CN108556998B - 助力自行车及其变速装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种助力自行车及其变速装置；其中，变速装置包括电子控制单元、电源单元、电机单元、变速单元和传感单元；电源单元用于提供电能；传感单元用于采集自行车的运动信号；运动信号包括踏频信号和力矩信号；电子控制单元用于根据运动信号和用户预设的运动模式，向变速单元输出档位信息，以调节变速单元的档位，向电机单元输出助力信息，以调节电机单元的输出功率。本发明可以根据用户设定的运动模式调节自行车的速度和助力，满足用户在不同道路环境下的多种骑行需求，提高了用户的骑行体验度。
Description
技术领域
本发明涉及电动自行车技术领域，尤其是涉及一种助力自行车及其变速装置。
背景技术
目前，人们越来越喜欢选择自行车出行，既锻炼身体又节能低碳。但是，对于远距离的骑行，纯机械式的自行车对人们的时间成本与身体素质有较高的要求；助力型自行车能够有效降低对骑行者身体素质的要求，减少体力消耗，增加骑行的距离和速度；然而，现有的助力型自行车速度和助力分配方式较为单一，对复杂的交通以及各地不同的路况适应能力较低，很多情况下难以满足用户的实际骑行需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种助力自行车及其变速装置，以根据用户设定的运动模式调节自行车的速度和助力，满足用户在不同道路环境下的多种骑行需求，提高用户的骑行体验度。
第一方面，本发明实施例提供了一种助力自行车的变速装置，包括：电子控制单元、电源单元、电机单元、变速单元和传感单元；电子控制单元分别与电源单元、电机单元、变速单元和传感单元连接；变速单元与自行车的车轮轴体连接；电机单元与自行车的车轮轴体或踏板轴体连接；电源单元用于提供电能；传感单元用于采集自行车的运动信号；运动信号包括踏频信号和力矩信号；电子控制单元用于根据运动信号和用户预设的运动模式，向变速单元输出档位信息，以调节变速单元的档位，向电机单元输出助力信息，以调节电机单元的输出功率。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述电子控制单元还用于通过下述公式，计算助力功率P＝A*B*C*0.105；其中，A为踏频信号；B为力矩信号；C为预设的运动模式的系数；运动模式包括标准模式、节能模式和运动模式；标准模式的系数为1，节能模式的系数为0.7，运动模式的系数为1.4。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，上述电子控制单元还用于通过下述公式，计算变速比Q＝1/D*J*[E+F*(A-50)]/G/H*I；其中，D为自行车的牙盘盘片的齿数，J为自行车的飞轮齿数，E为自行车的传动比，A为自行车的踏频，G，H，I皆为单位换算系数。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，上述电源单元包括相互连接的电源和BMS模块；BMS模块与电子控制单元连接；BMS模块用于监控电源的状态信息，将状态信息发送至电子控制单元；状态信息包括：总电量、剩余电量、充电时间百分比。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，上述电机单元包括中置电机和电机控制器；电机控制器与电子控制单元连接；电机控制器用于接收电子控制单元输出的助力信息，根据助力信息，调节中置电机的输出功率。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，上述传感单元包括力矩传感器与踏频传感器；力矩传感器和踏频传感器设置在自行车的车轮轴体的牙盘上；踏频传感器用于采集踏频信号，力矩传感器用于采集力矩信号。
结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，上述传感单元还包括刹车传感器；刹车传感器设置在自行车的刹车手柄上；刹车传感器与电子控制单元连接；刹车传感器用于采集刹车信号，将刹车信号发送至电子控制单元。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，上述所述装置还包括分别与电子控制单元连接的显示屏和按钮；显示屏用于显示自行车的基本信息参数；基本信息参数包括速度、踏频、运动模式、当前时间和剩余里程；按钮包括开关按钮和运动模式切换按钮。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，上述变速单元包括电控变速箱，电控变速箱设置于自行车的车架上，与后车轮轴体连接。
