CN106043583A - 带电动自行车运行状态判别功能的中轴倒刹信号传递装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带电动自行车运行状态判别功能的中轴倒刹信号传递装置，其核心设计是在作为倒刹偏转构件的拨盘和中轴齿轮上安装双磁环，并设置分别感应双磁环的两个相位感应霍尔，确保控制器能够通过获取两个相位感应霍尔输出的相位差信号来判别电机的运行状态，例如是处于前进状态，还是自由状态，还是倒刹状态，并据此向电机发出合适的指令以满足非倒刹情况下的减速和停车需求，防止电动自行车飞车。其还在拨盘和中轴齿轮之间增加了弹性复位件，通过调节弹力可改变倒刹时的蹬力，给予人脚合适的刹车反馈力，从而消除“空蹬”，或者未蹬到位的现象，提高产品使用的舒适感；并起到一定的缓冲作用，保护电机提高其使用寿命。

Description

带电动自行车运行状态判别功能的中轴倒刹信号传递装置

技术领域

本发明涉及一种带电动自行车运行状态判别功能的中轴倒刹信号传递装置。

背景技术

倒刹机构是运用踏板来产生刹车效果的机构，即提供利用链条受曲柄反蹬倒转时，与设置在轮毂轴内的刹车机构联动，从而产生对后轮进行刹车的动作。这种刹车机构在过去的老式传统自行车上运用较多，目前我们国家已经比较少见，但在一些国家和地区还有着较大的需求，并且某些还作为自行车安全刹车制动机构的标准来运用。

随着电动（助力）自行车在全球范围内的广泛推广和发展，上述倒刹机构自然也会运用至部分电动自行车上。实际运用时为了防止电机高速运转中倒刹造成电机损坏和诸多安全问题，已知的电动自行车通常都在中轴上安装倒刹信号传递装置作为倒刹时的前置电机制动装置。这类装置主要以霍尔元件作为制动时信号传递的核心部件，其原理是通过霍尔元件来感应受蹬力偏转的构件上的磁体的磁通变化，进而产生制动信号对电机实施制动。

目前运用较多的倒刹信号传递装置中，相对偏转的构件主要选择中轴和牙盘或牙盘的相关定位构件，通过固定其一的霍尔元件来感应另一个上的单磁钢的磁通变化来产生刹车信号。但经长期实践，发现存在如下缺陷：

1）装置只能机械的根据磁通变化下达刹车信号，而无法判别电动自行车的实际运行状态，并根据状态提前给予电机适合的指令，这样会严重影响骑行安全。例如：当电动自行车在正常骑行时，用户松开脚踏需要下车（未倒刹到位，倒刹机构不动作），此时控制器由于接收不到准确的倒刹信号认为电动自行车还在前进，既不会控制电机停止运行，也不会给电机发出减速的指令，从而造成“飞车”（电动自行车停不下来）的情况。

2）装置的偏转构件之间缺乏弹力机构来提供一定的缓冲作用，容易在倒蹬时对电机造成损伤，减少其使用寿命。

3）装置无法调节刹车蹬力，也即不能给予人脚以合适的刹车反馈力，用户常常在倒刹时有“空蹬”，或者未蹬到位的感觉，大大影响产品的舒适体验。

发明内容

本发明目的是：针对背景技术中存在的问题，而提供一种能够判别电动自行车的实际运行状态，并据此向电机发出准确且合适的指令以满足非倒刹情况下的减速和停车需求的中轴倒刹信号传递装置，该装置同时可对刹车反馈力进行调节，具有更高的工作可靠性和使用舒适性。

本发明的技术方案是：一种带电动自行车运行状态判别功能的中轴倒刹信号传递装置，包括信号产生装置和用于接收该信号以制动电机的控制器，所述信号产生装置包括安装在车架上的中轴、套设在中轴上的中轴齿轮和固定在中轴上的牙盘，所述牙盘经链条与安装在车轮轮毂上的刹车机构相连；其特征在于：

所述中轴上固定或一体设有拨盘，而中轴齿轮上设有与拨盘配合的中孔，所述拨盘上沿圆周径向发散设有若干拨杆，所述中孔内壁对应各拨杆设有供其左右摆动的限位槽，且限位槽内的拨杆两侧均抵设有弹性复位件；

