CN104520179B - 用于脚踏车辆的动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于脚踏车辆的动力系统，包括第一马达和第二马达，第二马达啮合于底托架轴，且第一马达连接到行星齿轮，一行星齿轮支架连接到动力系统的输出盘，其包括：测量组件，配置用于产生表示第一马达所提供的转矩的测量信号；以及控制单元，根据马达的角速度产生提供给第一马达的速度控制信号，以及提供第二马达的转矩控制信号。

Description

用于脚踏车辆的动力系统

技术领域

本发明涉及一种用于脚踏车辆，特别是自行车的动力系统，所述动力系统包括第一马达和第二马达，以及周转齿轮系，所述周转齿轮系具有行星齿轮座架和太阳齿轮，其中，所述第一马达被连接到周转齿轮系，所述动力系统还包括一底托架轴，在该底托架轴上安装有冠状齿轮，形成周转齿轮系的第一输入端。

背景技术

由WO 2010/092331的专利申请已知此类动力系统。已知的动力系统被用于电动辅助自行车。电动辅助自行车是凭借由电力驱动所产生的机械力和人力共同推动的自行车。这些自行车不同于电动摩托车之处在于，当骑车者踩踏时，电动驱动仅提供动力用于传输。在已知动力系统中，底托架轴驱动周转齿轮系的行星齿轮支架。第二马达主要用来发电以对电池充电，并增加续航时间。

已知的动力系统的一个不足在于，尽管存在有两个马达，但是提供辅助的动力较低。这是因为仅有一个马达有助于为使用者的踩踏提供辅助。

发明内容

本发明的目的在于实现一种动力系统，该动力系统提供与两个马达贡献的踩踏转矩(或踩踏力)成正比的电动辅助。

为此目的，根据本发明的动力系统的特征在于，第二马达啮合于底托架轴上，且第一马达连接到太阳齿轮，行星齿轮座架连接到动力系统的输出链轮，所述第一马达和所述第二马达分别设有第一传感器和第二传感器，该第一传感器和第二传感器配置用于测量与其相关联的马达的角速度，所述第一传感器和所述第二传感器连接至一控制单元，该控制单元还连接有第三传感器，该第三传感器配置用于测量骑车者发动自行车的速度，所述动力系统包括一测量组件，配置用于产生测量信号，所述测量信号表示所述第一马达所提供的转矩，所述控制单元配置用于根据上述传感器所测得的角速度及预定的设定值以及表示转矩的所述测量信号，产生第一控制信号及第二控制信号，所述第一控制信号为提供到所述第一马达的旋转速度控制信号，所述第二控制信号为提到能够到所述第二马达的转矩的控制信号。由于第二马达啮合到底托架轴，所以第二马达辅助骑车者的踩踏运动。骑车者踩踏所产生的动力与第二马达的动力的总和经由冠状齿轮被传输至周转齿轮系的第一输出端。对于第一马达，其经由太阳齿轮，与周转齿轮系的第二输出端连为一体。通常经由一链条驱动车轮的输出链轮与凭借行星齿轮座架与周转齿轮系的输出端连为一体。因此，输出链轮的速度与两个输入端，即冠状齿轮和行星齿轮的速度成线性关系，且其转矩与所强加的设定值的输入端的转矩直接有关。因此，当骑车者踩踏时，这两个马达有助于支撑该骑车者。在正常操作中，周转齿轮系的三个独立部分在同一方向旋转。由于轴承的摩擦力与部件移动的相对速度成正比，所以这就通过限制轴承的摩擦力而提高了效率。

根据本发明的动力系统的第一较佳实施例的特征在于，该控制单元包括一输入端，用于接收齿数比信号，所述齿数比信号表示骑车者从预定数目的齿数比中所选的齿数比，所述控制单元还被配置用于依据所接收的齿数比信号来产生所述第一控制信号。因此，为骑车者提供了一种用于电动改变齿数比的系统来替代现有系统(链条变速器或内部齿轮变速轮毂)。变速凭借齿数比信号而电子地控制。因此，齿轮变速可以以两种不同的方式来完成：齿数比的手动改变(控制车把)或自动改变由控制单元影响的比率。本发明还提供获得连续可变传输的可能性(不是离散比率)。本发明随后可对其使用者共同建议两种比率转变模式：手动离散比率模式，用于喜欢维持较传统的使用者；以及连续比率自动模式，使骑车者一直处于最佳的齿数比(由骑车者转矩与行驶速度之间的2D表算出的比率)。这种方式是更自然的方式，但是，该方式并不排除连续比率手动模式(转动车把)和离散比率自动模式。此外，由于该系统能够在转矩下，快速地且不会倏然停顿地改变比率，所以该系统提供了舒适的传输。

根据本发明的动力系统的第二较佳实施例的特征在于，该控制单元被配置用于产生加权信号，并且用于凭借所述加权信号来产生所述第一控制信号，所述加权信号由测得的该第二马达的角速度与从通过该第二马达的减速比加权所接收的齿数比信号相乘来获得。变速比信号由此可容易被考虑在内。

