CN117901987A - 一种不改变自行车五通的齿盘式轴向传动动力装置 - Google Patents

Abstract

一种不改变自行车五通的齿盘式轴向传动动力装置，包括动力机构、牙盘和若干级行星齿轮组，其特征在于，所述牙盘包括固定部和转动部，所述固定部与转动部之间设有轴承连接，使转动部在固定部上旋转；所述固定部安装在自行车的五通管上的一侧，固定部的内部为腔室，在腔室的一侧设有弧形的内槽；所述转动部设有支架法兰，支架法兰设置轴承与自行车中轴连接；动力机构采用盘式驱动结构，简化安装过程，易于实现高扭矩密度，不需要改变原车结构，内槽和定子采用非完整的圆环状结构，为自行车的车架留出空位，避免安装之后动力装置的整体结构过于臃肿，减少对原车的人体工学设计结构的影响，使骑行受力科学，减少使用者受伤的风险，同时提供电动助力。

Description

一种不改变自行车五通的齿盘式轴向传动动力装置

技术领域

本发明涉及助力自行车技术领域，具体是一种不改变自行车五通的齿盘式轴向传动动力装置。

背景技术

近年来山地助力自行车在消费市场上增长迅速，助力自行车主要是以驱动电机来辅助驱动的，现有助力自行车通常需要在车架、后轮或中轴处添加电机、由于现有的电机构造比较宽大，安装通常需要对车架进行修改或采用专门的车架，并增加安装的复杂性，增加了生产成本，并且很大程度的影响原车的人体工学设计，虽然获得了电动助力，但也使骑行的舒适度大大降低，加上目前的传统自行车的存有量很大，传统自行车的五通管的中筒尺寸基本采用通用的标准，因此对于传统自行车的改造难度很大，不利于推广电动助力的模式。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种不改变自行车五通的齿盘式轴向传动动力装置，可以有效解决上述背景技术中提出的问题。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：一种不改变自行车五通的齿盘式轴向传动动力装置，包括动力机构、牙盘和若干级行星齿轮组，其特征在于，所述牙盘包括固定部和转动部，所述固定部与转动部之间设有轴承连接，使转动部在固定部上旋转；所述固定部安装在自行车的五通管上的一侧，固定部的内部为腔室，在腔室的一侧设有弧形的内槽；所述转动部设有支架法兰，以及转动部的外壁设有齿牙，所述支架法兰设置轴承与自行车的中轴连接；

所述动力机构包括定子和转子盘；所述定子镶嵌在内槽上，转子盘位于腔室内，转子盘与支架法兰之间通过若干级行星齿轮组连接；所述转子盘呈平面状与定子对向设置，并与定子形成一个空气隙、当定子通电时产生的磁场穿过空气隙与转子盘相互作用，推动转子盘并带动转动部旋转。

作为本发明的进一步优选方案，所述若干级行星齿轮组层叠设置并依次传动连接，定义最底层的行星齿轮组为第一级行星齿轮组，最顶层的行星齿轮组为最高级行星齿轮组；所述转子盘驱动第一级行星齿轮组旋转；所述最高级行星齿轮组带动支架法兰旋转。

作为本发明的进一步优选方案，所述若干级行星齿轮组为两级，层叠设置并依次传动连接，所述两级行星齿轮组共用一件内齿套；所述内齿套安装在固定部上；所述第一级行星齿轮组包括第一太阳轮、第一行星轮和第一行星架；所述最高级行星齿轮组包括第二太阳轮、第二行星轮和第二行星架；所述转子盘与第一太阳轮卡式连接，且第一太阳轮与第一行星轮啮合连接；所述第一行星轮安装在第一行星架上并带动第一行星架；所述第一行星架与第二太阳轮卡式连接，且第二太阳轮与第二行星轮啮合连接；所述第二行星轮安装在第二行星架上并带动支架法兰转动。

