CN115923983A - 电动自行车的驱动组件 - Google Patents

Abstract

一种电动自行车(100)的驱动组件(1)，包括：踏板轴(22)和用于支承踏板轴(22)的两个踏板轴承(23，24)；驱动单元(8)，其设置用于提供马达扭矩以支持由骑手施加的骑手扭矩；两个力传感器(51，52)，其布置在驱动单元(8)中，每个力传感器设置用于沿预定方向检测相应的力(55，56)，踏板轴借助于两个踏板轴承支撑在驱动单元中，两个力传感器在踏板轴(22)的轴向方向上布置在链盘侧的踏板轴承(24)的高度上，两个力传感器布置在相对于踏板轴(22)的不同周向位置；和检测单元(6)，其设置用于根据由力传感器(51，52)检测到的力确定链盘侧的踏板轴承(24)的轴承力方向和轴承力量值。

Description

电动自行车的驱动组件

技术领域

本发明涉及一种电动自行车的驱动组件，一种包括该驱动组件的电动自行车，以及一种运行驱动组件的方法。

背景技术

电动自行车的驱动组件是已知的，其具有驱动单元，该驱动单元能够产生马达扭矩以支持电动自行车的骑手的踏板力。在此，通常马达扭矩的产生是根据由骑手的肌肉力量产生的骑手扭矩进行。为此，要求检测瞬间产生的骑手扭矩的值，例如借助于相应的传感机构。例如，还已知，基于电动自行车的踏板轴承上的轴承力，能够获得关于由骑手施加到曲柄传动机构上的力的信息，并在此基础上产生驱动组件的操作。例如，在DE 10 2010 001775 A1中示出了这类的系统。

发明内容

与此相对地，根据本发明的具有权利要求1特征的驱动组件的特征在于，能够以特别简单和成本有利的方式精确地确定电动自行车的踏板轴承上的轴承力。此外，轴承力的简单确定能够独立于驱动单元的取向，例如在电动自行车的自行车架上。基于以这种方式确定的轴承力，有利地能够有效地、成本有利地提供驱动组件的其他功能。这是通过电动自行车的驱动组件实现的，其包括曲柄传动机构，该曲柄传动机构具有曲柄、踏板轴和用于支承所述踏板轴的两个踏板轴承。此外，驱动组件包括链盘(Kettenblatt)和驱动单元，该链盘与踏板轴连接，该驱动单元设置用于提供马达扭矩，以支持由骑手尤其是借助于肌肉力产生的骑手扭矩。踏板轴在此借助于两个踏板轴承支承在驱动单元内。此外，还设置有两个力传感器，所述力传感器布置在驱动单元内。每个力传感器在此设置为检测(尤其是仅仅)沿一个预定方向的一个力。两个力传感器都在踏板轴的轴向方向上布置在链盘侧布置的踏板轴承的高度上。在此，两个力传感器布置在关于踏板轴的不同周向位置。此外，驱动组件还包括检测单元，该检测单元设置为基于由两个力传感器检测到的力确定链盘侧踏板轴承处的轴承力的轴承力方向和轴承力量值。尤其是，轴承力在此视作在轴承区域内总的产生的力，所述力例如由于马达扭矩和骑手扭矩而产生。

换句话说，提供了一种驱动组件，该驱动组件在两个踏板轴承中的那个区域具有两个力传感器，所述踏板轴承布置得更靠近链盘。由于两个力传感器分布地布置在周向上，因此能够求取两个彼此不同方向的力的测量值。由此能够简单地求取链盘侧踏板轴承上的当前轴承力的轴承力方向和轴承力量值。优选地，这种轴承力方向和轴承力量值的确定是基于先前已知的两个力传感器彼此之间的相对安装位置，尤其是基于先前已知的力传感器的测量方向，沿着所述测量方向测量相应的力。

优选地，链盘与踏板轴抗扭转地连接。尤其是，踏板轴在此一件式地构造。借助于两个力传感器确定轴承力的优点是，踏板轴能够因此特简单和成本有利地构造，其中，仍然能够可靠地确定用于操作驱动单元所使用的力。替代地，链盘和踏板轴能够以下述方式相互连接，即能够彼此轻微地相对旋转，例如通过踏板轴与附加的空心轴的两件式构型。

