CN1641311A - 用于自行车传动装置的运动传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于自行车传动装置的运动传感器，其包括：一定子件(10)，其可以在一个相对于自行车架的固定位置上连接于自行车(1)的曲轴(C1)；一转子件(20)，其可以连接于所述曲轴(C1)，并可沿着一个转动方向被拉动；和所述定子件(10)与所述转子件(20)一起构成一个电位计式分压器，为该分压器提供一电压源(V)，该分压器能够在输出端(141)提供一个信号，指示所述转子件(20)相对于所述定子件(10)的角位置。

Description

用于自行车传动装置的运动传感器
本发明涉及自行车变速控制问题，特别涉及在竞技车上的应用。在任何情况下，这种可能的应用，特别是作为赛车的应用也不应理解为对本发明的应用领域的限制。
在过去的几年里，在自行车领域的发展中出现了与各种特性的自行车传感器有关的倾向，以便能获得关于装置的使用/性能的信息，其目的是通过致动器来根据某些标准进行干预和改进，这种干预和改进都是按照使用者的发出的指令和装置的使用/性能状况自动进行的，特别是在考虑装置的设置的情况下进行的。
特别是，本发明中采用了一种伺服系统，其将自行车的传动链条定位在一个相应于前拨链器和后拨链器的位置上。
在安装于一种较复杂的类型的自行车上的传动链条中，拨链器作用在其上的曲柄轮和链轮的齿组不是由相同的齿构成。这些齿分成不同级别的组，包含在各组中的齿具有一系列不同的几何形状，以便链条换档，这是为了在相应的齿组中形成使链条换档易于进行的点和区域。所述点和区域称之为“便利部分”。
如果在一个不适宜的时刻进行变换链条位置的操作，对链条定位的纠正至少暂时受到了妨碍，因此被延误。
这一缺点在手动型变速控制系统中总会注意到，在由一个通过电动系统自动操作的致动器控制自行车中的换档尤其明显。这种系统通常协调自行车系列的改进的各种干涉(既根据使用者的发出的指令也以一种全自动的方式)，从而使自行车的性能最佳化，或更一般地说，使自行车-使用者系统的性能最佳化。
本领域中承认，例如在欧洲专利申请EP-A-1010612(该申请公开于本申请的优先权日之后)中承认，在这些系统的框架中，在错误时刻试图控制链条换档可能导致各种问题。
例如，除了在不希望出现指令的操作致动滞后以外，还可能出现一个问题，这个问题与这样的一个事实有关，即，受指令的致动器结束被致动(因此吸收能量)一段时间，在这段时间内，致动器本身不能保证所需的动作被执行。在该时间内，致动器从安装在自行车上的能源(一般为电池)吸收能量，从各方面讲，所吸收的能量都相当于最终被浪费掉，没有获得任何有用的结果。
本发明的目的是提供一种解决方案，其能够克服上述缺点。
按照本发明，这一目的是通过一种方法实现的，该方法具有本申请的权利要求书中所提出的具体的特征。
本发明还涉及相应的系统，以及适用于上述系统和/或实现上述方法的部件。
本发明的方案基本上适合于那种使自行车的控制系统的精致程度提高的创新，特别适合于赛车，其目的是获得可以使能源提供最佳化的信息，避免在通常由电池供电的系统中的浪费，同时，在防止自行车由于安装了笨重的电池而增大重量方面有明显的要求。
在一种优选实施例中，按照本发明的方案涉及采用一种换能器，其可以与自行车的曲轴对正定位。优选是一种电位器型换能器，其能够检测如下信息：
-自行车传动件(无论是链条或皮带)的运动；
-相应的运动方向；
-由自行车的曲轴驱动的齿轮的相应的齿组的角位置(或“相”)；
-踏板的步调信号。
这种信息至少部分可以用于调节自行车上那些借助于致动器而运动的部件的启动，所述致动器从能量源，例如安装在自行车上的电池上获得能量。
这特别适合于前和/或后拨链器的操作，以使其能够在最有利的时刻，即，当链条处于与本说明书的引言部分中提到的“便利部分”中的一个精确地对正的位置时实现换档功能。
在这方面应该说明，只有当链条，或者更一般地说传动件本身运动时才能进行正常的换档；否则就会出现能量浪费的可能性，并使机械部件上出现不希望的应力。
考虑到如果链条在与所需的方向相反的方向上(即，与脚踏自行车使其前进的方向相反的方向上)运动，单纯地发出简单的运动信号是不够的，因为这样又会出现不希望的结果。
