CN111788086B - 用于踏板车的动力传动系 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于踏板车的动力传动系(1)。该动力传动系(1)包括曲柄组轴(2)和具有第一旋转轴线(30)的第一输出板(4)。第一输出板(4)连接到传动链或带(23)以便驱动踏板车的后轮。曲柄组轴(2)与传动链或带(23)之间的连接延伸通过行星齿轮系，行星齿轮系围绕第二旋转轴线(31)旋转。曲柄组轴(2)进一步通过第一飞轮(16)连接到第一输出板(4)，第一飞轮被布置成当曲柄组轴(2)沿正常踩踏方向旋转时防止第一输出板(4)没有曲柄组轴(2)旋转得快。

Description

用于踏板车的动力传动系
技术领域
本发明涉及用于踏板车的动力传动系。
背景技术
文献JP2008-285069A公开了用于踏板车的包括曲柄组的动力传动系。该动力传动系包括第一马达和第二马达、输出板、曲柄组轴和行星齿轮系。第一马达连接到行星齿轮系的太阳齿轮。第二马达连接到行星齿轮系的输出元件。曲柄组轴连接到行星齿轮系的输入元件。第一马达、输出板、曲柄组轴和行星齿轮系围绕同一旋转轴线旋转。该动力传动系进一步包括将输入元件连接到曲柄组轴的飞轮。输出板驱动如下链：所述链驱动后轮，使得踏板车向前移动。
在该已知的动力传动系中，如果马达不被供电，则不再在曲柄组轴与输出板之间建立联接，从而阻止自行车在踩踏时向前移动。万一电路或电子电路出现故障，骑车人将不再能够向前踩踏自行车以返回家中。另外，在开始骑行或上坡骑行的情况下，骑车人提供的扭矩较大，并且可能引起传动装置打滑，从而导致令人不适的骑行感觉。另外，当在非辅助模式下低速行驶时或如果电池电量耗尽，两个马达中的一个马达必须作为发电机运行，以为另一马达供电。来自骑车人的功率的很大一部分将通过这种低效率的传动路径，从而使踩踏特别困难。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种即使在没有电力供应的情况下也能够在所有运作条件下提供良好效率的动力传动系。本发明的第二目的是提供一种动力传动系，该动力传动系的传动装置不会打滑，从而使得骑行更加舒适。
为此目的，本发明提供一种用于踏板车的动力传动系，该动力传动系包括：
·曲柄组(pédalier)轴，该曲柄组轴被布置成围绕第一旋转轴线旋转，
·第一输出板，该第一输出板啮合在输出传动链或带上，并且被布置成围绕第一旋转轴线旋转，
·行星齿轮系，该行星齿轮系包括输入元件、输出元件和太阳齿轮，
·第一马达，
·第二马达，
·第一飞轮(roue libre)，以及
·减速装置，该减速装置位于行星齿轮系的输出元件与第一输出板之间，
曲柄组轴经由输入元件连接到行星齿轮系，以形成行星齿轮系的第一输出，
第一马达经由太阳齿轮连接到行星齿轮系，以形成行星齿轮系的第二输出，
第二马达连接到行星齿轮系的输出元件，以便以固定比率驱动行星齿轮系的输出元件。
其特征在于
·输入元件、输出元件和太阳齿轮被布置成围绕不同于第一旋转轴线的第二旋转轴线旋转，并且
·第一飞轮被布置成在曲柄组轴沿正常踩踏方向旋转时防止第一输出板比曲柄组轴旋转得慢。
第一飞轮的布置(第一飞轮被布置成防止第一输出板沿正常踩踏方向比曲柄组轴旋转得慢)使得曲柄组轴当曲柄组的轴的旋转速度超过第一输出板的旋转速度时驱动第一输出板。这使得在电池没电、马达不运转或骑车人的扭矩过大时曲柄组能够驱动第一输出板。于是，在曲柄组轴与第一输出板之间存在无打滑的纯机械驱动，这减少了功率损耗，从而提高了机械效率。另外，在高曲柄组扭矩的情况下，这减小了行星齿轮系和其他动力传动系传动部件上的应力。
根据本发明的第一飞轮的布置的另一优点在于，在发生电气故障或电子故障而无法控制马达的情况下，功率仍然有可能从曲柄组传递到输出板。因此，骑车人将能够踩踏自行车回家。
通常，在某些特定情况下，根据本发明的动力传动系允许经由飞轮的传动来取代经由行星齿轮系的传动。尤其当骑车人在曲柄组中提供大量扭矩时(例如，在开始骑行或上坡时)，由于在第一马达(连接到太阳齿轮的马达)的控制中的延迟时间和第一马达的扭矩限制，这种情况会发生。
如果曲柄组上的瞬时扭矩超过某个阈值并且第一马达以其最大扭矩饱和，则第一输出板也可以传递一些功率。在该踏板推动的持续时间内，动力传动系速度比的瞬时值会减小，例如，如果所编程的速度比较低，则第一飞轮可能会开始运作并驱动第一输出板，然后，该第一输出板将骑车人的多余扭矩传递到输出传动链或带。发生这种情况时(这种情况可能会在激活功率辅助设备时发生)，传动链从行星齿轮系的输出元件和曲柄组轴接收扭矩。因此，第一输出板和第一飞轮的存在防止动力传动系速度比小于1。因此，飞轮在陡峭的上坡道路上特别有用，以防止传动装置打滑。
