CN113710571A

CN113710571A - 自行车和相应的传动系统

Info

Publication number: CN113710571A
Application number: CN202080030652.3A
Authority: CN
Inventors: 安德烈亚·曼齐尼
Original assignee: Rmu Engineering Co ltd
Current assignee: Rmu Engineering Co ltd
Priority date: 2019-04-23
Filing date: 2020-04-01
Publication date: 2021-11-26

Abstract

本文描述了一种自行车，包括框架、驱动轮和踏板曲柄/踏板组件，该踏板曲柄/踏板组件通过传动系统将机械能传递到驱动轮，该传动系统包括：容纳液压流体的罐；液压流体在其中流动的液压回路；液压泵，由踏板曲柄/踏板组件致动并被配置成将液压流体泵送通过液压回路；至少一个液压致动器，沿着液压回路被布置并且被配置成将由液压泵供应至液压流体的液压能转化成机械能；以及驱动轴，与液压致动器连接并且被配置成将由液压致动器生成的机械能转移至驱动轮。液压泵连接到电动马达，该电动马达的旋转速度以及液压泵的运行参数由电路板控制。自行车包括：至少一个第一踏板频率传感器，通过调整电动马达的旋转速度来控制该电动马达，以便使液压泵或多或少地快速旋转，以便迫使液压流体在液压回路中循环，以有利于蹬踏；以及至少一个第二功率传感器，测量由骑车人施加到踏板曲柄/踏板组件的功率，以便相应地调整由电动马达供应来驱动液压泵的功率。

Description

自行车和相应的传动系统

本发明总体上涉及自行车传动系统，特别是静液压(hydrostatic，静水力学、静力学)自行车传动系统。在此上下文中，要明确的是自行车的表述用于表示任何由人类肌肉力量驱动的具有一个轮子(独轮车)、两个轮子、三个轮子(三轮车)或更多轮子(四轮车、人力车等)的载具。

众所周知，目前市场上的大多数自行车使用机械系统将动能从踏板曲柄传递到驱动轮。这种机械系统通常由链条构成，该链条由一个或更多个齿盘驱动，并且该链条将动能传递至一个或更多个不同大小的链轮。自行车的速度根据传动比(ratio，比例)的选择而增大或减少，每个传动比对应于相应的齿盘和/或相应的链轮以及对应于固定的蹬踏频率。

虽然不是很常见，但另一种机械自行车传动系统使用万向轴和锥齿轮。在这种传动系统中，使用特殊的内部齿轮轮毂进行速度改变。最后，还有可以被定义为混合式的机械传动系统，其使用内部齿轮轮毂和固定传动比的链条。在这些混合式系统中，齿盘和链轮是相同的，变速器可以布置在踏板曲柄处，或靠近后驱动轮。

然而，现有的用于自行车的机械传动系统显露出一些缺陷。特别地，在传统的链条系统中，链条可能断裂，而齿盘和链轮的齿会受到高度磨损且也可能断裂。整个传动系统也被暴露于污垢(土壤、灰尘、石头、淡水、盐水等)，且因此可能出现与部件的持续清洁和润滑相关的不可避免的滑动性问题。

链条可能会意外地从齿盘和/或链轮脱离，导致“空转”蹬踏。由于与齿盘和链轮的齿接合的应力，链条在任何情况下都会在调档时承受应力，并且生成噪音并可能由于摩擦而断裂。最后，在传统链条系统中，传动比是固定的，因为它们由齿盘和链轮的直径和齿数决定，如果不通过手动地更换齿盘和/或链轮，则不可能有多种传动比选择。

甚至具有万向轴或混合类型的传动系统也显露出一些缺点，其中包括具有固定传动比和在调档方面具有很少选择的事实。此外，在这些系统中，即使通过手动干预，在改变传动比方面也存在较大的困难，因为甚至比传统链条系统更难更换部件。

