DE102012107939A1

DE102012107939A1 - Fahrrad-Antriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE102012107939A1
Application number: DE102012107939A
Authority: DE
Inventors: Akihiko Shoge; Etsuyoshi Watarai
Original assignee: Shimano Inc
Current assignee: Shimano Inc
Priority date: 2011-08-29
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2013-02-28
Anticipated expiration: 2032-08-29
Also published as: US20130054067A1; TWI500554B; US8831810B2; CN102963487A; DE102012107939B4; TW201313549A; CN102963487B; JP5496158B2; JP2013047084A

Abstract

Eine Fahrrad-Antriebsvorrichtung umfasst einen Fahrradkurbelsatz, einen elektrischen Antriebsunterstützungsmotor und einen Mikrocomputer. Der Mikrocomputer hat einen Leistungssteuerungsabschnitt, einen Abschnitt zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs und einen Gangschaltsteuerungsabschnitt. Der Leistungssteuerungsabschnitt steuert eine Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors. Der Abschnitt zur Bestimmung der Durchführbarkeit bestimmt, ob eine Ausgabebedingung des Fahrradkurbelsatzes die Zulässigkeitsbedingung für einen Gangschaltvorgang erfüllt. Der Gangschaltsteuerungsabschnitt erhält eine Schaltaufforderung, weist den Leistungssteuerungsabschnitt an, die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors entweder mindestens zu stoppen oder die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors mindestens zu reduzieren, und weist das Getriebe an, einen Gangschaltvorgang durchzuführen, nachdem der Abschnitt zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs bestimmt hat, dass die Zulässigkeitsbedingung für einen Gangschaltvorgang erfüllt ist.

Description

HINTERGRUND
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fahrrad-Antriebsvorrichtung, die ein elektrisch unterstütztes Fahrrad steuert. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Fahrrad-Antriebsvorrichtung, die ein Fahrrad steuert, das eine Kurbel, einen Elektromotor zur Antriebsunterstützung und ein Getriebe aufweist. Die Fahrrad-Antriebsvorrichtung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Fahrrad-Steuervorrichtung bezeichnet werden.
Technischer Hintergrund
Elektrisch unterstützte Fahrräder, bei denen zur Fahrunterstützung die Trittkraft einer Person durch die Antriebskraft eines Motors ergänzt wird, werden zunehmend beliebt. Die offengelegte japanische Patentpublikation Nr. 2004-268854 beschreibt eine vorgeschriebene Steuerung für die Durchführung eines sanften und ruckfreien Gangschaltvorgangs des Getriebes bei einem elektrischen unterstützten Fahrrad, das mit einem Getriebe ausgestattet ist. Führt ein Benutzer einen Vorgang aus, der zur Ausgabe eines Schaltkommandos führt, stoppt diese Steuerung vorübergehend die Zuschaltung der Unterstützungskraft, die von einem Antriebsunterstützungsmotor bereitgestellt wird, und setzt die Zuschaltung der Unterstützungskraft nach Ablauf einer kurzen vorgeschriebenen Zeitspanne fort. Mit dieser Steuerung kann das Getriebe leichter schalten, da der Schaltvorgang durchgeführt wird, während die Zuschaltung der Unterstützungskraft gestoppt ist.
ÜBERSICHT
Wenngleich die Steuerung, die in der japanischen offengelegten Patentpublikation Nr. 2004-268854 beschrieben ist, ein etwas sanfteres Schalten ermöglicht, ist bei einem elektrisch unterstützten Fahrrad ein noch sanfteres, ruckfreies Schalten (Gangschaltvorgang) erwünscht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Fahrrad, das für eine Fahrunterstützung durch einen Elektromotor konfiguriert ist, die Durchführung eines sanften, ruckfreien Gangschaltvorgangs (mit kleiner physikalischer Erschütterung, Schlag) zu ermöglichen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Fahrrad-Antriebsvorrichtung angegeben, die hauptsächlich einen Fahrradkurbelsatz, ein Fahrradgetriebe, einen elektrischen Antriebsunterstützungsmotor und einen Mikrocomputer umfasst. Der Mikrocomputer hat einen Leistungssteuerungsabschnitt, einen Abschnitt zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs und einen Gangschaltsteuerungsabschnitt. Der Leistungssteuerungsabschnitt steuert eine Leistung (Output; Ausgabe) des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors. Der Abschnitt zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs bestimmt, ob eine Ausgabebedingung (output condition; Ausgabezustand) des Fahrradkurbelsatzes eine Gangschaltzulässigkeitsbedingung erfüllt (eine Bedingung, die einen Gangschaltvorgang zulässt). Der Gangschaltsteuerungsabschnitt erhält einen Gangschaltbefehl (Schaltaufforderung), weist den Leistungssteuerungsabschnitt an, die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors zu stoppen und/oder die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors zu reduzieren, und weist das Getriebe an, einen Gangschaltvorgang (Gangschaltoperation) durchzuführen, wenn der Abschnitt zur Bestimmung der Durchführbarkeit (oder Zulassung; oder Zulässigkeit) eines Gangschaltvorgangs bestimmt hat, dass die Gangschaltzulässigkeitsbedingung (Bedingung für die Zulässigkeit eines Gangschaltvorgangs) erfüllt ist.
Die Ausgabebedingung (output condition; Ausgabezustand) der Kurbel ist ein Parameter, der sich auf die Ausgabe (Output) der Kurbel bezieht. Wenn die Ausgabebedingung der Kurbel die Bedingung für die Zulässigkeit eines Gangschaltvorgangs nicht erfüllt, erfolgt keine Anweisung an das Getriebe zur Durchführung eines Gangschaltvorgangs. Wenn die Ausgabebedingung der Kurbel die Bedingung für die Zulässigkeit eines Gangschaltvorgangs erfüllt, erfolgt eine Anweisung an das Getriebe zur Durchführung eines Gangschaltvorgangs. In letzterem Fall schaltet das Getriebe sanft und ruckfrei, da die Leistung (Output) des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors während des Gangschaltvorgangs gestoppt oder reduziert wird.
Vorzugsweise ist die Ausgabebedingung eine Position wenigstens eines Kurbelarmes des Fahrradkurbelsatzes. Die jeweilige Position kann vorzugsweise mittels eines Kurbelpositionssensors, wenigstens eines Hall-Elementes usw. detektiert werden und die zugehörige Ausgabe (output) des Kurbelpositionssensors, des wenigstens eines Hall-Elementes usw. kann die Ausgabebedingung darstellen.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach dem ersten Aspekt angegeben, wobei der Abschnitt zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs die Ausgabebedingung des Fahrradkurbelsatzes auf der Basis einer detektierten Position des Fahrradkurbelsatzes bestimmt. Manchmal schaltet das Getriebe nicht sanft, wenn sich die Kurbel zwischen einem oberen und einem unteren Totpunktstellung etwa auf halber Strecke befindet, auf der die Trittkraft einer Person bewirkt, dass eine hohe Kraft auf die Komponenten des Getriebes ausgeübt wird. Gemäß diesem Aspekt jedoch kann das Getriebe sanft und ruckfrei schalten, da der Gangschaltvorgang durchgeführt wird wenn die Ausgabebedingung der Kurbel, die sich auf die Position der Kurbel bezieht, die Bedingung für die Zulässigkeit eines Gangschaltvorgangs erfüllt.
Gemäß einem dritten Aspekt wird eine Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach dem ersten Aspekt angegeben, wobei der Abschnitt zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs die Ausgabebedingung des Fahrradkurbelsatzes auf der Basis eines detektierten Übertragungsdrehmoments des Getriebes bestimmt. Abhängig von dem Getriebe ist ein sanfter Gangschaltvorgang gegebenenfalls nicht möglich, wenn das Getriebe zu schalten versucht, während ein Schaltdrehmoment, das auf eine Getriebekomponente wirkt, vergleichsweise hoch ist. Gemäß diesem Aspekt jedoch kann das Getriebe den Gangschaltvorgang sanft und ruckfrei durchführen, da der Gangschaltvorgang durchgeführt wird, wenn die Ausgabebedingung der Kurbel, die sich auf das Schaltdrehmoment des Getriebes bezieht, die Bedingung für die Zulässigkeit eines Gangschaltvorgangs erfüllt.
