CN220410813U - 自行车的驱动系统及自行车 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自行车的驱动系统及自行车，其包括人力机构、驱动电机、电池包、控制单元、数据采集单元及阻力装置；驱动电机与自行车的驱动轮驱动连接；数据采集单元包括第一数据采集元件与第二数据采集元件；第一数据采集元件采集的数据能够反应人力机构的运动频率；第二数据采集元件采集的数据能够反应驱动轮受到的驱动力矩。本专利中，控制单元通过第一数据采集元件采集骑行者的骑行者的骑行数据，并据此改变驱动电机的转速，由于驱动电机具有很高的转速范围，使得自行车具有很大的变速范围；另一方面，控制单元根据第二数据采集元件产生的数据改变阻力装置的线圈电流，对人力机构产生磁阻，以此模拟骑行阻力，保持骑行乐趣。

Description

自行车的驱动系统及自行车

技术领域

本实用新型涉及自行车技术领域，特别是涉及一种自行车的驱动系统及自行车。

背景技术

自行车是生活中常用的代步工具，随着科技的进步，当前，自行车的形态也变得多样化，主要体现在动力的形态产生了变化，从由人力驱动发展到电机助力以及纯电机驱动，现有技术中，一般的做法是在自行车脚踏中轴的位置设置中置电机，然后，中置电机与中轴通过同一动力传动路线将动力输出至自行车的驱动轮，如专利CN202400243U等所示公开了一种典型的自行车用驱动系统，其能够实现人力输出、人力与电机扭力混合输出以及纯电机扭力输出三种动力模式，搭载这种动力系统的自行车由于受到人力机构的限制，若要实现较大的变速方式，其后轮还需要搭载变速机构，如链盘式变速机构、电变速机构等，这就使动力系统变得较为复杂，且传统的变速机构切换档位时具有顿挫感较强的缺点。而纯电机驱动的自行车又存在丧失骑行乐趣的缺点。

实用新型内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种能够保持骑行乐趣，且具有较大的变速范围的自行车的驱动系统及自行车。

技术方案：为实现上述目的，本实用新型的自行车的驱动系统，其包括人力机构、驱动电机、电池包、控制单元以及数据采集系统；所述驱动电机与所述电池包电性连接，且与自行车的驱动轮驱动连接，所述驱动电机与所述人力机构之间没有传动连接关系；驱动电机可以通过减速机连接驱动轮或驱动电机内部集成减速机构，减速机或减速机构的速比可在20-100范围内选择，优选为50；减速机构的形式可以是行星齿轮减速机、谐波减速机等。所述驱动电机及所述数据采集系统均连接所述控制单元；

还包括阻力装置；所述阻力装置连接所述控制单元以及所述电池包；所述阻力装置能够对所述人力机构产生阻力，且其产生的阻力能够被所述控制单元改变；

所述数据采集系统包括第一数据采集元件与第二数据采集元件；所述第一数据采集元件采集的数据能够反应所述人力机构的运动频率，也即采集的数据为运动频率本身或者与运动频率相关的数据；所述第二数据采集元件采集的数据能够反应所述驱动电机对所述驱动轮的驱动力矩，也即采集的数据为驱动力矩本身或者与驱动力矩相关的数据。

上述人力机构优选为传统的脚踏机构，其由脚踏单元、曲柄以及中轴组成。人力机构也可以是其他机构形式，如供残疾人群使用的用手转动的手柄等、或者具有在固定角度内往复运动的自复位脚踏单元等。本申请中，以脚踏机构作为实施机构进行说明，此时人力机构的运动频率也即踏频，第一数据采集元件为霍尔传感器等用于检测转动频率的传感器。

进一步地，所述阻力装置为基于磁力的磁阻装置，其具有通电后产生电磁场的线圈，还包括能与通电后线圈相互作用的磁性金属或永磁体。

进一步地，作为一种结构形式，所述阻力装置为电动机或发电机，其由定子与转子构成，定子与转子中，其中一者包含由线圈组成的绕组，另一者包含圆周阵列的永磁体。当需要对人力机构产生阻力时，通过对绕组通电，使得阻力装置产生阻碍人力机构运行的阻力。采用电动机或发电机作为阻力装置时，其能够在有的工况下将人力机构输入的动能转化为电能，为电池包充电。