第一飞轮被布置成使机械功率能够从曲柄组轴传递到第一输出板。优选地，第一飞轮与第一旋转轴线同轴。优选地，第一飞轮直接布置在曲柄组轴与第一输出板之间。在第一飞轮的锁定位置中，曲柄组轴直接驱动第一输出板。在第一飞轮的自由位置中，第一输出板可以比曲柄组轴旋转得快。
第一飞轮允许RVgmp动力传动系的速度比始终大于1。
行星齿轮系的输出元件与第一输出板之间的减速装置允许第一输出板比行星齿轮系的输出元件旋转得慢。特别是如果动力传动系包括第二输出板，则该减速装置可以部分地位于动力传动系的壳体的外部。
为了本文的目的，正常的踩踏方向是曲柄组的轴的旋转方向，该旋转方向对应于踏板车的向前移动。由于动力传动系中的联接件，动力传动系的元件优选地各自具有旋转方向，该旋转方向对应于该正常踩踏方向。
为了本文的目的，两个连接或连结的元件可以直接或间接地连接或连结。这两个连接或连结的元件例如可以经由至少一个中间齿轮、带和/或辊子直接或间接地啮合。
为了本文的目的，术语“输入”和“输出”应理解为运动学链中的输入和输出。输入优选地是机械功率输入，而输出优选地是机械功率输出。
为了本文的目的，行星齿轮系的比率是行星齿轮系的减速比。对于带有单行星齿轮的行星齿轮系，该行星齿轮系的比率是齿圈的直径与太阳齿轮的直径的比率。在此，行星齿轮系的比率优选地在五至十之间。
为了本文的目的，踏板车可以是例如电动自行车、机动脚踏两用车或三轮车。为了本文的目的，电动脚踏车是电动自行车，该电动自行车的电动辅助装置在自行车的特定速度阈值以上必须被关闭。
为了本文的目的，“动力传动系的速度比”被定义为第一输出板的速度与曲柄组的轴的速度的比率。“动力传动系的速度比”也可以被称为“齿轮系数参数”。“齿轮系数参数”是骑车人可以经由控制界面手动控制的或由控制单元根据其他参数自动计算出的参数。
为了本文的目的，“被布置成围绕旋转轴线旋转”的元件优选地是关于该轴线基本对称的元件。
为了本文的目的，两个物体之间的“固定比率”是指这两个物体的转速比率是恒定的。例如，第二马达的转子以固定的比率驱动行星齿轮系的输出元件。
为了本文的目的，“动力传动系的辅助比率”AR指的是输出处回收的总功率相对于骑车人给出的功率的比例。“动力传动系的辅助比率”可以被计算为两个马达的功率与骑车人的功率之和除以骑车人的功率。“动力传动系的辅助比率”也可以被称为“辅助比率参数”。“辅助比率参数”是可以由骑车人经由控制界面手动控制的或由控制单元根据其他参数自动计算出的参数。
为了本文的目的，角位置测量等同于角速度测量。实际上，根据本发明的动力传动系优选地包括用于根据马达中的一个马达的角位置确定该马达的角速度的装置。
为了本文的目的，电流测量等同于扭矩测量。实际上，根据本发明的动力传动系优选地包括用于根据供应给马达中的一个马达的电流来确定该马达的扭矩的装置。
值得注意的是，动力传动系具有可以被称为“正常辅助运作模式”的运作模式，在该模式中，第一飞轮是无阻挡的，这意味着所有骑车人的功率都通过行星齿轮系。这种运作模式是使用电动自行车的骑手最常使用的一种运作模式。
第一输出板直接或间接地与传动链或带啮合，该传动链或带直接或间接驱动踏板车的后轮。
行星齿轮系包括齿圈、行星架和太阳齿轮。行星架包括行星齿轮。太阳齿轮也可以被称为内太阳齿轮或太阳。齿圈也可以被称为外太阳齿轮。太阳齿轮和齿圈优选地经由行星齿轮连接。
优选地，动力传动系包括控制单元以控制两个马达。
在本发明的一个实施例中，第一马达的作用是控制动力传动系的速度比。动力传动系的速度比RVgmp是曲柄组的轴的角速度与第一输出板的角速度之间的比率。例如，可以基于由骑车人提供的齿轮系数(GC)参数来确定动力传动系的速度比，或者可以由控制单元来确定动力传动系的速度比，以便为骑车人提供自动变速。该确定例如可以通过齿轮变速算法(un algorithme de passage de vitesses)来进行。优选地，第一马达的角位置或角速度例如经由控制单元来控制，该控制单元以满足角位置或角速度的设定值的方式控制第一马达。
在本发明的实施例中，第二马达的作用是管理动力传动系的辅助比率。该第二马达的功能之一是通过增加或减少行星齿轮系的输出元件的扭矩来辅助骑车人的移动。优选地，辅助比率AR是由控制单元特别地基于辅助比率参数来确定的。辅助比率参数可以由用户确定，也可以由动力传动系的控制单元自动确定。优选地，辅助比率独立于动力传动系的速度比。优选地，例如经由控制单元在电流或扭矩方面控制第二马达，该控制单元控制第二马达以满足电流或扭矩设定值。
优选地，控制单元电连接到第一马达的角位置的测量元件、第二马达的角位置的测量元件、第一马达的电流的测量元件以及第二马达的电流的测量元件。
值得注意的是，位置控制与速度控制之间没有根本区别，因为这两个值之间存在直接的数学关系。角速度是角位置的时间导数。例如，控制马达以恒定角速度运行就像控制马达遵循随时间线性变化的角位置一样。