Gemäß einem vierten Aspekt wird eine Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach dem ersten Aspekt angegeben, wobei der Abschnitt zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs die Ausgabebedingung des Fahrradkurbelsatzes auf der Basis eines detektierten Hinterraddrehmoments bestimmt. Abhängig von dem Getriebe ist ein sanfter Gangschaltvorgang gegebenenfalls nicht möglich, wenn das Getriebe zu schalten versucht, während ein Hinterraddrehmoment, das auf eine Hinterradachse des Fahrrads wirkt, vergleichsweise groß ist. Gemäß diesem Aspekt jedoch kann das Getriebe den Gangschaltvorgang sanft und ruckfrei durchführen, da der Gangschaltvorgang durchgeführt wird, wenn die Ausgabebedingung der Kurbel, die sich auf das Hinterraddrehmoment bezieht, die Bedingung für die Zulässigkeit eines Gangschaltvorgangs erfüllt.
Gemäß einem fünften Aspekt wird eine Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach dem ersten Aspekt angegeben, wobei der Abschnitt zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs Ausgabebedingung des Fahrradkurbelsatzes auf der Basis eines detektierten Drehmoments einer Kurbelachse des Fahrradkurbelsatzes bestimmt. Abhängig von dem Getriebe ist ein sanfter Gangschaltvorgang gegebenenfalls nicht möglich, wenn das Getriebe zu schalten versucht, wenn ein auf die Kurbelachse wirkendes Drehmoment vergleichsweise groß ist. Gemäß diesem Aspekt jedoch kann das Getriebe den Gangschaltvorgang sanft und ruckfrei durchführen, da der Gangschaltvorgang durchgeführt wird, wenn die Ausgabebedingung der Kurbel, die sich auf das auf die Kurbelachsendrehmoment bezieht, die Bedingung für die Zulässigkeit eines Gangschaltvorgangs erfüllt.
Gemäß einem sechsten Aspekt umfasst die Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach einem des ersten bis fünften Aspekts ferner einen Kurbelpositionssensor, der eine Position des Fahrradkurbelsatzes detektiert. Der Abschnitt zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs bestimmt, dass die Bedingung für die Zulässigkeit eines Gangschaltvorgangs (Gangschaltzulässigkeitsbedingung) erfüllt ist, wenn ein Kurbelarm des Fahrradkurbelsatzes innerhalb eines Bereichs von 20 Grad von der oberen Totpunktstellung und/oder der unteren Totpunktstellung des Fahrradkurbelsatzes positioniert ist. Wenn die Kurbel in der Nähe der oberen Totpunktstellung oder der unteren Totpunktstellung positioniert ist, ist das durch die Trittkraft auf die Kurbelachse wirkende Drehmoment klein, und das Getriebe kann sanfter und ruckfreier schalten. Angesichts dieser Tatsache wird unter diesem Aspekt bestimmt, dass die Bedingung für die Zulässigkeit eines Gangschaltvorgangs erfüllt ist, wenn die Kurbel in der Nähe des oberen Totpunkts oder des unteren Totpunkts positioniert ist.
Gemäß einem siebten Aspekt wird eine Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach einem des ersten bis sechsten Aspekt angegeben, die ferner einen Abschnitt für das Messen des Kurbelachsendrehmoment umfasst, der ein Drehmoment der Kurbelachse misst. Darüber hinaus bestimmt der Abschnitt zum Bestimmen der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs, dass die Bedingung für die Zulässigkeit des Gangschaltvorgangs (Gangschaltzulässigkeitsbedingung) erfüllt ist, wenn das Drehmoment der Kurbelachse innerhalb eines vorgeschriebenen Bereichs liegt. Das Drehmoment der Kurbelachse beeinflusst das Drehmoment, das auf die Getriebekomponenten wirkt. Gemäß diesem Aspekt wird bestimmt, dass die Bedingung für die Zulässigkeit eines Gangschaltvorgangs erfüllt ist, und das Getriebe führt den Gangschaltvorgang durch, wenn bestimmt wird, dass das Drehmoment der Kurbelachse innerhalb des vorgeschriebenen Bereichs vergleichsweise kleiner Drehmomentwerte liegt. Das Getriebe schaltet sanft und ruckfrei, da es den Gangschaltvorgang durchführt, wenn das Drehmoment der Kurbelachse klein ist, d.h. wenn die Spannung der Kette des Fahrrads gering ist.
Gemäß einem achten Aspekt wird eine Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach einem der Aspekte eins bis sieben angegeben, wobei das Getriebe einen Gangschaltmotor aufweist und wobei der Gangschaltsteuerungsabschnitt ein Schalkommando zum Antreiben des Gangschaltmotors zum Schalten des Getriebes ausgibt. Obwohl gemäß diesem Aspekt der Gangschaltvorgang durch den Antrieb des Gangschaltmotors bewerkstelligt wird, können Größe und Stromverbrauch des Gangschaltmotors aufgrund des sanfteren Schaltvorganges reduziert 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. Gemäß diesem Aspekt wird die Kette, auf die über die Kurbel eine Trittkraft einer Person übertragen wird, ebenfalls durch den elektrischen Antriebsunterstützungsmotor direkt oder indirekt angetrieben. Da die Fahrrad-Antriebsvorrichtung der Verringerung der Kettenspannung dient, kann das Getriebe sanfter schalten.
Gemäß einem zehnten Aspekt wird eine Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach einem der Aspekte eins bis neun angegeben, wobei das Getriebe ein Innengetriebe ist. Das Innengetriebe ist ein Getriebe, das mit Zahnrädern arbeitet. Abhängig von der Einbauposition des Innengetriebes wird dieses als Hinterradachsgetriebe oder als Kurbel-Achsgetriebe bezeichnet. Obwohl bei diesem Innengetriebe die Gänge allgemein sanfter geschaltet werden können, wenn das übertragene Drehmoment kleiner statt größer ist, lässt sich mit der Fahrrad-Antriebsvorrichtung einer sanfter und ruckfreier Gangschaltvorgang bewerkstelligen, da das auf das Getriebe wirkende Drehmoment während des Gangschaltvorgangs kleiner ist.
Gemäß einem elften Aspekt wird eine Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach einem der Aspekte eins bis neun angegeben, wobei das Getriebe ein Außengetriebe ist. Ein Außengetriebe ist ein Getriebe, bei dem der Gangschaltvorgang unter Verwendung eines Umwerfers durch das Bewegen einer Kette zwischen den Kettenblättern bewerkstelligt wird. Ein vorderer Umwerfer, der die Kette zwischen den Kettenblättern der Kurbelachse bewegt, und/oder ein hinterer Umwerfer, der die Kette zwischen den Ritzeln des Hinterrads bewegt, werden durch einen Draht (ein Kabel), der (das) sich von einem Umschalter oder einem Elektromotor erstreckt, betätigt, um zu schalten. Bei diesem Außengetriebe wird ein Gangschaltvorgang nicht beeinträchtigt, wenn die Kette bis zu einem gewissen Grad gespannt ist, doch gestaltet sich das Schalten schwierig, wenn die Kettenspannung zu hoch ist. Mit der Fahrrad-Antriebsvorrichtung erfolgt der Gangschaltvorgang sanft und ruckfrei, da das Entstehen einer zu hohen Kettenspannung während des Gangschaltvorgangs verhindert wird.
Wenn bei einer Fahrrad-Antriebsvorrichtung, die nachstehend im Detail erläutert wird, eine Aufforderung zum Schalten erhalten wird, wird die Leistung (Output) des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors gestoppt oder verringert, und das Getriebe führt den Gangschaltvorgang durch, wenn eine Ausgabebedingung der Kurbel die Bedingung für die Zulässigkeit eines Gangschaltvorgangs erfüllt. Das Ergebnis ist ein sanftes und ruckfreies Schalten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es wird auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die Teil der vorliegenden Offenbarung sind.
