CN1081568C

CN1081568C - 自行车的变速控制方法及其变速控制装置

Info

Publication number: CN1081568C
Application number: CN97119233A
Authority: CN
Inventors: 松尾信幸
Original assignee: Shimano Inc
Current assignee: Shimano Inc
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1997-09-20
Publication date: 2002-03-27
Anticipated expiration: 2017-09-20
Also published as: CN1178751A; DE69726810T2; EP0831021A2; TW335379B; US6015159A; EP0831021A3; JP3284060B2; JPH1095384A; EP0831021B1; DE69726810D1

Abstract

一种自行车变速控制方法及其变速控制装置，目的在于不依靠外力条件进行最合理的变速。其构成是：将当前的蹬力和速度对应每个档位的蹬力规定值和速度规定值确定变速档位，不依靠坡道等外力条件进行最合理的变速。

Description

自行车的变速控制方法及其变速控制装置

本发明涉及自行车的变速控制方法及其变速控制装置。更详细地说，是涉及一种设有根据程序自动进行齿轮变换的自动变速装置的自行车的变速控制方法及其变速控制装置。

近年来，自行车进一步的实用性得到越来越多的认识。自行车的运动化促进了这种自行车变速操作的自动化。自动化的自行车变速装置由于微型计算机的日益低廉而提高了其实用性。

我们由美国专利第5,213,548号了解了自动操作变速装置的齿轮变换装置，该变速装置能改变曲轴与后轮转数比。该美国特许记述了根据曲柄速度和自行车速度之比检测当前齿轮比、并在曲柄慢而自行车快等情况下根据程序进行变速动作的自动化装置。

另外，由例如EP 0 529664A2我们还了解了用流体压力装置作为驱动装置进行变速动作的方法。这种方法通过利用机算机确认变速条件而实现变速的自动化。

在反抗链条的大张力而被驱动的变速机构的机械部分上，受到过大负荷的作用。当提供连接这种反抗大张力而动作的流体压力装置与机械部分的连接机构作为强化手段时，不能忽视成本的问题。并且，在这种负荷条件下动作的机械部分存在磨损消耗加大、寿命缩短的缺点。

特开平8-113181号公报展示了对应自行车速度及加速度选择最佳变速档位的技术。一方面，要求必须对应链条的张力进行变速。上述公知的技术不能满足这样的要求。因为自行车的加速度和链条的张力不能一一对应，所以，例如在坡道上行驶、速度增大而承受大的风压的情况下，与脚的蹬力成比例的曲轴的转矩、即与此成比例的链条的张力与自行车车体的加速度之间完全无关。

因此，希望能开发使变速机构的机械部分在小负荷下动作的自动变速装置。这样理想的自动变速装置由于缩短了动作的延迟时间而可以在小负荷条件继续的短时间内进行变速动作。使其成为可能的控制方法，只依靠加速度的信息是不够的，甚至不可能。

本发明是基于上述的技术背景而进行的，并达到以下的目的。

本发明的目的在于提供一种可对应链条张力进行变速控制的自行车的变速控制方法及其变速控制装置。

本发明的另一目的在于提供一种可使变速控制完全自动化的自行车的变速控制方法及其变速控制装置。

本发明的再一目的在于提供一种即使在坡道上也可进行恰当变速控制的自行车的变速控制方法及其变速控制装置。

本发明的再一目的在于提供一种即使速度变快也可进行恰当的变速控制的自行车的变速控制方法及其变速控制装置。

本发明的再一目的在于提供一种可对应自行车的全面状态进行恰当变速控制的自行车的变速控制方法及其变速控制装置。

另外，本发明还有一个目的，是本发明的变速控制在方便的时候可切换成手动操作的模式。

为达到上述目的，本发明提供一种自行车的变速控制方法，包括：设定控制表的步骤，该控制表对应于各变速档位，规定了速度规定值的第1速度规定值、所述第1速度规定值以上的速度规定值的第2速度规定值、蹬力规定值的第1蹬力规定值以及所述第1蹬力规定值以上的蹬力规定值的第2蹬力规定值；检测骑乘者的蹬力的蹬力检测步骤；检测自行车的速度的速度检测步骤；根据由所述蹬力检测步骤检测出的蹬力检测值和由所述速度检测步骤检测出的速度检测值与所述控制表的各规定值所作的比较，求出适合于当前速度和蹬力的变速档位的变速档位变换步骤；另外，所述变速档位变换步骤包括：当所述速度检测值比所述第1速度规定值小的时候，使变速档位降低的步骤；当所述蹬力检测值比所述第2蹬力规定值大的时候，使变速档位降低的步骤；如果所述速度检测值比所述第2速度规定值还大，并且在过去的所定的设定时间的期间的最大蹬力比所述第1蹬力规定值还小，使变速档位升高的步骤。

