CN108894826A - 一种用于助力自行车的气动马达动力系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于助力自行车的气动马达动力系统，包括气动马达单元，气动马达单元包括相互连通的曲轴腔和轴孔，所述轴孔内嵌套有衬套，所述衬套内同轴心转动穿设有马达主轴；所述衬套的套壁分布有若干个通气孔；所述马达主轴的轴壁设置有第一配气槽和第二配气槽，所述第一配气槽与第二配气槽分别随马达主轴依次旋转至导通各所述通气孔；采用本方案的气动马达为自行车提供的动力强劲，瞬间扭矩更大，没有传统电动自行车急停后电机容易发生短路等情况，安全性高，采用三缸式驱动活塞，动力系统传动更加平稳；而且气动马达与锂电池作为输出动力相比是更为绿色的清洁动力，更为环保，能有效缓解大量废弃淘汰锂电池难以处理和降解的环境污染难题。
Description
技术领域
本发明属于助力自行车领域，尤其涉及一种用于助力自行车的气动马达动力系统及其方法。
背景技术
随着科技的更新迭代，以及我国人口密集型社会的特点，方便居民日常出行的重要交通工具之一的自行车的助力方式已经从人力逐渐过渡到了电动，现有市场上的助力自行车主要是依靠蓄电锂电池作为输出动力实现对自行车的助推和前进。锂电池的应用尽管与之前的小排量烧油发动机相比，避免了对人体危害严重的尾气排放，并在环保方面取得了较大的进步，但是随着大规模锂电池的生产、应用以及淘汰，每年产生的大批量淘汰废弃的锂电池的处理和降解逐渐成为了一个新的难以解决的能源和环境难题。
另外，现有锂电池作为输出动力的助力自行车本身结构也具有缺陷，影响电能转换和使用效率。现有的助力自行车普片直接采用的是电机为动力源，而用在自行车上的电动机普遍具有扭矩恒定乏力，瞬间扭矩不高的弊端，同时电动机为动力的自行车在急停时，电机容易产生短路，发生烧坏的现象。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中单纯以电力为动力输出导致产生大量难以有效处理并降解的锂电池，以及锂电池的电能转换和使用效率低等缺陷，本发明提供一种气动作为输出动力，气动马达和锂电池相协作配合，动能转换效率高，动力强劲，传动平稳的一种用于助力自行车的气动马达动力系统及其方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种用于助力自行车的气动马达动力系统，包括气动马达单元，所述气动马达单元包括相互连通的曲轴腔和轴孔，所述轴孔内嵌套有衬套，所述衬套内同轴心转动穿设有马达主轴；
所述衬套的套壁分布有若干个通气孔；所述马达主轴的轴壁设置有第一配气槽和第二配气槽，所述第一配气槽与第二配气槽分别随马达主轴依次旋转至导通各所述通气孔。
进一步的，所述马达主轴的一端为动力输出端，所述气动马达单元的动力输出端通过变速箱单元与自行车本体的动力输入端驱动连接。
进一步的，所述曲轴腔中包括偏心轴，所述马达主轴的另一端连接所述偏心轴，所述偏心轴连接有若干根活塞连杆，若干所述活塞连杆沿所述偏心轴轴线呈圆周阵列分布；各所述活塞连杆远离所述偏心轴的一端均连接有活塞；每个所述活塞均对应一个固定安装的活塞缸套；所述活塞与所对应的活塞缸套之间形成气室腔，每个所述活塞缸套上均设置有一个连通对应气室腔的漏气孔；
所述衬套的内壁还同轴心间距设置有第一导气环槽和第二导气环槽，且若干所述通气孔位于第一导气环槽和第二导气环槽之间；所述第一导气环槽和第二导气环槽上分别设置有第一导气孔和第二导气孔；
所述马达主轴的轴壁还设置有第一导气槽和第二导气槽，所述第一导气槽和第二导气槽的一端分别对应连通第一导气环槽和第二导气环槽，所述第一导气槽和第二导气槽的另一端分别导通第一配气槽和第二配气槽；若干所述活塞缸套上的漏气孔分别与若干个通气孔连通。
