CN1051289C - 一种用于踏板驱动公路车辆的电动辅助驱动装置 - Google Patents

Abstract

一种用于踏板驱动公路车辆的电力辅助驱动装置，包括一个电动机，一个用于驱动该电动机的可充电的并联蓄电池和控制电动机的开关元件。当电动机选择第一种工作方式，即作为一个驱动器工作时，它从电池中获取能量并传递给车辆；而当以第二种作为一个发动机工作时，则借助踏板从公路车辆的使用者获得能量并传送给电池。还包括一传送装置，以及一个安装在传装置和踏板轴之间的超越离合器。还提供一种将标准的踏板驱动公路车辆转变为一种电力辅助的公路车辆的配套组件。

Description

一种用于踏板驱动公路车辆的电动辅助驱动装置

本发明涉及一种用踏板驱动公路车辆，特别是自行车的电动辅助驱动装置。还涉及一种用于将标准的踏板驱动车辆转变为电动辅助驱动车辆的配套组件。

虽然运输通常与发动机能力相关，但是旅客运输的绝大部分的承担量需要由人力提供。仅在亚洲的自行车所运载的人比全世界的小汽车所运载的人还要多。

那些依赖于小汽车的国家正在为交通事故、空气污染、噪声、城市的拥挤、停车场问题以及燃料的消耗付出昂贵的代价。在许多国家，小汽车和其它机动车辆消耗了其石油产品消费量的一半还多，并且所造成的空气污染比其它原因都严重。

选择自行车作为短距离往来的交通车辆，正出现在越来越多的国家。欧洲多数国家(即瑞典、瑞士、德国、荷兰、丹麦)正在实行支持自行车的发展计划。他们确信在城市空气被污染到不能呼吸、交通高峰时的拥挤发展到完全停滞的地步之前，增加自行车的使用，将会控制机动交通运输的增长速度。

对于每个使用自行车代替小汽车旅行的人来说，污染少、所用的燃料少，并且在道路上所占的空间也小。骑车消耗的每人每公里的能量比起其它形式的运输包括行走都少。骑车行驶16公里消耗350卡的能量，这相当于一碗米饭中所含的能量。同样的行程，使用一般的美国小汽车要消耗18600卡，是一加仑汽油的一多半能量。

自行车重量轻，有利于环境保护，并且具有交通的灵活性，而另一方面，骑车偶而也需要强迫人的体力达到一个极限，例如骑车上陡坡、在大风中骑车等等。在这种情况下，骑车者可以使用一些辅助设备。

很显然，一个能帮助超越人体极限的，设计良好的、电动的自行车辅助驱动装置，将会扩展到自行车作为运输车辆的使用范围。

电动助力自行车已为公知。欧洲专利0168,905公开了一种踏板驱动公路车辆的辅助驱动装置，它包括一个电池驱动的电动机，该电动机可以作为驱动器使用，即从电池获取能量并将其输出给车辆；也可以作为发电机使用，即在下坡路段借助车辆的再生制动从车辆获取能量。

其它公知的电力辅助自行车，在欧洲称为“机动自行车”，Hercules(德国)的“Electra”和Velectro(澳大利亚)的“Velomatic”这些自行车没有踏板，骑车人只能借助电动机的动力行驶，所以能量消耗量大，需要一个重量大而笨的电池和一个大的电动机，这给自行车额外增加了15至20kg的重量。实际上，这些电驱动的机动自行车只是文字意义上的自行车。它们是新的电动车辆，相对比较重(30kg以上)，笨拙(不能折迭)。行驶距离短(无能量补充)，并且价格贵。

本发明的目的之一是，提供一种适于所有种类的自行车或其它踏板驱动车辆的、辅助而不是取代肌肉能量的电力驱动装置，它便于人力和电力相结合，并且使其平稳地相互作用。

本发明的另一目的是提供一个结构紧凑的电力驱动装置，该装置包括一个重量轻、可使用充电电池供电的小体积、大功率的电动机。在水平路段或下坡路段时向后蹬踏板，该电动机可转变为一个发电机，给电池充电，并在电动机辅助驱动上山的过程中补偿从电池中获取的一部分能量。

