CN205931155U - 手自一体变速自行车 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了手自一体变速自行车，自行车设有变速齿轮组，变速齿轮组具有变速拉线，自行车的把手端设有手自一体拨挡单元，手自一体拨挡单元包括传动盘齿轮及对传动盘齿轮联动同步驱动的手动驱动拨挡和自动调节机构，自行车上还设有智能控制单元，包括测速传感器、和根据踏板轴转速数据驱动自动调节机构切换变速齿轮的微处理器。本实用新型实现了自行车的手自一体变速，针对复杂路况可实现快速精确的自动变挡需要；结构简单，安装和维修方便，成本低廉，适用广泛；通过对智能控制单元的参数设置，可以在骑行中更加有效的保护自身健康，减少骑行对膝盖和肌肉的损伤；适合对现有手动变速自行车进行升级改造。

Description

手自一体变速自行车

技术领域

本实用新型涉及一种自行车，尤其涉及一种具体有手自一体变速功能的自行车。

背景技术

随着绿色出行的大力提倡，越来越多的群众加入到自行车骑行爱好者中，变速自行车是大家的首选骑行装备。目前市面上变速自行车所采用的变速器均为手动变速器，由安装在把手部位的变速拨片进行变挡，通过调整前后轮盘的挡位达到变速骑行的目的。

这种变速器结构简单，方便易用，成本低廉，因此被大量采用。但是这种手动变速器也具有明显的缺点，首先是不能及时应对变挡需求，尤其是地形多变，需要频繁变挡时，经常会顾及蹬车和地形顾及不到变挡，顾及变挡而蹬车速度降低或顾及不到地形障碍，因此会导致上坡蹬不动、加速度太慢、挡位不合适造成蹬踏用力过度易损伤膝盖和肌肉等问题；其次是手动变速器为机械拉线式，导致在变挡时速度慢、变挡准确率低；第三是适用人群有限，中青年男性操作起来会比较顺畅，而对于老年人，女性则不容易轻松地进行变挡操作。因此，提高自行车变速器的智能自动化程度，提升响应速度和变挡精度以及易用性是骑行爱好者的刚性需求。

目前市售变速自行车中有一种采用的是完全内置于自行车后轴的行星齿轮变速器，该类变速器的工作原理是根据自行车的车速变化随意改变传动比，达到省力和提速的目的，从根本上取代手动变速器。其变挡动力是靠自行车骑行状态所产生的离心力作为驱动力，而且是靠骑行速度的高低来控制速比的高低，并通过转矩的输入和机械原理相结合，对离心力所驱动运动加以限制，将挡位锁住，达到换挡定挡目的。

由于行星齿轮变速器产品结构复杂，工艺技术要求严格，生产成本高，因此产品价格昂贵，一般骑行爱好者购买的中低挡自行车不会安装。行星齿轮变速器全内置于自行车后轴中，与自行车后轮整合为一体，一旦变速器零件损坏，则整个自行车后轮可能面临废弃。如果进行修复，必须先卸载自行车后轮，再拆开密封的变速器，耗时费力；再次安装后，如果变速器设置不合适，可能需要重复拆卸安装后轮的工作。因此行星齿轮变速器并不是替代手动变速器的最佳选择。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种手自一体变速自行车。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：

手自一体变速自行车，所述自行车设有变速齿轮组，所述变速齿轮组具有用于切换变速齿轮的变速拉线，

所述自行车的把手端设有手自一体拨挡单元，所述手自一体拨挡单元包括与变速拉线相连的传动盘齿轮，所述传动盘齿轮的驱动源为对传动盘齿轮联动同步驱动的手动驱动拨挡和自动调节机构，

所述自行车上设有智能控制单元，所述智能控制单元包括用于测量踏板轴转速的测速传感器、及用于根据所述踏板轴转速数据驱动自动调节机构切换变速齿轮的微处理器，所述微处理器分别与所述测速传感器、自动调节机构相通讯连接。

进一步地，所述智能控制单元包括用于测量自行车行进路面倾斜度的陀螺仪传感器，所述陀螺仪传感器与所述微处理器通讯相连。

进一步地，所述自动调节机构包括舵机及与舵机的输出轴相连的偏角齿轮，所述偏角齿轮与所述传动盘齿轮相啮合。

进一步地，所述舵机包括控制电路板、直流电机和减速齿轮组，所述直流电机驱动连接所述减速齿轮组，所述减速齿轮组的舵盘轴底部连接有可调电位器，所述舵盘轴的输出端连接所述偏角齿轮。