因此，按照本发明的方案总体上涉及换档操作性，这种换速操作根据链条本身是否运动、方向是否为所希望的(即，在脚踏自行车使其前进的方向上)、以及换档中所涉及的齿轮是否处于特定的角位置(这时，链条所处的相应的位置相当于上述便利部分)进行。
下面参照附图对本发明进行描述，这种描述仅仅是以非限制性示例的方式给出的，其中：
图1是装备有按照本发明的系统的自行车，例如赛车的一侧视立面图；
图2是图1所示的自行车的俯视图；
图3是一个示意性视图，示出可以安装在图1和2所示的自行车上的一种传感器的整体结构；
图4示出了可以安装在上述自行车上的另一种传感器的结构；
图5和6各包括两个部分a)和b)，更详细地示出图4所示的传感器的判断标准；以及
图7是一幅流程图，示出了实现本发明的方法的一种可能的例子。
在这些附图中，附图标记1表示整体上的一个自行车，例如一种竞技车，例如赛车。
这种自行车的结构和构造是已知的，因此，无需在此详细的描述。在这方面，本领域的普通技术人员可以理解，本发明的方案的应用场合当然不限于在此说明的自行车。
本发明的目前优选的实施例中，传感器2位于一个对应于曲轴C1的位置上。在本发明的一个相比之下优选等级较低的实施例中，可以采用第二传感器3(或者与传感器2一同使用，或者替代传感器2)，其位于一个对应于链条张紧器的位置上。
因此，在图1和2中示出传感器2和3的可能的共存仅仅是为了不使本说明书不必要地冗长。
该系统还包括两个致动器4和5，它们分别用于控制自行车的前后拨链器。
两传感器2和/或3，以及致动器4和5(例如用通讯线，其在图中不可见，但是已知的)联接于一处理单元6，该单元优选至少部分位于自行车的手把附近。
在方法和系统方面，本发明涉及自行车进行变速的动作的模式。
在另一方面，本发明涉及用于获得传感器2和3的优选的方案。
无论如何，至少在其方法和系统方面，按照本发明的方案不考虑传感器2和3的具体特性以及致动器4和5的具体特性。
现在来看传感器2的结构(图3)，可以注意到，它基本上包括一个定子件10，该定子件包括例如一个小盘，其由电绝缘材料制成，设计成安装在相对于自行车1的车架固定的位置上。特别是，该定子件10具有一个中心孔12，自行车的曲轴C1的曲轴销H1可以穿过该孔。
在定子件10上设有两个同心的圆形槽带14和16，分别为外带和内带，二者都是导电的，且至少其中一种(例如带14，在图中作为例子示出)由电阻材料制成。
带14的两端终止于两个端销，该两销以标记140和141表示，它们分别可以联接于：
-一个动力源V(例如可以是以公知的方式设置在自行车上的电池中的一个)，
-一个接地端子G。
销140与电源V的连接优选借助于电气开关150实现，下面将要更好地解释其功能。
内带16，在此将其设想为仅仅是一个条带，由金属材料制成，它连接于另一销142，该销又可以连接于处理单元6。
连接于同一处理单元6的还有另一销143，该销又连接于一个由导电材料制成的垫片18，所述垫片设置在带14与16之间的一点上，该点对应于带14本身的两端的一个。
最后，附图标记20表示一个旋转刷，该刷由导电材料制成，安装在一个旋转件上，该旋转件可以在曲轴销H1的旋转的带动下旋转。
所述的该组部件基本上构成了一个电阻型电压分压器，在该分压器中，只要供给到销140上的供电电压V的值一确定，在销142上可检测到的电压的大小基本上取决于刷20的角位置，因此，取决于曲轴销H1的角位置。
通过既在带14又在带16上滑动，刷20在带16(在此假定该带具有一个连续的圆形，并由导电材料制成)和带14(该带为一个开口环，其两端连接于销140和141，这两个销邻近，但彼此不连接)之间建立电联接。
随着底部托架的曲轴销H1的每一次转动，垫片18和与其相连的销143短路，例如与销141和与其相连的带14，从而使销143处于接地电压。
传感器2的输出信号基本上是一个锯齿形信号，当曲轴销H1所处的角位置对应于刷20处于槽14的对应于销140的端部位置时，该锯齿信号的值最大，而当曲轴销H1定位在使刷处于槽14的相对端，即，处于对应于销141的一点时，锯齿信号取最小值(实际上为零)。
在传感器2安装在同一位置的情况下，上述锯齿信号具有一个倾斜的升高边缘还是一个倾斜的降低边缘这一事实取决于施加于曲轴的旋转方向，因此，取决于链条K的旋转方向。
