CN109677557A - 一种助力装置及助力自行车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种助力装置及助力自行车，助力装置包括由电机控制器控制输出转矩的电机、牙盘、驱动轴、飞轮、第一驱动轮、第二驱动轮和脚踏力测量装置；牙盘和第一驱动轮之间通过第一链条或第一皮带建立传动连接，第二驱动轮和飞轮通过第二链条或第二皮带建立传动连接，第一驱动轮和第二驱动轮均安装在驱动轴上，第一驱动轮上的转矩能够传递至第二驱动轮上；脚踏力测量装置包括一受到第一链条或第一皮带的张紧力的作用发生摆动的摆臂和一检测摆臂转动角度或位移距离的传感器，传感器将检测的电信号发送至电机控制器，电机控制器控制电机输出相应的转矩。本发明能够实现对相关部件的有效收容和密封，从而提高装置的可靠性。

Description

一种助力装置及助力自行车

技术领域

本发明属于电动力机动车技术领域，具体涉及一种助力装置及助力自行车。

背景技术

采用助力的自行车都需要根据自行车的运动速度或受力信息，由电机控制器控制电机为自行车提供助力。例如申请号为“2017103083387”、发明名称为“一种集成式助力装置及助力自行车”的发明专利中记载了一种助力方案，通过检测链条或皮带张紧力情况来判断当前需要输出的驱动力从而实现助力的目的。这种助力方式由于能够准确反映自行车当前运动的信息和状态，因此助力效果较好。

然而通过对产品的长时间使用发现，上述专利所公开的技术方案中，脚踏力测量装置、第一链轮、牙盘以及辅助轮等都暴露在壳体外面，这就造成许多问题：

一、由于采用链传动的驱动方式，导致传动过程产生比较大的噪音，进而对骑行者及周边人群产生一定的不良影响。

二、由于传动部件需要涂抹润滑油进行润滑，但是完全外露的设置方式会加速润滑油的消耗，造成传动部件得不到长期有效的润滑，加速部件的损耗，降低装置的可靠性并提高维护成本。

三、由于牙盘、第一链轮和辅助轮等传动部件之间的中心距比较短，一旦车辆经过泥泞路面，依附在链条或皮带上的污物可能会淤积在这些链轮之间，造成传动失效等故障，降低装置的可靠性，不仅严重影响骑行体验，而且也加大了维护成本。

综上所述，现有技术中的驱动装置仍需要进一步的改进。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种助力装置及助力自行车，通过将一级传动改为两级传动的方式实现对相关部件的有效收容和密封，从而提高装置的可靠性。

为解决现有技术问题，本发明公开了一种助力装置，包括由电机控制器控制输出转矩的电机，

助力装置还包括牙盘、驱动轴、飞轮、第一驱动轮、第二驱动轮和脚踏力测量装置；牙盘和第一驱动轮之间通过第一链条或第一皮带建立传动连接，第二驱动轮和飞轮通过第二链条或第二皮带建立传动连接，第一驱动轮和第二驱动轮均安装在驱动轴上，第一驱动轮上的转矩能够传递至第二驱动轮上；

脚踏力测量装置包括一受到第一链条或第一皮带的张紧力的作用发生摆动且具有恢复到初始状态趋势的摆臂和一检测摆臂转动角度或位移距离的传感器，检测摆臂转动角度或位移距离的传感器将检测的电信号发送至电机控制器，电机控制器控制电机输出相应的转矩。

