CN210235227U - 电动单车及电动单车动力中置传动总成 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了电动单车及电动单车动力中置传动总成，包括：转子轴呈水平布置的电机、向车轮传递动力的牙盘、向牙盘提供脚蹬动力的中轴、同轴浮套于中轴上的太阳齿轮、与中轴联动的行星架、穿设在行星架上且与太阳齿轮啮合的行星齿轮；转子轴通过其轴心的通孔同轴浮套于中轴上，且转子轴与太阳齿轮联动；牙盘同轴浮套于中轴上，且牙盘通过内齿轮与行星齿轮啮合传动；转子轴驱动行星齿轮转动输出，中轴通过转动行星架改变行星齿轮的转动输出。该传动结构可以大幅度优化结构尺寸，提高传动转化率。同时，通过不同的速比配合，达到多种形式模式，增加用户体验好感。

Description

电动单车及电动单车动力中置传动总成

技术领域

本发明涉及电动单车动力传动结构领域,特别是电动单车动力中置传动总成。

背景技术

中置电机是目前电动自行车上运用较为广泛的一类动力机构，其构成通常包含作为动力源的电机本体和作为传动系的行星减速机构、离合器、传动齿轮组及中轴和牙盘等。大部分中置电机本体的输出轴通过行星减速机构连接离合器，再由离合器通过内齿圈与中轴上的轴齿轮相连。但事实上，由于中轴本身的尺寸限制，加上电机本体及必要传动件位置的占据，中置传动结构的尺寸已经很难优化。情况更加窘迫的是，由于传动中无法脱离离合结构，离合器的设置会使动力传动结构的尺寸变得有增无减。

例如中国发明专利《电动车同轴中置电动机驱动装置》，申请号为200610005571.X。其公开了一种电机与脚踏轴同轴设置了传动方式，且其脚踏轴必须要通过离合结构实现其与飞轮的动能传递。因此，造成了整体尺寸无法缩减的问题，同时也增加了离合故障问题，离合结构是通过摩擦方式进行自锁的，其会带来更多不稳定的技术问题，但因此该方案是难以进行实际应用的。

为了解决上述情况，一些中置电机通常都是平行展开式的结构，这种结构中电机本体与中轴是平行布置的关系。相比原先同轴式的结构，此类中置电机中的电机本体、行星减速机构、离合器及齿轮传动系尺寸设置都可以不再受限制。然而在实际使用过程中，这类中置电机依旧暴露出如下缺陷：第一、传动轴之间的平行间距是的传动能耗变得更高，动能转化率降低了，电机只能更小；因此此类电机大多是300～500瓦。第二、部件较多，装配也较繁琐，整体结构尺寸在径向上大量增加了。第三、转轴的负担和应力较大，导致机构运转可靠性和稳定性均下降。因此，该改进方式并没有完美解决前一个问题，反而带来了更多的缺陷。第四、由于电机尺寸易受限，尤其是电机厚度与电机直径都不能太大，这样电机的功率就会受到约束。

例如中国发明专利《电动自行车紧凑型中置电机》，申请号为 201610264143.2，其采用了电机转子和中轴平行设置的方式进行结构布置。虽然其可以将扭矩负担降低，但是其并没有将结构进行优化，整个机构的轴向体积和径向尺寸并未得到缩减，使得整个中置电机的结构更加复杂，而且装配也变得更加繁琐。

因此，急待设计一种动力中置的电动车传动结构，其不仅能够结局尺寸优化的问题，同时也需要解决目前中置电机及传动所带来的其他技术问题，能够在节能环保使用的同时，还需要提高用户的体验感，增加用户的信赖度。

发明内容

本发明的技术方案是一种电动单车动力中置传动总成：包括电机、牙盘、中轴、行星轮系。

电机包括转子和定子，转轴中心为转子轴，转子轴呈水平向布置。定子套装在转子外侧，通电后，转子连带转子轴转动。

中轴即脚蹬轴，中轴用于提供脚蹬动力。

牙盘用于传递动力至车轮，牙盘的动力则可以从电机获得，也可从中轴获得。牙盘的动力获取部件为一个内齿轮，内齿轮的齿面轮廓与牙盘的外齿面轮廓也是同轴关系，因此内齿轮用于配合行星轮系。

