CN108609104A - 用于人力驱动车的助力装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于人力驱动车的助力装置，属于电动车领域，涉及用于人力驱动车的助力装置。第一支架与车架固连，第二支架的第一端与第一支架摆动连接，第二支架的第二端与动力总成固连，动力总成驱动驱动轮旋转。不助力时，动力总成不转动，驱动轮与车轮总成不接触；助力时，动力总成开始转动，反馈力矩作用于第二支架上，使第二支架绕在第一支架上的摆动轴摆动，带动驱动轮与车轮总成轮辋内圆周面接触，驱动轮通过摩擦力驱动车轮总成转动，这个摩擦力的分力将驱动轮与车轮总成轮辋内圆周面压紧。本发明不需要拆卸原车部件，成本低，自主骑行时不与车轮接触，应用系统启动时的反馈力矩实现电机与车轮的结合与分离，解决了现有技术中的问题。
Description
技术领域
本发明公开一种用于人力驱动车的助力装置，属于电动车领域，涉及人力驱动车，特别涉及用于自行车的助力装置。
背景技术
人力驱动车(例如：自行车、人力三轮车和人力四轮车等)仅能依靠人自身的体力驱动，如果能在其上增加助力装置可以减少人的体力消耗，或者是在消耗体力一定的情况下延长骑行距离。随着城市化的进程以及绿色通行的倡导，使用自行车通勤、游玩的人越来越多，由于通勤和游玩的距离通常较长，在体力一定的情况下增加骑行距离成为一种需求。
现有技术对如何将电机的旋转运动转换成人力驱动车运动，有以下三种解决方案：
1、将现有人力驱动车的车轮替换为集成了轮毂电机的车轮，轮毂总成位于轮心处，轮毂电机外壳旋转直接带动车轮转动。但是轮毂电机需要预先装配在车轮中心，用户需要总成购买，多花了车轮的钱，而原车的车轮拆下后也没有其他用处，造成了浪费增加了用户成本。另外，当用户自主骑行不需要助力的时候，还需要克服轮毂电机空转的阻力，用户骑行费力。
2、将人力驱动车的车轮内圈加装齿圈，设置电机驱动与齿轮啮合的齿圈旋转，从而驱动车轮转动，同样存在上述技术中成本高，以及在用户自主骑行时电机不能和车轮脱离接触，成为骑行的阻力。
3、将电机驱动一个小轮旋转，小轮通过支架与车轮外胎面接触使用摩擦力驱动车轮旋转，缺点在于小轮和车轮接触以后就不容易分离，如果在不分离的状态下自主骑行，电机会变为骑行的阻力，用户体验差。所以这样用户在不需要助力的时候还要下车手动分离，在需要助力的时候要下车手动结合，电机和车轮分离结合操作复杂。
综上，现有技术中对人力驱动车助力方案存在原车部件浪费、成本高、自主骑行阻力大以及电机和车轮不能方便的结合与分离的问题。需要设计一种不更改原车结构、充分利用原车部件、成本低、无自主骑行阻力且电机和车轮能方便的结合与分离的助力装置。
发明内容
本发明主要旨在解决现有技术中对人力驱动车助力方案存在原车部件浪费、成本高、自主骑行阻力大以及电机和车轮不能方便的结合与分离的问题，提供用于人力驱动车的助力装置。
为了实现上述目的，所述的方案如下：
提供一种用于人力驱动车的助力装置，与人力驱动车的车架固连，驱动车轮总成转动，其特征是，包括第一支架、第二支架、动力总成和驱动轮；第一支架·与车架固连，第二支架的第一端与第一支架摆动连接，第二支架的第二端与动力总成固连，动力总成驱动驱动轮旋转；不助力时，动力总成不转动，驱动轮与车轮总成不接触；助力时，动力总成开始转动，反馈力矩T2作用于第二支架上，使第二支架绕在第一支架上的摆动轴摆动，带动驱动轮与车轮总成轮辋内圆周面接触，驱动轮通过摩擦力驱动车轮总成转动，这个摩擦力的分力将驱动轮与车轮总成轮辋内圆周面压紧。