进一步的，所述衬套与轴孔过盈配合；所述轴孔的内壁设置有第一气孔和第二气孔；所述第一气孔和第二气孔分别连通所述第一导气孔和第二导气孔；所述第一气孔和第二气孔的外端分别连通连接两个导气管。
进一步的，还包括机壳，所述曲轴腔和轴孔位于所述机壳中；
各所述活塞缸套靠近漏气孔的一侧固定盖设有缸套盖，且各所述缸套盖与所述机壳可拆卸固定连接；各所述缸套盖与所对应的活塞缸套之间形成第一导气通道，所述第一导气通道连通活塞缸套上的漏气孔；
所述机壳内部还设置若干条第二导气通道，若干所述第二导气通道的一端分别连通若干所述通气孔，若干所述第二导气通道的另一端分别连通若干所述第一导气通道。
进一步的，所述马达主轴远离所述动力输出端的一端同轴心一体化设置有安装圆盘，所述安装圆盘的侧壁一体化安装有惯性平衡块，所述安装圆盘的端面偏心处设置有偏心轴螺纹孔，所述偏心轴的一端螺纹连接于偏心轴螺纹孔中；所述偏心轴上还活动套接有含油轴承；各所述活塞连杆的大头端的内弧面沿径向方向顶压连接所述含油轴承；各所述含油轴承的两端对称设置有限位挡环；
所述偏心轴的末端一体化设置有限位帽，所述限位帽的端部设置有注油螺纹销孔，所述注油螺纹销孔的孔底延伸至含油轴承所在位置，所述注油螺纹销孔的孔底形成蓄油腔，所述注油螺纹销孔的孔底的内壁设置有漏油孔，所述漏油孔从所述偏心轴的轴外壁穿出。
进一步的，所述轴孔内还套接设置有主轴旋转轴承；所述衬套的外壁沿轴线方向贯通设置矩形定位槽；所述机壳上还设置有螺纹定位通孔，所述螺纹定位通孔与衬套的矩形定位槽相对应。
进一步的，还包括气泵单元和蓄电池单元；所述蓄电池单元与所述气泵单元电性连接，所述气泵单元的出气管连通连接所述第一气孔或第二气孔。
进一步的，所述活塞连杆、活塞以及活塞缸套的数量均为三个。
进一步的，一种用于助力自行车的气动马达动力系统的方法：通过换向阀门将气泵单元的高压出气管连通第一气孔，而第二气孔等效连接大气压；此时高压气体通过第一气孔进入到衬套的第一导气孔中，进而进入到第一导气环槽中，进而第一导气环槽中高压气体通过第一导气槽与第一配气槽相互导通，此时第一配气槽的转动位置对应连通衬套上的其中一个通气孔，而另外两个通气孔与对侧的第二配气槽处于连通状态；此时与第一配气槽使与之连通状态的通气孔中产生的高压气体依次经过所对应的第二导气通道、第一导气通道和漏气孔进入到所对应的气室腔中，进而气室腔中的高压气体所对应的活塞做逐渐远离漏气孔的运动，进而使所对应气室腔膨胀，进而通过活塞连杆带动偏心轴运动，进而驱动马达主轴旋转；与此同时，由于偏心轴的运动通过另外两个活塞连杆带动另外两个活塞做推动活塞做逐渐靠近漏气孔的运动，进而使对应的气室腔压缩，此时被活塞压缩的气室腔中的气体依次从对应的漏气孔、第一导气通道和第二导气通道进入到第二配气槽中，进而第二配气槽中的气体通过第二导气槽进入到第二导气环槽中，进而通过第二导气孔导出至第二气孔中，最终导出大气压环境中，进而整个气动马达单元实现了一个进排气循环。
有益效果：本发明的结构紧凑，采用本方案的气动马达为自行车提供的动力强劲，瞬间扭矩更大，没有传统电动自行车急停后电机容易发生短路等情况，安全性高，采用三缸式驱动活塞，动力系统传动更加平稳；而且气动马达与锂电池作为输出动力相比是更为绿色的清洁动力，更为环保，能有效缓解大量废弃淘汰锂电池难以处理和降解的环境污染难题。
附图说明
附图1为本发明的气动马达单元与变速器单元拆卸状态的内剖示意图；
附图2为气动马达单元中的各活塞连杆的分布示意图；
附图3为机壳正剖视图；
附图4为机壳的俯视图；
附图5为机壳的左视图；
附图6为衬套的正剖视图；
附图7为附图6的D向剖视图；
附图8为偏心轴与马达主轴装配示意图；
