DE102012107938B4

DE102012107938B4 - Fahrrad-Antriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE102012107938B4
Application number: DE102012107938.2A
Authority: DE
Inventors: Etsuyoshi Watarai
Original assignee: Shimano Inc
Current assignee: Shimano Inc
Priority date: 2011-08-29
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2015-12-10
Anticipated expiration: 2032-08-29
Also published as: CN102963484A; TW201332832A; CN102963484B; TWI474950B; US8781663B2; US20130054066A1; DE102012107938A1; JP2013047083A; JP5247863B2

Abstract

Fahrrad-Antriebsvorrichtung, umfassend:
einen Fahrrad-Kurbelsatz (118);
ein Fahrradgetriebe;
einen elektrischen Antriebsunterstützungsmotor (161);
einen Abschnitt zum Bestimmen einer Kurbelveränderung (141, 142), um
einen auf die Drehung des Fahrrad-Kurbelsatzes (118) bezogenen Veränderungswert (np, Tp) zu ermitteln, und
einen Mikrocomputer (151), umfassend
einen Schaltkommandoabschnitt (151b), der zum Ändern der Gänge ein Schaltkommando an das Fahrradgetriebe ausgibt,
einen Begrenzungsabschnitt, der eine Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors (161) nach Ausgabe des Schaltkommandos begrenzt,
einen Bestimmungsabschnitt (151c), der bestimmt, dass ein Gangschaltvorgang ausgeführt wurde, wenn der Veränderungswert (np, Tp) innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, und
einen Begrenzungsaufhebungsabschnitt, der die Begrenzung der Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors (161) aufhebt, wenn der Bestimmungsabschnitt (151c) bestimmt hat, dass der Gangschaltvorgang ausgeführt wurde.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fahrrad-Antriebsvorrichtung mit einem Fahrrad-Kurbelsatz, einem Fahrradgetriebe und einem elektrischen Antriebsunterstützungsmotor. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Fahrrad-Antriebsvorrichtung, die ein Fahrrad steuert, das einen Elektromotor für die Fahrunterstützung und ein Getriebe aufweist. Die Fahrrad-Antriebsvorrichtung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Fahrrad-Steuervorrichtung bezeichnet werden.
Elektrisch unterstützte Fahrräder, bei denen zur Fahrunterstützung die Trittkraft einer Person durch die Antriebskraft eines Motors ergänzt wird, werden zunehmend beliebt. Die japanische Offenlegungsschrift JP 2001-010 581 A beschreibt eine Steuerung, die bei einem elektrisch unterstützten Fahrrad, das mit einem Getriebe ausgestattet ist, ein sanftes und ruckfreies Schalten der Gänge ermöglicht. Führt ein Benutzer einen Vorgang aus, der zur Ausgabe eines Schaltkommandos führt, stoppt oder verringert die Steuerung vorübergehend eine Unterstützungskraft, die von einem Antriebsunterstützungsmotor bereitgestellt wird, und nimmt die Zuschaltung der Unterstützungskraft wieder auf, um den Radfahrer zu unterstützen, nachdem auf der Basis eines Sensors, der eine Schaltposition detektiert, bestätigt wurde, dass der Gangschaltvorgang beendet ist.
WO 2011/158 220 A2 offenbart eine Fahrrad-Antriebsvorrichtung mit einem Fahrrad-Kurbelsatz, einem Fahrradgetriebe und einem elektrischen Antriebsunterstützungsmotor. Die Fahrrad-Antriebsvorrichtung umfasst ferner einen Abschnitt zum Bestimmen einer Kurbelveränderung der ausgebildet ist, einen auf die Drehung des Fahrrad-Kurbelsatzes bezogenen Veränderungswert zu ermitteln, und einen Mikrocomputer. Der Mikrocomputer enthält einen Schaltkommandoabschnitt, der zum Ändern der Gänge ein Schaltkommando an das Fahrradgetriebe ausgibt, und einen Begrenzungsabschnitt, der eine Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors nach Ausgabe des Schaltkommandos begrenzt. Die Begrenzung der Leistung wird entweder nach einem festen Zeitintervall aufgehoben oder wenn ein erneuter Anstieg der Trittkraft registriert wird.
DE 601 10 853 T2 offenbart eine Fahrrad-Antriebsvorrichtung mit einem Fahrrad-Kurbelsatz, einem Fahrradgetriebe und einem elektrischen Antriebsunterstützungsmotor. Die Fahrrad-Antriebsvorrichtung umfasst ferner einen Abschnitt zum Bestimmen einer Kurbelveränderung, der ausgebildet ist, um einen auf die Drehung des Fahrrad-Kurbelsatzes bezogenen Veränderungswert zu ermitteln, und einen Mikrocomputer. Der Mikrocomputer enthält einen Schaltkommandoabschnitt, der zum Ändern der Gänge ein Schaltkommando an das Fahrradgetriebe ausgibt.
Bei der Steuerung, die in der JP 2001-010 581 A beschrieben ist, stellt sich das Problem einer zunehmend komplexen Fahrradkonstruktion, da sie einen Sensor benötigt um die Schaltposition zu detektieren, um zu bestimmen, ob der Gangschaltvorgang beendet worden ist. Abhängig von dem Getriebetyp ist es manchmal schwierig, einen solchen Sensor anzuordnen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Fahrrad mit Fahrunterstützung durch einen Elektromotor eine Bestätigung eines durchgeführten Gangschaltvorgangs mit einer einfachen Konstruktion zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Fahrrad-Antriebsvorrichtung angegeben, die hauptsächlich einen Fahrrad-Kurbelsatz, ein Fahrrad-Getriebe, einen elektrischen Antriebsunterstützungsmotor, einen Abschnitt zur Bestimmung einer Kurbelveränderung und einen Mikrocomputer umfasst. Der Abschnitt für die Bestimmung einer Kurbelveränderung ist ausgebildet, einen auf die Drehung des Fahrrad-Kurbelsatzes bezogenen Veränderungswert zu bestimmen. Der Mikrocomputer hat einen Schaltkommandoabschnitt, einen Begrenzungsabschnitt, einen Bestimmungsabschnitt und einen Begrenzungsaufhebungsabschnitt. Der Schaltkommandoabschnitt gibt ein Schaltkommando aus, das das Fahrradgetriebe anweist Gänge zu ändern. Der Begrenzungsabschnitt begrenzt eine Leistung (Output; Ausgabe) des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors nach Ausgabe des Schaltkommandos. Der Bestimmungsabschnitt bestimmt bei einem Veränderungswert innerhalb eines vorbestimmten Bereichs, dass ein Gangschaltvorgang ausgeführt (beendet) worden ist. Der Begrenzungsaufhebungsabschnitt hebt die Begrenzung der Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors auf, wenn der Bestimmungsabschnitt bestimmt hat, dass der Gangschaltvorgang ausgeführt (beendet) wurde.
Bei dieser Fahrrad-Antriebsvorrichtung wird die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors auf der Basis des Schaltkommandos begrenzt, und die Beendigung des Gangschaltvorgangs wird bestimmt auf der Basis des Ergebnisses der Messung des auf die Kurbeldrehung bezogenen Veränderungswerts. Wenn der Gangschaltvorgang beendet ist, wird die Begrenzung der Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors aufgehoben. Es ist daher nicht notwendig, einen Schaltpositionssensor zur Bestätigung der Schaltposition vorzusehen, wodurch die Konstruktion vereinfacht wird.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Abschnitt zum Bestimmen einer Kurbelveränderung um einen Sensor zum Bestimmen einer Kurbelveränderung.
Gemäß einem zweiten Aspekt umfasst die Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach dem ersten Aspekt ferner einen Speicherabschnitt, der den Veränderungswert speichert. Der Bestimmungsabschnitt legt den vorbestimmten Bereich auf der Basis eines Veränderungswerts fest, der vor Ausgabe des Schaltkommandos durch den Schaltkommandoabschnitt gespeichert wurde. Bei dieser Fahrrad-Antriebsvorrichtung kann auf der Basis einer Änderung des Veränderungswerts, die zwischen, vor und nach dem Schaltkommando stattfindet, bestimmt werden, dass ein Gangschaltvorgang ausgeführt (beendet) wurde.
Gemäß einem dritten Aspekt ist die Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach dem ersten oder dem zweiten Aspekt derart ausgebildet, dass der Abschnitt zur Bestimmung der Kurbelveränderung den Veränderungswert auf der Basis einer detektierten Drehgeschwindigkeit des Fahrrad-Kurbelsatzes ermittelt. Bei dieser Fahrrad-Antriebsvorrichtung kann die Beendigung (Ausführung) des Gangschaltvorgangs bestimmt werden, indem lediglich die Drehgeschwindigkeit der Kurbel gemessen wird, und die Beendigung des Gangschaltvorgangs kann unbeeinflusst von dem Getriebetyp bestimmt werden.
