CN104822585B - 用于自行车的电动辅助设备及具有该设备的电动辅助自行车 - Google Patents

用于自行车的电动辅助设备及具有该设备的电动辅助自行车 Download PDF

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Abstract

本发明特别地涉及一种用于自行车的电动辅助设备，所述设备包括：包括转子的电机(2)；由所述电机的转子驱动的驱动小齿轮(3)；能够将所述电机靠近所述自行车的车轮(61、62)的轮胎(5)附接至自行车(1)的附接装置(4)；用于为所述电机供电的电源(7)；用于控制所述电机的装置(8)，其特征在于所述驱动小齿轮包括用于与刚性连接至所述轮胎(5)的互补齿轮齿(51)切向啮合的齿轮齿(31)。

Description

用于自行车的电动辅助设备及具有该设备的电动辅助自行车
技术领域
本发明涉及用于自行车的电动辅助设备以及配备这种设备的自行车。
背景技术
在该领域中，一定数量的市场上可得的设备为公知的。
这些设备中的一些使用设置在自行车的一个车轮的轮毂中的电机。所述电机直接驱动车轮或经由减速系统来驱动车轮。所述类型的设备具有质量大的缺点，此外所述质量位于车轮的水平处，这意味着骑行人员对其非常敏感。此外，如果必须移除车轮，例如用以更换轮胎或修理扎孔，则由于存在为电机供电所需的电连接及传递驱动转矩所需的轮毂的特定附件而使得轮胎的去除较为复杂。
其他设备使用驱动自行车踏板的马达齿轮箱，因此使用现有的自行车传动装置。这种类型的设备具有如下缺点：其大大影响自行车的结构，从而特别地，必须特别地设计自行车的框架以容纳这些设备。
文献DE-20314210-U1描述了通过电动机驱动自行车的原理，其中驱动小齿轮与紧固至自行车的前轮辋的齿啮合，所述齿为内齿，即指向车轮轴的齿。该系统的缺点在于，轮辋上的齿容易留存石块。
发明内容
因此，为了消除这些问题中的一些或全部，本发明的一个目的是提出一种用于自行车的电动辅助设备以及配备这种设备的自行车。
为此，本发明提出了一种用于自行车的电动辅助设备，其包括：
-包括转子的电机，
-由所述电机的转子驱动的驱动小齿轮，
-用于将所述电机在所述自行车的车轮的轮胎的附近固定至自行车的固定装置，
-用于为所述电机供电的电能来源，
-用于控制所述电机的装置，
所述设备的特征在于所述驱动小齿轮包括旨在与紧固至所述轮胎的互补齿的切向啮合的齿。
相比于诸如摩擦辊系统的摩擦传动系统，使用小齿轮和齿的此类传动装置称为“正”传动装置。所述正传动系统不依赖于摩擦系数，因此对于恶劣天气或所用部件的磨损相对不敏感。
所述电机优选为永磁无刷三相同步电机。所述转子优选为外转子。
所述驱动小齿轮的齿优选为包括驱动面和非驱动面的不对称齿，所述驱动面的张开角小于所述非驱动面的张开角。
所述驱动小齿轮优选经由飞轮机构而由所述电机驱动，从而当自行车向前移动时，轮胎不驱动所述电机。
所述驱动小齿轮的齿更优选为螺旋状齿。
所述设备更优选地还包括显示控制单元，所述显示控制单元连接至所述电机的控制装置，并适于构成骑行人员与所述控制装置之间的界面。
所述设备更优选地还包括连接至所述电机的控制装置的蹬车传感器。
所述固定装置更优选地包括铰接至支撑件的摇臂，所述支撑件旨在被紧固至自行车，所述摇臂承载所述电机，使得通过所述驱动小齿轮传递至轮胎的驱动力在齿轮中产生另外的径向压力。
弹性装置更优选地对所述摇臂的定向预加应力，从而在没有驱动力的情况下，所述驱动小齿轮使用非零承载力径向挤压轮胎。
所述固定装置更优选地限定所述电机相对于轮胎的至少两个位置，所述至少两个位置包括工作位置和折叠位置，在所述工作位置中，所述驱动小齿轮与轮胎的齿啮合，在所述折叠位置中，所述驱动小齿轮保持远离轮胎。
本发明也涉及一种包括如上所述的电动辅助设备的用于自行车的电动辅助成套部件，所述电动辅助成套部件还包括轮胎，所述轮胎为包括所述互补齿的充气轮胎。