附图9为马达主轴主视图；
附图10为附图9的B向局部视图；
附图11为附图10的C向剖视图；
附图12为马达主轴的左视图；
附图13为活塞连杆与偏心轴拆卸示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本方案的结构：如附图1至13所示的一种用于助力自行车的气动马达动力系统，包括气动马达单元，所述气动马达单元包括相互连通的曲轴腔18和轴孔47，所述轴孔47内嵌套有衬套14，所述衬套14内同轴心转动穿设有马达主轴11，所述马达主轴的一端为动力输出端9，所述气动马达单元的动力输出端9通过变速箱单元28与所述自行车本体的动力输入端驱动连接；还包括气泵单元和蓄电池单元，蓄电池单元可以是锂电池；所述蓄电池单元与所述气泵单元电性连接，气泵单元为气动马达单元供气；本方案是通过电池为气泵单元提供稳定电源，然后气泵单元带动气动马达单元，进而气动马达单元通过变速箱单元28带动自行车本体运行；这样采用本方案的气动马达为自行车提供的动力强劲，瞬间扭矩更大，没有传统电动自行车急停后电机容易发生短路等情况。
为了提高本马达装置的传动平稳性，同时兼顾成本和效率，本实施例的气动马达单元中的活塞连杆22、活塞23以及活塞缸套2的数量均为三个。
本实施例的曲轴腔18中包括偏心轴30，所述马达主轴11的另一端连接所述偏心轴30，所述偏心轴30连接有三根活塞连杆22，三所述活塞连杆22沿所述偏心轴30轴线呈圆周阵列分布；各所述活塞连杆22远离所述偏心轴30的一端均连接有活塞23；每个所述活塞23均对应一个固定安装的活塞缸套2；本实施例的每一个活塞缸套2都对应固定嵌套在机壳17上的缸套嵌套口42上；所述活塞23与所对应的活塞缸套2之间形成气室腔25，每个所述活塞缸套2上均设置有一个连通对应气室腔25的漏气孔3；
本实施例中，衬套14的套壁沿轴线呈圆周阵列分布有三个通气孔10；所述马达主轴11的轴壁设置有第一配气槽37和第二配气槽38；另外本实施例中的第一配气槽37与第二配气槽38沿马达主轴11轴线呈中心对称，通气孔10与第一配气槽37或第二配气槽38相互对齐时会产生导通的关系，所述第一配气槽37与第二配气槽38分别随马达主轴11依次旋转至分别导通三个通气孔10，具体的工作过程在方法说明中还有详细介绍。
所述衬套14的内壁还同轴心间距设置有第一导气环槽16和第二导气环槽12，且三所述通气孔10位于第一导气环槽16和第二导气环槽12之间；所述第一导气环槽16和第二导气环槽12上分别设置有第一导气孔41和第二导气孔40；
所述马达主轴11的轴壁还设置有第一导气槽35和第二导气槽36，所述第一导气槽35和第二导气槽36的一端分别对应连通第一导气环槽16和第二导气环槽12，所述第一导气槽35和第二导气槽36的另一端分别导通第一配气槽37和第二配气槽38；三所述活塞缸套2上的漏气孔3分别与三个通气孔10连通。
所述衬套14与轴孔47过盈配合；所述轴孔47的内壁设置有第一气孔45和第二气孔46；所述第一气孔45和第二气孔46分别连通所述第一导气孔41和第二导气孔40；所述第一气孔45和第二气孔46的外端分别连通连接两个导气管；本实施例中气泵单元的出气管连通连接所述第一气孔45或第二气孔46；本实施例中通过变向阀的方式实现中气泵单元的出气管可选择性的连通第一气孔45或第二气孔46，这样可以实现旋转马达主轴11的反转。
各所述活塞缸套2靠近漏气孔3的一侧固定盖设有缸套盖4，且各所述缸套盖4与所述机壳17可拆卸固定连接，本实施例中缸套盖4与机壳17上的端盖座60通过法兰盘固定连接；各所述缸套盖4与所对应的活塞缸套2之间形成第一导气通道1，所述第一导气通道1连通活塞缸套2上的漏气孔3；
