CN113015861B - 用于自行车的电动辅助设备 - Google Patents

Abstract

一种用于自行车的电动辅助设备，包括与一对曲柄(16)在旋转上联接并能被马达(3)驱动而沿正方向旋转的轴(4)，其特征在于，在马达(3)和轴(4)之间设有连接机构(8)，该连接机构具有至少三种不同的状态：状态1，称为辅助状态，其中所述马达经由驱动件将扭矩传递到所述轴(4)，该驱动件以与所述轴(4)相同的速度转动；状态2，称为飞轮状态，其中所述轴(4)沿正方向的旋转大于所述驱动件(56)的旋转；状态3，称为断开状态，其中所述轴(4)沿正方向或沿负方向的旋转不能驱动所述马达(3)的旋转。该连接机构包括可脱离的飞轮，该飞轮包括将飞轮锁止部件维持在脱离位置的装置，或者可以包括传统飞轮与离合器的组合。

Description

用于自行车的电动辅助设备

技术领域

本发明涉及装备有电动辅助马达的自行车。更具体地，本发明涉及一种介于自行车的传动链和辅助马达之间的扭矩传递装置。

背景技术

电动辅助自行车的特定特征是其需要具有两个动力传输路径：传递由骑车人产生的扭矩的脚踏组件-车轮路径，以及马达-车轮路径。这两个传动路径需要能够重叠，因为原则上并且为了满足规定，马达必须仅在骑车人自己通过脚踏组件向车轮提供转矩的程度内向车轮提供转矩。

现在已有不同的电动辅助自行车构型，并且本发明更具体地涉及这样的自行车，其中通过特别地将辅助马达结合在脚踏组件中而将其放置在自行车的中心部分中。

在使用电动辅助自行车时，必须考虑各种不同的功能阶段：无辅助蹬踏(阶段1)、辅助蹬踏(阶段2)、以大于由马达产生的最大转速的转速蹬踏(阶段3)、骑车人突然停止蹬踏(阶段4)和反向蹬踏(阶段5)。

在无辅助蹬踏期间，对于骑车人而言，自行车的行为必须尽可能类似于没有马达的自行车的行为，也就是说，辅助所必需的所有部件—例如电动马达、机械减速装置或任何其它传动构件都必须既不增加额外的摩擦，也不产生额外的噪音，还不增加额外的惯性。

为此，通常的做法是在马达和车轮之间的传动路径中串联地插入飞轮装置。传统的自行车，也就是说那些没有电动辅助的自行车，实际上也都已经在踏板和车轮之间配备有飞轮机构。因此，有必要提供两个飞轮装置，每个飞轮装置被置于两个不同的传动路径之一中：马达-车轮和踏板-车轮。

还应注意，有两种主要的飞轮原理：棘爪式飞轮，其重量轻但容易产生噪音；以及，摩擦式飞轮，其通过贴附来传递扭矩，具有无声的优点，具有非常低的接合角，但具有笨重和庞大的缺点，需要非常精确的工艺—这导致其相当昂贵，以及具有残余摩擦扭矩，该残余摩擦扭矩在飞轮模式中通过施加在摩擦凸轮或针上的接合预应力而通常很高。

在辅助蹬踏(阶段2)期间，马达-车轮传动路径将是可操作的。脚踏组件-车轮传动路径也必须是可操作的。

在具有中央马达的自行车的情况下，通常的做法是将自行车设计成使得马达-车轮传动路径和脚踏组件-车轮传动路径共用尽可能多的共同元件。通常，马达和脚踏组件驱动共同的链轮(牙盘)，该链轮通过具有链节的常规自行车链条连接到车轮。在这种情况下，马达必须能被机械地连接以将马达辅助扭矩施加到脚踏组件或链轮。

在该辅助蹬踏阶段，当骑车人想要比最大马达速度更快地蹬踏时，马达必须断开连接，以便骑车人不会被马达减慢(阶段3)。这就是在马达的输出端设置简单飞轮的原因。通常，这些飞轮有两种类型，棘爪式或滚轮式。

这些类型的飞轮中的每一种都具有缺点。棘爪式飞轮会变得有噪音，而滚轮式飞轮实际上是无声的，但是很重，并且在飞轮阶段会产生更高的摩擦力矩。

当骑车人想要突然停止蹬踏时(阶段4)，出于舒适和安全的原因，以下因素将是必要的：马达切断反应时间非常短，并且马达及其传动链的惯性减小，以避免在骑车人想要瞬间停止时继续驱动骑车人的腿或继续向前移动自行车。不幸的是，对于现有技术的自行车而言，这并不总能发生。