还包括线圈信号引出机构和霍尔感应组件，所述线圈信号引出机构包括固定在车架上的第一线圈骨架及固定在中轴或拨盘上的第二线圈骨架，所述第一线圈骨架上绕有第一感应线圈，而第二线圈骨架上绕有与第一感应线圈同心配置的第二感应线圈，所述第一感应线圈与所述控制器电连接；

所述霍尔感应组件包括固定在中轴齿轮上的第一磁环、固定在拨盘或中轴上并与第一磁环同心布置的第二磁环、倒刹感应霍尔和相位感应霍尔组；所述倒刹感应霍尔与中轴或者拨盘或者第二线圈骨架固定，并与第二感应线圈电连接，用于感应第一、二磁环之间的磁通变化量；而所述相位感应霍尔组包括固定在第一线圈骨架上并与第一感应线圈电连接的第一相位感应霍尔和第二相位感应霍尔，其中第一相位感应霍尔与第一磁环相对，而第二相位感应霍尔与第二磁环相对。

进一步的，本发明中所述电机为中置电机，该中置电机的输出轴上固定有输出齿轮，所述输出齿轮经减速器与中轴齿轮传动连接。当然对于中置电机的具体结构和装配方式均为公知技术，本发明中不再详述。

进一步的，本发明中所述拨杆沿拨盘圆周等角度间隔分布。

进一步的，本发明中所述径向弹性复位件为弹簧，所述限位槽两侧的内壁上均开有容纳所述弹簧的弹簧安装孔。

进一步的，本发明中所述第一磁环直径大于第二磁环，所述第二磁环位于第一磁环内圈。

进一步的，本发明中所述第一磁环和第二磁环均具有交替分布的S、N磁极；所述控制器通过接收第一相位感应霍尔和第二相位感应霍尔输出的对应磁环的磁极变化信号的先后来获取相位差，进而判别电动自行车的运行状态。具体为：

1）第一相位感应霍尔与第二相位感应霍尔输出同时输出磁极变化信号时，无相位差，控制器判定电动自行车为自由状态（静止状态），不控制电机运转；

2）第二相位感应霍尔输出磁极变化信号超前于第一相位感应霍尔时，为超前相位差，控制器判定电动自行车处于前进状态，控制电机正常运转；

3）前进中的电动自行车回到前述自由状态，即第一相位感应霍尔与第二相位感应霍尔输出同时输出磁极变化信号时，无相位差，控制器判定电动自行车需要减速，控制电机做匀减速状态；

4）第二相位感应霍尔输出磁极变化信号滞后于第一相位感应霍尔时，为滞后相位差，控制器判定电动自行车处于倒刹状态，控制电机停止运转。

进一步的，本发明中所述倒刹感应霍尔位于第一磁环和第二磁环之间，该倒刹感应霍尔通过与之对应的第一磁环上的磁极的极性变动来感应磁通量变化，进而向控制器输出倒刹信号。

进一步的，本发明中所述中轴齿轮与中轴之间设有轴承。

本发明中涉及的所述中轴，其两端同常规技术一样通过曲柄安装脚踏。

需要说明，本发明是电动自行车倒刹机构的前置电机制动装置（仅承担信号传递功能），对于涉及的与链盘经链条相连并安装在车轮（后轮）轮毂上的刹车机构为公知技术，其结构、装配方式和动作原理均可参加现有技术，同样，控制器对电机的电路连接控制技术也为公知技术，本发明对其不再详述。

本发明的优点是：

1．本发明装置的主要设计核心是双磁环和两个相位感应霍尔，借助这套设计能够判别电动自行车的运行状态，例如是处于前进状态，还是自由状态，还是倒刹状态，据此给予电机准确且合适的指令，而非只是机械的输出并执行倒刹指令。尤其是当电动自行车处于自由状态时，控制器能够给电机发出减速的指令，确保骑行者在未执行倒刹情况下需要减速或者停车时不会出现“飞车”的状况，大大提高了电动自行车的可靠性和骑行安全性。

2. 本发明装置的第二个核心设计是在拨盘和中轴齿轮（两个偏转构件）之间增加了弹性复位件，由于可以对弹性复位件的弹力进行调节，改变倒刹时的蹬力，从而给予人脚以合适的刹车反馈力，故该设计亦消除了常规产品倒刹时的“空蹬”，或者未蹬到位的现象，大大提高了产品使用的舒适感。

