CN1259463A - 带有驱动助力装置的自行车 - Google Patents

Abstract

一种带有驱动助力装置的自行车,包括一连接到驱动轮上的助力装置;一链轮;一链轮和后轮间的动力传动装置;一对脚蹬杆;一将转动力传递到链轮的曲柄杆,及一作为脚蹬杆摆移支点的滑动部分。脚蹬杆的一端设置一滑动销,随脚蹬杆的转动在脚蹬杆的滑动部分内滑动,将脚蹬杆的转动力通过链轮传递到后轮;一安装在脚蹬杆上作近似往复运动部位上的蹬踏力传感器,由此输出的信号通过一条信号线输往一控制器,对驱动助力装置和自行车进行控制,并对施加助动的时刻进行控制。

Description

带有驱动助力装置的自行车

本发明涉及一种带驱动助力装置的自行车，特别是将一驱动助力装置安装在一种新型自行车上而形成的此类自行车，在这种新型的自行车中，通过采用一种具有摆移支点的转动传动机构，脚蹬的运动轨迹变得近似于往复式运动，在脚蹬杆上连接了一个用于确定助力施加时刻的蹬踏力传感器，在这样的结构中，由蹬踏力传感器输出的信号被通过一条联线传输到一控制器，因而就设置了一具有高精度、高响应性的蹬踏力传感器，而且无须进行调整。

到目前为至，已经设计出装备有驱动助力装置的自行车，这种自行车也被称作电动助力车。这样的电动助力车有一驱动助力机构，其中，自行车的前轮或后轮连接一带有电池供电的电动机的驱动助力装置，当骑车者在陡峭的坡路上骑行时，即施加到骑车者上的载荷增加时，通过启动驱动助力机构来减小蹬踏力，从而降低对自行车骑行者的动力载荷要求。

由于驱动助力机构在允许的调节范围内给予骑车者的助力作用，是否需要启动助力是由对作用到脚蹬杆上的蹬踏力的检测结果来确定的，并当检测到的蹬踏力超出参考值时对骑行者施加助力作用。由于要确定助力的启动时间，蹬踏力就应该通过某些装置进行检测。骑行者的蹬踏力是通过对脚蹬杆的高精度测量来实现的。所以在脚蹬杆上安装了一个已知类型的蹬踏力传感器，这样当蹬踏力传感器的输出超过一参考值时，就可判定需要启动驱动助力机构进行助动。

由于用于测量施加到脚蹬杆上的蹬踏力的蹬踏力传感器安装在脚蹬杆上，所以如果脚蹬杆象其在普通自行车上那样转动，就使得从蹬踏力传感器输出的信号不能通过一条信号线(电缆)进行传输，这是由于所述信号线将干扰脚蹬的旋转运动。

由于这个原因，到目前为止蹬踏力传感器的输出是通过适当的装置例如滑环传输到外部。但是由于采用例如滑环的转动变送装置来将蹬踏力传感器的输出传输到外部，这就不可避免地出现蹬踏力传感器将变得昂贵的问题。

已知还有这样的结构：不使用转动变送装置，而是使用例如凸轮的传动机构将蹬踏力传感器的输出传输到外部。但即使在这样的情况下，由于结构中包括诸如多个凸轮的机械式变送装置，传输精度并不能满足要求，响应速度也不够。此外，由于存在传输损失并具有更多的组合部件，就需要对各零件进行相互调整，从而导致维护保养上的问题。

本发明的目的是提供一种可以解决前述问题的带有驱动助力装置的自行车。

具体地讲，根据本发明，在一种新型的自行车上安装了一套驱动助力装置，在这种自行车上，由于采用了一种具有摆移支点的转动传动机构，脚蹬的运动轨迹基本变成了往复运动。另外，在脚蹬杆上安装了一个用于确定助力施加时刻的蹬踏力传感器，由蹬踏力传感器输出的信号通过一条电缆被传输到一个控制器中，这样就设置了一个具有高精度、高响应性的蹬踏力传感器，而且无须进行调整。

根据本发明的一种形式，提供了一种装备有驱动助力装置的自行车。该自行车包括一连接到驱动轮上的助力装置；一设置在组成自行车车体的车架中轴部位附近的链轮；一在链轮和后轮间安装的驱动动力传动装置；一对相位差为180°为的脚蹬杆；一在所述的链轮和其中之一脚蹬杆间将转动力传递到链轮的曲柄杆，以及一作为脚蹬杆摆移支点的滑动部分；其中所述脚蹬杆的一端设置一滑动销，该滑动销随此脚蹬杆的转动在脚蹬杆的滑动部分内滑动，从而将脚蹬杆转动产生的转动力通过链轮传递到后轮；一安装在脚蹬杆上作近似往复运动部位上的蹬踏力传感器；从蹬踏力传感器输出的信号通过一条信号线输往一个控制器，由该控制器对驱动助力装置和自行车进行控制，并对施加助动的时刻进行控制，在此时刻，根据蹬踏力传感器输出信号，以该驱动助力装置作为蹬踏驱动助力装置。

