CN111391960A - 牙盘直驱式中轴传动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种牙盘直驱式中轴传动机构，包括：中轴，用于安装曲柄和脚踏以承受骑行踏力；主牙盘，通过套置链条向电动自行车的驱动链轮传递脚踏力；电机机芯，同中轴一同安装在壳体内，包括定子、转子及用于输出动力且与中轴平行的机芯轴；其特征在于机芯轴经第一单向离合器与转子相连，主牙盘直接固定在机芯轴上，中轴经齿轮传动机构与机芯轴传动连接。本发明一反常规设计，将主牙盘直接固定在电机机芯的机芯轴上，使得机构整体结构更加紧凑，体积更小，传动效率更高。

Description

牙盘直驱式中轴传动机构

技术领域

本发明涉及一种牙盘直驱式中轴传动机构。

背景技术

中轴传动机构是包含电机、中轴、离合器、减速机构、力矩传感器及牙盘在内的一整套动力机构的总称。现有技术中这种中轴传动机构的结构形式是多种多样的，不同的结构导致机构最终的传动效率和整体体积都是千差万别的。

目前电动自行车行业内应用广泛的一种中轴传动机构为侧挂形式，它的中轴与电机的输出轴平行布置，通过在壳体上引出安置中轴的中轴套管以便能够插入装配在市场上通用规格的车架五通管内，因此这种电机无需与专门的吊架配合，能够适配市面上大多数规格的车架，有着很好的适应性。

众所周知，目前中轴传动机构的固有结构形式中，牙盘通常都与中轴固定，电机端的动力经减速机构减速，再经一级或多级传动齿轮传动后，传递至中轴上，再由中轴传递至牙盘上，最后由牙盘经链条传递至后轮驱动电动自行车运行；而骑行时，人脚踏的力通过曲柄传递至中轴上，再传递至牙盘上，最后也由牙盘经链条传递至后轮驱动电动自行车运行。

然而，在实践中上述固有的中轴传动机构的结构设计形式逐渐暴露出如下缺点：

1）电机的动力输出除了经减速机构传递外，还需要通过中间的一级或多级齿轮传动机构才能传递至牙盘，传动损耗大，使得传动效率始终无法有效提升；

2）牙盘较大的尺寸加上其与中轴及内部的齿轮传动设计导致整体结构无法进一步紧凑，但牙盘又不能无端改小，因为其直接被安置在中轴上，规格依据传动速比和人踩踏的速率设计，如果将牙盘做小可能会增加人踩踏的速率，这在设计上是不可取的，也是不被允许的。

因此目前行业内亟待一种结构更加紧凑、体积更小，而传动效率更高的牙盘直驱式中轴传动机构。

发明内容

本发明目的是：提供一种结构更加紧凑，体积小，传动效率高的牙盘直驱式中轴传动机构。

本发明的技术方案是：一种牙盘直驱式中轴传动机构，包括：

中轴，用于安装曲柄和脚踏以承受骑行踏力；

主牙盘，通过套置链条向电动自行车的驱动链轮传递脚踏力；

电机机芯，同中轴一同安装在壳体内，包括定子、转子及用于输出动力且与中轴平行的机芯轴；

其特征在于机芯轴经第一单向离合器与转子相连，主牙盘直接固定在机芯轴上，中轴经齿轮传动机构与机芯轴传动连接。

当然电机机芯可以采用内转子外定子，或者外转子内定子任意形式，本发明对此没有限定。

进一步的，本发明中所述齿轮传动机构包括第一传动齿轮、第二传动齿轮和惰轮，第一传动齿轮通过第二单向离合器与中轴相连，第二传动齿轮固定或者一体成型在所述机芯轴上，惰轮枢转安装在壳体内，该惰轮与第一传动齿轮和第二传动齿轮均啮合。

更进一步的，本发明中还包括安装在中轴上的力矩传感器，该力矩传感器为已知的磁环霍尔式传感器，其包括固定在中轴上的变形轴套及固定在壳体上并位于变形轴套外围的霍尔元件支架，变形轴套上固定有感应磁环定位套，该感应磁环定位套上沿圆周固定有感应磁环，而霍尔元件支架上固定有与感应磁环配合的霍尔元件，霍尔元件与电动自行车的用于驱动电机机芯运转的控制器电连接，并且变形轴套与所述第一传动齿轮之间通过所述第二单向离合器相连。

