CN218431605U - 一种带有力矩耦合装置的电助力自行车中置电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带有力矩耦合装置的电助力自行车中置电机。本实用新型的技术方案是：包括壳体结构，壳体结构中设置有驱动电机、减速器、力矩耦合装置、中轴、力矩传感器、转速传感器以及电机控制器，壳体结构通过套筒设置在普通自行车中轴五通孔内或者通过挂件安装于不同结构的自行车车架上。驱动电机的驱动功率通过减速器齿轮传递到力矩耦合装置的大齿轮，并通过耦合装置的外环单向离合器驱动力矩耦合装置的中圈；人力骑行力矩通过曲柄和中轴传递给力矩耦合装置的内圈，也通过耦合装置中的内环单向离合器传递给中圈。耦合在中圈上的驱动力矩和人力骑行力矩通过与中圈螺钉连接的链轮输出驱动功率，并通过链条驱动后轮实现行驶。

Description

一种带有力矩耦合装置的电助力自行车中置电机

技术领域

本实用新型涉及电机技术领域，特别涉及电助力自行车中置电机领域。

背景技术

近几年，电助力自行车以其绿色环保和运动健康相结合的特点，广受市场的欢迎，在全球的销售日益增长。电助力自行车以其省力、节能的特点在自行车领域内越来越受到重视，尤其是中置电机助力方式的助力自行车，与力矩传感器结合形成的电机助力控制系统具有响应快、助力合理可控、车型适应性广、骑行体验好等特点，越来越成为助力自行车电机技术发展的主要方向。

在电助力自行车中置电机方面的专利很多，主要的目的是将助力电机、减速器、传感器和控制器集成为一体，同时尽可能做到体积小、重量轻。实际上，已授权的专利技术中，有的是功能不全，比如中国台湾张敏雄的专利 CN2561697Y就介绍了一种将电机、减速器和人力踩踏骑行相结合的中置电机，在各种现有自行车上都能方便的安装，实现助力骑行，但是该方案中并没有包括传感器和电机控制器，因此其系统集成度并不高。有的专利具有较多的功能集成，比如日本吉家彰人申请的专利CN103496427B和CN105667697B具有相似的结构，将电机、减速器、传感器、控制器和人力踩踏骑行相结合，实现助力骑行，但是该方案的传感器结构太过复杂，导致系统可靠性低，同时人力和电动的耦合方式导致系统密封难度提高，防水不好，这都大大降低其实用价值。本申请人前期也提出了有针对性的解决方案，如专利 CN201910348561.3提出了一种中置电机集成方案，将电机、减速机构、传感器和传动耦合方案等都予以解决，并通过一个完整的外壳和挂件结构安装于车架五通位置附近，实现人力骑行和电助力合并驱动后轮的骑行助力方式，取得了很好的助力效果和骑行体验。本申请人另一个专利CN201520247924.1 提供了一套中置电机内置力矩传感器系统的技术方案，可以实现与电机系统的结构集成，并提供力矩信号和踏频信号，提高了电助力控制精度和骑行助力效果。这些系统在功能上实现了预期的目标，但其结构仍然显得复杂，零部件较多，寿命和可靠性问题有待进一步提高。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的主要目的在于提供一种能够提高中置电机集成度，减少零部件数量；改进零部件受力，改进防水性能，提高系统寿命，同时降低系统噪声，提高骑行的舒适感和助力的平顺性的带有力矩耦合装置的电助力自行车中置电机。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：一种带有力矩耦合装置的电助力自行车中置电机，包括壳体结构，所述壳体结构中设置有驱动电机、减速器、力矩耦合装置、中轴、力矩传感器、转速传感器以及电机控制器，所述壳体结构通过套筒设置在普通自行车中轴五通孔内或者通过挂件安装于不同结构的自行车车架上，所述中轴与力矩耦合装置连接，所述中轴的两端设置有可安装曲柄和自行车脚踏的锥面，所述力矩耦合装置包括外圈、外环单向离合器、中圈、内环单向离合器和内圈，所述内圈的法兰盘与力矩传感器的外圈孔连接，所述外环单向离合器设置在外圈和中圈之间，所述内环单向离合器设置在内圈和中圈之间，链轮通过螺钉与中圈端部螺纹孔固定连接，所述内环单向离合器和外环单向离合器用于单向旋转解脱和反向锁止并传递扭矩，所述力矩传感器和转速传感器设置在中轴与力矩耦合装置的内圈之间，所述驱动电机的驱动功率通过减速器齿轮传递到力矩耦合装置的外圈，与人力骑行驱动的力矩耦合装置的内圈功率在中圈上进行耦合，驱动力矩耦合装置的中圈以及与中圈通过螺钉连接的链轮输出驱动功率，并通过链条驱动后轮实现行驶，所述电机控制器外部设置控制器盖，将电机控制器和减速器盖与壳体封装在一起，然后通过安装塑料壳形成整体电机的全封装结构。