在任何情况下，通过适当的阈值设定操作(直接在存在于销142上的模拟信号上进行，或者在数字信号上进行，该数字信号通过一种模拟-数字转换获得，这种模拟-数字转换在由单元6进行的传递/获得相位中实现)，可以精确地识别与传感器相关联的齿轮(在图示实施例中，该齿轮由曲轴带动运动)所处的角位置是否对应于链条K定位在一个便利部分即，处于一系列齿的起点处，在该处，易于对链条K进行所需的换档。
此外，还是根据上述阈值设定的操作，单元6能够检验出传感器2的输出信号随时间而变化，这表示相应的齿轮和由其带动的链条K正在运动。最后，该信号的导边和/或尾边倾斜(角系数)使单元6能够识别链条K本身的运动方向(向前或向后)。
上述部件组可以以机电部件的形式制成，其基本上类似于一种常规的电位计，可将相应的部件插入一个壳体内，或者一个保护结构(例如一个所谓“罐盒”)内，这样，即使在恶劣的条件下也能保证正常的工作，因为按照设计，应将其安装在一个对应于自行车的曲轴的位置。
另一方面，本领域的普通技术人员可以理解，可以对图中举例示出的实施例(相当于目前优选的实施例)作出很多变型，例如：
-带14与16的作用互换(即，带14由一导体材料制成，而带16由一电阻材料制成)；
-刷20与带14和16中的至少一个的功能的运动互换，即，刷20安装在一个固定的位置上，所述两个带中的一条与曲轴的曲轴销H1一起旋转；或
-垫片18定位在对应于带14的与销140相连的一端的位置；在这种情况下，刷20从垫片18前通过使销143受到压迫，不再连接于接地电压，而是连接于电池电压V。
另一变型的实施例显然是本领域的普通技术人员能够做出的，该实施例不仅仍然能够构成一个电位计式传感器，该传感器能够在输出端(在图示实施例中位于销142上)提供一个独一无二地识别由曲轴的曲轴销H1当时所达到的角位置的第一信号，该实施例同时能够产生一个表示曲轴销H1通过一预定的角位置的参考信号，还能够产生一个识别链条K的运动和运动方向的信号。
传感器3以这样一种方式构成，其所处的位置对应于链条张紧器，该张紧器通常设置在一个对应于自行车的链条K的后端的位置上。
链条张紧器通常由一对摇摆臂或半部笼状物22构成，它们的上端24在一个相应于一个笼铰接销或枢轴26的点上连接在一起，因此，它们能够安装在自行车1的架上，并能够绕一个在水平方向上延伸的枢轴X26摇动。
一第一顶部滑轮或滚轮25安装在上述上端之间，从而能够绕其自身轴线X25旋转，该滑轮通常具有一个两面凸起的轮廓。
两个臂或半部笼状物22的底端28借助于枢轴30连接在一起，在该枢轴上安装一个底部滑轮或滚轮32(通常具有两面凸起的轮廓)，它可以绕其自身轴线X32旋转。
自行车的链条K与顶部和底部滚轮25和32接合，因此，其构成一个大致为S形的路径。
臂22可以进行的绕轴线X26的摇摆运动(实际上摆动)带动底部滑轮或滚轮32的相应的运动，结果，后者能够保持链条K张紧，吸收并补偿链条K由于在不同的位置上与自行车的传动链轮接合而引起的运动的路径中的变化。
在任何情况下，上述部件组以及相应的运转原理都对应于本身公知的方案，因此，无需在此对这些方案进行详细的举例说明，这也是由于这些方案本身对实施和理解本发明无关紧要。
在本发明的实际的结构中，将滚轮25、32中的至少一个(在图示实施例中为滚轮32)作为传感器的转子部分，整体上以标记34表示的传感器的定子部分安装在其中一个臂或半部笼状物22上。
在此，在滚轮32上施加一个(可以在制造过程中一体形成，例如通过共模制)磁性材料的金属部件36(例如塑钢)，例如，该金属部件具有一个大致C形的结构，预定的延伸角，例如为180°。
传感器的定子部分34优选包括两个端部仪器或拾感头35，例如安装在相应的臂或半部笼状物22上相对于滚轮32的旋转轴线X32转90°的角位置上的两个霍尔效应传感器，或舌簧继电器。
图5示出件36在滚轮32转动一圈时可能出现的转动顺序，其两个部件组叠置且用a)和b)表示，(如图5所示)对应于滚轮32顺时针(图5a)旋转，对应于滚轮32逆时针(图5b)旋转。
上述两个旋转方向分别根据与滚轮32接合的链条K方向分别视为对应于链条K本身的向前和向后运动。
需要说明的是，在本说明书中，术语“向前”表示当自行车曲轴被驱动从而使自行车本身向前运动时链条K的运动方向。