Gemäß einem vierten Aspekt ist die Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach dem ersten oder dem zweiten Aspekt derart ausgebildet, dass der Abschnitt zur Bestimmung der Kurbelveränderung den Veränderungswert auf der Basis einer detektierten Größe einer auf den Fahrrad-Kurbelsatz wirken Trittkraft (oder Pedalkraft) ermittelt. Bei dieser Fahrrad-Antriebsvorrichtung kann die Beendigung des Gangschaltvorgangs bestimmt werden, indem lediglich die Größe der Trittkraft gemessen wird. Bei einem Fahrrad mit einem elektrischen Antriebsunterstützungsmotor ist es allgemein üblich, die Größe der Trittkraft zu messen. Unter diesem Aspekt kann die Beendigung des Gangschaltvorgangs bestimmt werden, ohne einen weiteren Sensor vorzusehen, wodurch niedrigere Kosten erzielt werden können.
Gemäß einem fünften Aspekt wird eine Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach dem vierten Aspekt angegeben, wobei die auf die Kurbel wirkende Trittkraft als Rotationsdrehmoment angegeben wird, das auf eine Kurbelachse des Fahrrad-Kurbelsatzes ausgeübt wird. Bei dieser Fahrrad-Antriebsvorrichtung kann die Beendigung des Gangschaltvorgangs ohne Rücksicht auf den Getriebetyp bestimmt werden, indem das auf die Kurbelachse wirkende Drehmoment gemessen wird.
Gemäß einem sechsten Aspekt umfasst die Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach dem zweiten Aspekt ferner einen Fahrgeschwindigkeits-Messabschnitt, der eine Fahrgeschwindigkeit des Fahrrads misst. Der Abschnitt zur Bestimmung der Kurbelveränderung ermittelt den Veränderungswert auf der Basis einer detektierten Drehgeschwindigkeit des Kurbelsatzes. Der Speicherabschnitt speichert die Drehgeschwindigkeit und die Fahrgeschwindigkeit. Der Bestimmungsabschnitt legt auf der Basis einer Fahrgeschwindigkeit und einer Drehgeschwindigkeit, die vor Ausgabe des Schaltkommandos durch den Schaltkommandoabschnitt gemessen wurden, und auf der Basis einer aktuellen Fahrgeschwindigkeit einen vorbestimmten Bereich fest, der von dem Bestimmungsabschnitt verwendet wird. Da bei dieser Fahrrad-Antriebsvorrichtung auf der Basis von Fahrgeschwindigkeiten und Drehgeschwindigkeiten der Kurbelachse, die vor und nach Ausgabe des Schaltkommandos gemessen werden, bestimmt wird, ob der Gangschaltvorgang beendet wurde, lässt sich die Beendigung des Gangschaltvorgangs auf zuverlässige Weise bestimmen, selbst wenn sich die Fahrgeschwindigkeit aufgrund eines plötzlichen Bremsens oder dergleichen vor und nach dem Schaltkommando bedeutend geändert hat.
Gemäß einem siebten Aspekt wird eine Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach einem der Aspekte eins bis sechs angegeben, wobei das Getriebe ein Innengetriebe ist. Das Innengetriebe ist ein Getriebe, das mit Zahnrädern arbeitet. Abhängig von der Position, an der das Innengetriebe installiert ist, kann es als Hinterradnabengetriebe oder als Kurbel-Achsgetriebe bezeichnet werden. Da die Gangschaltvorgänge bei diesem Innengetriebe allgemein sanfter und ruckfreier ablaufen, wenn das übertragene Drehmoment kleiner statt größer ist, ist es zu bevorzugen, die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors während eines Gangschaltvorgangs zu begrenzen und die Begrenzung aufzuheben, nachdem der Gangschaltvorgang beendet ist. Mit dieser Fahrrad-Antriebsvorrichtung lässt sich bei einem Fahrrad mit einem elektrischen Antriebsunterstützungsmotor und einem Innengetriebe die Beendigung des Gangschaltvorgangs durch eine einfache Konstruktion bestimmen, und die Begrenzung der Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors sowie die Aufhebung der Begrenzung können in geeigneter Weise bewerkstelligt werden.
Gemäß einem achten Aspekt wird eine Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach einem der Aspekte eins bis sechs angegeben, wobei das Getriebe ein Außengetriebe ist. Ein Außengetriebe ist ein Getriebe, bei welchem die Gänge mit Hilfe eines Umwerfers durch die Bewegung der Kette zwischen den Kettenblättern geschaltet werden. Ein vorderer Umwerfer, der die Kette zwischen den Kettenblättern bewegt, und/oder ein hinterer Umwerfer, der die Kette zwischen den Ritzeln bewegt, wird mit einem sich von einem Schalter oder einem Elektromotor erstreckenden Draht (Kabel) betätigt, um zu schalten. Bei diesem Außengetriebe wird der Gangschaltvorgang nicht beeinträchtigt, wenn die Kette bis zu einem gewissen Grad gespannt ist. Bei einer zu hohen Kettenspannung ist das Schalten jedoch schwierig. Aus diesem Grund ist es bevorzugt, die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors während des Gangschaltvorgangs zu begrenzen und die Begrenzung der Leistung nach Beendigung des Schaltvorgangs aufzuheben. Mit dieser Fahrrad-Antriebsvorrichtung lässt sich bei einem Fahrrad mit einem elektrischen Antriebsunterstützungsmotor und einem Außengetriebe die Beendigung des Gangschaltvorgangs durch eine einfache Konstruktion bestätigen, und die Begrenzung der Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors sowie die Aufhebung der Begrenzung können in geeigneter Weise bewerkstelligt werden.
Gemäß einem neunten Aspekt wird eine Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach einem der Aspekte eins bis acht angegeben, wobei der elektrische Antriebsunterstützungsmotor für den Antrieb einer Fahrradkette konfiguriert ist. Bei dieser Fahrrad-Antriebsvorrichtung wird die Kette, die eine Trittkraft einer Person auf die Kurbel überträgt, durch den elektrischen Antriebsunterstützungsmotors direkt oder indirekt angetrieben. Deshalb ist es bevorzugt, die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors während eines Gangschaltvorgangs zu begrenzen und die Begrenzung der Leistung nach Beendigung des Gangschaltvorgangs rasch aufzuheben. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung kann bei einem Fahrrad mit elektrischem Antriebsunterstützungsmotor, der die Kette antreibt, die Beendigung eines Gangschaltvorgangs durch eine einfache Konstruktion bestimmt werden, und die Begrenzung der Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors sowie die Aufhebung der Begrenzung können in geeigneter Weise bewerkstelligt werden.
Bei einer Fahrrad-Antriebsvorrichtung, die im Folgenden im Detail erläutert wird, wird die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors auf der Basis des Schaltkommandos begrenzt, und die Beendigung des Gangschaltvorgangs wird auf der Basis des Ergebnisses der Messung eines auf die Kurbeldrehung bezogenen Veränderungswerts bestimmt. Ist der Gangschaltvorgang beendet, wird die Begrenzung der Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors aufgehoben. Ein Schaltpositions-Sensor zum Prüfen der Schaltposition ist daher nicht notwendig. Die Konstruktion wird vereinfacht. Gewicht und Kosten können reduziert werden. Die vorliegende Erfindung eignet sich für die Anwendung bei verschiedenen Typen von elektrisch unterstützten Fahrrädern mit Getriebe.
Es wird auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die Teil der vorliegenden Offenbarung sind.
1 ist eine Seitenansicht eines Fahrrads, bei dem eine Fahrrad-Antriebsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform verwendet wird;
2 ist ein Blockdiagramm, das die Baumerkmale eines elektrischen Systems eines Fahrrads zeigt, bei dem die Fahrrad-Antriebsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform verwendet wird;
3 ist eine perspektivische Ansicht einer Lenkereinheit eines Fahrrads, bei dem eine erste Ausführungsform der Erfindung angewendet ist;
4 ist ein Blockdiagramm einer Fahrrad-Antriebsvorrichtung (Fahrrad-Steuervorrichtung) gemäß der ersten Ausführungsform;
5 ist ein Bespiel, das zeigt, wie sich die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors während des Unterstützungsmodus eine Fahrrads ändert, bei dem die ersten Ausführungsform der Erfindung angewendet ist;
6 zeigt anhand eines Beispiels, wie bei einem Fahrrad gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer Drehgeschwindigkeit der Kurbelachse die Beendigung eines Gangschaltvorgang bestimmt wird, wenn das Fahrrad mit einer im Wesentlichen konstanten Geschwindigkeit fährt;
7A, 7B zeigt anhand eines Beispiels, wie bei einem Fahrrad gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer Drehgeschwindigkeit der Kurbelachse die Beendigung eines Gangschaltvorgangs bestimmt wird, wenn sich die Fahrradgeschwindigkeit bedeutend ändert;
8 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel einer Hauptroutine (Hauptprogramm) einer Schaltsteuerung zeigt;
9 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel einer Subroutine (Unterprogramm) für automatisches Schalten zeigt;
10 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel einer Subroutine (Unterprogramm) für manuelles Schalten zeigt; und
11 ist ein Blockdiagramm einer Fahrrad-Antriebsvorrichtung (Fahrrad-Steuervorrichtung) gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
12 zeigt anhand eines Beispiels, wie bei einem Fahrrad gemäß der zweiten Ausführungsform unter Verwendung einer Trittkraft die Beendigung eines Gangschaltvorgangs bestimmt wird.