另外，本发明还提供一种自行车的变速控制装置，包括：检测由骑乘者的蹬力作用在曲轴与主动链轮之间的转矩的转矩检测装置；检测自行车的速度的速度检测装置；用于变换所述曲轴与后轮的变速比的变速装置；用于变换所述变速装置的变速比、对所述变速装置进行变速驱动的驱动装置；将对应于各变速档位规定了速度规定值的第1速度规定值、所述第1速度规定值以上的速度规定值的第2速度规定值、蹬力规定值的第1蹬力规定值以及所述第1蹬力规定值以上的蹬力规定值的第2蹬力规定值的控制表进行存储的存储器；将来自所述转矩检测装置和所述速度检测装置的检测出的信号输入，以便由所述驱动装置对所述变速装置进行变速操作的控制装置；另外，所述控制装置用于实行以下步骤：当所述速度检测值比所述第1速度规定值小的时候，使变速档位降低的步骤；当所述蹬力检测值比所述第2蹬力规定值大的时候，使变速档位降低的步骤；如果所述速度检测值比所述第2速度规定值还大，并且在过去的所定的设定时间的期间的最大蹬力比所述第1蹬力规定值还小，使变速档位升高的步骤。

在上述的自行车变速控制装置中，最好是所述曲轴与所述主动链轮设置成在旋转方向上只能相对移动一定的量；所述转矩检测装置包括：将所述曲轴与所述主动链的相对移动变换成曲轴方向的移动而移动的移动体；将所述移动体向曲轴方向偏压的弹簧；以及检测所述移动体在曲轴方向上的位置的位置检测装置。

在上述的自行车变速控制装置中，最好是所述转矩检测装置具有与所述移动体成一体固定的环状体，由所述位置检测装置检测所述环状体在曲轴方向上的位置。

在上述的自行车变速控制装置中，最好是所述转矩检测装置具有固定在所述曲轴上的传递构件，所述传递构件设有与所述移动体的端部接触以将所述移动体向曲轴方向移动的斜面。

本发明的特征在于：不限于内装型，也可适用于使用了拨链器的外装型。

下面说明本发明的作用及效果。

本发明的自行车的变速控制方法及其变速控制装置，可直接检测蹬力。不需要加速度信息，完全可以进行变速控制。另外，对于直接检测的蹬力的测出，没有时间延迟(在利用测定车轮1圈转动时间的转动速度的微分时所产生的时间延迟)，蹬力的检测可在实际时间进行。即使在因速度快而使风力大的时候，也适合进行本发明的变速控制。并且，即使在风力强的天气里、即使在停止中，也绝对可测出蹬力。

由于曲轴和脚蹬子之间的距离是一定的，所以，脚蹬子作用于曲轴上的转矩在曲柄的同一转动位置上与蹬力成比例。这种转矩在驱动轮上以比例关系被传递。在本发明中，利用蹬力的控制与利用转矩的控制意义相同。

转矩的检测在转矩检测装置上进行。转矩检测装置可采用公知的常用装置，但适用于本发明的自行车变速控制方法及其变速控制装置中的转矩检测装置不含加速度检测部分。不含加速度检测部分的转矩检测装置可采用下面的形式：检测线状构件张力的张力检测装置，线状构件沿着与放射线垂直的接线方向延伸、并结合在转动轴上，而放射线垂直于转动轴轴心线；即，在本发明中，是检测链条张力的装置，是装在鞋底与脚蹬子之间的应变计。理想的转矩检测装置是如实施形式说明中介绍的2转动体之间作用力的直接检测方式。在外力大时，其他道路情况、环境不稳定的时候，将自动模式切换到手动模式，可望进行传统方式的手动操作。

本发明的自行车变速控制方法及其变速控制装置，对于车体受到外力作用的情况，也是最合适的自动变速控制。

附图图面简单说明如下：

图1是适用本发明自行车变速控制方法的自行车实施形式的正视图。

图2是转矩检测装置的正剖视图。

图3是图4中的线VI-VI的剖视图。

图4是图3的侧视图。

图5是控制电路的方块图。

图6是控制盘的平面示意图。

图7是控制方法的流程图

图8是规定值与变速档位的图表。

图9是正在斜面上行驶的自行车的正视图。

图10是转矩检测装置另一适用例的正剖视图。

以下，对本发明的自行车变速控制方法及其变速控制装置的实施形式进行说明。图1是本发明的自行车变速控制方法及其变速控制装置的实施形式1的正视图，主要是自行车整体的示意图。作为后轮1转动轴的后轮轴3，通过相互交叉的线状的多根支撑构件5R支撑在后轮1上。三角形支架7支撑在后轮轴3上。