进一步地，

助力装置还包括壳体，牙盘、第一链条或第一皮带、第一驱动轮和脚踏力测量装置均设置在壳体内部。

进一步地，

电机和电机控制器集成在壳体上。

进一步地，

电机的输出轴与驱动轴相连，使其输出的转矩作用于第二驱动轮上。

进一步地，

电机的输出轴与车轮相连，使其输出的转矩作用于车轮上。

进一步地，

摆臂的最大行程对应为第一链条或第一皮带在牙盘驱动下运动呈绷直状态。

进一步地，

助力装置还包括检测行车状态的传感器，检测行车状态的传感器将检测的电信号发送至电机控制器。

进一步地，

检测行车状态的传感器为检测牙盘或第一驱动轮的旋转角度或速度的传感器、检测路面坡度的传感器或检测车辆加速度的传感器。

进一步地，

助力装置还包括至少一个对第一链条或第一皮带进行张紧的张紧装置。

进一步地，

张紧装置包括一顶进第一链条或第一皮带且具有恢复到初始状态趋势的张紧臂，张紧臂上转动安装有张紧轮，张紧臂和摆臂绕同一枢轴转动。

进一步地，

牙盘和第一驱动轮之间通过第一皮带建立传动连接，第二驱动轮和飞轮通过第二链条建立传动连接。

基于同样的方面构思，本发明还提供了一种助力自行车，助力自行车包括上述助力装置。

进一步地，

助力自行车前进时，与牙盘外周啮合的第一链条或第一皮带先绕过第一驱动轮的外周，再经过摆臂，最后绕回到牙盘。

进一步地，

在如下至少一个位置处设置单向传动装置：

牙盘和中轴之间、第一驱动轮与驱动轴之间、第二驱动轮与驱动轴之间和飞轮与后轴之间。

进一步地，

助力自行车还设置有控制电机的输出轴转矩大小或转速的仪表装置。

本发明具有的有益效果：

1.本发明中的助力装置采用两级传动实现相应转矩的传递，将用于检测脚踏力的相关部件与其它部件分离开来，从而为其单独收纳和密封提供了先决条件。

2.本发明中的助力装置采用壳体实现对构成第一级传动的部件的有效收纳，不仅可以对传动产生的噪音加以屏蔽，减少其对骑行者和周围人群的影响，而且还能屏蔽外界干扰。

3.本发明中的助力装置采用壳体实现对构成第一级传动的部件的有效收纳，构建了良好的润滑环境，避免润滑油的不当消耗，延长传动部件的润滑周期，从而保证了装置的可靠性，提高了部件的使用寿命。

4.本发明中的助力装置采用壳体实现对构成第一级传动的部件的有效收纳，避免外界环境对传动部件的影响，例如有效隔绝外界环境中的泥水和污物，营造良好的传动环境从而提升骑行体验。

附图说明

图1是第一种助力装置的传动原理图；

图2是第二种助力装置的传动原理图；

图3是第三种助力装置的传动原理图；

图4是助力自行车的结构主视图；

图5是助力自行车的结构立体图；

图6是第一种助力装置的内部结构图；

图7是第一种助力装置的外部结构图（前侧视角）；

图8是第一种助力装置的外部结构图（后侧视角）；

图9是第四种助力装置的内部结构图；

图10是第五种助力装置的传动原理图；

图11是第六种助力装置的传动原理图；

图12是第七种助力装置的传动原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1、6、7和8所示，本发明的助力装置，包括牙盘3、驱动轴8、飞轮10、第一驱动轮7、第二驱动轮9和脚踏力测量装置（未示出）、电机1和电机控制器27。

牙盘3和第一驱动轮7之间通过第一链条4建立传动连接，第二驱动轮9和飞轮10通过第二链条12或第二皮带（未示出）建立传动连接，第一驱动轮7和第二驱动轮9均安装在驱动轴8上，第一驱动轮7上的转矩能够作用于第二驱动轮9上。

牙盘3、第一链条4、第一驱动轮7和脚踏力测量装置均集成在一个壳体13之中，第二驱动轮9、第二链条12和飞轮10设置在壳体13外。采用壳体实现对构成第一级传动的部件的有效收纳不仅可以对传动产生的噪音加以屏蔽，减少其对骑行者和周围人群的影响，而且还能屏蔽外界干扰；构建了良好的润滑环境，避免润滑油的不当消耗，延长传动部件的润滑周期，从而保证了装置的可靠性，提高了部件的使用寿命；避免外界环境对传动部件的影响，例如有效隔绝外界环境中的泥水和污物，营造良好的传动环境从而提升骑行体验。

壳体13上开设有多个工作孔道，以允许相关部件的连接和设置。具体地，壳体13上开设有转动安装中轴2的孔从而使中轴2的两端伸出于壳体13以连接曲柄22而中间部分位于壳体13内以安装牙盘3，还开设有转动安装驱动轴8的孔从而使驱动轴8的一部分位于壳体13内以安装第一驱动轮7而另一部分位于壳体13外以安装第二驱动轮9。