进一步地，所述的用于人力驱动车的助力装置，其特征是，还包括限位装置和回位装置；限位装置和回位装置将第二支架与第一支架保持在初始位置不易受到扰动，回位装置的回位力矩小于反馈力矩T2。
进一步地，所述的用于人力驱动车的助力装置，其特征是，助力时，车轮总成给驱动轮一个反作用力F1，F1是与车轮总成旋转切线方向平行且相反的；F1分解成沿着第二支架传递给摆动轴的力F3，以及将驱动轮压向车轮总成的力F2，F2与车轮总成轴向平行，F2和F3之间存在夹角θ；tanθ小于驱动轮与车轮总成之间的摩擦系数。
进一步地，所述的用于人力驱动车的助力装置，其特征是，驱动轮转动的轴线与第二支架摆动的轴线大致平行。
进一步地，所述的用于人力驱动车的助力装置，其特征是，驱动轮转动的轴线与第二支架摆动的轴线可以接受的范围是大于等于0°且小于90°。
进一步地，所述的用于人力驱动车的助力装置，其特征是，驱动轮转动的轴线较第二支架摆动的轴线更靠近车轮总成的边缘；第二支架摆动的轴线在驱动轮转动的轴线的后部。
进一步地，所述的用于人力驱动车的助力装置，其特征是，当驱动轮和车轮总成接触时，驱动轮的旋转轴线与车轮总成的转轴在同一个平面。
进一步地，所述的用于人力驱动车的助力装置，其特征是，所述的动力总成的能源是电能；动力总成可以是电动机，也可以是电动机和减速器的组合。
进一步地，所述的用于人力驱动车的助力装置，其特征是，所述的第二支架的第一端与第一支架摆动连接，可以是回转副，也可以是螺纹副。
进一步地，所述的用于人力驱动车的助力装置，其特征是，所述的驱动轮中心与动力总成的输出轴固连；驱动轮外周面摩擦系数较大；驱动轮的转动惯量较大。
本发明不需要拆卸原车部件，成本低，自主骑行时不与车轮接触，应用系统启动时的反馈力矩实现电机与车轮的结合与分离，将这个过程融合在助力与解除助力中，解决了现有技术中的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1助力装置装配在车架上的示意图；
图2助力装置爆炸图；
图3是图1顶视图，描述驱动轮与车轮结合的原理；
图4是图1顶视图，描述驱动轮驱动车轮的原理(隐藏轮胎)；
图5是沿车轮轴向视图，描述几何设计要点；
图6助力装置装配在车架上的示意图(隐藏轮胎)；
图7描述驱动轮驱动车轮的原理(隐藏轮胎)；
图8助力装置装配在车架上的示意图；
图9助力装置爆炸图；
图10描述驱动轮与车轮结合的原理；
图11描述驱动轮驱动车轮的原理；
以上，图1至5是实施例一，图6和7是实施例二，图6至11是实施例三。
图中标记为：
1、第一支架；11、支撑位；12、第一限位块；13、第一挂点；
2、第二支架；21、第一端；22、第二端；23、第二限位块；24、第二挂点；
3、动力总成；
4、驱动轮；
5、回位元件；
6、车轮总成；
7、车架。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
如图1所示，人力驱动车指的是自行车、人力三轮车、人力四轮车等依靠人自身体力为动力的车，当然，按照本发明所述的方案设计出来的仅靠电力驱动的车也属于本发明保护范围内。构成上述人力驱动车的接地滚动部分由车轮总成6和车架7组成，其中车轮总成6可以是从动轮或驱动轮，车轮总成6的中心与车架7旋转连接，除这个旋转自由度外，车轮总成6和车架7无其他相对运动关系，车轮总成6通过车架7将承受的各种力矩和力传递给车身。车轮总成6由轮辋和轮胎组成，轮辋可以是一体铸造、注塑的结构，也可以是辐条和轮圈组合结构，以上属于对现有技术的结构描述，定义本发明的应用领域。