各种类型的传感器都能够作为力传感器使用，所述力传感器适合于检测在预定方向上作用的机械力。例如，力传感器能够构造为检测拉力和/或压力。

对于特别简单的构型，两个力传感器优选能够是在结构上相同的。

因此，该驱动组件提供了特别简单和成本有利的构造的优点，所述驱动组件能够求取链盘侧踏板轴承的轴承力。通过使用力传感器还能够提供特别节省空间的布置，所述力传感器例如能够展现特别简单和轻便的结构形式，所述结构形式需要少的安装空间。此外，通过使用力传感器能够特别可靠和精确地检测轴承力，所述力传感器通常对磁场的干扰没有或只有很低的敏感度。

该驱动组件的另一优点是，能够不依赖于驱动单元在电动自行车上的安装位置精确地确定轴承力方向和轴承力量值。这意味着，驱动组件能够在电动自行车的自行车架上(尤其是在围绕踏板轴承轴线旋转方面)以任何取向布置。由于两个力传感器在周向方向上偏移的布置，所产生的轴承力能够在驱动单元的任何取向上被精确检测，而不需要将力传感器的布置适配于安装位置。所产生的轴承力在此优选能够基于系统的简单可执行的一次性校准来求取。

从属权利要求涉及本发明的优选扩展方案。

优选地，两个力传感器中的每一个构造和布置为检测在关于踏板轴的切向方向上的相应的力。由此能够提供特别简单和节省空间的布置，这所述布置还能够可靠地确定总的产生的轴承力的轴承力方向和轴承力量值。

特别优选地，两个力传感器中的每一个都具有应变片(Dehnmessstreifen)。例如，通过将这种力传感器安装在踏板轴承区域的环形凸缘上，能够特别简单地检测在切向方向上的力。例如，通过应变片能够求取延展和/或压缩，并基于此求取机械力。

优选地，每个力传感器都有一个压电元件。由此能够(类似于应变片地)以特别简单和节省空间的方式以及成本有利地在力传感器所紧固的区域求取瞬间作用的力。

还优选地，力传感器中的每一个布置为使得所述力传感器与一直线相交，该直线从踏板轴的踏板轴线出发在径向方向上延伸。相应的力传感器的两条直线之间的角度在此大于0°，小于180°。特别优选地，该角度为90°。优选地，每个力传感器的相应中心点布置在相应的直线上。基于通过两条直线之间的角度定义的几何关系，因此能够借助于由传感器检测到的两个力，以简单的方式求取轴承力方向和轴承力量值。

特别优选地，该驱动单元具有外壳和轴承接收部。链盘侧踏板轴承布置在所述轴承接收部内。尤其，该轴承接收部作用为壳体上的踏板轴承的支撑。两个力传感器在此布置在轴承接收部的径向外侧，优选在外壳面上。优选地，轴承接收部在此特别构造为传递作用在踏板轴承上的力，例如通过延展和/或压缩，以便能够借助于力传感器来检测所述力。

优选地，轴承接收部在每个力传感器的径向外侧分别具有展平部，相应的力传感器紧固在所述展平部上。作为展平部尤其被视作基本上平坦的面，所述展平部优选垂直于关于踏板轴承轴线的径向方向地布置。由此，力传感器能够特别特别简单和准确地装配。此外，力能够被精确记录。优选地，力传感器的紧固分别借助于材料锁合和/或力锁合的连接实现，例如粘合连接和/或焊接连接和/或夹紧连接。

例如，轴承接收部能够构造成尤其环式的轴承凸缘。轴承接收部能够与驱动单元的壳体构造为一体。替代地，轴承接收部能够构造为与壳体连接的独立部件。

本发明还涉及一种包括上述驱动组件的电动自行车。借助于驱动组件检测到的轴承力方向和轴承力量值能够例如作为控制电动自行车的运行功能的依据。例如，用于支持电动自行车的骑手的手动踏板力的驱动单元的马达功率能够根据所求取的参量来控制。