1 zeigt ein Fahrrad 101, bei dem eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet ist. Das Fahrrad 101 ist ein unterstütztes Fahrrad, das konfiguriert ist für die Unterstützung des Fahrradfahrers durch einen Unterstützungsmechanismus 105a zur Ergänzung einer Antriebskraft, die der Fahrradfahrer aufbringt. Das Fahrrad 101 hat einen Rahmen 102 mit einem Rahmenkörper 102a und einer Vordergabel 102b, eine Lenkereinheit 104, eine Antriebseinheit 105, ein Vorderrad 106f, ein Hinterrad 106r, eine Vorderbremse und eine Rückbremse (in der Figur nicht dargestellt) und eine Vorderlampe 123. Das Fahrrad 101 hat auch das elektrische System 150, das in 2 gezeigt ist und das eine Mehrzahl von elektrischen Fahrradkomponenten umfasst. Die vorgesehenen elektrischen Komponenten sind eine Steuereinheit 151, der Unterstützungsmechanismus 105a, eine aufladbare Batterie 105b, eine Aufhängungseinheit 122a, eine Gangschalteinheit 170, die Vorderlampe 123, ein Gangschalter 175 und eine Dynamonabe 190.
In der folgenden Erläuterung sind die Positionsbeziehungen mit “links” und “rechts” angegeben, wobei sich die Angaben “links” und “rechts” von der Rückseite aus betrachtet auf die linke und rechte Richtung des Fahrrads 101 beziehen.
Wie in 1 gezeigt ist, ist die Vordergabel 102b an einem vorderen Abschnitt des Rahmenkörpers 102a befestigt, so dass sie um eine Schrägachse schwenkbar ist. Die Vorderlampe 123 ist eine Energiesparlampe mit einer Leuchtdiode und ist an der Vorderseite der Vordergabel 102b befestigt. Ein Sattel 111, die Lenkereinheit 104 und andere Komponenten sind an dem Rahmenkörper 102a montiert. Ein Aufhängungsrohr 122 zum Halten einer Kurbelachse 116 (später erläutert) ist an einem unteren mittleren Bereich des Rahmenkörpers 102a befestigt.
Eine Aufhängungseinheit 122a hat einen Drehmomentsensor 141 und einen Kurbel-Drehgeschwindigkeitssensor 142. Die Aufhängungseinheit 122a ist in dem Aufhängungsrohr 122 vorgesehen. Der Drehmomentsensor 141 misst ein auf die Kurbelachse 116 wirkendes Rotationsdrehmoment (später erläutert), das als Trittkraft (oder Pedalkraft) zu verwenden ist. Der Drehmomentsensor 141 misst ein Drehmoment der Kurbelachse 116 entweder berührungslos oder durch einen Kontakt mit der Kurbelachse 116 oder mit den Kurbelarmen 118, die an beiden Enden der Kurbelachse 116 befestigt sind. Der Drehmomentsensor 141 ist zum Beispiel ein magnetorestriktiver Sensor mit einem an der Kurbelachse 116 vorgesehenen magnetorestriktiven Element und einer dem magnetorestriktiven Element gegenüberliegenden Detektorspule, ein an der Kurbelachse 116 oder an den Kurbelarmen 118 vorgesehener Dehnungsmesser oder ein Dehnungsmesser, der an dem die Kurbelachse 116 tragenden Aufhängungsrohr 122 vorgesehen ist. Der Drehmomentsensor 141 ist nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Vielmehr ist jeder Sensor zulässig, dessen Ausgabe entsprechend dem auf die Kurbelachse 116 wirkenden Drehmoment variiert. Der Drehgeschwindigkeitssensor 142 dient dem Detektieren einer Anzahl von Drehungen pro Zeiteinheit, das heißt einer Drehgeschwindigkeit, der Kurbelachse 116. Der Drehgeschwindigkeitssensor 142 ist ein Beispiel eines Abschnitts zur Bestimmung einer Kurbelveränderung oder eines Sensors, der einen auf die Drehung der Kurbel bezogenen Veränderungswert misst. Der Drehgeschwindigkeitssensor 142 umfasst beispielsweise einen Magnet und einen Magnet-Detektionsabschnitt mit einem Reed-Schalter oder einem Hall-Element. Der Magnet des Drehgeschwindigkeitssensors 142 ist an der Kurbel befestigt, und der Magnet-Detektionsabschnitt ist an dem Rahmen an einer Position befestigt, in der dem Magnet gegenüberliegt und zugewandt ist.
Die Lenkereinheit 104 hat einen Lenkervorbau 104a, der auf der Oberseite der Vordergabel 102b befestigt ist, und einen Lenker 104b der an dem Lenkervorbau 104a befestigt ist. Der Lenker 104b hat einen rechten Bremshebel 119f und einen linken Bremshebel 119r und Griffe 115, die an beiden Enden angeordnet sind. Der Gangschalter 175 zum Bedienen der Gangschalteinheit 170 (später erläutert) mit der Hand ist in einem Bereich des Lenkers 104b befestigt, der näher zu dem Fahrer liegt als ein Bereich, in dem der rechte Bremshebel 119f befestigt ist.
Der rechte Bremshebel 119f ist durch ein Vorderbremskabel (nicht dargestellt) mit einer vorderen Bremsvorrichtung verbunden. Der linke Bremshebel 119r ist durch ein Hinterbremskabel (nicht dargestellt) mit einer hinteren Bremsvorrichtung verbunden.
Wie in 2 und 3 dargestellt ist, hat der Gangschalter 175 einen ersten Schaltknopf 175a, einen zweiten Schaltknopf 175b und einen Drehwähler 175c. Wie in 3 dargestellt ist, sind der erste Schaltknopf 175a und der zweite Schaltknopf 175b und der Drehwähler 175c so positioniert, dass eine Person sie mit einem Finger bedienen kann, während er die Griffe 115 des Lenkers 104b umgreift.
Der erste und der zweite Schaltknopf 175a und 175b sind Druckschalter. Der erste Schaltknopf 175a ist ein Schaltknopf zum Schalten von einem niedrigeren in einen höheren Gang. Der zweite Schaltknopf 175b ist ein Schaltknopf zum Schalten von einem höheren in einen niedrigeren Gang. Der Drehwähler 175c ist ein Drehwähler zum Umschalten zwischen zwei Schaltmoden und einem Parkmodus (P) und hat drei Stopp-Positionen: P, A und M. Die beiden Schaltmoden sind ein automatischer Schaltmodus (A) und ein manueller Schaltmodus (M). Der automatische Schaltmodus ist ein Modus, in dem eine Schaltnabe 130 (Nabenschaltung) auf der Basis eines Fahrrad-Geschwindigkeitssignals von einem Geschwindigkeitssensor 191 (später erläutert) automatisch geschaltet wird. Der manuelle Schaltmodus ist ein Modus, in dem die Schaltnabe 130 in einen gewünschten Gang geschaltet wird, indem die Schaltknöpfe 175a und 175b bedient werden. Der Parkmodus ist ein Modus, in dem die Schaltnabe 130 gesperrt wird, so dass eine Drehung des Hinterrads 106r unterbunden wird. Während des Fahrens auf dem Fahrrad wird der Parkmodus nicht benutzt.
