DE112018006005T5

DE112018006005T5 - Antriebseinheit eines Fahrrads mit elektrischer Unterstützung und Fahrrad mit elektrischer Unterstützung

Info

Publication number: DE112018006005T5
Application number: DE112018006005.5T
Authority: DE
Inventors: Masafumi Kawakami
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-11-24
Filing date: 2018-11-21
Publication date: 2020-08-13
Also published as: WO2019103022A1; JPWO2019103022A1; CN111372841B; JP2024028573A; CN111372841A; JP7454790B2

Abstract

Es werden eine kleine Antriebseinheit, die einen Bereich um eine Kurbelwelle minimieren kann, und ein Fahrrad mit elektrischer Unterstützung, das die Antriebseinheit enthält, geschaffen. Eine Antriebseinheit 20, die einen Motor enthält, ist an einer Zwischenposition zwischen einem Vorderrad und einem Hinterrad angeordnet. Eine Kurbelwelle 7a und ein Motor 21 sind mit unterschiedlichen Achsen in der Antriebseinheit angeordnet. Ein Substrat 24 ist in der Antriebseinheit 20 angeordnet. Das Substrat 24 weist einen Abschnitt auf, der in einer Seitenansicht der Antriebseinheit 20 einen Stator 21c des Motors 21 entlang der Kurbelwelle 7a überlappt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antriebseinheit, die an einem Fahrrad mit elektrischer Unterstützung angebracht ist, das mit einer Kombination einer menschlichen Antriebskraft, die durch eine Pedalkraft von einem Pedal erzeugt wird, und einer Hilfsantriebskraft, die durch einen Motor erzeugt wird, fahren kann, und auf das Fahrrad mit elektrischer Unterstützung.
Technischer Hintergrund
Ein weithin bekanntes Fahrrad mit elektrischer Unterstützung (ebenso als ein Elektrofahrrad bezeichnet) enthält eine Batterie, die als eine Energiequelle dient, und eine Antriebseinheit, die einen Motor enthält, der Energie empfängt, die von der Batterie zugeführt wird. Ein solches Fahrrad mit elektrischer Unterstützung kann mit einer Kombination aus einer menschlichen Antriebskraft, die durch eine Pedalkraft von einem Pedal erzeugt wird, und einer Hilfsantriebskraft (Unterstützungskraft) von der Antriebseinheit leicht z. B. auf einer bergauf führenden Straße fahren.
In einem derartigen Fahrrad mit elektrischer Unterstützung ist die Antriebseinheit, die den Motor und dergleichen enthält, an einem Ort einer Kurbelwelle angeordnet. Außerdem besitzt das Fahrrad mit elektrischer Unterstützung, das auf diese Weise konfiguriert ist, eine relativ schwere Antriebseinheit, die an einer tiefen Position in der Mitte des Fahrrads mit elektrischer Unterstützung (das heißt, einem Zwischenpunkt zwischen dem Vorderrad und dem Hinterrad) in der Längsrichtung angeordnet ist. Somit können das Vorderrad und das Hinterrad des Fahrrads mit elektrischer Unterstützung, das auf diese Weise konfiguriert ist, leichter angehoben werden als bei einem Fahrrad mit elektrischer Unterstützung, das einen Motor aufweist, der in der Nabe des Vorderrads oder des Hinterrads eingebaut ist. Ein derartiges Fahrrad mit elektrischer Unterstützung kann leicht über eine Stufe eines Weges gelangen, wobei vorteilhafterweise eine leichte Handhabung und eine hohe Fahrstabilität erzielt werden.
Die Antriebseinheit enthält ein Substrat (ebenso als ein Hauptsubstrat oder ein Antriebssubstrat bezeichnet), auf dem diverse elektronische Komponenten zum Antreiben oder Steuern des Motors angebracht sind. Das Substrat weist eine relativ große Fläche auf, weil eine große elektronische Komponente wie z. B. ein FET und eine relativ große Anzahl elektronischer Komponenten darauf angebracht sind. Außerdem ist das Substrat in der Seitenansicht um eine Kurbelwelle (in der axialen Richtung der Kurbelwelle) angeordnet, wie z. B. in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2016-203735 beschrieben ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
In den letzten Jahren sind einige beliebte Fahrräder mit elektrischer Unterstützung mit hoher Funktionalität derart konfiguriert worden, dass sich ein Abstand von der Kurbelwelle zum Vorderrad oder Hinterrad nicht erheblich von jenem eines gewöhnlichen Fahrrads unterscheidet. Jedoch nimmt bei der Verwendung einer Antriebseinheit mit einem Substrat um eine Kurbelwelle ein Bereich, der um die Kurbelwelle erforderlich ist, mit den Abmessungen des Substrats zu, wodurch die Antriebseinheit vergrößert wird. Selbst dann, wenn die Anordnung der Antriebseinheit geändert wird, wird unglücklicherweise ein Abstand von der Kurbelwelle zur Achse des Hinterrads beträchtlich ausgedehnt.
Die vorliegende Erfindung ist entwickelt worden, um das Problem zu lösen. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Antriebseinheit eines Fahrrads mit elektrischer Unterstützung und das Fahrrad mit elektrischer Unterstützung, das die Antriebseinheit enthält, zu schaffen, derart, dass die Baugröße des Fahrrads mit elektrischer Unterstützung mit einem minimalen Bereich um die Kurbelwelle verringert werden kann und es eine hohe Funktionalität als Fahrrad aufweist.