附图说明

现参照下列附图来描述本发明，这些附图示出了根据本发明的较佳实施例。其中：

图1涉及装配有根据本发明的动力系统的自行车的图式。

图2示出了可容纳本发明的动力系统的由底托架匣构成的自行车的轮廓图。

图3示意性示出了根据本发明的动力系统的正常运转的动力链条。

图4示出了根据本发明的动力系统的分解视图。

图5示出了周转齿轮系和输出链轮的安装。

图6示出了根据本发明的动力系统的剖视图。

图7示出了周转齿轮系和底托架轴的啮合。

图8示出了行星齿轮座架。

图9示出了控制马达所必须的各种组件的示意图。

图10示出了计算变速马达的设定速度值的框图。

图11示出了计算强加在牵引马达的设定转矩值的框图。

图12示出了控制单元的控制逻辑的流程图。

图13示出了根据本发明的动力系统的另一实施例。

图14示出了踩踏角速度与第一马达的角速度之间的关系。

图15至图17示出了齿数比。

图18示意性示出了提供至骑车者的辅助。

图19示出了根据本发明的动力系统的另一实施例。

具体实施方式

在附图中，相同的附图标记表示相同组件或类似组件。现将描述本发明的动力系统在自行车中的应用。然而，本发明并不限于自行车，且适用于具有踏板的任何工具。

图1示意性示出了装配有根据本发明的动力系统的自行车40。在图2中更详细地示出了，自行车包括车架43和底托架27。该车架包括底托架匣1，其具有介于15与20厘米间的直径，比传统自行车车架宽。该匣允许至少部分地安置根据本发明的动力系统。在动力系统的输出端处存在有输出链轮23，其将驱动车轮41的后小齿轮。本发明所提议的动力系统是中央驱动，也就是说，该系统位于自行车的底托架，为自行车谋得尽可能低的重心，从而提高自行车的稳定性。动力系统的主要部件被插入到自行车的底托架的匣1内作成匣体。在图2所示的实例中，只有构成动力系统的一部分的一个牵引马达4被安置在自行车的底托架的匣1的外部。

如图3所示意性示出的，动力系统包括有两个电动马达：

·称为“变速器”(标示为MV)的第一个马达5，位于底托架匣内，

·称为“牵引器”(标示为MT)的第二个马达4，固定于底托架匣的外部。

动力系统连接到电池30，该电池30特别是用来对动力系统供电。动力系统的主要部件固定于底托架匣1的内部。牵引马达4凭借减速齿轮32而作用在底托架的轴上。减速齿轮32也由骑车者31驱动。牵引马达和骑车者所提供的牵引相加33并被传输至周转齿轮系24的自身连接到输出链轮23的冠状齿轮12。

图2以及图4至图8示出了根据本发明的动力系统的实施例。除了第二马达之外，动力系统位于底托架匣1的内部，且随后被两个板块2和3封闭，这两个板块也用作牵引马达4的支承物。第一马达5包括定子20，其相对于转子19同轴安装。缠绕定子20固定在底托架匣内。第一马达连接至构成周转齿轮系24的一部分的太阳齿轮13。周转齿轮系由三个独立部分，即太阳齿轮13、行星齿轮座架14和冠状齿轮12构成。较佳地，行星齿轮一体地安装至第一马达5的转子19。如图5最佳地示出了，周转齿轮系还包括第一小行星齿轮组15和第二大行星齿轮组16。较佳地，每个行星齿轮组包括三个齿轮，因为这允许移动部件与周转齿轮系的重量间的良好平衡。较佳地，第一小行星组和第二大行星组均被固定到的同一行星轴17。应当注意的是，小行星15和大行星16都与行星轴17连成一体。如图5和图8所示，第一小行星组和第二大行星组安装在行星齿轮支架14的两侧。太阳齿轮与大行星16啮合以增加行星齿轮座架14的速度。这是由于行星齿轮座架14的速度与冠状齿轮12和太阳齿轮13的速度成线性关系。输出链轮23安装在行星齿轮座架14上。输出链轮用于在其上安装链条或齿形带21，用来由其转动驱动自行车后轮的小齿轮。第一小行星组件15与设在链轮12内部的第一齿12'相互啮合，使其本身成为周转齿轮系的一部分。链轮的第二齿12″与第二马达4啮合，为此目的，其设有驱动小齿轮7。驱动小齿轮7与链轮之间的传输通过闭合盖6以密封方式进行。较佳地，例如凭借图中未示出的槽，底托架轴与周转齿轮系的链轮12连成一体。当然，可设置其它抗旋转系统来使底托架轴与冠状齿轮固定在一起。

如图6所示，底托架轴11贯穿周转齿轮系，并由轴承9支承。连接至底托架轴的冠状齿轮12从而形成为周转齿轮系的第一输入端。在正常运转中，冠状齿轮12驱动小行星15，从而转动与输出链轮18一体的行星齿轮座架14。输出链轮18驱动链条或齿状带21。密封薄壁10隔开周转齿轮系与变速马达5。多干个密封件提供了变速马达5与润滑机械部件之间的密封。最后，控制单元较佳地安置在靠近马达放置的壳体50内，以限制电线的布局。该壳体较佳地是圆形，以匹配底托架匣的形状。

在正常运转中，通过主动小齿轮7及冠状齿轮12所形成的两个齿轮系来驱动底托架的轴11，牵引马达4辅助骑车者。这是由于第二马达4的小齿轮7啮合于冠状齿轮的齿12″上，第二马达驱动的小齿轮旋转将驱动冠状齿轮旋转。根据另一实施例(未示出)，小齿轮7可附有安装于底托架的轴上的从动轮。第二马达4所提供的转矩与人力结合来使冠状齿轮12转动。如果第二马达4完全如骑车者所想的，得益于齿轮的改变(可变传输)，从而以更高的效率运行，则这种配置是更有利的。根据本发明的动力系统在多个齿数比，或单一齿数比下运行。

每个马达具有其功能。变速马达的目的在于，不管是辅助级别(＝所提供总电力与所提供人力的比率)如何，或转动速度如何，连续地提供控制单元强加的传输比。实际上，传输比依赖于变速马达5的速度与底托架27的速度的比率。这个比率等于表示作为底托架的速度的函数的变速马达的速度变化的直线的角度系数，如下将更详细说明。因此，能够维持恒定的传输比，同时保持角度系数恒定。为改变比率，骑车者改变该角度系数的值。因此，变速马达以角速度控制，以便完成其速度变换器的功能。当然，该马达也将动力供入传输链条中，因此除了固然发生的摩擦外，其全部动力重返车轮。第一马达的转子19安装在自由轮18上，该自由轮18本身安装在底盘29上，以防止第一变速马达沿相反方向旋转(与底托架的预定旋转方向相反的方向)。此自由轮的功能是在中断任何类型的马达供应的情况下，使纯机械动力传输用于车轮运行。因此，在马达故障情况下，骑车者仍可踩踏回家。该运转模式对应于最小传输比。在这种模式期间，第一变速马达未通电，且第二牵引马达可提供用于辅助骑车者。