3. 本发明在拨盘和中轴齿轮之间引入弹性复位件，此设计亦可在倒蹬的时候给予传动机构一定的缓冲作用，从而对电机起到一定的保护作用，防止其部件过早损耗，这有利于提高电机使用寿命。

4. 本发明通过同心配置的两个感应线圈传输信号及为倒刹感应霍尔充电，为非接触式信号传递和充电，相比原有的连线接触式传递机构，不会出现引出线路纠缠和损坏的情况，简化了结构，便于设计人员安装的同时，也使得本发明装置整体的工作灵敏度和可靠性更高。并且感应线圈间的非接触方式在结构布局配置时无需考虑太多因素，也无需采用复杂精密的机械式防干涉线路引出机构，安装速度更快，可以大大提高生产效率，同时节约生产成本。

5. 本发明的装置中将倒刹部分和相位判别部分巧妙结合，整体结构紧凑，布局合理，易于装配实施的同时，又节省了空间。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构主剖面图；

图2为电动自行车自由状态（无蹬力）的拨盘和大齿轮配合结构剖视图（带有霍尔元件和磁环位置关系）；

图3为电动自行车前进状态（人前蹬）的拨盘和大齿轮配合结构剖视图（带有霍尔元件和磁环位置关系）；

图4为电动自行车倒刹状态（人倒蹬）的拨盘和大齿轮配合结构剖视图（带有霍尔元件和磁环位置关系）。

其中：1、车架；2、中轴；3、中轴齿轮；4、拨盘；4a、拨杆；5、限位槽；5a、弹簧安装孔；6、第一线圈骨架；7、第二线圈骨架；8、第一感应线圈；9、第二感应线圈；10、第一磁环；11、第二磁环；12、倒刹感应霍尔；13、第一相位感应霍尔；14、第二相位感应霍尔；15、弹簧；16、轴承。

具体实施方式

实施例：结合图1~图4所示，对本发明带电动自行车运行状态判别功能的中轴倒刹信号传递装置的具体实施方式进行说明。

本实施例具体装配在采用中置电机的电动自行车上，由信号产生装置和用于接收该信号以制动电机的控制器共同组成，如图1所示，其中电机和控制器省略。信号产生装置的常规结构为：车架1、安装在车架1上的中轴2、藉由轴承16套设在中轴2上的中轴齿轮3和固定在中轴2上的牙盘（省略），所述牙盘经链条与安装在车轮（后）轮毂上的刹车机构（图中省略）相连。同现有技术一样，该中置电机的输出轴上固定有输出齿轮，所述输出齿轮经减速器与中轴齿轮3传动连接。中轴2的两端同常规技术一样通过曲柄安装脚踏（图中省略）。当然对于中置电机的具体结构和装配方式均为公知技术，本发明中不再详述。本发明核心改进如下：

本实施例中在信号产生装置中的中轴2上键槽配合（见图2~4）固定有拨盘4，而中轴齿轮3上设有与拨盘4配合的中孔，所述拨盘4上沿圆周等角度间隔径向发散设有三个拨杆4a，所述中孔内壁对应各拨杆4a设有供其左右摆动的限位槽5，且限位槽5内的拨杆4a两侧均抵设有弹簧15。所述弹簧15被安置在限位槽5两侧内壁上相应开有的弹簧安装孔5a内。

信号产生装置还包括线圈信号引出机构和霍尔感应组件。

本实施例中所述线圈信号引出机构的构成如下：其具有通过螺钉固定在车架1上的第一线圈骨架6及与拨盘4固定的第二线圈骨架7，所述第一线圈骨架6上绕有第一感应线圈8，而第二线圈骨架7上绕有与第一感应线圈8同心配置的第二感应线圈9，所述第一感应线圈8与所述控制器电连接。

本实施例中所述霍尔感应组件的组成如下：其具有固定在中轴齿轮3上的第一磁环10、固定在拨盘4上并与第一磁环10同心布置的第二磁环11、倒刹感应霍尔12和相位感应霍尔组；前述第二线圈骨架7实际上是与第二磁环11通过螺钉锁紧的。所述倒刹感应霍尔12与第二线圈骨架7固定，并与第二感应线圈9电连接，用于感应第一、二磁环10、11之间的磁通变化量；而所述相位感应霍尔组由固定在第一线圈骨架6上并与第一感应线圈8电连接的第一相位感应霍尔13和第二相位感应霍尔14共同组成，其中第一相位感应霍尔13与第一磁环10相对，而第二相位感应霍尔14与第二磁环11相对。