优选地，输入元件是行星齿轮系的行星架，并且输出元件是行星齿轮系的齿圈。
对第一马达和第二马达的控制例如可以按如下进行。
自行车后轮的角速度ωR与第一输出板的角速度ω板成比例：
ωR＝RR.ω板，
其中，RR为自行车后轮的角速度与第一输出板的角速度之间的传动比。
使用行星齿轮系的速度方程，可以得到第一输出板的角速度，该角速度由下式给出：
其中，R出为齿圈与第一输出板之间的减速比，RC为曲柄组轴与行星架之间的齿轮比，ωM1为第一马达的角速度，ωped为曲柄组的角速度并且R为行星齿轮系的比率。
该结果表明，第一输出板的速度是曲柄组轴的速度和第一马达的速度的加权和。该结果还表明，可以通过改变第一马达的速度来连续改变动力传动系的速度比。
曲柄组的轴的角速度可以通过下式根据第一马达的测量角速度和第二马达的测量角速度/>确定：
其中，RM2为第二马达与齿圈之间的减速比。RM2优选地介于5至15之间。
曲柄组的角速度还可以通过位置传感器测得，该位置传感器测量曲柄组的轴的位置。
控制单元可使用齿轮系数参数GC和曲柄组的测量角速度来确定施加到第一马达上的角速度设定值
参数GC可以是负数或正数。如果参数GC是负数，则第一马达作为发电机运作以便向第二马达供应所有或一部分功率。如果参数GC是正数，则第一马达作为电动机运作。
还可以通过为第一马达指定角位置设定值来控制第一马达的角位置，该角位置设定值仅仅是该速度设定值的积分。
结合以上方程，得到动力传动系的速度比RVgmp的表达式：
该表达式给出了动力传动系的速度比RVgmp与参数GC之间的关系。当GC恒定时，动力传动系的速度比是恒定的。参数GC越高，动力传动系的速度比RVgmp就越高。
当第一飞轮进行阻挡时，第一输出板的速度ω板等于曲柄组的速度ωped，并且动力传动系的速度比RVgmp为1。这是RVgmp的最小值。动力传动系的最小速度比参数GCmin由该飞轮的位置和尺寸值Rc、R出和R来确定。然后，该最小速度比参数等于
因此，基于对Rc、R出和R的值的选择，根据本发明的动力传动系能够获得负的GCmin，这使得第一马达能够作为发电机运作。
在本发明的实施例的示例中，R等于8，R出等于1.8并且Rc等于2.7。
行星齿轮系的扭矩方程给出该表达式：
其中，CM1为第一马达的扭矩，Ccour为齿圈的扭矩，并且CPS为行星架的扭矩。
因此，第一马达的扭矩CM1由下式给出
其中，Cped为曲柄组的扭矩，并且C板为第一输出板的扭矩。
因此，我们有
Cped＝(R+1).Rc.CM1。
因此，可以根据在第一马达上测量的扭矩CM1来计算曲柄组的扭矩Cped。因此，没有必要像在踏板车的其他动力传动系中那样使用扭矩传感器。
可以考虑辅助比率参数(AR)，该辅助比率参数例如等于提供给轮的总功率与由骑车人提供的功率Pc之比。因此，为了使动力传动系辅助骑车人，参数AR必须大于1。例如，当骑车人决定关闭他的电动辅助时，参数AR可以被设置为1。
考虑到功率等于扭矩乘以角速度，可以基于第一马达的扭矩CM1、借助于以下方程来确定第二马达的扭矩，该第二马达的扭矩足以达到所需的辅助比率参数，该方程为：
因此，为施加在第二马达上的扭矩或电流设定值。
根据AR和GC的值，第二马达的扭矩设定值将为正数(电动机运作)或负数(发电机运作)。例如，如果动力传动系被安装在电动脚踏车上，则当骑车人决定以超过25km/h的速度踩踏时，第二马达的扭矩设定值将为负数。实际上，欧洲法律规定，对于这种类型的车辆，超过25km/h时，辅助应被切断。
可以为本发明的实施例写出等效的发展，其中，输入元件是行星齿轮系的齿圈，而输出元件是行星齿轮系的行星架。结论是类似的。
在本发明的实施例中，动力传动系被布置为满足以下不等式：
其中：
R是行星齿轮系的比率，
R出是输出元件与第一输出板之间的减速比，以及
Rc是曲柄组轴与输出元件之间的齿轮比。
这使得可以将第一马达用作发电机。
在本发明的一个实施例中，两个马达中的至少一个是内部永磁电动机。
内部永磁电动机(IPM电动机)是其中磁体在铁磁材料内部的电动机。这样的电动机通常在很宽的旋转速度范围内具有良好的效率，这使得这样的电动机尤其可以用作连接到输出的第二马达，同时保持很宽的旋转速度范围。
在本发明的实施例中，动力传动系包括在行星齿轮系的输入元件与曲柄组轴之间的齿轮减速系统，使得输入元件比曲柄组轴旋转得快。
在本发明的实施例中，齿轮减速系统包括可变形的传动元件，例如齿轮减速带，该齿轮减速带优选地带有槽口。
在本发明的实施例中，在行星齿轮系的输出元件与第一输出板之间的减速装置包括与输出传动链或带啮合的第二输出板。
因此，行星齿轮系的输出元件驱动第二输出板，该第二输出板驱动输出传动链或带。输出传动链或带驱动第一输出板。
第二输出板优选地直接驱动输出传动链或带。这使得动力传动系特别易于组装并且使动力传动系特别轻且紧凑。另外，这减少了部件的数量，从而减少了制造成本。这还可以实现特别高的动力传动系传动效率。