实施例一：
如图1和图2所示，第一支架1与车架7固连，第二支架2的第一端21与第一支架1摆动连接，第二支架2的第二端22与动力总成3固连，动力总成3驱动驱动轮4旋转，助力时，驱动轮4与车轮总成6侧面接触，通过摩擦力驱动车轮总成6转动，这个摩擦力的分力将驱动轮4与车轮总成6侧面压紧。
如图3所示，不助力时，即动力总成3没有接到助力指令时，动力总成3不转动，驱动轮4与车轮总成6是不接触的。助力时，动力总成3接到助力指令开始转动时，对驱动轮4施加了驱动力矩T1，这个驱动力矩T1反作用于动力总成3旋向相反的反馈力矩T2，由于动力总成3和第二支架2固连，即反馈力矩T2作用于第二支架2上，使第二支架2绕在第一支架1上的摆动轴摆动，从而带动驱动轮4与车轮总成6侧面接触。
如图4所示，当旋转的驱动轮4与车轮总成6侧面接触时，驱动轮4通过摩擦力驱动车轮总成6转动，车轮总成6给驱动轮4一个反作用力F1，F1是与车轮总成6旋转切线方向平行且相反的，F1分解成沿着第二支架2传递给摆动轴的力F3，以及将驱动轮4压向车轮总成6的力F2，F2与车轮总成6轴向平行，F2将驱动轮4压在车轮总成6的侧面。F2和F3之间存在夹角θ，当tanθ小于驱动轮4与车轮总成6之间的摩擦系数时，驱动轮4与车轮总成6实现自锁传动，即，随着驱动力F1的增加，F2也会增加，更加紧密的将驱动轮4与车轮总成6压紧不会打滑，传动效率更高。
当动力总成3接到的助力指令撤销时，F1消失，F2和F3也随即消失，驱动轮4与车轮总成6之间不再有压紧力，驱动轮4与车轮总成6脱离接触。与此同时，车轮总成6也会带动驱动轮4和第二支架2绕在第一支架1上的摆动轴摆动，摆动的效果也使得驱动轮4与车轮总成6脱离接触。
另外，在不需要助力时，为了避免第二支架2因颠簸和震动而摆动，从而使得驱动轮4碰撞车轮总成6产生噪音和骑行阻力。优选设置将第二支架2与第一支架1保持在初始位置不易受到扰动的限位装置和回位装置。回位装置的回位力矩小于反馈力矩T2，即反馈力矩T2可以克服回位力矩带动第二支架2转动。
更详细的，
如图1至图4所示，第一支架1的本体是可以固连在车架7的结构，优选“C”形截面的拉伸体，将柱状的车架7包裹在第一支架1内，在“C”形截面的开口处设置紧固结构，使得第一支架1抱紧车架7，这个紧固结构可以是螺栓紧固，也可以是快拆杠杆结构。第一支架1与车架7的固连的方式还可以采用粘接、焊接、绳索绑固等，只要能实现两者固连均可。
第二支架2第一端21与第一支架1摆动连接，第一支架1设有支撑位11，支撑位11与第一端21摆动配合，优选回转副配合，支撑位11设有上下两个转轴，分别于第一端21的孔配合；还可以，使用螺纹副代替回转副，由于第二支架2摆动的角度较小，摆动产生的轴向位移可以忽略，另外螺纹副同时还约束了第二支架2与第一支架1间的轴向运动。第二限位块23与第二支架固连，第二限位块23与第一支架1上的第一限位块12接触，即第二支架2位于初始位置。回位元件5一端与第一支架1固连，一端与第二支架2固连，在第一支架1与第二支架2间施加回位力矩，使得两者有保持在初始位置的趋势，优选，回位元件5是拉伸弹簧，一端钩挂在第一支架1的孔，一端钩挂在第二支架2的孔。
第二支架2第二端22与动力总成3固连，动力总成3的能源是电能，由储存在人力驱动车上的电池提供，动力总成3在接到助力指令时输出轴会按照设定方向旋转，并按照指令要求的转速转动。助力指令可以骑行者操作的油门发出；或者由监测骑行者腿部发出的驱动力矩(例如监测自行车牙盘力矩)的控制器按设定策略发出助力指令，实现与腿部驱动随动的效果。动力总成3可以是电动机，也可以是电动机和减速器的组合。