优选的，所述力矩耦合装置的外圈可以与大齿轮合并成为一体，或者拆分为分体外圈和分体大齿轮，所述分体外圈和分体大齿轮通过平键联结。

优选的，所述力矩耦合装置的中圈的端面设置五个螺纹孔，与五爪盘通过螺钉连接，且在塑料壳与中圈的外圆柱配合面上设置塑料壳密封圈。

优选的，所述中轴的两端均设置有密封圈，左侧密封圈设置在壳体套筒部与中轴的左侧接近端部的位置，右侧密封圈设置于五爪盘与中轴配合的位置。

优选的，所述力矩耦合装置的内圈与中轴之间为间隙配合。

本实用新型相对于现有技术具有如下优点，带有力矩耦合装置的中置电机将驱动电机、减速器、力矩耦合装置、中轴、传感器和电机控制器集成于一个壳体内，可安装于普通自行车中轴五通孔内，或者通过挂件安装于不同结构的自行车车架上，具有体积小、重量轻、功率高等特点，对自行车外形影响较小，适用于不同车型。

力矩耦合装置将齿轮结构与双离合结构进行集成，将整体结构进一步简化，且装配工艺合理，具有较高的集成度，可靠性高，寿命长，占用空间少，防水简单，承载能力强，更加适合于助力自行车中置电机高集成度、大功率输出和良好的骑行体验等功能要求。采用的离合器结构使传动噪声更小，骑行舒适性提高。该中置电机整体封装较好，外露部位全部采用密封结构，且对骑行体验的负面影响较小，具有较好的整体性和密封性。

该中置电机的安装简单，只需要将中置电机的套筒穿过自行车标准五通孔，然后将固定支架、螺母锁环和螺母锁环外饰件依次安装后，即可将中置电机固定自行车上，然后安装链轮和链条即可骑行，具有安装、使用和维护方便等的好处。

附图说明

图1为本实用新型中置电机外形的结构示意图；

图2为本实用新型中置电机的剖面示意图；

图3为本实用新型实施例的力矩耦合装置的剖面图；

图4为本实用新型实施例的力矩耦合装置结构示意图一；

图5为本实用新型实施例的力矩耦合装置结构示意图二；

图6为本实用新型中置电机在带挂件车架上的安装剖面图；

图7为本实用新型中置电机在带挂件车架上的安装外形图；

图8为本实用新型中置电机在普通车架上的安装剖面图；

图9为本实用新型中置电机在普通车架上的安装外形图；

图10为本实用新型的力矩耦合装置实施例二的结构示意图。

图中：1、中轴；2、左侧卡簧；3、锁紧螺母；4、左侧轴承；5、壳体套筒部；6、右侧轴承；7、滑环副固定件；8、中置电机壳体；9、销钉；10、塑料壳；10a、塑料壳密封圈；11、力矩耦合装置；12、螺钉；13、右侧卡簧；14、力矩变形块；15、滑环副转动件；15a、磁钢；16、中间轴；17、中间轴小齿轮；18、中间轴右侧轴承；19、减速器盖；20、电机控制器盖；21、电机控制器；22、电机输出齿轮轴；23、一级减速大齿轮；24、单向轴承；25、卡簧；26、中间轴左侧轴承；27、驱动电机；28、固定叉；29、外饰件；30、左侧密封圈；31、速度模块；40、内圈销钉孔；41、内圈法兰；42、内圈； 43、螺纹孔；44、中圈；45、油槽；46a、内环单向离合器；46b、内环轴承； 47a、外环单向离合器；47b、外环轴承；48、外圈；49、大齿轮；50、车架； 51a、上挂件；51b、下挂件；52、中置电机总成；53a、左曲柄；53b、右曲柄；54a、左固定螺钉；54b、右固定螺钉；55、链轮；56、链轮罩；57、五爪盘；58、右侧密封圈；59、螺钉；60、普通车架；61、五通管；70、平键； 71、分体外圈；72、分体大齿轮。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1—9所示，中置电机工作时，人力踩踏自行车脚踏，并通过曲柄53a 和53b将踩踏力矩直接施加在中轴1上，中轴法兰1a上有5个螺纹孔，通过 5个螺钉12与力矩变形块14内圈孔相连接，力矩变形块14的外圈孔通过销钉9与力矩耦合装置11的内圈销钉孔40相连，这样就把中轴1上的踩踏力矩转递到了力矩耦合装置11的内圈42上，同时力矩变形块14也承受到踩踏力矩的作用而产生形变，其上安装的传感装置能感受到这一微小形变而输出电压信号，这就是骑行的踩踏力矩信号。为了将电压信号从安装在力矩变形块14中的传感装置中传输出来，力矩变形块14和壳体8上分别安装了滑环副的转动件15和固定件7。转动件15上设置有滑道，固定件7上设置有触点，二者同轴相对布置，使触点与对应的滑道接触，将电压信号通过滑道和触点传输出来并接入到壳体8中的电机控制器21。转动件15的外圆位置安装有一圈磁钢15a，在壳体8相对的位置安装有速度模块31，当磁钢15a经过速度模块31时，速度模块31会产生脉冲信号，整圈的磁钢15a经过速度模块31 而产生的脉冲数就可以计算出传动件15的转速，也就是骑行的踏频信号，同样传输给控制器21。这样，电机控制器21就可以根据力矩信号和踏频信号控制驱动电机27进行驱动功率输出。