所述互补齿优选设置于充气轮胎的侧面上。
所述互补齿更优选为不对称齿，其包括驱动面和非驱动面的，所述驱动面的张开角小于所述非驱动面的张开角。
所述互补齿的节距更优选为1.8mm至5.5mm之间，优选为1.8mm至2.5mm之间。
本发明也涉及一种具有电动辅助的自行车，其包括如上所述的电动辅助成套部件。
所述电动辅助成套部件优选安装于自行车的后轮上。
附图说明
由于对优选实施方案的描述，本发明的其他特征和优点将变得明显。附图分别表示：
-图1：根据本发明的第一实施方案的电动辅助自行车的示意性侧视图。
-图2：根据本发明的电动辅助自行车的第二实施方案的更详细的示意图。
-图3：显示了根据本发明的电机与电动辅助自行车的轮胎的配合的示意性截面图。
-图4：根据本发明的一个优选实施方案的驱动小齿轮与轮胎的齿啮合的详细截面图。
-图5：来自图4的驱动小齿轮的齿的示意性截面详细视图。
-图6：根据本发明的轮胎的一个优选实施方案的齿的示意性截面详细视图。
-图7：根据本发明的设备的一个优选实施方案的具有螺旋状齿的驱动小齿轮的侧视图。
-图8：配备根据本发明的自行车的充气轮胎的截面透视图。
-图9：根据本发明的电动辅助设备的一个优选实施方案的细节的示意性透视图。
-图10：图9实施方案的来自不同视角的示意性透视图。
附图表示根据本发明的电动辅助设备和电动辅助自行车的优选实施方案的不同的总体和细节视图。在各个附图中，相同或类似的元件具有相同的附图标记。为了简化对附图的理解，在每个附图中不系统重复附图标记。
具体实施方式
在图1中可见根据本发明的电动辅助自行车的主要元件。电机2在轮胎5的附近(在此处在后车轮61的轮胎附近)固定至自行车1的框架11。电能来源(此处为电池7)经由控制装置8为电机供电。驱动小齿轮3与轮胎5的齿51切向啮合，因此可将辅助骑行人员的驱动力传递至齿51。
图2表示另一实施方案，其中电动辅助设备旨在与自行车的前车轮62的轮胎配合。在该图中更好地看出电机2的固定装置4。所述固定装置优选包括围绕轴线43铰接至固定支撑件42的摇臂41，所述轴线43基本上平行于电机的轴。支撑件42紧固至自行车，在此处紧固至自行车的前叉12。驱动小齿轮3与紧固至轮胎5的侧面的齿51啮合。固定装置优选如此处构造为使得由驱动小齿轮传递的驱动力产生将小齿轮挤压至轮胎上的另外的动态力，并因此在齿轮中产生另外的径向压力。例如，如果枢轴线43如此处所示的远离啮合平面朝向在该构造中的轮胎的外部设置，则获得所述效果。
弹性装置(在图中不可见)优选地对摇臂的定向预加应力，从而在没有驱动力的情况下，驱动小齿轮3以非零承载力径向挤压轮胎。弹性装置可例如由围绕摇臂的旋转轴43起作用的扭力弹簧或者直接在摇臂41与支撑件42之间起作用的简单的张力弹簧或压缩弹簧组成。
电机2与轮胎5之间的配合的一个优选实施方案表示为如在图3中的车轮平面中所见。可见驱动小齿轮3的齿31与轮胎的互补齿51切向啮合。电机相对于车轮61的平面611以角度α倾斜。根据本发明，角度α可变化，但优选为-10°至+30°之间。在该实施例中，α具有大约25°的值，齿51紧固至轮胎的侧面52，并径向设置于赤道54的下方。轮胎可为充气轮胎或非充气轮胎，或甚至实心轮胎。
电机优选直接驱动(也就是说在没有中间减速装置的情况下)驱动小齿轮，小齿轮由电机的轴承载。根据本发明的一个优选实施方案，飞轮机构设置于轴与小齿轮之间，从而在自行车向前移动时轮胎不驱动电机。假设所述设备不包括飞轮，则当骑行人员制动时可实现电能的恢复。
如在所有附图中所表示，电机2优选相对于自行车的车轮的轴线径向设置于驱动小齿轮3的外部，也就是说在该构造中在驱动小齿轮3的上方。
图4详细显示了驱动小齿轮3与轮胎的啮合。小齿轮将驱动力FM传递至轮胎。在此处可见一个优选实施方案，其中小齿轮的齿32为不对称的，并构造为使得它们的驱动面33的张开角小于它们的非驱动面34的张开角。紧固至轮胎的互补齿51的形状自然相应地适应。该设置能够显著改进啮合的效率，并增加可传递的驱动力FM的最大值。还示出了小齿轮在轮胎上施加的力F。所述力通过电机的固定装置传递，并具有即使在设备的各个元件变形的情况下也保持啮合的作用。如果F0表示在无驱动力的情况下小齿轮的承载力，FD表示由驱动力的作用而产生的另外的动态力，则可以表示F＝F0+FD。