类似地，图6的两部分a)和b)表示当链条K分别向前(图6a的信号351和352)和向后(图6b的351和352)运动时对应于两个端部仪器或拾感头35的输出信号的性能的两组时间曲线-所述两信号分别以标记351和352表示-，可以将它们共同视为第二信号。
上述信号实质上是逻辑信号(即，根据各端部仪器或拾感头35是从磁性件36的前头还是与其有一定距离，该信号交替地表现为一个高逻辑电位或一个低逻辑电位)。
通过由端部仪器或拾感头35产生的信号351和352的逻辑组合，唯一地可确定滚轮32的运动(因此链条K的运动)是在一个方向上还是在另一方向上。所有这些都是按照本身充分公知的原理进行的(例如所谓“光学解码”应用的技术)，因此，在此无需特别举例说明。
前面对于传感器2所作的描述也适用于传感器3。事实上，熟悉本领域的技术人员根据前面所提供的提示可以找到在功能上与刚才描述的方案等同的其它一些方案。
特别是，上述传感动作可以例如利用滚轮25而不是滚轮32来进行，或者利用与上面描述的不同的传感器或拾感头35进行，或者还是使用两个传感器，其中一个联接于一个滚轮，另一个联接于又一个滚轮。
但是应该说明，首先，从技术角度考虑(与磁性材料件36的滚轮32有关)，上述方案特别有利，因为这样可以得到一种既简单又可靠的传感器组件，因此，进一步降低了能耗，并且即使在不利的环境下(例如对于自行车传动)也可以正常地运转。
在能耗方面的另一个优点是，前面已经说过，可以将一个部件150联接于(例如直接一体地)传感器2，该部件具有一个电气开关的功能，其能够在不希望相应的传感器致动时切断传感器2与电压源V的连接。
特别是，当开关150处于开启的位置时，以带14表示的电阻件不连接于电压源V，因此，不吸收电能。
开关150优选借助于一根导线151连接于单元6，使得只有在单元6需要相应的信号时传感器2才致动。
这通常是在单元6得到一个自行车换档指令(或者由骑车人主动发出的指令，或者是单元16根据自行车运转的特殊情况自动处理)时才发生。
一种相似的结构是，在传感器3上配置一开关152，其只有在接收到一个来自单元6的相应的致动信号时才致动。
现在描述前拨链器的换档动作的模式，在此参照本发明目前优选的实施例，即，假设只采用能够提供一个由单元6处理的信号的传感器2，该传感器既能够识别自行车曲轴的角位置并从而识别由后者驱动的齿轮的位置，又能识别链条K的运动和运动方向。
当需要增大前拨链器的变速比时，单元6将传感器2致动(例如通过开关150，该开关一般为电子开关，例如一个晶体管)到一个关闭位置，从而致动传感器2本身。在销142上拾取的相应的输出信号使单元6能够以一种独一无二的方式识别曲轴销H1所达到的角位置，以及相应的齿轮，因此链条K的运动和运动方向。
上述方案的目的是，通过单元6使相应的致动器(在图示实施例中与前拨链器相关联的致动器4)的移动最有利于获得所需的适当链条转移；同时检测到链条K向前移动，这样就防止了链条静止时或者链条向后移动时换速的启动。
这种运行模式在图7的框图中简要地示出。
在此，从初始步骤100开始，在步骤101中通过单元6识别要求链条定位指令，即，变速指令的接收。
在下一步骤102中，单元6使传感器2致动，从而获得相应的信号。
在一个选择步骤103(后面将要说明其功能，在此假设其输出为“否”)之后，在步骤104中检验来自传感器2的信号以判断链条是否实际上运动。
步骤104的输出“否”表示链条K不运动。
在这些条件下，单元6返回到步骤103。
而从步骤104中输出“是”则表示链条K在运动，于是，在接下来的步骤105中，单元6判断来自传感器2的信号是否指示链条K向前运动。
当105中的输出“否”时，返回到步骤103。当从步骤1 05中输出“是”时，单元6在接下来的步骤106中判断传感器2的信号值是否表示链条处于一个对应于其中一个换档便利部分的位置。
同样在这种情况下，当输出为“否”时，单元6返回到步骤103。而当输出为“是”时，单元6向致动器4发出变速指令(步骤107)，同时使传感器停止致动。然后进入一个捕获步骤108。
如果由于前面所规定的各种原因(链条静止或者向后运动，定位在一个不对应于便利部分的位置上)返回到步骤103，单元6判断从单元6本身接收或处理变速指令信号起所经过的时间是否比预定的阈值T长。
如果该时间短于阈值(步骤103的输出为“否”)，单元6重复上述一系列步骤，以判断骑车人是否已经开始再次蹬踏板以使链条K向前移动，特别是使链条处于一个对应于其中一个便利部分，从而发出一个有利于变速的指示。