上述结构中，第一磁环10与中轴齿轮3同步转动，而第二感应线圈9、第二磁环11、倒刹感应霍尔12和拨盘4则与中轴2同步转动。

工作原理说明：

利用无线充电原理，由第一感应线圈8给第二感应线圈9供电，从而使得与第二感应线圈9相连的倒刹感应霍尔12可以正常工作（见图1所示），同样的倒刹感应霍尔12的信号也由第二感应线圈9经第一感应线圈8输出至控制器。

结合图2~图4所示，本发明的工作原理通过下面三种（电动自行车）的工作状态来说明：A、自由状态；B、前进状态；C、倒刹状态。

A、自由状态，如图2所示，即停车状态：

a、脚踏上无蹬力，中轴2不受力不会带动拨盘4转动，故拨杆4a两侧的弹簧15均未发生形变；

b、倒刹感应霍尔12上下的第一和第二磁环10、11之间无相对转动（第一磁环10上与倒刹感应霍尔12相对的磁极始终为S极），见图2，倒刹感应霍尔12无法感应到磁通变化，所以不输出倒刹信号；

c、第一磁环10与第二磁环11之间相对的磁极相同，即极性方向相同，此时两个相位感应霍尔13、14可以同时感应到输出信号所需的磁场，所以无相位差，不输出相位差信号；

d、控制器未接收到相位差信号，判定车辆处于静止状态，不控制电机运转（非制动）。

B、前进状态，如图3所示：

a、此时人脚蹬使得中轴2受力，中轴2带动拨盘4转动从而使得与拨盘4固定的第二磁环11转动一定角度，拨杆4a两侧的弹簧15均发生形变；

b、倒刹感应霍尔12上下的第一和第二磁环10、11之间虽然有相对转动，但第一磁环10上与倒刹感应霍尔12相对的磁极依旧为S极，见图3，倒刹感应霍尔12无法感应到磁通变化，所以不输出倒刹信号；

c、因在人前蹬过程中，第二磁环11相对第一磁环10向前转动一定角度，故两者极性方向发生变化，由于第二相位感应霍尔14比第一相位感应霍尔13超前感应到输出信号所需的磁场，所以两个相位感应霍尔13、14的输出信号出现了先后，从而产生了相位差，此时我们称这个相位差为超前相位差，控制器接收到这个相位差后判定此时车辆处于前进状态，控制电机正常运转，电机进而通过中轴齿轮3驱动中轴2转动，给予骑行助力，第一磁环10随中轴齿轮3和第二磁环11同步旋转；

d、此时如果撤去对中轴2的作用力（即前蹬力解除），中轴2（拨盘4）由于拨杆4a两侧弹簧15的复位作用将恢复到如图2所示的自由状态，倒刹感应霍尔12上下的第一和第二磁环10、11之间无相对转动（第一磁环10上与倒刹感应霍尔12相对的磁极始终为S极），见图2，倒刹感应霍尔12无法感应到磁通变化，所以不输出倒刹信号；控制器既未接收到倒刹信号，也接收不到相位差信号，据此判断电动自行车行进中需要减速，而不是像常规技术那样直接判断电动自行车保持前进状态，故控制器发出指令控制电机做匀减速运动，使得电动自行车可以匀速、缓慢地减速，而不会让电动自行车出现飞车的情况。

C、倒刹状态，如图4所示：

a、此时人后蹬使得中轴受力，中轴2带动拨盘4反转从而使得与拨盘4固定的第二磁环11也反转一定角度，拨杆4a两侧的弹簧15均发生形变；

b、倒刹感应霍尔12上下的第一和第二磁环10、11之间发生相对转动，第一磁环10上与倒刹感应霍尔12相对的磁极变为N极，见图4，倒刹感应霍尔12感应到磁通变化，所以输出倒刹信号；