所述机壳17内部还设置三条第二导气通道7，三所述第二导气通道7的一端分别连通三所述通气孔10，如图1所示，本实施例中第二导气通道7与所对应的通气孔10的连通处见附图标记8，三所述第二导气通道7的另一端分别连通三所述第一导气通道1；如图1所示，第二导气通道7与所对应的第一导气通道1的连通处见附图标记6。
本实施例的马达主轴11远离所述动力输出端9的一端同轴心一体化设置有安装圆盘39，所述安装圆盘39的侧壁一体化安装有惯性平衡块26，所述安装圆盘39的端面偏心处设置有偏心轴螺纹孔31，所述偏心轴30的一端螺纹连接于偏心轴螺纹孔31中；所述偏心轴30上还活动套接有含油轴承19；各所述活塞连杆22的大头端21的内弧面沿径向方向顶压连接所述含油轴承19；各所述含油轴承19的两端对称设置有限位挡环34；所述偏心轴30的末端一体化设置有限位帽20，所述限位帽20的端部设置有注油螺纹销孔32，所述注油螺纹销孔32的孔底延伸至含油轴承19所在位置，所述注油螺纹销孔32的孔底形成蓄油腔，所述注油螺纹销孔32的孔底的内壁设置有漏油孔33，所述漏油孔33从所述偏心轴30的轴外壁穿出，为了提高润滑的持续性，漏油孔33设置的很小，本实施例中为1毫米孔径；这样可以在偏心轴螺纹孔31中预先注入部分润滑油，进而注油螺纹销孔32的孔底的蓄油腔中填充部分润滑油后，然后用密封螺栓将偏心轴螺纹孔31的孔口密封锁死，然后在马达主轴11在旋转过程中，蓄油腔中的润滑油在离心力的作用下通过漏油孔33缓慢溢出至含油轴承19内圈，进而实现持续润滑的效果。
为了提高传动的平稳性，轴孔47内还套接设置有主轴旋转轴承5；所述衬套14的外壁沿轴线方向贯通设置矩形定位槽13；所述机壳17上还设置有螺纹定位通孔15，所述螺纹定位通孔15与衬套14的矩形定位槽13相对应，螺纹定位通孔15中可以安装螺纹定位销，该螺纹定位通孔15实现衬套14的定位，以及防止偏转。
本方案的气动马达的具体传动原理解释：通过换向阀门将气泵单元的高压出气管连通第一气孔45，而第二气孔46连接大气压；此时高压气体通过第一气孔45进入到衬套14的第一导气孔41中，进而进入到第一导气环槽16中，进而第一导气环槽16中高压气体通过第一导气槽35与第一配气槽37相互导通，此时第一配气槽37的转动位置对应连通衬套14上的其中一个通气孔10，而另外两个通气孔10与对侧的第二配气槽38处于连通状态；此时与第一配气槽37使与之连通状态的通气孔10中产生的高压气体依次经过所对应的第二导气通道7、第一导气通道1和漏气孔3进入到所对应的气室腔25中，进而气室腔25中的高压气体所对应的活塞23做逐渐远离漏气孔3的运动，进而使所对应气室腔25膨胀，进而通过活塞连杆22带动偏心轴30运动，进而驱动马达主轴11旋转；与此同时，由于偏心轴30的运动通过另外两个活塞连杆22带动另外两个活塞23做推动活塞23做逐渐靠近漏气孔3的运动，进而使对应的气室腔25压缩，此时被活塞23压缩的气室腔25中的气体依次从对应的漏气孔3、第一导气通道1和第二导气通道7进入到第二配气槽38中，进而第二配气槽38中的气体通过第二导气槽36进入到第二导气环槽12中，进而通过第二导气孔40导出至第二气孔46中，最终导出大气压环境中，进而整个气动马达单元实现了一个进排气循环；
另外，本实施例中气泵与气动马达之间还可以增设一个储气单元，或者将气泵直接替换为储气单元，只携带储气瓶不设锂电池，在自行车骑行之前预先在储气瓶中预装压缩空气，在行驶过程中储气瓶缓慢释放空气，进而为第一气孔45供气，进而使储气瓶替代气泵的功能，将空气压力势能转变为动能，这样就不需携带锂电池和气泵，从而达到省去锂电池的作用。