行星轮系则包括太阳齿轮、行星架、行星齿轮，太阳齿轮位于行星轮的中心，行星轮通过行星轴穿设在行星架上。

基于上述部件的传动关系是：

转子轴为中空轴，其套装与中轴上；牙盘同轴套装与中轴上；行星轮系通过太阳齿轮中心的轴孔同轴套装于中轴上。且上述的同轴套装关系均为间隙配合，即可以发生相对转动。

传动配合具体为：转子轴与太阳齿轮同步联动，行星架与中轴同步联动，行星轮与内齿轮内核传动。

优选的是，由于电机可以通过控制磁场力度来达到控制转子转速的效果，因此，转子轴的转动状态也可以得到控制；转子轴的转动状态包括：转动方向、转动速度、是否转动。由于转子轴的转动状态不同，中轴不同转速下，牙盘可以具有多种输出模式。

例如，当转子轴处于不转动的状态(电机磁力最大化即)，中轴转动时，中轴的转动完全转换为牙盘的转动。

优选的是，中轴上，或转子轴上，或中轴和转子轴上，设置有用于感测轴转动参数的传感器。传感器用于获取转动参数包括：转动速度、转动方向、或转动角度。

优选的是，传感器为旋变器，旋变器可以通过输出电压的大小随转子角位移的变化而进一步的解算出系统中所需要的基础信号。

优选的是，牙盘与转子的转速比为1:(10～18)，合理的转速比可以使传动达到最大的输出效果，避免不必要的能耗。

优选的是，太阳齿轮的回转外表面包括：传动齿面区和传动连接区。

优选的是，传动连接区包括沿轴向开设的花键槽，转子轴的通孔内表面还设花键。

优选的是，中轴上设置有用于行星架固定的轴肩部。

优选的是，轴肩部与太阳齿轮的端面之间设置平面轴承来减少摩擦力。

优选的是，牙盘与行星架之间也设置有平面轴承来减少平面之间的摩擦力。

优选的是，牙盘、转子轴分别通过相应的轴承件来与中轴保持转动支撑。

一种电动单车，包括车体、车轮，车体上设置有电动单车动力中置传动总成。电动单车动力中置传动总成包括：电机、牙盘、中轴、行星轮系。

电机的转子轴为中空轴，其套装与中轴上；牙盘同轴套装与中轴上；行星轮系通过太阳齿轮中心的轴孔同轴套装于中轴上。且上述的同轴套装关系均为间隙配合，即可以发生相对转动。

传动配合具体为：转子轴与太阳齿轮同步联动，行星架与中轴同步联动，行星轮与内齿轮内核传动。在该传动配合的基础上，牙盘的输出模式不同使得电动单车可以实现：

1.单纯由电机提供动力的电动模式、2.单纯由脚踏提供动力的骑行模式、脚踏和电机同时工作的混合动力模式等。

基于上述的电动单车结构，在中轴及转子轴上设置传感器用于感测转动参数，转动参数可以用于电动单车的系统控制。根据不同转速或不同转向的配合达到更加具体的行使模式。

基于上述具有转动参数传感功能的单车，电机可以选用三相永磁同步电机，传感器可以选用旋变器。其效果是，三相永磁同步电机转动是具有磁力角度，因此旋变器可以获得转子的转动角度，从而根据“旋变条件”，解算为更加精确的系统反馈及系统输出。

基于上述的电动单车，在传动结构和配合条件可以更加的完善，例如：转子轴与太阳齿轮的连接可以通过花键及花键槽的配合；中置上设置轴肩不仅可以对行星轮系定位也可以固定行星架；太阳齿轮、行星架作为主要的转动件可以通过平面轴承减少配合间的平面摩擦。