因此，已经为自行车提供了静液压传动系统，诸如在文件US 5938224 A、WO 2016/036130A1、WO 95/25036A1、WO 92/12042A1和CN 2156126 Y中描述的那些。这些文件中的每个实际上都描述了一种相应的自行车，其传动系统为静液压类型并且包括至少一个由踏板曲柄/踏板组件驱动的液压泵以及被配置成将液压泵供应的液压能转化成机械能的至少一个液压致动器，以便将这种机械能转移至自行车的驱动轮。然而，这些自行车都没有设置能够保证所谓的踏板辅助模式的电气和/或电子设备。

因此，本发明的目的是提供一种自行车传动系统，特别是静液压自行车传动系统，其能够以极其简单、成本有效且特别实用的方式克服现有技术的上述缺点。

详细地，本发明的目的是提供一种自行车传动系统，其在所谓的踏板辅助自行车或电动自行车(因此设置有电动马达)中，允许使得由传动系统提供的辅助对于骑车人来说尽可能流畅和自然。

本发明的另一目的是提供一种其不会由于在污秽环境中使用和由于水的存在而导致部件损坏而生成任何缺陷的自行车传动系统。

本发明的另一目的是提供一种没有维护问题的自行车传动系统。

本发明的另一目的是提供一种即使在经受剧烈使用时其部件磨损也很小的自行车传动系统。

本发明的另一目的在于提供一种具有无限传动比且在选择适合的传动比时不存在任何问题的自行车传动系统。

本发明的另一目的是提供一种允许流畅地蹬踏并且没有间隙的自行车传动系统。

本发明的另一目的是提供一种自行车传动系统，其允许在所有情况下改变传动比，即使在100％受力时，也没有与踏板曲柄上的推力有关的断裂或不确定性的问题。

本发明另外的目的是提供一种自行车传动系统，其允许自行车即使完全浸没在盐水(海域)中使用也没有任何问题。

通过提供如权利要求1中概述的自行车传动系统来实现根据本发明的这些和其他目的。

本发明另外的特征由从属权利要求突显，其是本说明书的组成部分。

根据本发明，自行车传动系统是静液压式的，并且它包括液压泵和液压致动器。由液压泵加压的液压流体(通常由油构成)操作液压致动器，以便将动能传递到自行车的驱动轮。这种静液压传动系统适用于所有类型的自行车：液压泵由踏板曲柄驱动旋转，液压流体在压力下驱动液压致动器的与自行车的一个或更多个驱动轮连接的驱动轴旋转。

根据本发明的自行车传动系统的特征和优点将从以下通过非限制性示例的方式提供并参考附图的描述变得更加明显，其中：

图1是具有根据本发明的静液压传动系统的普通自行车的侧视图；

图2是本发明的用于自行车的静液压传动系统的液压回路及主要部件的示意图；

图3是根据本发明的用于自行车的静液压传动系统的液压泵的第一优选实施方式的示意图；

图4是根据本发明的用于自行车的静液压传动系统的液压致动器的优选实施方式的透视图；

图5是根据本发明的用于自行车的静液压传动系统的液压泵的第二优选实施方式的透视图；

图6是根据本发明的用于自行车的静液压传动系统的电子部件的示意图；以及

图7是根据本发明的用于自行车的静液压传动系统的电子部件的另一示意图。

参考附图，示出了根据本发明的用于自行车的静液压传动系统的优选实施方式。自行车整体用附图标记10表示，而传动系统整体用附图标记20表示。

自行车10是包括下述的类型：至少一个框架12、至少一个驱动轮14和至少一个踏板曲柄/踏板组件16，该踏板曲柄/踏板组件被配置成通过传动系统20将机械能传递到驱动轮14。因此，自行车10可以以本身已知的方式设置有转向装置18、至少一个前转向盘、制动系统、车座和其他可能的附件。尽管图1示出了具有两个传统类型轮子的自行车10，但不能排除传动系统20可以应用于其他类型的自行车或类似载具，诸如例如独轮车、三轮车或人力车，前提是它们是由人类肌肉力量驱动的。

