CN106114748A - 电动自行车及其变速辅助装置和变速控制方法 - Google Patents

电动自行车及其变速辅助装置和变速控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种装载中置电机的电动自行车及其变速辅助装置和变速控制方法，其中变速辅助装置包括：中轴转向检测部分，其能够检测所述中置电机的中轴的反转信号，并将该反转信号向外输出；电机控制部分，其与所述中轴转向检测部分和所述中置电机均相连，该电机控制部分接收所述中轴转向检测部分输出的所述反转信号，并且当该电机控制部分接收到所述反转信号后，其控制所述中置电机的驱动电流被削减或切断，从而传动链条所受到的张紧力减小，保证后续变速换挡动作能够轻盈顺畅的进行，提升电动自行车骑行的舒适性。

Description

电动自行车及其变速辅助装置和变速控制方法
技术领域
本申请涉及电动自行车变速控制技术领域，尤其是一种装载中置电机的电动自行车及其变速辅助装置和变速控制方法。
背景技术
参照图1所示，现有技术中，带中置电机的电动自行车在骑乘者操控变速过程中，因中置电机持续工作而使前齿盘5和后飞轮7之间的传动链条6持续保持张紧状态，传动链条6会撞击后飞轮7而发出噪音，且可能因链条张紧力过大对变速系统造成结构性损坏并使变速系统失效。
部分电动自行车制造商或使用者为降低变速系统的故障而不得不花费很高的成本购买并添加变速自动断电装置，导致电动自行车的成本大大增加。
发明内容
本申请的第一个目的是：针对背景技术中的问题，提供一种装载中置电机的电动自行车的变速辅助装置。
为了达到上述第一个目的，本申请的技术方案是：
一种装载中置电机的电动自行车的变速辅助装置，包括：
中轴转向检测部分，其能够检测所述中置电机的中轴的反转信号，并将该反转信号向外输出；
电机控制部分，其与所述中轴转向检测部分和所述中置电机均相连，该电机控制部分接收所述中轴转向检测部分输出的所述反转信号，并且当该电机控制部分接收到所述反转信号后，其控制所述中置电机的驱动电流被削减或切断。
该变速辅助装置在上述技术方案的基础上，还包括以下优选方案：
当所述电机控制部分接收到所述反转信号后，其控制所述中置电机的驱动电流被切断或者削减至空载电流。
所述中轴转向检测部分还能够检测所述中置电机的中轴的正转信号，并将其检测到的所述正转信号向外输出至所述电机控制部分，所述电机控制部分接收到所述正转信号后，该电机控制部分恢复所述中置电机的输出力矩。
所述中轴转向检测部分检测的所述中轴的正转信号包括所述中轴的正转角度信号，当所述电机控制部分接收到所述轴转向检测部分传送过来中轴的正转角度达到预设值时，该电机控制部分恢复所述中置电机的输出力矩。
所述预设值大于或等于电动自行车完成变速动作所需要的中轴转动角度。
所述中轴转向检测部分包括：
磁体，其被配置在所述中置电机的中轴外围，且与所述中轴相对固定；
磁感应元件，其被间隔配置在所述磁体的侧部，且与所述中置电机的壳体相对固定。
所述磁体为磁环或磁钢，所述磁感应元件为霍尔元件。
所述中轴转向检测部分为设置在所述中轴处的光栅传感器。
所述中轴转向检测部分可是检测中轴转向力矩的力矩传感装置，也可以是检测中轴转向速度的速度传感装置。
所述电机控制部分为所述中置电机自身的电机控制器。
本申请的第二个目的是：针对背景技术中的问题，提供一种装载中置电机的电动自行车。
为了达到上述第二个目的，本申请的技术方案是：一种装载中置电机的电动自行车，其包括上述的变速辅助装置。
本申请的第三个目的是：针对背景技术中的问题，提供一种装载中置电机的电动自行车的变速控制方法。
为了达到上述第三个目的，本申请的技术方案是：