例如，在现有技术US 9,616,969和US 8,757,311中，如同在大多数电动辅助自行车上一样，所公开的驱动链轮由脚踏组件经由第一飞轮并行驱动，使得可以传递骑车人的蹬踏转矩，并且由辅助马达经由第二飞轮并行驱动，使得可以传递来自马达的辅助转矩。通过这种设置，如果骑车人突然停止蹬踏，则骑车人的腿将不会被驱动旋转，因为脚踏组件的第一飞轮将脱开离合，并且骑车人将能立即停止蹬踏。另一方面，马达将在减速所花费的时间内继续驱动自行车，如果骑车人想在紧急情况下停止，这可能是危险的。

在其它构型中，例如在EP2502819中，链轮不由两个不同的飞轮并行地驱动，因为链轮直接与曲柄连接，使得当骑车人决定突然停止蹬踏时，他或她也必须停止马达的整个传动链。而且，由于停止该马达传动路径花费一定时间，踏板将继续转动该短时间段并驱动骑车人的腿。这是一种令人不快的感觉，其对骑车人的舒适度和体验质量是有害的。此外，当骑车人突然停止蹬踏时，他或她可能在马达的传动链上产生非常高的制动扭矩，这可能导致传动链退化或断裂。

最后，在电动辅助自行车的使用中存在最后的功能阶段，其在某些构造中引起问题(阶段5)。第一种结构是当骑车人想要向后蹬踏板以重新定位他或她的踏板时，例如当接近转弯以便他们不与路面摩擦时，或者当骑车人想要开始并将他或她的驾驶脚定位在基本水平的位置时。

存在第二构型，在该第二构型期间发生反向，并且该第二构型是操纵自行车以将其放下时。实际上，如果自行车反向运动，后轮的传动飞轮将被阻挡并向后驱动踏板。在这个可称为反向蹬踏阶段的阶段中，在马达轮传动路径中包括简单飞轮例如棘爪式飞轮的电动辅助自行车也将使该飞轮块反向并因此反向驱动马达。马达的反向旋转产生高摩擦转矩和非常高的当量惯性。在这种情况下，骑车人可以提供高的反向蹬踏转矩，这将引起高的负角加速度，并且因此由于马达的相当大的等效惯性而引起非常高的负转矩，这有损坏齿轮马达的齿轮的风险。而且，在这种类型的马达驱动装置上，马达的旋转速度和脚踏组件轴的旋转速度之间的减速比为100的量级，这不可避免地降低了这种类型的减速装置的效率，一旦出现微小的润滑或磨损故障，减速装置甚至会变得不可逆并且阻塞，这就是为什么专利WO 2016/128789结合了转矩限制器，该转矩限制器使得在过高转矩的情况下断开马达以避免断齿成为可能。

此外，这种反向蹬踏阶段通常在购买自行车时应用于商店中。实际上，在老龄骑车人中，标准的实践是反向转动曲柄以估计传动链的摩擦损失(包括脚踏组件密封件和轴承、链及其滚子和后飞轮的滚动轴承的摩擦)，这使得可以估计传动摩擦质量。当在具有简单飞轮的电动辅助自行车上执行该测试时，飞轮被反向阻断并且反向驱动马达，并且当马达和脚踏组件之间的减速比高时，马达因此以高旋转速度被反向驱动，因此由于马达的机械和电磁摩擦而增加惯性感觉并且产生高摩擦扭矩，该机械和电磁摩擦与高减速比和减速装置的效率的倒数相乘，因此使得该反向测试非常不利。

在现有技术的电动辅助自行车中使用的飞轮是简单的飞轮，当正的马达转矩施加到输入元件(辅助马达)上并且然后传递到输出元件(脚踏组件轴)上时，飞轮被锁止。另一方面，飞轮不能在相同的输入元件上沿相反的方向传递负转矩，并且然后将开始沿该飞轮方向自由转动。因此，当旋转方向是正常使用方向时，一切都按照需要发生，但是当旋转方向在输出元件即脚踏组件轴上反向时，一切都反向，也就是说，飞轮将被阻止并传递反向扭矩，从而反向驱动整个传动链，这存在上述缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种电动辅助(助力)自行车，其没有现有技术的自行车的缺点。特别地，本发明的目的是提出一种用于自行车的电动辅助设备，其在上述不同的功能阶段中最佳地操作。本发明的目的还在于提出一种辅助设备，其表现出安静的操作并且具有极大地降低的摩擦。本发明的目的还在于提出一种体积尽可能小且尽可能轻的辅助设备。

本发明的目的通过提供一种电动辅助设备来实现，该电动辅助设备包括可分离(可脱离接合，可断开)的连接装置，该可分离的连接装置允许马达在反向蹬踏(后退)阶段自动分离，同时不接收阻力，并且同时在该阶段中没有断开减速装置的风险，也不需要如上述现有技术中那样添加转矩限制器。