第二方面，本发明实施例提供了一种助力自行车，包括上述助力自行车的变速装置，还包括自行车本体。
本发明实施例提供的助力自行车及其变速装置，通过传感单元采集自行车的运动信号；通过电子控制单元根据运动信号和用户预设的运动模式，向变速单元输出档位信息，以调节变速单元的档位，向电机单元输出助力信息，以调节电机单元的输出功率。该方式可以根据用户设定的运动模式调节自行车的速度和助力，满足用户在不同道路环境下的多种骑行需求，提高了用户的骑行体验度。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种助力自行车的变速装置的示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种助力自行车的变速装置的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种助力自行车的变速装置的结构图；
图4为本发明实施例提供的一种助力自行车的示意图。
图标：
10-电子控制单元；20-电源单元；30-电机单元；40-变速单元；50-传感单元；21-电源；22-BMS；31-中置电机；32-电机控制器；100-助力自行车的变速装置；200-助力自行车。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
考虑到现有的助力型自行车速度和助力分配方式较为单一，难以满足用户的实际骑行需求的问题，本发明提供了一种助力自行车及其变速装置，该技术可以应用于自行车、三轮车或其他车辆中；为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种助力自行车的变速装置进行详细介绍。
参见图1所示的一种助力自行车的变速装置的示意图，该示意图包括电子控制单元10、电源单元20、电机单元30、变速单元40和传感单元50；电子控制单元10分别与电源单元20、电机单元30、变速单元40和传感单元50连接；变速单元40与自行车的车轮轴体连接；电机单元30与自行车的车轮轴体或踏板轴体连接。
其中，电源单元20用于提供电能；传感单元50用于采集自行车的运动信号；运动信号包括踏频信号和力矩信号；电子控制单元10用于根据所述运动信号和用户预设的运动模式，向变速单元40输出档位信息，以调节变速单元的档位，向电机单元30输出助力信息，以调节电机单元30的输出功率。
在骑行过程中，通过传感单元检测骑行者在骑行时的感应信号，上传到电子控制单元作处理分析，根据处理分析后的结果向变速单元输出档位信息，自动调节变速单元的档位，同时向电机单元输出助力功率，用以减少骑行者的体力消耗，增加骑行的距离和速度。
例如，当骑行者在一段路况多变的道路骑行，道路平坦时，可以选择齿轮较轻的档位骑行；开始上坡时，电子控制单元可以通过变速单元调节档位，避免骑行者在换挡不及时，出现危险情况，同时；电子控制单元向电机单元发送助力信息，以使电机单元输出助力功率为骑行者节省体力；开始下坡时，电子控制单元可以将变速单元的档位调节至最低档位，以使骑行者更好的控制助力自行车。
本发明实施例提供的助力自行车的变速装置，通过传感单元采集自行车的运动信号；通过电子控制单元根据运动信号和用户预设的运动模式，向变速单元输出档位信息，以调节变速单元的档位，向电机单元输出助力信息，以调节电机单元的输出功率。该方式可以根据用户设定的运动模式调节自行车的速度和助力，满足用户在不同道路环境下的多种骑行需求，提高了用户的骑行体验度。
在一个可选的实施例中，电子控制单元还用于通过下述公式，计算助力功率P＝A*B*C*0.105；其中，A为踏频信号；B为力矩信号；C为预设的运动模式的系数；运动模式包括标准模式、节能模式和运动模式；标准模式的系数为1，节能模式的系数为0.7，运动模式的系数为1.4。
在实际实现时，可以设置最高助力功率为300W，并且当骑行者骑行的自身车速超过25km/h时，电子控制单元则不再输出助力信息，电机单元也不再输出助力功率。
上述助力功率的计算公式是通过传感单元检测到的踏频信号、力矩信号与运动模式系数三种相乘；其中，0.105是研发人员经过多次试验数据最后确定的助力功率计算系数，根据骑行者骑行时选择的运动模式，以及骑行过程当中传感单元检测到的踏频信号与力矩信号，所有数据相乘即可计算出骑行者在骑行过程中，还需要多少输出多少助力功率。
为了及时更新助力频率，电子控制单元可以定时刷新助力信息，刷新频率可以达到20Hz，同时延迟小于0.05秒，以保证输出的助力功率可以根据用户的需求及时变化。
