CN105564584B - 变速自行车的自动变速装置及其自行车、变速方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变速自行车的自动变速装置及其自行车、自动变速的方法，包括一个用于和变速自行车拨链器相连接的自动变速器，及与所述自动变速器进行信号传输的力矩传感器和角度传感器。本发明与现有技术相比的有益效果是：克服了内变速后花鼓性能上重量太重和阻尼大的缺点，能够应用在山地车上，相对内变速结构更为精简；本发明采用自动变速器,使用者在骑行过程中全自动变速是根据自行车的车速变化的快慢及力矩的变化自动完成，不需要手操纵，达到省力和提速的目的，从根本上取代了手操作变速。

Description

变速自行车的自动变速装置及其自行车、变速方法

技术领域

本发明涉及自行车领域，尤其涉及一种变速自行车的自动变速装置及其自行车，还涉及这种变速自行车实现自动变速的方法。

背景技术

目前市面上带自动变速的自行车，其自动变速器只能与内变速的后花鼓配合，原因是内变后花鼓能在任何情况下(转动或者静止)都可以变速。其工作原理为自行车在静止壮态下，自动变速器会有一个默认的启动档位，当开始骑行之后，自动变速器会跟据当前的速度自动换档达到自动变速的目的，当骑行紧急刹车制动时，骑行从高速突然变成静止，此时因为内变后花鼓可以在静止的情况下变速，自动变速器会自动复位，恢复到默认状态。

因为内变速后花鼓性能上的缺点：重量太重和阻尼大，不能应用在山地车上，所以目前也没有能自动变速的山地车。主要原因是山地车上的变速是由变速飞轮、拔链器、链条完成变速的。在静止情况下，飞轮不转动，此时变速链条无法跳到相应的齿轮上，链条会和拔链器形成一定的角度，当这个角度大到一定程度时就会拉环拔链器。因以上原因山地车不能在静止的情况下变速，又因为不能在静止情况下变速，当自行车在高速时，自行车的变速组合一般为链条在牙盘的最大片齿轮在飞轮的最小片，如果此时紧急制动，链条还会停在这个组合上，当再次启动时，牙盘和飞轮的速比太大，无法正常启动。所以目前的自动变速器不能应用在山地车上。

内变速具有结构紧密、外形美观和无噪音的特点。它改变速比轻巧牢靠。变速级差一般都在5级以内，国内生产的以3级变速为多。内变速齿轮的摩擦损耗大，在生产上对精度的要求很严格，工序和部件都比较复杂，造价也较高一些。它用于对输出功能(蹬速，蹬力)要求不太严格，用不着随便改变级差的短距离、低速度、骑行时间短的车种较合适。在我国，它大都装配在中、高档的轻便车上。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种变速自行车的自动变速装置及其自行车、自动变速的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种变速自行车的自动变速装置，包括一个用于和变速自行车拨链器相连接的自动变速器，及与所述自动变速器进行信号传输的力矩传感器和速度传感器。

进一步，所述自动变速器包括变速器外壳、变速线、移动套、螺杆、步进电机、 固定座和控制模组；变速线的一端用于与变速自行车的拔链器连接，另一端穿过变速器外壳的左端盖固定在移动套上；移动套的内牙镶嵌在螺杆上，螺杆两端通过轴承分别固定在左端盖及固定座上；控制模组和步进电机电连接，步进电机锁固于固定座上并且其转轴与螺杆相连，左、右端盖及固定座分别锁固于变速器外壳内。

进一步，所述控制模组的控制板上集成了MCU控制单元，控制模组固定在右端盖上。

进一步，所述自动变速器的MCU控制单元与力矩传感器和速度传感器相互之间采用无线信号或有线信号传输。

一种自动变速自行车，包括上述任一所述变速自行车的自动变速装置，所述自动变速器安装于车架上，所述力矩传感器和速度传感器安装于中轴或后勾爪上，自动变速器与变速自行车的拔链器连接。