Die Antriebseinheit 105 umfasst eine Kurbelachse 116, die drehbar in dem Aufhängungsrohr 122 des Körperrahmens 102a gelagert ist. Die Antriebseinheit 105 umfasst ferner einen rechten Kurbelarm 118a, einen linken Kurbelarm 118b, eine Kette 119 und einen Unterstützungsmechanismus 105a, der den Antrieb des Fahrrads durch den Antrieb der Kette 119 unterstützt. Die Antriebseinheit 105 umfasst weiterhin eine aufladbare Batterie 105b, die abgenommen werden kann, und eine Schaltnabe 130. Der rechte Kurbelarm 118a und der linke Kurbelarm 118b sind an den einander gegenüberliegenden Enden der Kurbelachse 116 befestigt. Die Kurbelachse 116, der rechte Kurbelarm 118a und der linke Kurbelarm 118b bilden einen Kurbelsatz. Pedale 121 sind an den vorderen Enden des rechten Kurbelarms 118a und des linken Kurbelarms 118b befestigt. Der rechte Kurbelarm 118a und der linke Kurbelarm 118b sind um 180 Grad versetzt. Die Kette 119 ist auf einem vorderen Kettenblatt, das an der Kurbelachse 116 befestigt ist, und auf einem hinteren Ritzel, das an der Schaltnabe 130 vorgesehen ist, angeordnet.
Wie in 2 gezeigt ist, hat der Unterstützungsmechanismus 105a einen elektrischen Antriebsunterstützungsmotor 161 und einen Inverter 162. Der elektrische Antriebsunterstützungsmotor 161 ist beispielsweise ein bürstenloser Dreiphasenmotor oder ein Wechselstrommotor. Der Inverter 162 konvertiert einen von der aufladbaren Batterie 105b gelieferten Gleichstrom in einen für den Antrieb des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors 161 geeigneten Wechselstrom. Über ihre Funktion als Stromquelle für den Unterstützungsmotor 105a hinaus wird die aufladbare Batterie 105b zum Beispiel auch als Stromquelle für die Vorderlampe 123 und für die Gangschalteinheit 170 (später erläutert) verwendet. Die aufladbare Batterie 105b ist beispielsweise eine Nickel-Wasserstoff-Batterie oder eine Lithium-Ionen-Batterie. Der elektrische Antriebsunterstützungsmotor 161 kann die Kette direkt oder indirekt antreiben. Zum Beispiel ist es zulässig, wenn der elektrische Antriebsunterstützungsmotor 161 die Kette über einen Untersetzungsgetriebemechanismus oder die Kurbel über einen Untersetzungsgetriebemechanismus antreibt.
Die Schaltnabe 130 ist in einem zentralen Bereich des Hinterrads 106r angeordnet und wird durch die Kette 119 angetrieben. Die Schaltnabe ist ein Beispiel eines Getriebes. Die Schaltnabe 130 verfügt beispielsweise über acht Geschwindigkeiten. Eine hintere Bremsvorrichtung, die zum Beispiel eine Rollenbremse, eine Bandbremse oder eine Scheibenbremse umfasst, ist mit der Schaltnabe 130 verbunden. Die Gangschalteinheit 170 ist mit der Schaltnabe 130 verbunden und dient dem elektrischen Antrieb eines Gangschaltmechanismus, der einen Planetengetriebemechanismus umfasst. Wie in 2 dargestellt ist, hat die Gangschalteinheit 170 einen elektrischen Gangschaltmotor 171 für den Antrieb des Gangschaltmechanismus der Schaltnabe 130.
Die Dynamonabe 190 ist ein Wechselstromgenerator, der in einem zentralen Bereich des Vorderrads 106f angeordnet ist. Die Dynamonabe 190 ist mit einer vorderen Bremsvorrichtung verbunden, die beispielsweise eine Rollenbremse, eine Bandbremse oder eine Scheibenbremse umfasst. Wenn eine Rollenbremse, eine Bandbremse, eine Scheibenbremse oder eine andere Art einer Vorderbremse nicht mit der Dynamonabe 190 verbunden ist, sollte an der Vordergabel 102b eine V-Bremse, eine Cantilever-Bremse oder eine andere Bremsvorrichtung vorgesehen sein. Der Geschwindigkeitssensor 191 ist in der Dynamonabe 190 vorgesehen und dient dem Messen einer Fahrradgeschwindigkeit. Es ist zulässig, wenn in der Dynamonabe 190 ein von der Dynamonabe 190 getrennter Geschwindigkeitssensor vorgesehen ist oder wenn die Dynamonabe 190 selbst als Geschwindigkeitssensor 191 verwendet wird. Wenn der Geschwindigkeitssensor 191 als eine von der Dynamonabe 190 separate Einheit verwendet wird, könnte der Geschwindigkeitssensor 191 zum Beispiel einen Magnet umfassen, der an einem Rotationsbereich der Dynamonabe 190 befestigt ist, und einen Reed-Schalter oder ein Hall-Element, der oder das an einem Nichtrotationsbereich der Dynamonabe 190 befestigt ist. Wenn die Dynamonabe 190 selbst als Geschwindigkeitssensor 191 verwendet wird, wird eine Fahrgeschwindigkeit des Fahrrads auf der Basis einer Wechselstromwellenform berechnet, die von dem Dynamo der Dynamonabe 190 ausgegeben wird. Der Geschwindigkeitssensor 191 ist ein Beispiel eines Fahrgeschwindigkeits-Messabschnitts. Obwohl der Geschwindigkeitssensor 191 in der vorliegenden Ausführungsform in der Dynamonabe 190 vorgesehen ist, kann auch ein Geschwindigkeitssensor verwendet werden, der beispielsweise einen an einer Speiche befestigten Magnet und einen Reed-Schalter oder ein Hall-Element umfasst, der oder das an dem Rahmen befestigt ist.
Es wird nunmehr die Steuereinheit 151 der in dem Fahrrad 101 verwendeten Fahrradsteuervorrichtung beschrieben. Die Steuereinheit 151 hat einen Mikrocomputer und dient der Steuerung von elektrischen Komponenten, die mit der Steuereinheit 151 verbunden sind. Der Mikrocomputer enthält eine CPU (Zentraleinheit), ein RAM (random access memory; Schreib-Lese-Speicher), ein ROM (read only memory; Nur-Lesespeicher; Festwertspeicher) und eine E/A-Schnittstelle (I/O interface; Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle). Wie 4 zeigt, hat die Steuereinheit 151 die folgenden Funktionsabschnitte: einen Leistungssteuerungsabschnitt 151a, einen Schaltsteuerungsabschnitt 151b (kann auch als Gangschaltsteuerungsabschnitt bezeichnet werden), einen Bestimmungsabschnitt 151c, einen Speicherabschnitt 151d und einen Schaltwählabschnitt 151e.
Während eines Unterstützungsmodus variiert der Leistungssteuerungsabschnitt 151a die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors 161, die als Unterstützungskraft dient, entsprechend einer Trittkraft. Insbesondere führt der Leistungssteuerungsabschnitt 151 eine Steuerung derart durch, dass die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors 161 gleich einem Produkt eines vorgeschriebenen Werts und der durch den Drehmomentsensor 141 detektierten Trittkraft wird. Der Leistungssteuerungsabschnitt 151a steuert den elektrischen Antriebsunterstützungsmotor 161 in einer Mehrzahl von Unterstützungsmoden. Der Leistungssteuerungsabschnitt 151a hat drei Unterstützungsmoden, und zwar einen Modus für hohe Unterstützung, der für eine Unterstützungskraft bis zur maximal 2-fachen Trittkraft ausgelegt ist, einen Modus für mittlere Unterstützung, der für eine Unterstützungskraft bis zur maximal 1,5-fachen Trittkraft ausgelegt ist, und einen Modus für geringe Unterstützung, der für eine Unterstützungskraft bis zur maximal 1-fachen Trittkraft ausgelegt ist. Zur Änderung der Unterstützungsmoden eignet sich ein Schalter (nicht dargestellt), der an der Lenkereinheit 104 vorgesehen ist, oder es kann der Drehwähler 175c verwendet werden.
Wenn jedoch die Leistung (AF) des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors auf das Produkt der durch den Drehmomentsensor 141 detektierten Trittkraft (TF) und eines vorgeschriebenen Werts eingestellt wird, verringert sich die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors 161 auf etwa Null, wenn sich die Kurbelarme in der Nähe ihrer oberen und unteren Totpunktstellung befinden, an dem sich die Trittkraft auf annähernd Null reduziert. Die Folge davon ist, dass die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors 161 wiederholt zwischen an und aus pulsiert, wodurch der Fahrkomfort beeinträchtigt wird. Aus diesem Grund wird in jedem der Unterstützungsmoden eine Steuerung durchgeführt, um die Pulsation zu vermeiden. Speziell wenn der durch eine Multiplikation der durch den Drehmomentsensor 141 detektierten Trittkraft mit einem vorgeschriebenen Wert erhaltene Wert kleiner als ein anderer vorgeschriebener Wert ist, wird die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors 161 auf den anderen vorgeschriebenen Wert eingestellt und für die Kette 19 bereitgestellt. Das heißt, die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors 161 folgt dem in 5 gezeigten Verlauf. In den Graphen in 5 ist an der horizontalen Achse jeweils die Kurbelposition und an der vertikalen Achse die Trittkraft und die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors angegeben.