Lösung des Problems
Um das Problem zu lösen, ist eine Antriebseinheit eines Fahrrads mit elektrischer Unterstützung der vorliegenden Erfindung eine Antriebseinheit eines Fahrrads mit elektrischer Unterstützung, wobei die Antriebseinheit an dem Fahrrad mit elektrischer Unterstützung angebracht ist, das mit einer Kombination einer menschlichen Antriebskraft, die durch eine Pedalkraft von einem Pedal erzeugt wird, und einer Hilfsantriebskraft, die durch einen Motor erzeugt wird, fahren kann, wobei die Antriebseinheit den Motor enthält, wobei die Antriebseinheit Folgendes enthält: eine Montagekomponente, die an einem Zwischenpunkt zwischen einem Vorderrad und einem Hinterrad des Fahrrads mit elektrischer Unterstützung anzubringen ist; einen Kurbelwelleneinführungsbereich, wo eine Kurbelwelle zum Empfangen einer menschlichen Antriebskraft, die vom Pedal übertragen wird, eingeführt ist; und ein Antriebskraftausgaberad zum Ausgeben einer Antriebskraft, wobei die Kurbelwelle und der Motor mit unterschiedlichen Achsen angeordnet sind und die Antriebseinheit ein Substrat enthält, das angeordnet ist, wobei ein Abschnitt in der Seitenansicht den Stator des Motors entlang der Kurbelwelle überlappt. Die Antriebseinheit kann mehrere Substrate enthalten. In diesem Fall weist das Substrat mit dem Abschnitt, der den Stator des Motors überlappt, von den Substraten die größte Fläche auf.
Mit dieser Konfiguration überlappen das Substrat und der Stator des Motors einander in der Seitenansicht teilweise, derart, dass das Substrat eine ausreichend große Fläche aufweisen kann. Außerdem kann in dem Fall, in dem das Substrat (zusätzliches Substrat oder ein Abschnitt des Substrats) außerdem um die Kurbelwelle angeordnet ist, die Fläche des Substrats um die Kurbelwelle unterdrückt werden. Somit kann bewirkt werden, dass ein Abstand von der Kurbelwelle zur Achse des Hinterrads nahe an jenem eines gewöhnlichen Fahrrads liegt, indem die Anordnung der Antriebseinheit geändert wird.
Das Substrat überlappt in der Seitenansicht vorzugsweise mindestens eine Hälfte der Fläche des Stators des Motors. Das Substrat kann in der Seitenansicht eine Überlappung von dem Bereich des Stators des Motors bis zu einem Bereich um die Kurbelwelle aufweisen.
Außerdem können ein Motordrehungssensor zum Lesen der Drehung des Motors und ein Kurbelwellendrehungssensor zum Lesen der Drehung der Kurbelwelle am Substrat befestigt sein, wodurch die Anzahl der Komponenten und die Arbeit zur Befestigung verringert werden.
Es wird bevorzugt, dass die Drehung des Motors durch einen Zweifach-Drehzahluntersetzungsmechanismus zu einem Antriebskraftausgaberad zum Ausgeben einer Antriebskraft übertragen wird, und ein Untersetzungsverhältnis, wobei das Untersetzungsverhältnis ein Verhältnis der Drehzahl des Motors zur Drehzahl des Antriebskraftausgaberads ist, im Bereich von 30 bis 37 eingestellt ist. Die Antriebseinheit weist vorzugsweise einen minimalen Radius von 50 mm oder weniger um die Kurbelwelle auf.
Das Fahrrad mit elektrischer Unterstützung, das die Antriebseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, enthält ferner einen Drehzahluntersetzungsmechanismus, der Paare von Untersetzungszahnrädern enthält, wobei der Drehzahluntersetzungsmechanismus eine Zwischenwelle, die parallel zur Kurbelwelle angeordnet ist, mehrere Zwischenwellen-Untersetzungszahnräder, die auf der Zwischenwelle vorgesehen sind, ein kurbelwellenseitiges Untersetzungszahnrad, das auf dem Außenumfang der Kurbelwelle auf drehbare Weise angeordnet ist und eine menschliche Antriebskraft und eine Hilfsantriebskraft empfängt, und ein Motorwellen-Untersetzungszahnrad, das auf einer Motorwelle vorgesehen ist, enthält, wobei die Antriebseinheit ein Zwischenwellenlager enthält, das die Zwischenwelle auf drehbare Weise trägt, und die Zwischenwelle in der Längsrichtung zwischen der Kurbelwelle und der Motorwelle angeordnet ist, unter einer geraden Linie angeordnet ist, die die Kurbelwelle und die Motorwelle verbindet, wenn die Motorwelle vor der Kurbelwelle angeordnet ist, und über der geraden Linie angeordnet ist, die die Kurbelwelle und die Motorwelle verbindet, wenn die Motorwelle hinter der Kurbelwelle angeordnet ist.
In diesem Fall wird bevorzugt, die Kurbelwelle, die Motorwelle und die Zwischenwelle vorzugsweise derart anzuordnen, dass ein Kreuzungswinkel zwischen einer Linie, die die Achse der Kurbelwelle und die Achse der Motorwelle verbindet, und einer Linie, die die Achse der Kurbelwelle und die Achse der Zwischenwelle verbindet, im Bereich von 30° bis 70° im Uhrzeigersinn in einer rechten Seitenansicht in Bezug auf die Fahrtrichtung des Fahrrads mit elektrischer Unterstützung liegt.
In dieser Konfiguration wird eine Reaktionskraft erzeugt, und eine große Reaktionskraft wird auf die Zwischenwelle aufgebracht, wenn sich die Untersetzungszahnräder miteinander in Eingriff befinden. Somit ist mindestens ein Zwischenwellenlager, das die Zwischenwelle auf drehbare Weise trägt, derart vergrößert, dass es eine große Kraft trägt. Dies vergrößert leicht die Baugröße der Antriebseinheit (die Abmessungen in der Breitenrichtung der Antriebseinheit).