一种自动变速自行车的自动变速的方法，包括以下步骤：

a.建立力矩实际测得数值和力矩模拟值的对应关系，力矩实际测得数值变化达到一单元数值时，力矩模拟值则相应的增加或减少；

b.设置程序表，建立力矩模拟值、速度和档位之间的对应关系；

c.自动变速器自动读取力矩传感器所实际测得的力矩数值，分析之后查询所测力矩数值在程序表中所对应的力矩模拟值的位置；

d.自动变速器自动读取速度传感器的实测数值，查询所测速度数值在程序表中所在的位置；

e.根据程序表定义的程式，判断是否需要进行加档或减档的操作，如需要进行加档或减档的操作，则自动变速器的控制模组发出指令控制执行机构加档或减档，如不需要进行加档或减档操作；

f、返回步骤c。

进一步，还包括以下步骤：

自动变速器能实时记录当前所在档位，关掉自动变速器之后也能保存当前的档位，这样可以保证自动变速器不会跳出程序表所设置的范围。

进一步，步骤a内力矩模拟值是自定义的分组，步骤b程序表内的数值，可根据实测数据和骑行特性、骑行习惯由骑行者自行定义。

进一步，步骤c中自动变速器自动读取力矩传感器所实际测得的力矩数值变化未达到一单元数值时，力矩模拟值则不变。

进一步，还设置有一个速度标志位，通过比较连续两次速度采样的结果判断当时的骑行状态是加速度状态还是上坡状态，如力矩实测数值变大，而速度没有变化，则为上坡状态；设定力矩模拟值阈值，当力矩模拟值达到设定的力矩模拟值阈值时，如果此时速度变快，说明是加速度状态，则档位不变，如果速度变慢，说明是上坡状态，则按程序表定义的程式调整档位。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)克服了自动变速器只能用在内变速后花鼓的缺点，能够应用在山地车上，开拓了自动变速器的市场前景；

2)本发明采用外置自动变速器，在骑行过程中自动变速是根据自行车的车速变化的快慢自动完成，不需要手操纵，从根本上取代了手操作变速；

3)自动变速器的电机采用直流电机，通过控制模组，控制模组上集成了MCU控制单元，可以精确的控制电机转动的步数和通电的时间，从而可以做到精确的变速效果；

4)自动变速器的控制模组与力矩传感器和速度传感器相互之间采用无线信号传输，节省空间，减少安装工作量，并且避免地了因线路断路而导致的故障，降低了故障率及维修成本。

5)本发明通过传感器实时读取骑行者的踏力和速度做为自动变速的基础，可以保证骑行者不管是在上坡还是在平路脚上的踏力都是恒定的，脚上用的力都是一样的，不一样的只有速度，增加了骑行的舒适度。

6)本发明的变速组合经程式设定，符合山地车的变速规范，可以避免部份骑行者不懂变速规范强行非法变速而损坏变速装置，增加了山地自行车的寿命

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明的自动变速自行车整体结构示意图；

图2为本发明的自动变速器装设于自动变速自行车的后下叉的结构示意图；

图3为本发明的自动变速器的结构示意图；

图4为本发明的自动变速器的局部剖示图；

图5为本发明的自动变速器的分解结构示意图；

图6为本发明的外置自动变速器的工作方法流程示意图。

其中：1、前变速指拔；2、前变速线套；3、后变速线套；4、刹把；5、后变速指拔；6、前刹车器；7、轮胎；8、辐条；9、前花鼓；11、自动变速器；12、脚踏；13、前变牙盘；141、中轴；142、力矩传感器；143、速度传感器；15、链条；16、自动变速器前变速线； 17、自动变速器后变速线；18、前拔链器；19、后花鼓；20、后拔链器；21、后变飞轮；23、后刹车器；111、变速线；112、左端盖；113、轴承；114、移动套；115、螺杆；116、外壳；117、轴承；118、固定座；119、电机；1110、控制板；1111、电源线，1112、右端盖。

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明。

如图1至图2所示，一种变速自行车的自动变速装置，其包括：自动变速器11，该自动变速器11装设于该自行车的后下叉、后上叉、下管或上管等任何可以安装的位置；以及一个信息连接该自动变速器11的力矩传感器142和速度传感器143，力矩传感器142和速度传感器143可以安装在中轴、后勾爪或者任何可以安装的地方。一台山地自行车可以安装一个或者两个自动变速，牙盘只有一片齿轮的只安装一个自动变速器，牙盘齿轮有2片或者2片以上的安装两个自动变速器11。自动变速器11的左端盖2和右端盖12上有一个安装孔，可直接用螺丝固定在车架的相应位置上，变速线111安装在后拔链器20(前拔链器18)上。

如图3至图5所示，具体的，所述变速线111的一端直接固定在变速自行车的前拔链器18和后拔链器20上，另一端穿过左端盖112固定在移动套114上；移动套114的内牙镶嵌在螺杆115上，螺杆115两端通过轴承分别固定在左端盖112及固定座118上；步进电机119锁固于固定座118上并且电机119的转轴与螺杆115相连，左端盖112及右端盖1112及固定座118分别锁固于变速器外116壳上。