该第二输出板优选地与行星齿轮系的输出元件成一体。该第二输出板的直径小于第一输出板的直径。
在本发明的实施例中，动力传动系包括第二飞轮，该第二飞轮被布置在行星齿轮系的输入元件与曲柄组轴之间，使得当曲柄组轴沿正常踩踏方向旋转时，曲柄组轴驱动输入元件，并且防止当曲柄组轴沿与正常踩踏方向相反的方向旋转时曲柄组轴驱动输入元件。
在本发明的实施例中，第一马达被布置成在速度或位置上受到控制，而第二马达被布置成在扭矩或电流上受到控制。
在本发明的实施例中，第一马达被布置成通过速度设定值而在速度或位置上受到控制，该速度设定值是基于行星齿轮系的输入元件的测量速度和动力传动系的齿轮系数参数(GC)来确定的。
在本发明的实施例中，第二马达被布置成通过扭矩设定值而在扭矩或电流上受到控制，该扭矩设定值是基于在第一马达上测量的至少一个扭矩或电流以及基于辅助比率参数(AR)来确定的。
在本发明的实施例中，第二马达被布置成通过扭矩设定值而在扭矩或电流上受到控制，该扭矩设定值与在第一马达上测量的电流的滤波和/或时移的结果成比例。
实际上，可能优选的是使用根据测量的电流进行滤波和/或移位的信号而不是使用瞬时测量的电流/>以便计算第二马达的电流设定值/>例如，当两个马达都作为电动机运行并且想要在曲柄组转动一圈时使辅助平稳，从而也使来自电池的功率平稳时，可以使用这种技术。
在本发明的实施例中，第一马达被布置成通过速度设定值来在速度或位置上受到控制，该速度设定值是基于行星齿轮系的输入元件的速度来确定的，并且该速度是基于第一马达的测量速度和第二马达的测量速度来确定的。
在本发明的实施例中，动力传动系被布置成使得第一马达和第二马达中的至少一个能够在不致动曲柄组轴的情况下运作。
即使曲柄组轴是固定的，这也可以使自行车向前移动。这例如可以通过车把上的控制件来完成。在这种情况下，可能存在不用踩踏而实现的机动化，例如，至少可以使第二马达运作。优选地，在这种情况下，第一马达不被速度驱动。
在本发明的实施例中，动力传动系被布置成使得两个马达中的至少一个能够作为发电机运作，该发电机经由第一输出板和行星齿轮系由输出传动链或带驱动。
这使得能够对车辆进行电磁制动并且能够对电池进行充电。该控制单元优选地被设计成控制两个马达中的至少一个作为发电机。骑车人可以指示，他或她希望通过电池充电来施加这种制动动作，例如经由车把上的控制件或经由后踏板来指示。优选地，在这种情况下，不速度驱动第一马达。
本发明还提供例如为踏板车的系统，该系统包括根据本发明的实施例的动力传动系和输出传动链或带。
附图说明
当阅读以下详细描述时，本发明的其他特征和优点将显现，为便于理解以下详细描述，应当参考附图，在附图中，
-图1示出了根据本发明的第一实施例的可能动力传动系的示意性截面；
-图2示出了两个曲线图，这两个曲线图表示第一马达的功率和骑车人的功率之间的比率与齿轮系数参数GC的关系；
-图3示出了根据本发明的第二实施例的可能的动力传动系的示意性截面；
-图4示出了根据本发明的第二实施例的可能的动力传动系以及到踏板车的后轮的传动设备的侧视图。
具体实施方式
通过特定的实施例并参照附图来描述本发明，但是本发明不受这些实施例和附图的限制。所描述的图或附图仅是示意性的而非限制性的。
为了本文的目的，术语“第一”和“第二”仅用于区分不同的元件，并不意指这些元件之间的任何顺序。
在附图中，相同或相似的元件可以具有相同的附图标记。
以下描述给出了本发明的四个主要实施例，这四个主要实施例仅是说明性的，并且本领域技术人员将要理解还存在许多其他实施例。在本发明的实施例中的每一个中，动力传动系1包括：具有相同旋转轴线的曲柄组轴2和第一输出板4；以及行星齿轮系，该行星齿轮系包括输入元件、太阳齿轮5和输出元件。
在本发明的第一实施例(如图1所示)中，曲柄组轴2通过使旋转方向转向的第一齿轮连接到输入元件，并且输出元件通过减速装置连接到第一输出板，该减速装置包括也使旋转方向转向的第二齿轮。
在本发明的第二实施例(如图3所示)中，曲柄组轴2通过保持旋转方向的传动系统连接到输入元件，并且输出元件通过减速装置连接到第一输出板，该减速装置包括第二输出板，该第二输出板与该输出元件成一体并且也保持旋转方向。该第二输出板与输出传动链或带啮合。
在本发明的第三实施例(未示出)中，曲柄组轴2通过保持旋转方向的第一传动系统连接到输入元件，并且输出元件通过也保持旋转方向的带连接到第一输出板。优选地，根据本发明的该第三实施例的动力传动系不包括第二输出板。
在本发明的第四实施例(未示出)中，曲柄组轴2通过使旋转方向转向的第一齿轮连接到输入元件，并且输出元件通过减速装置连接到第一输出板，该减速装置包括第二齿轮，该第二齿轮驱动第二输出板并且还使旋转方向转向。