进一步地，所述手自一体拨挡单元设有主电源，所述智能控制单元内设有辅电源，所述主电源与所述辅电源相连。

进一步地，所述主电源为锂电池，所述辅电源为钮扣电池。

进一步地，所述自行车设有用于摩擦发电的发动机，所述发电机与所述主电源相连。

进一步地，所述自行车设有光伏充电板，所述光伏充电板与所述主电源相连。

本实用新型的有益效果主要体现在：

1. 实现了自行车的手自一体变速，针对复杂路况可实现快速精确的自动变挡需要，满足多数骑行者，尤其是初级骑行者的轻松骑行需求；

2. 结构简单，安装和维修方便，成本低廉，适用广泛；

3. 通过对智能控制单元的参数设置，可以在骑行中更加有效的保护自身健康，减少骑行对膝盖和肌肉的损伤；

4. 适合对现有手动变速自行车进行升级改造；

5. 摩擦发电机或光伏充电板可对电源进行充电，保持长时间的稳定工作，实现长时间的免充电维护。

附图说明

图1是本实用新型手自一体变速自行车的结构示意图；

图2是手自一体拨挡单元的结构示意图；

图3是舵机的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型提供手自一体变速自行车。以下结合附图对本实用新型技术方案进行详细描述，以使其更易于理解和掌握。

如图1至图3所示，手自一体变速自行车，自行车设有变速齿轮组1，变速齿轮组1具有用于切换变速齿轮的变速拉线2，自行车的把手端设有手自一体拨挡单元3，手自一体拨挡单元3包括与变速拉线2相连的传动盘齿轮4，传动盘齿轮4的驱动源为对传动盘齿轮4联动同步驱动的手动驱动拨挡5和自动调节机构6，自行车上设有智能控制单元7，智能控制单元7包括用于测量踏板轴转速的测速传感器8、及用于根据踏板轴转速数据驱动自动调节机构6切换变速齿轮的微处理器9，微处理器9分别与测速传感器8、自动调节机构6相通讯连接。即通过测速传感器获取踏板轴转速数据，微处理器根据该数据计算出变速量并生成指令发送给自动调节机构，自动调节机构根据指令驱动传动盘齿轮旋转继而实现对变速拉线的拉紧或释放，切换变速齿轮达到变挡变速的目的。

其中，测速传感器可安装于踏板轴的侧边或脚踏上，该踏板轴为脚踏所驱动的主轴，骑行时获取踏板轴的每分钟转速。科学实验证明，大多数运动类自行车的理想踏频是90~100转/分钟，此时消耗能量最低，符合人类腿部各关节的扭矩输出和肌肉张力合理范围，此数据也是本案依据的判断条件。职业的运动员可以达到120以上甚至更高，对一般骑行爱好者，也应该有60~80左右的数值。为保持速度而采用低踏频高强度用力对健康有一定损伤，因此骑行踏频低于预设数值时，比如低于60时，则表示骑行者骑行困难，用力过度会伤及膝盖和肌肉，此时触发变挡操作，根据情况加挡，调整变速齿轮组到大一级别的变速齿轮，增加力矩，减少骑行者的用力，提高踏频。如果依然无法达到预设数值，则继续触发变挡操作，继续升挡，直到骑行者处于合理有效的踏频范围，保护骑行者的健康。如果变挡操作超过挡位最大或者最小数值，即无法再进行变挡至合理范围，设计有合理的报警提示信息。

智能控制单元7包括用于测量自行车行进路面倾斜度的陀螺仪传感器10，陀螺仪传感器10与微处理器9通讯相连。微处理器可综合踏板轴转速数据及倾斜度数据从而实现更精确的变挡。具体地，当陀螺仪获取到自行车处于爬升状态时，且骑行踏频低于预设数值时，则表示骑行者骑行困难，升挡增加力矩，减少骑行者的用力，提高踏频。

陀螺仪传感器保持水平安装，调试陀螺仪传感器至理想状态。为了避免路面的微小变化触发变挡操作，可以设定和存储一定的过滤范围数值。例如设置为5度，则倾斜度正负小于5度时，不会激发变挡操作；如果正负超过5度，且踏频低于预定数值，则触发变挡操作。

自动调节机构6包括舵机11及与舵机11的输出轴相连的偏角齿轮12，偏角齿轮12与传动盘齿轮4相啮合形成齿轮传动结构。其中，如图3所示，舵机11包括控制电路板13、直流电机14和减速齿轮组16，直流电机14驱动连接减速齿轮组16，减速齿轮组16的舵盘轴的底部连接有可调电位器15，舵盘轴的输出端连接偏角齿轮12。