c、因在人后蹬过程中，第二磁环11相对第一磁环10向后转动一定角度，故两者极性方向也发生变化，由于第二相位感应霍尔14比第一相位感应霍尔13滞后感应到输出信号所需的磁场，所以两个相位感应霍尔13、14的输出信号也出现了先后，从而产生了相位差，此时我们称这个相位差为滞后相位差，控制器接收到这个相位差信号和前述倒刹信号之后判定此时车辆处于倒刹状态，直接控制电机停止运转，同时牙盘经链条驱动车轮轮毂上的刹车机构动作对电动自行车实施制动，直到其停止。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种带电动自行车运行状态判别功能的中轴倒刹信号传递装置，包括信号产生装置和用于接收该信号以制动电机的控制器，所述信号产生装置包括安装在车架（1）上的中轴（2）、套设在中轴（2）上的中轴齿轮（3）和固定在中轴（2）上的牙盘，所述牙盘经链条与安装在车轮轮毂上的刹车机构相连；其特征在于：

所述中轴（2）上固定或一体设有拨盘（4），而中轴齿轮（3）上设有与拨盘（4）配合的中孔，所述拨盘（4）上沿圆周径向发散设有若干拨杆（4a），所述中孔内壁对应各拨杆（4a）设有供其左右摆动的限位槽（5），且限位槽（5）内的拨杆（4a）两侧均抵设有弹性复位件；

还包括线圈信号引出机构和霍尔感应组件，所述线圈信号引出机构包括固定在车架（1）上的第一线圈骨架（6）及固定在中轴（2）或拨盘（4）上的第二线圈骨架（7），所述第一线圈骨架（6）上绕有第一感应线圈（8），而第二线圈骨架（7）上绕有与第一感应线圈（8）同心配置的第二感应线圈（9），所述第一感应线圈（8）与所述控制器电连接；

所述霍尔感应组件包括固定在中轴齿轮（3）上的第一磁环（10）、固定在拨盘（4）或中轴（2）上并与第一磁环（10）同心布置的第二磁环（11）、倒刹感应霍尔（12）和相位感应霍尔组；所述倒刹感应霍尔（12）与中轴（2）或者拨盘（4）或者第二线圈骨架（7）固定，并与第二感应线圈（9）电连接，用于感应第一、二磁环（10、11）之间的磁通变化量；而所述相位感应霍尔组包括固定在第一线圈骨架（6）上并与第一感应线圈（8）电连接的第一相位感应霍尔（13）和第二相位感应霍尔（14），其中第一相位感应霍尔（13）与第一磁环（10）相对，而第二相位感应霍尔（14）与第二磁环（11）相对。

2.根据权利要求1所述的带电动自行车运行状态判别功能的中轴倒刹信号传递装置，其特征在于所述电机为中置电机，该中置电机的输出轴上固定有输出齿轮，所述输出齿轮经减速器与中轴齿轮（3）传动连接。

3.根据权利要求1所述的带电动自行车运行状态判别功能的中轴倒刹信号传递装置，其特征在于所述拨杆（4a）沿拨盘（4）圆周等角度间隔分布。

4.根据权利要求1所述的带电动自行车运行状态判别功能的中轴倒刹信号传递装置，其特征在于所述径向弹性复位件为弹簧（15），所述限位槽（5）两侧的内壁上均开有容纳所述弹簧（15）的弹簧安装孔（5a）。

5.根据权利要求1所述的带电动自行车运行状态判别功能的中轴倒刹信号传递装置，其特征在于所述第一磁环（10）直径大于第二磁环（11），所述第二磁环（11）位于第一磁环（10）内圈。

6.根据权利要求1所述的带电动自行车运行状态判别功能的中轴倒刹信号传递装置，其特征在于所述第一磁环（10）和第二磁环（11）均具有交替分布的S、N磁极；所述控制器通过接收第一相位感应霍尔（13）和第二相位感应霍尔（14）输出的对应磁环的磁极变化信号的先后来获取相位差，进而判别电动自行车的运行状态。

7.根据权利要求1所述的带电动自行车运行状态判别功能的中轴倒刹信号传递装置，其特征在于所述倒刹感应霍尔（12）位于第一磁环（10）和第二磁环（11）之间，该倒刹感应霍尔（12）通过与之对应的第一磁环（10）上的磁极的极性变动来感应磁通量变化，进而向控制器输出倒刹信号。

8.根据权利要求1所述的带电动自行车运行状态判别功能的中轴倒刹信号传递装置，其特征在于所述中轴齿轮（3）与中轴（2）之间设有轴承（16）。