值得注意的是，通过考虑输入元件是行星架而输出元件是齿圈，或者通过考虑输入元件是齿圈而输出元件是行星架，本发明的每个实施例都是可行的。
图1示出了根据本发明的第一实施例的可能的动力传动系1。动力传动系1包括具有相同旋转轴线的曲柄组轴2和第一输出板4。该轴可以被称为第一旋转轴线30。第一输出板4一体地附接到中空轴25，该中空轴利用轴承安装在曲柄组轴2上。优选地，曲柄组轴2固定到两个曲柄(manivelles)18。优选地，动力传动系1包括壳体19。
第一飞轮16被安置在曲柄组轴2与中空轴25之间，以防止当曲柄组轴2沿正常踩踏方向被致动(以使自行车向前移动)时第一输出板4比曲柄组轴2旋转得慢。因此，第一输出板4沿正常踩踏方向比曲柄组轴2自由旋转得快。
动力传动系1包括被布置成围绕第二旋转轴线31旋转的行星齿轮系。该行星齿轮系包括太阳齿轮5、行星架6和齿圈9。行星架6包括至少一个行星齿轮8。一个或多个行星齿轮8被布置成围绕行星架6的轴7旋转。行星齿轮8一方面与太阳齿轮5啮合，另一方面与齿圈9啮合。
齿圈9优选地包括与一个或多个行星齿轮8啮合的内齿10。齿圈9还包括与第二马达50的小齿轮12啮合的外齿11。
动力传动系1包括第一马达40和第二马达50。第一马达40包括定子46和转子47，该转子优选地包括磁体48。转子47被布置成围绕第二旋转轴线31旋转。转子47的扭矩通过转子47的轴43传递到太阳齿轮5。第二马达50包括定子56和转子57，该转子优选地包括磁体58。转子57被布置成围绕第三旋转轴线32旋转。转子57的扭矩优选地通过转子57的轴53传递到小齿轮12。
优选地，第一测量磁体42附接到第一马达40的轴43的一个端部，并且第二测量磁体52附接到第二马达50的轴53的一个端部。
动力传动单元1优选地包括控制单元，该控制单元优选地是微控制器。例如，动力传动系1可以包括电路板20，该电路板连接到第一马达40和第二马达50并且包含控制单元(图中未示出)。
动力传动系1优选地包括第一马达40的电流感测元件和第二马达50的电流测量元件。
优选地，第一传感器41大约沿着第二旋转轴线31的轴线附接到电路板20。第一传感器41和第一测量磁体42是第一马达40的转子47的角位置测量元件的一部分。
优选地，第二传感器51大约沿着第三旋转轴线32的轴线附接到印刷电路板20。第二传感器51和第二测量磁体52是第二马达50的转子57的角位置测量单元的一部分。
小齿轮12优选地连接到第二马达50的转子57，使得小齿轮与该转子57一起旋转。小齿轮12优选地与齿圈9的外齿11直接啮合。小齿轮12的直径小于齿圈9的直径，目的是相对于马达的旋转速度减小旋转速度。
优选地，太阳齿轮5与第一马达40的转子47成一体以便与该转子47一起旋转。
优选地，动力传动系1包括在行星齿轮系的输入元件与曲柄组轴2之间的齿轮减速系统。该齿轮减速系统可以例如包括第一输入轮13，当曲柄组轴2沿其正常踩踏方向致动时由曲柄组轴2驱动第一输入轮。第一输入轮13驱动第二输入轮14。第二输入轮14驱动行星架6，该行星架是图1所示的本发明的实施例中的行星齿轮系的输入元件。第一输入轮13优选地与曲柄组轴2成一体或者借助于可选的第二飞轮17连接到曲柄组轴。第二输入轮14优选地与行星架6成一体。第一输入轮13的直径大于第二输入轮14的直径。
第二飞轮17的存在使得在控制动力传动系1方面具有更大的灵活性，因为第二飞轮使第二马达50能够在曲柄组轴2不运作的情况下沿其正常运作方向旋转。这使得可以例如通过(例如使用车把上的控制件)对两个马达40、50中的至少一个供电来实现机动化而无需骑车人操作曲柄组。以此方式，踏板车可以向前移动而无需使曲柄组轴2旋转。值得注意的是，在该特定运作模式下的马达控制可能不同于致动曲柄组轴2时的马达控制。
来自第一马达40、第二马达50和骑乘者的功率的组合的功率优选地经由减速装置被传递到第一输出板4。图1所示的减速装置包括：与齿圈9成一体的第一输出轮3；和第二输出轮15。第一输出轮3驱动第二输出轮15，该第二输出轮与中空输出轴25和第一输出板4成一体。第一输出轮3的直径小于第二输出轮15的直径。
图2示出了两个曲线图，这两个曲线图表示第一马达的功率和骑车人的功率之间的比率62与齿轮系数参数GC 61的关系的示例。对于这两个曲线图，动力传动系的速度比范围相同。速度比范围可以被限定为动力传动系的最大速度比与动力传动系的最小速度比的比率。
图2a是根据本发明的动力传动系的实施例中的这种曲线图63的示例，其中，行星齿轮系的比率、输出元件与第一输出板4之间的减速比以及曲柄组轴2与输入元件之间的齿轮比被选择成使得GCmin为正数：
在这种情况下，第一马达40仅沿着与马达运作相对应的旋转方向旋转，即，具有可以在正数范围内起作用的GC。