一种装载中置电机的电动自行车的变速控制方法，其采用了上述的变速辅助装置，该方法包括：在所述中置电机通电运行而带动所述电动自行车前行的过程中，通过脚踏带动所述中置电机的中轴反转，中轴转向检测部分检测到所述中轴的反转信号，并将该反转信号输送至所述电机控制部分，电机控制部分接收到此反转信号后，其控制中置电机的驱动电流被切断或者控制中置电机的输出力矩被削减，在该中置电机的驱动电流被切断或者输出力矩被削减的这段时间内，完成对电动车自行车的手动选档动作。
作为优选，完成对电动车自行车的手动选档动作后，通过脚踏带动所述中置电机的中轴正向转动，中轴转向检测部分检测到所述中轴的正转信号，并将该正转信号输送至所述电机控制部分，电机控制部分接收到此正转信号后，其恢复中置电机的输出力矩。
作为优选，当所述电机控制部分接收到所述轴转向检测部分传送过来中轴的正转信号后，再延时一定时间，该电机控制部分恢复所述中置电机的输出力矩。
对于内变速系统，当所述电机控制部分接收到所述轴转向检测部分传送过来中轴的正转信号后，该电机控制部分不需延时而立即恢复所述中置电机的输出力矩。
本申请的优点是：
本申请这种电动自行车变速辅助装置借助两个具有相应功能的中轴转向检测部分和电机控制部分来协助电动自行车的变速操作，只需骑行者在变速操作前反向踩踏自行车踏板，便能够减小传动链条的张紧力，从而保证后续变速换挡动作能够轻盈顺畅的进行。而且所述中轴转向检测部分和电机控制部分可直接利用电动自行车中置电机的自身结构而形成，无需额外增加部件，节省了零部件成本。同时，正反转信号的利用和软件程序修改，将不会涉及电动自行车机械和电子器件的变更升级，可在低成本状态下更加完善实现变速轻盈顺畅的功能。
附图说明
下面结合附图及实施例对本申请作进一步描述：
图1为电动自行车链条传动结构的示意图；
图2为本申请实施例中变速辅助装置的结构示意图；
图3为本申请实施例中变速辅助装置的局部结构示意图；
图4为本申请实施例中自行车变速控制流程图；
图5为前齿盘外变速系统的变速原理图；
图6为后飞轮外变速系统的变速原理图；
其中：1-中置电机，2-中轴，3-中轴转向检测部分，301-磁体，302-磁感应元件，4-电机控制部分，5-前齿盘，6-传动链条，7-后飞轮，8-上下链辅助装置。
具体实施方式
图2和图3示出了本申请这种变速辅助装置的一个具体实施例，该变速辅助装置应用在装载有中置电机的电动自行车上。众所周知，现有电动自行车的中置电机1均包括壳体和旋转穿设在壳体的中轴2，实际应用时，将电机壳体与自行车车架固定，中轴2旋转穿设在车架五通管中并将其轴向两端与自行车上带脚踏的曲柄相连。
本实施例这种变速辅助装置主要包括中轴转向检测部分3和电机控制部分4，其中，中轴转向检测部分3能够检测中置电机1的中轴2的反转信号，并将该反转信号向外输出。电机控制部分4与所述中轴转向检测部分3和所述中置电机1均相连，其能够接收所述中轴转向检测部分3输出的反转信号，并且当该电机控制部分4接收到所述反转信号后，该电机控制部分4控制所述中置电机1的驱动电流被削减或者干脆切断该中置电机1的驱动电流，从而使电机的输出力矩减小。
作为优选，当所述电机控制部分4接收到所述中轴2的反转信号后，其控制所述中置电机1的驱动电流被削减至空载电流，即仅维持所述中置电机1的空载电流(这时中置电机1的输出力矩基本为零)。
本实施例中，上述电机控制部分4直接采用所述中置电机1自身的电机控制器，即在中置电机1自身的电机控制器中集成上述功能(可通过修改电机控制器的线路板和控制程序实现)，这样就不需要额外增设零部件，节省了成本。当然，我们也可以将上述电机控制部分4与中置电机自身的控制器分开单独设置。
利用本变速辅助装置来控制带中置电机电动自行车的变速方法如下：