作为第二种结构形式，阻力装置可以包括包含线圈的电磁铁，还包括带有磁性金属或永磁体的转动部件，电磁铁安装偏离转动部件的中心，且其通电时能作用于转动部件上的磁性金属或永磁体，以通过吸引力或排斥力对人力机构产生阻力。

此外，阻力装置还可以是基于摩擦力的装置，如其包括连接人力机构的摩擦盘，还包括摩擦件以及驱动摩擦件靠近远离摩擦盘的驱动机构，控制单元控制驱动机构运转以改变摩擦力的大小，对人力机构产生不同大小的阻力。

上述驱动系统作业时，一方面，控制单元通过第一数据采集元件采集的数据确定目标速度，并根据目标速度改变驱动电机的转速，以使自行车的运转速度随着骑行者踩踏人力机构的频率产生变化。另一方面，控制单元根据第二数据采集元件产生的数据直接或间接得到力矩数据，根据力矩数据计算骑行阻力，并据此改变阻力装置中线圈组件的线圈电流，以对人力机构产生磁阻，依此模拟骑行阻力，保持骑行乐趣。

上述方案中，通过设置两个电机，由于驱动电机与人力机构没有传动连接，人力机构与驱动轮之间也没有传动连接关系，驱动电机直连驱动轮，不需要设置换档机构，可以利用驱动电机的大峰值转速实现类似于换档的效果，且没有传统带有换档机构的自行车换档时的顿挫感，可提升骑行感受。利用阻力装置对人力机构提供阻力，可以模拟骑行阻力，保持用户的骑行乐趣。

进一步地，所述驱动电机与所述驱动轮之间通过跨接于两者之间的传动机构传递动力；

所述传动机构包括循环单元；传动机构还包括分置于所述驱动电机的输出轴以及所述驱动轮的轮轴上的第一传动轮与第二传动轮，两个传动轮之间通过循环单元传动动力；

传动机构还包括对所述循环单元进行张紧的张紧轮，所述张紧轮通过支架连接自行车的车架；

所述第二数据采集元件包括安装在所述支架上的第一应变片。在一种方案中，第一应变片通过处理单元连接控制单元，处理单元能够对第一应变片产生的电信号进行处理后得到力矩数据，再将力矩数据反馈给控制单元；在第二种方案中，控制单元能够直接处理第一应变片产生的电信号，第一应变片直接连接控制单元。

循环单元的形式可以是链条、同步带或普通皮带等形式，对应的，第一传动轮与第二传动轮为链轮、同步轮或带轮。由于驱动电机带动驱动轮转动时，使循环单元具有绷直趋势，循环单元对张紧轮的反作用力会使支架产生形变，且驱动电机的驱动力矩越大，支架的形变越大，将第一应变片安装在支架上，采集的数据能够有效反应驱动电机的驱动力矩。通过实验对支架的形变与驱动力矩的对应关系进行量化，可以在实际使用中根据第一应变片产生的数据计算驱动电机的驱动力矩。采用这种方式采集驱动力矩。

现有技术中，一般将应变片安装在转动的部件上获取数据，供电与数据传输都较为复杂，本申请中，将第一应变片安装在支架上，可以直接进行数据采集，成本低且方便。

当然，力矩的采集也可以如上所言从转动的部件上获取数据。

进一步地，具体地，所述驱动电机与驱动轮之间的传动机构中包含力矩变形套，所述第二数据采集元件包括固定在所述力矩变形套上的第二应变片；力矩变形套随着驱动电机的输出轴或者随着驱动轮的车轴转动；另外为了实现对应变片产生数据的采集，第二数据采集元件还包括随力矩变形套转动的第一PCB板以及相对于车架固定的第二PCB板，第二PCB板与第一PCB板上均设置有线圈，使得所述第一PCB板与所述第二PCB板之间能够进行无线供电以及无线通信具体地，第二PCB板通过线圈之间的电磁感应原理对第一PCB板进行无线供电，第一PCB板同样基于电磁感应原理对第二PCB板无线发送力矩数据。第二PCB板连接控制单元，控制单元可以从获取第二PCB板获取的力矩数据。