在另一个可选的实施例中，电子控制单元还用于通过下述公式，计算变速比Q＝1/D*J*[E+F*(A-50)]/G/H*I；其中，D为自行车的牙盘盘片的齿数，J为自行车的飞轮齿数，E为所述自行车的传动比，A为所述自行车的踏频，G，H，I皆为单位换算系数。
具体地，可以首先通过自行车变速器型号确定牙盘盘片的齿数、飞轮的齿数以及理论变速比的变化范围；可以根据试验中骑行者的踩踏频率确定最终自行车的时速；踩踏频率越高，自行车的时速也越来越高。如果自行车变速器的型号发生变化，则相对应的牙盘盘片齿数、飞轮齿轮与变速速比数据值都会产生适应性的变化。
例如，当自行车变速器选用N360花鼓时，该自行车的牙盘盘片为40齿，飞轮齿数为18齿，理论变速比为0.5至1.8。其中，当骑行者在试验过程中的踩踏频率达到50时，该自行车的时速显示为7km/h，如果当骑行者在试验过程中的踩踏频率达到95时，则该自行车的时速显示为50km/h。根据该计算公式得出的当前变速比大于或小于理论便速度5％以上，输出变速比需求的市值等于理论变速比。
参见图2所示的另一种助力自行车的变速装置的示意图，上述电源单元20包括相互连接的电源21和BMS(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM，电池管理系统)模块22；BMS模块与电子控制单元连接；BMS模块用于监控电源的状态信息，将状态信息发送至电子控制单元；状态信息包括：总电量、剩余电量、充电时间百分比。
具体地，上述电源包括低配电源与高配电源；低配电源与高配电源的电池的容量、体积相同，但是电源额定容量不同。其中，低配电源的额定容量为350WH，高配电源的额定容量为500WH；电源从0％充电充到80％所消耗的时间通常小于4小时。BMS模块还能通过积分法电量检测出电源剩余电量，监控到电源的多种状态信息，包括：总电量、剩余电量、充电时间百分比。
进一步地，如图2所示，电机单元30包括中置电机31和电机控制器32；电机控制器与电子控制单元连接；电机控制器用于接收电子控制单元输出的助力信息，根据助力信息，调节中置电机的输出功率。
具体地，中置电机的额定功率通常大于250W，中置电机的电机效率通常大于85％，电机控制器安装在在中置电机上，以更好控制中置电机，电机控制器还能用于接收助力需求信号，然后驱动中置电机运转。
在另一个可选的实施例中，如图3所示，上述传感单元包括力矩传感器与踏频传感器；力矩传感器和所述踏频传感器设置在所述自行车的车轮轴体的牙盘上；踏频传感器用于采集踏频信号，力矩传感器用于采集力矩信号。
具体地，力矩传感器和踏频传感器集成在助力自行车的牙盘内，传感单元在量程与采样频率上对传感器也有具体的要求。
例如，本实施例中的力矩传感器的量程通常要求大于0～50NM，采样频率高于20HZ，而踏频传感器的量程要求通常为则是0～100RPM，采样频率高于100HZ，力矩传感器与踏频传感器的曲柄外侧面距离范围可以为145～175MM。
进一步地，如图3所示，上述传感单元还包括刹车传感器；刹车传感器设置在所述自行车的刹车手柄上；刹车传感器与电子控制单元连接；刹车传感器用于采集刹车信号，将刹车信号发送至电子控制单元。
具体地，刹车传感器是助力自行车的刹车装置的重要器件，可以保证骑行者在面对紧急突发情况时，自行车能及时停下来，避免出现更大伤害。刹车传感器将采集到的刹车信号发送到电子控制单元，经电子控制单元分析之后，再启动刹车装置控制自行车。刹车装置的质量好坏也是考核一辆自行车的重要。
在另一个可选的实施例中，上述装置还包括分别与电子控制单元连接的显示屏和按钮；
显示屏用于显示自行车的基本信息参数；基本信息参数包括速度、踏频、运动模式、当前时间和剩余里程；按钮包括开关按钮和运动模式切换按钮。
具体地，显示屏尺寸的大小为4.0寸，可以实时记录自行车的基本参数信息，这些信号包括：速度、踏频、运动模式与当前时间。骑行者可以根据显示的基本参数信息来调整自己的骑行速度与补充营养的时间，保证以最好的身体状态参与到骑行中，保证骑行者骑行时的舒适体验度。同时，安装的按钮也能帮助骑行者更加简单控车，提高骑行舒适体验度。
进一步地，变速单元包括电控变速箱，电控变速箱设置于自行车的车架上，与后车轮轴体连接。
上述电控变速箱不同于以往的机械变速箱，需要骑行者在骑行过程中，根据路面情况与骑行速度，随时调整拨片变速，才能达到最合适的骑行速度。，但是电控变速箱则是根据路面情况自行变速，不再需要骑行者分心于随时调整自行车的变速变速情况。