1 ist eine Seitenansicht eines Fahrrads, bei dem die Fahrrad-Antriebsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform verwendet wird;
2 zeigt einen Kurbelpositionssensor;
3 zeigt eine Gangschalteinheit, die an einem Lenker befestigt ist;
4 ist ein Blockdiagramm einer Fahrrad-Steuervorrichtung (Fahrrad-Antriebsvorrichtung);
5A–5D zeigen, wie eine Kurbelarmposition bestimmt wird; und
6 ist ein Flussdiagramm einer Schaltsteuerung.
DETAILBESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausgewählte Ausführungsformen werden nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Der Fachmann wird erkennen, dass die nachstehende Beschreibung der Ausführungsformen lediglich Darstellungszwecken dient und nicht im Sinne einer Einschränkung der Erfindung zu verstehen ist, die durch die anliegenden Ansprüche und ihre Äquivalente definiert ist.
1 zeigt ein Fahrrad 101, bei dem eine Fahrrad-Steuervorrichtung (Fahrrad-Antriebsvorrichtung) gemäß einer Ausführungsform verwendet wird. Das Fahrrad 101 hat hauptsächlich einen Rahmen 102 mit einer Vordergabel 102b, eine Lenkereinheit 104, eine Antriebseinheit 105, ein Vorderrad 106 und einem Hinterrad 107.
Die Antriebseinheit 105 hat eine Kette 110, einen Kurbelsatz 112, an dem Pedale 111 befestigt sind, einen Unterstützungsmechanismus 115, der einen später erläuterten Unterstützungsmotor 116 (siehe 4) umfasst, und eine aufladbare Batterie 117, die abgenommen werden kann und die als Stromquelle für den Unterstützungsmechanismus 115 dient. Diese Komponenten sind an dem Rahmen 102 gehalten. Die aufladbare Batterie 117 ist eine Speicherbatterie, die zum Beispiel eine Nickelchlorid-Zelle oder eine Lithium-Ionen-Zelle verwendet und abnehmbar an dem Rahmen 102 montiert ist.
Der Kurbelsatz 112 umfasst eine Kurbelachse 112a und erstreckt sich in einer horizontalen Richtung und umfasst ein Paar linker und rechter Kurbelarme 112b, die an den einander axial gegenüberliegenden Enden der Kurbelachse 112a angeordnet und zueinander um 180 Grad versetzt sind. Die Pedale 111 sind an den vorderen Endbereichen der Kurbelarme 112b befestigt. Die Kurbelachse 112a ist an dem Rahmen 102 drehbar gelagert. Die Kette 110 ist an einem vorderen Kettenblatt, das an der Kurbelachse 112a befestigt ist, und an einem hinteren Ritzel, das an einer Schaltnabe 120 (Nabenschaltung) (später erläutert) vorgesehen ist, angeordnet.
Der Kurbelpositionssensor 39 ist, wie in 2 dargestellt, an dem Fahrrad 101 befestigt, um die Positionen der Kurbelarme 112b des Kurbelsatzes 112 zu detektieren. Der Kurbelpositionssensor 39 hat einen Magnet 45, der an einem der Kurbelarme 112b angeordnet ist, und ein erstes Hall-Element 46a und ein zweites Hall-Element 46b, die an dem Rahmen 102 angeordnet sind.
Der Magnet 45 ist ringförmig und hat einen Südpol 45a (S-Pol) und einen Nordpol 45b (N-Pol), die einander eng benachbart entlang einer Umfangsrichtung angeordnet sind. Der Magnet 45 ist mit einem Befestigungselement 48 an dem Kurbelarm 112b befestigt. Das Befestigungselement 48 umfasst zum Beispiel eine Mehrzahl von Schrauben. Der Südpol 45a und der Nordpol 45b sind um einen Außenumfang der Kurbelachse 112 angeordnet und haben in der Ausführungsform jeweils die Form eines Halbkreises. Beispielsweise ist es so, als sei der Magnet 45 durch eine Ebene geteilt, die eine Mitte der Kurbelachse 112a enthält, und als würde eine Seite den Südpol 45a und die andere Seite den Nordpol 45b bilden.
Da der Südpol 45a und der Nordpol 45b einander eng benachbart sind, sind zwei Grenzen vorhanden. Die Grenzen sind um die Kurbelachse 112a um 180° voneinander getrennt. Eine erste Grenzlinie 45c und eine zweite Grenzlinie 45d, die den Grenzen zwischen dem Südpol 45a und dem Nordpol 45b entsprechen, sind entlang einer Längsrichtung der Kurbelarme 112b angeordnet. Weiter vorzugsweise sind die erste Grenzlinie 45c und die zweite Grenzlinie 45d in einer Ebene N (siehe 2) angeordnet, die eine Drehachse der Kurbelachse 112a und eine axiale Mittellinie der Befestigungsöffnungen der Pedale 111 enthält. An der ersten Grenzlinie 45c ist der Nordpol 45b in Uhrzeigerrichtung auf einer stromaufwärts liegenden Seite und der Südpol 45a auf einer stromabwärts liegenden Seite angeordnet. An der zweiten Grenzlinie 45d ist der Südpol 45a in einer Uhrzeigerrichtung auf einer stromaufwärts liegenden Seite und der Nordpol 45b auf einer stromabwärts liegenden Seite angeordnet.
Das erste Hall-Element 46a und das zweite Hall-Element 46b sind in Positionen, die dem Magnet 45 zugewandt sind, an dem Rahmen 102 befestigt. Der Magnet 45 ist dem ersten Hall-Element 46a und dem zweiten Hall-Element 46b entlang einer axialen Richtung der Kurbelachse 112a zugewandt. Das erste Hall-Element 46a und das zweite Hall-Element 46b sind jeweils derart angeordnet, dass sie einem vorgeschriebenen Bereich α entsprechen, der einen unteren Totpunkt des rechten Kurbelarms 112b oder einen unteren Totpunkt des linken Kurbelarms 112b (oberer Totpunkt des rechten Kurbelarms 112b) einschließt. Der vorgeschriebene Bereich α ist ein Bereich, der sich zum Beispiel von einer Referenzposition an der unteren Totpunktposition oder oberen Totpunktposition eines der Kurbelarme 112b in beiden Drehrichtungen des Kurbelarms 112b über 15° erstreckt. Dadurch entspricht der vorgeschriebene Bereich α zum Beispiel einem Drehwinkel des Kurbelarms 112b von 30°. Der dem vorgeschriebenen Bereich α entsprechende Drehwinkel der Kurbelarme 112b liegt vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 20 bis 40 Grad.
Der Unterstützungsmechanismus 115 arbeitet mit dem Antriebsunterstützungsmotor 116, um entsprechend einem Drehmoment, das aufgrund der Trittkraft einer Person auf die Kurbelachse 112a des Kurbelsatzes 112 ausgeübt wird (z.B. ein Drehmoment gleich dem Produkt eines vorgeschriebenen Werts und dem auf die Kurbelachse 112a wirkenden Drehmoment), ein vorgeschriebenes ergänzendes Drehmoment bereitzustellen. Das Drehmoment des Antriebsunterstützungsmotors 116 wird über ein Unterstützungskettenblatt (Unterstützungsritzel) direkt oder indirekt auf die Kette 110 übertragen. Das Unterstützungskettenblatt kann zum Beispiel mit der Kurbelachse oder mit einem vorderen Kettenblatt (Ritzel) verbunden sein. Das heißt, die Antriebseinheit 105 überträgt die Trittkraft, die von einer Person auf die Kurbelachse 112a ausgeübt wird, und die Leistung des Antriebsunterstützungsmotors 116 (ein Beispiel eines elektrischen Antriebsunterstützungsmotors) über die Kette 110 auf ein Ritzel der Schaltnabe 120.