图2b是根据本发明的动力传动系的实施例中的这种曲线图64的示例，其中，行星齿轮系的比率、输出元件与第一输出板4之间的减速比以及曲柄组轴2与输入元件之间的齿轮比被选择成使得GCmin为负数：
在这种情况下，第一马达40可以沿着两个旋转方向旋转，使得第一马达可以作为电动机或发电机运作，即具有可以在负区域和正区域中起作用的GC。
应当注意的是，由第一马达提供的功率与由骑乘者提供的功率之间的比率PM1/Pc与辅助比率AR无关。因此，当AR为1(AR＝P出/Pc)时，这意味着动力传动系的输出处的功率等于骑车人提供的功率，即骑车人没有得到辅助。在这种情况下，由一个马达提供的机械功率必须由另一马达制动。在这种运作模式下，一个马达作为发电机运行以为另一马达提供功率。因此，可以说在两个马达之间存在功率传递。对于电动脚踏车，控制单元迫使该无辅助模式的速度超过25km/h，在这种无辅助模式下，AR为1。
该运作导致相当大的损失，该损失等于第一马达的效率与第二马达的效率的乘积。因此，有趣的是，将来自骑车人的功率的、沿着该低效率功率路径的部分(被称为“马达之间的传递功率”)最小化。实际上，马达之间的这种传递功率等于比率“PM1/Pc”，这是图2中各曲线图的纵坐标。因此，在图2b的情况下，马达之间的功率传递量会更低。
因此，图2a和图2b之间的比较表明，就无辅助模式的效率而言，图2b中的情况比图2a中的情况更好。
减小PM1/Pc比率还具有能够减小第一马达40的尺寸从而减小动力传动系的重量和尺寸的优点。
值得注意的是，使第一马达作为发电机运作的可能性与第一飞轮的位置、与行星齿轮系的输出元件和第一输出板之间的减速装置、和与第一旋转轴线和第二旋转轴线之间的偏移量有关。该动力传动系布置使得R出不同于1，并且RC可能不同于1，从而使GCmin的任何值都为负数，同时具有动力传动系的最小速度比的纯机械锁定系统。
图3示出了根据本发明的第二实施例的动力传动系1。在本发明的第二实施例中，在行星齿轮系的输入元件与曲柄组轴2之间的传动系统保持旋转方向。该传动系统优选地包括带有槽口的带21。
保持旋转方向的传动系统可以是例如可变形的传动元件、双齿轮级或其中一个齿轮具有内齿的齿轮，这是因为在这些传动系统的每一个中，输入的旋转方向与输出的旋转方向相同。
与齿轮传动相反，借助于可变形的传动元件的传动使得可以选择该可变形的传动元件的两个端部处的旋转元件之间的中心距离。这给了很多设计自由。还可以实现行星齿轮系的第一输入与曲柄组轴之间的高齿轮比，而不会增加系统的尺寸。这种高齿轮比使行星齿轮系的尺寸减小，从而减轻了动力传动系的重量。这种高齿轮比还减小了马达的尺寸。这增加了曲柄组的轴与第一输入元件之间的齿轮比，而不会增加动力传动系的尺寸。
另外，使用可变形的传动元件来降低曲柄组的轴到行星齿轮系的第一输入的速度会导致曲柄组轴与行星齿轮系的轴之间的距离特别大。这使得可以增加行星齿轮系的齿圈的尺寸，从而增加行星齿轮系的比率。增加行星齿轮系的比率的目的是增加两个电动马达的速度，从而减小这些马达的尺寸。这减少了动力传动系的重量和体积。这样，可以减小两个电动马达的直径，从而使两个电动马达能够被安置在动力传动系的同一侧。
带传动系统的使用使得可以将曲柄组与可能由电动马达或传动装置引起的振动隔离。这减轻了骑车人的脚所感受到的振动，从而提高舒适度。
在本发明的第二实施例中，动力传动系1包含两个输出板，这两个输出板在同一传动链或带23上啮合到车辆的后轮。第一输出板4以第一旋转轴线30为中心，第二板26以第二旋转轴线31为中心。第一飞轮16被放置在曲柄组轴2和第一输出板4之间，并防止当曲柄组沿正常踩踏方向运作时，第一输出板比曲柄组轴2旋转得慢。
第一输出板4用于围绕曲柄组的轴2的轴线引导输出传动链或带，以便将链的上链段和下链段分开，该第一输出板与第二输出板26相比围绕不同的轴线旋转。优选地，第一输出板和第二输出板位于动力传动系的壳体的外部。
在正常辅助运作模式下，根据本发明的第二实施例的动力传动系1可以例如以以下方式运作。曲柄组轴2和第二马达50驱动行星架6，其中，曲柄组轴2与行星架6之间的驱动通过带有槽口的带21。行星架6是行星齿轮系的输入元件。第一马达40驱动太阳齿轮5。行星架6和太阳齿轮5驱动齿圈9，该齿圈是行星齿轮系的输出元件。齿圈9驱动第二输出板26，该第二输出板本身啮合在传动链中(将功率传递到车辆的后轮)。第二输出板26的旋转速度将等于行星架6的旋转速度和太阳齿轮5的旋转速度的加权和。因此，通过增加太阳齿轮5的旋转速度，可以增加第二输出板26的速度，而在曲柄组轴2处保持恒定的旋转速度。因此该动力传动系是无级变速器(CVT)。
齿圈9被优选地安装在中空轴27上，该中空轴转而被安装在围绕旋转轴线31的轴承上。中空轴27穿过壳体19的侧壁，使得第二输出板26位于壳体19的外部，该第二输出板附接到齿圈9。