驱动轮4外周面是摩擦系数较大的材料，优选橡胶，驱动轮4中心与动力总成3的输出轴固连。驱动轮4与车轮总成6的侧面接触，优选与轮辋侧面接触，可选与轮胎侧面接触。驱动轮4与动力总成3的转子的转动惯量的总和越大，反馈力矩T2越大，故驱动轮4的主体材料应选择密度较大的材料制成，如使用钢铁、铜材，或注塑后镶嵌铅等金属。驱动轮4转动的轴线与第二支架2摆动的轴线大致平行，这两个轴线的夹角越小，驱动力矩T1转换为反馈力矩T2越顺畅(或者理解为反馈力矩T2越大)。驱动轮4转动的轴线与第二支架2摆动的轴线可以接受的范围是大于等于0°且小于90°。如图3和图4所示，驱动轮4转动的轴线较第二支架2摆动的轴线更靠近车轮总成6，且第二支架2摆动的轴线在驱动轮4转动的轴线的后部(车轮总成6转动切向相反方向)。为了避免驱动轮4和车轮总成6之间接触转动时产生滑动摩擦，对两者产生不必要的磨损，当驱动轮4和车轮总成6接触时，驱动轮4的旋转轴线与车轮总成6的转轴相交，如图5所示。
实施例二：
上述实施例一只在车轮总成6的一侧设置助力装置，如图4所示，驱动轮4压向车轮总成6的力F2只能由车轮总成6的结构强度来抵抗，为了更好的平衡这个力，如图6和图7所示，将实施例一所示的助力装置关于车轮总成6的赤道面再镜像设置一套，构成实施例二，即两套实施例一的助力装置关于车轮总成6的赤道面对称布置构成了实施例二，几何原理不变。也增加了系统的冗余，提高了可靠性。
两侧的动力总成3在接到助力指令时输出轴会同时按照设定方向旋转，并按照指令要求的转速转动。如图7所示，车轮总成6给两侧的驱动轮4分别施加反作用力F1和F1'，F1和F1'是与车轮总成6旋转方向平行且相反的，数值相同，F1和F1'分别分解成沿着两侧第二支架2传递给摆动轴的力F3和F3'，以及将两侧的驱动轮4压向车轮总成6的力F2和F2'，F2和F2'大小相等方向相反，相互抵消，车轮总成6不承受额外的侧向力。
实施例三：
如图8至图11所示，在上述实施例一的基础上，将助力装置整体旋转90°，使得驱动轮4与车轮总成6的轮辋内圆周面接触，接触时，驱动轮4的旋转轴线与车轮总成6的轴线平行，得到实施例三，驱动时产生的径向力由车轮总成6承受，车轮总成6径向强度大，径向力不会对车轮总成6的结构有负面影响。
如图8和图9所示，第一支架1与车架7固连，第二支架2的第一端21与第一支架1摆动连接，第二支架2的第二端22与动力总成3固连，动力总成3驱动驱动轮4旋转，助力时，驱动轮4与车轮总成6的轮辋内周面接触，通过摩擦力驱动车轮总成6转动，这个摩擦力的分力将驱动轮4与车轮总成6轮辋内圆周面压紧。
如图10所示，不助力时，即动力总成3没有接到助力指令时，动力总成3不转动，驱动轮4与车轮总成6是不接触的。助力时，动力总成3接到助力指令开始转动时，对驱动轮4施加了驱动力矩T1，这个驱动力矩T1反作用于动力总成3旋向相反的反馈力矩T2，由于动力总成3和第二支架2固连，即反馈力矩T2作用于第二支架2上，使第二支架2绕在第一支架1上的摆动轴摆动，从而带动驱动轮4与车轮总成6轮辋内圆周面接触。
如图11所示，当旋转的驱动轮4与车轮总成6的轮辋内周面接触时，驱动轮4通过摩擦力驱动车轮总成6转动，车轮总成6给驱动轮4一个反作用力F1，F1是与车轮总成6旋转方向切向平行且相反的，F1分解成沿着第二支架2传递给摆动轴的力F3，以及将驱动轮4压向车轮总成6的力F2，F2与车轮总成6径向平行，F2将驱动轮4压在车轮总成6的轮辋内周面。F2和F3之间存在夹角θ，当tanθ小于驱动轮4与车轮总成6之间的摩擦系数时，驱动轮4与车轮总成6实现自锁传动，即，随着驱动力F1的增加，F2也会增加，更加紧密的将驱动轮4与车轮总成6压紧不会打滑，传动效率更高。