作为本发明的进一步优选方案，所述最高级行星齿轮组与支架法兰之间还设有单向离合连接；所述单向离合由第二行星架、滚珠和弹簧组成；所述第二行星架的内侧设有槽口；所述滚珠和弹簧安装在槽口内，弹簧位于滚珠的一侧；所述转动部通过支架法兰与第二行星架的内侧套接，且支架法兰的外壁与滚珠之间构成滑动连接。

作为本发明的进一步优选方案，所述自行车的中轴为力矩传感中轴；所述力矩传感中轴设于自行车五通管内；所述力矩传感中轴包括第一轴筒和第二轴筒；所述第二轴筒通过花键套设在第一轴筒内；所述第二轴筒的外壁设置轴承与支架法兰套接；所述第一轴筒的外壁设置单向轴承与支架法兰套接。

作为本发明的进一步优选方案，所述力矩传感中轴还包括中轴套，所述第一轴筒和支架法兰的外壁均设置轴承与中轴套的内壁连接。

作为本发明的进一步优选方案，所述中轴套嵌入五通管内，中轴套分为套身段和调整段；所述套身段与调整段螺纹连接；所述第一轴筒的外壁分别设置轴承与套身段和调整段连接；所述套身段与牙盘的固定部螺栓连接。

作为本发明的进一步优选方案，所述第一轴筒的侧壁设有切口，切口处粘贴应变片；所述应变片用于感应第一轴筒与第二轴筒之间的变形量。

作为本发明的进一步优选方案，所述第一轴筒侧壁的切口处套设有接触环，且接触环设有导电铜环与应变片电性连接；所述中轴套的侧壁内嵌PCB板，PCB板设有导电弹片与导电铜环电性连接，且PCB板通过导线与控制器电路板连接。

作为本发明的进一步优选方案，所述弧形的内槽呈“四分之一圆环”状或呈“二分之一圆环”状或呈“四分之三圆环”状或其他非完整的圆环形状；所述定子的形状随内槽的形状进行调整。

与现有技术相比，本发明提供了一种不改变自行车五通的齿盘式轴向传动动力装置，具备以下有益效果：

本发明能够插入装配在市场上通用规格的车架五通管内，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，有利于整体结构的稳定性和小型化。

内槽和定子采用非完整的圆环状结构，为自行车的车架留出空位，避免安装之后动力装置的整体结构过于臃肿，减少对原车的人体工学设计结构的影响，使骑行受力科学，减少使用者受伤的风险，同时提供电动助力。

牙盘式驱动结构，简化安装过程，减少对自行车结构的干扰，可以更好地保持自行车原本的外观和重量平衡，结构扁平，轴向尺寸短，重量轻，满足轻量化需求，盘式转子设计，利于大扭矩输出，易于实现高扭矩密度，轴向作用力，响应速度较快，使得骑行更轻松。

采用双中轴的布局方式提高应变片的感应灵敏度，同时能够节省空间嵌入PCB板，能够不改变原有自行车五通管的尺寸即可安装，减少改造成本；代替传统的把手控制电门的机构，提高骑行的体验，不影响骑行者对车头的控制，避免分心，提高骑行安全性。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明结构拆分示意图；

图3为本发明结构拆分示意图；

图4为助力驱动部分结构拆分剖视图；

图5为人力驱动部分结构拆分剖视图；

图6为本发明结构整装剖视图；

图7为本发明结构拆分示意图；

图8为力矩中轴部分结构示意图；

图9为力矩中轴部分结构装配示意图

图10为装配示意图；

图11为装配示意图。

其中：100、五通管；1、动力机构；1-1、定子；1-2、转子盘；2、牙盘；2-1、固定部；2-11、内槽；2-2、转动部；2-21、齿牙；2-22、支架法兰；2-3、腔室；3、轴承；4、转子；5、力矩传感中轴；5-1、第一轴筒；5-2、第二轴筒；5-3、中轴套；5-31、套身段；5-32、调整段；5-33、转接件；6、花键套；7、单向轴承；8、应变片；9、接触环；9-1、导电铜环；10、PCB板；10-1、导电弹片；a、第一级行星齿轮组；a-1、第一太阳轮；a-2、第一行星轮；a-3、第一行星架；b、最高级行星齿轮组；b-1、第二太阳轮；b-2、第二行星轮；b-3、第二行星架；c、内齿套；d、单向离合；d-1、滚珠；d-2、弹簧；d-3、槽口。