具体的，控制模组和步进电机119电连接，控制模组的控制板1110上集成了MCU控制单元，控制模组固定在右端盖1112上。

具体的，自动变速器的控制板1110上的MCU控制单元与力矩传感器142和速度传感器143相互之间采用无线信号或有线信号传输。

具体的，该步进电机119与控制板1110连接。

一种自动变速自行车，包括上述任一所述变速自行车的自动变速装置，自动变速器11安装于车架上，力矩传感器142和速度传感器143安装于中轴141上，自动变速器与变速自行车的拔链器连接。

自动变速器的变速原理：控制模组1110上集成了MCU控制单元内部可写入程式，程式可跟据所接收的力矩信号或速度信号计算出需要变速的步数，然后控制电机119的正反转来带动螺杆115的正反转，螺杆115的正反转带动移动套114的左右移动，移动套114的左右移动带动变速线111的伸缩，变速线111的另一端直接固定在自行车的拔链器上从而实现变速。因为电机119是步进电机，通过控制板1110可以精确的控制电机119转动的步数和通电的时间，从而可以做到精确的变速效果。

骑行时，自动变速器11会自动读取力矩传感器142和速度传感器143的数值，通过计算得出当前的骑行状态并做出判断进行加档或减档操作，有了自动变速器之后可以取消前指拔1和前变速线2，可以取消后指拔5和后变速线3。

如图6所示，一种自动变速自行车的自动变速的方法，包括以下步骤：

步骤a.建立力矩实际测得数值和力矩模拟值的对应关系，力矩实际测得数值变化达到一单元数值时，力矩模拟值则相应的增加或减少；

步骤b.设置程序表，建立力矩模拟值、速度和档位之间的对应关系；

步骤c.自动变速器自动读取力矩传感器所实际测得的力矩数值，分析之后查询所测力矩数值在程序表中所对应的力矩模拟值的位置；

步骤d.自动变速器自动读取速度传感器的实测数值，查询所测速度数值在程序表中所在的位置；

步骤e.根据程序表定义的程式，判断是否需要进行加档或减档的操作，如需要进行加档或减档的操作，则自动变速器的控制模组发出指令控制执行机构加档或减档，如不需要进行加档或减档操作；

步骤f、返回步骤c。

具体的，还包括以下步骤：

自动变速器能实时记录当前所在档位，关掉自动变速器之后也能保存当前的档位，这样可以保证自动变速器不会跳出程序表所设置的范围。

具体的，步骤a内力矩模拟值是自定义的分组，步骤b程序表内的数值，可根据实测数据和骑行特性、骑行习惯由骑行者自行定义。

具体的，步骤c中自动变速器自动读取力矩传感器所实际测得的力矩数值变化未达到一单元数值时，力矩模拟值则不变。

具体的，还设置有一个速度标志位，通过比较连续两次速度采样的结果判断当时的骑行状态是加速度状态还是上坡状态，如力矩实测数值变大，而速度没有变化，则为上坡状态；设定力矩模拟值阈值，当力矩模拟值达到设定的力矩模拟值阈值时，如果此时速度变快，说明是加速度状态，则档位不变，如果速度变慢，说明是上坡状态，则按程序表定义的程式调整档位。

下面对本发明的工作方法进行进一步介绍：

以变速组合27档为例，前变牙盘共3个齿轮档位，后变飞轮共9个齿轮档位，前变牙盘的第1个齿轮档位分别和后变飞轮的5、6、7、8、9个齿轮档位组合；前变牙盘的第2个齿轮档位分别和后变飞轮的2、3、4、5、6、7、8个齿轮档位组合；前变牙盘的第3个齿轮档位分别和后变飞轮的1、2、3个齿轮档位组合。如果链条不在此范围内就自动逐步变到此范围。

假设力矩实际测得数值和力矩模拟值的对应关系：实际测得数值变化单元数值为2N.M，力矩模拟值的变化为1，也是实说，实际测得数值变化单元数值为4N.M，力矩模拟值的变化 为2，依次类推。