如图2所示，传动系统20包括防水壳体22，其容置：

-容纳液压流体的至少一个罐24；

-液压流体在其中流动的液压回路26；

-至少一个液压泵28，至少一个液压泵由踏板曲柄/踏板组件16通过至少一个第一驱动轴30驱动并且被配置成将液压流体泵送通过液压回路26；

-至少一个液压致动器32，至少一个液压致动器沿着液压回路26被布置并且被配置成将由液压泵28供应给液压流体的液压能转化成机械能。液压致动器32以预定转数(rad/s)和预定扭矩/扭转力矩(Nm)执行旋转运动。换言之，液压致动器32在输入中接收液压能(压力乘以流速，或p×Q)并在输出中递送机械能(扭矩乘以速度)；

-至少一个第二传动轴34，其可操作地连接至液压致动器32并被配置成将由所述液压致动器32生成的机械能转移至驱动轮14。

优选地，为了改进自行车传动系统20的技术特征，液压泵28为可变排量泵，而液压致动器32为固定排量液压马达。由于对于每个速度值，扭矩仅取决于固定排量液压马达32的运行压力和排量能力，因此该组合限定了恒定扭矩传动系统20。传动系统20的这种配置允许直接通过作用于液压泵28的排量能力来调整功率，其线性地改变该固定排量液压马达32的旋转速度，如图2的图样所示。如果可变排量液压泵28以恒定速度旋转，则固定排量液压马达32的旋转速度与液压泵28的排量能力成比例，该液压泵的排量能力在0和其最大排量值之间可变。

在图3中示出了自行车传动系统20的可变排量液压泵28的优选但非排他性实施方式。事实上，图3示出了可变排量液压泵28，其设置有关于第一驱动轴30的旋转轴线的至少一个轴向活塞36、38。每个轴向活塞36、38能够以往复运动在与第一驱动轴30可旋转地整体接合的缸体44中获得的相应腔室40、42中运动。每个腔室40、42因此被放置成与液压回路26流体连接以接收液压流体。

在图3的实施方式中，踏板曲柄/踏板组件16驱动第一驱动轴30旋转并且因此也驱动与该驱动轴30整体地接合的缸体44。除了由相应腔室40、42中的往复运动驱动之外，轴向活塞36、38因为它们由第一驱动轴30驱动也进行旋转。

图3的可变排量液压泵28设置有用于改变排量能力的机构，该机构包括至少一个摆动板46，该摆动板布置成与每个轴向活塞36、38接触以调整其在相应腔室40、42中的冲程。摆动板46通过相应的销48铰接在壳体22的固定部分上，并且通过手动操作的调整杠杆50控制摆动板相对于竖向轴线的倾斜，该调整杠杆被布置在框架12上或自行车10的转向装置18上。

可操作地，当由相应的调整杠杆50控制时，摆动板46可以绕相应的销48旋转。摆动板46相对于竖向轴线的倾斜可以优选地根据被包括在0°至约18.5°之间的角度变化，因此改变腔室40、42的排量，且因此改变液压回路26中的液压流体的流速和压力。

图4示出了液压致动器32的优选但非排他的实施方式。该液压致动器32是固定排量液压马达，其设置有连接到第二偏心驱动轴34的多个径向活塞52。

第二偏心驱动轴34由活塞52的推动驱动旋转，上述活塞——在图4的实施方式中——是五个并且相对于这种第二偏心驱动轴34在径向上被定位。推动顺序由与第二偏心驱动轴34整体地接合的旋转分配器确定。第二偏心驱动轴34因此与自行车10的驱动轮14整体地接合。

然而，不能排除液压致动器32可以相对于图中所示的方式以不同的方式制造。事实上，液压致动器32可以包括任何液压或油压马达，无论其具有固定排量还是可变排量。例如，除了图4的固定排量液压马达之外，液压致动器32可以包括轴向活塞马达、齿轮马达、叶片马达或凸轮马达。液压泵28也可以是固定排量或可变排量液压泵，并且除了图3的具有轴向活塞的液压泵28之外，它可以例如包括具有径向活塞的泵、齿轮泵、叶片泵或凸轮泵。

在图5中示出了自行车传动系统20的可变排量液压泵28的另一优选但非排他性实施方式。事实上，图5示出了可变排量液压泵28，其设置有至少一个双作用活塞54。通过第一驱动轴30和锥齿轮56，踏板曲柄/踏板组件16将运动传递到凸轮机构58，该凸轮机构通过连接杆60使双作用活塞54向前和向后线性平移。