Die Schaltnabe 120 (Nabenschaltung) bildet einen Teil eines Innengetriebes und ist in das Hinterrad 107 eingebaut. Die Schaltnabe 120 ist zum Beispiel eine 8-Gangnabe und ist in der Mitte des Hinterrads 107 angeordnet. Ein elektrischer Gangschaltmotor 123 ist mit der Schaltnabe 120 verbunden und dient dem elektrischen Antrieb eines Gangschaltmechanismus, der einen Planetengetriebemechanismus umfasst. Zusammen bilden der Gangschaltmotor 123 und die Schaltnabe 120 ein Innengetriebe. Die Schaltnabe 120 ist mit einer hinteren Bremsvorrichtung verbunden, die zum Beispiel eine Rollenbremse, eine Bandbremse oder eine Scheibenbremse umfasst.
Wie in 3 gezeigt ist, ist eine Gangschalteinheit 20 in der Nähe eines Griffes 104a an dem Lenker 104 befestigt. Die Gangschalteinheit 20 ist eine einzelne Einheit, in die ein erster Schaltknopf 21, ein zweiter Schaltknopf 22 und ein Drehwähler 23 integriert sind. Wie 3 zeigt, sind der erste und der zweite Schaltknopf 21 und 22 und der Drehwähler 23 derart positioniert, dass eine Person sie mit einem Finger betätigen kann, während sie den Griff 104a des Lenkers 104 umgreift.
Der erste und der zweite Schaltknopf 21 und 22 sind Drucktasten. Der erste Schaltknopf 21 ist ein Knopf zum Schalten von einem niedrigeren in einen höheren Gang. Der zweite Schaltknopf 22 ist ein Knopf zum Schalten von einem höheren in einen niedrigeren Gang. Der Drehwähler 23 ist ein Wähler zum Schalten 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 die Schaltnabe 120 auf der Basis eines Fahrradgeschwindigkeitssignals von einem Fahrradgeschwindigkeitssensor 41 (später erläutert) automatisch geschaltet wird. Der manuelle Schaltmodus ist ein Modus, in dem die Schaltnabe 120 durch eine Betätigung des ersten und des zweiten Schaltknopfes 21 und 22 in einen beliebigen gewünschten Gang geschaltet wird. Der Parkmodus ist ein Modus, in dem die Drehung des Hinterrads 107 durch ein Sperren der Schaltnabe 102 unterbunden wird.
Die bei dem Fahrrad 101 verwendete Fahrrad-Steuervorrichtung hat einen Mikrocomputer 12 und dient der Steuerung von elektrischen Komponenten, die mit dem Fahrrad-Steuerabschnitt verbunden sind. Der Mikrocomputer 12 ist an dem Rahmen 2 angeordnet und 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) sowie weitere Funktionsabschnitte. Wie 4 zeigt, umfassen die Funktionsabschnitte des Mikrocomputers 12 einen Unterstützungsleistungssteuerungsabschnitt, der die Leistung des Antriebsunterstützungsmotors 116 steuert, einen Gangschaltsteuerungsabschnitt 14, der den Gangschaltmotor 123 steuert, so dass dieser einen Gangschaltvorgang der Schaltnabe 120 durchführt, und einen Abschnitt 16 zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs, der bestimmt, ob die Bedingungen für den Antrieb des Gangschaltmotors 123 und für die Durchführung eines Gangschaltvorgangs annehmbar sind.
Der Mikrocomputer 12 empfängt Information von Sensoren und er empfängt Kommandos infolge von Bedienvorgängen, die eine Person ausführt. Insbesondere ist der Mikrocomputer 12 mit dem ersten Schaltknopf 21, dem zweiten Schaltknopf 22, dem Drehwähler 23, dem Kurbelpositionssensor 39, dem Fahrradgeschwindigkeitssensor 41 und einem Trittkraftsensor 43 (Pedalkraftsensor) elektrisch verbunden. Wie vorstehend erläutert, sind der erste und der zweite Schaltknopf 21 und 22 und der Drehwähler 23 derart positioniert, dass sie von einer Person bedient werden können, während diese einen Griff 104a des Lenkers 104 umgreift. Der Kurbelpositionssensor 39 ist, wie vorstehend erläutert wurde, an dem Kurbelarm 112b und an dem Rahmen 102 installiert. Der Fahrradgeschwindigkeitssensor 41 ist in eine Generatornabe 109 (siehe 1) eingebaut, die an einem Vorderrad 106 vorgesehen ist. Die Generatornabe 109, in der der Fahrradgeschwindigkeitssensor 41 eingebaut ist, ist ein Wechselstromgenerator, und der Fahrradgeschwindigkeitssensor 41 sendet in Reaktion auf die Drehung des Vorderrads 106 ein Wechselstromsignal an den Mikrocomputer 12. Der Trittkraftsensor 43 detektiert ein Drehmoment der Kurbelachse 112a berührungsfrei oder durch einen Kontakt mit der Kurbelachse 112a oder mit dem Kurbelarm 112b. Der Trittkraftsensor 43 ist zum Beispiel ein magnetorestriktiver Sensor mit einem an der Kurbelachse 112a vorgesehenen magnetorestriktiven Element und einer dem magnetorestriktiven Element gegenüberliegenden Detektorspule, ein an der Kurbelachse 112a oder an einem der Kurbelarme 112b vorgesehener Dehnungsmesser oder ein Dehnungsmesser, der an einem die Kurbelachse 112a tragenden Stützabschnitt vorgesehen ist. Der Trittkraftsensor 43 ist nicht auf diese Konfigurationen beschränkt. Vielmehr ist jeder Sensor zulässig, dessen Ausgabe entsprechend dem auf die Kurbelachse 112a wirkenden Drehmoment variiert. Der Trittkraftsensor 43 sendet an den Mikrocomputer 12 ein Signal, das sich gemäß der auf die Kurbelachse 112a wirkenden Trittkraft ändert, als Information, die einen Drehmomentwert angibt. Der erste und der zweite Schaltknopf 21 und 22 sowie der Drehwähler 23 leiten in Reaktion auf ihre Betätigung durch eine Person Kommandos an den Mikrocomputer 12.
Der Unterstützungsleistungssteuerungsabschnitt 13 des Mikrocomputers 12 steuert den Antriebsunterstützungsmotor 116 derart, dass der Antriebsunterstützungsmotor 116 eine Unterstützungskraft erzeugt, die gleich dem Produkt der Trittkraft des Radfahrers und eines vorgeschriebenen Werts ist. Der Unterstützungsleistungssteuerungsabschnitt 13 steuert den Antriebsunterstützungsmotor 116 gemäß einer Mehrzahl von Unterstützungsmoden. Insbesondere umfasst der Unterstützungsleistungs-Steuerungsabschnitt 13 drei Unterstützungsmoden, nämlich 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. Der Unterstützungsleistungssteuerungsabschnitt 13 verfügt auch über einen AUS-Modus, in dem er keine Unterstützung liefert. Die Unterstützungsmoden können durch einen Schalter (nicht dargestellt) an der Lenkereinheit 104 oder durch den Drehwähler 23 gewechselt werden.
Der Unterstützungsleistungssteuerungsabschnitt 13 setzt die Unterstützungskraft vorübergehend auf null, wenn er eine Aufforderung von dem Gangschaltsteuerungsabschnitt 14 erhält. Eine detaillierte Erläuterung folgt an späterer Stelle.
Der Gangschaltsteuerungsabschnitt 14 des Mikrocomputers 12 steuert den Gangschaltmotor 123 entweder entsprechend einer Betätigung des ersten oder zweiten Schaltknopfs 21 und 22, um die Schaltnabe 120 in einen anderen Gang zu schalten, oder er steuert den Gangschaltmotor 123 automatisch entsprechend der Fahrradgeschwindigkeit und schaltet die Schaltnabe 120 in einen anderen Gang. Wie später mit Bezug auf 6 erläutert wird, sendet der Gangschaltsteuerungsabschnitt 14 vor dem Gangwechsel der Schaltnabe 120 ein Kommando an den Unterstützungsleistungssteuerungsabschnitt 13, so dass dieser die Unterstützungskraft vorübergehend auf null setzt. Wenn der Abschnitt 16 zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs bestimmt, dass ein Gangschaltvorgang nicht möglich ist, sendet der Gangschaltsteuerungsabschnitt 14 die Betriebsanweisung nicht an den Gangschaltmotor 123 und wartet, bis sich das Ergebnis der Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangwechsels durch den Abschnitt 16 zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangwechsels ändert, um anzuzeigen, dass ein Gangwechsel möglich ist.