此外，本发明涉及一种用于运行驱动组件的方法，优选是上述的驱动组件。驱动组件在此包括曲柄传动机构，其具有曲柄、踏板轴以及两个用于支承踏板轴的踏板轴承。此外，驱动组件包括链盘和驱动单元，所述链盘与踏板轴连接，所述驱动单元被设置为提供马达扭矩以支持由骑手施加的骑手扭矩。踏板轴在此借助于踏板轴承支承在驱动单元中。该方法包括以下步骤：

-借助于两个力传感器求取链盘侧踏板轴承上的力，和

-基于借助于两个力传感器求取的力来求取在链盘侧踏板轴承上产生的轴承力的轴承力方向和轴承力量值。

每个力传感器在此被设置为沿预定方向检测相应的力。此外，这两个力传感器在踏板轴的轴向方向上布置在链盘侧布置的踏板轴承的高度上并且还布置在关于踏板轴的不同周向位置。因此，该方法的特点是特别简单和成本有利的执行可能性，其中，能够求取链盘侧踏板轴承上的轴承力方向和轴承力量值的精确结果。

优选地，该方法还包括以下步骤：基于轴承力方向和轴承力量值来求取链盘上的链条力。在此，链条力被视作由自行车链条施加到链盘上的力，尤其是在电动自行车的运行过程期间。优选地，链条力存在于链盘的外周缘和(自行车链条沿着延伸、例如到后轮的)预定方向。优选地，链条力的求取还基于先前已知的驱动组件的几何特性，尤其是链盘的几何特性。

进一步优选地，该方法包括以下步骤：基于所求取的链条力和马达扭矩来求取由骑手施加的骑手扭矩，尤其是当包括驱动组件的电动自行车的运行是同时以肌肉力量和马达力量进行时。尤其是，马达扭矩是基于马达控制来预先已知。优选地，骑手扭矩的求取是通过求取骑手力来进行的，其中，骑手力相当于由骑手的肌肉力产生的链条力的份额。尤其是，骑手扭矩和骑手力之间的关系是由先前已知的驱动组件的几何特性，尤其是链盘的几何特性来定义的。骑手力优选通过从总的链条力中减去马达力来求取，其中，该马达力对应于由马达扭矩产生的施加到自行车链条上的力。因此，能够以特别简单和精确的方式确定骑手扭矩。

优选地，该方法还包括以下步骤：根据轴承力方向和轴承力量值控制由驱动单元产生的马达扭矩。特别优选地，根据所求取的骑手扭矩进行驱动组件的控制。这意味着根据轴承力或(基于所求取的轴承力确定的)骑手扭矩来提供马达扭矩以支持骑手的踏板力。

优选地，基于驱动组件的校准进行轴承力方向和轴承力量值的求取。在此，所述校准是通过比较力传感器在预定的校准配置中操作曲柄传动机构期间检测到的各个力来进行的。在此，在校准配置中，在预定的执行方向上以操作力进行曲柄传动机构的操作。特别优选地，校准是通过检测多个不同预定操作方向的多个比率来进行的。优选地，在驱动组件装配在电动自行车上的状态中，校准被执行一次。

特别优选地，在第一校准配置中，曲柄传动机构的操作发生在所产生的链条力等于零的情况下。优选地，在第二校准配置中，曲柄传动机构的操作发生在产生的链条力等于驱动力的情况下。根据由力传感器检测到的两个力的相应比率，因此能够在校准配置中求取力传感器的定向进而求取驱动单元的定向。基于此，接着就能以简单的方式确定轴承力方向和轴承力量值。

特别优选地，第一校准配置中的曲柄垂直地定向，即尤其与地球引力场的引力平行，例如与电动自行车的行驶方向正交。优选地，在第二校准配置中，曲柄是水平地定向，例如与电动自行车的行驶方向平行。在第一种校准配置和第二种校准配置中，在校准期间，两个曲柄中的恰好一个的相应操作、优选手动的操作在垂直的操作方向上进行。优选地，在校准期间，一个曲柄的操作能够以下述方式进行，即骑手在垂直方向上加载紧固在曲柄上的踏板。因此，能够特别简单和快速地进行校准。