本发明的目的通过提供一种用于自行车的电动辅助设备来实现，它包括轴，该轴与一对曲柄在旋转上固定在一起(在旋转方面联结在一起)，并且该轴可由马达驱动而沿正方向旋转，其中，连接机构设置在所述马达和所述轴之间，该连接机构具有至少三个不同的状态：

-状态1，称为辅助状态，其中所述马达通过驱动件将转矩传递到所述轴，该驱动件以与所述轴相同的速度转动，

-状态2，称为飞轮状态，其中所述轴在正方向上的旋转大于驱动件的旋转，

-状态3，称为断开状态，其中所述轴在正方向上或在负方向上的旋转不能驱动马达的旋转。

本发明的目的尤其通过提供这样一种用于自行车的电动辅助设备来实现，该自行车包括轴，该轴能同时地被一对曲柄和一马达沿正方向驱动而旋转，所述设备包括离合器机构，该离合器机构布置在马达和轴之间，并且包括闭合位置和打开位置，在该闭合位置，马达和轴在双向的旋转上固定在一起，在打开位置，所述轴的沿负方向的旋转不驱动马达的旋转，所述打开位置在马达具有零转速时有效(起作用)。

应当注意，在本发明的上下文中，在飞轮和离合器机构之间存在原理上的差异。实际上，离合器机构是一种机械联接装置，当其处于“闭合”位置时，其固定(使之联结)第一元件与第二元件的在两个方向上的旋转。飞轮本身允许元件2(从动元件)被元件1(驱动元件)在第一相对旋转方向(称为正方向)上驱动；并且允许元件2相对于元件1在没有驱动的情况下在正方向上的相对旋转。在后一种情况下，元件2在正方向上比元件1转动得快。另一方面，其特定结构还允许通过元件2在负的相对旋转方向上驱动元件1，此时元件2则变成驱动元件。

本发明的目的还通过提供这样一种电动辅助设备来实现，该电动辅助设备具有以下特征中的一个或多个，这些特征能进行任何技术上可接受的组合：

-曲柄固定在轴的两端，

-减速装置放置在电机和轴之间以便降低电机的旋转速度，

-该减速装置包括齿轮传动系，

-该减速装置是行星类型的减速装置，

-连接机构包括置于马达和轴之间的飞轮，所述飞轮允许马达沿正方向驱动所述轴并允许所述轴沿负方向驱动所述马达，

-飞轮设置在减速装置和轴之间，并且飞轮包括在“接合”位置和“脱离”位置之间移动(特别是使棘爪枢转)的锁止件，并且当棘爪处于降低位置时，锁止件的远侧端部可以与一体结合到轴上的齿接合。

本发明的目的还通过一种用于自行车的电动辅助方法来实现，该自行车装备有如前面段落中描述的设备，并且另外包括微控制器，该微控制器在需要辅助时控制马达在称为正方向的第一方向上的旋转，所述正方向使得马达产生自行车的向前运动；其特征在于，当曲柄的旋转速度为零时或当曲柄沿与自行车的向前运动相反的方向转动时，微控制器控制马达沿与第一方向相反的方向在短的时间段内旋转。所述短的时间段小于几秒，优选小于一秒。其目的实际上是产生几度的旋转，以确保同步环相对于驱动环的相对旋转。

在本发明的一个实施例中，连接机构包括可分离的飞轮。获得这种结果的一种方式包括为连接机构配备允许飞轮的棘爪保持在脱开位置的装置。允许棘爪保持在脱开位置的所述装置可以包括彼此固定在一起的棘爪同步环和摩擦环，所述摩擦环与辅助设备的固定部分接触，以便在其旋转期间产生摩擦扭矩。摩擦环是可弹性变形的环，它在至少两个区域上带有预应力地抵靠在设备的固定部分上，所述至少两个区域均匀地分布在所述固定部分的圆周上。所述固定部分例如可以是柱形的筒(桶状部)。当摩擦环沿正方向旋转时，摩擦环产生趋于接合棘爪的扭矩，相反地，当摩擦环沿负方向旋转时，摩擦环产生趋于脱开棘爪的相反扭矩。

在本发明的该第一构型实施例中，当连接机构处于断开状态(状态3)时，飞轮不再运行。如上所述，这将对应于功能阶段1、3和4。

根据本发明的可分离式飞轮系统是一种更复杂的飞轮，其连接到三个本体(而不是简单飞轮中的仅两个)，具有输入和输出，而且还具有连接到自行车的固定车架上的第三基准本体，这将使得能够在相对于自行车车架的相对速度条件下管理飞轮的锁止/解锁功能。