根据本发明，脚蹬杆的转动力(蹬踏力)通过曲柄杆传递到链轮上，并设置了用来摆移脚蹬杆的摆移支点。从而形成了这样一种自行车：它的脚蹬杆所执行的运动基本是往复式运动。也就是说，脚蹬杆的运动轨迹由旋转运动变成了往复运动。

由于脚蹬杆的运动轨迹近似变成了往复运动，当施加到脚蹬杆上的蹬踏力是由安装在脚蹬杆上的蹬踏力传感器来检测时，由蹬踏力传感器输出的信号就可以通过信号线(电缆)来传输到驱动助力装置的控制器。也就是说蹬踏力传感器的输出可以通过简单的电缆传输到控制器。这样，由于蹬踏力可以被高精确度和高可靠性地检测，精确地确定驱动助力的启动时刻也成为了可能。

图1是根据本发明一实施方式的装备有驱动助力装置的自行车的侧视图；

图2是根据本发明实施方式的具有摆移支点的转动传动机构的部分放大侧视图；

图3图解表示了在那样的情况下脚蹬的运动轨迹Q；

图4图解表示转动传动机构的尺寸关系；

图5图解放大表示了根据本发明实施方式的蹬踏力检测装置的主要部分；

图6类似于图5，图解放大表示了根据本发明另一实施方式的蹬踏力检测装置的主要部分；以及

图7A和图7B也类似于图5，放大表示了根据本发明又一种实施方式的蹬踏力检测装置的主要部分。

下文将参照附图对根据本发明的实施方式装备有驱动助力装置的自行车进行描述。

附图中，图1表示了将本发明应用到一种新型的自行车所构成的实施例。

自行车10能够使脚蹬杆以基本往复式的运动将施加到脚蹬杆上的蹬踏力(转动力)传递到驱动轮上。为了使脚蹬杆可以实现往复运动，脚蹬杆与链轮之间设置一转动传动机构20作为具有摆移支点的转动传动装置。

如图1所示，自行车10包括一个前轮1和后轮2，与现有的自行车类似，后轮2是驱动轮。前轮1和后轮2间由一对类似三角形车架3、4连接在一起。车把5安装在前车架3一侧，车座6安装在后车架4一侧。

前轮1的车轴1a可转动地安装在叉管部分7a的末梢端，其中叉管部分7a形成于车把主管7的下部。车把5作为转向装置安装在车把主管7的上端。

构成前车架3的连接管部分3a和3b分别由转向支撑管3c向水平方向和向下方向延伸，其中转向支撑管3c可转动地支撑着转向主管7。连接管部分3a、3b的末端部分连接到一个车座管架4c上，车座管架4c是构成后车架4的部件并近似平行于转向主管7。在车座管架4c上安装一车座6，这样使用者就可以根据需要对车座高度进行适当的调整。

构成后车架4的两个连接支撑部分(连接车架)4a、4b从两个连接管部分3a和3b延伸出去，这些连接支撑部分4a、4b的末端相互连接在一起，并在连接处水平固定了后轮2的车轴2a。在车轴2a上安装了一个后链轮28以传递转动力，其中转动力是通过一个驱动链条27由脚蹬杆22到链轮26再到传动装置28来传递的。链轮26上的轴26a安装在中轴部位(管件3b和4c的接合部位)。

脚蹬杆22R是直型杆(脚蹬臂杆)。一对脚蹬杆以180°的相位差安装在链轮26的左右两端。在该实施例中，链轮26被安装在车架3、4相对前进方向的右手侧。在链轮26上安装一曲柄杆30R(曲柄臂)，它位于链轮26和脚蹬杆22R之间，因而脚蹬杆22R上的转动力就可以通过该曲柄杆30R传递到链轮26上。

在脚蹬杆22R的末端部分安装了一个脚蹬23R，而脚蹬杆的另一端则作为摆移支点。因此，如图2所示，在脚蹬杆22R的另一端部分固定了一个滑动销42R(或滑动滚子)。滑动销42R被安装在一个滑动槽41R内并在此槽内沿左右(图示)方向进行滑动，其中滑动槽41R构成了滑动部分40R。