对于力矩传感器的安装形式，本发明还可以采用另一套方案，即将力矩传感器设于惰轮处，其包括设于所述壳体内的传感器变形支架，所述惰轮枢转安装在该传感器变形支架上，同时该传感器变形支架上固定有应变片及与应变片电连接的PCB板，PCB板与电动自行车的用于驱动电机机芯运转的控制器电连接；并且第一传动齿轮、第二传动齿轮和惰轮的中心呈三角形分布。

更进一步的，本发明中所述第一单向离合器为单向滚针轴承，而所述第二单向离合器为棘轮棘爪机构。

更进一步的，本发明中所述第一传动齿轮的直径大于惰轮，而第二传动齿轮直径小于惰轮或者与惰轮直径相同。

进一步的，本发明中还包括枢转设于壳体上用于撑开链条的至少一辅助牙盘。

进一步的，本发明中所述机芯轴一端伸出壳体，其上铣有供主牙盘套设抵靠的台阶部，同时该端开有轴向螺纹孔，同一牙盘螺钉配合以锁紧主牙盘，主牙盘的安装定位非常方便。

本发明工作原理如下：

电机机芯工作状态，人踩踏使力矩传感器产生感应信号，驱动电机机芯运转，借助第一单向离合器的作用，机芯轴在转子带动下输出扭矩，传递至主牙盘上，主牙盘经链条将扭矩传递至电动自行车的驱动链轮上，驱动电动自行车行进。此状态下，由于第二单向离合器的作用，齿轮传动机构中的第一传动齿轮与中轴脱开，防止中轴跟转。

人骑行踩踏工作状态，脚不停踩踏曲柄上的脚踏，扭矩通过中轴和咬合的第二单向离合器传递至第一传动齿轮上，再经惰轮和第二传动齿轮传递至机芯轴上，由于第一单向离合器的作用，机芯轴与转子脱开，从而带动主牙盘旋转，最后主牙盘同样经链条将扭矩传递至电动自行车的驱动链轮上，驱动电动自行车行进。

本发明的优点是：

1）本发明一反常规设计，将主牙盘固定在电机机芯的机芯轴上，这样电机机芯的动力输出无需像常规技术那样通过减速机构以及中间的一级或多级齿轮传动机构再传递至主牙盘，能够极大的降低传动损耗，有效提升传动效率。

2）本发明中将主牙盘直接固定在电机机芯的机芯轴上，而非中轴上，这样主牙盘的规格不再受传动速比和人踩踏的速率要求制约，可以进一步改小尺寸。而主牙盘尺寸改小后，可以使得整个中轴传动机构的结构设计的更加紧凑，壳体部分体积也可以做的更小。

3）常规技术中主牙盘需要设计牙盘连接套同中轴及内部齿轮传动机构进行装配，而本发明中的主牙盘安装起来极为方便简单，能够提高装配效率，并且由于也取消了牙盘连接套，减少了零部件，进一步简化了结构，故同时也降低了生产成本。

4）本发明中的机构中，力矩传感器既可以安装在中轴上又可以安装在惰轮处，安装更加灵活方便，能够有效利用和优化中轴传动机构内部结构，提高生产效率，降低生产成本。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明一种具体实施例的结构剖视图；

图2为图1实施例的壳体外部牙盘向视图（附带电动自行车后部的驱动链轮）；

图3为本发明另一实施例中力矩传感器的正面视图（包含其与第一传动齿轮、第二传动齿轮和惰轮的位置关系）。

其中：1、中轴；2、曲柄；3、主牙盘；4、链条；5、驱动链轮；6、定子；7、转子；8、机芯轴；8a、轴向螺纹孔；9、第一单向离合器；10、壳体；11、第一传动齿轮；12、第二传动齿轮；13、惰轮；14、变形轴套；15、霍尔元件支架；16、感应磁环；17、霍尔元件；18、第二单向离合器；19、传感器变形支架；20、应变片；21、PCB板；22、辅助牙盘；23、感应磁环定位套；24、牙盘螺钉。

具体实施方式

实施例1：结合图1~图2所示为本发明提供的这种牙盘直驱式中轴传动机构的一种具体实施方式，其结构详述如下：

这种牙盘直驱式中轴传动机构的结构主要由中轴1、曲柄2、主牙盘3、电机机芯、第一单向离合器9、壳体10、齿轮传动机构、力矩传感器、第二单向离合器18和辅助牙盘22共同组成。

首先如图1所示，壳体10由中间相连一体的上部壳体和下部壳体共同构成，其整体固定至电动自行车的车架（图中省略）上。中轴1同常规技术一样采用多个轴承（图中未标出）安装在壳体10的下部壳体中，中轴1两端用于安装曲柄2和脚踏（未画出）以承受骑行踏力。