Jedoch heben sich in dieser Konfiguration (dem Entwurf der Kurbelwelle, der Motorwelle und der Zwischenwelle) die Reaktionskräfte, die beim Eingriff der Untersetzungszahnräder auf der Zwischenwelle erzeugt werden, gegenseitig auf, derart, dass sie auf eine minimale Reaktionskraft vermindert werden. Somit kann das Zwischenwellenlager verkleinert werden (in der Breitenrichtung und in der radialen Richtung verkleinert werden), was zu einer Verkleinerung der Antriebseinheit führt (z. B. wird die Antriebseinheit in der Breitenrichtung verkleinert).
Ein Antriebszuführsystem für das Fahrrad mit elektrischer Unterstützung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält die Antriebseinheit und einen Energiespeicher zum Zuführen von Energie zur Antriebseinheit.
Das Fahrrad mit elektrischer Unterstützung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält entweder die Antriebseinheit des beschriebenen Fahrrads mit elektrischer Unterstützung oder das Antriebszuführsystem.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung überlappen das Substrat und der Stator des Motors einander in der Seitenansicht teilweise, derart, dass das Substrat eine ausreichend große Fläche aufweisen kann. Außerdem kann in dem Fall, in dem das Substrat (zusätzliches Substrat oder ein Abschnitt des Substrats) außerdem um die Kurbelwelle angeordnet ist, die Fläche des Substrats um die Kurbelwelle unterdrückt werden. Somit kann bewirkt werden, dass ein Abstand von der Kurbelwelle zur Achse des Hinterrads nahe an jenem eines gewöhnlichen Fahrrads liegt, indem die Anordnung der Antriebseinheit geändert wird. Außerdem überlappen das Substrat und der Stator des Motors einander in der Seitenansicht teilweise, wobei ermöglicht wird, dass das Substrat Geräusche, die im Motor erzeugt werden, hemmt, was eine Wirkung einer sogenannten Geräuschisolierung ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Drehung des Motors durch einen Zweifach-Drehzahluntersetzungsmechanismus an ein Antriebskraftausgaberad übertragen, das an der Antriebseinheit befestigt ist, und ein Untersetzungsverhältnis, das Verhältnis der Drehzahl des Motors zur Drehzahl des Antriebskraftausgaberads, ist im Bereich von 30 bis 37 eingestellt. Somit kann das Untersetzungszahnrad, das zur Kurbelwelle koaxial ist, einen relativ kleinen Durchmesser aufweisen, wodurch die Durchmesser (Radius und Durchmesser) um die Kurbelwelle in der Antriebseinheit verringert werden. Somit kann bewirkt werden, dass ein Abstand von der Kurbelwelle zur Achse des Hinterrads nahe an jenem eines gewöhnlichen Fahrrads (z. B. eines sogenannten Sportfahrrads) liegt.
Außerdem weist die Antriebseinheit einen minimalen Radius von 50 mm oder weniger um die Kurbelwelle (um die Kurbelwelle) auf, derart dass bewirkt werden kann, dass ein Abstand von der Kurbelwelle zur Achse des Hinterrads nahe an jenem eines gewöhnlichen Fahrrads (z. B. eines sogenannten Sportfahrrads) liegt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Zwischenwelle in der Längsrichtung zwischen der Kurbelwelle und der Motorwelle angeordnet, ist unter einer geraden Linie angeordnet, die die Kurbelwelle und die Motorwelle verbindet, wenn die Motorwelle vor der Kurbelwelle angeordnet ist, und ist über der geraden Linie angeordnet, die die Kurbelwelle und die Motorwelle verbindet, wenn die Motorwelle hinter der Kurbelwelle angeordnet ist. Die Kurbelwelle, die Motorwelle und die Zwischenwelle sind derart angeordnet, dass ein Kreuzungswinkel zwischen einer Linie, die die Achse der Kurbelwelle und die Achse der Motorwelle verbindet, und einer Linie, die die Achse der Kurbelwelle und die Achse der Zwischenwelle verbindet, im Bereich von 30° bis 70° im Uhrzeigersinn in einer rechten Seitenansicht der Antriebseinheit in Bezug auf die Fahrtrichtung des Fahrrads mit elektrischer Unterstützung liegt. Mit dieser Konfiguration heben sich die Reaktionskräfte, die beim Eingriff der Untersetzungszahnräder auf der Zwischenwelle erzeugt werden, gegenseitig auf, derart, dass sie auf eine minimale Reaktionskraft vermindert werden. Somit kann das Zwischenwellenlager verkleinert werden, was zu einer Verkleinerung der Antriebseinheit führt (z. B. wird die Antriebseinheit in der Breitenrichtung verkleinert). Dies kann bewirken, dass der Abstand zwischen den Kurbelarmen nahe an einem Abstand zwischen den Kurbelarmen eines gewöhnlichen Fahrrads (z. B. einer sogenannten Sportfahrrads) liegt.
Figurenliste

1 ist eine Gesamtansicht der linken Seite, die ein Fahrrad mit elektrischer Unterstützung veranschaulicht, das eine Antriebseinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingebaut enthält.
2 ist eine Schnittansicht von oben, die die Antriebseinheit des Fahrrads mit elektrischer Unterstützung gemäß der Ausführungsform (erste Ausführungsform) veranschaulicht.
3 ist eine Schnittansicht der rechten Seite, die die Antriebseinheit auf schematische Weise veranschaulicht.
4 ist eine Schnittansicht von oben, die eine Antriebseinheit gemäß einer ersten Abwandlung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
5 ist eine Schnittansicht von oben, die eine Antriebseinheit gemäß einer zweiten Abwandlung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
6 ist eine Schnittansicht von oben, die eine Antriebseinheit in einem Fahrrad mit elektrischer Unterstützung mit einer außer Eingriff befindlichen Hochdrehzahlkupplung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
7 ist eine Schnittansicht der rechten Seite, die auf schematische Weise die Antriebseinheit mit der in Eingriff befindlichen Hochdrehzahlkupplung veranschaulicht.