滑动部分40R位于连接支撑部分(后车架)4b的外侧面上，并处于图1中的车轮轴心连线上(直线L连接前、后车轮1、2的轴)。在本实施例中，由线性的滑动槽41R组成滑动部分40R。滑动销42R以很小的间隙安装在滑动槽41R中。滑动部分40R可由合适的材料制得，这样的材料例如是免油润滑的金属，以此来减小滑动销42R的滑动摩擦。在滑动槽41R上可以覆盖一个防尘壳罩(图中未视出)以防止尘土或类似物进入滑动槽41R中。此外，为了减小在滑动槽和滑动销42R间的摩擦，滑动部分40R和滑动销42R可以进行镀层处理。

当脚蹬23R到达链轮26的上止点(最高点)位置时，曲柄杆30R也基本近于上止点，滑动部分40R在连接点4B上的布置位置是这样选取的：此时滑动销42R应基本位于滑动槽41R的中央部位(中心点处)。因而，在中央部位的右手一侧的滑动槽限定了前半周期(脚蹬转动周期)的运动迹线，而左手侧的滑动槽则限定了后半周期的运动迹线，其中的前半周期是指从上止点到下止点(最低点)的范围，而后半周期是指从下止点到上止点的范围。

在图1中，传动装置28设置在自行车相对于驱动方向的右手一侧。虽然图中包括链轮26、脚蹬杆22R以及曲柄杆30R的转动传动机构20被设置在驱动方向的右手侧，但转动传动机构20也可以设置在驱动方向的左手侧。

在转动传动机构20中，链轮20和驱动链条27没有设置在驱动方向的左手侧，但另外一些部件：脚蹬杆22L、曲柄杆30L以及滑动部分40L被设置在驱动方向的左手侧。此处将不对这些部件的设置分别进行详细的描述。

当转动传动机构20如上文描述的那样进行设置时，作用于脚蹬23R的蹬踏力通过曲柄杆30R传递到链轮26上。由于驱动链条27作为一个驱动力传输装置布置在链轮26和后轮传动装置28之间，传递到链轮26的转动力矩再被传递到传动装置28，驱动后轮2的转动，从而驱动自行车10前进。

图3表示了当脚蹬23R在蹬踏力作用下转动一周所获得的一个脚蹬运动迹线Q的示例。脚蹬23R的运动迹线Q是否变成一个圆周运动或上下方向的线性运动取决于链轮26和曲柄杆30R各交会点长度之间的比值。

在图3的图示中，当确定了相对的各点A、B、C、D时，运动形式取决于脚蹬杆22R上所获得的各段长度的比值(AB∶BC)，运动迹线Q根据比值的变化可改变为圆形运动、椭圆运动和线性运动。这样，当AB∶BC＝BC∶BD＝2∶1时，脚蹬23R可画出一运动迹线Q近似于上下方向的直线。

图3示例表示了一个圆形运动和线性运动之间的过渡情况，并表示了一个近以于椭圆运动(几乎接近于线性往复运动)的迹线Q。可以证明，在后半周期脚蹬23R的椭圆运动除了在上止点和下止点之外几乎可以变成线性往复运动，而该运动轨迹在前半周期内则几乎变成椭圆转动。

在实践中对上述各点的多种取值进行了研究比较。当骑车者具有普通体格(即骑车者的身高大约是170cm)、驱动车轮1和2的直径大约是20到26英寸时，在这样的情况下，如图4所示的数值(AB＝200～300mm，BC＝100～200mm，BD＝50～100mm)是合适的取值。在这样的参数条件下，滑动部分40R的滑动长度在100mm到250mm之间就足够了。

在AB＝255mm、BC＝170mm、BD＝65mm的参数条件下进行试验，对测得的结果进行研究发现滑动部分40R的滑动长度为150mm。在这样的条件下，获得了如图3所示的椭圆轨迹线。

当对脚蹬23R施加蹬踏力时，随着脚蹬杆22R的摆移支点在车轮轴心连线L上左右滑动，链轮26进行转动，转动驱动力通过驱动链条传递到后轮2上，这样骑车者就可以驱动自行车10前行了。通过在另一侧上的脚蹬23L上作用蹬踏力也可以获得类似的驱动力(虽然图中未示出)。虽然一对脚蹬23(23R，23L)表现出来的是一个椭圆轨迹，但脚蹬轨迹呈现出的椭圆主轴是很长的，因而，脚蹬的运动轨迹变成了迹线Q的形状，其总体上几乎成为一条直线。