作为前轮9转动轴的前轮轴11，通过相互交叉的线状的多根支撑构件5F支撑在前轮9上。前轮叉13支撑在前轮轴11上。前轮叉13与三角形支架(大致为三角形)7通过结合支架15连接。

在上述前轮叉13的延长端部安装车把支架17。在车把支架17上，水平安装控制盘19。控制盘19的表背面大致是水平面。曲轴21可自由转动地支撑在三角形支架7的一顶端部。在曲轴21上，固定安装两侧曲柄23、25。

主动链轮27通过后面所述的转矩检测机构在同一轴上大致结合成一体。两侧脚蹬子29、31可自由转动地安装在曲柄23、25的外端。从动链轮33同轴固定在后轮轴3上。在主动链轮27与从动链轮33之间横挂封闭的动力传递用链条35。

在与三角形支架7一体的三角形后支架的顶端部，设有与后轮轴3同轴的内装型变速装置37。由于内装型变速装置37是常用的形式，所以，不再说明。在三角形支架7上安装机械盒39，机械盒39是用于驱动变速控制装置的机械部分。内装型变速装置37与机械盒39由变速用金属线41连接。

在机械盒39里面内装移动体(图中未画出)，移动体可在等于变速档位数的多个位置之间自由移动(变位)。该移动体的移动位置，与连接在金属线41一端的内装型变速装置37侧的移动体(图中未画出)的移动位置对应。

上述两移动体通过金属线41连动，从而保持这种对应关系。进行这样连动的连动机构采用常用装置。机械盒39的上述移动体，受流体压力装置或伺服电机驱动而控制移动位置。

图2是转矩检测装置或蹬力检测装置51的示意图。转矩检测装置51的详细构造在特愿平8-40425号专利申请说明书中有详细的说明。图2是简化到可以理解的必要程度的转矩检测装置51的示意图。对于不根据速度微分而直接检测脚部蹬力的装置的说明有助于理解本发明。用下面的数学表达式对其意义进行具体的说明。

如果设自行车的加速度为A、自行车车体与骑手体重等合计的总质量为M、加在自行车上的外力为G、作用于曲轴上的转矩除以半径的值即蹬力(例如，可认为是限于脚蹬子处于与曲轴在同样高位置时的蹬力)为F，则自行车的运动可用下面的微分方程式来表示。自行车在其上行驶的直线坐标为R。

即，M·R(··)＝-M·G+kM·F括号()中的2个点是与时间相关的2阶微分。右边第2项是骑手与自行车之间的关系、是内力，所以蹬力应不会使自行车产生加速度，但是，对于有时通过车轮接触地面的自行车，该右边第2项则是外力。因此，上式成立。

从式中可看出，即使右边第2项所表示的正蹬力不为零，如果右边第1项为负，则左边有可能为零。反过来说，这样成为零的时候，蹬力即使是正值，自行车也不会动的。即使在这种情况下，转矩检测装置51通常也可测出右边第2项的值为正值，对此，进行以下的说明。

如图2、3、4所示那样，与曲轴21同轴安装第1曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)53。第1曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)53固定安装在曲轴21上。即，第1曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)53与曲轴21完全同期转动。

前链轮轴55同轴外装在曲轴21上。主动链轮27同轴固定在前链轮轴55上。在前链轮轴55上一体设置形成第2曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)57(形成圆筒状)。

如图3所示那样，从第2曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)57的沿转动方向a的后方的部分，沿轴向b突出形成突出部分59。第1曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)53的外端部53a的沿转动方向的后方的后表面61，通常大致与突出部分59的前端面端面63进行面接触(参见后面所述)。外端部53a的前面(沿转动方向a的前方的表面)形成斜面65。

转矩检测用移动体67，可自由滑动地设在第2曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)57中。转矩检测用移动体67设有突缘69。突缘69可被引导着沿第2曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)57内形成的空洞71的内表面73滑动。

转矩检测用移动体67只在轴向b上移动(变位)。在突缘69与第2曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)57的内壁面之间装设螺旋弹簧75。螺旋弹簧75的弹簧常数非常大。即，转矩检测用移动体67的变位量小。

转矩检测用移动体67的外侧端面形成为对置斜面77。斜面65利用后面所述的弹力通常与对置斜面77进行面接触。在转矩检测用移动体67移动方向上与转矩检测用移动体67的内侧端面相对的三角形支架上，如图2所示那样，固定位置检测传感器79。