电机1和电机控制器27可集成在壳体13上，即电机1和电机控制器27可以固定于壳体13的外部也可以收纳于壳体13的内部，当电机1安装于壳体13上时，壳体13上开设有供电机1的输出轴19穿过的孔以使输出轴19伸入壳体13内与驱动轴8建立传动连接。当电机1设置在壳体13内时，由于电机1运行会导致发热而壳体13又相对密封，因此为了避免壳体13内气体因受热膨胀无法排出，壳体13上还应设置有供气体进出但不允许水进出的阀门（未示出），优选地，壳体13上开设透气孔（未示出），透气孔处设置透气防水薄膜从而实现透气防水功能。

脚踏力测量装置用于感知踏板力的大小；电机1由电机控制器27控制输出相应的转矩。脚踏力测量装置包括第一传感器（未示出）、摆臂28、弹性元件（未示出）和限位装置（未示出）。摆臂28的一端绕一枢轴（未示出）转动安装，另一端与摆臂28接触配合，优选地，摆臂28上转动安装一测力轮5以实现第一链条4与摆臂28的有效配合。本实施例中，测力轮5在第一链条4的外侧与其形成啮合连接。摆臂28在最小行程位置时，与测力轮5啮合的第一链条4在测力轮5处内凹。第一链条4在受力趋于绷直的过程中，测力轮5向外侧移动。

在骑行者用力踩踏板时，摆臂28受到第一链条4的张紧力的作用而绕枢轴发生摆动。第一传感器与摆臂28的位置相对应地设置，使第一传感器可以检测摆臂28的转角或位移，根据转动角度或位移距离计算出脚踏力的值。第一传感器既可以安装在枢轴处来直接测量摆臂28相对壳体13的旋转角度；也可以优选地安装在摆臂28上的任意位置，测量摆臂28相对壳体13的位移。第一传感器可以通过诸如齿轮增速器等装置将摆臂28微小的角度变化进行机械式的放大，以获得更精确的测量值。弹性元件（未示出）一端固定在壳体13内，另一端连接在摆臂28上相对枢轴较远的位置，使摆臂28在弹性力作用下及时复位。限位装置（未示出）设置在摆臂28最小行程所在位置的侧面，对摆臂28进行限制。摆臂28的最大行程对应为第一链条4在牙盘3驱动下运动呈绷直状态。当第一链条4绷直后，摆臂28不会再继续转动，即便脚踏力继续增大也不会使摆臂28持续转动，从而保护摆臂28不会因为更大的脚踏力而损坏。

本发明中，最大行程和最小行程均是指摆臂28在受到第一链条4的张紧力作用下产生移动行程的两个极值位置。

第一传感器采用电磁或光学传感器，如霍尔传感元件、电磁传感元件或编码盘等。弹性元件（未示出）可采用拉簧、压簧、扭力弹簧、弹片等具有恢复功能的弹性元件；限位装置（未示出）可采用限位体或限位槽等。电机1采用永磁电机、感应电机或磁阻电机等满足助力要求的电机。

为了增大助力转矩，壳体1内还安装定轴齿轮减速器6，其小齿轮（未示出）安装在电机1的输出轴19上，其大齿轮（未示出）安装在驱动轴8上，助力转矩通过定轴齿轮减速器6放大后作用于驱动轴8上实现更大驱动力的助力。基于此，电机1实际需要提供的转矩减小，电机1的体积和质量也较小，有利于电机1的安装和自行车减重；此外，定轴齿轮减速器6结构简单，成本低并且易于安装。

助力装置还包括检测行车状态的第二传感器（未示出），第二传感器将检测的电信号发送至电机控制器。第二传感器为检测牙盘3或第一驱动轮7的旋转角度或速度的传感器，此时第二传感器可安装在牙盘3或第一驱动轮7上以检测其旋转角度或速度。第二传感器也可以是检测车轮旋转角度或速度的装置。当自行车处于原地停止状态，例如手刹刹住车轮时，此时电机1输出助力转矩也不会使自行车前进，此时若继续踩踏脚踏板使电机1输出的助力转矩增大时则会导致电机1过热，造成损耗。因此当第二传感器检测到自行车没有移动时，检测信号发送至电机控制器使电机1不输出助力转矩。当自行车在脚踏力作用下移动时，电机1才开始助力。