In bestimmten Fällen begrenzt der Leistungssteuerungsabschnitt 151a die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors 161 auf null. Darüber hinaus kann, wenn eine Bedingung für die Aufhebung der vorgeschriebenen Begrenzung geschaffen wird, die Leistungsbegrenzung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors 161 aufgehoben und die Steuerung, die entsprechend der Trittkraft durchgeführt wird, wieder aufgenommen werden. Der Leistungssteuerungsabschnitt 151a ist ein Bespiel eines Begrenzungsabschnitts und eines Begrenzungsaufhebungsabschnitts.
Der Gangschaltsteuerungsabschnitt 151b weist den elektrischen Gangschaltmotor 171 an, unter einer vorgegebenen zeitlichen Steuerung zu arbeiten, wie das später erläutert wird. Der Gangschaltsteuerungsabschnitt 151b ist ein Beispiel eines Schaltkommandoabschnitts.
Der Bestimmungsabschnitt 151c bestimmt auf der Basis einer Drehgeschwindigkeit der Kurbelachse 116, die durch den Drehgeschwindigkeitssensor 142 gemessen wird, ob ein Gangschaltvorgang beendet (ausgeführt) worden ist. Die Funktionen des Bestimmungsabschnitts 151c werden später erläutert.
Der Speicherabschnitt 151d speichert eine Drehgeschwindigkeit der Kurbelachse 116, die durch den Drehgeschwindigkeitssensor 142 gemessen wird, und eine Fahrradgeschwindigkeit, die durch den Geschwindigkeitssensor 191 gemessen wird. Der Speicherabschnitt 151d speichert auch einen Gang, in den das Getriebe gemäß dem Schaltkommando der Gangschaltsteuerungseinheit 151b schalten soll. Der Speicherabschnitt 151d speichert auch Informationen, die sich auf das Übersetzungsverhältnis (Übersetzung) der Schaltnabe 130 beziehen.
Der Schaltwählabschnitt 151e erkennt den mit Hilfe des Drehwählers 175c eingestellten Schaltmodus und führt eine Steuerung entsprechend dem erkannten Modus durch.
Wenn der erkannte Modus der automatische Schaltmodus (A) ist, wählt der Schaltwählabschnitt 151e einen Gang, in den entsprechend der Fahrradgeschwindigkeit, die durch den Geschwindigkeitssensor 191 gemessen wurde, zu schalten ist, und überträgt an die Gangschaltsteuerungseinheit 151b eine Aufforderung, in den gewählten Gang zu schalten. Die Wahl des Gangs, in den geschaltet werden soll, erfolgt auf der Basis einer Tabelle, die in einem Kennfeld die Beziehung zwischen der Fahrradgeschwindigkeit und dem Gang gespeichert hat. Normalerweise enthält der Schaltwählabschnitt 151e zwei verschiedene Tabellen für automatisches Schalten und verwendet abhängig von der durch den Drehmomentsensor 141 detektierten Trittkraft die eine oder die andere Tabelle. Insbesondere sind eine Tabelle mit einem Modus für ein hohes Drehmoment und eine Tabelle für einen Normalmodus gespeichert, und beide Tabellen speichern Schwellenwerte der Fahrradgeschwindigkeit zum Hochschalten oder zum Herunterschalten im automatischen Schaltmodus. Die Schwellenwerte für die Fahrradgeschwindigkeit, die für den Modus mit hohem Drehmoment gespeichert sind, sind Schwellenwerte der Fahrradgeschwindigkeit für den Fall, dass die Trittkraft gleich einem oder größer als ein vorgeschriebener Wert ist, und die Schwellenwerte der Fahrradgeschwindigkeit, die für den Normalmodus gespeichert sind, sind Schwellenwerte der Fahrradgeschwindigkeit für den Fall, dass der Wert der Trittkraft kleiner als ein vorgeschriebener Wert ist.
Wenn der Schaltwählabschnitt 151e hingegen erkennt, dass der Drehwähler 175c auf den manuellen Modus (M) eingestellt ist, führt der Schaltwählabschnitt 151e Schaltvorgänge entsprechend der jeweiligen Betätigung des Gangschalters durch den Radfahrer durch, ohne Rücksicht auf Bestimmungen betreffend das Schalten.
Wie der Bestimmungsabschnitt 151c bestimmt, ob ein Gangschaltvorgang beendet (ausgeführt) wurde, wird im Folgenden mit Bezug auf die 6 und 7 erläutert. 6 zeigt anhand eines Beispiels, wie die Beendigung eines Gangschaltvorgangs bestimmt wird, wenn das Fahrrad mit einer im Wesentlichen konstanten Geschwindigkeit fährt. 7 zeigt anhand eines Beispiels, wie die Beendigung eines Gangschaltvorgangs bestimmt wird, wenn sich die Fahrradgeschwindigkeit bedeutend ändert.
Zunächst wird 6 erläutert. In 6 ist an der horizontalen Achse die Zeit und an der vertikalen Achse die Drehgeschwindigkeit der Kurbel angegeben. In diesem Fall ist die Zeit von dem Beginn des Gangschaltvorgangs bis zum Ende des Gangschaltvorgangs kurz, da von einer im Wesentlichen konstanten Fahrgeschwindigkeit des Fahrrads ausgegangen wird.
Der Bestimmungsabschnitt 151c liest aus dem Speicherabschnitt 151d eine Drehgeschwindigkeit der Kurbelachse 116 aus, die unmittelbar detektiert wurde vor Ausgabe eines Schaltkommandos durch die Schaltsteuerungseinheit 151b. Wenn der Drehwähler 175c auf den automatischen Schaltmodus eingestellt ist, berechnet der Bestimmungsabschnitt 151c eine antizipierte Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle 116, die nach dem Schalten der Gänge erwartet wird, auf der Basis der Drehgeschwindigkeit der Kurbelachse 116, die aus dem Speicherabschnitt 151d ausgelesen wurde, und des Gangs, in den gemäß der Schaltaufforderung durch den Schaltwählabschnitt 151e zu schalten ist. Ist der Drehwähler 175c auf den manuellen Modus eingestellt, berechnet der Bestimmungsabschnitt 151c eine antizipierte Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle 116, die nach dem Schalten der Gänge erwartet wird, auf der Basis der Drehgeschwindigkeit der Kurbelachse 116, die aus dem Speicherabschnitt 151d ausgelesen wird, und der Schaltrichtung (von einem niedrigeren in einen höheren Gang oder von einem höheren in einen niedrigeren Gang), die durch die Betätigung des ersten Schaltknopfs 175a oder des zweiten Schaltknopfs 175b gewählt wird. Insbesondere werden Informationen, die sich auf die Übersetzungsverhältnisse (Übersetzungen) der Schaltnabe 130 beziehen, vorab in dem Speicherabschnitt 151d gespeichert und für die Berechnung der antizipierten Drehgeschwindigkeit der Kurbelachse 116 verwendet.
Im Speziellen wird die antizipierte Drehgeschwindigkeit np, die nach dem Schalten erwartet wird, als nl/R (U/min) berechnet, wenn zum Beispiel die Drehgeschwindigkeit der Kurbel nl (U/min) ist, bevor das Schaltkommando ausgegeben wird, und wenn das Übersetzungsverhältnis (Übersetzung) in dem Gang, von dem zu schalten ist, gegenüber dem Gang, in den zu schalten ist, 1:R ist. Das Übersetzungsverhältnis (Übersetzung) eines Innengetriebes wird angegeben als das Verhältnis der Ausgangsdrehzahl, die bei einer (einmaligen) Drehung des Eingangsabschnitts des Innengetriebes von dem Innengetriebe erhalten wird, und das Übersetzungsverhältnis eines Außengetriebes wird angegeben als die Anzahl der Drehungen der Hinterradnabe (des Hinterrads), die erhalten wird, wenn die Kurbel einmal gedreht wird.
Wie 6 zeigt, bestimmt der Bestimmungsabschnitt 151c, dass der Gangschaltvorgang beendet (ausgeführt) wurde, wenn eine durch den Drehgeschwindigkeitssensor 142 gemessene aktuelle Drehgeschwindigkeit der Kurbelachse 116 innerhalb des vorgeschriebenen Bereichs, zum Beispiel ±5%, der berechneten antizipierten Drehgeschwindigkeit np liegt. In 6 bezeichnet das Symbol S den Zeitpunkt der Ausgabe eines Schaltkommandos und das Symbol F den Zeitpunkt, an dem bestimmt wird, dass der Gangschaltvorgang beendet (ausgeführt) ist. Während in 6 als Beispiel das Schalten von einem niedrigen Gang (kleine Übersetzung) in einen hohen Gang (große Übersetzung) dargestellt ist, ist der Vorgang identisch, wenn von einem hohen in einen niedrigen Gang geschaltet wird. Somit kann die Beendigung des Gangschaltvorgangs mit einer einfachen Konstruktion nachgewiesen werden.