本发明的优点是：

首先，其传动原理决定了其布置方式，以中置布置方式可以极大的优化结构尺寸，减轻车体重量，节约能耗。

其次，同轴布置方式可以将动能直接传递至车轮，动力传递过程中的额外耗损大幅度减少，传动的响应也更加直接。

第三，传动的配合中主要以行星轮系的特定连接关系及配合方式来实现动力“离”、“混”、“合”。无需额外的离合结构，因此可以进一步的优化结构，缩减尺寸，降低了配件数量。

第四，同轴设计的方式使得电机尺寸不受制约，电机的功率密度更加高，因此，电机的功率可以达到3000～5000瓦。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为电动单车动力中置传动总成的结构转配图；

图2为电动单车动力中置传动总成的结构爆炸图；

图3为中轴上同轴结构的正视图；

图4为图3中A-A截面的剖视图；

图5为电机转子的结构示意图；

图6为太阳齿轮与转子轴的配合示意图；

其中：1、中轴；2、电机；3、行星齿轮系；4、牙盘；5、中轴上的旋变器； 6、转子轴上的旋变器；11、曲柄；12、脚蹬；13、轴承件；14、轴肩；21、转子； 22、定子；211、转子轴；212、磁体；213、通孔；31、太阳齿轮；32、行星齿轮； 33、行星架；311、花键槽；312、花键；41、内齿轮；42、平面轴。

具体实施方式

实施例1

一种电动单车动力中置传动总成包括电机2、中轴1、牙盘4、行星齿轮系3。中轴 1即脚蹬轴，中轴1的两端安装曲柄11，曲柄11端部安装脚蹬12。电机2、牙盘4、行星齿轮系3均与中轴保持同轴的配合关系，因此在电动单车的布置结构中，电机2处于中置位置。

具体的，电机2包括了转子21和定子22。电机的选择类型有很多，例如直流无刷电机、磁阻电机、三相永磁同步电机等等。

本实施例中，如图1所示，转子21包括转子轴211以及套装在转子轴上的磁体212，定子22则包括围绕在转子外的绕组线圈。转子轴211为空心轴结构，转子轴211的轴心处有一个贯穿轴心的通孔213。转子轴211则通过该通孔213套装在中轴1上，且两者之间保持间隙配合互不干涉关系。同时，中轴1还通过轴承件A保持其与转子轴211之间的转动支撑。

牙盘4与中轴1的配合结构与上述方式相似，在牙盘4的轴心处也设一个贯穿轴心的轴孔，牙盘4通过该轴孔套装在中轴1上，同样两者之间保持间隙配合互不干涉关系，牙盘4与中轴1之间同样通过轴承件B保持转动支撑。

基于上述机构可以形成基础的“中置同轴”布置方式，转子轴211、牙盘4分别在通过轴承件13与中轴1保持同轴向的相对转动。该方式优于“偏轴”布置的原因在于：“偏轴”布置会使电机功率受到电机直径和高度的影响，如果电机直径增加，牙盘的差速扭矩会受到限制。如果电机叠片增加，那么脚踏连杆就会被机构遮挡，同时还需要配置合适的离合结构，结构会变得更大。

转子轴211与牙盘4之间的传动布置则通过行星齿轮系3来实现。行星齿轮系3包括一个太阳齿轮31、三个行星齿轮32、一个行星架33。太阳齿轮31位于行星架33的中心，三个行星齿轮32围绕着太阳齿轮31并与其啮合传动。同时，三个行星齿轮32通过行星轴穿设在行星架33上。

太阳齿轮31通过其轴孔套装在牙盘4和转子轴211之间的中轴1上，太阳齿轮31 和中轴1间隙配合。因此，行星齿轮系3与中轴1也保持同轴的位置关系。太阳齿轮31 在与行星齿轮32保持啮合传动关系的同时，太阳齿轮31也与转子轴211保持同步的联动关系。该同步的联动关系可以是多种对接关系，例如焊接、螺纹紧固、锁止等，本实施例中则选用花键312和花键槽311的配合关系来实现。具体的，在太阳齿轮31的回转外表面分为独立的两个区域：一个为传动齿面区，一个为传动连接区。传动齿面区与行星齿轮32啮合，传动连接区则为沿轴向开设的均匀排列的花键槽311。同时在转子轴211 的配合端口的内回转表面上设置对应的花键312。通过该配合方式，可以将转子的转动力直接传动至行星齿轮系。