牵引马达4通过增加底托架上的转矩来辅助骑车者的运动。在特定运转情况下，该马达也可制动骑车者的踩踏运动。实际上，其作用在于无论“连动”传输比如何，且无论行驶速度如何，连续地遵照控制单元所强加在其上的辅助级别。该马达在转矩上被控制。

在其上安装动力系统的自行车也可在车轮的后小齿轮内装配传统自由轮，用于当自行车因惯性而持续滚动时，防止链条(或带)转动。另一变型(下文详述)中，不使用中间自由轮的情况下，使用固定于车轮的小齿轮，从而能够制动变速马达，且从而对变速马达再充电。

现在将更详细说明两个马达的控制。第一马达5提供给行星齿轮座架的转矩受到道路法则的强制。其对速度进行控制以遵照传输比设定值。由于第二马达通过齿轮或其他传输系统运动地连接到冠状齿轮，所以第二马达的速度经由骑车者的踩踏率强加。因此，其将在转矩上被控制，以辅助努力中的骑车者。设定速度值是踩踏速度的线性函数，倍增系数取决于骑车者所选择的齿数比或由控制单元根据骑车者行驶的速度来确定。为此目的，控制单元包括一输入端，用于接收齿数比信号，该齿数比信号表示骑车者从预定数目的齿数比中所选的齿数比。当齿轮变化为自动时，动力系统包括第三传感器，其连接到控制单元，并配置用于测量骑车者推进自行车的速度。然后，控制单元被配置用于根据所测得的速度，产生表示从预定数目的齿数比中选出的齿数比的齿数比信号。

本动力系统的另一优点在于，如果省略最初安装在车轮小齿轮上的自由轮，该动力系统能具有制动功能，并因此能够回收制动能量来对电池再充电的能力。此时，如果自行车以某些惯性往前冲，或在下坡中行驶，链条转动并驱动动力系统的输出链轮。由于输出链轮连接到行星齿轮座架，从而行星齿轮座架现起动力差的作用。它将趋向于使变速马达转动(沿其正交方向)，此时变速马达被控制作为发电机，以制动自行车，并因此向电池传输动力。例如，该系统可通过后踩踏而被激活，如鱼雷系统(torpedo system)。从而，根据骑车者施加的后踩踏力可控制制动的动力和提供给电池的能量的量。

在最小齿数比下，并不对第一马达5供电。只有第二马达参与电动辅助。通过自由轮18太阳齿轮而被制动，该自由轮18将框架(左侧箭头(2))连接至第一马达5的转子19。为增加传输比，需要发动第一马达5。然后，第一马达开始参与整体电辅助。第一马达的速度增加越高，传输比将增加更多，并将更多地参与整体辅助。

图9示意性示出了马达4和马达5和控制单元38的电连接。较佳地，每个马达都装配有霍尔效应传感器35、36，转子每转动一圈其能够计数到6。来自传感器的信息被发送到控制单元用于分析。控制单元还计算注入每一马达内的电流，以计算每一马达上的转矩(转矩与电流强度成正比)。最后，如果想要获得多个齿数比，那么车轮的速度传感器37对于控制单元是必要的。为了测量由骑车者强加在踏板上的转矩，控制单元使用两个马达的轴上的转矩进行计算。因为转矩与通过直流马达的感应线圈中的电流成正比，所以其可容易地被测量。当骑车者加速时，控制单元可例如以周转齿轮系的运动方程式，由马达速度计算自行车的速度。当自行车惯性滑行时，车轮的速度与输出链轮的速度脱耦，并因此，需要速度传感器37。

根据本发明的动力系统的运行的理解须诉诸于物理，并且为此目的，首先将对物理知识进行描述。由于将使用多个缩写，所以首先在表中对这些缩写进行限定。

符号	名称	单位
			ωplat	输出链轮的角速度	[弧度/秒]
ωMV	第一马达的太阳齿轮的角速度	[弧度/秒]
			ωMT	第二马达的角速度	[弧度/秒]
ωped	底托架的角速度	[弧度/秒]
			ωR	自行车的后轮的角速度	[弧度/秒]
ωpAR	后小齿轮的角速度	[弧度/秒]
			CX	组件x的转矩	[N·M]
PX	组件x的动力	[W]
			R	周转齿轮系的减速比	[S.U.]*
Rtrans	传输的减速比	[S.U.]*
			R第二马达	第二马达的减速比	[S.U.]*
E	速度范围	[％]
			demul	踏板的速度与后轮的速度之间存在的降速比	[S.U.]*
NivAssist	电动辅助级别	[S.U.]*
			a	第一马达的速度的倍增系数	[S.U.]*
mes	意指“测量”	/
			err	意指“错误”	/
cons	意指“设定值”	/

*(s.u.)＝无单位

首先，为了便于理解数学关系式，将在无第二马达4，即牵引马达的情况下来解释论证。周转齿轮系有助于该新驱动的主要创新。应当注意的是，周转齿轮系适用的关系式为：

其中，R由双周转齿轮系的组件(即，具有小齿轮和大行星齿轮)的尺寸来限定。

旋转速度ω_plat和链轮的转矩C_plat由行驶状况强加，其强加C_MV和C_ped(关系式(2))。然而，这就产生对ω_ped和ω_MV的自由选择。踩踏速度实际上由骑车者强加，并且根据行驶状况，平均介于30和90转/分之间。这就使得能够调整旋转速度来提供辅助，并且在必要情况下，也能够由骑车者人为地改变齿数比。根据关系式(2)，踩踏转矩与变速马达的转矩相关，而变速马达的转矩通过测量通过电感中的电流而被容易地测量。因此，根据本发明的动力系统无需任何踩踏转矩传感器。由于在另一类型驱动中的使用的转矩传感器是复杂且非常昂贵，所以就机构的成本而言，这是不可忽视的优点。