本发明的这些目的是通过提供一个用于踏板驱动车辆的电力辅助驱动装置来实现的。该辅助驱动装置包括一个电动机。一个驱动该电动机的可充电的并联蓄电池，以及控制该电机的开关元件。该电机可被选择为第一种工作方式，即作为一个驱动器使用：从所述的电池中获取能量，再将其输送给所述的车辆，电动机也可以用第二种方式工作，即作为发电机使用：借助于踏板从所述的公路车辆的使用者那里获取能量并将其输出给所述的电池。本发明的驱动装置还包括传送装置，当电动机以所述的第一种方式工作时，该传送装置用来驱动所述的车辆，当所述电动机以所述的第二种方式工作时，该传送装置使所述的使用者将回转运动传递给所述的电动机。此外，本发明的驱动装置还包括一个位于所述传动装置与所述的踏板轴之间的超越离合器，当所述的使用者通过向前蹬踏板驱动所述车辆时，所述离合器空转；当所述电动机用第一种方式工作，用于辅助所述的使用者时，或者当所述的使用者向后蹬踏板，以第二种方式工作驱动所述的电动机，所述的离合器啮合。

此外，本发明提供一种将标准的踏板驱动公路车辆转变为一种电力辅助的公路车辆的配套组件。包括一个安装在内部设有一个蜗杆和一个与小轮固连的螺轮壳体上的电动机、一个可充电的并联蓄电池、一个用于驱动器的包含有电路的盒子、两个为了安装电动机和所述壳体而设在底托架轴承上的凸耳、一个与超越离合器的内轴承圈固连的踏板曲柄，和一个与超越离合器的外轴承圈固连的齿轮。

很明显，本发明的驱动装置只适用于具有一个简单的，后轮毂空转的踏板驱动公路车辆。无论何种情况，这后轮毂都可迅速地取代劣质的飞轮制动轮毂。

本发明的构思可以通过下表得到最好的理解，该表将骑车人所需要的能量作为骑车速度的函数与道路的坡度联系起来。

                    表1

1000kg重量(骑车人+自行车)在不同坡度(°)上以不同的速度(KM/H)行驶所需要的能量(W)

   速度KM/H          3°             4°           5°          6°          7°

      5              75      98     122    140    l68

      8              77      154    191    220    240

      10             98      196    244    280    340

      12             112     231    288    330    400

      15             147     294    365    420    500

普通的骑车人在平坦的路段以15KM/H的速度行驶时要付出35-40W的能量。该骑车人可以加倍付出能量，达到70-80W，以8KM/H的速度在3°的小坡度路段上坡行驶20～25分钟。但如表1所示，以8KM/H的速度在中等坡度5°的路段上坡行驶，则需要骑车者付出191W的能量，这意味着他还缺少110-120W的能量。该电力驱动装置应补偿他所缺少的能量。

假如骑车人上5°的坡只付出40W的能量，他就可以比较轻松，驱动装置将会补上150W的能量以便平衡。如果骑车人能够或者愿意付出80W的能量，则驱动装置将相应提供110W。以此类推。

应当注意，骑车人所付出的能量和电池所提供的能量之间补偿关系是作用在电动机上的负载的函数。

下面参照附图结合最佳实施例对本发明进行描述，以便对本发明完全地理解。

由于现在要具体参照附图中的细节，故应强调指出，所表示的特征只是通过举例的方式对本发明的实施例作解释性的讨论，并且这样表示是为了给出那些被认为是最有用和容易描述本发明的原理和概念性的东西。从这个意义上讲，所表示的特性并无意更具体地表明本发明的结构细节，而是对本发明作基本的必要的理解。结合附图所作的描述使所属技术领域的专业人员了解到在实际中本发明的几种形式是如何实施的。附图中

图1是一个装有本发明的电力驱动装置的自行车的总体视图；

图2是该装置的运动图，表明不同部件之间的连接关系；

图3是内齿轮和超越离合器的部分剖视图；

图4是该装置安装的示意图；

图5是用于装配本装置的厂配凸耳；

图6是将本装置用于自行组合的，装配凸耳的变型；

图7是本发明装置的电路图；

参照附图，由图1可见，一个装配有发明的电力驱动装置的自行车。安装在底托架轴承之上的是一个电动机4，它的减速传动装置6安装在壳体5内，这一点从图2可更清楚看到，该传动装置的输出元件是一个小齿轮8，相对较大的齿轮10通过超越离合器14安装在踏板曲柄13的轴12上，并与该小齿轮8相啮合。这一点从图2和图3中可以更清楚地看到。还可以看到普通的链轮16和链条18。电池20最好装在行李架22上，也可以悬挂在横梁24下面，或装在下管26上。电路装在电路盒27内。通过按下装在车把上的按钮28来操作该装置。