Es ist noch vorteilhafter, wenn für den Bestimmungsabschnitt 151c eine in dem Speicherabschnitt gespeicherte aktuelle Fahrradgeschwindigkeit und eine Fahrradgeschwindigkeit verwendet werden, bevor das Schaltkommando ausgegeben wurde, um eine Berichtigung der Drehgeschwindigkeit zu berechnen, und die berichtigte Drehgeschwindigkeit für die Bestimmung zu verwenden, ob der Gangschaltvorgang beendet wurde. Der Grund hierfür ist, dass sich bei einer Änderung der Fahrradgeschwindigkeit die Drehgeschwindigkeit der Kurbelachse 116 auch dann ändert, wenn kein Gangschaltvorgang stattfindet.
Ein spezielles Beispiel einer Berichtigung, die durchgeführt werden könnte, wird nunmehr erläutert. Es sei angenommen, dass eine Fahrradgeschwindigkeit v1 vor Ausgabe eines Schaltkommandos detektiert wurde, eine aktuelle Fahrradgeschwindigkeit v2 detektiert wird und eine aktuelle Drehgeschwindigkeit n (U/min) detektiert wird. In einem solchen Fall wird die berichtigte Drehgeschwindigkeit der Kurbelachse als n × v1/v2 (U/min) berechnet. Der Bestimmungsabschnitt 151c bestimmt, dass der Gangschaltvorgang ausgeführt wurde, wenn die durch n × v1/v2 (U/min) gegebene berichtigte Drehgeschwindigkeit der Kurbelachse 116 basierend auf der Übersetzung innerhalb des vorgeschriebenen Bereichs, zum Beispiel ±5%, der antizipierten Drehgeschwindigkeit np der Kurbelachse 116 liegt. Mit dieser Vorgehensweise ist es einfach, die Beendigung des Gangschaltvorgangs zu bestimmen, wie in 7A gezeigt, selbst wenn sich die Fahrradgeschwindigkeit nach der Ausgabe eines Schaltkommandos, wie in 7B gezeigt, (beispielsweise aufgrund eines plötzlichen Bremsens) deutlich ändert. In den 7A und 7B ist durch das Symbol S der Zeitpunkt gekennzeichnet, an dem das Schaltkommando ausgegeben wird, und das Symbol F kennzeichnet den Zeitpunkt, an dem bestimmt wird, dass der Gangschaltvorgang beendet (ausgeführt) ist. Die durchgezogene Linie C gibt die berichtigte Drehgeschwindigkeit an, und die gestrichelte Linie D gibt die durch den Drehgeschwindigkeitssensor 142 aktuell gemessene Drehgeschwindigkeit an.
Die Steuerungen, die während des unterstützten Fahrens durch die Steuereinheit 151 ausgeführt werden, werden nunmehr anhand von Beispielen erläutert, die in den 8 bis 10 angegeben sind.
Zunächst wird anhand des Flussdiagramms von 8 ein Beispiel einer Hauptroutine der Schaltsteuerung erläutert.
Nach dem Anschalten werden in Schritt S1 die Anfangseinstellungen durch die Fahrrad-Steuervorrichtung vorgenommen. In Schritt S2 ermittelt der Schaltwählabschnitt 151e, ob der Drehwähler 175c auf den automatischen Schaltmodus (A) eingestellt ist, und in Schritt S3 ermittelt der Schaltwählabschnitt 151e, ob der Drehwähler 175c auf den manuellen Schaltmodus (M) eingestellt ist. Bei Einstellung des Drehwählers 175c auf den automatischen Schaltmodus geht die Steuereinheit 151 von Schritt S2 zu Schritt S4 weiter. In Schritt S4 führt die Steuereinheit 151 eine später erläuterte Subroutine für automatisches Schalten durch. Wenn der Drehwähler 175c auf den manuellen Schaltmodus eingestellt ist, geht die Steuereinheit 151 von Schritt S3 zu Schritt S5. In Schritt S5 führt die Steuereinheit 151 eine später erläuterte Subroutine für manuelles Schalten durch.
Die Subroutine für automatisches Schalten wird nunmehr auf der Basis von 9 beschrieben. 9 ist ein Beispiel eines Flussdiagramms der Subroutine für automatisches Schalten.
In Schritt S11 bestimmt der Schaltwählabschnitt 151e, ob der Drehwähler 175c betätigt wurde. Wenn der Drehwähler 175c betätigt wurde, kehrt die Steuereinheit 151 zur Hauptroutine, die in 8 gezeigt ist, zurück und geht zu Schritt S3 weiter. Wurde der Drehwähler 175c nicht betätigt, geht die Steuereinheit 151 zu Schritt S12 weiter.
In Schritt S12 wählt der Schaltwählabschnitt 151e auf der Basis der Fahrradgeschwindigkeit, die durch den Geschwindigkeitssensor 191 gemessen wurde, wie vorstehend beschrieben, einen Gang. Unterscheidet sich der gewählte Gang von dem aktuellen Gang, gibt der Schaltwählabschnitt 151e an den Gangschaltsteuerungsabschnitt 151b eine Schaltaufforderung aus und fordert diesen auf, in den gewählten Gang zu schalten. Wenn der Gangschaltsteuerungsabschnitt 151b eine Schaltaufforderung von dem Schaltwählabschnitt 151d erhält, geht die Steuereinheit 151 zu Schritt S13. Wird kein Signal empfangen, kehrt die Steuereinheit 151 zurück zu Schritt S11.
In Schritt S13 begrenzt der Leistungssteuerungsabschnitt 151a die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors 161. In dieser Ausführungsform wird die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors 161 auf null gesetzt.
In Schritt S14 speichert der Speicherabschnitt 151d die durch den Drehgeschwindigkeitssensor 142 detektierte aktuelle Drehgeschwindigkeit der Kurbelachse 116 und die durch den Geschwindigkeitssensor 191 detektierte aktuelle Fahrradgeschwindigkeit als Information, die den vor der Ausgabe des Schaltkommandos vorhandenen Zustand angibt.
In Schritt S15 erteilt der Schaltsteuerungsabschnitt 151b ein Schaltkommando an das Getriebe. Insbesondere weist die Schaltsteuerungseinheit 151b den elektrischen Gangschaltmotor 171 an, den Betrieb derart aufzunehmen, dass die Schaltnabe 130 in den durch den Schaltwählabschnitt 151e angeforderten Gang schaltet.
In Schritt S16 berechnet der Bestimmungsabschnitt 151c eine antizipierte Drehgeschwindigkeit der Kurbelachse 116, die nach dem Schalten erwartet wird, auf der Basis der in Schritt S14 gespeicherten Drehgeschwindigkeit, der in dem Speicherabschnitt 151d gespeicherten Informationen, die sich auf den Gang, der vor dem Schalten wirksam war, und auf die Übersetzungen der Schaltnabe 130 beziehen, und des durch den Schaltwählabschnitt angeforderten Gangs.
In Schritt S17 bestimmt der Bestimmungsabschnitt 151c, ob die durch den Drehgeschwindigkeitssensor 142 detektierte aktuelle Drehgeschwindigkeit der Kurbelachse 116 hinsichtlich der antizipierten Drehgeschwindigkeit, die in Schritt S16 berechnet wurde, innerhalb eines vorgeschriebenen Bereichs liegt. In diesem Schritt ist es auch zulässig, die in Schritt S14 gespeicherte Fahrradgeschwindigkeit und die aktuelle Fahrgeschwindigkeit zu verwenden, um die Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle 116 zu berichtigen, und die berichtigte Drehgeschwindigkeit mit der antizipierten Drehgeschwindigkeit zu vergleichen. Liegt die Drehgeschwindigkeit der Kurbelachse 116 (oder die berichtigte Drehgeschwindigkeit der Kurbelachse 116) hinsichtlich der antizipierten Drehgeschwindigkeit innerhalb eines vorgeschriebenen Bereichs, bestimmt der Bestimmungsabschnitt 151c, dass der Gangschaltvorgang beendet worden ist, und geht zu Schritt S18 weiter.
In Schritt S18 erfolgt durch den Leistungssteuerungsabschnitt 151a die Ausgabe eines Kommandos zur Aufhebung der Begrenzung der Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors 161. Gleichzeitig wird der Gang, der das Ergebnis des Gangschaltvorgangs ist, in dem Speicherabschnitt 151d gespeichert. Die Steuereinheit 151 kehrt dann zurück zu Schritt S11.
