CN1287079A - 电动助力车辆的踏力检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的踏力检测装置,能与部件的尺寸精度及组装精度无关地准确检测踏力。踏入踏板时,通过单向离合器使传递板40旋转,该旋转通过弹簧56传递到驱动链轮80。与后轮负荷相应的传递板40与链轮80的错位,通过突起部48和踏力传递环5变换为第1感应体4A与第2感应体4B的错位。第1感应体4A和第2感应体4B由其错位的大小,使线圈9产生的磁通的通路变化。这样,与踏力对应的磁路阻抗作为线圈9的电感被检测出。

Description

电动助力车辆的踏力检测装置
本发明涉及电动助力车辆的踏力检测装置,特别涉及在根据线圈的电感变化检测踏力的装置中,能减小检测精度偏差的电动助力车辆的踏力检测装置。
现有技术中,设置检测人力的驱动力矩即踏力的踏力检测装置、根据检测到的踏力使结合在驱动系统中的电动机动作、辅助踏力的自行车等的车辆是公知的。该踏力检测装置有各种方案。例如,在日本特开平8-91281号公报揭示的电动自行车中,在车轴的周围设置线圈,并且在该线圈的正面即朝着垂直于车轴的面配置磁性部件。该磁性部件与踏力相应地枢轴动,使得覆盖上述线圈的面积变化。当枢轴动使得磁性部件覆盖线圈的面积变化时,随之产生线圈的电感变化,所以,加在线圈上的电压变化。通过检测该电压的变化可检测出踏力。
上述公报记载的电动自行车中,存在着踏力检测精度低的问题。上述电动自行车的磁性部件,是可枢轴动的若干片板,该板随着踏力而枢轴动,使得覆盖线圈的面积变化。但是,要避免该板本身的尺寸偏差、推压该板的销及该销所嵌合的长孔尺寸的偏差、以及在上述枢轴推力方向的板位置偏差等是很困难的。这些偏差直接影响到上述线圈产生的磁路的阻抗,使踏力检测精度降低。
本发明是鉴于上述问题而作出的,其目的在于提供一种能防止因零件的尺寸偏差和组装偏差引起踏力检测精度降低的电动助力车辆的踏力检测装置。
为了实现上述目的,本发明的电动助力车辆的踏力检测装置的特征在于,备有线圈、一对芯部件和磁路阻抗可变机构;线圈与为了车辆驱动而受人力力矩作用的旋转轴同心地设置;一对芯部件在上述线圈的轴方向两侧,朝上述线圈的外周方向伸出;磁路阻抗可变机构设在上述芯部件之间,与上述力矩的变化相应地在上述芯部件间使磁路的阻抗变化。
根据上述特征,由线圈产生的磁通,贯通通过上述芯部件和磁性阻抗可变机构的磁路。并且,上述磁路阻抗可变机构,与加在旋转轴上的力矩变化相应地使磁路的阻抗变化。因此,例如,只要检测出该磁路阻抗变化引起的电感变化,就可以检测加在上述旋转轴上的人力力矩。
图1是组装着本发明一实施例之踏力检测装置的电动助力车辆的要部断面图。
图2是图1的A-A视图。
图3是组装着本发明一实施例之踏力检测装置的电动助力车辆的侧面图。
图4是电动助力车辆的曲轴周边的侧面图。
图5是踏力检测装置的传感器部分的要部断面图。
图6是踏力检测装置的传感器部分的正面图。
图7是第1感应体的正面图。
图8是第1感应体的断面图,表示图7的8-8断面。
图9是第2感应体的断面图。
图10是表示线圈产生的磁通所贯通的磁路的模式图。
图11是表示第1感应体和第2感应体的重合程度的图。
图12是控制装置的踏力检测回路图。
图13是表示线圈的电压与踏力关系的图。
图14是电动助力单元的断面图。
图15是图14的B-B断面图。
下面,参照附图详细说明本发明。图3是采用本发明踏力检测装置的电动助力自行车的侧面图。该图中,自行车架67备有位于自行车前部的头管68、从头管68向后下方延伸的下管69、固接在下管69的后端并朝上方稍后斜地立起的车座柱71。在头管68上支承着可转向的前叉72,在前叉72的下端轴支着前轮73。在前叉72的上端设有转向把手74。