行星齿轮系3则同轴的配合在一个内齿轮41中，该内齿轮41为牙盘4的一部分。如图1和4所示，牙盘4上正对行星齿轮系3的端面上设置一圏内齿轮41，内齿轮41 与牙盘4同轴心，行星齿轮32与内齿轮41啮合传动，因此行星齿轮32的自转将会带动牙盘4自转，此时的转动力则来自与电机的转子。

牙盘4不仅可以从电机获取动力，其同样可以从中轴获取转动力。中轴1与牙盘4之间的传动关系也是由行星齿轮系3完成的，行星齿轮系3中的行星架33是套装在中轴1上且与中轴1保持同轴关系的，因此将中轴1和行星架33联动。该联动关系可以是多种的，例如螺纹紧固、铆接、锁止等，本实施例中则选用焊接方式完成固连。因此，当中轴1获得脚蹬提供的转动力时，中轴1则同步带动行星架33自转，行星架33在自转的时候是通过行星齿轮32的公转来提供牙盘4的自转。

在牙盘4与行星齿轮系3的配合关系中，还设置了平面轴42承以减少接触平面之间的摩擦。本实施例中，则设置了两个平面轴承。例如图2所示，因为在中轴1上设置了一个沿轴径向凸起的轴肩14，该轴肩14用于行星齿轮系3的定位及固定。因此，行星架33可以焊接在该轴肩14上。在该轴肩14与太阳齿轮31之间则设置了一个平面轴承A 来降低摩擦力，同时在该轴肩14另一侧也设置了一个平面轴承B来减少行星架33左侧面与牙盘4对应表面之间的摩擦力。

上述传动及配合结构，可以实现多种动力提供模式，最终结合系统控制方式来达到电动单车不同的运行状态。

实施例2

根据上述的传动原理，牙盘4与转子21的转动情况会组合成多种输出结果。每种输出结果中转子转速、转子转向、中轴转速、中轴转向分别与牙盘均具有不同的对应状态。

下面以牙盘4的输出方向为基准，若输出为前进方向，则牙盘4为正向转动。基于该条件说明各输出结果：

1.纯电动行驶状态：

电机2为反向转动，转子21及转子轴211反向转动，太阳齿轮31反向转动，行星齿轮32正向转动，内齿轮41正向转动，牙盘4正向转动。此时电机2处输出状态。(反之则存在倒车模式)

2.人力骑行之健身状态：

中轴1正向转动，行星架33正向转动，电机2不转动，转子轴211则不转动，太阳齿轮31则不转动，行星齿轮32及内齿轮41正向转动，牙盘4正向转动。此时电机2 无输出。

3.人力骑行之充电状态：

中轴1正向转动，行星架33正向转动，牙盘4低速转动，内齿轮41低速转动，行星齿轮32反向转动，太阳轮31正向转动，转子轴211正向转动。此时电机2充电模式。

4.室内健身充电状态：

中轴1正向转动，行星架33正向转动，牙盘4不转动，内齿轮41不转动，行星齿轮32反向转动，太阳轮31正向转动，转子轴211正向转动。此时电机2也是充电模式。

5.组合动力之加速状态：

电机2为反向转动，转子21及转子轴211反向转动，太阳齿轮31反向转动，行星齿轮32正向转动；此时中轴1正向转动，行星架33正向转动加速内齿轮41转动，从而加速牙盘4转动。此时电机2低耗电。

6.组合动力之散步状态：

电机2为正向转动，转子21及转子轴211正向转动，太阳齿轮31正向转动，行星齿轮32反向转动；此时中轴1正向转动，行星架33正向转动减慢内齿轮41转动，从而降低牙盘4转动。此时电机2低耗电。