附图说明

在下文中结合图示，通过实施例来描述本发明。在附图中，功能相同的部件分别标有相同的附图标记。在此示出：

图1具有根据本发明的优选实施例的驱动组件的电动自行车的简化示意图，

图2图1的驱动组件的细节剖视图，

图3图1的驱动组件的立体细节视图，

图4图1的驱动组件的另一细节视图，

图5图1的驱动组件(以驱动组件的替代定向)的另一细节视图，

图6图1的驱动组件的校准的简化示意图，以及

图7图1的驱动组件的校准的另一简化示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的优选实施方案的具有驱动组件1的电动自行车100的简化示意图。图2中示出了驱动组件1的细节剖视图。

驱动组件1有曲柄传动机构2，该曲柄传动机构具有两个相对于踏板轴线22a对置的曲柄21。踏板25布置在曲柄21上，通过所述曲踏板骑手能够借助于肌肉力在驱动组件1上产生骑手扭矩。

此外，曲柄传动机构2包括踏板轴22以及用于可旋转地支承踏板轴22的两个踏板轴承23、24，所述踏板轴与曲柄21抗扭转地连接。

驱动组件1还包括与踏板轴22抗扭转地连接的链盘3和与链盘3配合的自行车链条7。

为了借助附加的马达扭矩支持骑手扭矩，驱动组件1包括驱动单元8，该驱动单元被设置为优选借助于电动机产生马达扭矩，该电动机尤其从(未示出的)电能储存单元供应电能。

驱动单元8优选紧固在电动自行车100的自行车架101上。

踏板轴22借助于两个轴承23、24支承在驱动单元8中。在此，驱动单元8对每个轴承23、22分别具有轴承接收部40、40’，相应的轴承23、24布置在所述轴承接收部中(参照图2)。在所示的实施方案中，轴承接收部40、40’分别构型为环形的轴承凸缘，所述轴承凸缘与壳体4一体地构造。

在电动自行车100的马达支持运行中，马达扭矩的调整根据由骑手施加的骑手扭矩进行。在此，如下面所述，骑手扭矩是通过确定链盘侧踏板轴承24上的轴承力59来求取的。

为了基于轴承力59确定骑手扭矩，使用了多个已知的机械和几何关系，以及从驱动单元8的操作中已知的马达扭矩。详细地说，在此所使用的关系是，与电动自行车100的推进有关的链条力60在链盘侧踏板轴承24处引起与之相反方向的、相同量值和平行的反应力。

知道了曲柄传动装置2的几何形状和力学原理以及驱动单元8的马达扭矩，就能够求取驱动单元8施加的链条力60的份额，即马达力。通过从总的链条力60中减去马达力，因此能够用简单的方式求取链条力60中由骑手的肌肉力施加的份额的骑手力。然后，相应的骑手扭矩也能够通过驱动组件1的几何特性简单地求取。

在当前的驱动组件1中，在此，轴承力59借助于特别简单、紧凑和成本有利的构造来求取。为此，驱动组件1具有两个力传感器51、52，所述力传感器布置在链盘侧踏板轴承24的区域中。

图3和图4示出了两个力传感器51、52的布置。在此，两个力传感器51、52在踏板轴22的轴向方向上处于链盘侧踏板轴承24的高度上。

两个力传感器51、52中的每一个都构造成应变片，并被设置为检测沿着正好一个预定的方向的、例如由机械延展和/或压缩产生的的力55、56。

两个力传感器51、52与检测单元6连接，该检测单元确定相应的力55、56并且也确定所有其他的力和力矩。

在所示的实施方案中，驱动组件8的壳体4的轴承接收部40构造为环形，在其外周缘上具有两个展平部41，所述两个展平部基本上形成平面。两个力传感器51、52紧固到所述展平部41上，例如通过粘合连接。