8 ist eine vergrößerte Schnittansicht von oben, die die Hauptkomponente einer Zwischenwelle und einen Abschnitt in der Nähe der Zwischenwelle in der Antriebseinheit mit der außer Eingriff befindlichen Hochdrehzahlkupplung veranschaulicht.
9 ist eine Schnittansicht von oben, die die Antriebseinheit mit der in Eingriff befindlichen Hochdrehzahlkupplung zeigt.
10 ist eine vergrößerte Schnittansicht von oben, die die Hauptkomponente der Zwischenwelle und den Abschnitt in der Nähe der Zwischenwelle in der Antriebseinheit mit der in Eingriff befindlichen Hochdrehzahlkupplung veranschaulicht.
11 ist eine schematische Draufsicht, die eine Motorwelle, eine Zwischenwelle, eine Kurbelwelle und Untersetzungszahnräder, die auf den Wellen angebracht sind, in der Antriebseinheit des Fahrrads mit elektrischer Unterstützung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
12 ist eine Schnittansicht der rechten Seite, die auf schematische Weise Kraftvektoren (Reaktionskräfte) veranschaulicht, die auf die Berührungspunkte der Zahnräder in der Antriebseinheit aufgebracht werden.
13 ist eine Schnittansicht der rechten Seite, die auf schematische Weise die Kraftvektoren (Reaktionskräfte) veranschaulicht, die auf die Zwischenwelle in der Antriebseinheit aufgebracht werden.
14 ist eine Schnittansicht von oben, die eine Antriebseinheit in einem Fahrrad mit elektrischer Unterstützung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
15 ist eine Schnittansicht der rechten Seite, die auf schematische Weise Kraftvektoren (Reaktionskräfte) veranschaulicht, die auf die Berührungspunkte der Zahnräder in der Antriebseinheit aufgebracht werden.
16 ist eine Schnittansicht der rechten Seite, die auf schematische Weise Kraftvektoren (Reaktionskräfte) veranschaulicht, die auf eine Zwischenwelle in der Antriebseinheit aufgebracht werden.
17 ist eine Schnittansicht der rechten Seite, die eine Antriebseinheit gemäß einer Abwandlung der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

Beschreibung der Ausführungsformen
(Erste Ausführungsform)
Eine Antriebseinheit eines Fahrrads mit elektrischer Unterstützung, und das Fahrrad mit elektrischer Unterstützung, das die Antriebseinheit eingebaut enthält, werden unten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Erklärung sind eine seitliche Richtung und eine Längsrichtung relativ zur Fahrtrichtung eines Fahrers auf einem Fahrrad 1 mit elektrischer Unterstützung eingestellt. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die folgende Konfiguration eingeschränkt.
Das Bezugszeichen 1 in 1 bezeichnet das Fahrrad mit elektrischer Unterstützung, das die Antriebseinheit gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingebaut enthält. Wie in 1 veranschaulicht ist, besitzt das Fahrrad 1 mit elektrischer Unterstützung einen metallischen Rahmen 2, der ein Steuerrohr 2a, eine Vordergabel 2b, ein oberes Rohr 2c, ein unteres Rohr 2g, ein Sitzrohr 2d, eine Kettenstrebe 2e und eine Sitzstrebe 2f enthält, ein Vorderrad 3, das am unteren Ende der Vordergabel 2b auf drehbare Weise befestigt ist, ein Hinterrad 4, das am rückwärtigen Ende der Kettenstrebe 2e auf drehbare Weise befestigt ist, eine Lenkstange 5, die die Richtung des Vorderrads 3 ändert, einen Sattel 6, der als Sitz für einen Fahrer dient, eine Kurbel 7 und Pedale 8, die eine menschliche Antriebskraft empfangen, die eine Pedalkraft enthält, eine Antriebseinheit (Antriebseinheitsvorrichtung) 20, die einen Elektromotor 21 enthält (siehe 2) , der als eine Antriebsquelle zum Erzeugen einer Hilfsantriebskraft (Unterstützungskraft) dient, und eine Steuereinheit zum Steuern diverser elektrischer Komponenten, die den Motor 21 enthalten, eine Batterie 12, die eine sekundäre Batterie zum Zuführen von Energie zum Motor 21 enthält, eine Komponente 18 zur manuellen Bedienung, die an der Lenkstange 5 oder dergleichen befestigt ist, um durch einen Fahrer bedient zu werden, und das Umschalten der Energieversorgungen des Fahrrads 1 mit elektrischer Unterstützung oder eine Änderung der Einstellungen wie etwa einer Antriebsbetriebsart ermöglicht, ein Antriebskettenrad 13 (ein vorderes Kettenrad, ebenso als ein Kurbelkettenrad oder ein vorderes Zahnrad bezeichnet), das derart angebracht ist, dass es sich einteilig mit und koaxial zu einer Kurbelwelle 7a dreht, und als ein Antriebskraftausgaberad zum Ausgeben der resultierenden Kraft aus einer menschlichen Antriebskraft und einer Hilfsantriebskraft wirkt, ein rückwärtiges Kettenrad 14 (ebenso als ein rückwärtiges Zahnrad bezeichnet), das als ein Hinterradelement wirkt, das an einer Nabe 9 (ebenso als eine rückwärtige Nabe bezeichnet) des Hinterrads 4 befestigt ist, und eine Kette 15, die als ein Endlos-Antriebskraft-übertragungselement dient, das auf endlose und drehbare Weise um das Antriebskettenrad 13 und das rückwärtige Kettenrad 14 gewickelt ist. Die Antriebseinheit 20 und die Batterie 12 bilden ein Antriebszuführsystem (Antriebseinhei tsmodul) .