Hat eine Person durch die Einstellung des Drehwählers 23 auf die Stopp-Position M den manuellen Schaltmodus gewählt, führt der Gangschaltsteuerungsabschnitt 14 einen Gangschaltvorgang von einem niedrigeren in einen höheren Gang durch, wenn der erste Schaltknopf 21 betätigt wird, und führt einen Gangschaltvorgang von einem höheren in einen niedrigeren Gang durch, wenn der zweite Schaltknopf 22 betätigt wird.
Wenn durch die Einstellung des Drehwählers 23 auf die Stopp-Position A der automatische Schaltmodus gewählt wurde, bestimmt der Gangschaltsteuerungsabschnitt 14 auf der Basis von Fahrradgeschwindigkeitsinformationen, die von dem Fahrradgeschwindigkeitssignal, das von dem Fahrradgeschwindigkeitssensor 41 empfangen wird, bezogen werden, ob ein Gangschaltvorgang notwendig ist. Ist ein Gangschaltvorgang notwendig, sendet der Gangschaltsteuerungsabschnitt 14 ein Kommando für eine Schaltanweisung an den Gangschaltmotor 123 der Schaltnabe 120. Der Gangschaltsteuerungsabschnitt 14 enthält zwei Tabellen für einen automatischen Gangschaltvorgang und wählt die zu benutzende Tabelle auf der Basis eines Trittkraftwerts (Drehmoment der Kurbelachse 112a), der durch den Trittkraftsensor 43 detektiert wurde. Insbesondere sind eine Tabelle mit einem Modus für ein hohes Drehmoment und eine Tabelle für einen Normalmodus gespeichert, und in beiden Tabellen sind Schwellenwerte der Fahrradgeschwindigkeit zum Hochschalten oder Herunterschalten in dem automatischen Schaltmodus gespeichert. 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.
Der Abschnitt 16 zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs in dem Mikrocomputer 12 bestimmt, ob es in Ordnung ist, dass die Schaltnabe 120 einen Gangschaltvorgang durchführt. Wenn der Abschnitt 16 zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs bestimmt hat, dass ein Gangschaltvorgang durch die Schaltnabe 120 nicht zugelassen werden sollte, d.h. dass die Bedingung für die Zulässigkeit eines Gangschaltvorgangs nicht erfüllt ist, wartet der Gangschaltsteuerungsabschnitt 14, ohne eine Betriebsanweisung an den Gangschaltmotor 123 der Schaltnabe 120 zu senden (siehe Schritt S4 von 6, der später erläutert wird).
Der Abschnitt 16 zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs speichert eine Bedingung 16a für die Zulässigkeit eines Gangschaltvorgangs (Gangschaltzulässigkeitsbedingung), die sich auf die Position des Kurbelarms 112b des Kurbelsatzes 112 bezieht, und die Position des Kurbelarms 112b ist eine Ausgabebedingung des Kurbelsatzes 112. Insbesondere ist die Bedingung 16a für die Zulässigkeit des Gangschaltvorgangs die Bedingung, dass die Kurbelarme 112b des Kurbelsatzes 112 in der Nähe des oberen Totpunkts und des unteren Totpunkts positioniert sind. Der Abschnitt 16 zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs bestimmt, dass die Bedingung 16a für die Zulässigkeit des Gangschaltvorgangs erfüllt ist, wenn die Kurbelarme 112b des Kurbelsatzes 112 in der Nähe des oberen Totpunkts und des unteren Totpunkts positioniert sind.
Die Positionen der Kurbelarme 112b des Kurbelsatzes 112 werden auf der Basis der Ausgabe des vorstehend erläuterten Kurbelpositionssensors 39 detektiert. Der Abschnitt 16 zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs bestimmt auf der Basis eines Ergebnisses einer Detektion durch den Kurbelpositionssensor 39, ob sich entweder der rechte oder der linke Kurbelarm 112b in einem vorgeschriebenen, die untere Totlage einschließenden Bereich α befindet. Der Abschnitt 16 zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs bestimmt auf der Basis einer Kombination von Ausgaben (outputs) des ersten Hall-Elements 46a und des zweiten Hall-Elements 46b, ob sich der rechte Kurbelarm 112b und der linke Kurbelarm 112b in einem vor vier Bereichen befinden. Das erste Hall-Element 46a und das zweite Hall-Element 46b sind beide so konfiguriert, dass sie eine Ausgabe mit einem niedrigen Pegel (L) (low level output) produzieren, wenn sie dem Südpol 45 gegenüberliegen, und dass sie eine Ausgabe mit einem hohen Pegel (H) (high level output) produzieren, wenn sie dem Nordpol 45b gegenüberliegen. Kombinationen der Ausgangssignale von dem ersten Hall-Element 46a und dem zweiten Hall-Element 46b werden kategorisiert in eine erste Kombination A1, eine zweite Kombination A2, eine dritte Kombination A3 und eine vierte Kombination A4.
5A zeigt ein Beispiel von Positionen des ersten Hall-Elements 46a, des zweiten Hall-Elements 46b und des Magnets 45, wenn die Ausgangssignale die erste Kombination A1 bilden. In der ersten Kombination A1 hat die Ausgabe des ersten Hall-Elements 46a den niedrigen Pegel (L) und die Ausgabe des zweiten Hall-Elements 46b den hohen Pegel (H). Die Ausgaben des ersten Hall-Elements 46a und des zweiten Hall-Elements 46b bilden die erste Kombination A1, wenn sich der rechte Kurbelsatz 112b in dem vorgeschriebenen, den unteren Totpunkt einschließenden Bereich α befindet. Wenn die Ausgaben des ersten Hall-Elements 46a und des zweiten Hall-Elements 46b die erste Kombination A1 bilden, liegt die erste Grenzlinie 45c des Magnets 45 in einer Seitenansicht des Fahrrads 101, wie in 5A gezeigt, zwischen dem ersten Hall-Element 46a und dem zweiten Hall-Element 46b.
5B zeigt ein Beispiel von Positionen des ersten Hall-Elements 46a, des zweiten Hall-Elements 46b und des Magnets 45, wenn die Ausgangssignale die zweite Kombination A2 bilden. In der zweiten Kombination A2 haben die Ausgaben des ersten Hall-Elements 46a und des zweiten Hall-Elements 46b beide den Pegel H. Die Ausgaben des ersten Hall-Elements 46a und des zweiten Hall-Elements 46b bilden die zweite Kombination A2, wenn sich der rechte Kurbelarm 112b von dem vorgeschriebenen, den unteren Totpunkt einschließenden Bereich α in der Richtung eines Pfeils B (bei Betrachtung von der rechten Seite des Fahrrads 101 in Uhrzeigerrichtung) soweit gedreht hat, dass die erste Grenzlinie 45c des Magnets 45 das erste Hall-Element 46a passiert hat, der linke Kurbelarm 112b sich jedoch noch nicht in den vorgeschriebenen, den unteren Totpunkt einschließenden Bereich α hinein bewegt hat.
5C zeigt ein Beispiel von Positionen des ersten Hall-Elements 46a, des zweiten Hall-Elements 46b und des Magnets 45, wenn die Ausgangssignale die dritte Kombination A3 bilden. In der dritten Kombination A3 hat die Ausgabe des ersten Hall-Elements 46a den Pegel H und die Ausgabe des zweiten Hall-Elements 46b den Pegel L. Die Ausgaben des ersten Hall-Elements 46a und des zweiten Hall-Elements 46b bilden die dritte Kombination A3, wenn sich der linke Kurbelarm 112b in dem vorgeschriebenen, den unteren Totpunkt einschließenden Bereich α befindet. Wenn die Ausgaben des ersten Hall-Elements 46a und des zweiten Hall-Elements 46b die dritte Kombination A3 bilden, liegt die zweite Grenzlinie 45d des Magnets 45 in einer Seitenansicht des Fahrrads 101, wie in 5C dargestellt, zwischen dem ersten Hall-Element 46a und dem zweiten Hall-Element 46b.