具体实施方式

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……），则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，若全文中出现的“和/或”或者“及/或”，其含义包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参照图1-11，本发明提供一种不改变自行车五通的齿盘式轴向传动动力装置，包括动力机构1、牙盘2和若干级行星齿轮组，其特征在于，所述牙盘2包括固定部2-1和转动部2-2，所述固定部2-1与转动部2-2之间设有轴承3连接，使转动部2-2在固定部2-1上旋转；所述固定部2-1安装在自行车的五通管100上的一侧，固定部2-1的内部为腔室2-3，在腔室2-3的一侧设有弧形的内槽2-11；所述转动部2-2设有支架法兰2-22，以及转动部2-2的外壁设有齿牙2-21，所述支架法兰2-22设置轴承3与自行车的中轴连接；

所述动力机构1包括定子1-1和转子盘1-2；所述定子1-1镶嵌在内槽2-11上，转子盘1-2位于腔室2-3内，转子盘1-2与支架法兰2-22之间通过若干级行星齿轮组连接；所述转子盘1-2呈平面状与定子1-1对向设置，并与定子1-1形成一个空气隙、当定子1-1通电时产生的磁场穿过空气隙与转子盘1-2相互作用，推动转子盘1-2并带动转动部2-2旋转；

定子1-1由硅钢片或其他导磁性材料制成，定子1-1的内侧面上布置着绕组；转子盘1-2上的转子由导电材料制成，如铜或铝，转子盘1-2的上方和下方都可以布置有绕组；磁场从轴向走，不但磁能密度大，而且交换能量的空间也大，因此动力机构1的转矩密度大幅提高；

动力机构1整体结构扁平，轴向尺寸短，重量轻，满足车辆轻量化需求，盘式转子设计，利于大扭矩输出，易于实现高扭矩密度。

作为本发明的进一步优选方案，所述若干级行星齿轮组层叠设置并依次传动连接，定义最底层的行星齿轮组为第一级行星齿轮组a，最顶层的行星齿轮组为最高级行星齿轮组b；所述转子盘1-2驱动第一级行星齿轮组a旋转；所述最高级行星齿轮组b带动支架法兰2-22旋转。

作为本发明的进一步优选方案，所述若干级行星齿轮组为两级，层叠设置并依次传动连接，所述两级行星齿轮组共用一件内齿套c；所述内齿套c安装在固定部2-1上；所述第一级行星齿轮组a包括第一太阳轮a-1、第一行星轮a-2和第一行星架a-3；所述最高级行星齿轮组b包括第二太阳轮b-1、第二行星轮b-2和第二行星架b-3；所述转子盘1-2与第一太阳轮a-1卡式连接，且第一太阳轮a-1与第一行星轮a-2啮合连接；所述第一行星轮a-2安装在第一行星架a-3上并带动第一行星架a-3；所述第一行星架a-3与第二太阳轮b-1卡式连接，且第二太阳轮b-1与第二行星轮b-2啮合连接；所述第二行星轮b-2安装在第二行星架b-3上并带动支架法兰2-22转动，从而提高扭矩，使骑行更加省力。