综上所述，各个传感器将采集的信息，传递到电子控制单元，经过电子控制单元分析各个传感器的信息之后，电子控制单元输出不同的控制信息。以使助力自行车在电机速度与公路的分配上达到最合理的数值。具体动力流向表格与信号流向表格如下表1、表2所示，以供研究人员更好地更好地理解技术，本发明可以帮助骑行者节省体能，能够有效降低对骑行者身体素质的要求，增加骑行的距离和速度。
动力流向
表1
信号流向
表2
本发明实施例还提供了一种助力自行车，如图4所示，包括上述实施例一种助力自行车的变速装置100，还包括助力自行车本体200。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，助力自行车的具体工作过程，可以参考前述助力自行车的变速装置实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本发明实施例提供的助力自行车与上述实施例提供的助力自行车的变速装置具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种助力自行车的变速装置，其特征在于，包括：电子控制单元、电源单元、电机单元、变速单元和传感单元；
所述电子控制单元分别与所述电源单元、所述电机单元、所述变速单元和所述传感单元连接；所述变速单元与自行车的车轮轴体连接；所述电机单元与所述自行车的车轮轴体或踏板轴体连接；
所述电源单元用于提供电能；所述传感单元用于采集所述自行车的运动信号；所述运动信号包括踏频信号和力矩信号；所述电子控制单元用于根据所述运动信号和用户预设的运动模式，向所述变速单元输出档位信息，以调节所述变速单元的档位，向所述电机单元输出助力信息，以调节所述电机单元的输出功率；
其中，所述电子控制单元还用于通过下述公式，计算变速比Q＝1/D*J*[E+F*(A-50)]/G/H*I；其中，D为所述自行车的牙盘盘片的齿数，J为所述自行车的飞轮齿数，E为所述自行车的传动比，A为所述自行车的踏频，G，H，I，F皆为单位换算系数。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电子控制单元还用于通过下述公式，计算助力功率P＝A*B*C*0.105；
其中，A为所述踏频信号；B为所述力矩信号；C为预设的运动模式的系数；所述运动模式包括标准模式、节能模式和运动模式；所述标准模式的系数为1，所述节能模式的系数为0.7，所述运动模式的系数为1.4，0.105助力功率计算系数。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源单元包括相互连接的电源和BMS模块；所述BMS模块与所述电子控制单元连接；
所述BMS模块用于监控所述电源的状态信息，将所述状态信息发送至所述电子控制单元；所述状态信息包括：总电量、剩余电量、充电时间百分比。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电机单元包括中置电机和电机控制器；所述电机控制器与所述电子控制单元连接；
所述电机控制器用于接收所述电子控制单元输出的助力信息，根据所述助力信息，调节所述中置电机的输出功率。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感单元包括力矩传感器与踏频传感器；所述力矩传感器和所述踏频传感器设置在所述自行车的车轮轴体的牙盘上；
所述踏频传感器用于采集所述踏频信号，所述力矩传感器用于采集所述力矩信号。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述传感单元还包括刹车传感器；所述刹车传感器设置在所述自行车的刹车手柄上；所述刹车传感器与所述电子控制单元连接；
所述刹车传感器用于采集刹车信号，将所述刹车信号发送至所述电子控制单元。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括分别与所述电子控制单元连接的显示屏和按钮；
所述显示屏用于显示所述自行车的基本信息参数；所述基本信息参数包括速度、踏频、运动模式、当前时间和剩余里程；所述按钮包括开关按钮和运动模式切换按钮。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述变速单元包括电控变速箱，所述电控变速箱设置于所述自行车的车架上，与后车轮轴体连接。
9.一种助力自行车，其特征在于，包括权利要求1至8中任一项所述的助力自行车的变速装置，还包括自行车本体。
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