在从车座柱71向后方延伸的左右一对后叉70的后端,轴支着作为驱动轮的后轮78。在后叉70的后端连接着左右一对撑杆77,撑杆77的上端与车座柱71的上部连接。在车座柱71上安装着上端备有车座76的支承轴75,该支承轴75可上下调节车座76的位置。
在车座柱71的下端,固接着向车身左右延伸的支承管(关于图1后述),设有贯通该支承管并由轴承支承着的曲轴83。结合在该曲轴83上的曲柄的前端,设有供驾驶者施加踏力用的踏板79。在曲轴83上设有驱动链轮80,曲轴83的旋转通过后述的动力传递装置传递给驱动链轮80,驱动链轮80的旋转通过链82传递到后轮78侧的从动链轮81。在驱动链轮80的后方设有张紧器36,该张紧器36用于加大驱动链轮80上的链82的卷绕角度以及调节张力。
电动助力单元86的一部分通过图未示的托架结合在车座柱71上,其余部分用托架93结合在下管69上,呈悬架状态。电动助力单元86配置在上述曲轴83的前方,结合在电动助力单元86的输出轴上的电动链轮84,与上述链82接合,用于辅助驱动链轮80的驱动。
链82的罩91由电动链轮84部分的罩92A、链82张紧侧部分的罩92B、驱动链轮80部分的罩92C构成,这些罩形成为一体。链罩91整体不是涂成同一种颜色,可将驱动链轮80部分的罩92C和罩92B涂成与车架67明显不同的颜色。最好将罩92A涂成与车架67相同的颜色,这样,可以使电动链轮84部分不明显。
车座柱71上固定着电池保持座87,向电动助力单元86提供电力的电池B可相对于电池保持座87装卸地被支承着。设有用于保持电池B上部的带89和用于装卸带89的金属配件88。金属配件88可转动地安装在车座柱71上,借助金属配件88的转动方向,电池B被带89紧固或松开。在电池保持座87的下方安装着供电部件90,通过该供电部件90从电池B向电动助力单元86供给电力。
图4是卸下了链罩91状态的曲轴83周边的侧面图。另外,张紧器36是与图8不同的变形例。该图中,张紧器36由支承在托架32下端的2个小链轮37A、37B构成,该托架32固定在后叉70上。通过调节这些小链轮37A、37B的相对于托架32的安装角度,可将链82的张力设定在所需的程度。
下面,说明安装在上述曲轴83上的人力驱动装置。图1是曲轴83周边的断面图,图2是图1的A-A视图。固定在下管69上的支承管24的两端,螺接着帽38L、38R,在帽38L、38R与形成在曲轴83上的台阶83L、83R之间,分别嵌插着滚珠轴承39L、39R。即,滚珠轴承39L、39R承受作用在曲轴83上的推力方向和径向的荷载,将曲轴83可旋转地支承着。
在曲轴83的左右端分别设有曲柄83A(图中只示出右侧),成在曲轴83端部的螺栓83B上,用适合的螺母83C固定着。在曲轴83上,在曲柄83A与支承管24之间,固定着单向离合器41的内轮42。在内轮42的外周,通过轴衬42A支承着可转动的驱动链轮80。驱动链轮80的推力方向的位置由螺母50A和板50B限制。
在驱动链轮80上一体地设有盖体64,在由驱动链轮80和盖体64围绕的空间内,配设着传递板40。该传递板40与驱动链轮80同轴,并且在以曲轴83为轴的旋转方向相互容许错开预定量地支承着。
在驱动链轮80和传递板40上穿设着若干个(这里是6个)窗54,在该窗54的内侧分别收容着压缩螺旋弹簧56。当驱动链轮80与传递板40之间相互产生旋转方向的错位时,压缩螺旋弹簧56产生对于该错位的抵抗力。
在传递板40的中心内周,形成作为单向离合器41的外轮的棘齿46,该棘齿46与棘爪44卡接,该棘爪44支承在上述内轮42上,被弹簧45朝放射方向推压。在单向离合器41上设有防尘罩66。
在传递板40上,设有供踏力传递用突起部(后面详细说明)嵌合的接合孔52。在驱动用链轮80上,设有使突起部48能与接合孔52接合的窗51,突起部48穿过该窗51与接合孔52嵌合。