所述电机机芯和第一离合器9均设于壳体10的上部壳体内，其中电机机芯8采用外转子内定子形式，由定子6、转子7和机芯轴8组成，其中机芯轴8两端采用轴承装配在壳体10的上部壳体内。第一单向离合器9为单向滚针轴承，其套置于机芯轴8上，而转子7与第一单向离合器9的外圈固定。所述机芯轴8一端伸出壳体10以固定主牙盘3，其上铣有供主牙盘3套设抵靠的台阶部，同时该端开有轴向螺纹孔8a，同一牙盘螺钉24配合以锁紧主牙盘3，如图1所示。主牙盘3通过套置链条4向安装在电动自行车的车架后部的驱动链轮5传递脚踏力，结合图2所示。

依旧结合图2所示，本实施例中的壳体10的下部壳体上，在中轴1的上下两侧对称枢转安装有两个辅助牙盘22用以撑开链条4，以便更好的传递扭矩，避免链条4可能与曲柄2产生的干涉。

再回到图1，本实施例中的中轴1经齿轮传动机构与机芯轴8传动连接。

这种齿轮传动机构由第一传动齿轮11、第二传动齿轮12和惰轮13共同组成，第一传动齿轮11通过第二单向离合器18与中轴1相连，第二传动齿轮12一体成型在所述机芯轴8上，惰轮13枢转安装在壳体10内，该惰轮13与第一传动齿轮11和第二传动齿轮12均啮合。

并且具体如图1所示，本发明中在中轴1上安装有磁环霍尔式的力矩传感器，这种力矩传感器包括固定在中轴1上的变形轴套14及固定在壳体10上并位于变形轴套14外围的霍尔元件支架15，变形轴套14上固定有感应磁环定位套23，该感应磁环定位套23上沿圆周固定有感应磁环16，而霍尔元件支架15上固定有与感应磁环16配合的霍尔元件17，霍尔元件17与电动自行车的用于驱动电机机芯运转的控制器（图中省略）电连接，并且变形轴套14一端与所述第一传动齿轮11之间通过所述第二单向离合器18相连。该第二单向离合器18为已知的棘轮棘爪机构，变形轴套14上固定棘轮，而第一传动齿轮11内周成型与棘轮配合的棘爪。同时本实施例中第一传动齿轮11与中轴1之间还装配有多个轴承（图中未标注）。

本实施例中所述第一传动齿轮11的直径大于惰轮13，而第二传动齿轮12直径小于惰轮13。

本发明工作原理如下：

电机机芯工作状态，人踩踏曲柄2上的脚踏，中轴1受力，使变形轴套14扭转，霍尔元件17感应磁通变化，放出感应信号给控制器，令控制器驱动电机机芯运转，借助第一单向离合器9的作用，机芯轴8在转子7带动下输出扭矩，传递至主牙盘3上，主牙盘3经链条4将扭矩传递至电动自行车的驱动链轮5上，驱动电动自行车行进。此状态下，由于第二单向离合器18的作用（棘轮和棘爪脱开），第一传动齿轮11与中轴1脱开，防止中轴1跟转。

人骑行踩踏工作状态，脚不停踩踏曲柄2上的脚踏，扭矩通过中轴1和咬合的第二单向离合器18传递至第一传动齿轮11上，再经惰轮13和第二传动齿轮12传递至机芯轴8上，由于第一单向离合器9的作用，机芯轴8与转子7脱开，从而带动主牙盘3旋转，最后主牙盘3同样经链条4将扭矩传递至电动自行车的驱动链轮5上，驱动电动自行车行进。

实施例2：本实施例的结构同实施例1的差别在于，中轴1上不安装力矩传感器，而是将力矩传感器安装在惰轮13处，且这种力矩传感器经过专门设计，包括固定在所述壳体10内的传感器变形支架19，所述惰轮13枢转安装在该传感器变形支架19上，同时该传感器变形支架19上固定有应变片20及与应变片20电连接的PCB板21，PCB板21与电动自行车的用于驱动电机机芯运转的控制器电连接；并且第一传动齿轮11、第二传动齿轮12和惰轮13的中心呈三角形分布，如图3所示。本实施例中第二单向离合器18同样为已知的棘轮棘爪机构，其中将棘轮直接固定到中轴上，而第一传动齿轮11内周成型与棘轮配合的棘爪。本实施例其余结构同实施例1，可以参见图1和图2中的结构。