作为本发明的进一步优选方案，所述最高级行星齿轮组b与支架法兰2-22之间还设有单向离合d连接；所述单向离合d由第二行星架b-3、滚珠d-1和弹簧d-2组成；所述第二行星架b-3的内侧设有槽口d-3；所述滚珠d-1和弹簧d-2安装在槽口d-3内，弹簧d-2位于滚珠d-1的一侧；所述转动部2-2通过支架法兰2-22与第二行星架b-3的内侧套接，且支架法兰2-22的外壁与滚珠d-1之间构成滑动连接；槽口d-3、滚珠d-1和弹簧d-2均设有若干个组合对应，且间距排列在第二行星架b-3的内圈处；当第二行星架b-3主动旋转时，滚珠d-1在支架法兰2-22处于下坡状态，下坡处空间较窄，滚珠d-1卡住后锁定，从而使第二行星架b-3主动旋转时将带动支架法兰2-22转动，相反，当支架法兰2-22主动转动时，则不会带动第二行星架b-3进行旋转，从而减少了传动链，骑行更省力。

作为本发明的进一步优选方案，所述自行车的中轴为力矩传感中轴5；所述力矩传感中轴5设于自行车五通管100内；所述力矩传感中轴5包括第一轴筒5-1和第二轴筒5-2；所述第二轴筒5-2通过花键套6设在第一轴筒5-1内；所述第二轴筒5-2的外壁设置轴承3与支架法兰2-22套接；所述第一轴筒5-1的外壁设置单向轴承7与支架法兰2-22套接。

作为本发明的进一步优选方案，所述力矩传感中轴5还包括中轴套5-3，所述第一轴筒5-1和支架法兰2-22的外壁均设置轴承3与中轴套5-3的内壁连接。

作为本发明的进一步优选方案，所述中轴套5-3嵌入五通管100内，中轴套5-3分为套身段5-31和调整段5-32；所述套身段5-31与调整段5-32螺纹连接；所述第一轴筒5-1的外壁分别设置轴承3与套身段5-31和调整段5-32连接；所述套身段5-31与牙盘2的固定部2-1螺栓连接。

作为本发明的进一步优选方案，所述第一轴筒5-1的侧壁设有切口，切口处粘贴应变片8；所述应变片8用于感应第一轴筒5-1与第二轴筒5-2之间的变形量。

当踩踏曲柄时，通过力的传递会使第一轴筒5-1和第二轴筒5-2之间发生微小的形变，通过应变片8感应变形量越大，说明踩踏的力度越大，变形量越小则相反。

作为本发明的进一步优选方案，所述第一轴筒5-1侧壁的切口处套设有接触环9，且接触环9设有导电铜环9-1与应变片8电性连接；所述中轴套5-3的侧壁内嵌PCB板10，PCB板10设有导电弹片10-1与导电铜环9-1电性连接，且PCB板10通过导线与控制器电路板4连接。

PCB板10接收处理来自应变片8的信号，随后PCB板10传输到控制器电路板4上，输出功率；采用双中轴的布局方式提高应变片的感应灵敏度，同时能够节省空间嵌入PCB板10，能够不改变原有自行车五通管的尺寸即可安装，减少改造成本。

作为本发明的进一步优选方案，所述弧形的内槽2-11呈“四分之一圆环”状或呈“二分之一圆环”状或呈“四分之三圆环”状或其他非完整的圆环形状；所述定子1-1的形状随内槽2-11的形状进行调整，由于内槽2-11呈非完整的圆环状，因此留出了缺口，能够避免对五通管100车架结构的干涉，同时使动力装置的整体更加紧凑，还原原车的人体工学结构，使骑行舒适。

作为本发明的一个具体实施例: 首先在原自行车上安装蓄电池驱动部分；然后将原自行车的中轴以及牙盘拆除，在原有的五通管100上接入本装置后即可使用；

安装时由于内槽2-11和定子1-1采用非完整的圆环状结构，为自行车的车架留出空位，避免安装之后动力装置的整体结构过于臃肿，减少对原车的人体工学设计结构的影响，使骑行受力科学，减少使用者受伤的风险，同时提供电动助力。