Das Fahrrad 1 mit elektrischer Unterstützung kann mit einer Kombination einer menschlichen Antriebskraft, die durch eine Pedalkraft von den Pedalen 8 erzeugt wird, und einer Hilfsantriebskraft, die durch den Motor 21 erzeugt wird, fahren. Die resultierende Kraft aus der menschlichen Antriebskraft und der Hilfsantriebskraft wird vom Antriebskettenrad 13 z. B. durch die Kette 15 und das rückwärtige Kettenrad 14 auf das Hinterrad 4 übertragen.
Die Batterie 12 ist ein Beispiel für einen Energiespeicher und dient vorzugsweise als eine sekundäre Batterie. Der Energiespeicher kann ein Kondensator sein. Die Kurbel 7 enthält die Kurbelarme 7b, die auf der rechten und linken Seite der Kurbel 7 vorgesehen sind, und die Kurbelwelle 7a, die den rechten und linken Kurbelarm 7b verbindet. Das Pedal 8 ist auf drehbare Weise am Ende des Kurbelarms 7b befestigt.
Wie in 1 veranschaulicht ist, ist die Antriebseinheit 20 im Fahrrad 1 mit elektrischer Unterstützung an einer Zwischenposition zwischen dem Vorderrad 3 und dem Hinterrad 4, genauer an einem Punkt, an dem die Kurbelwelle 7a durchdringt, angeordnet. Mit dieser Konfiguration ist die relativ schwere Antriebseinheit 20 in der Längsrichtung in der Mitte des Fahrrads 1 mit elektrischer Unterstützung angeordnet. Somit sind das Vorderrad 3 und das Hinterrad 4 leicht anzuheben, und das Fahrrad 1 mit elektrischer Unterstützung kann leicht über eine Stufe eines Weges gelangen, wobei eine leichte Handhabung des Körpers (z. B. des Rahmens 2) des Fahrrads 1 mit elektrischer Unterstützung und eine hohe Fahrstabilität erzielt werden.
Wie in 2 veranschaulicht ist, enthält die Antriebseinheit 20 einen Einheitskasten 22, der ein Gehäuse bildet. Der Einheitskasten 22 enthält einen ersten bis dritten Kasten 22a bis 22c. Die Kurbelwelle 7a durchdringt die Antriebseinheit 20 seitlich (in der vorliegenden Ausführungsform einen Kurbelwelleneinführungsbereich 16, der auf der Rückseite der Antriebseinheit 20 vorgesehen ist). Außerdem sind Montagekomponenten 22d auf dem Einheitskasten 22 einteilig ausgebildet, um die Antriebseinheit 20 an einem Zwischenpunkt zwischen dem Vorderrad und dem Hinterrad des Fahrrads mit elektrischer Unterstützung anzubringen. Ferner besitzt der Außenumfang der Kurbelwelle 7a ein im Wesentlichen zylindrisches Übertragungselement 28 für die menschliche Kraft, das eine menschliche Antriebskraft empfängt, die von der Kurbelwelle 7a übertragen wird, eine zylindrische Kopplungskomponente 23, die eine menschliche Antriebskraft aufnimmt, die vom Übertragungselement 28 für die menschliche Kraft übertragen wird, und ein Übertragungselement 29 für die resultierende Kraft, das z. B. über eine Einwegkupplung (eine Einwegkupplung zum Unterbrechen einer Hilfsantriebskraft) 30 eine menschliche Antriebskraft von der zylindrischen Kopplungskomponente 23 empfängt und die resultierende Kraft aus der menschlichen Antriebskraft und einer Hilfsantriebskraft vom Motor 21 zum Antriebskettenrad 13 überträgt.
Der Einheitskasten 22 der Antriebseinheit 20 enthält einen Drehzahluntersetzungsmechanismus 25, der die Drehzahl des Motors 21 verringert und die Drehung auf das Übertragungselement 29 für die resultierende Kraft (eine Zwischenwelle 40 in der vorliegenden Ausführungsform) überträgt, wobei der Motor 21 als eine Antriebsquelle einer Hilfsantriebskraft (Unterstützungskraft) dient, und ein Substrat 24 (ebenso als ein Antriebssubstrat oder ein Hauptsubstrat bezeichnet), das elektronische Komponenten für diverse Arten von elektronischer Steuerung aufweist. Das Substrat 24 und die elektronischen Komponenten (die einen FET (Feldeffekttransistor) 24a, einen Kondensator und einen Mikrocomputer enthalten), die auf dem Substrat angebracht sind, bilden eine Steuereinheit. Wie in 2 und 3 veranschaulicht ist, sind die Achse einer Drehwelle 21a des Motors 21, die Achse der Kurbelwelle 7a und die Achse der Zwischenwelle 40, die später beschrieben wird, an unterschiedlichen Positionen angeordnet. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Drehwelle 21a des Motors 21, die Zwischenwelle 40 und die Kurbelwelle 7a von der Stirnseite her aufeinanderfolgend angeordnet. Die Zwischenwelle 40 ist unter einer geraden Linie angeordnet, die die Kurbelwelle 7a und die Drehwelle 21a verbindet. Ferner enthält die Antriebseinheit 20 (insbesondere der Einheitskasten 22 der Antriebseinheit 20) z. B. einen von deren beiden Enden verschiedenen Abschnitt der Kurbelwelle 7a, das Übertragungselement 28 für die menschliche Kraft, die zylindrische Kopplungskomponente 23, das Übertragungselement 29 für die resultierende Kraft, den Drehzahluntersetzungsmechanismus 25, den Motor 21, einen Drehmomentsensor 31, ein Drehungsdetektionselement 11 und einen Drehungsdetektor (Drehungssensor) 10. Der Drehmomentsensor 31, das Drehungsdetektionselement 11 und der Drehungsdetektor 10 werden später beschrieben. Anschließend werden eine menschliche Antriebskraft und eine Hilfsantriebskraft in der Antriebseinheit 20 kombiniert, und die resultierende Kraft wird vom Antriebskettenrad 13 ausgegeben, das außerhalb der Antriebseinheit 20 (insbesondere außerhalb des Einheitskastens 22 der Antriebseinheit 20) vorgesehen ist.