当第一马达5断电时，与底托架的轴连成一体的周转齿轮系的冠状齿轮12驱动行星6和行星15。此时，由于通过自由轮连接到底托架匣的框架的太阳齿轮13未被第一马达所驱动，所以被卡在零速。因此，在最小降速比下，连接到输出链轮23的行星齿轮座架14以略小于踩踏速度的速度被驱动：

为增加降速比，必须起动第一马达5，然后，该第一马达5经由自由轮驱动周转齿轮系的太阳齿轮13。现在，太阳齿轮13以大于零的速度旋转。此次，链轮以下关系式所表示的速度转动：

其中，ω_MV＞ω_ped。

根据已连动的齿数比(车把上的电子选择器或任何自动模式)，第一马达的旋转速度ω_MV将等于踩踏旋转速度ω_ped乘以一系数α。因此，来自骑车者或自动控制器对改变速率的请求将改变系数α。因此，利用测量底托架的轴的角速度的传感器的信息调节回路来调节第一马达5的速度。该功能通过限定降速(表示自行车的降速比的简化术语)来进行。这是因为，保持常数系数“α”恒定，降速也保持恒定。增加系数“α”，降速也增大。

其中avecω_MV＝a.ω_ped和a∈[0：val_lim]，容易获得

应当注意的是，就已连动的每一齿数比而言，骑车者所经历降速的人为变化将不同的辅助级别强加到动力系统。事实上，为达到动力平衡，可通过电力除以人力来计算所限定的辅助级别。

P_plat＝P_ped+P_MV＝C_ped.ω_ped+C_MV.ω_MV

通过改变上述限定的关系式中的ω_MV和C_MV，容易得到：

辅助级别被限定为供应的总电力与供至输出链轮的总电力之间的比率。在此，该界定被归纳成以下式子：

因此，辅助级别充分随着第一马达的旋转速度而增加。这意味着在低降速比时，辅助级别较低，并且对于高降速比，辅助级别达到最大。

根据本发明的动力系统还包括第二马达4。称为牵引马达的第二马达具有几个有利作用。显然，其第一作用是在该动力系统的控制下，获得自由度，以使辅助级别适于任何情况。第二马达经由降速齿轮组直接连接到底托架的轴上，从而，其能够在低降速比下增加辅助级别。第二马达4在动力链条中的配置是有利的：如同骑车者所想要的，该马达收益于降速比，从而在需要较大努力的行驶状况下，诸如陡坡或在变形的地面上行驶时，提供高转矩。被限定为电能对供至输出链轮的总能量的比例被限定为辅助级别，随后展开成：

用前述确立的关系式来修改该式子，得到以下结果：

因此，第二马达将在提供良好辅助级别的转矩设定值下，以封闭回路方式被控制，其旋转速度经由其传输的几何形状决定的降速比而由踩踏速度强加。

ω_MT＝R_MT.ω_ped

在无自由轮的情况下，由于该马达直接与底托架相关，所以还可以制动模式运作，在所有情况下，提供对辅助级别的总控制。在发电机模式功能下，返回在变速马达中产生的能量以在纯踩踏模式(无来自电池的电流)中以在大于调节速度的速度的行驶。因此，该进程将替代针对该功能而添加的第二周转齿轮系。

最后，自行车的后轮的速度经由小齿轮的几何形状强加的降速比而输出链轮的速度数学相关。这个传输的关系式为：

ω_R＝R_trans.ω_plat

图10示出了计算变速马达的设定速度值的框图。所测得的第二马达的角速度ω_MT与除以第二马达的减速比R_MT的降速系数α相乘，以形成第一马达的设定角速度ω_MV。控制单元38被安装在调节回路中，以保证第一马达确实被充电，从而以设定角速度旋转。为了保持恒定的传输比，必须的是，“第一马达的速度－踩踏速度”直线的角度系数是恒定的。因此，控制单元将与相同齿数比的踩踏速度成正比的速度强加于变速马达。改变“α”标示的角度系数的值足以改变传输比。

图11示出了计算强加至牵引马达4的设定转矩值的框图。其取决于第一马达5的转子上的转矩。第二马达的设定转矩值也将取决于对骑车者强加的辅助级别。周转齿轮系的减速比R与倍增系数相加，接着乘以经确定的辅助级别。然后，由经确定的辅助级别和第一马达所测得的转矩，确定用于第二马达的设定转矩值C_MT。调节回路被提供以保证第二马达提供设定值的转矩所确定的转矩。

图12通过流程图示出了控制单元所执行的管理。当动力系统通电时，测量第二马达的角速度。如果其大于零，则确定第一马达的设定速度值和第二马达的设定转矩值。较佳地，在为马达提供设定值之前，检查制动传感器是否被激活。

如前所述，只要第一马达转动，即确保了动力系统在高速下的良好运转。然而，一些国家禁止电动辅助超过一定的限制(欧洲25公里/小时，加拿大32公里/小时)。这将意味着，一旦达到速限，变速马达即应断电，从而从高齿数比变化到最低齿数比，并且如果骑车者想要超过此速度，就会将其置于不舒服的状况。为了避免这种不快，必须找到一个技术解决方案来使得能够将齿数比保持在接近骑车者超过极限速度之前的齿数比。