通过改变凸轮机构58的位置，由此改变连接杆60的支点，双作用活塞54的冲程改变，从而改变泵28的排量并因此改变液压回路26中的液压流体的流速和压力。就像在图3的可变排量液压泵28和轴向活塞的情况，在具有双作用活塞54的泵28中排量变化也是线性的。

参考图6，示出了根据本发明的“辅助”传动系统20的一些部件。在该传动系统20中，液压泵28可操作地连接到至少一个电动马达62。电动马达62的旋转速度以及液压泵28的运行参数由电路板64控制。因此，由电动马达62驱动的液压泵28生成的(可变)压力有助于蹬踏，其将静液压传动系统20转化成“辅助”静液压传动系统20。

提供至少一个第一踏板频率传感器66，其可操作地连接到电路板64、踏板曲柄/踏板组件16和相应的第一驱动轴30。根据骑车人设定并由第一传感器66控制的蹬踏频率，电路板64控制电动马达62，调节其旋转速度，以便使液压泵28或多或少(more or less，程度不同)地快速旋转以迫使液压流体在液压回路26中的循环，来辅助蹬踏。

还提供了至少一个第二功率传感器68(诸如扭矩计)，其也可操作地连接到电路板64、踏板曲柄/踏板组件16和相应的第一驱动轴30。第二传感器68测量由骑车人施加到踏板曲柄/踏板组件16的功率，以便通过电路板64相应地调整由电动马达62递送来致动液压泵28的功率。基本上，除了蹬踏频率之外，电路板64也测量由骑车人递送的功率，并调整电动马达62递送的“辅助”功率，以便使由传动系统20提供的辅助尽可能地流畅且自然。

详细地，参考图7，根据本发明的“辅助”静液压传动系统20的电路板64设置有处理单元70。处理单元70包括至少一个读取模块72，其被配置成从自功率传感器68获得的信号S1中收集增量值Q，功率传感例如包括扭矩计。基本上，读取模块72获取数字或替代地模拟形式的值Q。

处理单元70还包括至少一个控制模块74，其被配置成从自踏板频率传感器66获得的频率值f中获得目标值f₀。该目标值f₀根据前述增量值Q而变化。处理单元70还包括至少一个操作模块76，其被配置成根据目标值f₀改变频率值f。处理单元70的操作模块76与电动马达62相关联并且它可以增加或减少其转数。换言之，处理单元70的操作模块76被配置成根据目标值f₀和频率值f选择电动马达62的旋转速度V_r。处理单元70的操作模块76因此被配置成将控制信号U发送到电动马达62，以及这样的控制信号U表示电动马达62的确定的旋转速度V₀。

处理单元70被配置成根据下述来计算增益G：预先建立的参数C并且它可以由骑车人输入。处理单元70还包括至少一个接口模块78，其被配置用于由骑车人定制参数C，例如使用键盘、旋钮等。

相对于传统踏板辅助自行车(电动自行车)的传动系统，应当注意到，在根据本发明的“辅助”静液压传动系统20中，没有由于摩擦生成成品率损失的减速齿轮、带、链条和其他部件。因此，该“辅助”静液压传动系统20在效率和低能耗方面是有利的。然而，由于能够以低压(低于100巴)运行，该“辅助”静液压传动系统20不会产生可能降低效率的与液压流体温度相关的问题。除了在低压下运行之外，“辅助”静液压传动系统20甚至在非常低的液压流体速度下运行：得到较好的效率。

因此已经注意到，根据本发明的自行车传动系统达到了上述目的，特别是获得了以下优点：

-由于防水壳体22，不会有因部件损坏、在肮脏环境中使用和水的存在而产生缺陷；

-由于液压回路26被封闭在防水壳体22中，因此没有维护问题。通过使用适合于该应用的特殊液压流体，无需维护并且保证传动系统20使用许多公里而无需任何维护干预；

-即使在频繁使用的情况下，部件的磨损也很小，因为优选地由特定的矿物油构成的液压流体也用作润滑剂；

-无限传动比以及没有选择适合的传动比的问题，因为优选地分别由可变排量/几何学泵和固定排量马达构成的液压泵28和液压致动器32可以在从0直至具有无限范围传动比且因此具有无限范围的速度的排量能力之间操作；