进一步地，所述循环单元为链条或同步带，对应地，所述第一传动轮与所述第二传动轮为链轮或带轮。循环单元优选为同步带，同步带具有质量轻，寿命长，易于维护，受骑行环境较小的特点。

进一步地，还包括档位操纵单元，所述档位操纵单元连接所述控制单元。优选地，操纵单元安装在自行车的车把手上，骑行者可以对档位操纵单元进行操纵以选择多种档位中的一种，以获得模拟换挡效果，每一种档位对应一种转换速比，控制单元基于档位对应的转换速比以及人力机构的运动频率计算驱动电机的目标转速，并据此驱动驱动电机运转。

具体的，档位操纵单元可以具有多个对应于不同档位的按钮，或者具有可旋转至不同预设角度以对应不同档位的旋钮，如此用户选择档位可以模拟不同档位的速比，达到模拟变速箱或变速牙盘换档的效果，由于驱动电机极限转速高的驱动特性，其可以满足不同档位的转速要求，且模拟换档时可以避免实际变速箱或变速牙盘产生的搓顿感，使得换挡前后之间的过渡更平顺，提升体验。

本实用新型还提供了一种自行车，其包括上述驱动系统。

有益效果：本实用新型的自行车的驱动系统及自行车具有如下优点：

一方面，控制单元通过第一数据采集元件采集的数据采集骑行者的骑行数据，并根据骑行者的骑行数据改变驱动电机的转速，以使自行车的运转速度随着骑行者人力机构的运转频率产生变化，由于驱动电机具有很高的转速范围，使得自行车具有很大的变速范围。另一方面，控制单元根据第二数据采集元件产生的数据直接或间接得到力矩数据，根据力矩数据计算骑行阻力，并据此改变阻力装置的线圈电流，以对人力机构产生磁阻，依此模拟骑行阻力，保持骑行乐趣。

附图说明

图1为自行车的结构示意图；

图2为自行车中驱动系统部分的结构图；

图3为一种力矩采集装置的结构图；

图4为一种阻力装置的结构图；

图5为另一种阻力装置的结构图；

图6为驱动方法的流程示意图；

图7为驱动方法的部分流程示意图；

图8为驱动方法的部分流程示意图。

图中：A1-驱动轮；A2-车架；1-人力机构；21-第一数据采集元件；22-第二数据采集元件；22a-第一应变片；22b-第二应变片；22c-第一PCB板；22d-第二PCB板；3-驱动电机；4-阻力装置；41-电磁铁；42-转动部件；42a-单元体；43-摩擦盘；44-摩擦件；45-驱动机构；5-电池包；6-传动机构；61-第一传动轮；62-第二传动轮；63-循环单元；64-张紧轮；65-支架；7-档位操纵单元；10-控制单元。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。

如图1-2所示的自行车，其驱动系统包括人力机构1、驱动电机3、电池包5、控制单元10以及数据采集系统；所述驱动电机3与所述电池包5电性连接，且与自行车的驱动轮A1驱动连接，所述驱动电机3与所述人力机构1之间没有传动连接关系；所述驱动电机3及所述数据采集系统均连接所述控制单元10；

驱动系统还包括阻力装置4；所述阻力装置4连接所述控制单元10以及所述电池包5；所述阻力装置4能够对所述人力机构1产生阻力，且其产生的阻力能够被所述控制单元10改变；

所述数据采集系统包括第一数据采集元件21与第二数据采集元件22；所述第一数据采集元件21采集的数据能够反应所述人力机构1的运动频率，也即采集的数据为运动频率本身或者与运动频率相关的数据；所述第二数据采集元件22采集的数据能够反应所述驱动电机3对所述驱动轮A1的驱动力矩，也即采集的数据为驱动力矩本身或者与驱动力矩相关的数据。