面对该问题，有三种可能的解决方案：

1.保持机构简单，从而去掉两个马达。如果骑车者试图超过速限，则他将会被迫转到较小齿数比，这使其很难在超过该极限下使用。

2.建立用于机械锁定较高齿数比的系统：

a.将第二周转齿轮系集成在机构内，其中冠状齿轮在“辅助”功能下自由转动，并且一旦被制动，且马达停在“纯踩踏”模式，其将经由链条启动输出链轮。

b.集成轴，该轴由大小不同的两个齿形轮组成，其中一个将固定到轴，而另一个将由爪形离合器驱动。该轴利用接近两个的降速比将链轮连接至底托架。

c.在每一端装配有齿形轮的轴承上增加轴，并且该轴将底托架直接连接至输出链轮。

3.保持机构的简单性，并在发电机模式下使用第二马达，以为变速马达供电。

现将逐一说明这三种解决方案。

第一种解决方案具有简单和最不昂贵的优点，然而，尽管大于25km/h的速度很少被用在电动自行车上，但是仍可能吓跑这种类型技术的未来买家。

第二种解决方案需要应用于基本机构的移动部件，从而使得重量、复杂性和制造成本过大。然而，尽管存在这些约束，但是最终得到的机构仍然是有利的。须知，在该功能下，在第一马达的转子与太阳齿轮之间添加的自由轮能够使得太阳齿轮的旋转较转子的旋转快。

图13示出了具有额外周转齿轮系的选项(2a)的操作。周转齿轮系TE2插入TE1的同一侧。在此配置中，TE1(底托架)的冠状齿轮事实上连接于TE2的行星齿轮座架，且TE1(链轮)的行星齿轮座架联接于TE2的太阳齿轮。在“辅助”模式下，TE2的冠状齿轮空转。一旦触发“纯踩踏”模式，致动器锁定TE2的冠状齿轮，此时TE1的太阳齿轮以较第一马达更快的速度旋转，其中第一马达停止(两者间的自由轮)且底托架经由依赖于TE2的内部比率的固定齿数比，自身驱动输出链轮。

这种解决方案需要插入额外的周转齿轮系、机械锁定系统(制动型)和额外的致动器以实现电动辅助自行车的使用者极少使用的该简单功能。该配置还一定程度上增加了制造和装配的难度，以及可能的密封问题。最后，部件的添加往往增加机构的成本、重量和体积。

根据第三种解决方案，设有主动锁定齿形轮。与基本机构相比，在上部中增加了轴和齿形轮。轴经由轴承固定于动力系统的框架内。齿形轮3a被紧固到轴并且并被TE1(底托架)的冠状齿轮驱动。第2轮与轴转动，但轴向自由平移。第1轮安装在轴承(或滚针罩)上，并因此，在“辅助”模式中，与其轴脱离。来自第二马达的动力凭借带有螺旋齿第2轮被传输底托架。螺旋齿轮传动所产生的轴向推力使第2轮保持远离第1轮。一旦触发“纯踩踏”模式，底托架驱动第一马达，并且，此时螺旋齿的轴向推力将第2轮推向闭锁于其中的第1轮。因此，此时，输出链轮以减速比，尤其是第1轮和第3轮的齿数的比而被底托架直接驱动。与解决方案(a)相比，该第二机械解决方案需要更少的部件，并因此更轻。因为它该解决方案不需要新的致动器，所以似乎不太昂贵和较不复杂。然而，始终存在与组装的密封相关的风险，并且该解决方案具有轴向体积更大的风险。

动力系统还具有短路轴的功能。一旦啮合，装配有两个齿形轮的轴实际上使底托架的轴和输出链轮短路。其为将施加强制机械速度的齿形轮比。这种替代方案是三种替代方案中最简单的。这无疑也是最便宜的。唯一的难点在于啮合水平。最后，额外的部件往往会增加机构的成本、重量和体积。

相对于图4至图7中所示的基本系统，第三种解决方案无需增加补充机械部件。该技术属于电力电子技术。其原理包括：使用第二牵引马达作为发电机，并将从而产生的电力注入到变速马达中。为使该解决方案运行，必须的是，第二马达与底托架间的机械联接是可逆的，并且因此两者之间不安装任何自由轮。

该本系统的功能如下(图12)。在此，来自骑车者的腿的能量以双重方式进行。其中之一是直接驱动TE1的冠状齿轮，而另一个则经由第二马达和第一马达来驱动太阳齿轮。实际上，第二马达经由减速齿轮启动，由此产生供给第一马达的电流。第二马达的制动转矩受到控制，以限定通过这个回路的能量部分，从而限定整体传输的齿数比。通过变动马达电枢内的磁场的相位，来电子地完成制动力的控制以及从而完成供应的电力的控制。这种解决方案的另一个优点在于，在骑车者努力防止第一马达保持连动的齿数比情况下，能够回收转矩的一部分用于对电池进行充电。在相同的方式下，在自由轮在高度下运转一段时间(第一马达重新到达其设定速度值)后，当踩踏运动重新开始时，能够制动底托架的运动(以恢复其在进入自由轮的前所处的齿数比)。

这种解决方案的缺点是第二能量回路的效率低。这是因为无刷电动马达具有约85％的效率(假设发电机模式下的效率也相同)，第二能量方式的传输效率约72％，从而降低整体传输效率。这将在“纯踩踏”模式下使用自行车需要更多的体力。一种方法是增加骑车者对传输效率的感知，并因此电池提供少量能量来使他觉得行驶“常规”自行车。从而，电池将弥补这种类型运行所引起的能量损失。这会导致电能损失并因此续航力损失，然而如果考虑使用超过速限的电动辅助自行车的百分比，这个构思是可行的。此外，这种想法非常有前景，因为该机构设计非常简单、质轻、紧凑且制造成本低。这就是这种解决方案被视为最有利的原因。

这种技术的一种变型是使用第二发马达作为发电机，从而将所产生的电力发送到电池，以及从而从电池供给变速马达。由电池供电确实质量较佳(电压，速率)，且自行车的运行从而更佳。这种类型的方案同样相当于如以上所述的构思，但是其中通过另一方式来使用电力。然而，必须检查这种类型的运行相对于认可驱动的接受。