7.惯性能回收转为电能态：

车子随惯性向前运动，因此牙盘随之正向转动，此时中轴不转动，内齿轮随牙盘正向转动，行星轮正向转动，太阳轮则反向转动，转子轴反向转动，电机进入发电模式即惯性能回收状态。

实施例3

根据上述的传动原理及结构布置关系，在该电动单车动力中置传动总成中还包括了用于感测转动力参数的传感器。传感器主要是分布在中轴和转子轴上，分别来感测中轴的转速及转向、转子轴的转速及转向。

下表为中轴转动参数、转子轴转动参数所对应的每个输出状态：

基于传感器的感测，对应不同的感测结果，可以提供为操作系统提供参数反馈，以便用户切换至合适的行使状态。

实施例4

在本实施中，由于电机2选用三相永磁同步电机。基于其特性，在对其进行转动参数感测时，可以获得正弦波参数。对应控制系统通过“旋变条件”实现更精准的控制结果。因此，本实施例中的传感器均选用旋变器。与普通传感器相比，旋变器的效果在于通过“正弦波参数”可以由控制系统转换为便于用户理解的输出结果，例如：通过中轴上的旋变器5，可以获得人力踩踏的参数，从而转换为消耗的热量。通过转子轴上的旋变器6，可以获得电机2的输出稳定情况，从而可以转换为精准的耗能提示等等。

例如下表，为采用旋变器的输出示例：

旋变器位置	获取参数	解算值	输出情况
				中轴	50转/分钟	+	骑行1小时消耗1000大卡
转子轴	750转/分钟	-	骑行1小时耗电8％

实施例5

本实施例记载的是一种采用电动单车动力中置传动总成的电动车，其基于实施例1 中的结构，并配合实施3中的感测结构。

该电动车包括车体、车轮及电动单车动力中置传动总成，电动单车动力中置传动总成是安装在车体的中部。

电动单车动力中置传动总成包括：三相永磁同步电机、中轴1、牙盘4、行星齿轮系3、旋变器。中轴1的两端通过牙纹来套装脚蹬，三相永磁同步电机的转子通过行星齿轮系3传动至牙盘4，中轴1也通过行星齿轮系3传动至牙盘4。

三相永磁同步电机传动时，主要以太阳齿轮31进行传动，太阳齿轮31将转动力传递至行星齿轮32，若此时不考虑下行星架33的运动状态，行星齿轮32则由牙盘4上的内齿轮41带动牙盘4自转，牙盘4将转动力通过链条传递至后飞轮。

脚蹬传动时，主要以行星架33的转动进行传动，行星架33自转，此时分为两种情况：若太阳齿轮31不转即电机不转，行星架33自转会使得行星齿轮32拨动内齿轮41，因此牙盘4发送自转，牙盘4将动力传递至后飞轮。若内齿轮41不转即牙盘4不转，行星架33自转会使得行星齿轮32带动太阳齿轮31自转，太阳齿轮31将动力传递至转子轴211用于发电。

那么，基于实施例2，本电动单车结合控制系统对电机的转速控制，可以将电动单车的使用状态划分为多个模式，以“纯电动模式”为例说明电机与牙盘之间的输出速度比。

本实施例中，电机与牙盘的速比为15:1，即电机15转/分钟＝牙盘1转/分钟。牙盘与后飞轮的速比为1:2，即牙盘1转/分钟＝后飞轮2转/分钟。

电机以三相永磁同步电机为例，电机50Hz频率下的输出为750转/分钟，因此，基于上述速比换算出，此时牙盘的转速为50转/分钟，后飞轮的转速为100转/分钟。若后轮为24寸大小，后轮周长约为1.9米，因此每分钟可以行使190米，时速为11.4公里/ 小时。

