CN105358424B - 用于自行车的电力辅助设备和装配有所述设备的自行车 - Google Patents

Abstract

本发明特别涉及用于自行车的电力辅助设备，所述设备包括：电机(2)，所述电机(2)包括转子；装置(4)，所述装置(4)用于固定所述电机；电池(7)，所述电池(7)为所述电机提供动力；用于控制所述电机的装置；驱动小齿轮(3)，所述驱动小齿轮(3)由所述电机的转子驱动；以及框架(10)，所述设备的特征在于，所述驱动小齿轮能够与互补齿状物(51)相切地啮合，所述互补齿状物(51)坚固地连接至自行车的后轮(61)的轮胎(5)，并且所述固定装置被所述框架支承，所述框架包括臂(101、102、103、104)，所述臂(101、102、103、104)能够固定至自行车的后轮的轮轴。

Description

用于自行车的电力辅助设备和装配有所述设备的自行车

技术领域

本发明涉及用于自行车的电力辅助设备和装配有所述设备的自行车。

背景技术

在该领域中，已知市售的具有多种设备。

这些设备中的一些使用置于自行车车轮之一的轮毂中的电机。该电机直接或通过减速系统驱动车轮。这种类型的设备的缺点是有很大质量，这些质量件还位于车轮处，使得自行车手非常容易看到。此外，当必须拆卸车轮时，例如更换轮胎或修补穿孔，由于存在为电机提供动力所需的电连接件以及传递马达转矩所需的用于轮毂的特定的固定件，车轮的移除变得复杂。

其它设备使用齿轮马达来驱动自行车的踏板并且因此可以使用现有的自行车传动装置。这种类型的设备的缺点是对自行车架构的显著影响，以致特别需要对自行车框架进行特殊设计从而接收这些设备。

文献DE-20314210-U1描述了通过电动马达驱动自行车的原理，其中驱动小齿轮与齿状物互相啮合，所述齿状物与自行车前轮的轮辋成为一体并且为内齿结构，即齿朝向车轮的轮轴。该系统的一个缺点是轮辋的齿状物容易夹持石块。

发明内容

本发明的目的因此是提供解决上述所有或部分缺点的用于自行车的电力辅助设备和装配有所述设备的自行车。

为此，本发明提供用于自行车的电力辅助设备，所述设备包括：

-电机，所述电机包括转子，

-用于固定所述电机的装置，

-电池，所述电池为所述电机提供动力，

-用于控制所述电机的装置，

-驱动小齿轮，所述驱动小齿轮通过所述电机的转子驱动，和

-支撑结构，

所述设备的特征在于，所述驱动小齿轮能够与互补齿状物相切地啮合，所述互补齿状物与自行车的后轮的轮胎成为一体，并且所述固定装置被所述支撑结构支承，所述支撑结构包括臂，所述臂能够固定至自行车的后轮的轮轴。