因此，当脚踏组件(曲柄组)沿正常旋转方向转动时，飞轮将作为简单飞轮操作。另一方面，一旦辅助马达反向转动，飞轮将趋于断开，从而防止马达能够被脚踏组件的轴反向驱动旋转。

该飞轮系统可以设置在传动链中的不同位置，其可以位于马达轴的输出端的远上游，在这种情况下，飞轮将必须传递非常低的扭矩但处于高转速；或者位于减速装置的下游并在与脚踏组件的轴的机械连接点处，在这种情况下，转速将降低但将传递显著更高水平的扭矩。后一实施例对应于将在下文中详细描述的本发明的第一实施例。

在本发明的另一构型中，连接机构包括飞轮和离合器。离合器和飞轮则不必在马达-车轮传动路径中相邻。该构型对应于本发明的第二实施例。

在本发明的该另一实施例中，离合器机构可以是离心式离合器类型，当马达的转速小于给定速度V1时，该离合器从闭合(接合)位置转到打开(脱离)位置。制造这种离合器机构的方法之一是制造离心式离合器，其包括多个部段(扇形区段)，每个部段配备有可以与摩擦柱体(柱面)接触的摩擦垫。在打开位置，摩擦垫不与摩擦柱体接触，而在闭合位置，受到离心力的部段在摩擦柱体上施加力，使得所述部段和所述摩擦柱体在旋转方面固定在一起，并且马达可以将非零扭矩传递到驱动轴。

这种离合器机构可以设置在马达-车轮动力传递路径中的不同点处。在本发明的一个实施例中，离合器机构设置在马达和减速装置之间。

速度V1选择成使得V1/R小于25rpm，R为减速装置的减速比。

附图说明

根据以下描述将更好地理解本发明。附图包括：

图1是结合有根据本发明的示例的电动辅助系统的自行车的概图。

图2是图1的一部分的放大图，该部分居中于脚踏组件的壳体上。

图3是根据本发明第一实施例的设备的透视图。

图4是图3的设备的分解和局部透视图。

图5是图3的设备的纵向剖视图。

图6和7分别是当离合器机构处于闭合位置时图3的设备的剖面D-D和B-B的视图。

图8和9分别是当离合器机构处于打开位置时图3的设备的剖面D-D和B-B的视图。

图10是平面E-E上的横截面视图。

图11是根据本发明第二实施例的设备的纵向剖视图。

图12是图11所示设备的分解局部透视图。

图13是图12的详细视图。

图14是当离合器机构处于闭合位置时沿横截面F-F的视图。

图15是当离合器机构处于打开位置时沿横截面F-F的视图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的结合有辅助系统的电动辅助自行车1。如已知的，这种自行车包括固定有两个车轮的车架。后轮15是驱动轮，并由脚踏组件驱动，该脚踏组件包括一对曲柄16和两个踏板17，右曲柄包括星形件161，其端部用作传动链19的带齿链轮18的固定件。

图2示出了脚踏组件的外壳2，其形成车架的一体部分并且将各种管连接到该车架上。辅助马达3容纳在一个形成自行车车架的元件内。例如，它可以容纳在座管12内，或在斜管13内，或在将脚踏组件连接到后轮5的轮毂的底座14之一内。或者，该马达可以例如通过固定到这些管12、13、14之一上或通过固定到脚踏组件的外壳2上而被添加到车架上。

马达3是电动马达。它优选由添加到车架上或容纳在车架内或甚至由用户佩戴的电池供电。马达3驱动马达构件31旋转。

优选地，马达构件31被驱动而围绕与马达的输出相同的旋转轴线旋转。该旋转轴线与脚踏组件的驱动轴4转动所围绕的轴线成直角。脚踏组件4的旋转轴线和马达3的旋转轴线分别对应于图2所示的正交参考系的轴X和Z，因此，马达3的旋转轴线与脚踏组件的轴4的旋转轴线成直角。

壳体21容纳在外壳2内，该壳体由盖22封闭。脚踏组件的轴4正好穿过壳体21。图3示出了被插入脚踏组件的外壳中之前的壳体21。轴4在其每个端部均包括允许固定曲柄17的装置41。在此处描述的示例中，所述装置包括花键。