第二传感器还可以是检测路面坡度或车辆加速度的传感器，此时第二传感器可以安装在任意可安装的位置以检测路面坡度或车辆加速度。同样地原理，当自行车处于上坡时，骑行者施加到脚踏板上的脚踏力则随坡度增加而增加，此时电机1输出的助力转矩也随之增大，当坡度超过一定数值时，电机1需要输出的助力转矩会剧增从而造成电机1发热，因此当坡度超过设定值时，第二传感器同样发出检测信号至电机控制器使电机1不输出助力转矩。当坡度小于设定值时，电机1才开始助力。车辆加速度传感器可以侦测车辆是否加速，如果电机1开始助力到某设定值，但是该类型的第二传感器侦测不到加速度已达到某设定阈值，即可判明车辆处于堵转状态，从而及时停止电机1输出，保护电机1。

在构成第一级传动的这几个部件之间，还可以根据需要任意安装对第一链条4进行张紧的张紧装置，张紧装置包括绕一枢轴转动的张紧臂26和转动安装在张紧臂26上的张紧轮25，张紧臂26和摆臂28分别绕不同的枢轴转动。较佳地，该张紧轮25啮合在第一链条4的内侧，该张紧轮25设置在壳体13中。张紧臂26通过弹性元件的作用具有能够恢复到初始位置的驱使，从而对第一链条4进行张紧。

基于同样的发明构思，本发明还提供一种采用本实施例中的助力装置的助力自行车。如图4和5所示，壳体13安装在车架23上，曲柄22的一端连接中轴2的伸出壳体13外的端部，另一端安装脚踏板（未示出）。

骑行者踩踏板使助力自行车前进时，与牙盘3外周啮合的第一链条4依次绕过张紧轮25和第一驱动轮7的外周，再经过摆臂28，最后绕回到牙盘3。与第二驱动轮9外周啮合的第二链条12绕过飞轮10的外周后绕回到第二驱动轮9的外周。上述过程中，施加在踏板上的脚踏力经曲柄22传递给牙盘3，使牙盘3上啮合的第一链条4张紧，与第一链条4相啮合的测力轮5（或无测力轮5则直接作用于摆臂28）受力，拨动摆臂28绕枢轴发生摆动，第一传感器检测摆臂28的转动角度或距离计算出脚踏力的值。由电机控制器27根据第一传感器测量的脚踏力的值的大小控制电机1输出助力转矩。电机1的输出轴19驱动驱动轴8转动（若采用减速器连接则助力转矩会被放大后作用于驱动轴8上），安装在驱动轴8上的第二驱动轮9在助力转矩作用下带动与其啮合的第二链条12，通过第二链条12的移动带动自行车的飞轮10转动，飞轮10安装在自行车后轴（未示出）上，后轴同时安装后轮11，从而使自行车向前行驶。

在其他实施方式中，还可以以皮带代替链条进行传动，采用皮带时优选内表面做成可进行啮合的齿形，而外表面为光面的同步带，齿形的内表面可以与牙盘3、第一驱动轮7和第二驱动轮9上的齿相啮合，提高了传动能力和助力效果。优选地，牙盘3与第一驱动轮7通过第一皮带连接，第二驱动轮9与飞轮10通过第二链条12连接。一级传动采用皮带传动能够降低传动噪声，同时其外侧光面在经过测力轮5的时候不会令测力轮5发生跳动，因此减小了第一传感器检测的波动性，使电机1能够输出更加稳定柔和的助力转矩。二级传动采用链条传动能够便于链条的安装和拆卸，减少维护工作的难度。