该中置电机中的关键零件是力矩耦合装置11，其将力矩传感器和减速器高效地集成在一起，大大节省了空间，其结构如图3—5所示。该中置电机在车架上的安装有两种方式，一种是通过挂件安装在车架上，如图6—7所示；另一种是直接安装于普通车架的五通管内如图8—9所示。该中置电机的力矩耦合装置11具有较高的集成度，但同时也带来加工难度，为此提出了力矩耦合装置的实施例二，如图10所示，将力矩耦合装置的外圈大齿轮一体结构分割为分体外圈71和分体大齿轮72，二者采用紧配合，并用平键70进行联结。该方案大大降低加工难度，结构空间大小没变，仅多一个平键70。

该中置电机的中轴1通过两侧安装的两对轴承4和6旋转支撑在壳体8 的套筒部5中，而套筒5可通过挂件51a和51b安装于车架50上，也可以通过穿过五通管61安装于普通车架60上，并在套筒5端部的螺纹上安装锁紧螺母3和外饰件29，保证电机在挂件51a和51b或五通管61上的牢靠固定。中置电机壳体8上设置了圆形接口与驱动电机27直接相连，使驱动电机27 的输出齿轮轴22与减速器中间轴16上安装的一级减速大齿轮23相啮合，实现驱动电机功率的一级减速和增扭。中间轴16通过轴承26和18分别支撑在壳体8和减速器盖19上，减速器盖19与壳体8通过圆形接口固定连接，保证中间轴16的可靠固定。单向轴承24通过卡簧25固定在中间轴16上，使齿轮23将电机扭矩转递给中间轴16，其右侧的小齿轮17与力矩耦合装置11 的外圈大齿轮49相啮合，实现驱动电机功率的第二级减速和增扭，将驱动电机27的扭矩增大后传递给力矩耦合装置11的外圈48。力矩耦合装置11可以将内圈42和外圈48的力矩相耦合输出给中圈44，中圈上有5个螺纹孔，通过5个螺钉59将五爪盘57与中圈44相连，而五爪盘57与链轮55和链轮罩 56通过铆钉连接在一体，这样就实现了中置电机将人力骑行力矩和驱动电机力矩在力矩耦合装置11的耦合并输出给链轮55，驱动链条带动后轮实现电助力骑行运动。