当骑行者踩动脚踏时，曲柄受力带动力矩传感中轴5的转动，其作用力使第一轴筒5-1和第二轴筒5-2受力产生形变，通过应变片8感应传递到PCB板10上进行数据处理，PCB板10通过引出线传递信号到动力机构1的控制器中，根据应变片8的感应强度控制蓄电池驱动部分的输出功率，从而达到通过检测出踩踏的力度的大小来控制助力自行车的电机快慢，当骑行者想要获取更快骑行速度时只需加大力度踩踏脚踏得到更大的第一轴筒5-1的变形量，代替传统的把手控制电门的机构，提高骑行的体验，避免分心，提高骑行安全性。

当动力机构1接收到传感信号时，输出电流到定子1-1，电流通过定子1-1的线圈时，产生旋转磁场，该磁场穿过空气隙与转子盘1-2相互作用。由于定子1-1和转子盘1-2之间的相对位置关系，磁场相互作用产生转矩，推动转子盘1-2开始旋转。转子盘1-2的旋转运动将电能转换为机械能，从而带动转动部2-2在固定部2-1上旋转，通过齿牙2-21驱动自行车。

关于车架上的五通的标准：螺纹 英规 BSA是最传统的五通标准之一，其螺纹特点为一正一反，左边为正螺纹，右边为反螺纹，左侧顺时针旋紧，右侧逆时针旋紧。其螺纹外径为34.79mm，牙距为1.37*24TPI。这种五通规格在市面在售的公路与山地车架上最为常见，占有率最高，本发明可以直接安装市面上常用款英规BSA五通规格，也是目前最小五通的规格。

对于安装在其他规格的五通管，仅通过更换中轴套5-3上设有的转接件5-33的大小，使转接件5-33的直径与五通管的直径相互对应即可实现应用。

根据需要，以上所述安装、设置、设有或连接的方式包括且不限于螺钉、铆接、焊接或套接、固定等方式进行安装、设置或连接，根据工作情景需要进行选择安装、设置或连接的方式。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种不改变自行车五通的齿盘式轴向传动动力装置，包括动力机构(1)、牙盘(2)和若干级行星齿轮组，其特征在于，所述牙盘(2)包括固定部(2-1)和转动部(2-2)，所述固定部(2-1)与转动部(2-2)之间设有轴承(3)连接，使转动部(2-2)在固定部(2-1)上旋转；所述固定部(2-1)安装在自行车的五通管(100)上的一侧，固定部（2-1）的内部为腔室（2-3），在腔室（2-3）的一侧设有弧形的内槽（2-11）；所述转动部(2-2)设有支架法兰（2-22），所述支架法兰（2-22）设置轴承（3）与自行车的中轴连接；

所述动力机构（1）包括定子(1-1)和转子盘(1-2)；所述定子(1-1)镶嵌在内槽（2-11）上，转子盘（1-2）位于腔室（2-3）内，转子盘（1-2）与支架法兰（2-22）之间设置若干级行星齿轮组连接；所述转子盘（1-2）呈平面状与定子（1-1）对向设置，并与定子(1-1)形成一个空气隙、当定子（1-1）通电时产生的磁场穿过空气隙与转子盘（1-2）相互作用，推动转子盘（1-2）并带动转动部（2-2）旋转。

2.根据权利要求1所述的不改变自行车五通的齿盘式轴向传动动力装置，其特征在于，所述若干级行星齿轮组层叠设置并依次传动连接，定义最底层的行星齿轮组为第一级行星齿轮组(a)，最顶层的行星齿轮组为最高级行星齿轮组(b)；所述转子盘(1-2)驱动第一级行星齿轮组(a)旋转；所述最高级行星齿轮组(b)带动支架法兰(2-22)旋转。