由于力矩传感器位置和结构变动，故工作原理也稍有不同：

电机机芯工作状态，人踩踏曲柄2上的脚踏，中轴1受力转动，通过咬合的第二单向离合器18带动第一传动齿轮11转动，再带动惰轮13转动，而惰轮13受力使得传感器变形支架19上的应变片20变形产生感应信号输送给控制器，令控制器驱动电机机芯运转，借助第一单向离合器9的作用，机芯轴8在转子7带动下输出扭矩，传递至主牙盘3上，主牙盘3经链条4将扭矩传递至电动自行车的驱动链轮5上，驱动电动自行车行进。而机芯轴8转动后通过第二传动齿轮12带动惰轮13和第一传动齿轮11反转，使第二单向离合器18脱开，进而使得第一传动齿轮11和中轴1脱开。

人骑行踩踏工作状态，脚不停踩踏曲柄2上的脚踏，扭矩通过中轴1和咬合的第二单向离合器18传递至第一传动齿轮11上，再经惰轮13和第二传动齿轮12传递至机芯轴8上，由于第一单向离合器9的作用，机芯轴8与转子7脱开，从而带动主牙盘3旋转，最后主牙盘3同样经链条4将扭矩传递至电动自行车的驱动链轮5上，驱动电动自行车行进。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种牙盘直驱式中轴传动机构，包括：

中轴（1），用于安装曲柄（2）和脚踏以承受骑行踏力；

主牙盘（3），通过套置链条（4）向电动自行车的驱动链轮（5）传递脚踏力；

电机机芯，同中轴（1）一同安装在壳体（10）内，包括定子（6）、转子（7）及用于输出动力且与中轴（1）平行的机芯轴（8）；

其特征在于机芯轴（8）经第一单向离合器（9）与转子（7）相连，主牙盘（3）直接固定在机芯轴（8）上，中轴（1）经齿轮传动机构与机芯轴（8）传动连接。

2.根据权利要求1所述的牙盘直驱式中轴传动机构，其特征在于所述齿轮传动机构包括第一传动齿轮（11）、第二传动齿轮（12）和惰轮（13），第一传动齿轮（11）通过第二单向离合器（18）与中轴（1）相连，第二传动齿轮（12）固定或者一体成型在所述机芯轴（8）上，惰轮（13）枢转安装在壳体（10）内，该惰轮（13）与第一传动齿轮（11）和第二传动齿轮（12）均啮合。

3.根据权利要求2所述的牙盘直驱式中轴传动机构，其特征在于还包括安装在中轴（1）上的力矩传感器，该力矩传感器包括固定在中轴（1）上的变形轴套（14）及固定在壳体（10）上并位于变形轴套（14）外围的霍尔元件支架（15），变形轴套（14）上固定有感应磁环定位套（23），该感应磁环定位套（23）上沿圆周固定有感应磁环（16），而霍尔元件支架（15）上固定有与感应磁环（16）配合的霍尔元件（17），霍尔元件（17）与电动自行车的用于驱动电机机芯运转的控制器电连接，并且变形轴套（14）与所述第一传动齿轮（11）之间通过所述第二单向离合器（18）相连。

4.根据权利要求2所述的牙盘直驱式中轴传动机构，其特征在于还包括设于惰轮（13）处的力矩传感器，其包括设于所述壳体（10）内的传感器变形支架（19），所述惰轮（13）枢转安装在该传感器变形支架（19）上，同时该传感器变形支架（19）上固定有应变片（20）及与应变片（20）电连接的PCB板（21），PCB板（21）与电动自行车的用于驱动电机机芯运转的控制器电连接；并且第一传动齿轮（11）、第二传动齿轮（12）和惰轮（13）的中心呈三角形分布。

5.根据权利要求2或3所述的牙盘直驱式中轴传动机构，其特征在于所述第一单向离合器（9）为单向滚针轴承，而所述第二单向离合器（18）为棘轮棘爪机构。

6.根据权利要求2所述的牙盘直驱式中轴传动机构，其特征在于所述第一传动齿轮（11）的直径大于惰轮（13），而第二传动齿轮（12）直径小于惰轮（13）或者与惰轮（13）直径相同。

7.根据权利要求1所述的牙盘直驱式中轴传动机构，其特征在于还包括枢转设于壳体（10）上用于撑开链条（4）的至少一辅助牙盘（22）。

8.根据权利要求1所述的牙盘直驱式中轴传动机构，其特征在于所述机芯轴（8）一端伸出壳体（10），其上铣有供主牙盘（3）套设抵靠的台阶部，同时该端开有轴向螺纹孔（8a），同一牙盘螺钉（24）配合以锁紧主牙盘（3）。

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