当动力总成3接到的助力指令撤销时，F1消失，F2和F3也随即消失，驱动轮4与车轮总成6之间不再有压紧力，驱动轮4与车轮总成6脱离接触。与此同时，车轮总成6也会带动驱动轮4和第二支架2绕在第一支架1上的摆动轴摆动，摆动的效果也使得驱动轮4与车轮总成6脱离接触。
另外，在不需要助力时，为了避免第二支架2因颠簸和震动而摆动，从而使得驱动轮4碰撞车轮总成6产生噪音和骑行阻力。优选设置将第二支架2与第一支架1保持在初始位置不易受到扰动的限位装置和回位装置。回位装置的回位力矩小于反馈力矩T2，即反馈力矩T2可以克服回位力矩带动第二支架2转动。当第二支架2及固连物受到重力产生的回位作用时，可以省去单独设置回位装置，如图11所示，重力方向向下。
更详细的，
如图8至图11所示，第一支架1的本体是可以固连在车架7的结构，优选“C”形截面的拉伸体，将柱状的车架7包裹在第一支架1内，在“C”形截面的开口处设置紧固结构，使得第一支架1抱紧车架7，这个紧固结构可以是螺栓紧固，也可以是快拆杠杆结构。第一支架1与车架7的固连的方式还可以采用粘接、焊接、绳索绑固等，只要能实现两者固连均可。
第二支架2第一端21与第一支架1摆动连接，第一支架1设有支撑位11，支撑位11与第一端21摆动配合，优选回转副配合，支撑位11设有上下两个转轴，分别于第一端21的孔配合；还可以，使用螺纹副代替回转副，由于第二支架2摆动的角度较小，摆动产生的轴向位移可以忽略，另外螺纹副同时还约束了第二支架2与第一支架1间的轴向运动。第二限位块23与第二支架固连，第二限位块23与第一支架1上的第一限位块12接触，即第二支架2位于初始位置。回位元件5一端与第一支架1固连，一端与第二支架2固连，在第一支架1与第二支架2间施加回位力矩，使得两者有保持在初始位置的趋势，优选，回位元件5是拉伸弹簧，一端钩挂在第一支架1的孔，一端钩挂在第二支架2的孔。
第二支架2第二端22与动力总成3固连，动力总成3的能源是电能，由储存在人力驱动车上的电池提供，动力总成3在接到助力指令时输出轴会按照设定方向旋转，并按照指令要求的转速转动。助力指令可以骑行者操作的油门发出；或者由监测骑行者腿部发出的驱动力矩(例如监测自行车牙盘力矩)的控制器按设定策略发出助力指令，实现与腿部驱动随动的效果。动力总成3可以是电动机，也可以是电动机和减速器的组合。
驱动轮4外周面是摩擦系数较大的材料，优选橡胶，驱动轮4中心与动力总成3的输出轴固连。驱动轮4与车轮总成6的轮辋内周面接触。驱动轮4与动力总成3的转子的转动惯量的总和越大，反馈力矩T2越大，故驱动轮4的主体材料应选择密度较大的材料制成，如使用钢铁、铜材，或注塑后镶嵌铅等金属。驱动轮4转动的轴线与第二支架2摆动的轴线大致平行，这两个轴线的夹角越小，驱动力矩T1转换为反馈力矩T2越顺畅(或者理解为反馈力矩T2越大)。驱动轮4转动的轴线与第二支架2摆动的轴线可以接受的范围是大于等于0°且小于90°。如图10和图11所示，驱动轮4转动的轴线较第二支架2摆动的轴线更靠近车轮总成6的边缘，且第二支架2摆动的轴线在驱动轮4转动的轴线的后部(车轮总成6转动切向相反方向)。为了避免驱动轮4和车轮总成6之间接触转动时产生滑动摩擦，对两者产生不必要的磨损，当驱动轮4和车轮总成6接触时，驱动轮4的旋转轴线与车轮总成6的转轴在同一个平面，进一步地，驱动轮4的旋转轴线与车轮总成6的转轴平行。