3.根据权利要求2所述的不改变自行车五通的齿盘式轴向传动动力装置，其特征在于，所述若干级行星齿轮组为两级，层叠设置并依次传动连接，所述两级行星齿轮组共用一件内齿套(c)；所述内齿套(c)安装在固定部(2-1)上；所述第一级行星齿轮组(a)包括第一太阳轮(a-1)、第一行星轮(a-2)和第一行星架(a-3)；所述最高级行星齿轮组(b)包括第二太阳轮(b-1)、第二行星轮(b-2)和第二行星架(b-3)；所述转子盘(1-2)与第一太阳轮(a-1)卡式连接，且第一太阳轮(a-1)与第一行星轮(a-2)啮合连接；所述第一行星轮(a-2)安装在第一行星架(a-3)上并带动第一行星架(a-3)；所述第一行星架(a-3)与第二太阳轮(b-1)卡式连接，且第二太阳轮(b-1)与第二行星轮(b-2)啮合连接；所述第二行星轮(b-2)安装在第二行星架(b-3)上并带动支架法兰(2-22)转动。

4.根据权利要求3所述的不改变自行车五通的齿盘式轴向传动动力装置，其特征在于，所述最高级行星齿轮组(b)与支架法兰(2-22)之间还设有单向离合(d)连接；所述单向离合(d)由第二行星架(b-3)、滚珠(d-1)和弹簧(d-2)组成；所述第二行星架(b-3)的内侧设有槽口(d-3)；所述滚珠(d-1)和弹簧(d-2)安装在槽口(d-3)内，弹簧(d-2)位于滚珠(d-1)的一侧；所述转动部(2-2)通过支架法兰(2-22)与第二行星架(b-3)的内侧套接，且支架法兰(2-22)的外壁与滚珠(d-1)之间构成滑动连接。

5.根据权利要求1所述的不改变自行车五通的齿盘式轴向传动动力装置，其特征在于，所述自行车的中轴为力矩传感中轴(5)；所述力矩传感中轴(5)设于自行车五通管(100)内；所述力矩传感中轴(5)包括第一轴筒(5-1)和第二轴筒(5-2)；所述第二轴筒(5-2)通过花键套(6)设在第一轴筒(5-1)内；所述第二轴筒(5-2)的外壁设置轴承(3)与支架法兰(2-22)套接；所述第一轴筒(5-1)的外壁设置单向轴承(7)与支架法兰(2-22)套接。

6.根据权利要求5所述的不改变自行车五通的齿盘式轴向传动动力装置，其特征在于，所述力矩传感中轴(5)还包括中轴套(5-3)，所述第一轴筒(5-1)和支架法兰(2-22)的外壁均设置轴承(3)与中轴套(5-3)的内壁连接。

7.根据权利要求6所述的不改变自行车五通的齿盘式轴向传动动力装置，其特征在于，所述中轴套(5-3)嵌入五通管(100)内，中轴套(5-3)分为套身段(5-31)和调整段(5-32)；所述套身段(5-31)与调整段(5-32)螺纹连接；所述第一轴筒(5-1)的外壁分别设置轴承(3)与套身段(5-31)和调整段(5-32)连接；所述套身段(5-31)与牙盘(2)的固定部(2-1)螺栓连接。

8.根据权利要求6所述的不改变自行车五通的齿盘式轴向传动动力装置，其特征在于，所述第一轴筒(5-1)的侧壁设有切口，切口处粘贴应变片(8)；所述应变片(8)用于感应第一轴筒(5-1)与第二轴筒(5-2)之间的变形量。

9.根据权利要求8所述的不改变自行车五通的齿盘式轴向传动动力装置，其特征在于，所述第一轴筒(5-1)侧壁的切口处套设有接触环(9)，且接触环(9)设有导电铜环(9-1)与应变片(8)电性连接；所述中轴套(5-3)的侧壁内嵌PCB板(10)，PCB板(10)设有导电弹片(10-1)与导电铜环(9-1)电性连接，且PCB板(10)通过导线与控制器电路板（4）连接。

10.根据权利要求1所述的不改变自行车五通的齿盘式轴向传动动力装置，其特征在于，所述弧形的内槽（2-11）呈“四分之一圆环”状或呈“二分之一圆环”状或呈“四分之三圆环”状或其他非完整的圆环形状；所述定子（1-1）的形状随内槽（2-11）的形状进行调整。