基于上述速比及换算方法，通过调整电机的输出功率可以到达不同的行使速度，如下表所示：

序号	电机频率	电机转速	行使速度
				1	5Hz	75转/分钟	1.1公里/小时
2	20Hz	300转/分钟	4.5公里/小时
				3	50Hz	750转/分钟	11.4公里/小时
4	80Hz	1200转/分钟	18.2公里/小时
				5	200Hz	3000转/分钟	45.6公里/小时
6	400Hz	6000转/分钟	91.2公里/小时

综上所述，本方案中记载的电动单车动力中置传动总成及电动车，具有大量的优点。首先，其传动原理决定了其布置方式，以中置布置方式可以极大的优化结构尺寸，减轻车体重量，节约能耗。其次，同轴布置方式可以将动能直接传递至车轮，动力传递过程中的额外耗损大幅度减少，传动的响应也更加直接。第三，传动的配合中主要以行星轮系的特定连接关系及配合方式来实现动力“离”、“混”、“合”。无需额外的离合结构，因此可以进一步的优化结构，缩减尺寸，降低了配件数量。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明的。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明的所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.电动单车动力中置传动总成，包括：转子轴(211)呈水平布置的电机(2)、向车轮传递动力的牙盘(4)、向牙盘(4)提供脚蹬动力的中轴(1)；所述电机(2)包括定子、转子；其特征在于：

还包括同轴浮套于中轴(1)上的太阳齿轮(31)、与中轴联动的行星架(33)、穿设在行星架(33)上且与所述太阳齿轮(31)啮合的行星齿轮(32)；

所述转子轴(211)通过其轴心的通孔同轴浮套于中轴(1)上；且所述转子轴(211)与所述太阳齿轮(31)联动；

所述牙盘(4)同轴浮套于中轴(1)上，且所述牙盘(4)通过内齿轮(41)与所述行星齿轮(32)啮合传动；

所述转子轴(211)带动所述行星齿轮(32)转动输出，所述中轴(1)通过转动行星架(33)改变行星齿轮(32)的转动输出。

2.根据权利要求1所述的电动单车动力中置传动总成，其特征在于：所述转子轴(211)和所述中轴(1)两者的相对转动状态，使所述牙盘(4)产生多种输出模式。

3.根据权利要求2所述的电动单车动力中置传动总成，其特征在于：所述转子轴(211)的转动状态由电机(2)的磁场参数控制。

4.根据权利要求1或3所述的电动单车动力中置传动总成，其特征在于：所述中轴(1)上，或所述转子轴(211)上，或中轴(1)和转子轴(211)上，设置有用于感测轴转动参数的传感器。

5.根据权利要求4所述的电动单车动力中置传动总成，其特征在于：所述传感器为旋变器。

6.根据权利要求3所述的电动单车动力中置传动总成，其特征在于：所述牙盘(4)与所述转子设置有转速比。

7.根据权利要求1或6所述的电动单车动力中置传动总成，其特征在于：所述太阳齿轮(31)的回转外表面包括：传动齿面区和传动连接区。

8.根据权利要求7所述的电动单车动力中置传动总成，其特征在于：所述传动连接区包括沿轴向开设的花键槽(311)；所述转子轴(211)的通孔内表面还设有配合所述花键槽的花键(312)。

9.根据权利要求8所述的电动单车动力中置传动总成，其特征在于：所述中轴(1)上设置有用于行星架(33)固定的轴肩部(14)。

10.根据权利要求9所述的电动单车动力中置传动总成，其特征在于：所述轴肩部(14)与所述太阳齿轮(31)的端面之间设置平面轴承来减少摩擦力。

11.根据权利要求10所述的电动单车动力中置传动总成，其特征在于：所述牙盘(4)与所述行星架(33)之间也设置有平面轴承来减少平面之间的摩擦力。

12.根据权利要求11所述的电动单车动力中置传动总成，其特征在于：所述牙盘(4)、所述转子轴(211)分别通过相应的轴承件来与所述中轴(1)保持转动支撑。

13.一种电动单车，包括车体、车轮，其特征在于，所述车体上设置有如上述权利要求1至12中任意一项所述的电动单车动力中置传动总成。

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