该中置电机的力矩耦合装置11是提高系统集成度的关键，主要由带法兰盘41的内圈42、带大齿轮49的外圈48、内环轴承46b和内环单向离合器46a、外环轴承47b和外环单向离合器47a以及带螺纹孔43的中圈44组成。其中，法兰盘41上有一圈销钉孔40，通过销钉12与力矩变形块14的外圈连接，将作用在中轴1上的踩踏力矩经过力矩变形块后传递给力矩耦合装置11的内圈42。大齿轮49是中置电机减速系统的第二级传动齿轮，与中间轴16上的小齿轮17啮合，将驱动电机27的高转速和小扭矩转换成为该齿轮的低转速和大扭矩，传递给力矩耦合装置11的外圈48。内环单向离合器46a的结构保证来自内圈42的扭矩单向传递给中圈44，并传递给与其通过5个螺钉连接的五爪盘57和链轮55，然后链轮55驱动与之相连的链条带动后轮转动，实现人力骑行运动。外环单向离合器47a的结构保证来自大齿轮49的电助力扭矩单向传递给中圈44，实现人力骑行扭矩与电助力扭矩的耦合。如果正常骑行中人力踩踏的旋转方向是顺时针方向，内环单向离合器46a锁止，保证中圈44 沿顺时针方向一起转动；而人力踩踏方向是逆时针方向时，内环单向离合器 46a解脱，中圈44不随曲柄方向而旋转。外环单向离合器47a具有同样的作用，当大齿轮49扭矩方向是顺时针方向时，外环单向离合器47a锁止，中圈 44与大齿轮49一起顺时针旋转；当大齿轮49上无扭矩时，外环单向离合器 47a解脱，中圈44则在人力骑行扭矩的作用下仍然保持顺时针方向旋转。内环轴承46b和外环轴承47b可以保证力矩耦合装置承受径向力的同时，也可以承受一定的轴向力，适合于人力骑行时运动较复杂的受力特点，以及减速器采用斜齿轮引起的轴向力的作用。由此可见，该力矩耦合装置11的基本结构是一个双向离合器，实现了外圈48和内圈42的扭矩在中圈44上的单向耦合输出。

本专利中置电机力矩耦合装置11的内圈42与中轴1之间是间隙配合，允许内圈42与中轴1有一定的转动。当力矩变形块14受骑行力矩的作用发生变形时，内圈42与中轴1存在微小的转动。内圈42中开有数条微小油槽 45，其中涂敷润滑脂保证间隙配合面的摩擦力小到可忽略，同时也防止锈蚀。在中轴1上安装卡簧13，使力矩耦合装置11在中轴1上的轴向运动被限制，保证了力矩耦合装置11在中置电机中轴1上只能旋转运动。中轴1上的法兰盘1a通过5个螺钉与力矩变形块14的内圈螺纹孔连接，力矩变形块14的外圈孔上插入销钉9，其另一端插入力矩耦合装置11的内圈法兰41上的销钉孔 40中，将力矩变形块14承受的扭矩传递给内圈法兰41，并通过内环单向离合器46b传递给中圈44，实现人力骑行扭矩的输出。该力矩耦合装置的外圈 48与大齿轮49是一体结构，直接将大齿轮扭矩通过外环单向离合器47b传递给中圈，实现电助力扭矩的输出。

本专利提供了力矩耦合装置11的第二方案，分体大齿轮72和分体外圈 71是分体结构，通过其圆柱面的紧配合将二者压装在一起，并通过平键70连接，使分体大齿轮72上的电助力扭矩可靠地传递给分体外圈71，然后通过外环单向离合器47a继续传递给中圈44，实现力矩耦合输出。分体大齿轮72和分体外圈71的分体结构降低了力矩耦合装置11的加工和安装难度，但结构空间没有改变，有利于控制系统成本。力矩耦合装置使电助力与人力都可以独立驱动链轮，也可以耦合驱动链轮。其中，人力踩踏骑行的感受与普通自行车没有区别，也可以实现纯电动驱动。由于采用了单向离合器的结构原理，驱动中的传动噪声小，骑行舒适性提高。

为保证该中置电机的整体性、密封防水和防尘能力，电机控制器21外部安装控制器盖20，将电机控制器21和减速器盖19与壳体8封装在一起，然后通过安装塑料壳10，形成整体电机的全封装结构，提高了中置电机的整体性和密封性。中置电机总成的外形除线束接口外，还有中轴1两侧的输入端，以及力矩耦合装置11的中圈输出端面，其他位置全部为封装结构，因而具有更好的整体性和密封性。在中轴1的两端都安装密封圈，左侧密封圈30安装在壳体套筒部5与中轴1的左侧接近端部的位置，右侧密封圈58安装于五爪盘57与中轴1配合的位置，都可以防止水和尘土从中轴1的两端进入电机内部。这两个密封圈虽然都有一定的摩擦力矩，但中轴直径较小，所以摩擦力矩较小，对骑行感受的影响可以忽略。此外，力矩耦合装置11的中圈44的端面安装五爪盘57后，还将在塑料壳10与中圈44的配合面上安装塑料壳密封圈10a，防止该位置进水和尘土。实际上，五爪盘57安装后，已经将塑料壳10和中圈44完全覆盖，具有一定的防水和防尘作用，在安装塑料壳密封圈10a后，将进一步保证中置电机整体具有较好的密封性和防水性。