在驱动链轮80和传递板40上,穿设着若干个(这里是3个)与上述窗54不同的小窗60,在该小窗60的内侧分别收容着压缩螺旋弹簧63。压缩螺旋弹簧63将传递板40朝其旋转方向58一侧推压。即,朝着吸收驱动链轮80与传递板40的结合部晃动的方向作用,传递板40的变位良好地被传递到驱动链轮80。
驱动链轮80的、靠车身即靠下管69侧,安装着踏力检测装置的传感器部分1。传感器部分1具有外侧环2和传感器本体3,外侧环2固定在驱动链轮80上,传感器本体3可相对于该外侧环2旋转,用于形成磁路。传感器本体3及其支承部即部件10、11等,在图5中后述。
外侧环2由电绝缘性材料做成,由图未示的螺栓固定在驱动链轮80上。外侧环2的、靠驱动链轮80侧设有罩49,用固定螺丝53固定在外侧环2上。
图14是电动助力单元86的断面图。图15是图14的B-B断面图。图14中,电动助力单元86的壳体94由第1半壳体95、第2半壳体96和罩97构成。第2半壳体96结合在第1半壳体95上,在与该第1半壳体95之间形成第1收容室98。罩97结合在第1半壳体95上,在与该第1半壳体95之间形成第2收容室99。
在第2收容室99内收容着驱动马达21,该驱动马达21具有与上述曲轴83平行的轴,驱动马达21由第1半壳体95固定支承着。驱动马达21的输出通过减速辊式减速机100、减速齿轮组101和第2单向离合器102传递到驱动(电动)链轮84,对施加在踏板79上的踏力进行辅助。
如图15所示,减速辊式减速机100备有驱动马达21的马达轴103、围绕马达轴103的碗状外轮85、与马达轴103外面和外轮85内面接触并可转动的若干个(这里是3个)减速辊104、105、106,把来自驱动马达21的助推力静音并减速后,传递到减速齿轮组101侧。
圆筒形的第1轴承部107设在第1半壳体95上,马达轴103通过滚珠轴承108可旋转地支承在该第1轴承部107上,从第2收容室99朝第1收容室98侧突出。外轮85配置在第1收容室98内,并围绕马达轴103的朝第1收容室98侧突出的端部,在该外轮85的闭塞端部中央,同轴地固定着输出轴115的基端。在第2半壳体96上,设有与输出轴115的前端部对应的圆筒形第2轴承部109,输出轴115的前端部通过滚珠轴承110由第2轴承部109可旋转地支承着。
减速辊104、105、106通过滚针轴承116、117、118可旋转地支承在辊轴111、112、113上,各辊轴111~113的一端由第1半壳体95支承着,各辊轴111~113的另一端由支承板119支承。支承板119在各减速辊104~106相互间用螺纹部件121…紧固在凸部120…上,该凸部120…一体地设在第1半壳体95上。
各减速辊104~106之中,减速辊104、105以沿马达轴103周方向的位置作为固定,支承在第1半壳体95和支承板119上,在第1半壳体95上设有有底的嵌合孔122…,减速辊104、105的辊轴111、112的一端分别嵌合在该嵌合孔122…内。
减速辊104~106之中,减速辊106由第1半壳体95和支承板119支承着,沿马达轴103周方向的位置在被限制的范围内可变化,这样,借助马达轴103旋转时与马达轴103的摩擦接合,进入马达轴103和外轮85间地移动。
在第1半壳体95上设有有底嵌合孔123,减速辊106的辊轴113的一端嵌合在该嵌合孔123内,在该嵌合孔123内设有弹簧124,该弹簧124推压压住辊轴113的销(图未示)。减速辊106被弹簧124朝进入马达轴103与外轮85间的方向推压。
各减速辊104~106之中,减速辊104、106具有同一外径,而减速辊105的外径比减速辊104、106的外径大,输出轴115的轴线相对于马达轴103的轴线偏心。