一级传动采用皮带传动时，测力轮5和张紧轮25均可与皮带的外侧光面滚动接触。

助力装置的壳体13内部还可以设置有润滑油或润滑脂，营造良好的润滑环境，以满足机械内部的润滑需求。

牙盘3和中轴2之间还设置有第一单向装置15，第一驱动轮7与驱动轴8之间还设置有第二单向装置16，第二驱动轮9与驱动轴8之间还设置有第三单向装置17，飞轮10与后轴之间还设置有第四单向装置18；上述四个位置中至少有一处位置安装单向装置，以提高骑行者的舒适性。除此之外，定轴齿轮减速器6与驱动轴8之间也可设置第五单向装置14。单向装置可以是单向轴承或单向离合器等能够实现单向转动的装置。通过单向装置实现相连接的两部件之间能够实现单向转动，例如牙盘3与中轴2之间，当曲柄22旋转运动时，单向离合器或单向轴承处于锁止状态，施加在脚踏板上的脚踏力经曲柄22、单向离合器或单向轴承传递给牙盘3；牙盘3的转速高于曲柄22转速或者曲柄22倒转时，单向离合器或单向轴承处于解锁状态，牙盘3可以自由运动。

当自行车安装有单向离合器时，骑行者可以通过电机1直接输出助力转矩驱动车辆，此时曲柄22不随牙盘3转动，相当于普通的纯电动自行车。

牙盘3与中轴2之间、第一驱动轮7和驱动轴8之间、第二驱动轮9与驱动轴8之间和飞轮10与后轴之间这四个位置中至少一个位置设置可变档位变速器，可变档位变速器通过外力改变挡位。

本发明中的助力自行车还安装有控制电机的输出轴转矩大小或转速的仪表装置24，用于设定助力档位、锁定车辆、显示和传输电池电量、车速、助力模式、刹车信号、挡位、车辆位置等信息。优选地，仪表装置24设置于车把上。

助力自行车还设置有能够根据电机1的运行状态而发出相应音频信号的报警装置。优选地，当助力自行车的速度达到某设定值时，报警装置发出预先设置的提示声音信号，当电机1故障时，报警装置发出相应的报警声音信号。报警装置可以设置在壳体13内，也可以集成在仪表装置24上。优选地，报警装置被设置在上述透气孔附近，以便于声音传导。

助力自行车还设置有检测骑行者刹车行为的装置，当骑行者进行刹车时，该装置检测刹车装置的开关信号或开度信号，并将此信号发送至电机控制器，以便控制电机及时停止输出扭矩或者输出有利于刹车行为的再生制动扭矩。

实施例2

如图2所示，本实施例与实施例1不同之处在于，为了增大助力转矩，壳体1内还安装行星齿轮减速器20，其太阳轮（未示出）安装在电机1的输出轴19上，其行星架（未示出）安装在驱动轴8上，电机1输出的助力转矩通过行星齿轮减速器20放大后作用于驱动轴8上实现更大驱动力的助力。基于此，电机1实际需要提供的转矩减小，电机1的体积和质量也较小，有利于电机1的安装和自行车减重；此外，行星齿轮减速器20能够减小壳体13长度从而减小其整体体积。

第五单向装置16可以设置在太阳轮与电机1的输出轴19之间。

实施例3

如图3所示，本实施例与实施例1不同之处在于，电机1设置于壳体13外部以直接驱动自行车的前轮21或者后轮11。优选地，电机1的输出轴19连接后轮11。第一传感器检测到脚踏力后，电机1输出助力转矩直接作用于后轮11上。本实施例中，电机1为轮毂电机。由于电机1未设置在壳体13内，因此壳体13上无需设置透气防水的阀门。

实施例4

如图9所示，本实施例与实施例1不同之处在于，测力轮5设置在第一链条4的内侧，摆臂28在最小行程位置时，与测力轮5啮合的第一链条4在测力轮5处向外突出，第一链条4受力后趋于绷直将测力轮5压下从而实现脚踏力的检测。

实施例5

如图10所示，本实施例与实施例1不同之处在于，摆臂28和张紧臂26共同安装在同一个枢轴29上，并且绕该枢轴29分别转动，因此摆臂28和张紧臂26也分别通过不同的弹性元件实现复位。本实施例中，测力轮5和张紧轮25均与第一链条4的内侧配合。