上述人力机构1优选为传统的脚踏机构，其由脚踏单元、曲柄以及中轴组成。人力机构1也可以是其他机构形式，如供残疾人群使用的用手转动的手柄等、或者具有在固定角度内往复运动的自复位脚踏单元等。本申请中，以脚踏机构作为实施机构进行说明，此时人力机构1的运动频率也即踏频，第一数据采集元件21为霍尔传感器等用于检测转动频率的传感器。

优选地，所述阻力装置4为基于磁力的磁阻装置，其具有通电后产生电磁场的线圈，还包括能与通电后线圈相互作用的磁性金属或永磁体。

优选地，作为一种结构形式，所述阻力装置4为电动机或发电机，其由定子与转子构成，定子与转子中，其中一者包含由线圈组成的绕组，另一者包含圆周阵列的永磁体。当需要对人力机构1产生阻力时，通过对绕组通电，使得阻力装置4产生阻碍人力机构1运行的阻力。采用电动机或发电机作为阻力装置4时，其能够在有的工况下将人力机构1输入的动能转化为电能，为电池包5充电。

作为第二种结构形式，如图4所示，阻力装置4可以包括包含线圈的电磁铁41，还包括带有磁性金属或永磁体等单元体42a的转动部件42，电磁铁41安装偏离转动部件42的中心，且其通电时能作用于转动部件42上的磁性金属或永磁体，以通过吸引力或排斥力对人力机构1产生阻力。

此外，阻力装置4还可以是基于摩擦力的装置，如图5所示，如其包括连接人力机构的摩擦盘43，还包括摩擦件44以及驱动摩擦件44靠近远离摩擦盘43的驱动机构45，控制单元10控制驱动机构45运转以改变摩擦力的大小，对人力机构1产生不同大小的阻力。

上述驱动系统作业时，一方面，控制单元10通过第一数据采集元件21采集的数据确定目标速度，并根据目标速度改变驱动电机3的转速，以使自行车的运转速度随着骑行者踩踏人力机构1的频率产生变化。另一方面，控制单元10根据第二数据采集元件22产生的数据直接或间接得到力矩数据，根据力矩数据计算骑行阻力，并据此改变阻力装置4中线圈组件的线圈电流，以对人力机构1产生磁阻，依此模拟骑行阻力，保持骑行乐趣。

上述方案中，通过设置两个电机，由于驱动电机3与人力机构1没有传动连接，人力机构1与驱动轮A1之间也没有传动连接关系，驱动电机3直连驱动轮A1，不需要设置换档机构，可以利用驱动电机3的大峰值转速实现类似于换档的效果，且没有传统带有换档机构的自行车换档时的顿挫感，可提升骑行感受。利用阻力装置4对人力机构1提供阻力，可以模拟骑行阻力，保持用户的骑行乐趣。

优选地，所述驱动电机3与所述驱动轮A1之间通过跨接于两者之间的传动机构6传递动力；

所述传动机构6包括循环单元63；传动机构6还包括分置于所述驱动电机3的输出轴以及所述驱动轮A1的轮轴上的第一传动轮61与第二传动轮62，两个传动轮之间通过循环单元63传动动力；

如图2所示，传动机构6还包括对所述循环单元63进行张紧的张紧轮64，所述张紧轮64通过支架65连接自行车的车架A2；

所述第二数据采集元件22包括安装在所述支架65上的第一应变片22a。在一种实施例中，第一应变片22a通过处理单元连接控制单元10，处理单元能够对第一应变片22a产生的电信号进行处理后得到力矩数据，再将力矩数据反馈给控制单元10；在第二种实施例中，控制单元10能够直接处理第一应变片22a产生的电信号，第一应变片22a直接连接控制单元10。

循环单元63的形式可以是链条、同步带或普通皮带等形式，对应的，第一传动轮61与第二传动轮62为链轮、同步轮或带轮。由于驱动电机3带动驱动轮A1转动时，使循环单元63具有绷直趋势，循环单元63对张紧轮64的反作用力会使支架65产生形变，且驱动电机3的驱动力矩越大，支架65的形变越大，如图2所示，将第一应变片22a安装在支架65上，采集的数据能够有效反应驱动电机3的驱动力矩。通过实验对支架65的形变与驱动力矩的对应关系进行量化，可以在实际使用中根据第一应变片22a产生的数据计算驱动电机3的驱动力矩。采用这种方式采集驱动力矩。