壳体21具有允许脚踏组件的轴4通过的通孔。为了允许轴4在外壳2中的精确引导和良好的刚性，设置有两个滚动构件43、44，通常为滚珠轴承。这些滚珠轴承在图5中可见。

外壳2和壳体21还具有顶部通道23，以允许马达构件31进入该外壳2中。

减速装置5使得可以将来自马达构件31的力传递到脚踏组件的轴4。减速装置5是具有双行星齿轮的行星齿轮类型，以便允许在较小体积内的大减速比。

马达构件31是与冠环51啮合的小齿轮，该冠环可以围绕与轴4的轴线X相同的轴线旋转地移动。

优选地，马达构件31是锥形小齿轮，并且可移动的冠环51具有与马达构件31的斜齿互补的斜齿。

冠环51安装成绕脚踏组件的轴4自由旋转。为此，可以提供设置在轴4和冠环51之间的滚动构件，例如滚珠轴承511、512。

可动冠环51在旋转上固定到行星架52，优选地，可动冠环51和行星架52形成一个相同的部件。替代地，可以设想，冠环和行星架是彼此固定的不同的部件。

行星架52具有构造成容纳行星齿轮53的凹部。行星齿轮53的数量优选为至少三个，它们构造成在与轴4的轴线X成直角的同一平面内移动。

在该非限制性的例子中，每个行星齿轮被固定到一个轴上，该轴被安装成在由行星架52承载的容纳部中旋转。为此，设有滚动轴承，典型地为滚珠轴承，其被安装在行星齿轮的轴和容纳部之间，以便最小化该减速装置的摩擦损失。

每个行星齿轮53包括两个小齿轮531、532。每个行星齿轮53的两个小齿轮531、532彼此平行地放置，并且在它们的运动上相互固定。

第一小齿轮531与固定到壳体21并因此固定到自行车车架的固定冠环54啮合。该固定冠环54承载内齿。第二小齿轮532与由第二冠环55承载的齿啮合。第二冠环55与构成减速装置5的输出的驱动件56固定在一起。转速可为每分钟数千转的电动马达的转速被降低，直到减速装置的输出小于100rpm。例如，在所设计的构型中，锥形扭矩的减速比为5，其后是具有21的传动比的行星减速装置，即，马达的速度与减速装置的输出速度之间的总传动比为105。

驱动件56通过根据本发明的连接机构连接到轴4。该连接机构包括可脱开的飞轮6，该飞轮包括两个棘爪61和一个同步环62。所述棘爪61安装成在形成于驱动件56中的容纳部561内枢转。它们借助于通过四个螺钉固定到驱动件56上的保持架57而保持在那里。棘爪61在图7所示的“接合”位置和图9所示的“脱离”位置之间枢转，在“接合”位置，棘爪的远侧端部与形成在驱动轴4上的齿42中的一个接合。

同步环62使两个棘爪61的摆动运动同步。该同步环安装成通过引导它的凸缘562而绕轴X枢转。同步环62相对于驱动环56具有小的转动幅度。实际上，同步环在离棘爪的枢转点数毫米的距离处固定到棘爪上。

两个棘爪61以180°相对，使得可以平衡通过理论上没有径向分量地传递纯转矩而传递的作用力，以及通过将由每个棘爪传递的作用力基本上减半而传递的作用力。棘爪优选地具有这样的端部，该端部具有与形成在轴4上的齿42接合的喙部。因此，一旦棘爪的端部与轴4接触，棘爪将继续其行程，以在齿的底部自动接合而无论与其接合相反的摩擦如何，从而允许它们一旦接合就保持完全稳定，安装成在减速装置的输出部上枢转的同步环62使得能使其旋转同步，以便它们同时正确地接合。图7和9以剖面B-B分别示出了处于接合位置和脱离位置的两个棘爪61和同步环62。

连接机构8还包括允许棘爪61被控制并且特别地允许它们保持在脱离位置的装置。所述装置包括摩擦环72和两个销73。图4、5和10示出了摩擦环72的几何形状和操作。该摩擦环是可弹性变形的环，其在至少两个区域上预加应力地抵靠在设备的固定部分上。在所示的实施例中，固定部分是从盖22的内表面突出的柱形筒221。该环包括形成在环的内表面上并沿直径相对的两个隆起721。这些隆起设置成可在筒221的源自盖22的外表面上滑动。摩擦环72通过两个销73在旋转上固定至同步环62，所述销插入沿直径相对的两个径向长圆孔中。为了确保摩擦环在筒221上的一定的夹持，在自由状态下，两个隆起之间的内径比筒221的外径略小约0.5mm。摩擦环的装配将产生摩擦环的一定的不圆度，该摩擦环的几何形状必须被定尺寸成在其不圆度变化0.5mm时产生两个沿直径相对的径向作用力，而不在摩擦环上产生高应力，以便其能承受该水平的应力而在产品的整个寿命期间不发生蠕变。可以选择PBT或POM类型的材料来制造该环，因为该摩擦件必须具有非常好的耐磨性和非常好的弹性，以及在工作温度下的良好性能，以保证在产品的使用寿命期间其夹紧预应力的非常好的稳定性。