在中置电机通电运行而带动电动自行车前行的过程中，通过脚踏反向踩动曲柄，进而通过曲柄带动中置电机1的中轴2反转(反向旋转)。中轴转向检测部分3便会检测到所述中轴2的反转信号，并将该反转信号输送至电机控制部分4。电机控制部分4接收到此反转信号后，其控制中置电机1的驱动电流被切断或者被削减，从而使该中置电机的输出力矩减小或者为零。在该中置电机1的驱动电流被切断或削减的这段时间内，完成换挡调速动作。
因为在变速换挡操作之前，通过反向踩踏自行车的脚踏而使中置电机1的驱动电流被削减或切断，故图1中传动链条6的张紧力大大减小甚至为零，此时再进行变速换挡，不存在传动链条6撞击后飞轮7的问题，使电动自行车变速的换挡非常顺畅。
此外，本实施例中的上述中轴转向检测部分3还能够检测所述中置电机1的中轴2的正转信号，并将其检测到的所述正转信号向外输出至所述电机控制部分3，当所述电机控制部分3接收到所述正转信号后，该电机控制部分4恢复所述中置电机1的输出力矩(可通过恢复或加大电机的驱动电流实现)。
自行车的变速系统分为内变速系统和外变速系统两种结构，其中：
内变速系统的变速换挡动作非常快，在骑行者调节变速转把时，内变速系统便会立即响应而立刻完成变速换挡动作，并不需要借助传动链条6的传动。基于此，针对采用内变速系统的电动自行车，在电机控制部分3接收到中轴的正转信号后，可立即恢复所述中置电机1的输出力矩。
而采用外变速系统的电动自行车，在骑行者调节变速转把后，还需要通过正向踩踏自行车踏板而通过齿盘带动传动链条6转动一定行程之后(自行车的前齿盘或后齿盘需转过一定角度)，才能完成变速换挡动作。针对采用外变速结构的电动自行车，在电机控制部分3接收到中轴的正转信号后，如果立即恢复中置电机1的输出力矩，因为此时换挡变速动作还未完全完成(传动链条6的转动行程基本为零)，故处于张紧状态的传动链条6仍然会撞击后飞轮7而发出噪音，甚至因张紧链条张紧力过大对变速系统造成结构性损坏并使变速系统失效。
针对上述问题，本实施例中轴转向检测部分3检测的所述中轴2的正转信号包括中轴2的正转角度信号，即中轴转向检测部分3能够检测中轴2的正转角度，当所述电机控制部分3接收到所述中轴转向检测部分3传送过来中轴2的正转角度达到预设值(该值可根据外变速系统的具体结构而设定)时，该电机控制部分4再恢复所述中置电机1的输出力矩。
为了保证在外变速系统的换挡动作完全完成之后，再恢复中置电机的输出力矩，需将所述预设值设置成大于或等于电动自行车完成变速动作所需要的中轴转动角度。为了让读者对“电动自行车完成变速动作所需要的中轴转动角度”有更好的理解，这里以图5和图6所示的两种外变速系统结构的换挡原理为例对其进行简单介绍，具体如下：
图5为采用前齿盘变速结构的外变速系统，这种结构的外变速系统在前齿盘5上设置有的四个周向分布的上下链辅助装置8，变速时，传动链条6需转过前齿盘5上两个相邻的上下链辅助装置8所含括的齿数Z1，而该齿数Z1与中轴2的转动角度相对应，计算出中轴2与齿数Z1对应的转动角度值a，该转动角度值a即为电动自行车完成变速动作所需要的中轴转动角度。
图6为采用后飞轮变速结构的外变速系统，这种结构的外变速系统在后飞轮7上设置有的四个周向分布的上下链辅助装置8，变速时，传动链条6必须转过后飞轮7上两个相邻的上下链辅助装置8所含括的齿数Z2，而该齿数Z2与中轴2的转动角度相对应，计算出中轴2与齿数Z2对应的转动角度值b，该转动角度值b即为电动自行车完成变速动作所需要的中轴转动角度。
如果一辆电动自行车上同时采用了图5所示的前齿盘外变速结构和图6所示的后飞轮外变速结构，那么电动自行车完成变速动作所需要的中轴转动角度取齿数Z1和齿数Z2中的较大者对应的中轴转动角度值。