第三种解决方案的另一主要优点在于，在“纯踩踏模式”，甚至在电池发生故障或完全放电的情况下，能够以多个齿数比行驶，而第二种解决方案的三个变量仅允许最小和最大的比率的传输。

现参照图9、图10和图11来说明根据本发明的动力系统的功能。每个马达都装配有适合其自身的霍尔传感器，且如此测得的每个马达的角速度被传送到控制单元。控制单元还被配置用于通过测量通过定子电枢中的电流来获得负荷转矩的测量值。因此，在“辅助”模式下，控制单元能够在任何时间自由处理两个马达的转矩和角速度信息，这就构成相当大的优势。这是因为，已知周转齿轮系的太阳齿轮(第一马达速度)和冠状齿轮的速度(第二马达旋转速度)，通过前述列出和下文重复的关系式计算出输出链轮的速度。然后，在仅知太阳齿轮(第1马达)的转矩下，通过下列第二个关系式很容易推出冠状齿轮(底托架)的转矩和行星齿轮座架(输出链轮)的转矩。

因此，凭借下列关系式，能够得到由骑车者施加在踏板的转矩(用C_Homme来表示)的信息：

因此，控制单元凭借调节回路来调节第一马达的转矩。

因此，骑车者的转矩信息通过两个马达所提供的转矩的测量值获得。信息的最后一项，即安装于前轮或后轮上的速度传感器所提供的信息，对动力系统的控制是必须的。这是因为当自行车被认为处于“自由轮”时，后轮的速度可能不同于车轮小齿轮的速度。因此，必须知晓自行车的正确速度，以知晓是否起动辅助。

如前所述，第一马达的主要作用是提供所需的传输比。因此，调节第一马达，以遵循设定速度点。该设定点实际上为系数“α”除以第二马达的减速比，然后乘以装配第二马达的霍尔传感器的速度测量值。

取决于驱动是否为“自动”模式或“手动”模式，该系数“α”由控制单元或骑车者本人强加。这两种速度管理模式将在下面阐述。

第二牵引马达将提供缺失的动力，以符合所需的“NivAssist”的辅助级别。所以，该马达将由尤其在低齿数比下起作用(第一马达为车轮较少的动力用于该功能)，并且随着倍增系数“α”增加，其动力逐渐减弱。请注意，辅助级别被限定为所供给电力与驱动输出链轮上的总动力之间的比率。在辅助模式下，由下列关系式来表示：

速度倍增系数“α”由骑车者所选择，或由自动变速算法计算。R和马达R_第二马达是适于齿轮的固定尺寸。C_MV可通过控制单元来测量(电流强度的测量值)。为了具有所需的辅助级别，只须控制第二马达的转矩即可。因此，调节牵引马达，以遵循设定转矩值：

因此，控制单元必须整合调节回路(图11)，该调节回路调节第二马达的转矩。应当注意的是，第一马达的设定转矩值可为正或负。在其为负情况下，第一马达以发电机模式运行，且从而对电池充电。

如前所述，通过控制倍增系数“α”来完成速比的变化。α的最小值是零，其当将太阳齿轮连接至底托架匣的自由轮被锁定时，其对应于第一机械速比。通过增加系数α，踏板的降速增加。这也可以参见图形(图14)，该系数a实际上是第一马达的角速度的斜率。

ω_MV＝a.ω_ped

从技术上来说，动力系统将装配备一个小电子盒，该小电子盒由两个电子按钮构成，并且固定在自行车的车把上，并经由电线(可选地，无线的技术)将信息传送回控制单元。两个按钮中的一个用来增加速度，且另一个用来降低。因此，驱动系统充当序列式电子变速箱的作用。因此，将离散比的数字导入管理驱动的计算机中，其中，离散比的数字分别对应于系数α的值。通过按压“+”按钮，控制单元自“a”的一个值改变到后续较高的值。通过按压“－”，控制单元切换到“a”的较低的值。此运行通过图15中示出的实例加以说明。驱动包括五个离散比。第1速度对应于α＝0时，且第5速度例如对应于最大比或α＝2。然而，这些数字并不能代表最终尺寸。中间比例如为：α＝0.4，α＝1及α＝1.5。以这种方式来表示速度的层次。指数M表示该比率为“机械”，且指数E表示该比率为“电动”。

若骑车者从静止开始加速至25km/h，他将连续地改变比率直至最后。在切换比率时，他增加了控制单元中的α值。

该手动方式的优点在于提供给骑车者正如其所希望的将齿数比适配成带有变速器自行车，提供高质量的变速可能性。这是因为在该系统下，在转矩下并且甚至在静止时，仍能够快速(双击，三击)来完成变速。此外，在此，速度的控制是电子式而不是机械式，其提供了依据命令的容易想，并提供系统较高的稳定性。它既无调整(重新)，又损坏，或无故障的风险(金属缆线的断裂)。总之，它在齿轮使用的舒适度上有极大的增益。

在自动变速的方式下，骑车者不再决定发送到控制单元的系数“α”的值。系数“α”现在由控制单元自身根据某些参数来计算。然后，将比率改变的映像(cartography)植入控制单元(如用于汽车的自动车厢控制)。该映像根据两个参数提供待应用的“α”值：自行车的速度及底托架上的转矩。图16以示例的方式提供了映像。图16中的示意图描述了这样的实例：浓黑“升档”规律和浅黑“换低档”规律，表示三速度齿轮箱的速度上升和下降的变换点的位置(即系数“a”)。

对于自动方式，能够增加无限可用的比率的数目以获得连续可变传输比(也被称为“CVT”)。这意味着，不是具有有限数目的离散比率，而是马达将连续地改变倍增系数“a”。图17中示出了该代表图。由于无需速度控制箱，自动方式的优点为待安装的系统是非常简单的。这也释放了车把上的空间，并提供自行车更精致的风格。这种类型的控制会更适合希望高行驶舒适性的人。