以上实施例可以应用于人力驱动车的所有的车轮，或者是部分的车轮，构成部分车轮驱动或全轮驱动，且同一个人力驱动车的不同车轮应用的实施例的方案可以任意组合。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于人力驱动车的助力装置，与人力驱动车的车架(7)固连，驱动车轮总成(6)转动，其特征是，包括第一支架(1)、第二支架(2)、动力总成(3)和驱动轮(4)；
第一支架(1)与车架(7)固连，第二支架(2)的第一端(21)与第一支架(1)摆动连接，第二支架(2)的第二端(22)与动力总成(3)固连，动力总成(3)驱动驱动轮(4)旋转；
不助力时，动力总成(3)不转动，驱动轮(4)与车轮总成(6)不接触；
助力时，动力总成(3)开始转动，反馈力矩T2作用于第二支架(2)上，使第二支架(2)绕在第一支架(1)上的摆动轴摆动，带动驱动轮(4)与车轮总成(6)轮辋内圆周面接触，驱动轮(4)通过摩擦力驱动车轮总成(6)转动，这个摩擦力的分力将驱动轮(4)与车轮总成(6)轮辋内圆周面压紧。
2.根据权利要求1所述的用于人力驱动车的助力装置，其特征是，还包括限位装置和回位装置；
限位装置和回位装置将第二支架(2)与第一支架(1)保持在初始位置不易受到扰动，回位装置的回位力矩小于反馈力矩T2。
3.根据权利要求1所述的用于人力驱动车的助力装置，其特征是，
助力时，车轮总成(6)给驱动轮(4)一个反作用力F1，F1是与车轮总成(6)旋转切线方向平行且相反的；
F1分解成沿着第二支架(2)传递给摆动轴的力F3，以及将驱动轮(4)压向车轮总成(6)的力F2，F2与车轮总成(6)径向平行，F2和F3之间存在夹角θ；
tanθ小于驱动轮(4)与车轮总成(6)之间的摩擦系数。
4.根据权利要求1所述的用于人力驱动车的助力装置，其特征是，
驱动轮(4)转动的轴线与第二支架(2)摆动的轴线大致平行。
5.根据权利要求4所述的用于人力驱动车的助力装置，其特征是，
驱动轮(4)转动的轴线与第二支架(2)摆动的轴线可以接受的范围是大于等于0°且小于90°。
6.根据权利要求1所述的用于人力驱动车的助力装置，其特征是，
驱动轮(4)转动的轴线较第二支架(2)摆动的轴线更靠近车轮总成(6)的边缘；
第二支架(2)摆动的轴线在驱动轮(4)转动的轴线的后部。
7.根据权利要求1所述的用于人力驱动车的助力装置，其特征是，
当驱动轮(4)和车轮总成(6)接触时，驱动轮(4)的旋转轴线与车轮总成(6)的转轴在同一个平面。
8.根据权利要求1所述的用于人力驱动车的助力装置，其特征是，所述的动力总成(3)的能源是电能；
动力总成(3)可以是电动机，也可以是电动机和减速器的组合。
9.根据权利要求1所述的用于人力驱动车的助力装置，其特征是，所述的第二支架(2)的第一端(21)与第一支架(1)摆动连接，可以是回转副，也可以是螺纹副。
10.根据权利要求1所述的用于人力驱动车的助力装置，其特征是，所述的驱动轮(4)中心与动力总成(3)的输出轴固连；驱动轮(4)外周面摩擦系数较大；驱动轮(4)的转动惯量较大。
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| JPH03162856A (ja) * | 1989-06-18 | 1991-07-12 | Arie Becker | 電動補助駆動装置 |
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