实施例6

如图11所示，本实施例与实施例5不同之处在于，摆臂28和张紧臂26共同安装在同一个枢轴29上，但两者固定连接因而绕该枢轴29同步转动，即摆臂28旋转时，张紧臂26也随之旋转，达到测力与张紧同时进行的目的，有效降低系统成本。同样地，张紧臂26与摆臂28共用同一弹性元件实现复位。

实施例7

如图12所示，本实施例与实施例6不同之处在于，测力轮5和张紧轮25均与第一链条4的外侧配合。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种助力装置，包括由电机控制器控制输出转矩的电机，其特征在于：

所述助力装置还包括牙盘、驱动轴、飞轮、第一驱动轮、第二驱动轮和脚踏力测量装置；所述牙盘和所述第一驱动轮之间通过第一链条或第一皮带建立传动连接，所述第二驱动轮和所述飞轮通过第二链条或第二皮带建立传动连接，所述第一驱动轮和所述第二驱动轮均安装在所述驱动轴上，所述第一驱动轮上的转矩能够传递至所述第二驱动轮上；

所述脚踏力测量装置包括一受到所述第一链条或第一皮带的张紧力的作用发生摆动且具有恢复到初始状态趋势的摆臂和一检测所述摆臂转动角度或位移距离的传感器，所述检测摆臂转动角度或位移距离的传感器将检测的电信号发送至所述电机控制器，所述电机控制器控制所述电机输出相应的转矩。

2.根据权利要求1所述的一种助力装置，其特征在于：

所述助力装置还包括壳体，所述牙盘、第一链条或第一皮带、第一驱动轮和脚踏力测量装置均设置在所述壳体内部。

3.根据权利要求2所述的一种助力装置，其特征在于：

所述电机和电机控制器集成在所述壳体上。

4.根据权利要求1所述的一种助力装置，其特征在于：

所述电机的输出轴与所述驱动轴相连，使其输出的转矩作用于所述第二驱动轮上。

5.根据权利要求1所述的一种助力装置，其特征在于：

所述电机的输出轴与车轮相连，使其输出的转矩作用于所述车轮上。

6.根据权利要求1所述的一种助力装置，其特征在于：

所述摆臂的最大行程对应为所述第一链条或第一皮带在所述牙盘驱动下运动呈绷直状态。

7.根据权利要求1所述的一种助力装置，其特征在于：

所述助力装置还包括检测行车状态的传感器，所述检测行车状态的传感器将检测的电信号发送至所述电机控制器。

8.根据权利要求7所述的一种助力装置，其特征在于：

所述检测行车状态的传感器为检测所述牙盘或所述第一驱动轮的旋转角度或速度的传感器、检测路面坡度的传感器或检测车辆加速度的传感器。

9.根据权利要求1所述的一种助力装置，其特征在于：

所述助力装置还包括至少一个对所述第一链条或第一皮带进行张紧的张紧装置。

10.根据权利要求9所述的一种助力装置，其特征在于：

所述张紧装置包括一顶紧所述第一链条或第一皮带且具有恢复到初始状态趋势的张紧臂，所述张紧臂上转动安装有张紧轮，所述张紧臂和所述摆臂绕同一枢轴转动。

11.根据权利要求1所述的一种助力装置，其特征在于：

所述牙盘和所述第一驱动轮之间通过第一皮带建立传动连接，所述第二驱动轮和所述飞轮通过第二链条建立传动连接。

12.一种助力自行车，其特征在于：所述助力自行车包括权利要求1至11中任一所述的助力装置。

13.根据权利要求12所述的一种助力自行车，其特征在于：

所述助力自行车前进时，与牙盘外周啮合的第一链条或第一皮带先绕过所述第一驱动轮的外周，再经过所述摆臂，最后绕回到所述牙盘。

14.根据权利要求12所述的一种助力自行车，其特征在于：

在如下至少一个位置处设置单向传动装置：

牙盘和中轴之间、第一驱动轮与驱动轴之间、第二驱动轮与驱动轴之间和飞轮与后轴之间。

15.根据权利要求12所述的一种助力自行车，其特征在于：

所述助力自行车还设置有控制电机的输出轴转矩大小或转速的仪表装置。