5D zeigt ein Beispiel von Positionen des ersten Hall-Elements 46a, des zweiten Hall-Elements 46b und des Magnets 45, wenn die Ausgangssignale die vierte Kombination A4 bilden. In der vierten Kombination A4 haben die Ausgaben des ersten Hall-Elements 46a und des zweiten Hall-Elements 46b beide den Pegel L.
Die Ausgaben des ersten Hall-Elements 46a und des zweiten Hall-Elements 46b bilden die vierte Kombination A4, wenn sich der linke Kurbelarm 112b von dem vorgeschriebenen, den unteren Totpunkt einschließenden Bereich α in der Richtung eines Pfeils B (bei Betrachtung von der rechten Seite des Fahrrads 101 in Uhrzeigerrichtung) soweit gedreht hat, dass die zweite Grenzlinie 45d des Magnets 45 das erste Hall-Element 46a passiert hat, der rechte Kurbelarm 112b sich jedoch noch nicht in den vorgeschriebenen, den unteren Totpunkt einschließenden Bereich α hinein bewegt hat.
Der Abschnitt 16 zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs bestimmt, dass die Bedingung 16a für die Zulässigkeit eines Gangschaltvorgangs, d.h. die Bedingung, dass die Kurbelarme 112b in der Nähe des oberen und unteren Totpunkts positioniert sind, erfüllt ist, wenn die erste Kombination A1 gebildet wird, da der rechte Kurbelarm 112b in der Nähe des unteren Totpunkts positioniert ist (der linke Kurbelarm 112b ist in der Nähe des oberen Totpunkts positioniert), und wenn die dritte Kombination A3 gebildet wird, da der linke Kurbelarm 112b in der Nähe des unteren Totpunkts positioniert ist (der rechte Kurbelarm 112b ist in der Nähe des oberen Totpunkts positioniert).
Die Hauptmerkmale der Gangschaltsteuerung, die durch den Gangschaltsteuerungsabschnitt 14 durchgeführt wird, werden nunmehr mit Bezug auf 6 erläutert. Der Ablauf der Gangschaltsteuerung entspricht dem Flussdiagramm von 6, unabhängig davon, ob sich die Vorrichtung in dem manuellen Schaltmodus oder in dem automatischen Schaltmodus befindet.
Bei einer Aufforderung an die Schaltnabe 120 zu schalten, geht der Gangschaltsteuerungsabschnitt 14 von Schritt S1 zu Schritt S2. In Schritt S2 bestimmt der Gangschaltsteuerungsabschnitt 14 auf der Basis des Signals von dem Fahrradgeschwindigkeitssensor 41, ob die berechnete Fahrradgeschwindigkeit null ist. Ist die Fahrradgeschwindigkeit null, geht der Gangschaltsteuerungsabschnitt 14 von Schritt S2 zu Schritt S5 weiter und sendet unverzüglich eine Betriebsanweisung an den Gangschaltmotor 123, so dass dieser einen Gangschaltvorgang durchführt. Wenn die Fahrradgeschwindigkeit null ist, wirkt im Wesentlichen kein Drehmoment auf die Innenteile der Schaltnabe 120, so dass der Gangschaltvorgang sanft durchgeführt wird. Wenn in Schritt S2 bestimmt wird, dass die Fahrradgeschwindigkeit nicht null ist, geht der Gangschaltsteuerungsabschnitt 14 zu Schritt S3 weiter. In Schritt S3 setzt der Gangschaltsteuerungsabschnitt 14 die durch den Antriebsunterstützungsmotor 116 erzeugte Unterstützungskraft herab, und zwar ungeachtet des Unterstützungsmodus, in dem sich die Vorrichtung befindet. In dieser Ausführungsform setzt der Unterstützungsleistungssteuerungsabschnitt 13 die Leistung (Output) des Antriebsunterstützungsmotors 116 in Schritt S3 vorübergehend auf null, so dass keine Fahrunterstützung stattfindet. In Schritt S4 bestimmt der Abschnitt 16 zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs, ob die Bedingung 16a für die Zulässigkeit eines Gangschaltvorgangs erfüllt ist, d.h. ob die Kurbelarme 112b des Kurbelsatzes 112 in der Nähe des oberen und des unteren Totpunkts positioniert sind. Sind die Kurbelarme 112b nicht in der Nähe des oberen und des unteren Totpunkts positioniert, wird Schritt S4 wiederholt, bis sich die die Kurbelarme 112b in der Nähe der oberen und der unteren Totpunktstellung befinden. Wenn sich die Kurbelarme 112b in der Nähe des oberen und des unteren Totpunkts befinden (oder wenn sich die Kurbelarme 112 dem oberen und dem unteren Totpunkt gerade nähern), geht der Gangschaltsteuerungsabschnitt 14 zu Schritt S5 weiter und führt den Gangschaltvorgang durch. Da die Fahrunterstützung gestoppt wurde und da die Kurbelarme 112b an dem oberen und unteren Totpunkt positioniert sind, ist das auf die Innenteile der Schaltnabe 120 wirkende Drehmoment sehr klein, und der Gangschaltvorgang findet sanft und ruckfrei statt. Wenn der Gangschaltvorgang in Schritt S5 beendet ist, geht der Gangschaltsteuerungsabschnitt 14 zu Schritt S6 weiter. Wenn die Leistung des Antriebsunterstützungsmotors 116 in Schritt S3 herabgesetzt wurde, d.h. in vorliegender Ausführungsform auf null gesetzt wurde, hebt der Gangschaltsteuerungsabschnitt 14 in Schritt S6 den Zustand der herabgesetzten Leistung auf und kehrt zurück zur Steuerung der Leistung auf der Basis des Unterstützungsmodus, der bereits eingestellt war. Außerdem kann Schritt S6 derart konfiguriert sein, dass der Zustand der herabgesetzten Leistung des Antriebsunterstützungsmotors 116 aufgehoben wird, wenn seit der Durchführung des Gangschaltvorgangs in Schritt S5 eine vorgeschriebene Zeitspanne verstrichen ist. In dem Getriebe oder in dem Gangschaltmotor kann auch ein Sensor vorgesehen sein, der den aktuellen Gang detektiert, und Schritt S6 kann so konfiguriert sein, dass der Zustand der herabgesetzten Leistung des Antriebsunterstützungsmotors 116 aufgehoben wird, wenn auf der Basis der Ausgabe des Sensors bestimmt wird, dass der Gangschaltvorgang beendet ist.
Wenngleich die Erfindung anhand einer Ausführungsform beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Verschiedene Modifikationen sind möglich, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, der in den anliegenden Ansprüchen definiert ist.
Es ist zulässig, wenn als Anzeige/Eingabe-Vorrichtung ein Bildschirm-Tastfeld derart an der Lenkereinheit 104 befestigt ist, dass sie unter anderem für die Wahl des Unterstützungsmodus, für die Anzeige der Fahrradgeschwindigkeit und des Gangs und für die Anzeige der Restkapazität der aufladbaren Batterie 117 verwendet werden kann.