Im Folgenden wird mit Bezug auf 10 eine Subroutine für manuelles Schalten beschrieben. 10 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel einer Subroutine für automatisches Schalten beschreibt.
In Schritt S21 bestimmt der Schaltwählabschnitt 151d, ob der Drehwähler 175c betätigt wurde. Wenn der Drehwähler 175c betätigt wurde, kehrt die Steuereinheit 151 zurück zur Hauptroutine und geht zu Schritt S2. Wurde der Drehwähler 175c nicht betätigt, geht die Steuereinheit 151 zu Schritt S22 weiter.
In Schritt S22 bestimmt die Steuereinheit 151, ob der erste Schaltknopf 175a oder der zweite Schaltknopf 175b des Gangschalters 175 eine Schaltaufforderung erhalten hat. Wenn entschieden wird, dass ein Signal empfangen wurde, geht die Steuereinheit 151 zu Schritt S23 weiter. Wurde kein Signal empfangen, kehrt die Steuereinheit 151 zurück zu Schritt S21.
In Schritt S23 begrenzt die Leistungssteuerungsabschnitt 151a die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors 161. Bei dieser Ausführungsform wird die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors 161 auf null gesetzt.
In Schritt S24 speichert der Speicherabschnitt 151d die durch den Drehgeschwindigkeitssensor 142 detektierte aktuelle Drehgeschwindigkeit der Kurbelachse 116 und die durch den Geschwindigkeitssensor 191 detektierte aktuelle Fahrgeschwindigkeit als Information, die den Zustand angibt, der vor der Ausgabe des Schaltkommandos vorgelegen hat.
In Schritt S25 gibt der Gangschaltsteuerungsabschnitt 151b an das Getriebe ein Schaltkommando aus. Insbesondere befiehlt der Gangschaltsteuerungsabschnitt 151b einen Betrieb des elektrischen Gangschaltmotors 171, der bewirkt, dass die Schaltnabe 130 in die durch den Gangschalter 175 angegebene Schaltrichtung (von einem niedrigeren in einen höheren oder von einem höheren in einen niedrigeren Gang) geschaltet wird.
In Schritt S26 berechnet der Bestimmungsabschnitt 151c eine antizipierte Drehgeschwindigkeit der Kurbelachse 116, die nach dem Schalten erwartet wird, auf der Basis der in Schritt S24 gespeicherten Drehgeschwindigkeit, die durch den Gangschalter 175 angegeben Schaltrichtung und die in dem Speicherabschnitt 151d gespeicherten Informationen betreffend den Gang, der vor dem Schalten wirksam war, und die Übersetzungen der Schaltnabe 130.
In Schritt S27 bestimmt der Bestimmungsabschnitt 151c, ob die durch den Drehgeschwindigkeitssensor 142 detektierte aktuelle Drehgeschwindigkeit der Kurbelachse 116 hinsichtlich der in Schritt S26 berechneten antizipierten Drehgeschwindigkeit innerhalb eines vorgeschriebenen Bereichs liegt. In diesem Schritt ist es auch zulässig, die in Schritt S24 gespeicherte Fahrgeschwindigkeit des Fahrrads und die aktuelle Fahrgeschwindigkeit des Fahrrads zu verwenden, um die Drehgeschwindigkeit der Kurbelachse 116 zu berichtigen, und die berichtigte Drehgeschwindigkeit mit der antizipierten Drehgeschwindigkeit zu vergleichen. Liegt die Drehgeschwindigkeit der Kurbelachse 116 (oder die berichtigte Drehgeschwindigkeit der Kurbelachse 116) hinsichtlich der antizipierten Drehgeschwindigkeit innerhalb des vorgeschriebenen Bereichs, bestimmt der Bestimmungsabschnitt 151c, dass der Gangschaltvorgang beendet wurde, und geht zu Schritt S28 weiter.
In Schritt S28 gibt der Leistungssteuerungsabschnitt 151a ein Kommando zur Aufhebung der Begrenzung der Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors 161 aus. Gleichzeitig wird der Gang, der das Ergebnis des Schaltvorgangs ist, in dem Speicherabschnitt 151d gespeichert. Die Steuereinheit 151 kehrt dann zurück zu Schritt S21.
In der ersten Ausführungsform bestimmt der Bestimmungsabschnitt 151c, dass ein Gangschaltvorgang beendet wurde, wenn ein Messwert des Drehgeschwindigkeitssensors 142 innerhalb eines vorgeschriebenen Bereichs liegt. In der zweiten Ausführungsform hingegen bestimmt der Bestimmungsabschnitt 151c auf der Basis eines Veränderungswerts des Drehmomentsensors 141, ob ein Gangschaltvorgang beendet wurde. In der zweiten Ausführungsform ist der Drehmomentsensor 141 ein Beispiel eines Abschnitts zur Bestimmung einer Kurbelveränderung, der einen auf die Kurbeldrehung bezogenen Veränderungswert misst. Ein Drehgeschwindigkeitssensor ist nicht notwendig. Ansonsten sind die baulichen Merkmale die gleichen wie in der ersten Ausführungsform.
11 ist ein Blockdiagramm einer Fahrrad-Steuervorrichtung (Fahrrad-Antriebsvorrichtung) gemäß der zweiten Ausführungsform.
Die Steuereinheit 251 hat einen Leistungssteuerungsabschnitt 251a, einen Gangschaltsteuerungsabschnitt 251b, einen Bestimmungsabschnitt 251c, einen Speicherabschnitt 251d und einen Schaltwählabschnitt 251e. Da die Abschnitte 251a, 251b und 251e die gleichen sind wie in der ersten Ausführungsform, werden nachstehend lediglich der Bestimmungsabschnitt 251c und der Speicherabschnitt 251d erläutert.
Der Speicherabschnitt 251d speichert eine Trittkraft, die durch den Drehmomentsensor 141 gemessen wird. Der Speicherabschnitt 251d speichert auch einen Gang, in den das Getriebe nach Anweisung des Gangschaltsteuerungsabschnitts 251b schalten soll. Der Speicherabschnitt 251d speichert auch Informationen, die sich auf die Übersetzung der Schaltnabe 130 beziehen.
Wie der Bestimmungsabschnitt 251c ermittelt, ob ein Gangschaltvorgang ausgeführt wurde, wird im Folgenden erläutert. Bei dieser Erläuterung wird davon ausgegangen, dass sich die Neigung der Fahrbahn, auf der das Fahrrad bewegt wird, nicht ändert und dass das Fahrrad während der kurzen Zeitspanne von dem Beginn des Schaltvorgangs bis zum Ende des Schaltvorgangs weder plötzlich beschleunigt noch verzögert wird.
Der Bestimmungsabschnitt 251c liest aus dem Speicherabschnitt 251d eine Trittkraft aus, die unmittelbar vor Ausgabe eines Schaltkommandos durch den Gangschaltsteuerungsabschnitt 251b detektiert wurde. Wenn der Drehwähler 175c auf den automatischen Schaltmodus eingestellt ist, berechnet der Bestimmungsabschnitt 251c eine antizipierte Trittkraft, die nach dem Schalten erwartet wird, auf der Basis einer aus dem Speicherabschnitt 251d ausgelesenen Trittkraft und eines durch den Schaltwählabschnitt 251e gewählten Gangs. Ist der Drehwähler 175c auf den manuellen Schaltmodus eingestellt, berechnet der Bestimmungsabschnitt 251c eine antizipierte Trittkraft, die nach dem Schalten erwartet wird, auf der Basis einer aus dem Speicherabschnitt 251d ausgelesenen Trittkraft und der Schaltrichtung (von einem niedrigeren in einen höheren Gang oder von einem höheren in einen niedrigeren Gang), die durch eine Betätigung des ersten Schaltknopfs 175a oder des zweiten Schaltknopfs 175b gewählt wurde. 12 zeigt ein Beispiel dafür, wie die sich die Trittkraft während des Schaltens von einem niedrigeren Gang (kleinere Übersetzung) in einen höheren Gang (größere Übersetzung) ändert. In 12 ist an der horizontalen Achse die Zeit und an der vertikalen Achse die Drehgeschwindigkeit der Kurbel angegeben. Der Bestimmungsabschnitt 251c bestimmt, dass der Gangschaltvorgang beendet (ausgeführt) wurde, wenn die durch den Drehmomentsensor 141 gemessene Trittkraft innerhalb eines vorgeschriebenen Bereichs, zum Beispiel ±5%, der antizipierten Trittkraft (Tp) liegt. In 12 kennzeichnet das Symbol S den Zeitpunkt, an dem der Gangschaltvorgang begonnen hat, und das Symbol F kennzeichnet den Zeitpunkt, an dem bestimmt wird, dass der Gangschaltvorgang beendet (ausgeführt) ist. Bei dieser Ausführungsform ist es einfach, die Beendigung des Gangschaltvorgangs ohne die Verwendung eines Drehgeschwindigkeitssensors zu bestimmen.