对于外变速系统的换挡变速，反向踩踏自行车踏板使电机断电或驱动电流降低后(通常降低至电机的空载电流)，手动调节车把处的变速转把(或指拨)来选择相应的变速档位，此时仅仅完成了选档动作，自行车的换挡变速还未完全完成。故需在之后正向踩踏自行车踏板以带动中轴2、传动链条6、前齿盘5和后飞轮7正向转动一定角度，从而使自行车完成整个换挡调速动作。当电机控制部分3接收到所述中轴转向检测部分3传送过来中轴2的正转角度达到预设值时(此时整个换挡变速动作已完成)，电机再恢复输出力矩。
而对于内变速系统的换挡变速，反向踩踏自行车踏板使电机断电或驱动电流降低后(通常降低至电机的空载电流)，手动调节车把处的变速转把(或指拨)来选择相应的变速档位，整车的换挡变速动作也随即完成。之后，正向踩踏自行车踏板以带动中轴2正向转动，当电机控制部分3接收到所述中轴转向检测部分3传送过来中轴2的正转信号后，立即恢复或延迟极小一段时间恢复电机的输出力矩。
当然，我们也可以在所述电机控制部分接收到所述轴转向检测部分传送过来中轴的正转信号后，再延时一定时间t(该延时时间可根据不同的变速机构进行设定)，然后由电机控制部分恢复所述中置电机的输出力矩。设置所述延时时间t的目的，是为了让骑行者有足够的时间来正向踩踏踏板以完成外变速系统的变速换挡动作，与上述正转角度预设值的设置目的相同。
本实施例中，所述中轴转向检测部分3包括磁体301和磁感应元件302，其中：磁体301被配置在所述中轴2的外围，且与中轴2相对固定。磁感应元件30其被间隔配置在所述磁体301的侧部，且磁感应元件302与该中置电机1的壳体相对固定。当骑行者踩踏自行车踏板而通过曲柄带动中轴2转动时，与中轴2相对固定的磁体301便随之转动，而与电机壳体相对固定的磁感应元件302相对车架静止不动，即磁体301相对磁感应元件302运动，磁感应元件302处磁场强度发生变化，通过磁感应元件302感应到的磁场变化判断中轴2的转动方向。
上述的磁体301一般采用磁环或磁钢，上述的磁感应元件302一般采用霍尔元件，即中轴转向检测部分3采用霍尔传感器。这种结构在电动自行车中置电机领域已有相关应用，这样我们就可直接利用中轴电机自身的磁钢(或磁环)和霍尔元件而形成上述中轴转向检测部分3，而无需在电机上额外增加相关部件，节省成本。
所述中轴转向检测部分3也可以采用其他结构形式，比如：设置在所述中轴2处的光栅传感器。
从检测原理上划分，上述的中轴转向检测部分可以采用力矩传感装置，也可以采用速度传感装置。其中力矩传感装置通过检测中轴转动时其受到的扭转力矩的方向来判断中轴处于正转还是反转状态，进而获得正转信号或反转信号。而速度传感装置通过检测中轴的转动速度方向来判断判断中轴是处于正转还是反转状态，进而获得正转信号或反转信号。
当然，上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡根据本申请主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种装载中置电机的电动自行车的变速辅助装置，其特征在于，包括：
中轴转向检测部分(3)，其能够检测所述中置电机(1)的中轴(2)的反转信号，并将该反转信号向外输出；
电机控制部分(4)，其与所述中轴转向检测部分(3)和所述中置电机(1)均相连，该电机控制部分(4)接收所述中轴转向检测部分(3)输出的所述反转信号，并且当该电机控制部分(4)接收到所述反转信号后，其控制所述中置电机(1)的驱动电流被削减或切断。
2.如权利要求1所述的装载中置电机的电动自行车的变速辅助装置，其特征在于，当所述电机控制部分(4)接收到所述反转信号后，其控制所述中置电机(1)的驱动电流被切断或者削减至空载电流。
3.如权利要求1所述的装载中置电机的电动自行车的变速辅助装置，其特征在于，所述中轴转向检测部分(3)还能够检测所述中置电机(1)的中轴(2)的正转信号，并将其检测到的所述正转信号向外输出至所述电机控制部分(3)，所述电机控制部分(3)接收到所述正转信号后，该电机控制部分(4)恢复所述中置电机(1)的输出力矩。