这样，脚蹬23(23R，23L)所作的上下往复运动的范围就被减小了，从而使得骑车者可以更加方便地蹬踩脚蹬23。此外，由于作用于脚蹬23上的蹬踏力增加了，脚蹬23的转动力矩也增加了，使得骑车者可用较小的力驱动自行车10前进。

此外，由于脚蹬杆22(22R，22L)的摆移支点并不是固定的，而是可在水平方向上进行滑动，因而当脚蹬23转动时，脚蹬的转动将变得平稳。在这样的连接关系下，如果脚蹬杆22的摆移支点是固定的，可以证明脚蹬23的转动将不再平稳。

在如图1所示，在本实施例中，具有这样的往复脚蹬杆的自行车10还包括一个驱动助力装置44，该装置安装在后轮2预先确定的部位上，驱动助力装置44中包括一个公知的由电池供电的电动机，该电动机的转动力通过一个转动传动装置(图中未示出)传递到传动轮46，所说的转动传动装置包括多个凸轮和齿轮。

由于传动轮46可与后轮2的轮缘2a接触，电动机的转动力通过传动轮46就可传递到后轮2上，从而骑车者就可以使电机助力与施加到脚蹬杆22R上的蹬踏力一道来驱动自行车10。因而就可能降低蹬踏力载荷。该驱动助力装置44包括一个控制器48，控制器中包含适当的元件，例如一个为了判定驱动助力装置开始工作时刻的系统控制器。

对助力启动时刻的判定是通过检测施加到脚蹬杆22上的蹬踏力来完成的。为此，如图1所示，在脚蹬杆22上安装了一个蹬踏力传感器52。在这里可以使用例如应变仪的传感器作为蹬踏力传感器52。

图5表示了根据本发明的一种实施方式采用的蹬踏力传感器52的蹬踏力检测装置50。在图5中，蹬踏力传感器52安装在脚蹬杆22R外周表面预先确定的部位上，在本实施例中脚蹬杆22R的外周部分所承受的应变是最大的，在图示的例子中，在靠近脚蹬23R一侧、脚蹬杆22R上临近曲柄杆30和脚蹬杆接合部位的外周表面具有最大的应变。

蹬踏力传感器52的信号是通过一条信号线输出的。在本实施例中，采用了信号线束54作为信号传输线。信号线束54延伸到一个安装在脚蹬杆22R上的固定部件56中，该固定部件例如是一个固定夹。线束54通过固定部件56固定在脚蹬杆22R上。从固定部件56和60引出的信号线通过一段柔性线束58连接起来，其中自行车车体上的固定部件60设置在后车架4b上。

关于柔性线束58，此处可采用具有导管59的柔性电线组成，在导管的外表面上设有保护结构，以防止信号线由于疏忽而卷绕进滑动部分40R中。如图所示，对柔性线束58长度的选择是在考虑了脚蹬杆22R的摆动长度基础上作出的。而车体侧面的线束62则连接到车体侧面的固定部件60上，该线束的末端接入图1中所示的控制器48中。

当蹬踏力检测装置50如上文所述的那样进行设置时，脚蹬杆22R上下执行近似于往复直线的运动，摆移支点42R在滑动部分40R内左右滑动。因而将蹬踏力传感器52安装在脚蹬杆22R的外周表面的某一部位上，并且该传感器的一输出信号就可被传输到控制器48。线束54和62均相应地被固定在脚蹬杆22R的侧面和自行车车体的侧面上。在考虑了柔性线束58的摆动长度并留有一定余量的基础上，只在柔性线束上设置自由长度就足够了。

由于蹬踏力传感器52是暴露在外面，在蹬踏力传感器上还可以设置一个保护装置(壳罩)，用于对其进行防雨和免于被损坏。

由于从蹬踏力传感器52输出的信号可以通过信号线直接输送到控制器48，脚蹬杆22R上的应变就可以被精确地、高响应性地、低损耗地测得，从而使用者也可能更精确地确定驱动助力的启动时间。当然，由于蹬踏力检测装置50可在不使用诸如机械变送系统或转动变换装置等传输系统的情况下进行设置，实现价格低廉的非线性型检测装置成为可能。