优选地，所述用于控制所述电机的装置也被所述支撑结构支承。

还优选地，所述电池也被所述支撑结构支承。

优选地，所述固定装置连同所述电机形成子组件，所述子组件能够手动地从所述支撑结构中分离。

还优选地，能够手动地从所述支撑结构中分离的子组件还包括用于控制所述电机的装置。

还优选地，能够手动地从所述支撑结构中分离的子组件还包括所述电池。

还优选地，所述电池也能够独立于所述子组件手动地从所述支撑结构中分离。

优选地，所述子组件由框架承载，所述框架在基本上水平的平面中延伸，所述子组件能够从所述支撑结构中水平地(优选横向地)分离。

优选地，所述支撑结构包括快速电连接件，用于将所述子组件连接至与自行车成为一体的界面。

优选地，所述支撑结构还构成行李架。

优选地，所述固定装置包括摇臂，所述摇臂相对于被所述支撑结构支承的底座围绕轴线铰接，所述轴线基本上平行于所述电机的轴线。

优选地，所述摇臂包括铰接件，所述铰接件允许所述电机朝向所述子组件折叠。

本发明还涉及用于自行车的电力辅助组件，包括上述电力辅助设备，所述电力辅助组件还包括轮胎，所述轮胎为包括所述互补齿状物的充气轮胎。

本发明最后涉及包括所述电力辅助组件的具有电力辅助的自行车。

附图说明

通过优选实施方案的描述，本发明的其它特征和优点将变得明显。附图分别显示了：

-图1：根据本发明的第一个实施方案的具有电力辅助的自行车的(局部)侧视图。

-图2：根据一个优选实施方案的子组件的细节图。

-图3：图2的子组件的仰视图。

-图4：图1的电力辅助设备和具有电力辅助的自行车的更大比例的细节图。

-图5：特别显示图1的电力辅助设备的支撑结构的细节图。

-图6：从图1的具有电力辅助的自行车的另一侧观察的与图4相似的图。

-图7：与图1相似的图，显示了本发明的设备的另一个优选实施方案。

-图8：与图7相同的图，其中已经移除了电池。

-图9：图7和8的设备的细节图。

-图10：图8的设备的更进一步的细节图。

-图11：装配至图7和8的设备的电池的图。

-图12：根据第二个优选实施方案的变体形式的子组件的一般视图。

-图13：图解截面图，显示了根据本发明的具有电力辅助的自行车的电机与轮胎的协同作用。

-图14：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状物的啮合的截面细节图。

-图15：图14的驱动小齿轮的齿状物的细节的图解截面图。

-图16：根据本发明的轮胎的优选实施方案的齿状物的细节的图解截面图。

-图17：根据本发明的设备的一个优选实施方案的具有螺旋状齿状物的驱动小齿轮的侧视图。

-图18：装配至根据本发明的自行车的充气轮胎的截面立体图。

-图19：根据本发明的第三个实施方案的具有电力辅助的自行车的(局部)侧视图。

-图20和21：图19的子组件的细节图。

具体实施方式

附图显示了根据本发明的电力辅助设备和具有电力辅助的自行车的优选实施方案的组件和细节的各个视图。在不同的附图中，相同或相似的元件带有相同的附图标记。附图标记在每个图中不对称地显示，从而易于理解附图。

图1显示了根据本发明的具有电力辅助的自行车的主要元件。电机2靠近轮胎5(在此为靠近后轮61的轮胎)固定。驱动小齿轮3与齿状物51相切地啮合，所述齿状物51与轮胎成为一体，因此可以向轮胎5传递驱动力从而辅助自行车手。电机优选为具有永磁体的三相、无刷、同步马达。还优选地，转子为如图中所示的外转子。电池7为电机提供动力。

用于固定电机的装置4由支撑结构10支承，所述支撑结构10本身固定至自行车的框架11。支撑结构的臂101、102、103、104固定至车轮的轮轴612。杆116阻止支撑结构围绕车轮轴线的旋转。支撑结构固定至车轮的轮轴，允许简单的组装同时保证使驱动小齿轮3相对于轮胎的齿状物51定位的高的精确度和再现性。

优选地，如图所示，电池在此也被支撑结构支承。替代性地，电池可以以本身已知的方式固定至自行车的另一部分。

优选地，用于控制电机的装置8(即控制电子设备和动力电子设备)也被支撑结构支承。优选地，可分离子组件20通过固定装置、电机和控制装置形成。还优选地，该子组件可以手动地(即不使用工具)与支撑结构分离。

在电池7被支撑结构支承的实施方案中，可分离子组件还可以包括所述电池，如图2中所示。应理解，从支撑结构移除所述子组件20的行为允许使用自行车而没有电力辅助，但是也没有与所述电力辅助相关的额外重量。

在此处显示的实施方案中，控制装置8包括开关81和旋钮82，所述开关81允许自行车手开启或停止动力辅助设备，所述旋钮82用于调节动力辅助的水平。这些控制器也可以设置在自行车的车把上或者通过遥控器或安装在自行车手的移动电话中的应用而进行远程控制。即使当子组件安装在支撑结构中时，用于给电池充电的电力插座21也是容易使用的。

图3以仰视图显示了该子组件20。可以看到用于固定电机的装置4优选包括摇臂41和底座42，底座旨在与支撑结构成为一体并且摇臂41相对于底座围绕摇摆轴线43铰接，所述摇摆轴线43基本上平行于电机的轴线21延伸。弹簧44压迫所述臂从而朝向轮胎以一定的最小接触力挤压小齿轮。同样地，图3显示了快速电连接件106和用于键的锁定装置的槽107。

对应于不具有其电池的可分离子组件20的机械组件被称为“马达机体”。马达机体22因此特别包括底座42、摇臂41、电机2，优选还包括电子动力和控制电路。应理解当使用电力辅助设备时，该马达机体必须固定地附接至支撑结构。翅片25可以设置在马达机体22的一个或多个表面上(参见图2)，从而改进位于马达机体22内部的与装配有翅片25的表面接触的动力电子设备的冷却。在马达机体或翅片由具有良好导热性的材料(例如铝)制成的情况下，该冷却原理特别有效。

图4清楚显示了装载了可分离子组件20的支撑结构10。可以看到支撑结构包括框架105，所述框架105在基本上水平的平面中延伸。子组件20可以在框架中水平地滑动并且通过前方的快速固定件108固定于框架。子组件20的后端(由电池的后端组成)在框架中被固定挡块109挡住。