摩擦环72在筒221上的径向夹紧将产生稳定且受控的摩擦扭矩，从而抵抗它相对于本身连接到车架1的外壳上的筒221的旋转。

作为一个例子，将摩擦环的尺寸确定成在其上的应力水平小于10MPa的情况下在0.5mm的直径夹紧下在摩擦隆起处获得大约5N的两个沿直径相对的径向作用力，可以获得非常好的操作，从而避免了随着时间流逝而松弛或蠕变的任何风险，这些在35mm直径的筒上产生的径向作用力使得能够在两个旋转方向上都产生约25mN.m的摩擦扭矩，其足以使棘爪接合和脱离，同时产生足够低的扭矩以在棘爪滑动时不引起任何显著的动力损失，因为这种25mN.m的摩擦扭矩在每分钟80转下仅产生0.2瓦的损失，该损失与辅助动力相比是可忽略的并且不会使与筒221接触的隆起区域发热和磨损。现在将详细描述离合器机构的操作。

当减速装置的输出端—即驱动环56—沿正方向(蹬踏的正常方向，在图中用+号表示)被驱动时，同步环62将沿相同方向被驱动旋转，并将与其一起驱动摩擦环72，盖22的筒上的两个隆起721的摩擦将产生摩擦转矩，该摩擦转矩将被传递到同步环62。由于同步环相对于驱动环56具有一定幅度的相对旋转，所以摩擦转矩将使其沿与运动相反的方向被推动，并因此使其相对于减速装置的输出部反向转动。这种相对转动倾向于使棘爪在它们的接合方向上枢转，从而引起马达与驱动轴4的转动连接。然后飞轮接合。飞轮的这种接合状态在图6和7中示出。这对应于连接机构的状态1—称为辅助状态，或者甚至对应于当骑车人的蹬踏比由马达提供的辅助蹬踏慢时的辅助蹬踏模式(阶段2)。

在骑车人增大他或她的蹬踏频率以便超过减速装置的输出速度的情况下(阶段3)，轴4的齿42将在每次齿通过时抬起棘爪61，并且在驱动环和轴4之间将不传递扭矩，于是飞轮自由滑动。这是飞轮的常规操作。这对应于连接机构的状态2，称为空转状态。可以注意到，当棘爪被轴4的齿42抬起时，同步环62和摩擦环72将因此相对于驱动环呈现轻微的前进，但是由盖22上的隆起721的摩擦引起的摩擦环的摩擦扭矩将保持基本恒定，一旦齿42通过，就引起棘爪的立即重新接合，因此，在该飞轮阶段，摩擦环以类似于传统棘爪飞轮的复位弹簧的方式起作用。

现在，如果骑车人决定反向蹬踏(阶段5)，则沿负方向转动的轴4将通过棘爪来驱动所述驱动环56和摩擦环72。隆起721与盖221的摩擦产生与旋转相反的摩擦转矩，使得同步环相对于驱动环转动，直到两个棘爪被抬起，从而使马达联接不可能。然后，连接机构处于状态3，称为断开状态，如图8和9所示。

实际上，棘爪的这种脱开与减速装置的冠环和链轮壳体的盖(固定的)之间的相对旋转方向相关联，因此将能够通过控制马达的旋转方向来控制棘爪的接合，使得足以命令马达的小的反向旋转，使驱动环56反向枢转—也就是沿负方向枢转—至少几度，以脱开飞轮。

实际上，如果骑车人在马达辅助下向前移动(阶段2)，则棘爪被接合。从这种状态，如果骑车人决定突然反向(阶段5)或者停止蹬踏以能够停止(阶段4)，则由于棘爪具有接合喙状部，因此棘爪可能不能容易地脱离—尽管摩擦转矩被施加到同步环，并且希望用于控制的微控制器(未示出)能够通过突然变为零或负的蹬踏转矩的传感器(未示出)，或者通过由角度传感器(未示出)检测的脚踏组件的零转速，或者通过大的角减速，或者甚至通过马达或脚踏组件的旋转方向的反向来检测到该事件，然后命令马达反向旋转，其反向速度大于骑车人的反向加速度大并持续部分转动，这将使棘爪脱开并且允许它们被抬升，这种反向运动将能够几乎立即停止，并且飞轮将保持在这种稳定状态中，而不会对骑车人引起最轻微的脱离摩擦或最轻微的附加噪声。