在本发明中，蓄电池单元为气泵单元通电，提供动力使其转动，而气泵单元的运行为气动马达单元提供动力空气，最后由气动马达动力输出空气动力。本发明的气动马达动力系统提供了相对于传统的锂电池动力具有更强劲的瞬间扭矩，克服纯电动自行车扭矩疲软的弊端，没有传统电动自行车急停后电机容易发生短路等情况，安全性高，采用三缸式驱动活塞，动力系统传动更加平稳；而且气动马达与锂电池作为输出动力相比是更为绿色的清洁动力，更为环保，能有效缓解大量废弃淘汰锂电池难以处理和降解的环境污染难题。另外，本发明中气动马达和蓄电锂电池相协作配合，动能转换效率高，动力强劲，传动平稳。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于助力自行车的气动马达动力系统，其特征在于：包括气动马达单元，所述气动马达单元包括相互连通的曲轴腔(18)和轴孔(47)，所述轴孔(47)内嵌套有衬套(14)，所述衬套(14)内同轴心转动穿设有马达主轴(11)；
所述衬套(14)的套壁分布有若干个通气孔(10)；所述马达主轴(11)的轴壁设置有第一配气槽(37)和第二配气槽(38)，所述第一配气槽(37)与第二配气槽(38)分别随马达主轴(11)依次旋转至导通各所述通气孔(10)。
2.根据权利要求1所述的一种用于助力自行车的气动马达动力系统，其特征在于：所述马达主轴(11)的一端为动力输出端(9)，所述气动马达单元的动力输出端(9)通过变速箱单元(28)与自行车本体的动力输入端驱动连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于助力自行车的气动马达动力系统，其特征在于：所述曲轴腔(18)中包括偏心轴(30)，所述马达主轴(11)的另一端连接所述偏心轴(30)，所述偏心轴(30)连接有若干根活塞连杆(22)，若干所述活塞连杆(22)沿所述偏心轴(30)轴线呈圆周阵列分布；各所述活塞连杆(22)远离所述偏心轴(30)的一端均连接有活塞(23)；每个所述活塞(23)均对应一个固定安装的活塞缸套(2)；所述活塞(23)与所对应的活塞缸套(2)之间形成气室腔(25)，每个所述活塞缸套(2)上均设置有一个连通对应气室腔(25)的漏气孔(3)；
所述衬套(14)的内壁还同轴心间距设置有第一导气环槽(16)和第二导气环槽(12)，且若干所述通气孔(10)位于第一导气环槽(16)和第二导气环槽(12)之间；所述第一导气环槽(16)和第二导气环槽(12)上分别设置有第一导气孔(41)和第二导气孔(40)；
所述马达主轴(11)的轴壁还设置有第一导气槽(35)和第二导气槽(36)，所述第一导气槽(35)和第二导气槽(36)的一端分别对应连通第一导气环槽(16)和第二导气环槽(12)，所述第一导气槽(35)和第二导气槽(36)的另一端分别导通第一配气槽(37)和第二配气槽(38)；若干所述活塞缸套(2)上的漏气孔(3)分别与若干个通气孔(10)连通。
4.根据权利要求3所述的一种用于助力自行车的气动马达动力系统，其特征在于：所述衬套(14)与轴孔(47)过盈配合；所述轴孔(47)的内壁设置有第一气孔(45)和第二气孔(46)；所述第一气孔(45)和第二气孔(46)分别连通所述第一导气孔(41)和第二导气孔(40)；所述第一气孔(45)和第二气孔(46)的外端分别连通连接两个导气管。
5.根据权利要求3所述的一种用于助力自行车的气动马达动力系统，其特征在于：还包括机壳(17)，所述曲轴腔(18)和轴孔(47)位于所述机壳(17)中；各所述活塞缸套(2)靠近漏气孔(3)的一侧固定盖设有缸套盖(4)，且各所述缸套盖(4)与所述机壳(17)可拆卸固定连接；各所述缸套盖(4)与所对应的活塞缸套(2)之间形成第一导气通道(1)，所述第一导气通道(1)连通活塞缸套(2)上的漏气孔(3)；所述机壳(17)内部还设置若干条第二导气通道(7)，若干所述第二导气通道(7)的一端分别连通若干所述通气孔(10)，若干所述第二导气通道(7)的另一端分别连通若干所述第一导气通道(1)。