在图5中，已经移除了子组件20，可以看到能够与子组件的连接件106协同作用的固定的电连接件110。固定的连接件110允许电力辅助设备与安装在自行车中的界面或传感器连接。把手上可以设置控制界面从而允许自行车手获取信息和/或控制设备。可以用于控制电力辅助设备的传感器包括例如踏板传感器、踏板转矩传感器、速度传感器。连接件也可以用于从电池7为自行车的照明设备提供动力。还可以看到锁定装置111和快速固定件108。通过主要对比图3、图4和图5，可以看到根据该实施方案的子组件20的安装包括在固定挡块109的后方将电池的端部设置就位，然后使子组件20的前部在水平平面中枢转直至接合快速固定件108。在该位置下，固定的连接件110固定地连接至子组件的连接件106，并且如果需要的话，锁定装置111(例如具有键)可以被致动并且与子组件的槽107(图3中可见)协同作用从而保证其处于使用位置。在另一个实施方案中(图中未示出)，可能具有这样的系统：其中马达机体22和电连接件106和110和锁定系统107、111和112不设置在支撑结构10的前方(如图1至12中所示)，而是设置在支撑结构10的后方。在这样的实施方案中，挡块109则可以位于支撑结构10的前方。

图6从自行车的另一侧显示了安装在支撑结构中的相同的子组件。特别地，可以看到具有键的锁定装置的锁芯(barillet)112。

图7至图12显示了本发明的第二个优选实施方案，其中电池7可以与子组件20分离并且从支撑结构中抽出而独立于子组件的剩余部分(即独立于马达机体22)。

图7显示了电池就位时的设备，图8显示了仅移除电池时的设备。应理解电池以朝向后方的纵向移动从支撑结构中水平地抽出。

图9特别显示了框架105的横向凸出部114，所述横向凸出部114与马达机体的横向凹槽23协同作用。该布置允许在将子组件安装至框架的过程中引导子组件，并且保证底座42的刚性和可靠的支撑，因此保证用于固定电机2的装置的刚性和可靠的支撑。在该实施方案中，因此必须以横向移动水平地抽出子组件。在该抽出的过程中，电池可以维持固定至马达机体(如图7中所示)并且因此遵循相同的移动。还可以通过支撑结构的后部预先移除电池，如图8所示。

图10以不同角度显示了相同的子组件在不具有电池的支撑结构中就位。该图显示了锁定装置111，所述锁定装置111适合于上文描述的不同情况和操作。锁定装置111的扇形包括向内弯曲的凹槽113，所述凹槽113旨在与电池的指状物71(参见图11)协同作用从而根据扇形的角位置选择性地将电池锁定就位或者允许电池拆卸。锁定装置包括第三位置，所述第三位置允许释放和因此抽出整个子组件(或马达机体，在已经移除电池的情况下)。应理解图9中显示的位置允许抽出电池同时而维持马达机体的锁定。在图9和图10中，还可以看到从摇臂41突出的冷却翅片411。因为电机的内部定子与臂41成为一体(还参见图3)，这些翅片通过环境空气促进电机的定子的冷却。

如图11所示，电池包括弹性按钮74，所述弹性按钮74旨在与子组件的开口24协同作用(参见图10)，从而即使在不存在锁的情况下，仍然保证电池7与马达机体22的快速和牢固的连接(通过夹紧)。电池还包括两个用于将其电连接至马达机体的触点72和73和充电插座21。

图12显示了根据该实施方案的变体形式的整个子组件20，其中马达机体还包括弹性按钮115，所述弹性按钮115与电池的弹性按钮74相似。弹性按钮115旨在与框架105正面上形成的开口协同作用，从而即使在不存在锁的情况下仍然保证马达机体22与支撑结构的快速和牢固的连接(通过夹紧)。

图13以车轮平面中的图显示了电机2和轮胎5之间的协同作用的优选实施方案。可以看到驱动小齿轮3的齿状物31，所述齿状物31与轮胎的互补齿状物51相切地啮合。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可以变化但是优选在-10°和+30°之间。在该示例中，α为约25°，齿51与轮胎的侧面52成为一体并且在径向上位于赤道线54的下方。轮胎可以为充气或非充气轮胎，或为实心轮胎。

优选地，电机直接驱动所述驱动小齿轮，即不需要任何中间减速装置，小齿轮被电机的轴支承。然而根据本发明的优选实施方案，自由轮机构介于轴和小齿轮之间，使得当自行车向前移动时轮胎不驱动电机。假设设备不具有自由轮，当自行车手刹车时可以实施电能回收设备。