最后，当骑车人决定从辅助切换时或当电池耗尽时(阶段1)，微控制器将命令马达反向旋转以便将飞轮置于脱离状态。因此，辅助装置的存在不会引起额外的摩擦或噪音。

在本发明第一实施例的变型实施例中，对于摩擦环无旋转或反向旋转的情况，置于驱动环56和同步环62之间的弹簧可将棘爪保持在脱离位置。弹簧的复位力矩必须小于摩擦环的摩擦力矩，以便摩擦环沿正方向旋转，从而正确地引起棘爪的接合。因此，如果骑车人反向蹬踏，他或她将使棘爪脱离，然后棘爪将借助于弹簧而处于稳定的脱离位置(状态3)。在该变型中，马达的反向控制不是必需的。

图11至15示出本发明的第二实施例，其中连接机构8包括不同的飞轮6和离合器机构7。此外，飞轮和离合器在马达-车轮动力传递路径中不直接相邻。实际上，如稍后将看到的，减速装置5插入在离合器和飞轮之间。该实施例的不同之处还在于，辅助马达3是具有驱动轴4的同心马达。可以清楚地理解，马达的类型和布置在本发明中不是限制性的，并且上述第一实施例也可以配备具有驱动轴的同心马达。

图11以纵向剖视图示出了在被插入到图2所示的自行车的脚踏组件外壳中之前的完整块体。所有元件都被容纳在由盖22封闭的壳体21内。马达3驱动马达构件31旋转。马达构件包括从其前端表面突出的三个销311，所述销使得能通过离合器机构7驱动减速装置5，其操作将在下文中解释。

本实施方式中的减速装置5与第一实施方式中描述的减速装置基本相同。将不再对它进行详细描述。在该第二实施例中，它是减速比R等于41的减速装置。减速装置的输入端穿过行星齿轮架52，减速装置5的输出端由通过简单飞轮6驱动轴4的驱动环56构成。这是一种简单的棘爪式飞轮，其基本上与本发明第一实施例所述的相同，但其中棘爪以传统方式接合，每个棘爪在其接合位置通过小弹簧接合。

离合器机构7包括离合器环77和容纳在所述环内并分布在整个圆周上的三个部段(扇形段)74。离合器环77固定到行星架52。每个部段安装成在一个销311上枢转，并由将其连接到另一销的复位弹簧75施加应力。摩擦垫76至少部分地覆盖各部段74的外周。弹簧75选择成使得当离合器7不旋转时，弹簧75的回复力朝向轴4压迫部段74，如图14所示。

当马达不旋转或以低速旋转时，在摩擦垫76和离合器环77的摩擦柱体(柱面)771之间没有接触或没有足够的摩擦，并且离合器打开。然后，马达3不再与减速装置5以及因此与驱动轴一起旋转固定，在两个旋转方向上都是这样。

当马达以足够高的速度启动时，它驱动这些部段，所述部段在离心力的作用下围绕销311枢转。施加在所述部段上的离心力然后超过弹簧的回复力，并且摩擦垫被压靠在离合器环的摩擦柱体771上。于是，马达的速度是V1，这是车轮空转开始速度。施加在所述部段上的离心力以速度的平方增加，在摩擦垫上产生的力将非常快速地允许离合器停止摩擦垫相对于摩擦柱体的滑动。于是，马达的速度是V2，也就是说，在马达的最大扭矩下的车轮旋转速度的结束。然后应用图15中描述的构型。该构型对应于离合器机构的闭合位置，其中马达完全固定到减速装置5和驱动轴4。

下面详细描述根据本发明第二实施例的装备有辅助装置的自行车的操作。

当骑车人不想辅助或电池耗尽时(阶段1)，离心式离合器7打开，马达3与驱动轴4分离，马达-车轮传动路径被断开。这对应于连接机构8的状态3。因此，无论踏板转动的速度如何，马达在任何情况下都不会被踏板的转动损坏。

当骑车人想要从辅助中获益并且当马达运行时，马达以大于给定速度V2例如每分钟500转的速度旋转，将离合器设定在闭合位置。马达3有助于利用踏板驱动轴4(阶段2)。这对应于连接机构的状态1。如果骑车人以比马达3可向轴4提供的速度更快的速度蹬踏，则飞轮6断开。在该构型中，马达不再有助于轴的驱动(阶段3)，并且连接机构处于状态2。

当骑车人停止蹬踏时(阶段4)，蹬踏速率传感器将此情况通知微控制器，微控制器使马达停止。一旦马达的旋转低于值V1，离合器7就切换到打开配置。

如果在辅助使用期间，骑车人向后蹬踏(阶段5)，则从脚踏组件的旋转速度到零速度(并且因此小于V1)的转变具有与阶段4一样的打开离合器和断开马达的效果。连接机构切换到状态3。在后两种情况下，连接机构的状态3是不稳定的过渡状态，因为一旦马达再次以速度V1驱动，连接机构就切换回到状态1。