现有技术中，一般将应变片安装在转动的部件上获取数据，供电与数据传输都较为复杂，本申请中，将第一应变片22a安装在支架65上，可以直接进行数据采集，成本低且方便。

当然，力矩的采集也可以如上所言从转动的部件上获取数据。

具体地，如图3所示，所述驱动电机3与驱动轮A1之间的传动机构中包含力矩变形套22e(图示力矩变形套22e设置在驱动电机3与第一传动轮61之间，其他实施例中也可以设置在第二传动轮62与驱动轮A1之间)，所述第二数据采集元件22包括固定在所述力矩变形套22e上的第二应变片22b；力矩变形套随着驱动电机3的输出轴或者随着驱动轮A1的车轴转动；另外为了实现对应变片产生数据的采集，第二数据采集元件22还包括随力矩变形套转动的第一PCB板22c以及相对于车架A2固定的第二PCB板22d，第二PCB板22d与第一PCB板22c上均设置有线圈，使得所述第一PCB板22c与所述第二PCB板22d之间能够进行无线供电以及无线通信具体地，第二PCB板22d通过线圈之间的电磁感应原理对第一PCB板22c进行无线供电，第一PCB板22c同样基于电磁感应原理对第二PCB板22d无线发送力矩数据。第二PCB板22d连接控制单元10，控制单元10可以从获取第二PCB板22d获取的力矩数据。

优选地，所述循环单元63为链条或同步带，对应地，所述第一传动轮61与所述第二传动轮62为链轮或带轮。循环单元63优选为同步带，同步带具有质量轻，寿命长，易于维护，受骑行环境较小的特点。

驱动系统还包括档位操纵单元7，所述档位操纵单元7连接所述控制单元10。优选地，操纵单元7安装在自行车的车把手A4上，骑行者可以对档位操纵单元7进行操纵以选择多种档位中的一种，以获得模拟换挡效果，每一种档位对应一种转换速比，控制单元10基于档位对应的转换速比以及人力机构1的运动频率计算驱动电机3的目标转速，并据此驱动驱动电机3运转。

具体的，档位操纵单元7可以具有多个对应于不同档位的按钮，或者具有可旋转至不同预设角度以对应不同档位的旋钮，如此用户选择档位可以模拟不同档位的速比，达到模拟变速箱或变速牙盘换档的效果，由于驱动电机3极限转速高的驱动特性，其可以满足不同档位的转速要求，且模拟换档时可以避免实际变速箱或变速牙盘产生的搓顿感，使得换挡前后之间的过渡更平顺，提升体验。

自行车的驱动方法，其基于上述的自行车的驱动系统，所述方法由控制单元10实施，如图6所示，所述方法包括如下步骤S101-S104(步骤序号不用于限制步骤实施顺序)：

步骤S101，获取所述第一数据采集元件21采集的数据以得到频率数据(踏频数据)；此处，频率数据可以根据第一数据采集元件21采集的数据直接或间接得到；

步骤S102，根据所述频率数据确定所述驱动电机3的目标转速，并驱动所述驱动电机3运转；

步骤S103，获取所述第二数据采集元件22采集的数据以得到扭矩数据；，此处，扭矩数据可以根据第二数据采集元件22采集的数据直接或间接得到；

步骤S104，根据所述扭矩数据控制所述阻力装置4对所述人力机构1产生阻力，使阻力与扭矩数据匹配。

优选地，步骤S102中所述根据所述频率数据确定所述驱动电机3的目标转速包括如下步骤S201-S202：

步骤S201，获取当前的虚拟档位信息，得到换算比；此处，换算比也即模拟的变速箱或变速牙盘的变速比，虚拟档位信息由用户通过档位操纵单元7选择确定，也可以由控制单元根据情况自行选择确定。