根据该减速辊式减速机100,与驱动马达21的动作相应地,当马达轴103朝图15中箭头125的方向旋转时,减速辊106起到进入马达轴103与外轮85间的楔作用。因此,各减速辊104~106、马达轴103和外轮85间的接触面压增加,驱动马达21的输出力矩从马达轴103通过各减速辊104~106和外轮85传递到输出轴115。这时,马达轴103被减速辊104、105、106从其周围3个方向约束,在减速辊104~106和马达轴103间,作用着与驱动马达21的驱动力矩成正比的力,所以,可以由减速辊式减速机100衰减驱动马达21产生的振动。
减速齿轮组101由作为动力传递部的驱动齿轮126、与驱动齿轮126啮合的被动齿轮127构成。驱动齿轮126在第2半壳体96的第2轴承部109与外轮85间,一体地设在输出轴115上。
上述减速辊式减速机100中,马达轴103通过滚珠轴承108由第1半壳体95的第1轴承部107支承,输出轴115通过滚珠轴承110由第2半壳体96的第2轴承部109悬臂地支承着,从滚珠轴承108的轴方向中心到各减速辊104~106轴方向中心的长度LA,比马达轴103中的与各减速辊104~106的接触部外径DA大2倍以上(LA>DA×2),另外,从各减速辊104~106的轴方向中心到滚珠轴承110轴方向中心的长度LB,比外轮85的内径DB的1/2大(LB>DB×1/2)。
这样地设定尺寸时,即使减速辊式减速机100的各减速辊104~106和马达轴103的组装精度设定得比较粗,为了使其影响在输出轴115的驱动齿轮126与被动齿轮127的啮合部成为最小,马达轴103的从滚珠轴承108伸出的支承长度和从输出轴115的从滚珠轴承110伸出的悬臂支承长度分别被设定为适当的值。
减速齿轮组101的被动齿轮127,同轴地围绕着旋转驱动轴128,该旋转驱动轴128通过滚珠轴承129可旋转地支承在第2半壳体96上,同时,通过滚珠轴承30可旋转地支承在第1半壳体95上,旋转驱动轴128的从第2半壳体96突出的端部,固定着驱动链轮84。
在旋转驱动轴128与被动齿轮127之间,设有滚珠轴承131,并设有第2单向离合器102。第2单向离合器102具有一体地设在被动齿轮127上的离合器外轮132和一体地设在旋转驱动轴128上的离合器内轮133,与第1单向离合器41同样地构成。第2单向离合器102,容许随着驱动马达21的动作被减速辊式减速机100和减速齿轮组101减速后的力矩传递给旋转驱动轴128即驱动链轮84,但是,当驱动马达21的动作停止时,容许旋转驱动轴128空转,这样,不妨碍踏板79的踏力使驱动链轮84旋转。形成在壳体94上的悬挂部133紧固在托架93上,该托架93固定在上述下管69上。
在第2收容室99内且驱动马达21的侧方,收容着控制驱动马达21动作的控制单元134。控制单元134备有安装在第1半壳体95上的铝基板135、与该铝基板135空开间隔地安装在第1半壳体95上的印刷基板136、配置在铝基板135上的二极管28和FET27等、配置在印刷基板136上的电容29、继电器30和CPU20等。
铝基板135和印刷基板136之间,用轴环142、143确保安装上述二级管28和FET27等的空间。另外,在第1半壳体95的安装着上述铝基板135的面的背面,安装着速度传感器145,该速度传感器145检测设在被动齿轮127上的磁性体144,检测被动齿轮127的旋转速度。
动作时,踏板79被人力朝驱动方向踏下,固定在曲轴83上的内轮42旋转,该旋转通过棘爪44传递到棘齿46。虽然传递板40的旋转要通过压缩螺旋弹簧56传递到驱动链轮80,但是在驱动链轮80上作用着荷载,所以,传递板40的旋转不立即传递给驱动链轮80。与荷载相应地压缩螺旋弹簧56先挠曲,当该挠曲荷载与负荷平衡时,驱动链轮80旋转。这样,传递板40和驱动链轮80在与负荷对应的旋转方向有错位的状态下旋转,通过链82将驱动力作用到后轮。作用在驱动链轮80上的负荷,作为驾驶者踏入踏板79的力即踏力被检测出。
从踏力检测装置的传感器部分1突出的突起部48,与传递板40一起旋转,所以,支承该突起部48的踏力传递环(内侧环)5和固定在驱动链轮80上的外侧环2的相对位置,根据踏力决定。该相对位置由上述传感器部分1检测,供给踏力检测用的控制装置(后述)。