In der vorstehend erläuterten Ausführungsform setzt der Unterstützungsleistungs-Steuerungsabschnitt 13 in Schritt S3 die Leistung des Antriebsunterstützungsmotors 116 vorübergehend auf null, so dass während des Gangschaltvorgangs keine Fahrunterstützung erfolgt. Es ist jedoch auch möglich, Schritt S3 so zu konfigurieren, dass die Unterstützungsleistung des Antriebsunterstützungsmotor 116 während eines Gangschaltvorgangs vorübergehend reduziert wird, indem die Leistung des Antriebsunterstützungsmotors 116 unter den Wert verringert wird, der auf dem zu dieser Zeit wirksamen Unterstützungsmodus basiert (z.B. eine Verringerung der Leistung auf die Hälfte des Leistungswerts). Selbst wenn die Fahrunterstützung bis zu einem gewissen Maß zugeschaltet bleibt, wird der Gangschaltvorgang sanfter durchgeführt, wenn die Leistung verringert ist.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die in dem Abschnitt 16 zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs gespeicherte Bedingung 16a für die Zulässigkeit eines Gangschaltvorgangs eine Bedingung, die sich auf die Positionen der Kurbelarme 112b des Kurbelsatzes bezieht und die eine Ausgabebedingung des Kurbelsatzes 112 ist. Jedoch kann stattdessen eine Bedingung für die Zulässigkeit des Gangschaltvorgangs verwendet werden, die auf das Drehmoment der Kurbelachse 112a des Kurbelsatzes 112 bezogen ist und die eine weitere Ausgabebedingung des Kurbelsatzes 112 ist. Insbesondere ist es möglich zu bestimmen, dass die Bedingung für die Zulässigkeit des Schaltvorgangs erfüllt ist, wenn das durch den Trittkraftsensor 43 detektierte Drehmoment der Kurbelachse 112a innerhalb eines vorgeschriebenen Bereichs liegt (z.B. kleiner als ein vorgeschriebener Wert ist). Auch auf diese Weise ist ein sanftes Schalten möglich, da die Fahrunterstützung reduziert oder abgeschaltet wird und die auf die Kurbel 12 wirkende Trittkraft gering ist, so dass das auf die Innenteile der Schaltnabe 120 wirkende Drehmoment klein ist.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die in dem Abschnitt 16 zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs gespeicherte Bedingung 16a für die Zulässigkeit eines Gangschaltvorgangs eine Bedingung, die sich auf die Positionen der Kurbelarme 112b des Kurbelsatzes 112 bezieht und die eine Ausgabebedingung des Kurbelsatzes 112 ist. Stattdessen kann als Bedingung für die Zulässigkeit eines Gangschaltvorgangs ein Drehmoment des Hinterrads 107 herangezogen werden, das eine weitere Ausgabebedingung des Kurbelsatzes 112 bildet. Insbesondere könnte für die Detektion des Drehmoments des Hinterrads 107 ein Sensor vorgesehen sein. In diesem Fall könnte die Bedingung für die Zulässigkeit eines Gangschaltvorgangs als erfüllt beurteilt werden, wenn das durch den Sensor detektierte Drehmoment kleiner ist als ein vorgeschriebener Schwellenwert. Auch auf diese Weise ist ein sanftes Schalten möglich, da der Gangschaltvorgang durchgeführt wird, wenn die Fahrunterstützung reduziert oder abgeschaltet ist, und da das Drehmoment des Hinterrads 107, an dem die Schaltnabe 120 installiert ist, klein ist, so dass das auf die Innenteile der Schaltnabe 120 wirkende Drehmoment klein ist. Das Drehmoment des Hinterrads 107 kann auch auf der Basis des Kurbelachsendrehmoments und einer Übersetzung berechnet werden.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die in dem Abschnitt 16 zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs gespeicherte Bedingung 16a für die Zulässigkeit eines Gangschaltvorgangs eine Bedingung, die sich auf die Positionen der Kurbelarme 112b des Kurbelsatzes 112 bezieht und die eine Ausgabebedingung des Kurbelsatzes 112 bildet. Stattdessen kann als Bedingung für die Zulässigkeit eines Gangschaltvorgangs ein Übertragungsdrehmoment der Schaltnabe 120 verwendet werden, die eine weitere Ausgabebedingung des Kurbelsatzes 112 bildet. Insbesondere wird das über das Kettenblatt von der Kette auf die Schaltnabe 120 übertragene Drehmoment direkt detektiert oder berechnet. In diesem Fall könnte die Bedingung für die Zulässigkeit eines Gangschaltvorgangs als erfüllt beurteilt werden, wenn das Drehmoment kleiner als ein vorgeschriebener Schwellenwert ist. Da ein Eingangsdrehmoment, bei dem ein Schalten möglich ist, hinsichtlich der Schaltnabe 120 bereits voreingestellt ist, kann dieses voreingestellte Eingangsdrehmoment als Schwellenwert verwendet werden. Auch auf diese Weise ist ein sanftes und ruckfreies Schalten möglich, da der Gangschaltvorgang durchgeführt wird, wenn die Fahrunterstützung reduziert oder abgeschaltet ist, und da das Drehmoment der Schaltnabe 120 klein ist, so dass das auf die Innenteile der Schaltnabe 120 wirkende Drehmoment klein ist.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die vorliegende Erfindung bei einem Fahrrad 101 angewendet, bei dem die Schaltnabe 120, die ein Innengetriebe bildet, an dem Hinterrad 107 installiert ist. Stattdessen kann die Erfindung jedoch bei einem Fahrrad mit einem Getriebe angewendet werden, das an der Kurbelachse installiert ist und für einen Schaltbetrieb mittels eines Planetengetriebemechanismus konfiguriert ist.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die vorliegende Erfindung bei einem Fahrrad 101 angewendet, bei dem die Schaltnabe 120, die ein Innengetriebe bildet, an dem Hinterrad 107 installiert ist. Stattdessen kann die Erfindung jedoch bei einem Fahrrad mit einem Außengetriebe angewendet werden, das einen vorderen oder einen hinteren Umwerfer hat, der jeweils elektrisch angetrieben wird. In einem solchen Fall lässt sich die Durchführung eines Gangschaltvorgangs verhindern, wenn eine zu hohe Kraft auf das Außengetriebe wirkt, und es ist ein sanftes und ruckfreies Schalten möglich. Im Falle eines Außengetriebes bestimmt der Gangschaltsteuerungsabschnitt 14 in Schritt S2 von 6 auf der Basis des Signals von dem Fahrradgeschwindigkeitssensor 41, ob die berechnete Fahrradgeschwindigkeit null ist. Der Gangschaltsteuerungsabschnitt 14 geht zu Schritt S3 weiter, wenn die Fahrradgeschwindigkeit nicht null ist, und wartet in Schritt S2, bis die Fahrradgeschwindigkeit größer als null ist, ehe er zu Schritt S3 und den weiteren Schritten geht. Mit anderen Worten: Wenn in Schritt S2 bestimmt wird, dass die Fahrradgeschwindigkeit null ist, wiederholt der Gangschaltsteuerungsabschnitt 14 Schritt S2, bis die Fahrradgeschwindigkeit null oder größer ist. Der Gangschaltsteuerungsabschnitt 14 geht dann zu Schritt S3 und zu den folgenden Schritten weiter (S3 bis S6).
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist ein Unterstützungsmechanismus 115 in der Nähe der Kurbelachse 112a angeordnet, und das Drehmoment des Antriebsunterstützungsmotors 116 wird über ein Unterstützungskettenblatt (Unterstützungsritzel) auf die Kette 110 übertragen. Anstelle des Unterstützungsmechanismus 115 kann eine Motoreinheit zur Fahrunterstützung an dem Vorderrad 106 installiert sein. Ein Antriebsunterstützungsmotor, ein Inverter und ein Fahrradgeschwindigkeitssensor sind vorzugsweise in der Motoreinheit angeordnet.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist ein Unterstützungsmechanismus 115 in der Nähe der Kurbelachse 112a angeordnet, und das Drehmoment des Antriebsunterstützungsmotors 116 wird über ein Unterstützungskettenblatt (Unterstützungsritzel) auf die Kette 110 übertragen. Anstelle des Unterstützungsmechanismus 115 kann eine Motoreinheit zur Fahrunterstützung an dem Hinterrad 107 installiert sein. In einem solchen Fall ist die Motoreinheit an einer Ausgabeseite des Getriebes vorgesehen.