位置检测传感器79是可以测出与自身相对的转矩检测用移动体67的位置、即，自身与转矩检测用移动体67之间距离的非接触式传感器。该非接触式传感器可相对转矩检测用移动体67的转动周面构成轮面状的一维传感器。

如果使曲柄向正方向与前链轮轴55、即第2曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)57相向转动，则外端部53a沿图3中的方向a向正方向变位。设有与斜面65连接的对置斜面77的转矩检测用移动体67，反抗斜面65所承受的螺旋弹簧75的弹力在方向b上向内侧方变位，从而缩短转矩检测用移动体67与位置检测传感器79之间的距离。

如果设该缩短长度为△L(设蹬力为零时螺旋弹簧75延伸至自然长度)、弹簧常数为j，则有

F＝j·△L根据测到的位置检测传感器79的变位量△L可以通过计算求出蹬力F。该蹬力F即使在自行车停止、即使受到风压作用、即使在上·下的坡道上行驶的时候，都可作为自行车与人之间的内力而被测出，且该内力绝对不与任何外在条件相关。

以上的说明是有关上述先导装置的原理性实质。适用于本发明的转矩检测装置可进行如下的改进。利用上述构造移动的转矩检测用移动体67分3个以120度的间隔设在第2曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)57上，在3个转矩检测用移动体67上同轴安装垫圈81。并且，可将位置检测传感器79以120度的间隔安装在同一平面的三角形支架上，将3个位置检测传感器79测到的值进行平均。

如果进行这样的改进，3个第2曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)57与转矩成比例地在同一相位沿轴向移动。在实际时间连续移动的第2曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)57和采用非接触式传感器的转矩传感器之间的相邻距离在实际时间被连续测出。该连续值的模拟信号由寄存器电路在实际时间进行数字化并输入微型控制器。

检测自行车速度的速度检测装置可很容易地由这样的运算电路构成，即，通过固定在支架上的磁场检测体检测安装在后轮某处的磁铁的磁场，用显示的时间差除以相邻的峰值的运算电路。这样的速度检测装置采用的是常用装置。

图5是微型控制器81的硬件方块图。微型控制器81内装在机械盒39中。微型控制器81由CPU85、RAM87、ROM89及输出输入器组成。转矩传感器79与微型控制器81之间设有A/D变换器91和寄存器电路95。

通过A/D变换器91和寄存器电路95，转矩传感器79的输出波形作为时间的参数被数字化，并将转矩信号99输入微型控制器81。同样，后轮的速度信号111也被输入微型控制器81(A/D变换器等在图中省去了)。

机械盒39内的伺服机构与微型控制器81之间为双向电气连接。根据在机械盒39内与微型控制器81之间传递的双向信号，将变速用金属线41的伸展位置、即与内装型变速装置37连接的变速用金属线41的端部位置固定在变速档位上。

图6是控制盘19的正面示意图。在控制盘19上，有电源开关钮131、自动模式选择钮133、手动模式选择钮35。在控制盘19的前面，设有显示变速段档位数的档位数显示表137、以及显示后面所述的转矩波形的波形显示表139。

下面，参照图7所示的流程图对微型控制器81的动作原理进行说明。按压控制盘19的电源开关钮131(步骤S1)，然后按压自动模式选择钮133和手动模式选择钮135中的任何一方(步骤S2)。

如果选择自动模式(步骤S3)，则由RAM87或者ROM89将程序和设定值数据输入CPU85(步骤S4)。设定值数据是图表控制用的2种速度规定值V1、V2以及2种蹬力规定值F1、F2和延迟时间△T等。图8所示为图表。变速档位的数量为7个。(表上)对应档位记载了齿轮比，齿轮比是与内装型变速装置37中多段齿轮之间的关系比。

用于控制的变数规定值是2种速度规定值和2种蹬力规定值。速度规定值是第1速度规定值V1和第2速度规定值V2。蹬力规定值是第1蹬力规定值F1和第2蹬力规定值F2。第1速度规定值V1的值在同一档位不比第2速度规定值V2的值大。

第1蹬力规定值F1的值在同一档位不比第2蹬力规定值F2的值大。2种速度规定值和2种蹬力规定值，如图8的图表所示那样，被对应变速档位、以表的形式记入RAM87。

如果当前速度比作为第1速度规定值V1的7档离散值中任何一项都小(步骤S5)，则将变速档位降低1档(步骤S6)。即使当前速度不比第1速度规定值V1小，但在当前蹬力比7档的第2蹬力规定值F2中任何一项都大(步骤S7)时，当前的变速档位也得降低1档(步骤S6)。