从图2可以看出，内齿轮10装在底托架轴承2的一侧，而链轮16装在它的另一侧。

可以购买到的直流电动机在通常的工作电压下，例如为12V时，其转速为3000--5000RPM，如果在超电压下工作，它们的转速将更高。如果骑车人以40～60RPM的速度驱动踏板，则图1中的电动机4必须以1∶80的比例被减速正如在图2的运动视图中所看到的，减速是分两步实施的，第一步是包含有安装在电动机轴上，并与具有34个齿的蜗轮相啮合的三头蜗杆30的蜗杆传动装置。第二步是包含一个小齿轮8，该小齿轮构成了第一步蜗杆传动装置的输出元件。它具有12个齿，并与具有85个齿的内齿轮10相啮合，总减速比为 $\frac{3\×12}{34\×85}\≈\frac{1}{80}$

蜗杆30的螺距角必须足够大，以便使蜗杆传动装置具有可逆性，即不仅蜗杆30能驱动蜗轮32，而且后者也必须能够驱动前者。这一点与一般的蜗轮不能驱动蜗杆的自锁蜗杆传动装置不同。

由于内齿轮10与小齿轮8的啮合点以及它的工作而是向内的，即远离骑车人的腿，所以除增加了该装置的安全性外，还使之结构紧凑。

如图2、3所示，内齿轮不是直接安装在踏板轴12上，而是连固在超越离合器14的外轴承圈34上，而超越离合器的内轴承圈36与踏板曲柄13固连，最好是焊接在常用的键槽固定方式与轴相连的踏板曲柄13的顶端。

该装置的安装可以从图4结合图5和6得到最好的理解。

有一对带有孔40(见图5、6)的凸耳38(从图4中只能看到其中一个，而另一个位于壳体5的后面)。壳体5在孔40的中心距离处有两个孔42，电动机4与之相连。壳体5内还装有蜗杆30、蜗轮32，并且小齿轮8从中伸出。壳体插在两耳38之间，并借助于螺栓44夹紧。

本发明的装置可作为一种新型踏板驱动车辆，如自行车的一个组装件，也可以是买来的自行装配的一配套组件。

如图5所示，在第一种情况下，凸耳38制成为自行车架的一个组成部分，即以相对于车座和下管25、26(图中没有画出)适当的位置和角度钎焊，或焊接在底托架轴承2上。

在第二种情况下。凸耳38折成变弯角，并且有一个能滑套在轴承端部50的大孔48内，并借助于螺母52紧压在底托架轴承2的臂上。为了进一步稳固壳体5的位置，又提供了一个叉形支撑臂46，它的叉形端借助于一个螺检44夹紧在凸耳38上。支撑臂的另一端夹紧在链撑条48是。为方便起见，壳体5上的孔42至少稍微大一点以便于小齿轮8和内齿轮10之间的啮合和间隙的细微调整。

全套组件中远离电池20的其它元件包括：电路盒27、电线、装在壳体5上的电动机4、减速齿轮传动装置6和小齿轮8、踏板曲柄13，踏板曲轴的顶部钎焊或焊接有超越离合器的内轴承圈36，而该离合器的外轴承圈34固连在与小齿轮8啮合的内齿轮10上。

当组装该组件时，首先要拆下踏板曲柄13和螺母52(见图6)，并按照如所描述的那样装上凸耳38′。然后再装上螺母52，便不要完全拧紧。下一步是，在两耳38′之间安装带有电动机4及其减速齿轮传动装置6的外壳5。之后，将支撑臂46的叉形端滑套在凸耳38′上，并使支撑46上的孔、凸耳38′上的孔，壳体5上的孔对中后将螺检44中的一个压入这些装配好的组件中。然后，再将支撑臂的后端连接到链撑48上。最后将螺母52和螺栓44拧紧，将链轮16的一侧曲柄13连接到踏板轴12上，也就是将带动内齿轮10的踏板曲柄13连接到板轴12上。

图7表示的是本发明的驱动装置的电路，只有下部框线内的电路与驱动本身有关。而上部电路是可选择的，车灯可选择由标准的直流电机驱动或由电池20驱动。

在第一种工作方式中，当按下按钮28时，继电器54被激磁，并打开常闭触点AB而关闭常触点AC，这样便通过分流器56闭合电机电路并开动辅助驱动。当骑车人向后蹬踏板想以第二种方式操作电机，即使其作为发电机给电池20充电时，将按钮28打开，所产生的电流通过分流器56，经过下面的触点AB到电池正极，从电池负极经过上面的触点AB流经二极管58，返回电动机/发动机4。这个二极管是用来切断按钮28没有按下时电池-电动机之间的电路。安培表和电压表方便地安装在车把上。