本专利中置电机的工作模式有三种，分别是人力骑行模式、纯电驱动模式和电助力骑行模式。人力骑行模式下，驱动电机27不工作，力矩耦合装置 11的外环单向离合器47a解脱，内环单向离合器46a锁止，力矩传递路径为：中轴1—>力矩变形块14—>内圈42—>内环单向离合器46a—>中圈44—>五爪盘57—>链轮55，实现传统的人力骑行模式。

纯电动驱动模式下，人力不用踩踏，安装在车把上的转把信号连接电机控制器21，控制驱动电机27进行功率输出，经过减速器减速增扭成为大齿轮49(或分体大齿轮72)上的扭矩输出。同时，力矩耦合装置11的内环单向离合器46a解脱，外环单向离合器47a锁止，力矩传递路径为：驱动电机27—> 齿轮轴22—>一级减速大齿轮23—>单向轴承24—>中间轴16—>中间轴齿轮 17a—>大齿轮49(或分体大齿轮72)—>外圈48(或分体外圈71)—>外环单向离合器47a—>中圈44—>五爪盘57—>链轮55，实现纯电动驱动模式。

在电助力骑行模式下，人力踩踏骑行，在中轴1上作用骑行力矩，力矩变形块14上安装的传感装置产生电压信号，传输给电机控制器21，然后控制驱动电机27输出一定扭矩作用于齿轮轴22上，经过减速器的减速增扭后成为大齿轮49(或分体大齿轮72)上的扭矩输出。此时，力矩耦合装置11的内环单向离合器46a和外环单向离合器47a都锁止，力矩传递路径为二合一耦合过程：即上述人力骑行模式的骑行扭矩和纯电驱动模式的电驱动扭矩都作用于中圈44—>五爪盘57—>链轮55，实现电助力骑行模式。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种带有力矩耦合装置的电助力自行车中置电机，其特征在于：包括壳体结构，所述壳体结构中设置有驱动电机、减速器、力矩耦合装置、中轴、力矩传感器、转速传感器以及电机控制器，所述壳体结构通过套筒设置在普通自行车中轴五通孔内或者通过挂件安装于不同结构的自行车车架上，所述中轴与力矩耦合装置连接，所述中轴的两端设置有可安装曲柄和自行车脚踏的锥面，所述力矩耦合装置包括外圈、外环单向离合器、中圈、内环单向离合器和内圈，所述内圈的法兰盘与力矩传感器的外圈孔连接，所述外环单向离合器设置在外圈和中圈之间，所述内环单向离合器设置在内圈和中圈之间，链轮通过螺钉与中圈端部螺纹孔固定连接，所述内环单向离合器和外环单向离合器用于单向旋转解脱和反向锁止并传递扭矩，所述力矩传感器和转速传感器设置在中轴与力矩耦合装置的内圈之间，所述驱动电机的驱动功率通过减速器齿轮传递到力矩耦合装置的外圈，并经过外环单向离合器传递到中圈上；人力骑行驱动中轴的力矩传递给力矩耦合装置的内圈，并通过内环单向离合器传递给中圈，二者功率在中圈上耦合，驱动力矩耦合装置的中圈以及与中圈通过螺钉连接的链轮输出驱动功率，并通过链条驱动后轮实现行驶，所述电机控制器外部设置控制器盖，将电机控制器和减速器盖与壳体封装在一起，然后通过安装塑料壳形成整体电机的全封装结构。

2.根据权利要求1所述的一种带有力矩耦合装置的电助力自行车中置电机，其特征在于：所述力矩耦合装置的大齿轮与外圈可合并为一个整体，或者拆分为分体外圈和分体大齿轮，所述分体外圈和分体大齿轮通过平键联结。

3.根据权利要求1所述的一种带有力矩耦合装置的电助力自行车中置电机，其特征在于：所述力矩耦合装置的中圈的端面设置五个螺纹孔，与五爪盘通过螺钉连接，且在塑料壳与中圈的外圆柱配合面上设置塑料壳密封圈。

4.根据权利要求1所述的一种带有力矩耦合装置的电助力自行车中置电机，其特征在于：所述中轴的两端均设置有密封圈，左侧密封圈设置在壳体套筒部与中轴的左侧接近端部的位置，右侧密封圈设置于五爪盘与中轴配合的位置。

5.根据权利要求1所述的一种带有力矩耦合装置的电助力自行车中置电机，其特征在于：所述力矩耦合装置的内圈与中轴之间为间隙配合。

Images