6.根据权利要求3所述的一种用于助力自行车的气动马达动力系统，其特征在于：所述马达主轴(11)远离所述动力输出端(9)的一端同轴心一体化设置有安装圆盘(39)，所述安装圆盘(39)的侧壁一体化安装有惯性平衡块(26)，所述安装圆盘(39)的端面偏心处设置有偏心轴螺纹孔(31)，所述偏心轴(30)的一端螺纹连接于偏心轴螺纹孔(31)中；所述偏心轴(30)上还活动套接有含油轴承(19)；各所述活塞连杆(22)的大头端(21)的内弧面沿径向方向顶压连接所述含油轴承(19)；各所述含油轴承(19)的两端对称设置有限位挡环(34)；
所述偏心轴(30)的末端一体化设置有限位帽(20)，所述限位帽(20)的端部设置有注油螺纹销孔(32)，所述注油螺纹销孔(32)的孔底延伸至含油轴承(19)所在位置，所述注油螺纹销孔(32)的孔底形成蓄油腔，所述注油螺纹销孔(32)的孔底的内壁设置有漏油孔(33)，所述漏油孔(33)从所述偏心轴(30)的轴外壁穿出。
7.根据权利要求5所述的一种用于助力自行车的气动马达动力系统，其特征在于：所述轴孔(47)内还套接设置有主轴旋转轴承(5)；所述衬套(14)的外壁沿轴线方向贯通设置矩形定位槽(13)；所述机壳(17)上还设置有螺纹定位通孔(15)，所述螺纹定位通孔(15)与衬套(14)的矩形定位槽(13)相对应。
8.根据权利要求4所述的一种用于助力自行车的气动马达动力系统，其特征在于：还包括气泵单元和蓄电池单元；所述蓄电池单元与所述气泵单元电性连接，所述气泵单元的出气管连通连接所述第一气孔(45)或第二气孔(46)。
9.根据权利要求1所述的一种用于助力自行车的气动马达动力系统，其特征在于：所述活塞连杆(22)、活塞(23)以及活塞缸套(2)的数量均为三个。
10.一种用于助力自行车的气动马达动力系统的方法，其特征在于：通过换向阀门将气泵单元的高压出气管连通第一气孔(45)，而第二气孔(46)等效连接大气压；此时高压气体通过第一气孔(45)进入到衬套(14)的第一导气孔(41)中，进而进入到第一导气环槽(16)中，进而第一导气环槽(16)中高压气体通过第一导气槽(35)与第一配气槽(37)相互导通，此时第一配气槽(37)的转动位置对应连通衬套(14)上的其中一个通气孔(10)，而另外两个通气孔(10)与对侧的第二配气槽(38)处于连通状态；此时与第一配气槽(37)使与之连通状态的通气孔(10)中产生的高压气体依次经过所对应的第二导气通道(7)、第一导气通道(1)和漏气孔(3)进入到所对应的气室腔(25)中，进而气室腔(25)中的高压气体所对应的活塞(23)做逐渐远离漏气孔(3)的运动，进而使所对应气室腔(35)膨胀，进而通过活塞连杆(22)带动偏心轴(30)运动，进而驱动马达主轴(11)旋转；与此同时，由于偏心轴30(30)的运动通过另外两个活塞连杆(22)带动另外两个活塞(23)做推动活塞(23)做逐渐靠近漏气孔(3)的运动，进而使对应的气室腔(25)压缩，此时被活塞(23)压缩的气室腔(25)中的气体依次从对应的漏气孔(3)、第一导气通道(1)和第二导气通道(7)进入到第二配气槽(38)中，进而第二配气槽(38)中的气体通过第二导气槽(36)进入到第二导气环槽(12)中，进而通过第二导气孔(40)导出至第二气孔(46)中，最终导出大气压环境中，进而整个气动马达单元实现了一个进排气循环。
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