Der Kurbelpositionssensor 39 ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt. Vielmehr kann ein Drehwertgeber als Kurbelpositionsdetektor 39 verwendet werden.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform steuert der Unterstützungsleistungssteuerungsabschnitt 13 den Antriebsunterstützungsmotor 116 auf der Basis einer Ausgabe (Output) des Trittkraftsensors 43, der das auf die Kurbelachse wirkende Drehmoment detektiert. Anstelle des Trittkraftsensors 43 kann ein Sensor vorgesehen sein, der eine Kraft zum Herunterdrücken eines Pedals detektiert, oder ein Sensor, der die Kettenspannung detektiert. Der Unterstützungsleistungs-Steuerungsabschnitt 13 könnte den Antriebsunterstützungsmotor 116 dann auf der Basis von Informationen von einem derartigen Sensor steuern.
Wenngleich in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform Schritt S2 konfiguriert ist für eine Bestimmung, ob die Fahrradgeschwindigkeit null ist, könnte Schritt S2 konfiguriert sein für eine Bestimmung, ob sich die Kurbel dreht oder nicht. Zum Beispiel kann ein Kurbelpositionssensor als Sensor für die Detektion der Drehung der Kurbel verwendet werden. Wenn sich die durch den Kurbelpositionssensor detektierte Kurbelposition nicht ändert, bestimmt der Gangschaltsteuerungsabschnitt, dass sich die Kurbel nicht dreht. Wenn in Schritt S2 bestimmt wird, dass sich ein Signal von dem Kurbelpositionssensor innerhalb einer vorgeschriebenen Zeitspanne geändert hat, bestimmt der Gangschaltsteuerungsabschnitt, dass sich die Kurbel dreht, und geht weiter zu Schritt S3. Wenn in Schritt S2 bestimmt wird, dass sich das Signal von dem Kurbelpositionssensor innerhalb der vorgeschriebenen Zeitspanne nicht geändert hat, bestimmt der Gangschaltsteuerungsabschnitt, dass sich die Kurbel nicht dreht, und geht zu Schritt S5. Der Sensor für die Detektion der Kurbeldrehung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Konfiguration beschränkt. Der Sensor kann auch durch einen Magnet und einen Reed-Schalter realisiert sein. Im Falle eines Außengetriebes bestimmt der Gangschaltsteuerungsabschnitt in Schritt S2 von 6, dass sich die Kurbel dreht, und geht weiter zu Schritt S3, wenn sich das Signal von dem Kurbelpositionssensor innerhalb einer vorgeschriebenen Zeitspanne ändert. Wenn in Schritt S2 bestimmt wird, dass sich die Kurbel nicht dreht, wartet der Gangschaltsteuerungsabschnitt bis er bestimmt, dass sich die Kurbel dreht, ehe er zu Schritt S3 und den folgenden Schritten weitergeht.
Wenngleich in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform Schritt S2 konfiguriert ist für die Bestimmung, ob die Fahrradgeschwindigkeit null ist, kann Schritt S2 auch konfiguriert sein für die Bestimmung, ob durch den Trittkraftsensor eine Trittkraft detektiert wurde. Wenn in Schritt S2 auf der Basis eines Signals von dem Trittkraftsensor bestimmt wird, dass eine Trittkraft vorliegt, geht der Gangschaltsteuerungsabschnitt weiter zu Schritt S3. Wenn nicht, geht der Gangschaltsteuerungsabschnitt zu Schritt S5 weiter. Im Falle eines Außengetriebes wird in Schritt S2 von 6 auf der Basis eines Signals von dem Trittkraftsensor bestimmt, dass eine Trittkraft vorliegt, woraufhin der Gangschaltsteuerungsabschnitt zu Schritt S3 weitergeht. Wenn nicht, wartet der Gangschaltsteuerungsabschnitt, bis eine Trittkraft detektiert wird, ehe er zu Schritt S3 und zu den folgenden Schritten weitergeht.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann Schritt S2 entfallen und die Steuerung stattdessen derart konfiguriert sein, dass der Gangschaltsteuerungsabschnitt zu Schritt S3 weitergeht, wenn bestimmt wird, dass in Schritt S1 ein Schaltaufforderung erfolgt ist.
Darüber hinaus können Komponenten, die direkt miteinander verbunden oder im direkten Kontakt miteinander dargestellt sind, ebenso zwischengeschaltete Konstruktion aufweisen, soweit dies nicht anders angegeben ist. Sofern nicht anders angegeben, können die von einem Element ausgeführten Funktionen auch von zwei Elementen ausgeführt werden und umgekehrt. Die Konstruktionen und Funktionen einer Ausführungsform können bei einer anderen Ausführungsform übernommen werden. Nicht alle Vorteile, die in einer Ausführungsform vorhanden sind, müssen gleichzeitig in einer anderen Ausführungsform vorhanden sein. Jedes Merkmal, das sich entweder in Alleinstellung oder in Kombination mit anderen Merkmalen von dem Stand der Technik unterscheidet, sollte als Beschreibung weiterer Erfindungen des Anmelders angesehen werden, einschließlich der Konstruktionen und/oder Funktionskonzepte, die durch ein solches Merkmal bzw. solche Merkmale verkörpert werden. Aus diesem Grund dient die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen vorliegender Erfindung lediglich Darstellungszwecken und stellt keine Einschränkung der Erfindung dar, die durch die anliegenden Ansprüche und ihre Äquivalente definiert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2004-268854 [0002, 0003]

Claims

Fahrrad-Antriebsvorrichtung, umfassend: einen Fahrradkurbelsatz; ein Fahrradgetriebe; einen elektrischen Antriebsunterstützungsmotor und einen Mikrocomputer, umfassend einen Leistungssteuerungsabschnitt, der eine Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors steuert, einen Abschnitt zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs, der bestimmt, ob eine Ausgabebedingung des Fahrradkurbelsatzes eine Gangschaltzulässigkeitsbedingung erfüllt, und einen Gangschaltsteuerungsabschnitt, der einen Gangschaltbefehl erhält, den Leistungssteuerungsabschnitt anweist, die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors zu stoppen und/oder die Leistung des elektrischen Antriebsunterstützungsmotors zu verringern, und das Getriebe anweist einen Gangschaltvorgang durchzuführen, wenn der Abschnitt zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs bestimmt hat, dass die Gangschaltzulässigkeitsbedingung erfüllt ist.
Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Abschnitt zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs die Ausgabebedingung des Fahrradkurbelsatzes auf der Basis einer detektierten Position des Fahrradkurbelsatzes bestimmt.
Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Abschnitt zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs die Ausgabebedingung des Fahrradkurbelsatzes auf der Basis eines detektierten Übertragungsdrehmoments des Getriebes bestimmt.
Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Abschnitt zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs die Ausgabebedingung des Fahrradkurbelsatzes auf der Basis eines detektierten Hinterraddrehmoments bestimmt.
Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Abschnitt zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs die Ausgabebedingung des Fahrradkurbelsatzes auf der Basis eines detektierten Drehmoments einer Kurbelachse des Fahrradkurbelsatzes bestimmt.
Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend einen Kurbelpositionssensor, der eine Position des Fahrradkurbelsatzes detektiert, wobei der Abschnitt zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs bestimmt, dass die Gangschaltzulässigkeitsbedingung erfüllt ist, wenn ein Kurbelarm des Fahrradkurbelsatzes innerhalb eines Bereichs von 20 Grad von der oberen und/oder der unteren Totpunktstellung des Fahrradkurbelsatzes positioniert ist.
Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend einen Abschnitt zum Messen des Kurbelachsendrehmoments, der ein Drehmoment der Kurbelachse misst, wobei der Abschnitt zur Bestimmung der Durchführbarkeit eines Gangschaltvorgangs bestimmt, dass die Gangschaltzulässigkeitsbedingung erfüllt ist, wenn das Drehmoment der Kurbelachse innerhalb eines vorgeschriebenen Bereichs liegt.
Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Getriebe einen Gangschaltmotor aufweist und wobei der Gangschaltsteuerungsabschnitt ein Schaltkommando zum Antreiben des Gangschaltmotors zum Schalten des Getriebes ausgibt.
Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der elektrische Antriebsunterstützungsmotor für den Antrieb einer Fahrradkette konfiguriert ist.
Fahrrad-Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Getriebe ein Innengetriebe oder ein Außengetriebe ist.