在上部选择性的电路中。可以看到一个直流电机60，它通过变压器62产生一个交变压电供给自行车的前车灯F、后车灯R。该电压的幅度与电池20相同。这样当使用相同照明灯泡的情况下，通过打开或关闭灯的开关64选择利用电机或电池20。二极管66、68用来关闭开关64时阻止接地的变压器线圈短路。它们同时也作为整流器用。

操作时，该驱动装置的功能如下：

通常情况下，靠踏板驱动行驶，超越离合空转，内齿轮10静止，。如在下坡路段时，当骑车者用反向蹬踏板的方式，给电池20充电时，自行车后轴空转，向后旋转的超越离合器14的内轴承圈36开始带动它的外轴承圈连同内齿轮10一同转动，该内齿轮10通过小齿轮8与和具有可逆性的蜗杆齿轮传动装置6驱动电动机4沿反向转动，而使其进入第二种工作方式，即使其变为一个发电机。这样即将骑车者的肌肉能量转变为电池充电的电能。当然充电工作主要是在家中完成的，即在晚间利用插在电源上的普通充电器来充电。

人们发现，使用超电压，即所施加的电压比额定电压高50％，在保持相同的功率输出的情况下，通过小电流将显著地增加系统的效率。由于电机中产生的热量是流经的电流值的平方的函数，所以很显然即使是电流减小得很少，也会显著地减少热损耗，即提高效率。

对所属技术领域的专业人员来说，本发明很显然并不局限于如上所述实施例的细节，并且本发明可以以其它没有脱离它的情神和基本特征的具体方式来实施。因此，从全面考虑上述实施例应被理解为是说明性的而不是限定性的，本发明的范围是通过权利要求而不是上述的描述来表明的。因此，所有没有超出该权利要求的意义和等效范围的变化都意味着属于它所包含的内容。

Claims (8)

1.一种用于踏板驱动公路车辆的电动辅助驱动装置，包括：

一个电动机；

一个可充电的并联蓄电池，用以驱动所述的电动机；

控制所述电动机的开关元件，当所述的电动机选择第一种方式操作即作为一个驱动器工作时，它从所述电池获取能量，并传递给所述的车辆；当以第二种方式工作时，即作为一个发电机，通过踏板从所述的公路车辆使用者获取能量，并将其传送给所述的电池；

传动装置，在第一种方式工作时，该传送装置借助所述电动机驱动所述的车辆；而以第二种方式工作时，所述的使用者能将回转运动传递给所述的电动机；

一个安装在所述传动装置和所述踏板轴之间的超越离合器，

其特征在于：当所述的使用者向前蹬踏板驱动所述的车辆时，该超越离合器空转；当所述电动机处于第一种方式用来辅助所述的使用者，或者所述的使用者向后蹬踏板驱动所述的电动机，处于第二种工作方式时，该超越离合器啮合，以及

其中，在所述第二种工作方式中用于将所述回转运动传递给所述电动机/发电机的所有传动装置是直接传动装置。

2.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于：所述的超越离合器有一个外件和一个内件。

3.根据权利要求1或2所述的驱动装置，其特征在于：所述的传送装置包括：

一个固连在所述的电动机轴上的蜗杆；

一个与所述螺杆相啮合的蜗轮；

一个用键固定在所述的蜗轮轴上的小齿轮；

和一个与所述小齿轮相啮合并固定在所述的超越离合器外件上的齿轮，而超越离合器的内件与所述的踏板轴活动连接。

4.根据权利要求3所述的驱动装置，其特征在于：所述的齿轮为一内齿轮。

5.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于：所述的电动机与一壳件固连，该壳体内还装有与连接在所述电动机轴上的蜗杆相啮合的蜗轮。

6.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于：还包含有两个彼此分开的、固连在所述踏板驱动公路车辆的底托架轴承上的凸耳，带有所述电动机并装有所述蜗轮的壳体固定安装在两个凸耳之间；在所述蜗轮同轴的小齿轮装在所述两凸耳之间时，与所述内齿轮完全啮合。

7.一种将标准的踏板驱动公路车辆转变为如权利要求1所述的电力辅助公路车辆的配套组件，其特征在于：

一个安装在壳体上的电动机，该壳体内装有一个蜗杆和一个固连有小齿轮的蜗轮；

一个可充电的并联蓄电池；

一个装有所述驱动装置的电路盒子；

两个可以装在所述车辆车架一部件上的凸耳，用以安装所述电动机所述壳体；

一个踏板曲柄，其中固连有超越离合器的内轴承圈，以及

一个齿轮，该齿轮上固连有所述超越离合器的外轴承圈。

8.根据权利要求7所述的配套组件，还包括一个叉形支撑臂，它的一端支撑着所述的壳体，其另一端夹紧在所述公路车辆的一个构架上。

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