如果不利于不拨链的条件保持了一段时间(从步骤103中输出“是”)，则单元6移动到步骤109，使所接收的或所处理的变速指令成为一个不可执行指令，这可能是由于该指令是以一种错误的方式发出的，并从而进行一种复位，以清除变速指令；然后进入一个结束步骤。
在这些条件下，例如，单元6能够向骑车人发出一个信号(例如一个声音信号和/或一个光信号)，该信号指出，即使骑车人已经发出了变速指令，但他的动作与所给出的指令不一致(例如，由于他没有踏脚蹬或正在向后踏脚蹬)。
可以理解，上述运行原理可以以一种可实施的方式，仅仅根据链条K的运动和运动方向的信号进行实施，其目的在于，仅仅根据链条K向前移动这一事实来进行变速操作。在这种情况下，显然不可能得到关于齿轮的角定位的信息，因此也得不到关于链条相对于便利拨链部分的信息。
当然，在不偏离本发明的原理和精神的情况下，可以相对于在此所作的描述和图示对结构细节和实施例作出非常广泛的变化。特别是这样还能够将上述参照与曲轴相关联的齿轮(因此与拨链器对应)描述的原理同时或者只应用于与后拨链器相关联。
至少在原理上还可以想像检测链条K的位置，特别是相对于由曲轴带动的齿轮的齿组的位置，以便由一个传感器，例如传感器3产生一个与链条张紧器有关的信号。
另一个可行的变型实施例是，利用传感器2产生一个齿轮的角位置的信号，并利用传感器3产生链条K的运动和运动方向的信号。就系统的精确性和可靠性而言，这种基于传感器2的使用的方案特别有利。

Claims (9)

1.一种用于自行车传动装置的运动传感器，其特征在于，其包括：
-一定子件(10)，其可以在一个相对于自行车架的固定位置上连接于自行车(1)的曲轴(C1)；
-一转子件(20)，其可以连接于所述曲轴(C1)，并可沿着一个转动方向被拉动；和
所述定子件(10)与所述转子件(20)一起构成一个电位计式分压器，为该分压器提供一电压源(V)，该分压器能够在输出端(141)提供一个信号，指示所述转子件(20)相对于所述定子件(10)的角位置。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：与所述定子件(10)和所述转子件(20)中的一个(10)相联的是至少一个电阻性材料的件(14)，与所述定子件(10)和所述转子件(20)中的另一个(20)相联的是一个接触件(20)，其能够与所述电阻件(14)配合，构成一个分压器，该分压器的输出信号的值取决于所述接触件(20)相对于所述电阻件(14)的位置。
3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于：与所述定子件(10)和所述转子件(20)中的一个(10)相联的是另一个接触件(16)，其构成所述分压器的输出端，所述接触件(20)与所述电阻件(14)和另一接触件(16)之间为滑动关系。
4.如权利要求2或3所述的传感器，其特征在于：所述电阻件(16)为带有相应的端部(141、142)的开口环，所述电阻件的一个偏压信号可以施加在该两端上。
5.如权利要求3所述的传感器，其特征在于：所述另一接触件(16)具有一封闭环形的形状。
6.如权利要求4和5中任一项所述的传感器，其特征在于：所述电阻件(14)和所述另一接触件(16)同心。
7.如权利要求1至6中任一项所述的传感器，其特征在于：其还包括一参照接触件(18)，其能够在所述转子件(20)定位在相对于所述定子件(10)的一个给定角度时产生一个给定信号(G)的电位。
8.如权利要求4和7中任一项所述的传感器，其特征在于：所述参照接触件(18)定位在一个对应于所述电阻件(14)的两端中的一个(141)的位置上。
9.如权利要求1至8中任一项所述的传感器，其特征在于：其包括一个开关件(150)，其可选择性地在如下位置之间开关：
-一第一操作位置，在该位置，所述分压器联接于一电压源(V)；
-一第二位置，在该位置，所述分压器与所述电压源(V)脱接，这样，传感器(2)的能量吸收基本上为0。
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Granted publication date: 20071017

Termination date: 20190329