-顺滑蹬踏以及无间隙；

-可以在所有情况下改变传动比，即使在100％应力，也没有断裂或踏板曲柄上的推力不确定的问题；

-使用由各种材料制成的不同液压泵28和液压致动器32创建传动系统20的可能性；

-即使完全浸没在盐水(海域)中，也可以使用自行车10，而不存在任何问题。

液压致动器32大小可以被设置成覆盖当前在市售自行车上使用的所有扭矩和速度范围。液压致动器32可以由铝合金或轻纤维制成，能够承受高压和高温。

液压泵28大小可以被设置成满足液压致动器32的所有运行参数。液压泵28的排量能力的调整既可以手动地通过远程控制来管理，类似于传统的变速器，因此有或没有电子设备的帮助；也可以通过特定的电子设备自动管理。

传动系统20也可以具有类似于标准链轮的固定范围的变化，或者具有连续变化。基本上，从静止开始到最大速度，不会有由于调档引起的“间隙”或“延迟”，因为这是根据计量生物学或主观参数的统一变化。

如此构思的本发明的自行车传动系统在任何情况下都易于进行多种修改和变化，所有这些都落入相同的发明构思内；此外，所有细节都可以替换为技术上等效的元素。基本上，所使用的材料以及形状和尺寸可以根据技术需要变化。

因此，本发明的保护范围由所附权利要求限定。

Claims

1.一种自行车(10)，包括至少一个框架(12)、至少一个驱动轮(14)和至少一个踏板曲柄/踏板组件(16)，所述至少一个踏板曲柄/踏板组件被配置成将机械能通过传动系统(20)传递到所述至少一个驱动轮(14)，所述传动系统(20)包括防水壳体(22)，在所述防水壳体中容置有：

-容纳液压流体的至少一个罐(24)；

-液压回路(26)，所述液压流体在所述液压回路中流动；

-至少一个液压泵(28)，所述至少一个液压泵由踏板曲柄/踏板组件(16)通过至少一个第一驱动轴(30)驱动并且被配置成通过所述液压回路(26)泵送所述液压流体；

-至少一个液压致动器(32)，所述至少一个液压致动器沿着所述液压回路(26)被布置并且被配置成将由所述至少一个液压泵(28)供应给所述液压流体的液压能转化成机械能，其中，所述至少一个液压致动器(32)以预定的转数和预定的扭矩/扭转力矩执行旋转运动；以及

-至少一个第二驱动轴(34)，所述至少一个第二驱动轴可操作地连接至所述至少一个液压致动器(32)并被配置成将由所述至少一个液压致动器(32)生成的机械能转移至所述至少一个驱动轮(14)，

其中，所述至少一个液压泵(28)可操作地连接到至少一个电动马达(62)，其中，所述至少一个电动马达(62)的旋转速度以及因此还有所述至少一个液压泵(28)的运行参数由电路板(64)控制，

自行车(10)的特征在于，所述自行车包括：

-至少一个第一踏板频率传感器(66)，所述至少一个第一踏板频率传感器可操作地连接到所述电路板(64)、所述踏板曲柄/踏板组件(16)和相应的第一驱动轴(30)，使得根据由骑车人设定并由所述至少一个第一传感器(66)控制的蹬踏频率，所述电路板(64)控制所述至少一个电动马达(62)，调节其旋转速度，以便使所述至少一个液压泵(28)或多或少地快速旋转以迫使所述液压流体在所述液压回路(26)中循环，以有利于蹬踏；以及

-至少一个第二功率传感器(68)，所述至少一个第二功率传感器也可操作地连接到所述电路板(64)、所述踏板曲柄/踏板组件(16)和相应的第一驱动轴(30)，所述至少一个第二传感器(68)测量由骑车人施加到所述踏板曲柄/踏板组件(16)的功率，以通过所述电路板(64)相应地调整由所述至少一个电动马达(62)递送来驱动所述至少一个液压泵(28)的功率。