设置程序表，建立力矩模拟值、速度和档位之间的对应关系，示例如下表：

由于自动变速器能实时记录当前所在档位，关掉自动变速器之后也能保存当前的档位，这样可以保证自动变速器不会跳出程序表所设置的范围，同时，自动变速器会实时知道当前的链条落在哪些齿轮档位上，在启动状态时，假设当前链条在前变牙盘的第3个齿轮档位，在后变飞轮的第1齿轮档位，速度为零，则：

1、当开始骑行时，跟据程序表中的定义，开始骑行速度一定是在25KM/H以下，读力矩实测数值，如果此时力矩实测数值是6N.M，则对应的力矩模拟值为3，首先把前变牙盘变到第2齿轮档位，则后变飞轮无论处在第2、3、4、5、6、7、8齿轮档位的任何一个档位上均保持不变，此时的变速组合是适合启步的。而当前状态后变飞轮在第1齿轮档位，则调整到程序表范围内的第2齿轮档位。

2、如果此时力矩实测数值是4N.M或2N.M，则对应的力矩模拟值为2或1，首先把前变牙盘变到第2齿轮档位上，后变飞轮如为第2齿轮档位，则保持不变，如后变飞轮为第3、4、5、6、7、8齿轮档位中任何一档位，则向下调一档。而当前状态后变飞轮在第1齿轮档位，则调整到程序表范围内的第2齿轮档位。

3、如果此时力矩实测数值是8N.M，则对应的力矩模拟值为4，首先把前变牙盘变到第2齿轮档位，后变飞轮在第2、3、4、5、6、7齿轮档位中任何一个档位时，则上调一个档位，变成第3、4、5、6、7、8齿轮档位。

4、当实测力矩值在10N.M时，则对应的力矩模拟值为5，首先把前变牙盘变到第1齿轮档位，后变飞轮逐步变到5档。

5、在所有变速过程中，只要是力矩值在增加的情况下，都要读取速度标志位，如果此时是力矩增加速度变快，说明是想加速度，档位变速保持不变，如果此时力矩增加速度是变慢，说明是上坡状态，则按程序表定义的程式把档位进行相应的调整。

而力矩实测数值的变化未达单元数值2N.M时，则力矩模拟值没有变化，仍保持原档位组合。自动变速器持续读取力矩及速度值，如需要进行加档或减档的操作，则自动变速器的控制模组发出指令控制执行机构加档或减档。

程序表内的数值可跟据骑行者的骑行习惯，由骑行者自行调整，力矩模拟值是自定义的分组，可跟据实测数据和骑行特性由骑行者自行定义，如可以设定3N.M或3.5N.M为单元数值。

本发明是根据自行车的车速变化及力矩的变化自动完成变速，不需要手操纵，从根本上取代了手操作变速；

以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，其中各部件的局部结构、连接方式可以根据实际情况有所调整，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。

Claims (3)

1.一种自动变速自行车的自动变速的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.建立力矩实际测得数值和力矩模拟值的对应关系，力矩实际测得数值变化达到一单元数值时，力矩模拟值则相应的增加或减少；

b.设置程序表，建立力矩模拟值、速度和档位之间的对应关系；

c.自动变速器自动读取力矩传感器所实际测得的力矩数值，分析之后查询所测力矩数值在程序表中所对应的力矩模拟值的位置；

d.自动变速器自动读取速度传感器的实测数值，查询所测速度数值在程序表中所在的位置；

e.根据程序表定义的程式，判断是否需要进行加档或减档的操作，如需要进行加档或减档的操作，则自动变速器的控制模组发出指令控制执行机构加档或减档；

f、返回步骤c；

步骤a内力矩模拟值是自定义的分组，步骤b程序表内的数值，可根据实测数据和骑行特性、骑行习惯由骑行者自行定义；步骤c中自动变速器自动读取力矩传感器所实际测得的力矩数值变化未达到一单元数值时，力矩模拟值则不变。

2.根据权利要求1所述的自动变速自行车的自动变速的方法，其特征在于，还包括以下步骤：自动变速器能实时记录当前所在档位，关掉自动变速器之后也能保存当前的档位，这样可以保证自动变速器不会跳出程序表所设置的范围。

3.根据权利要求1所述的自动变速自行车的自动变速的方法，其特征在于，还设置有一个速度标志位，通过比较连续两次速度采样的结果判断当时的骑行状态是加速度状态还是上坡状态，如力矩实测数值变大，而速度没有变化，则为上坡状态；如果此时速度变快，说明是加速度状态，则档位不变，如果速度变慢，说明是上坡状态，则按程序表定义的程式调整档位。