在实践中，速度V1选择为使得当马达以速度V1转动时，速度为V1/R的轴4的速度在1和25rpm之间。这些速度不对应于通常的在30和110rpm之间的蹬踏速率。在此处所示的例子中，减速装置的传动比R等于41，速度V1在41和1025rpm之间。

设计者必须确定部段和弹簧的机械特性，以便当马达以速度V2转动时，马达的最大转矩的100％被传递，也就是不再有任何滑动。优选地，速度V2对应于轴4的速度V2/R，约为40rpm。在所示的示例中，V2为大约1640rpm。当马达以大于V2的速度转动时，可以确保不会有任何车轮旋转，也就是说打滑，因此不会有过热和能量损失。

Claims (15)

1.一种用于自行车的电动辅助设备，包括轴(4)，该轴与一对曲柄(16)在旋转上固定在一起，并且该轴能被马达(3)驱动而沿正方向旋转，其特征在于，在所述马达(3)和所述轴(4)之间设置有连接机构(8)，该连接机构具有至少三种不同的状态：

-状态1，称为辅助状态，其中所述马达经由驱动件将扭矩传递到所述轴(4)，该驱动件以与所述轴(4)相同的速度转动，

-状态2，称为飞轮状态，其中所述轴(4)沿正方向的旋转大于所述驱动件(56)的旋转，

-状态3，称为断开状态，其中所述轴(4)沿正方向或沿负方向的旋转不能驱动所述马达(3)的旋转。

2.根据前一权利要求所述的设备，其特征在于，所述曲柄(16)固定在所述轴(4)的两端。

3.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，在所述马达(3)和所述轴(4)之间安置有减速装置(5)，以便降低所述马达的旋转速度。

4.根据前一权利要求所述的设备，其特征在于，所述减速装置(5)包括齿轮传动系。

5.根据前一权利要求所述的设备，其特征在于，所述减速装置(5)是行星类型的减速装置。

6.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述连接机构包括在“接合”位置和“脱离”位置之间移位的锁止件以及允许所述锁止件(61)保持在脱离位置的装置。

7.根据前一权利要求所述的设备，其特征在于，所述锁止件是枢转的棘爪(61)，当所述棘爪处于接合位置时，所述棘爪的远侧端部能够与一体地形成于所述轴(4)的齿接合。

8.根据前一权利要求所述的设备，其特征在于，允许所述棘爪保持在脱离位置的所述装置包括彼此固定的棘爪(61)同步环和摩擦环(73)，所述摩擦环(73)与所述辅助设备的固定部分接触，以便在其旋转期间产生摩擦扭矩。

9.根据前一权利要求所述的设备，其特征在于，在所述摩擦环沿正方向旋转时，所述摩擦环产生趋于使所述棘爪接合的扭矩，相反地，在所述摩擦环沿负方向旋转时，所述摩擦环产生趋于使所述棘爪脱离的相反扭矩。

10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述摩擦环(73)是可弹性变形的环，其在至少两个区域上预加应力地抵靠在所述设备的固定部分上。

11.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，该连接机构包括飞轮和离心离合器类型的离合器(7)，当该马达(3)的转速小于给定速度V1时，该离合器从闭合位置转换到打开位置。

12.根据前一权利要求所述的设备，其特征在于，所述离合器包括多个部段，每个部段均配备有能与摩擦柱体(771)接触的摩擦垫，并且在打开位置，所述摩擦垫(76)不与所述摩擦柱体(771)接触，而在闭合位置，受到离心力的所述部段(74)在所述摩擦柱体上施加力，使得所述部段(74)和摩擦柱体(771)在旋转上固定，所述马达(3)能够将非零的扭矩传递到所述轴。

13.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述离合器(7)安置在所述马达(3)和所述减速装置(5)之间。

14.一种用于自行车的电动辅助方法，所述自行车装备有根据权利要求1至10中任一项所述的设备，并且包括微控制器，所述微控制器在用户期望辅助时控制所述马达(3)在被称为正方向的第一方向上的旋转，所述正方向使得其产生所述自行车的向前运动，其特征在于，当曲柄(16)的旋转速度为零时或当曲柄沿与自行车的向前运动相反的方向转动时，微控制器控制马达(3)沿与第一方向相反的方向的旋转持续短的时间段。

15.一种用于自行车的电动辅助方法，所述自行车装备有根据权利要求11至13中任一项所述的设备，其中，所述减速装置(5)具有减速比R，其特征在于，当马达(3)的转速小于V1时，所述离合器机构处于打开位置，所述速度V1使得V1/R<25rpm。

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