4.如权利要求3所述的装载中置电机的电动自行车的变速辅助装置，其特征在于，所述中轴转向检测部分(3)检测的所述中轴(2)的正转信号包括所述中轴(2)的正转角度信号，当所述电机控制部分(3)接收到所述轴转向检测部分(3)传送过来中轴(2)的正转角度达到预设值时，该电机控制部分(4)恢复所述中置电机(1)的输出力矩。
5.如权利要求4所述的装载中置电机的电动自行车的变速辅助装置，其特征在于，所述预设值大于或等于电动自行车完成变速动作所需要的中轴转动角度。
6.如权利要求1所述的装载中置电机的电动自行车的变速辅助装置，其特征在于，
所述中轴转向检测部分(3)包括：
磁体(301)，其被配置在所述中置电机(1)的中轴(2)外围，且与所述中轴(2)相对固定；
磁感应元件(302)，其被间隔配置在所述磁体(301)的侧部，且与所述中置电机(1)的壳体相对固定。
7.如权利要求6所述的装载中置电机的电动自行车的变速辅助装置，其特征在于，所述磁体(301)为磁环或磁钢，所述磁感应元件(302)为霍尔元件。
8.如权利要求1所述的装载中置电机的电动自行车的变速辅助装置，其特征在于，所述中轴转向检测部分(3)为设置在所述中轴(2)处的光栅传感器。
9.如权利要求1所述的装载中置电机的电动自行车的变速辅助装置，其特征在于，所述中轴转向检测部分(3)为力矩传感装置或速度传感装置。
10.如权利要求1所述的装载中置电机的电动自行车的变速辅助装置，其特征在于，所述电机控制部分(4)为所述中置电机(1)自身的电机控制器。
11.一种装载中置电机的电动自行车，其特征在于，它包括如权利要求1～9中任一所述的变速辅助装置。
12.一种如权利要求11所述的装载中置电机的电动自行车的变速控制方法，其特征在于，包括：
在所述中置电机通电运行而带动所述电动自行车前行的过程中，通过脚踏带动所述中置电机(1)的中轴(2)反转，中轴转向检测部分(3)检测所述中轴(2)的反转信号，并将其检测到的反转信号输送至所述电机控制部分(4)，电机控制部分(4)接收到此反转信号后，其控制中置电机(1)的驱动电流被削减或切断，在该中置电机(1)的驱动电流削减或切断的这段时间内，完成对电动车自行车的变速动作。
13.如权利要求12所述的变速控制方法，其特征在于，所述电机控制部分(4)接收到所述反转信号后，其控制所述中置电机(1)的驱动电流被切断或者削减至空载电流。
14.如权利要求13所述的变速控制方法，其特征在于，还包括：通过脚踏带动所述中置电机(1)的中轴(2)正向转动，中轴转向检测部分(3)检测所述中轴(2)的正转信号，并将该正转信号输送至所述电机控制部分(4)，电机控制部分(4)接收到此正转信号后，其恢复中置电机(1)的输出力矩。
15.如权利要求14所述的变速控制方法，其特征在于，所述中轴转向检测部分(3)检测的所述中轴(2)的正转信号包括所述中轴(2)的正转角度信号，当所述电机控制部分(3)接收到所述轴转向检测部分(3)传送过来中轴(2)的正转角度达到预设值时，该电机控制部分(4)恢复所述中置电机(1)的输出力矩。
16.如权利要求14所述的变速控制方法，其特征在于，当所述电机控制部分(3)接收到所述轴转向检测部分(3)传送过来中轴(2)的正转信号后，再延时一定时间，该电机控制部分(4)恢复所述中置电机(1)的输出力矩。
17.如权利要求14所述的变速控制方法，其特征在于，对于内变速系统，当所述电机控制部分(3)接收到所述轴转向检测部分(3)传送过来中轴(2)的正转信号后，该电机控制部分(4)立即恢复所述中置电机(1)的输出力矩。
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