现将说明在正常模式(“辅助”模式)下，控制第一变速马达5和第二牵引马达4的方式。图18示出了根据骑车者位移的地形所提供的辅助。发动意指自行车从静止开始启动。一旦底托架的速度达到一定阈值，就触发了辅助。在此情况下，经由前述公式能够获得底托架上的转矩信息。因此，控制单元被配置用于计算待应用到第二马达的设定转矩值，且从而该第二马达启动。在最小速比下，第一马达断电，而在其它速比下，第一马达运行。此时，如前所述对两个马达进行调节。

对于辅助的反应性，较佳是，控制单元必须在短的响应时间内接收来自第一马达的速度信息。为此目的，较佳是角度传感器的分辨率很细。它不应该有任何这方面的问题，因为踏板和第二马达被齿轮箱隔开，该齿轮箱具有约20的比例，这意味着当底托架仅转二十分一圈时，第二马达转一圈。如果考虑第二马达每转一圈霍尔传感器的状态的三种变化，它将为我们提供踏板上6度的分辨率，这应该是足够的。

然而，如果在启动时电动辅助的反应性太慢，解决方案包括当第一马达断电时，修改用来锁定太阳齿轮的自由轮。该自由轮将在底托架匣内自由旋转(1或2度)，且将具有弹簧的断路器插入到游隙中。当骑车者推动踏板以使其自行车移动时，太阳齿轮将具有沿相反的方向转动的倾向，这将发动第一马达和第二马达的运行。

不管手动变速或自动变速，一旦系数“α”改变，第一马达的设定值即从而改变，并且第一马达改变其速度。手动模式可强加加速/减速斜坡，以获得线性及平滑的变速。如同大多数电动辅助自行车，动力系统具有安装在制动车把中的断路器。一旦控制单元接收到制动信息，其切断两个电动马达。

当测得骑车者的转矩低于某一阈值时，第二马达被切断。因为第一马达经由倍增系数“α”而与踩踏速度相联接，所以第一马达降低其速度。如果骑车者向后踩踏，使自行车的后小齿轮的自由轮运转，则第一马达被切断。

因为在骑车者重新在踏板上发力之前，周转齿轮系的所有部件均已停止，所以如同起动时一样重新发动。因为自由轮放置于后小齿轮内(如用于典型自行车)，因此，带(或链条)不转动。一旦捕获到底托架的速度测量值，第一马达立即起动(如果速比不同于最小的齿数比)，随后，通过触发的齿数比强加设定速度值。第二马达的调节回路也被重新激活。

当电池放电或故障的情况下，可进行纯踩踏。在这种情况下，骑车者通过简单踩踏，使其自行车移动。其自行车首先以第一机械齿数比行驶(太阳齿轮的自由轮被框架锁定)。通过手动或自动改变后续的比率。通过第二马达将获得这样的能量：必须供应至第一马达以使得其遵照其设定速度值，从而作为发电机模式下运行。其制动转矩通过控制的相位转换操纵。

当骑车者接近“辅助”模式的速度限制时，驱动首先逐渐减少其辅助级别，以当自行车精确地到达此一限制时辅助级别归零。从此刻起，除了电池为第一马达部分地提供低于或等于在运行“第二马达发电机”中的损失的动力之外，所有的部件如同在“纯踩踏”的运行下来运作。电池被再度充电，这就能够补偿在此情况下驱动运行所造成的损失。在该方式下，骑车者所提供的能量整体进入车轮(当然，除了传输造成的摩擦外)。

图19示出了根据本发明的动力系统的另一实施例。在该实施例中，动力系统的所有组件均位于密封独立于自行车车架的壳体101内。壳体101包括连接在一起的三个部分，即右壳套102’，左壳套102”和顶盖103。壳体101凭借例如紧固螺钉形成的固定件而固定在自行车车架上。必要情况下，自行车车架被改装，或被设计来在其上固定壳体。壳体101包括在其中心处的底托架的轴111、两个电动马达104和105，以及电子控制电路106。

第一马达105包括定子120，相对于转子119同轴安装。缠绕定子120被固定到右壳套102'。第一马达连接于太阳齿轮113，构成周转齿轮系124的一部分。周转齿轮系由三个独立部件构成，即太阳齿轮113、行星齿轮座架114和冠状齿轮112。太阳齿轮较佳地一体安装到第一马达105的转子119上。该周转齿轮系还包括一组双行星115。每个双行星115由彼此固定的两个齿形轮构成，较佳地两个齿形轮的大小不同。最小的齿轮被称为「小行星」116’，且最大的齿形轮被称为“大行星”116”。较佳地，存在三个双行星115，这是由于这样容许了运动部件与周转齿轮系的重量之间的良好平衡。每一双行星115凭借一个或两个轴承被安装在行星轴117上。较佳地，行星轴117通过其两个端部被固定到其一侧的行星齿轮座架114上，并且被固定到另一侧的行星齿轮座架的加强板114’上。太阳齿轮与大行星116”啮合，以增加行星齿轮座架114的旋转速度。这是因为行星齿轮座架114的旋转速度与冠状齿轮112和太阳齿轮113的旋转速度成线性关系。输出链轮123被紧固至行星齿轮座架114。同轴绕底托架的轴111安装的中空输出轴123’的轴将来自位于左侧的行星齿轮座架114的转矩传输至位于壳体101右侧的输出链轮。输出链轮123用于在其上安装一链条或带齿皮带，其用来转而驱动自行车后轮的小齿轮。小行星116'与冠部齿轮112的内齿112'啮合，使其本身成为周转齿轮系的一部分。与冠状齿轮112连成一体的外齿112”与第二马达104啮合，为此目的，其设置有驱动小齿轮107。驱动小齿轮107与冠状齿轮之间的传输通过左壳套102”以密封方式关闭。底托架的轴111例如凭借图中未示出的槽(flute)被紧固至周转齿轮系的冠状齿轮112。当然，可设置其他抗旋转系统来使底托架轴紧固至冠状齿轮。