控制电路板接受来自微处理器的指令，控制直流电机转动，直流电机带动减速齿轮组，减速后传动输出至偏角齿轮。舵盘轴和可调电位器是相连的，舵盘转动的同时，舵盘轴带动可调电位器，该可调电位器即为一个位置检测元件，可调电位器将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定直流电机转动的方向和速度，从而达到目标停止。其工作流程为：指令至控制电路板、至直流电机转动、至减速齿轮组减速、至舵盘转动、至位置反馈可调电位器、至控制电路板反馈。舵机的指令信号周期为20MS的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5~2.5MS，相对应的舵盘位置为0~180度，呈线性变化。也就是说，提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持一定对应角度上，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期为20MS，宽度1.5MS的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而生产电机的转动信号。

当骑行者使用手动驱动拨挡进行变挡时，控制电路将自动切换到手动模式，关闭自动模式。手动驱动拨挡变挡操作同日常使用一致。当骑行者拨动开关开启自动调节机构时，实现自动变挡模式，骑行者可以随时通过手动驱动拨片取得变挡的控制权。

由于手动驱动拨挡及偏角齿轮均与传动盘齿轮相连接，导致手动驱动拨挡拨挡传动盘齿轮时偏角齿轮亦会转动，将改变舵机中可调电位器的数值，由此确保手动自动变挡操作时，可调电位器中的数值同步更新。进行变挡操作时，先通过读取舵机中可调点位器中的数值，根据该数值、踏频和陀螺仪数据计算出变挡数据，将指令即脉宽调制（PWM）信号发送给舵机中的控制电路板，控制舵机完成角度旋转。

因为手自一体拨挡单元中含有舵机，舵机在工作时，瞬时电流较大，会造成智能控制单元的用电紧张和干扰。因此手自一体拨挡单元设有主电源，智能控制单元内设有辅电源，主电源与辅电源相连，主电源可给辅电源供电。主电源为可以拆卸下来的锂电池，辅电源为可以拆卸下来的钮扣电池。另外自行车设有用于摩擦发电的发动机或光伏充电板，发电机与主电源相连、光伏充电板与所述主电源相连。能维持长时间供电。

通过以上描述可以发现，本实用新型揭示了手自一体变速自行车，实现了自行车的手自一体变速，针对复杂路况可实现快速精确的自动变挡需要，满足多数骑行者，尤其是初级骑行者的轻松骑行需求；结构简单，安装和维修方便，成本低廉，适用广泛；通过对智能控制单元的参数设置，可以在骑行中更加有效的保护自身健康，减少骑行对膝盖和肌肉的损伤；适合对现有手动变速自行车进行升级改造；摩擦发电机或光伏充电板可对电源进行充电，保持长时间的稳定工作，实现长时间的免充电维护。

以上对本实用新型的技术方案进行了充分描述，需要说明的是，本实用新型的具体实施方式并不受上述描述的限制，本领域的普通技术人员依据本实用新型的精神实质在结构、方法或功能等方面采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.手自一体变速自行车，所述自行车设有变速齿轮组，所述变速齿轮组具有用于切换变速齿轮的变速拉线，其特征在于：

所述自行车的把手端设有手自一体拨挡单元，所述手自一体拨挡单元包括与变速拉线相连的传动盘齿轮，所述传动盘齿轮的驱动源为对传动盘齿轮联动同步驱动的手动驱动拨挡和自动调节机构，

所述自行车上设有智能控制单元，所述智能控制单元包括用于测量踏板轴转速的测速传感器、及用于根据所述踏板轴转速数据驱动自动调节机构切换变速齿轮的微处理器，所述微处理器分别与所述测速传感器、自动调节机构相通讯连接。

2.根据权利要求1所述的手自一体变速自行车，其特征在于：所述智能控制单元包括用于测量自行车行进路面倾斜度的陀螺仪传感器，所述陀螺仪传感器与所述微处理器通讯相连。

3.根据权利要求1所述的手自一体变速自行车，其特征在于：所述自动调节机构包括舵机及与舵机的输出轴相连的偏角齿轮，所述偏角齿轮与所述传动盘齿轮相啮合。

4.根据权利要求3所述的手自一体变速自行车，其特征在于：所述舵机包括控制电路板、直流电机和减速齿轮组，所述直流电机驱动连接所述减速齿轮组，所述减速齿轮组的舵盘轴底部连接有可调电位器，所述舵盘轴的输出端连接所述偏角齿轮。

5.根据权利要求1所述的手自一体变速自行车，其特征在于：所述手自一体拨挡单元设有主电源，所述智能控制单元内设有辅电源，所述主电源与所述辅电源相连。

6.根据权利要求5所述的手自一体变速自行车，其特征在于：所述主电源为锂电池，所述辅电源为钮扣电池。

7.根据权利要求5所述的手自一体变速自行车，其特征在于：所述自行车设有用于摩擦发电的发动机，所述发电机与所述主电源相连。

8.根据权利要求5所述的手自一体变速自行车，其特征在于：所述自行车设有光伏充电板，所述光伏充电板与所述主电源相连。