当与驱动方向相反地踏入踏板79时,或者在行驶中停止踏入时,棘爪44与棘齿46的卡接被解除。因此,驱动链轮80不旋转,在行驶中,驱动链轮80与曲轴83独立旋转。
下面详细说明传感器部分1。图5是传感器部分1的要部放大断面图。图6是传感器部分1的正面图、即从驱动链轮80侧看的图。外侧环2由电绝缘性材料形成,在3个部位设有螺栓孔30,把该外侧环2固定到驱动链轮80上的螺栓穿过该螺栓孔30。沿着外侧环2的内周面配置着第1感应体4A,与第1感应体4A相邻地配置着第2感应体4B。另外,在第2感应体4B上沿外周设有踏力传递环5。第1感应体4A和第2感应体4B由铝或黄铜等高导电率材料或软磁性材料形成,分别与外侧环2和踏力传递环5接合(后面详述)。
配置着挟着第1感应体4A和第2感应体4B的2片一组的环状芯板6、7,并且在这些环状芯板6、7的内周侧配置着芯套筒8。芯板6、7和芯套筒8由软铁素体等软磁性材料形成。在芯套筒8的外周卷绕着线圈9,由芯板6、7、芯套筒8和第1、第2感应体4A、4B构成磁路,线圈9通电时产生的磁通贯通该磁路。芯板6、7和芯套筒8由套筒10和具有阳螺纹的法兰11支承,该法兰11的阳螺纹与套筒10的阴螺纹匹配。套筒10和法兰11的旋转被支承管24限制。
把电流供给上述线圈9的导线12,贯穿套筒10引出到外部,与后述控制装置连接。在环2和套筒10之间设有油封13。在环2与踏力传递环5之间、以及在踏力传递环5与法兰11之间,分别设有密封件14、15。从踏力传递环5直角地突出的突起部48,从设在罩49上的开口49A面临外部,能与上述接合孔52接合。
图7是第1感应体4A的正面图,图8是图7的8-8断面图。第1感应体4A整体呈环状,在其内周形成若干个齿44。在第2感应体4B上也形成与该齿44同样的齿。这些齿重合而形成通路的一部分,由线圈9产生磁通通过该通路。在齿44间的2个部位,形成从帽状第1感应体4A底部向外方探出的突起部4c。突起部4c嵌合在形成于外侧环2的凹部内,这样,第1感应体4A可以与外侧环2一起旋转。
图9是第2感应体4 B的断面图。第2感应体4B具有与第1感应体4A同样的形状。但是,外周比第1感应体小一圈。另外,如图9所示,第2感应体4B具有从帽状第2感应体4 B的底部向内方探出的突起部4d。该突起部4d嵌合在凹部内,该凹部设在与第2感应体4B相接的内侧环5上。
图10是表示由线圈9产生的磁通通路的模式图。该图中,线圈9通电时产生的磁通Ф,形成包含芯板6、7、芯套筒8以及第1、第2感应体4A、4B的磁路。线圈9的电感是磁通Ф通过通路的阻抗即磁路阻抗的函数。由于在第1感应体4A和第2感应体4B中,磁通Ф通过设在其内周的齿(在第1感应体4A中是齿44),所以,由第1感应体4A和第2感应体4B的各齿的重合量决定该部分的磁路阻抗。
如上所述,外侧环2和内侧环5,与踏力相应地相互错开,随之第1感应体4A和第2感应体4B的相对位置也错开。结果,第1感应体4A和第2感应体4B的各齿重合程度也随踏力而变化。
图11是表示因踏力的不同、第1感应体4A和第2感应体4B各齿重合程度不同的图。图11(a)表示踏力小的情形,图11(b)表示踏力大的情形。如这些图所示,这样设定着第1感应体4A和第2感应体4B相对于外侧环2和内侧环5的接合位置:当踏力小时,第1感应体4A和第2感应体4B的各齿的重合程度大,磁路的阻抗小;当踏力大时,第1感应体4A和第2感应体4B的各齿的重合程度小,磁路的阻抗大。
这样,由于与踏力相应地使磁通Ф通过的通路的阻抗变化,所以,通过检测该磁路阻抗的函数即线圈9的电感,就可检测踏力。