第一马达105的转子119由容纳在右壳套102'中的一个或两个轴承导引。贯穿周转齿轮系的底托架的轴111和输出轴由两个轴承支承。在右边，轴承被连接到输出轴123'。在左边，轴承被容纳在壳体101中。组装输出轴123’和行星齿轮座架114以形成由两个轴承导引的刚性组件。在右边，轴承被容纳在壳体101中。在左边，轴承装配有自由轮118并且连接到底托架的轴111，用于防止行星齿轮座架114以小于底托架的轴111的速度旋转。如果第一马达未被供电，则自由轮118迫使第一马达105的转子119以与底托架的轴相同的速度转动。因此，周转齿轮系的两个输入端以相同速度转动，并且使输出链轮以相同速度转动(根据周转齿轮系的运动方程式)。该配置使得万一第一马达105过载或控制系统故障，仍能够保持转矩传输。

Claims (19)

1.一种用于脚踏车辆的动力系统，所述动力系统包括第一马达和第二马达，以及周转齿轮系，所述周转齿轮系具有行星齿轮座架、冠状齿轮和太阳齿轮，所述第一马达连接到所述周转齿轮系，所述动力系统还包括一底托架轴，所述冠状齿轮连接到所述底托架轴以形成所述周转齿轮系的第一输入端，其特征在于，所述第二马达啮合于所述底托架轴上，且所述第一马达连接到所述太阳齿轮，所述行星齿轮座架连接到所述动力系统的输出链轮，所述第一马达和所述第二马达分别设有第一传感器和第二传感器，所述第一传感器和所述第二传感器配置用于测量与上述传感器相关联的马达的角速度，所述第一传感器和所述第二传感器连接至一控制单元，所述控制单元还连接有第三传感器，所述第三传感器配置用于测量骑车者推进自行车的速度，所述动力系统包括一测量组件，所述测量组件配置用于产生测量信号，所述测量信号表示所述第一马达所提供的转矩；所述控制单元配置用于根据上述传感器所测得的速度和预定的设定值以及表示所述转矩的所述测量信号，产生第一控制信号和第二控制信号，所述第一控制信号为提供到所述第一马达的旋转速度控制信号，所述第二控制信号为提供到所述第二马达的转矩控制信号。

2.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于，所述控制单元包括一输入端，用于接收齿数比信号，所述齿数比信号表示所述骑车者从预定数目的齿数比中所选的齿数比，所述控制单元还被配置用于依据所接收的齿数比信号来产生所述第一控制信号。

3.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于，所述动力系统包括第三传感器，所述第三传感器连接到所述控制单元，并且配置用于测量骑车者推进自行车的速度，所述控制单元被配置用于根据所测得的速度，产生齿数比信号，所述齿数比信号表示从预定数目的齿数比中所选的齿数比，所述控制单元还被配置用于依据所接收的齿数比信号来产生所述第一控制信号。

4.根据权利要求2或3所述的动力系统，其特征在于，所述控制单元被配置用于产生加权信号，并且用于凭借所述加权信号来产生所述第一控制信号，所述加权信号由测得的所述第二马达的角速度与通过所述第二马达的减速比加权所接收的齿数比信号而获得的加权信号相乘来获得。

5.根据权利要求2或3所述的动力系统，其特征在于，所述控制单元被配置用于比较所述第一控制信号与测得的所述第一马达的角速度，并且根据在该比较期间所确定的差异来调节所述第一控制信号，以将所述第一马达的角速度维持在所述第一控制信号所强加的角速度。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的动力系统，其特征在于，所述控制单元被配置用于根据所述骑车者所选定的辅助级别来产生所述第二控制信号。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的动力系统，其特征在于，所述周转齿轮系包括安装成被所述冠状齿轮驱动的第一小行星组，所述第一小行星组被安装在所述行星齿轮座架上，所述第一小行星组被连接到啮合于该太阳齿轮上的第二大行星组。

8.根据权利要求7所述的动力系统，其特征在于，所述小行星和大行星被固定至相同的行星轴。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的动力系统，其特征在于，所述第一马达的转子凭借自由轮被安装在所述动力系统的底盘上，从而防止所述转子朝与所述第一马达的预定的旋转方向相反的方向旋转。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的动力系统，其特征在于，所述第一马达的转子被固定在所述底托架轴的轴承上。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的动力系统，其特征在于，所述第二马达凭借从动轮啮合于所述底托架轴上。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的动力系统，其特征在于，所述第一马达的转子被固定至所述太阳齿轮。

13.根据权利要求1至3中任一项所述的动力系统，其特征在于，所述第一马达和所述第二马达是无刷型的电动马达。

14.根据权利要求1至3中任一项所述的动力系统，其特征在于，所述控制单元、所述第一马达和所述周转齿轮系被安装在同一壳体中。

15.根据权利要求1至3中任一项所述的动力系统，其特征在于，所述行星齿轮座架凭借自由轮被安装在所述底托架轴上，从而防止所述行星齿轮座架以较所述底托架轴慢的速度旋转。

16.根据权利要求4所述的动力系统，其特征在于，所述控制单元被布置用于根据所述骑车者所选定的辅助级别来产生所述第二控制信号。

17.根据权利要求1至3中任一项所述的动力系统，其特征在于，所述脚踏车辆为自行车。

18.一种装配有根据权利要求1至17中任一项所述的动力系统的自行车。

19.根据权利要求18所述的自行车，其特征在于，所述第一马达和所述周转齿轮系被安装在所述自行车的底托架匣内。