或者为它们涂覆耐热的合成树脂或漆，将滚珠轴承封装，而且传递驱动功率的弹性的环(1)由耐磨的、耐臭氧和耐紫外线的材料构成。
8.如前述权利要求之任一项所述的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：柔性的固定系统能够实现在不同的自行车类型上的事后装配，特别是能够调节马达的精确的切向定向。
9.如前述权利要求之任一项所述的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：摆动轴(4)的支承装置整合在轮叉或者弹簧叉的造型中或者在后轮驱动装置的情况中整合在车座撑架或链条撑架中并且在工厂得到调节。
10.如前述权利要求之任一项所述的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：马达壳体具有刚性的、单侧非对称的马达固定支架(7)作为用于收纳摆动轴(4)的悬臂，该马达固定支架在必要时设有散热片和/或制造成单件式的压铸件。
11.如前述权利要求之任一项所述的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：摩擦系数通过轮辋侧面(2)的例如利用陶瓷的表面处理或表面涂层得以提高，以便实现压紧力的减小和定位件/楔角的增大。
12.如前述权利要求之任一项所述的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：在利用倾斜的摆动轴安装在后轮上的情况中，通过可调节的弹簧元件来抵消或承受马达重量。
13.如前述权利要求之任一项所述的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：通过电磁铁来辅助马达从空转位置枢转运动到工作位置中、特别是提高马达在轮辋上的挤压力。
14.如前述权利要求之任一项所述的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：蓄电池或蓄电池的保持架固定在饮料瓶架的连接点上。
15.如前述权利要求之任一项所述的用于自行车的电驱动装置，其特征在于：两台马达之一由弹簧压力调整并且持久地或者间歇地作为发电机运行。
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