2.根据权利要求1所述的自行车(10)，其特征在于，所述至少一个液压泵(28)为可变排量泵，而所述至少一个液压致动器(32)为固定排量液压马达，使得所述传动系统(20)是恒定扭矩传动系统，其中，对于每个速度值，扭矩仅取决于所述固定排量液压马达(32)的运行压力和排量能力。

3.根据权利要求2所述的自行车(10)，其特征在于，所述可变排量液压泵(28)设置有关于所述第一驱动轴(30)的旋转轴线的至少一个轴向活塞(36、38)，每个轴向活塞(36、38)能够以往复运动在与所述第一驱动轴(30)可旋转地整体接合的缸体(44)中获得的相应腔室(40、42)内运动，每个腔室(40、42)被放置成与所述液压回路(26)流体连接以接收所述液压流体。

4.根据权利要求3所述的自行车(10)，其特征在于，所述可变排量液压泵(28)设置有用于改变排量能力的机构，所述机构包括至少一个摆动板(46)，所述至少一个摆动板被放置成与每个轴向活塞(36、38)接触以调整轴向活塞在相应腔室(40、42)内的冲程，所述摆动板(46)通过相应的销(48)铰接在所述壳体(22)的固定部分上，所述摆动板(46)相对于竖向轴线的倾斜通过手动操作的调整杠杆(50)控制。

5.根据权利要求2所述的自行车(10)，其特征在于，所述可变排量液压泵(28)设置有至少一个双作用活塞(54)，其中所述踏板曲柄/踏板组件(16)通过所述第一驱动轴(30)和锥齿轮(56)将运动传递到凸轮机构(58)，所述凸轮机构通过连接杆(60)使所述双作用活塞(54)向前和向后线性平移，并且其中，所述凸轮机构(58)的位置的变化以及由此所述连接杆(60)的支点的位置的变化引起所述双作用活塞(54)的冲程变化，从而引起所述泵(28)的排量能力的变化，以及所述液压回路(26)内的所述液压流体的流速和压力的变化。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的自行车(10)，其特征在于，所述固定排量液压马达(32)设置有多个径向活塞(52)，所述多个径向活塞连接到第二偏心驱动轴(34)，所述第二偏心驱动轴通过相对于所述第二偏心驱动轴(34)在径向上定位的所述活塞(52)的推动被驱动旋转，其中推动顺序由与所述第二偏心驱动轴(34)整体地接合的旋转分配器确定，并且其中，所述第二偏心驱动轴(34)与所述至少一个驱动轮(14)整体地接合。

7.根据权利要求1所述的自行车(10)，其特征在于，所述至少一个液压泵(28)是选自由以下构成的组中的固定或可变排量泵：

-具有径向活塞的泵，

-齿轮泵，

-叶片泵，

-凸轮泵。

8.根据权利要求1所述的自行车(10)，其特征在于，所述至少一个液压致动器(32)是选自由以下构成的组中的固定或可变排量马达：

-具有轴向活塞的马达，

-齿轮马达，

-叶片马达，

-凸轮马达。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的自行车(10)，其特征在于，所述电路板(64)设置有处理单元(70)，所述处理单元包括：

-至少一个读取模块(72)，所述至少一个读取模块被配置成从自所述至少一个第二功率传感器(68)获得的信号(S1)中收集增量值(Q)；

-至少一个控制模块(74)，所述至少一个控制模块被配置成从自所述至少一个第一蹬踏频率传感器(66)获得的频率值(f)中获得目标值(f₀)，其中，所述目标值(f₀)根据所述增量值(Q)而变化；

-至少一个操作模块(76)，所述至少一个操作模块与所述至少一个电动马达(62)相关联，并且既被配置成根据所述目标值(f₀)和所述频率值(f)来选择所述至少一个电动马达(62)的旋转速度(Vr)，又被配置用于将表示所述至少一个电动马达(62)的确定的旋转速度(V₀)的控制信号(U)发送至所述至少一个电动马达(62)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的自行车(10)，其特征在于，所述至少一个第二功率传感器(68)包括扭矩计。