展平部41相对于踏板轴22的周向方向切向地布置，因此借助于力传感器51、52检测的力55、56也切向地布置。

在此，带有力传感器51、52的展平部41布置在相对于踏板轴22不同的周向位置上。

在此，两个力传感器51、52相对于踏板轴22的周缘偏移90°地布置。详细地说，为每个力传感器51、52定义了一条虚拟直线51a、52a，所述虚拟直线从踏板轴线22a出发在径向方向上延伸。两条直线51a、52a之间的角度为90°。在此，直线51a、52a定义为，所述直线与相应的力传感器51、52，优选与相应的展平部41居中地相交，特别是正交。

因此，借助于两个力传感器51、52来检测彼此正交地定向的力55、56。基于这两个检测到的力55、56能够求取总的产生的轴承力59，即轴承力方向和轴承力量值。

为了能够从所求取的轴承力59出发来求取作用在自行车链条7上的链条力60，从而也求取上述的骑手扭矩，有必要知道自行车链条7和驱动单元8的链条方向70彼此的相对取向，即驱动组件8在自行车架101上的安装位置。这在图4和图5中说明，它们示出了驱动单元8的不同安装位置。

从图4和图5可见，在此，存在链条方向70和驱动单元8的不同的定向。为了能够基于轴承力59正确地确定链条力60，因此需要了解驱动单元8和链条方向70之间的几何关系。

为此，对驱动组件1进行一次性的校准。图6和图7中示出了可行的校准实施例。在校准期间，驱动单元8没有产生马达扭矩。

在校准期间，在第一步骤中，如图6所示，曲柄传动机构2布置成使曲柄21水平定向，即在所示配置中平行于链条方向70。在这第一校准配置中，正好一个曲柄21，即在行驶方向A上指向前方的曲柄21，以操作力90进行操作。该驱动力90在此是垂直的，即与曲柄21和链条方向70正交，并由骑手操作踏板25来施加。因此，整个操作力90被传递到自行车链条7上。相应的轴承力59在此相当于驱动力90和链条力7产生的力。

在第二校准步骤中，如图7所示，曲柄传动机构2布置为使曲柄21垂直定向，即在所示配置中与链条方向70正交。在这第二校准配置中，以也是垂直地、即与链条方向70正交并与曲柄21平行地定向的驱动力90进行下曲柄21的操作。如上所述，操作力90是由骑手操作踏板25而施加的。在这第二驱动配置中，由于曲柄传动机构2的相应定向，链条力为零。然而，由驱动力90还引起了轴承力59。

基于力传感器51、52的在校准的两个步骤中检测到的相应的力55、56，因此能够从两个力55、56的比率得出力传感器51、52相对于曲柄21和/或自行车链条7的先前已知位置的定向。因此，也能够确定驱动单元8相对于自行车链条7的取向。然后，以这种方式确定的取向能够作为基于轴承力59的轴承力方向和轴承力量值来求取骑手扭矩的基础。

应该注意的是，这些附图只代表简化的示意视图。例如，作为图6和图7所示的配置的替代方案(其中链盘3在行驶方向A的左侧)，也能够实施链盘3在行驶方向A的右侧的配置。

Claims (16)

1.一种电动自行车的驱动组件(100)，其包括：

-踏板轴(22)和用于支撑所述踏板轴(22)的两个踏板轴承(23，24)，

-驱动单元(8)，所述驱动单元设置用于提供马达扭矩，以支持由骑手施加的骑手扭矩，

-两个力传感器(51，52)，所述力传感器布置在所述驱动单元(8)中，其中，每个力传感器(51，52)设置用于检测沿预定的方向的相应的力(55，56)，

-其中，所述踏板轴(22)借助于所述两个踏板轴承(23，24)支承在所述驱动单元(8)中，

-其中，所述两个力传感器(51，52)在所述踏板轴(22)的轴向方向上布置在链盘侧布置的所述踏板轴承(24)的高度上，并且

-其中，所述两个力传感器(51，52)布置在关于所述踏板轴(22)的不同周向位置，和

-检测单元(6)，所述检测单元设置用于基于通过所述力传感器(51，52)检测到的力(55，56)确定在链盘侧踏板轴承(24)上的轴承力(59)的轴承力方向和轴承力量值。