步骤S202，根据所述频率数据以及所述换算比计算所述目标转速。当频率数据为踏频时，直接计算频率数据与换算比的乘积得到目标转速。

其一个完整的流程如下：

如图7所示，驱动电机3通电向驱动轮A1输出驱动力矩→驱动轮A1受外阻力反馈到循环单元63→循环单元63的张紧器的支架65或者力矩变形套22e发生形变→应变片采集到形变数据→形变数据转换成力矩数据→阻力装置4根据力矩数据对人力机构1产生阻力模拟自然踩踏感受。

如图8所示，第二数据采集元件22采集到踏频数据→通过手动或者自动调节与驱动电机的换算比→通过驱动电机输出扭矩实现电子无极变速。

优选地，实际使用中，可设置检测驱动轮A1的实际转速的传感器，也可以通过GPS、北斗等定位手段进行车速检测，并根据实际车速计算驱动轮A1的实际转速；所述阻力装置4能够发电，其形式可以是电动机或发电机，所述方法还包括：

当所述驱动轮A1的实际转速大于目标转速时，进行动能回收以将所述人力机构1输入的动能转换为电能输送给所述电池包5和/或控制驱动电机3停止运转。通过该方式，可以在自行车处于下坡等路段时，将人力机构1的输入动能进行电能转换，同时避免驱动电机3空转浪费电能。驱动轮A1与驱动电机3之间具有单向离合器，使得可以驱动驱动轮A1运转，驱动轮A1不能反向带动驱动电机3运转，防止下坡路段驱动电机3对驱动轮A1形成阻力。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.自行车的驱动系统，其包括人力机构(1)、驱动电机(3)、电池包(5)、控制单元(10)以及数据采集系统；所述驱动电机(3)与所述电池包(5)电性连接，且与自行车的驱动轮(A1)驱动连接；所述驱动电机(3)及所述数据采集系统均连接所述控制单元(10)；

其特征在于：

还包括阻力装置(4)；所述阻力装置(4)连接所述控制单元(10)以及所述电池包(5)；所述阻力装置(4)能够对所述人力机构(1)产生阻力，且其产生的阻力能够被所述控制单元(10)改变；

所述数据采集系统包括第一数据采集元件(21)与第二数据采集元件(22)；所述第一数据采集元件(21)采集的数据能够反应所述人力机构(1)的运动频率；所述第二数据采集元件(22)采集的数据能够反应所述驱动电机(3)对所述驱动轮(A1)的驱动力矩。

2.根据权利要求1所述的自行车的驱动系统，其特征在于，所述阻力装置(4)为基于磁力的磁阻装置，其具有通电后产生电磁场的线圈，还包括能与通电后线圈相互作用的磁性金属或永磁体；

或者所述阻力装置(4)为摩擦阻力装置，所述控制单元(10)能够改变所述阻力装置(4)产生的摩擦阻力。

3.根据权利要求2所述的自行车的驱动系统，其特征在于，所述阻力装置(4)为电动机或发电机。

4.根据权利要求1所述的自行车的驱动系统，其特征在于，所述驱动电机(3)与所述驱动轮(A1)之间通过跨接于两者之间的传动机构(6)传递动力；

所述传动机构(6)包括循环单元(63)；

还包括对所述循环单元(63)进行张紧的张紧轮(64)，所述张紧轮(64)通过支架(65)连接自行车的车架(A2)；

所述第二数据采集元件(22)包括安装在所述支架(65)上的第一应变片(22a)。

5.根据权利要求1所述的自行车的驱动系统，其特征在于，所述驱动电机(3)与驱动轮(A1)之间的传动机构中包含力矩变形套，所述第二数据采集元件(22)包括固定在所述力矩变形套上的第二应变片(22b)；第二数据采集元件(22)还包括随力矩变形套转动的第一PCB板(22c)以及相对于车架(A2)固定的第二PCB板(22d)，所述第一PCB板(22c)与所述第二PCB板(22d)之间能够进行无线供电以及无线通信。

6.根据权利要求1所述的自行车的驱动系统，其特征在于，还包括档位操纵单元(7)，所述档位操纵单元(7)连接所述控制单元(10)。

7.自行车，其特征在于，其包括权利要求1-6任一项所述的驱动系统。