Die Antriebseinheit 20 wird im Einzelnen beschrieben. Wie in 2 und 3 veranschaulicht ist, ist die Kurbelwelle 7a mit den Lagern (Kurbelwellenlagern) 26 und 27 auf drehbare Weise angeordnet, derart, dass sie die rückwärtige Komponente der Antriebseinheit 20 seitlich durchdringt. Außerdem ist das zylindrische Übertragungselement 28 für die menschliche Kraft auf die linke Seite des Außenumfangs der Kurbelwelle 7a eingepasst, wobei eine Kerbverzahnungskomponente (oder eine Keilnutkomponente) 7c dazwischen eingeschoben ist, derart, dass sich das Übertragungselement 28 für die menschliche Kraft mit der Kurbelwelle 7a einteilig dreht. Ferner ist eine Kerbverzahnungskomponente (oder eine Keilnutkomponente) 28b an einem Punkt, der der Kerbverzahnungskomponente (oder einer Keilnutkomponente) 7c entspricht, auf dem Innenumfang des Übertragungselements 28 für die menschliche Kraft gebildet, und die Kerbverzahnungskomponente 28b befindet sich in Eingriff mit der Kerbverzahnungskomponente (oder der Keilnutkomponente) 7c der Kurbelwelle 7a.
Ein Magnetostriktions-Erzeugungsabschnitt 31b, der eine magnetische Anisotropie aufweist, ist auf der Außenfläche des Übertragungselements 28 für die menschliche Kraft gebildet. Die Spulen 31a sind mit einem bestimmten Abstand (Raum) auf dem Außenumfang des Übertragungselements 28 für die menschliche Kraft angeordnet. Der Magnetostriktions-Erzeugungsabschnitt 31b und die Spulen 31a bilden einen Magnetostriktions-Drehmomentsensor (eine Detektionskomponente für die menschliche Kraft) 31. Mit dieser Konfiguration wird eine menschliche Antriebskraft von der Kurbelwelle 7a auf das Übertragungselement 28 für die menschliche Kraft übertragen und wird durch den Drehmomentsensor 31 detektiert. Im Magnetostriktions-Drehmomentsensor 31 ist der Magnetostriktions-Erzeugungsabschnitt 31b mit einem Winkel z. B. im Bereich von +45° bis -45° in Bezug auf die axiale Richtung des Übertragungselements 28 für die menschliche Kraft spiralförmig ausgebildet. Wenn eine menschliche Antriebskraft auf das Übertragungselement 28 für die menschliche Kraft übertragen wird, wird der Magnetostriktions-Erzeugungsabschnitt 31b auf der Oberfläche des Übertragungselements 28 für die menschliche Kraft verzerrt, derart, dass seine magnetische Permeabilität variiert. Somit wird eine Differenz der Induktivität der Spule 31a gemessen, derart, dass die Größe des Drehmoments (menschliche Antriebskraft) gemessen wird.
Die zylindrische Kopplungskomponente 23 ist neben der rechten Seite des Übertragungselements 28 für die menschliche Kraft auf dem Außenumfang der Kurbelwelle 7a angeordnet, derart, dass sie sich relativ zur Kurbelwelle 7a dreht. Eine Kerbverzahnungskomponente (oder die Keilnutkomponente) 28a, die auf dem Außenumfang des rechten Endes des Übertragungselements 28 für die menschliche Kraft gebildet ist, und eine Kerbverzahnungskomponente (oder die Keilnutkomponente) 23a, die auf dem Innenumfang des linken Endes der zylindrischen Kopplungskomponente 23 gebildet ist, sind aneinander eingepasst, derart, dass sich die zylindrische Kopplungskomponente 23 mit dem Übertragungselement 28 für die menschliche Kraft einteilig dreht. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Kerbverzahnungskomponente (oder eine Keilnutkomponente) 23a, die auf dem Innenumfang des linken Endes der zylindrischen Kopplungskomponente 23 gebildet ist, auf die Kerbverzahnungskomponente (oder eine Keilnutkomponente) 28a des Übertragungselements 28 für die menschliche Kraft eingepasst.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das Drehungsdetektionselement 11 zum Detektieren eines Drehzustands der zylindrischen Kopplungskomponente 23 am Außenumfang der linken Seite der zylindrischen Kopplungskomponente 23 befestigt. Außerdem ist der Drehungsdetektor (Drehungssensor) 10, der als ein Kurbelwellendrehungssensor wirkt, in der Nähe des Einheitskastens 22 angebracht und arretiert, derart, dass er dem Drehungsdetektionselement 11 vom Außenumfang aus zugewandt ist. Zum Beispiel enthält der Drehungsdetektor 10 optische Sensoren, die entlang der Drehrichtung des Drehungsdetektionselements 11 angeordnet sind, wobei der optische Sensor eine lichtemittierende Komponente und eine lichtempfangende Komponente enthält (nicht veranschaulicht). Das Drehungsdetektionselement 11 weist auf seinem Außenumfang eine große Anzahl Zähne auf, die sich wie Kammzähne nach rechts erstrecken. Beim Vorhandensein der Zähne des Drehungsdetektionselements 11 wird ausgehendes Licht reflektiert und empfangen, derart, dass die lichtempfangende Komponente des Drehungsdetektors 10 auf elektrische Weise einen einfallenden Zustand und einen nicht einfallenden Zustand des Lichts detektiert. Das detektierte Signal wird in die Steuereinheit eingegeben und die Drehzahl (der Drehungsbetrag) der zylindrischen Kopplungskomponente 23. Der optische Sensor kann durch einen magnetometrischen Sensor wie z. B. ein Hall-IC ersetzt werden, um die Drehzahl (den Drehungsbetrag) und die Drehrichtung der zylindrischen Kopplungskomponente 23 zu detektieren. In dieser Konfiguration dreht sich die zylindrische Kopplungskomponente 23 einteilig mit dem Übertragungselement 28 für die menschliche Kraft, und das Übertragungselement 28 für die menschliche Kraft dreht sich einteilig mit der Kurbelwelle 7a. Somit ermöglicht die Detektion des Betrags und der Richtung der Drehung der zylindrischen Kopplungskomponente 23 die Detektion der Drehzahlen (Drehungsbeträge) und der Drehrichtungen der Kurbelwelle 7a und des Pedals 8.