图12是根据线圈9的电感检测踏力的控制装置16的电路图,图13是表示该电路预定位置的电压的波形图。控制装置16中所包含的振荡电路17、峰值电路18和电阻19与线圈9一起构成踏力检测装置的要部。峰值电路18的输出由CPU20处理。振荡电路17输出预定频率的交流电(作为点a的波形,如图13(a)所示)。第1感应体4A和第2感应体4B的各齿的重合程度大时,线圈9产生的磁通Ф的磁路的阻抗大,因此,点b的波形振幅变大(见图13(b))。点b的振幅被峰值电路18截取峰值,该峰值即点c的振幅值(见图13(c))作为踏力输入到CPU20。
控制装置16连接包含在电动助力单元86(见图3)内的作为负荷的上述驱动马达21、和作为电源的电池B。另外,在控制装置16和电池B上,可通过连接器22和主开关23连接充电器25。
驱动马达21的驱动电路,包含FET27、二极管28和电容29。驱动马达21的正端子通过接点30连接着电池B的正极,负端子通过FET27连接着电池B的负极。
接点30按照CPU的指令,在线圈31通电时接通。供给驱动马达21的电流取决于从CPU加到FET27的门电压。CPU20参照与踏力值对应的踏力值/电压表或者根据预定的计算式进行计算,求出与踏力值对应的电压值,把与该电压值相应的电压加到FET17的门。可这样地设定上述踏力值/电压表和计算式:使得随着输入到CPU20的踏力值的增大,驱动马达21的输出增大。
根据本实施例,例如当组装精度有偏差时,在第1感应体4A和第2感应体4B间,芯板6、7的位置在轴方向错开,当第1感应体4A和芯板6间的距离变窄时,第2感应体4B与芯板7间的距离扩大。相反地,当第1感应体4A和芯板6间的距离变大时,第2感应体4B与芯板7间的距离缩小。这样,一方间隔的变化被另一方间隔的变化抵消,整体上磁路阻抗保持为一定。
另外,在第1感应体4A和第2感应体4B之间,芯板6、7的位置在半径方向错开,在半径方向的一方,当第1感应体4A和第2感应体4B与芯板6、7的重合大时,在半径方向的另一方,第1感应体4A和第2感应体4B与芯板6、7的重合减小。因此,一方磁路阻抗增大,另一方磁路阻抗相应地减小。结果,磁路阻抗在整体上保持一定。
从上面的说明可知,根据权利要求1至5的发明,由于在与线圈同心配置的一对芯部件间,设置使磁通贯通的通路阻抗变化的机构,所以,形成该通路的部件的尺寸或组装精度尺寸即使有偏差,磁路阻抗也能保持一定,所以,可准确地检测人力力矩的变化。

Claims (5)

1.电动助力车辆的踏力检测装置,其特征在于,备有线圈(9)、一对芯部件(6、7)和磁路阻抗可变机构(4A、4B);上述线圈(9)与为了驱动车辆而受人力力矩作用的旋转轴(83)同心地设置;上述一对芯部件(6、7)在上述线圈的轴方向两侧,朝上述线圈的外周方向伸出;上述磁路阻抗可变机构(4A、4B)设在上述伸出的芯部件之间,相应于上述力矩的变化在上述芯部件间使磁路的阻抗变化。
2.如权利要求1所述的电动助力车辆的踏力检测装置,其特征在于,备有将上述人力力矩传递到后轮的驱动链轮(80),上述磁路阻抗可变机构由在上述线圈的轴方向相互重合的一对部件构成,相应于作用在上述驱动链轮上的后轮负荷的力矩和人力力矩的差,其重合量变化。
3.如权利要求1或2所述的电动助力车辆的踏力检测装置,其特征在于,上述芯部件由软磁性材料形成。
4.如权利要求1至3中任一项所述的电动助力车辆的踏力检测装置,其特征在于,上述线圈、芯部件和磁路阻抗可变机构沿着上述驱动链轮配置。
5.如权利要求2至4中任一项所述的电动助力车辆的踏力检测装置,其特征在于,备有传递板(40)和弹性机构(56),上述旋转轴的旋转传递到上述传递板(40),上述弹性机构(56)设在上述传递板与上述驱动链轮间,将上述传递板(40)的旋转传递到上述驱动链轮;上述传递板与上述磁路阻抗可变机构的一方接合,以传递其旋转,上述驱动链轮与上述磁路阻抗可变机构的另一方接合,以传递其旋转。
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