如所有附图所示，相对于自行车车轮的轮轴612，电机2优选在径向上设置在驱动小齿轮3的外部，即在该构造中设置在驱动小齿轮3的上方。

图14详细显示了驱动小齿轮3在轮胎上的啮合。该小齿轮将马达力FM传递至轮胎。在此可以看到优选的实施方案，其中小齿轮的齿32不对称并且被构造成使得其驱动表面33的打开角度小于其非驱动表面34的打开角度。与轮胎成为一体的互补齿状物51的形状相应地自然适应。该布置显著改进了接合效率，并且还增加了可传递的马达力FM的最大值。也显示了小齿轮在轮胎上的接触力F。通过固定电机的装置传递该力，并且该力的效果是即使在设备的各个元件变形的情况下仍然维持接合。如果在不存在驱动力的情况下小齿轮的接触力为F0，并且由驱动力的效果产生的额外的动态力为FD，得出F＝F0+FD。

线D1为在齿的一半高度的接触点处垂直于齿的切线的线(还参见图16)。半线D2和D3以角度γ与线D1隔开。扇形A对应于线D1和半线D2之间的区域。扇形B对应于线D1和半线D3之间的区域。优选的，角度γ不超过60°。一种保证驱动力产生额外的动态接触力的方式是校准轴线43与小齿轮的中间平面的交叉位置满足如下条件之一：

如果轴线43相对于自行车行进的方向位于小齿轮的前方(图1至12中显示的情况)，交叉位置必须位于图14所示的扇形A中。

如果轴线43相对于自行车行进的方向位于小齿轮的后方(图19至21中显示的情况)，交叉位置必须位于图14所示的扇形B中。

图15显示了小齿轮3的齿状物31的更大比例从而更好地说明图12中描述的优选不对称的实施方案。可以看到驱动表面33的打开角度A1基本上小于非驱动表面34的打开角度A2。

图16显示了轮胎的齿状物51的更大比例从而更好地说明优选的实施方案。按照与驱动小齿轮相同的逻辑，轮胎齿状物的齿511具有驱动表面512和非驱动表面513。可以看到驱动表面512的打开角度B1基本上小于非驱动表面513的打开角度B2。齿状物具有齿距P和高度H。齿状物的齿距优选在1.8mm和5.5mm之间。该图还显示了上文参考图14所提到的线D1。

图15和16显示了包括直线表面的齿状物。在弯曲表面的情况下，必须考虑轮廓的对应于齿的高度的一半的点处的切线测量上述角度(参见图15的平均半径Rm和图16的高度的一半H/2)。

图17显示了驱动小齿轮3的优选的实施方案，其中齿状物为与图1至12所示相似的螺旋状齿状物。齿32的轴线相对于小齿轮的轴线35并且因此相对于电机21的轴以角度β倾斜。此处显示的角度β为约15°，但是可以例如在4和40°之间，优选在10和30°之间。轮胎的齿状物的倾斜度必须相应地自然适应。该布置允许大大减少由相互啮合造成的噪声。优选地，驱动小齿轮3由金属(例如钢)制成。在适用的情况下，上述自由轮可以整合至小齿轮内部。

图18显示了轮胎5的优选的实施方案。其为充气轮胎，所述充气轮胎以本身已知的方式包括胎侧52、胎面53和胎圈54，所述胎圈54用于将轮胎锚固至自行车的轮辋(未示出)。还可以看到与胎侧成为一体的齿状物51的齿相对于轮胎的径向方向以一定角度倾斜，所述角度对应于参考图17针对驱动小齿轮描述的螺旋角度β。

优选地，轮胎的齿状物主要由肖氏硬度A优选在55和85之间的橡胶组成。齿状物优选与充气轮胎同时模制，但是也可以以预先模制的方式应用至常规轮胎。

纺织增强件可以与齿状物的表面相关联从而限制磨损和齿状物噪声。有利的是使用聚酰胺类型的纺织增强织物，所述纺织增强织物被编织成能够在齿状物的模制过程中伸展。

以优选的方式并且如图13中所示，齿状物51在径向上设置在轮胎5的赤道线54的下方。替代性地，齿状物可以设置在轮胎的胎肩上，即靠近胎面53，或甚至设置在胎面53的水平位置的中间。

图19显示了根据本发明的电力辅助设备的第三个实施方案，其中臂的摇摆轴线43相对于自行车行进的方向位于小齿轮的后方。在该示例中，角度α为约5°并且角度β为约24°。注意到这些角度也完全适用于之前附图的构造。