图6类似于图5是一个部分视图，表示了本发明的其它实施方式。该实施例描述了蹬踏力传感器52安装在脚蹬杆22R内部的情形。

为了实现这样的方式，如剖面图所示，脚蹬杆22是中空的，蹬踏力传感器52安装在脚蹬杆22的中空内壁上，并在上文所述的相同部位上。类似地，蹬踏力传感器52的输出是通过脚蹬一侧的线束54连接到固定部件56上的。固定部件56既作为内外两侧连接元件，也作为线束的固定元件。露出外侧的固定部件56是通过柔性线束58与车体侧的固定部件60连在一起的。同样，在这种实施方式中，线束58长度的选取也应保证一定程度的活动余量。

根据这样的结构布置，尤其是由于蹬踏力传感器52安装在脚蹬杆22R的内部，蹬踏力传感器就可以采用多种可能的防雨措施。此外，由于将蹬踏力传感器安装在脚蹬杆的内部，也没有必要设置保护装置了。

图7A和7B表示了本发明的又一种实施方式。该实施例是图6中的实施例的改型。如图7A、7B所示，蹬踏力传感器的输出通过滑动销43R的内部进入后车架4b。在后车架4b的内部，蹬踏力传感器和后车架之间通过柔性线束58、固定部件64和线束66相互连接起来。然后，线束66连接到外部固定部件60上。

在这样的结构中，由于暴露在外边的元件很少，从而保护蹬踏力传感器和信号线束变得更加方便易行。

转动力传输装置20也可以有多种形式的改型。具体来讲，本发明可以应用到这样的自行车上：它包括一个转动传动装置，在该装置中，脚蹬杆的运动轨迹不是圆周运动，而是接近于直线的往复运动或椭圆运动。

虽然在上述的实施例中，描述的是以链条传动系统作为动力传动装置，但本发明也可类似地应用到采用带传动和轴传动的自行车上。

根据本发明，通过采用具有摆移支点的转动传动机构，驱动助力装置可安装在脚蹬杆的运动轨迹接近往复直线的自行车上。同时，用于判定驱动助力装置启动时间的蹬踏力传感器被安装在脚蹬杆上，该蹬踏力传感器的输出被送往控制器中。

由于蹬踏力传感器安装在几乎作往复运动的脚蹬杆上，蹬踏力传感器的输出就可以简单可靠地通过信号线(电线)引到控制驱动助力装置的控制器中。也就是说，蹬踏力传感器的输出可以通过简单的线路连接就能传送到控制器。因而，由于可以高精确度、高可靠性地检测蹬踏力，精确地判定助力启动时间也成为了可能。本发明的结构设置也是简单的，不使用诸如转动变换器或采用凸轮的机械变送系统的转动传动结构。从而在实际应用中，还有这样的有利之处：无须对蹬踏力传感器进行调整。

上文参照附图对本发明的最佳实施方式进行了描述，但可以理解的是：本发明并不仅限于所述的那些确切实施例，在不脱离本发明所附的权利要求书限定的范围的情况下，本领域的普通技术人员可以对本发明所作的各种改进和变动。

Claims (5)

1.一种带有驱动助力装置的自行车，其包括：该自行车包括一连接到驱动轮上的助动装置；一设置在组成自行车车体的车架中轴部位附近的链轮；一在链轮和后轮间安装的动力传动装置；一对相位差为180°为的脚蹬杆；一在所述链轮和其中之一脚蹬杆间将转动力传递到链轮的曲柄杆；以及一作为所说的脚蹬杆摆移支点的滑动部分；其中所说脚蹬杆的一端设置一滑动销，该滑动销随此脚蹬杆的转动在所说的滑动部分内滑动，从而将脚蹬杆转动产生的转动力通过链轮传递到后轮；一安装在脚蹬杆上作近似往复运动的部位上的蹬踏力传感器；从蹬踏力传感器输出的信号通过一条信号线输往一控制器，由该控制器对驱动助力装置和自行车进行控制，并对施加助动的时刻进行控制，在此时刻，根据蹬踏力传感器输出信号，以该驱动助力装置作为蹬踏驱动助力装置。

2.根据权利要求1所述的自行车，其特征在于：所述蹬踏力传感器安装在所述脚蹬杆外周面上的某一部位，该部位具有大的应变。

3.根据权利要求1所述的自行车，其特征在于：所述信号线是一线束，该线束通过多个固定部件和一段柔性线束连接到所述控制器。

4.根据权利要求1所述的自行车，其特征在于：所述蹬踏力传感器安装在所述脚蹬杆的内表面上的某一部位，该部位具有大的应变。

5.根据权利要求4所述的自行车，其特征在于：所述蹬踏力传感器安装在所述脚蹬杆的内表面上，一连接线束通过所述滑动部分的一滑动销与后车架上的线束连接，所述线束被引出外部并连接到所述控制器中。

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