直线D1为垂直于在齿的中间高度处的接触点处的齿的切线的直线(也参见图6)。半直线D2和D3以角度γ从D1变向。扇区A对应于直线D1与半直线D2之间的表面。扇区B对应于直线D1与半直线D3之间的表面。角度γ优选不超过60°。确保驱动力产生另外的动态承载力的一种方式是验证轴线43与小齿轮的中平面相交的位置符合如下条件中的一者：
-如果轴线43相对于自行车的向前移动方向在小齿轮的前面(表示于图1中的位置)，则交叉点必须位于图4中表示的扇区A中。
-如果轴线43相对于自行车的向前移动方向在小齿轮的后面(表示于图2中的位置)，则交叉点必须位于图4中表示的扇区B中。
小齿轮3的齿31在图5中更大比例地显示，用以更好地显示参照图4描述的优选的不对称实施方案。可以看出，驱动面33的张开角A1显著小于非驱动面34的张开角A2。
轮胎的齿51在图6中更大比例地表示，以更好地显示优选实施方案。根据与驱动小齿轮相同的逻辑，轮胎的齿511具有驱动面512和非驱动面513。可以看出，驱动面512的张开角B1显著小于非驱动面513的张开角B2。齿具有节距P和高度H。齿的节距优选为1.8mm至5.5mm之间，更优选为1.8mm至2.5mm之间，用以使齿轮发出的噪音达到最小。参照图4如上所指的直线D1也在该图中表示。
图5和6显示了具有直线面的齿。在弯曲面的情况中，必须考虑对应于齿的一半高度的点处的切线(参见图5中的平均半径Rm和图6中的一半高度H/2)来测量上述角度。
在图7中表示了驱动小齿轮3的一个优选实施方案，其中齿为与在图1中可见的那些类似的螺旋状齿。齿32的轴线相对于小齿轮的轴线35以角度β倾斜，因此相对于电机的轴以角度β倾斜。此处所示的角度β为大约15°，但其可例如为4°至40°之间，优选15°至30°之间，以使噪音达到最小而不会过度减小能够传递的驱动力FM的最大值。轮胎的齿的倾斜必须自然相应地适应。该设置能够显著降低由齿轮发出的噪音。驱动小齿轮3优选由金属，例如钢制得。在适当时，如上所指的飞轮可集成至小齿轮的内部中。
在图8中可见轮胎5的一个优选实施方案。在此处，轮胎5为以已知的方式在其中包括侧面52、胎面53以及用于将其附接至自行车轮辋(未显示)的胎圈54的充气轮胎。还可看出紧固至侧面的齿51相对于轮胎的径向方向以对应于参照图7所述的驱动小齿轮的螺旋角β的角度倾斜。
轮胎的齿优选由肖氏A硬度优选为55至85之间，更优选为75至85之间的橡胶组成，以有助于可传递的驱动力FM的最大值。齿优选与充气轮胎同时模制，但也可附接至预先模制的常规轮胎。
织物增强件可与齿的表面关联，以限制由磨损导致的损耗和齿噪音。有利的是使用聚酰胺型织物增强织造织物，以在模制齿时可延伸。
如已在图3中表示，齿51优选径向设置于轮胎5的赤道54下方。或者，齿可在水平位置设置于轮胎的胎肩处(也就是说在胎面53的附近)或甚至设置于胎面53的中心处。
在图1至4中，所述设备表示为处于工作位置。在图9和10中，表示了本发明的一个实施方案，其中电机可通过电动致动器44而保持在折叠位置上(也就是说远离轮胎)。在该实施例中，致动器包括抵靠摇臂41的凸轮45。凸轮的旋转使得驱动小齿轮移动远离轮胎，因此使得设备脱离。致动器可为例如伺服马达或电磁体。
折叠位置使得处于非辅助模式的自行车能够完全无声地运行。
可根据各种参数(如自行车的速度、蹬车、电池的充电状态)而自动控制致动器。致动器可同样由骑行人员例如通过显示控制单元进行控制。
当然，小齿轮可同样在摇臂的水平处直接手动脱离，或通过连接至骑行人员可及的控件的线缆手动脱离。
本发明的设备中存在飞轮机构与这种脱离装置结合甚至还能够在自行车移动时带来平顺地啮合。