图20和21以更大比例显示了图19的可抽出的子组件201。臂41在此包括围绕折叠轴线45的铰接件。当不使用动力辅助系统时，该铰接件允许电机朝向底座折叠。因此形成基本上平坦和紧凑的子组件，这有利于其运输和储存。优选通过电动致动器进行电机的折叠操作，或者通过半摇臂41b相对于半摇臂41a围绕折叠轴线45的旋转手动地进行电机的折叠操作，所述折叠轴线45在此基本上平行于自行车的行进方向。通过使电机围绕轴线45旋转移动直至其工作位置，以相反方式恢复至操作位置，工作位置由半摇臂41a和41b之间的旋转挡块(未示出)确定。在这些图中还可以看到孔202，所述孔202可以打开并且充当把手从而便于子组件的用于其安装、抽出和运输的操作。

根据本发明的电力辅助组件因此包括参考通过附图显示的各个实施方案描述的电力辅助设备，和包括适应齿状物的轮胎，优选如上参考图18描述的充气轮胎。

在本发明的一个实施方案中(未示出)，可分离子组件还可以包括USB类型的连接件，允许例如通过计算机对控制装置进行配置或升级，或者允许对移动电话进行充电。

替代性地，所述设备可以包括臂101、102、103和104，所述臂101、102、103和104固定在除了车轮的轮轴612之外的位置处，例如固定至车轮的轮轴上方的框架的撑杆。

Claims (15)

1.用于自行车的电力辅助设备，所述设备包括：

-电机(2)，所述电机(2)包括转子，

-装置(4)，所述装置(4)用于固定所述电机，

-电池(7)，所述电池(7)为所述电机提供动力，

-用于控制所述电机的装置，

-驱动小齿轮(3)，所述驱动小齿轮(3)由所述电机的转子驱动，以及

-支撑结构(10)，

所述设备的特征在于，所述驱动小齿轮能够与互补齿状物(51)相切地啮合，所述互补齿状物(51)由肖氏硬度A在55和85之间的橡胶组成，所述互补齿状物(51)与自行车的后轮(61)的轮胎(5)的胎侧(52)成为一体并且在径向上位于轮胎的赤道线(54)的下方，并且固定装置由所述支撑结构支承，所述支撑结构包括臂(101、102、103、104)，所述臂(101、102、103、104)能够固定至自行车的后轮的轮轴。

2.根据权利要求1所述的用于自行车的电力辅助设备，其中所述用于控制所述电机的装置也由所述支撑结构支承。

3.根据权利要求2所述的用于自行车的电力辅助设备，其中所述电池也由所述支撑结构支承。

4.根据前述权利要求任一项所述的用于自行车的电力辅助设备，其中所述固定装置连同所述电机形成子组件，所述子组件能够手动地从所述支撑结构中分离。

5.根据权利要求4所述的用于自行车的电力辅助设备，其中能够手动地从所述支撑结构中分离的子组件还包括用于控制所述电机的装置。

6.根据权利要求5所述的用于自行车的电力辅助设备，其中能够手动地从所述支撑结构中分离的子组件还包括所述电池。

7.根据权利要求6所述的用于自行车的电力辅助设备，其中所述电机能够朝向所述子组件折叠。

8.根据权利要求7所述的用于自行车的电力辅助设备，其中所述电池也能够独立于所述子组件手动地从所述支撑结构中分离。

9.根据权利要求4所述的用于自行车的电力辅助设备，其中所述子组件由框架承载，所述框架在基本上水平的平面中延伸，所述子组件能够从所述支撑结构中水平地分离。

10.根据权利要求9所述的用于自行车的电力辅助设备，其中所述子组件能够从所述支撑结构中横向地分离。

11.根据权利要求4所述的用于自行车的电力辅助设备，其中所述支撑结构包括快速电连接件，用于将所述子组件连接至与自行车成为一体的界面。

12.根据权利要求1或2所述的用于自行车的电力辅助设备，其中所述支撑结构还构成行李架。

13.根据权利要求1或2所述的用于自行车的电力辅助设备，其中所述固定装置包括摇臂(41)，所述摇臂(41)相对于由所述支撑结构支承的底座(42)围绕轴线(43)铰接，所述轴线(43)基本上平行于所述电机的轴线(21)。

14.用于自行车的电力辅助组件，包括根据前述权利要求任一项所述的电力辅助设备，所述电力辅助组件还包括轮胎(5)，所述轮胎为包括所述互补齿状物(51)的充气轮胎。

15.包括根据权利要求14所述的电力辅助组件的具有电力辅助的自行车(1)。