2.根据权利要求1所述的驱动组件，其中，所述两个力传感器(51，52)中的每一个被构造和布置为检测在关于所述踏板轴(22)的切向方向上的相应的力(55，56)。

3.根据权利要求1或2所述的驱动组件，其中，所述两个力传感器(51，52)中的每一个具有应变片。

4.根据权利要求1或2所述的驱动组件，其中，所述两个力传感器(51，52)中的每一个具有压电元件。

5.根据上述权利要求中任一项所述的驱动组件，

-其中，所述力传感器(51，52)的每一个布置为使得所述力传感器与相应的直线(51a，52a)相交，所述直线从所述踏板轴(22)的踏板轴线(22a)出发在径向方向上延伸，

-其中，在两条直线(51a，52a)之间的角度(50)大于0°且小于180°，优选是90°。

6.根据上述权利要求中任一项所述的驱动组件，其中，所述驱动单元(8)具有壳体(4)和轴承接收部(40)，所述链盘侧踏板轴承(24)布置在所述轴承接收部内，其中，所述两个力传感器(51，52)布置在所述轴承接收部(40)的径向外侧。

7.根据权利要求6所述的驱动组件，其中，所述轴承接收部(40)在每个力传感器(51，52)的径向外侧分别具有展平部，相应的力传感器(51，52)紧固在所述展平部上，尤其借助于相应的粘合连接和/或焊接连接和/或夹紧连接。

8.根据权利要求6或7所述的驱动组件，其中，所述轴承接收部(40)构造为尤其是环形的轴承凸缘。

9.一种电动自行车，其包括根据上述权利要求中任一项所述的驱动组件(1)。

10.一种用于运行驱动组件(1)的方法，其中，所述驱动组件(1)具有踏板轴(22)和用于支承所述踏板轴(22)的两个踏板轴承(23，24)，以及驱动单元(8)，所述驱动单元设置用于提供马达扭矩，以支持由骑手施加的骑手扭矩，其中，所述踏板轴(22)借助于所述踏板轴承(23，24)支承在所述驱动单元(8)中，其中，该方法包括以下步骤：

-借助于两个力传感器(51，52)求取链盘侧踏板轴承(24)上的力(55，56)，其中，每个力传感器(51，52)设置用于检测沿预定方向的相应的力(55，56)，其中，所述两个力传感器(51，52)在所述踏板轴(22)的轴向方向上布置在链盘侧布置的踏板轴承(24)的高度上和关于所述踏板轴(22)的不同周向位置上，和

-基于所求取的力(55，56)求取在所述链盘侧踏板轴承(24)上的轴承力(59)的轴承力方向和轴承力量值。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：

-基于所述轴承力(59)的所述轴承力方向和所述轴承力量值求取链盘(3)上的链条力(60)。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：

-基于所述链条力(60)和所述马达扭矩求取由所述骑手施加的骑手扭矩。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，还包括以下步骤：

-根据所述轴承力方向和所述轴承力量值控制由所述驱动单元(8)产生的马达扭矩。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，

-其中，基于所述驱动组件(1)的校准来实施所述轴承力方向和所述轴承力量值的求取，

-其中，所述校准通过在曲柄传动机构(2)以预定的校准配置的操作期间求取相应地通过所述力传感器(51，52)检测的力的比率来执行，

-其中，在所述校准配置中，以操作力(90)沿预定的操作方向来操作所述曲柄传动机构(2)的操作。

15.根据权利要求14所述的方法，

-其中，在第一校准配置中，所述曲柄传动机构(2)的操作如下进行：产生链条力(60)为零，并且

-其中，在第二校准配置中，所述曲柄传动装置(2)的操作如下进行：即产生的链条力(60)与所述操作力(90)相当。

16.根据权利要求15所述的方法，

-其中，在所述第一校准配置中，所述曲柄传动机构(2)的曲柄(21)垂直地定向，并且

-其中，在所述第二校准配置中，所述曲柄(21)水平地定向，并且

-其中，在所述第一校准配置和所述第二校准配置中，分别有所述曲柄(21)中的正好一个曲柄的操作在垂直的操作方向上进行。

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