第一飞轮16防止当曲柄组轴2沿正常踩踏方向旋转时，第一输出板4比曲柄组轴2旋转得慢。该飞轮16的一个目的是动力传动系的速度比不应低于1。第一飞轮16的这个位置防止在高的踩踏扭矩的情况下在动力传动系的其余部分中产生高扭矩。因此，动力传动系的某些部分不会承受该高扭矩。特别有趣的是，当动力传动系包括诸如带21的可变形的传动元件时，特别地以这种方式保护行星齿轮系以及行星齿轮系的第一输入元件与曲柄组轴2之间的传动系统。这是因为带有槽口的带不支持高扭矩。
第一飞轮16被布置成能够实现从曲柄组轴2到第一输出板4的直接机械功率传递。第一飞轮16优选地直接布置在曲柄组轴2与第一输出板4之间。在锁定位置，曲柄组轴2直接驱动第一输出板4。在自由位置，第一输出板4可以比曲柄组轴2更快地旋转。
另外，第一飞轮允许曲柄组轴2在某些条件下直接驱动第一输出板4，第一输出板转而驱动输出传动链或带，该输出传动链或带驱动后轮。于是，所有的踩踏功率都经由第一输出板4直接传递到传动链或输出带。因此，传动系统的其余部分(包括行星齿轮系)无负载，从而实现了高的机械效率。例如，如果动力传动系的电气系统关闭或者如果辅助设备被禁用并且选择了动力传动系的最低速度比，则会发生这种情况。
如果曲柄组上的瞬时扭矩超过某个阈值并且第一马达40以其最大扭矩饱和，则第一输出板4也可以传递一部分功率。在该踏板推动的持续时间内，动力传动系的速度比的瞬时值减小，并且例如，如果所设定的速度比较低，则第一飞轮16可以接合并驱动第一输出板4，然后该第一输出板将骑车人的多余扭矩传递到输出传动链或带上。当发生这种情况(激活辅助设备时可能发生这种情况)时，输出传动链或带一方面经由行星齿轮系和第二输出板26接收功率，另一方面经由第一输出板4接收功率。因此，第一输出板4和第一飞轮16的存在防止了动力传动系的速度比小于1，从而防止了传动装置打滑，打滑有损于驾驶乐趣。
图4示出了根据本发明的实施例的动力传动系以及到踏板车的后轮的传动装置的侧视图。例如，这可以是根据本发明的第二实施例的动力传动系。
图4示出了动力传动系1、输出传动链23、后轮小齿轮24和张紧辊22。输出传动链23包括上链段23a、下链段23b和中间链段23c。中间链段23c是输出传动链23的位于第二输出板26与第一输出板4之间的部分。
张紧辊22的功能是当传动装置处于负载不足时，收紧松弛的输出传动链或带23。该张紧辊使中间链段23c保持拉紧。该张紧辊22可被整合到动力传动系1中或附接到踏板车的车架。该张紧辊被放置成使张紧辊与下链段23b接触。还可以考虑在没有张紧辊22的情况下进行固定操作。
在第二实施例中的动力传动系1的正常辅助运作模式下，第二输出板26将功率传递到一个或多个车轮。第二输出板26驱动输出传动链或带23。与第二输出板26啮合在同一传动链23上的第一输出板4以比曲柄组轴2更高的速度空转。第一输出板4借助于第一飞轮16从曲柄组轴2脱离。第一输出板4的第一功能是围绕曲柄组的轴2引导传动链23，从而增加上链段23a与下链段23b之间的距离。这样，在将推进系统安装在自行车车架上的情况下，有足够的空间使车架的右后基部通过。该右后基部是车架的用于将后轮的附接点连接到动力传动系的管。该右后基部在图4中未示出。
在某些特殊的运作模式中，第一飞轮16锁定第一输出板4并防止第一输出板4比曲柄组的轴2旋转得慢。在这种情况下，第一输出板4全部或部分地驱动输出传动链23，从而也驱动第二输出板26。如果电气系统关闭和/或辅助设备被禁用，并且(用户或控制系统)选择了动力传动系1的最低速度比，则所有的骑车人的功率都经由第一输出板4传递到传动链23。因此，传动装置的其余部分无负载，并且传动装置的机械效率很高。
如果骑车人的瞬时扭矩超过某个阈值并且第一马达40达到其最大扭矩，则第一输出板4也可以传输一部分功率。在该踏板推动的持续时间内，动力传动系的速度比的瞬时值将减小，并且如果所设定的速度比较低，则第一飞轮16可以激活并驱动第一输出板4，该第一输出板将骑车人的多余扭矩传递到传动链23。第一输出板4和第一飞轮16的相互作用防止动力传动系的速度比达到小于1的值。
换句话说，本发明涉及一种用于踏板车的动力传动系1。该动力传动系1包括曲柄组轴2和具有第一旋转轴线30的第一输出板4。第一输出板4与传动链或带23联接，以驱动踏板车的后轮。曲柄组轴2与传动链或带23之间的联接是经由围绕第二旋转轴线31旋转的行星齿轮系实现的。曲柄组轴2还通过第一飞轮16联接到第一输出板4，当曲柄组轴2沿正常踩踏方向旋转时，该第一飞轮防止第一输出板4比曲柄组轴2旋转得慢。
已经结合特定实施例描述了本发明，这些特定实施例仅是说明性的，不应被视为限制性的。通常，本发明不限于上文说明和/或描述的示例。动词“含有”、“包含”、“包括”或任何其他变型的使用以及这些动词的变化形式绝不能排除除了所提到的那些元件以外的元件的存在。使用不定冠词“一个”、“一”或定冠词“该”来引入元件并不排除存在多个这样的元件。权利要求中的附图标记不应限制权利要求的范围。