Claims (14)

1.用于自行车的电动辅助设备，所述设备包括：
-包括转子的电机(2)，
-由所述电机的转子驱动的驱动小齿轮(3)，
-用于将所述电机在所述自行车的车轮(61；62)的轮胎(5)的附近固定至自行车(1)的固定装置(4)，
-用于为所述电机供电的电能来源(7)，
-用于控制所述电机的装置(8)，
其特征在于所述驱动小齿轮包括旨在与紧固至所述轮胎(5)的互补齿(51)切向啮合的齿(31)，
其中所述驱动小齿轮(3)的齿为不对称的齿(32)，其包括驱动面(33)和非驱动面(34)，所述驱动面的张开角(A1)小于所述非驱动面的张开角(A2),
其中所述固定装置(4)包括铰接至支撑件(42)的摇臂(41)，所述支撑件旨在被紧固至自行车，所述摇臂(41)承载所述电机，使得通过所述驱动小齿轮(3)传递至轮胎(5)的驱动力(FM)在齿轮中产生另外的径向压力,
其中，所述摇臂(41)通过轴线(43)而围绕被固定的所述支撑件(42)旋转，所述轴线(43)与小齿轮(3)的中平面相交的位置符合如下条件中的一者：
-如果轴线(43)相对于自行车的向前移动方向在小齿轮(3)的前面，则交叉点必须位于第一扇区(A)中；
-如果轴线(43)相对于自行车的向前移动方向在小齿轮(3)的后面，则交叉点必须位于第二扇区(B)中，
其中，第一扇区(A)对应于直线(D1)与第一半直线(D2)之间的表面，第二扇区(B)对应于直线(D1)与第二半直线(D3)之间的表面，所述直线(D1)为垂直于在所述齿(31)的中间高度处的接触点处的齿的切线的直线，所述第一半直线(D2)和所述第二半直线(D3)以角度(γ)从直线(D1)变向，角度(γ)不超过60°。
2.根据权利要求1所述的用于自行车的电动辅助设备，其中所述驱动小齿轮(3)经由飞轮机构由所述电机驱动，从而当自行车向前移动时，轮胎(5)不会驱动所述电机(2)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的用于自行车的电动辅助设备，其中所述驱动小齿轮的齿(31)为螺旋状齿。
4.根据权利要求1或2所述的用于自行车的电动辅助设备，所述设备还包括显示控制单元，所述显示控制单元连接至所述电机的控制装置(8)，并适于构成骑行人员与所述控制装置之间的界面。
5.根据权利要求1或2所述的用于自行车的电动辅助设备，所述设备还包括连接至所述电机的控制装置(8)的蹬车传感器。
6.根据权利要求1所述的用于自行车的电动辅助设备，其中弹性装置对所述摇臂(41)的定向预加应力，从而在没有驱动力(FM)的情况下，所述驱动小齿轮(3)使用非零承载力(F0)径向挤压轮胎(5)。
7.根据权利要求1或2所述的用于自行车的电动辅助设备，其中所述固定装置(4)限定所述电机相对于轮胎的至少两个位置，所述至少两个位置包括工作位置和折叠位置，在所述工作位置中，所述驱动小齿轮与轮胎的齿啮合，在所述折叠位置中，所述驱动小齿轮保持远离轮胎。
8.用于自行车的电动辅助成套部件，其包括根据前述权利要求中任一项所述的电动辅助设备，所述电动辅助成套部件还包括轮胎(5)，所述轮胎为包括所述互补齿(51)的充气轮胎。
9.根据权利要求8所述的电动辅助成套部件，其中所述互补齿(51)设置于充气轮胎(5)的侧面(52)上。
10.根据权利要求9所述的电动辅助成套部件，其中所述互补齿(51)为不对称齿(511)，其包括驱动面和非驱动面的，所述驱动面(512)的张开角(B1)小于所述非驱动面(513)的张开角(B2)。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的电动辅助成套部件，其中所述互补齿(51)的节距(P)为1.8mm至5.5mm之间。
12.根据权利要求8至10中任一项所述的电动辅助成套部件，其中所述互补齿(51)的节距(P)为1.8mm至2.5mm之间。
13.具有包括根据权利要求8至12中任一项所述的电动辅助成套部件的电动辅助的自行车。
14.根据权利要求13所述的具有电动辅助的自行车，其中所述电动辅助成套部件安装于自行车的后轮上。
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