Das Übertragungselement 29 für die resultierende Kraft ist über die Einwegkupplung (Einwegkupplung zum Unterbrechen einer Hilfsantriebskraft) 30 auf dem Außenumfang der rechten Seite der zylindrischen Kopplungskomponente 23 angeordnet. Während des Pedaltretens nach vorne mit den Pedalen 8 wird eine menschliche Antriebskraft, die auf die zylindrische Kopplungskomponente 23 übertragen wird, über die Einwegkupplung 30 auf das Übertragungselement 29 für die resultierende Kraft übertragen.
Der Motor 21 enthält die Drehwelle 21a und einen Rotor 21b, der durch die Motorwellenlager 32 und 33 auf drehbare Weise getragen wird. Die Drehwelle 21a des Motors 21 steht nach rechts vor, derart, dass auf dem Außenumfang des vorstehenden Abschnitts ein Motorwellen-Untersetzungszahnrad 39 gebildet ist, das später diskutiert wird.
Der Drehzahluntersetzungsmechanismus 25 enthält die Zwischenwelle 40, die parallel zur Kurbelwelle 7a angeordnet ist, und zwei Paare Untersetzungszahnräder 36 bis 39, die einen zweistufigen Drehzahluntersetzungsmechanismus bilden. Das Untersetzungszahnrad 36 mit großem Durchmesser (erstes Untersetzungszahnrad, kurbelwellenseitiges Untersetzungszahnrad) ist auf dem linken Abschnitt des Übertragungselements 29 für die resultierende Kraft gebildet. Außerdem kombiniert der Drehzahluntersetzungsmechanismus 25 eine menschliche Antriebskraft, die durch die Kurbelwelle 7a übertragen wird, und eine Hilfsantriebskraft, die vom Motor 21 übertragen wird, und überträgt daraufhin die resultierende Kraft aus der menschlichen Antriebskraft und der Hilfsantriebskraft auf das Übertragungselement 29 für die resultierende Kraft.
Die Zwischenwelle 40 erstreckt sich in der Längsrichtung in der Mitte der Antriebseinheit 20 seitlich und wird durch die Lager (Zwischenwellenlager) 34 und 35 parallel zur Kurbelwelle 7a auf drehbare Weise getragen. Das zweite Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 37, das einen großen Durchmesser aufweist, das dritte Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 38, das einen kleinen Durchmesser aufweist, und eine Einwegkupplung 42 zum Unterbrechen einer menschlichen Antriebskraft sind an der Zwischenwelle 40 befestigt.
Die Einwegkupplung 42 zum Unterbrechen einer menschlichen Antriebskraft ist zwischen dem Außenumfang der Zwischenwelle 40 und dem Innenumfang des zweiten Zwischenwellen-Untersetzungszahnrads 37 angeordnet, um eine menschliche Antriebskraft von den Pedalen 8 zu unterbrechen. Mit anderen Worten, wenn die Einwegkupplung 42 das Antreiben des Motors 21 und die Erzeugung einer Hilfsantriebskraft anhält, wird eine menschliche Antriebskraft von den Pedalen 8 durch die Einwegkupplung 42 zum Unterbrechen der menschlichen Antriebskraft unterbrochen, wobei die Notwendigkeit, den Rotor 21b des Motors 21 zu drehen, beseitigt wird. Wenn der Motor 21 derart angetrieben wird, dass er sich dreht, sind die Zwischenwelle 40 und das zweite Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 37 über die Einwegkupplung 42 miteinander verbunden, und das zweite und das dritte Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 37 und 38 werden mit der Zwischenwelle 40 einteilig gedreht.
Da sich das Motorwellen-Untersetzungszahnrad 39 mit kleinem Durchmesser, das auf der Drehwelle 21a des Motors 21 gebildet ist, mit dem zweiten Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 37 mit großem Durchmesser in Eingriff befindet, wenn der Motor 21 gedreht wird, um eine Hilfsantriebskraft auszugeben, wird die Drehung des Motors 21 verringert, und das Drehmoment einer Hilfsantriebskraft vom Motor 21 wird vergrößert und wird auf die Zwischenwelle 40 übertragen. Außerdem befindet sich das dritte Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 38 mit kleinem Durchmesser in Eingriff mit dem ersten Untersetzungszahnrad 36 mit großem Durchmesser, das auf dem Übertragungselement 29 für die resultierende Kraft einteilig ausgebildet ist, derart, dass das Drehmoment einer Hilfsantriebskraft, das auf die Zwischenwelle 40 übertragen wird, weiter vergrößert wird und auf das erste Untersetzungszahnrad 36 übertragen wird. Im Übertragungselement 29 für die resultierende Kraft, wo das erste Untersetzungszahnrad 36 einteilig ausgebildet ist, werden eine menschliche Antriebskraft und eine Hilfsantriebskraft vom Motor 21 kombiniert und werden vom Antriebskettenrad 13 ausgegeben, das als ein Antriebskraftausgaberad dient. In diesem Fall ist ein Untersetzungsverhältnis, das Verhältnis der Drehzahl des Motors 21 zur Drehzahl des Antriebskettenrads 13, im Bereich von 30 bis 37 (von 30 bis 37) eingestellt. Die Antriebseinheit 20 weist einen minimalen Radius von 50 mm oder weniger um die Kurbelwelle 7a (um die Kurbelwelle) auf.