Wenn bei dieser Konfiguration ferner ein Beschleunigungssensor und/oder ein Winkelgradsensor vorgesehen sind, kann die Bestimmung der Beendigung des Gangschaltvorgangs unter Berücksichtigung der Beschleunigungs- oder Verzögerungswirkung eines Fahrrads erfolgen.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist der Unterstützungsmechanismus 105a in der Nähe der Kurbelachse 116 vorgesehen, und die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors 161 wird auf die Kette 119 übertragen. Es ist auch zulässig, wenn anstelle des Unterstützungsmechanismus 105a eine Motoreinheit zur Fahrunterstützung an dem Vorderrad 106f installiert ist. Ein elektrischer Antriebsunterstützungsmotor, ein Inverter und ein Fahrradgeschwindigkeitssensor sind vorzugsweise in der Motoreinheit angeordnet.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist der Unterstützungsmechanismus 105a in der Nähe der Kurbelachse 116 vorgesehen, und die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors 161 wird auf die Kette 119 übertragen. Es ist auch zulässig, wenn anstelle des Unterstützungsmechanismus 105a eine Motoreinheit zur Fahrunterstützung an dem Hinterrad 106r installiert ist. In diesem Fall ist die Motoreinheit auf einer Ausgangsseite des Getriebes angeordnet.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird vorliegende Erfindung bei einem Fahrrad 101 angewendet, bei dem an dem Hinterrad 106r eine Schaltnabe 130 installiert ist, die ein Innengetriebe bildet. Es ist zulässig, wenn bei einem Fahrrad, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet wird, stattdessen ein Getriebe an der Kurbelachse installiert und für das Schalten der Gänge durch die Verwendung eines Planetengetriebemechanismus konfiguriert ist.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird vorliegende Erfindung bei einem Fahrrad 101 angewendet, bei dem an einem Hinterrad 106r eine Schaltnabe 130 installiert ist, die ein Innengetriebe bildet. Es ist zulässig, wenn ein Fahrrad, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet wird, stattdessen mit einem Außengetriebe ausgestattet ist, das einen elektrisch betriebenen vorderen und/oder hinteren Umwerfer hat.
In den Schritten S13 und S23 der vorstehend erläuterten Ausführungsformen setzt der Leistungssteuerungsabschnitt 151a die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors 161 auf null und stoppt während eines stattfindenden Gangschaltvorgangs vorübergehend die Fahrunterstützung. Stattdessen ist es auch zulässig, die Schritte S13 und S23 so zu konfigurieren, dass die Fahrunterstützungskraft während des Gangschaltvorgangs vorübergehend reduziert wird, indem die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors 161 soweit verringert wird, dass sie kleiner ist als ein Leistungswert, der auf dem zu dieser Zeit wirksamen Unterstützungsmodus basiert (zum Beispiel eine Verringerung der Leistung auf die Hälfte des Leistungswerts).
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform hat das Fahrrad ein Getriebe, das mit einem elektrischen Gangschaltmotor 171 versehen ist. Es ist jedoch nicht notwendig, einen elektrischen Gangschaltmotor 171 vorzusehen. Stattdessen kann ein Getriebe verwendet werden, das manuell durch einen Getriebeschaltzug betätigt wird.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird die Ausgabe eines Drehmomentsensors 141 als Trittkraft verwendet. Anstelle des Drehmomentsensors 141 kann jedoch ein Sensor vorgesehen sein, der eine Absenkkraft eines Pedals detektiert, oder ein Sensor, der eine Kettenspannung detektiert.
Es ist zulässig, wenn als Anzeige/Eingabe-Vorrichtung ein Bildschirm-Tastfeld an der Lenkereinheit 104 befestigt ist, das zum Beispiel für die Wahl des Unterstützungsmodus, für die Anzeige der Fahrradgeschwindigkeit und des Gangs und für die Anzeige der Restladung der aufladbaren Batterie 105b verwendet werden kann.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird ein einziger antizipierter Veränderungsbetrag unter Verwendung von Informationen berechnet, die die Gänge angeben, die sowohl vor als auch nach der Ausgabe des Schaltkommandos wirksam sind. Es ist auch zulässig, die Informationen, die die Gänge angeben, die sowohl vor als auch nach der Ausgabe des Schaltkommandos wirksam sind, nicht zu verwenden und stattdessen den antizipierten Wert des Veränderungsbetrags, der nach dem Schalten erwartet wird, auf der Basis sämtlicher Gänge zu berechnen, in die von dem Gang, der vor dem Schalten wirksam war, potenziell geschaltet werden könnte. Ebenfalls ist es zulässig, die Informationen, die den Gang angeben, der vor dem Schalten wirksam war, nicht zu verwenden und stattdessen den antizipierten Wert des Veränderungsbetrags, der nach dem Schalten erwartet wird, auf der Basis all derjenigen Gänge zu berechnen, die vor dem Schalten potenziell hätten wirksam sein können. In beiden Fällen wird bestimmt, dass der Gangschaltvorgang beendet (ausgeführt) wurde, wenn der Veränderungswert hinsichtlich des antizipierten Werts über eine vorgeschriebene Dauer innerhalb eines vorgeschriebenen Bereichs geblieben ist.

Claims

Fahrrad-Antriebsvorrichtung, umfassend: einen Fahrrad-Kurbelsatz (118); ein Fahrradgetriebe; einen elektrischen Antriebsunterstützungsmotor (161); einen Abschnitt zum Bestimmen einer Kurbelveränderung (141, 142), um einen auf die Drehung des Fahrrad-Kurbelsatzes (118) bezogenen Veränderungswert (np, Tp) zu ermitteln, und einen Mikrocomputer (151), umfassend einen Schaltkommandoabschnitt (151b), der zum Ändern der Gänge ein Schaltkommando an das Fahrradgetriebe ausgibt, einen Begrenzungsabschnitt, der eine Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors (161) nach Ausgabe des Schaltkommandos begrenzt, einen Bestimmungsabschnitt (151c), der bestimmt, dass ein Gangschaltvorgang ausgeführt wurde, wenn der Veränderungswert (np, Tp) innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, und einen Begrenzungsaufhebungsabschnitt, der die Begrenzung der Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors (161) aufhebt, wenn der Bestimmungsabschnitt (151c) bestimmt hat, dass der Gangschaltvorgang ausgeführt wurde.
Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Speicherabschnitt (151d, 251d), der den Veränderungswert (np, Tp) speichert und wobei der Bestimmungsabschnitt (151c) den vorbestimmten Bereich auf der Basis des Veränderungswerts festlegt, der vor der Ausgabe des Schaltkommandos durch den Schaltkommandoabschnitt (151b) gespeichert wurde.
Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Abschnitt zum Bestimmen der Kurbelveränderung (142) den Veränderungswert (np) auf der Basis einer detektierten Drehgeschwindigkeit (n) des Fahrrad-Kurbelsatzes (118) ermittelt.
Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Abschnitt zum Bestimmen der Kurbelveränderung (141) den Veränderungswert (Tp) auf der Basis einer detektierten Größe einer auf den Fahrrad-Kurbelsatz (118) wirkenden Trittkraft (TF) ermittelt.
Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die auf die Kurbel (118a, 118b) wirkende Trittkraft (TF) als Rotationsdrehmoment angegeben wird, das auf eine Kurbelachse (116) des Fahrrad-Kurbelsatzes (118) wirkt.
Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2, ferner umfassend einen Fahrgeschwindigkeits-Messabschnitt (191), der eine Fahrgeschwindigkeit des Fahrrads misst; wobei der Abschnitt zum Bestimmen der Kurbelveränderung (141, 142) den Veränderungswert (np) auf der Basis einer detektierten Drehgeschwindigkeit des Fahrrad-Kurbelsatzes (118) ermittelt; wobei der Speicherabschnitt (151d) die Drehgeschwindigkeit (n) und die Fahrgeschwindigkeit speichert; und wobei der Bestimmungsabschnitt (151c) den vorbestimmten Bereich auf der Basis der Fahrgeschwindigkeit und der Drehgeschwindigkeit (n), die vor der Ausgabe des Schaltkommandos durch den Schaltkommandoabschnitt (151b) gemessen wurden, und auf der Basis einer aktuellen Fahrgeschwindigkeit einstellt.
Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Getriebe ein Innengetriebe (130) ist.
Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Getriebe ein Außengetriebe ist.
Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der elektrische Antriebsunterstützungsmotor (161) für den Antrieb einer Fahrradkette (119) konfiguriert ist.