即使当前速度提高、加速超过第2速度规定值V2(步骤S8)，但在过去的△t秒、例如0.6秒内如果当前的最大蹬力比第1蹬力规定值F1还大(步骤S11)，则变速档位维持现状。当前速度提高、加速超过第2速度规定值V2(步骤S8)、且在过去的△t秒、例如0.6秒内如果当前的最大蹬力比第1蹬力规定值F1还小(步骤S11)，则变速档位上升1档(步骤S12)。

图9是沿坡道向上方行驶的自行车示意图。如上式所示那样，自行车受到向下重力加速度在斜面方向分量Gb的作用。该自行车是静止的。即使在这样的情况下，仍然可以照样测出蹬力的转矩。在这个时候，也可发出禁止变速信号。即使在斜面上行驶的过程中，不发出禁止信号的时候，可根据图表进行变速。

图10是将与图7、8、9所示的转矩检测装置相同的装置在右脚测移动的另一实施形式的示意图。即，第2曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)57在右侧移动。主动链轮27可同轴直接固定在第2曲柄检测用臂(兼作动力传递臂)57上。

在坡道斜度大的时候、在道路面的凹凸、起伏接连不断这样的道路环境激烈变化的情况下，自动变速是有效的，这是事实。但是，最好根据情况，例如，根据骑手的熟练程度切换到手动模式更好。

Claims

1.一种自行车的变速控制方法，包括：

设定控制表的步骤，该控制表对应于各变速档位，规定了速度规定值的第1速度规定值、所述第1速度规定值以上的速度规定值的第2速度规定值、蹬力规定值的第1蹬力规定值以及所述第1蹬力规定值以上的蹬力规定值的第2蹬力规定值；

检测骑乘者的蹬力的蹬力检测步骤；

检测自行车的速度的速度检测步骤；

根据由所述蹬力检测步骤检测出的蹬力检测值和由所述速度检测步骤检测出的速度检测值与所述控制表的各规定值所作的比较，求出适合于当前速度和蹬力的变速档位的变速档位变换步骤；

另外，所述变速档位变换步骤包括：

当所述速度检测值比所述第1速度规定值小的时候，使变速档位降低的步骤；

当所述蹬力检测值比所述第2蹬力规定值大的时候，使变速档位降低的步骤；

如果所述速度检测值比所述第2速度规定值还大，并且在过去的所定的设定时间的期间的最大蹬力比所述第1蹬力规定值还小，使变速档位升高的步骤。

2.一种自行车的变速控制装置，包括：

检测由骑乘者的蹬力作用在曲轴(21)与主动链轮(27)之间的转矩的转矩检测装置；

检测自行车的速度的速度检测装置；

用于变换所述曲轴(21)与后轮的变速比的变速装置(37)；

用于变换所述变速装置(37)的变速比、对所述变速装置(37)进行变速驱动的驱动装置(39)；

将对应于各变速档位规定了速度规定值的第1速度规定值、所述第1速度规定值以上的速度规定值的第2速度规定值、蹬力规定值的第1蹬力规定值以及所述第1蹬力规定值以上的蹬力规定值的第2蹬力规定值的控制表进行存储的存储器(87，89)；

将来自所述转矩检测装置(51)和所述速度检测装置的检测出的信号输入，以便由所述驱动装置(39)对所述变速装置(37)进行变速操作的控制装置(81)；

另外，所述控制装置(81)用于实行以下步骤：

3.根据权利要求2所述的自行车的变速控制装置，其特征在于，

所述曲轴(21)与所述主动链轮(27)设置成在旋转方向上只能相对移动一定的量；

所述转矩检测装置(51)包括：

将所述曲轴(21)与所述主动链(27)的相对移动变换成曲轴方向的移动而移动的移动体(67)；

将所述移动体(67)向曲轴方向偏压的弹簧(75)；以及

检测所述移动体(67)在曲轴方向上的位置的位置检测装置(79)。

4.根据权利要求3所述的自行车的变速控制装置，其特征在于：所述转矩检测装置(51)具有与所述移动体(67)成一体固定的环状体(81)，由所述位置检测装置(79)检测所述环状体(81)在曲轴方向上的位置。

5.根据权利要求3或4所述的自行车的变速控制装置，其特征在于，所述转矩检测装置(51)具有固定在所述曲轴(21)上的传递构件(53)，所述传递构件设有与所述移动体(67)的端部接触以将所述移动体(67)向曲轴方向移动的斜面(65)。