Claims (19)

1.用于踏板车的动力传动系，所述动力传动系包括：
• 曲柄组轴，所述曲柄组轴围绕第一旋转轴线旋转，
• 第一输出板，所述第一输出板啮合在输出传动链或带上，并且被布置成围绕所述第一旋转轴线旋转，
• 行星齿轮系，所述行星齿轮系包括输入元件、输出元件和太阳齿轮，
• 第一马达，
• 第二马达，
• 第一飞轮，以及
• 减速装置，所述减速装置位于所述行星齿轮系的输出元件与所述第一输出板之间，
所述曲柄组轴经由所述输入元件连接到所述行星齿轮系，以便形成所述行星齿轮系的第一输入，
所述第一马达经由所述太阳齿轮连接到所述行星齿轮系，以便形成所述行星齿轮系的第二输入，
所述第二马达连接到所述行星齿轮系的输出元件，以便以固定比率驱动所述输出元件，
其特征在于
• 所述输入元件、所述输出元件和所述太阳齿轮围绕不同于所述第一旋转轴线的第二旋转轴线旋转，并且
• 所述第一飞轮被布置成当所述曲柄组轴沿正常踩踏方向旋转时，防止所述第一输出板比所述曲柄组轴旋转得慢，
所述动力传动系被布置为满足以下不等式：
，
其中：
是所述行星齿轮系的比率，
是所述输出元件与所述第一输出板之间的减速比，并且
是所述曲柄组轴与所述输入元件之间的齿轮比。
2.根据权利要求1所述的动力传动系，其中，所述第一马达和第二马达中的至少一个是内部永磁电动机。
3.根据权利要求1或2所述的动力传动系，所述动力传动系包括在所述曲柄组轴与所述行星齿轮系的输入元件之间的齿轮减速系统，使得所述输入元件比所述曲柄组轴旋转得快。
4.根据权利要求3所述的动力传动系，其中，所述齿轮减速系统包括可变形的传动元件。
5.根据权利要求1或2所述的动力传动系，其中，所述行星齿轮系的输出元件与所述第一输出板之间的所述减速装置包括与所述输出传动链或带啮合的第二输出板。
6.根据权利要求5所述的动力传动系，其中，所述第二输出板与所述行星齿轮系的输出元件成一体。
7.根据权利要求5所述的动力传动系，其中，所述第二输出板的直径小于所述第一输出板的直径。
8.根据权利要求1或2所述的动力传动系，所述动力传动系还包括第二飞轮，所述第二飞轮被布置在所述行星齿轮系的输入元件与所述曲柄组轴之间，使得当所述曲柄组轴沿所述正常踩踏方向旋转时，所述曲柄组轴驱动所述输入元件，并且当所述曲柄组轴沿与所述正常踩踏方向相反的方向旋转时，防止所述曲柄组轴驱动所述输入元件。
9.根据权利要求1或2所述的动力传动系，其中，所述输入元件是所述行星齿轮系的行星架，并且所述输出元件是所述行星齿轮系的齿圈。
10.根据权利要求1或2所述的动力传动系，其中，所述输入元件是所述行星齿轮系的齿圈，并且所述输出元件是所述行星齿轮系的行星架。
11.根据权利要求1或2所述的动力传动系，其中，所述第一马达被布置成在速度或位置上受到控制，并且所述第二马达被布置成在扭矩或电流上受到控制。
12.根据权利要求1或2所述的动力传动系，其中，所述第一马达被布置成通过速度设定值而在速度或位置上受到控制，所述速度设定值是基于所述行星齿轮系的输入元件的测量速度和所述动力传动系的齿轮系数参数来确定的，其中，所述动力传动系的齿轮系数参数被定义为所述第一输出板的速度与所述曲柄组轴的速度的比率。
13.根据权利要求1或2所述的动力传动系，其中，所述第二马达被布置成通过扭矩设定值而在扭矩或电流上受到控制，所述扭矩设定值是至少基于辅助比率参数和在所述第一马达上测量的扭矩或电流来确定的，其中，所述辅助比率参数指的是输出处回收的总功率相对于骑车人给出的功率的比例。
14.根据权利要求1或2所述的动力传动系，其中，所述第二马达被布置成通过扭矩设定值而在扭矩或电流上受到控制，所述扭矩设定值与在所述第一马达上测量的电流的滤波和/或时移的结果成比例。
15.根据权利要求1或2所述的动力传动系，其中，所述第一马达被布置成通过速度设定值而在速度或位置上受到控制，所述速度设定值是基于所述行星齿轮系的输入元件的速度来确定的，并且其中，该速度是基于所述第一马达的测量速度和所述第二马达的测量速度来确定的。
16.根据权利要求1或2所述的动力传动系，所述动力传动系被布置成使得所述第一马达和所述第二马达中的至少一个能够在所述曲柄组轴不被致动的情况下运作。
17.根据权利要求1或2所述的动力传动系，所述动力传动系被布置成使得所述第一马达和第二马达中的至少一个能够作为发电机运作，所述发电机经由所述第一输出板和所述行星齿轮系通过所述输出传动链或带驱动。
18.根据权利要求4所述的动力传动系，其中，所述可变形的传动元件带有槽口的齿轮减速带。
19.踏板车，所述踏板车包括输出传动链或带和根据权利要求1至18中任一项所述的动力传动系。
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