In der vorliegenden Ausführungsform ist lediglich das Substrat 24, das eine große Fläche aufweist, im Einheitskasten 22 der Antriebseinheit 20 vorgesehen. In einer Seitenansicht der Antriebseinheit 20 entlang der Kurbelwelle 7a (einer Seitenansicht entlang der axialen Richtung der Kurbelwelle 7a) wie in 3 veranschaulicht ist das Substrat 24 angeordnet, wobei ein Abschnitt einen Stator 21c (genauer einen Bereich, in dem ein Statorkern im Stator des Motors 21 vorgesehen ist) des Motors 21 überlappt. In der vorliegenden Ausführungsform überlappt das Substrat 24 mindestens eine Hälfte der Fläche des Stators 21c des Motors 21. Außerdem weist das Substrat 24 in der vorliegenden Ausführungsform eine Überlappung vom Bereich des Stators 21c des Motors 21 bis zu einem Bereich um die Kurbelwelle 7a auf.
Wie in 3 veranschaulicht ist, ist das Substrat 24 in der vorliegenden Ausführungsform außerdem in einem Bereich vorgesehen, der in der Seitenansicht den Rotor 21b des Motors 21 überlappt. Ferner überlappt das Substrat 24 mindestens eine Hälfte der Fläche des Rotors 21b des Motors 21. Mit anderen Worten, in der vorliegenden Ausführungsform ist das Substrat 24 außerdem in einem Bereich vorgesehen, der in der Seitenansicht den Motor 21 (den gesamten Motor) überlappt, wie in 3 veranschaulicht ist. Das Substrat 24 überlappt mindestens eine Hälfte der Fläche des Motors 21.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das Substrat 24 in der Seitenansicht in einem vom ersten Untersetzungszahnrad 36 und vom Stator 21c des Motors 21 verschiedenen Bereich vorgesehen, wie in 3 veranschaulicht ist. Wie in 2 veranschaulicht ist, ist das Substrat 24 in der Draufsicht (oder Stirnansicht) zwischen dem Motor 21 und dem ersten Untersetzungszahnrad 36, dem Übertragungselement 29 für die resultierende Kraft und der zylindrischen Kopplungskomponente 23 vorgesehen. Außerdem ist das Substrat 24, wie in 2 auf schematische Weise veranschaulicht ist, in der Stirnansicht (in Längsrichtung betrachtet) in einem Bereich vorgesehen, der das Übertragungselement 28 für die menschliche Kraft überlappt. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Substrat 24, wie in 3 veranschaulicht ist, in der Seitenansicht in einem vom zweiten Untersetzungszahnrad 37 verschiedenen Bereich vorgesehen. Außerdem ist das Substrat 24, wie in 2 auf schematische Weise veranschaulicht ist, in der Stirnansicht (in Längsrichtung betrachtet) in einem vom zweiten Untersetzungszahnrad 37 verschiedenen Bereich vorgesehen. Die vorliegende Ausführungsform ist nicht auf diese Konfiguration eingeschränkt. Das Substrat 24 kann das zweite Untersetzungszahnrad 37 in der Seitenansicht teilweise überlappen.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Drehungsdetektor (Drehungssensor) 10 (genauer das Anschlussbein des Drehungsdetektors (Drehungssensors) 10), der als ein Kurbelwellendrehungssensor zum Lesen der Drehung der Kurbelwelle wirkt, am Substrat 24 befestigt. Wie in 2 veranschaulicht ist, ist das Substrat 24 in der vorliegenden Ausführungsform in der Draufsicht zwischen dem Drehungsdetektionselement 11 und dem Drehungsdetektor (Drehungssensor) 10 und dem Lager 26, das die Kurbelwelle 7a trägt oder dergleichen (dem Lager 26, das die Kurbelwelle 7a von der Seite aus trägt, die dem Antriebskettenrad 13 gegenüberliegt), und dem Drehmomentsensor 31 vorgesehen.
In der vorliegenden Ausführungsform weist der Rotor 21b des Motors 21 mehrere Magneten auf, die in einer Umfangsrichtung derart angeordnet sind, dass die benachbarten Magneten verschiedene Magnetpole aufweisen. Ein im Wesentlichen zylindrisches Magnetisierungselement 21d ist mit denselben Magnetpolen wie die Magneten angeordnet. Der Außenumfang des Magnetisierungselements 21d ist derart geformt, dass er zur rechten Seite vorsteht. Eine Motordrehungssensor 43 zum Lesen der Drehung des Motors 21 ist derart angeordnet, dass er einem Ende 21da des vorstehenden Magnetisierungselements 21d zugewandt ist. Der Motordrehungssensor 43 ist auf dem Substrat 24 angebracht.
Lediglich das Ende 21da des Magnetisierungselements 21d kann magnetisiert werden, wie in der Anordnung des Rotors 21b des Motors 21. In der vorliegenden Ausführungsform dient das Magnetisierungselement 21d außerdem als ein Trennelement zwischen einem Bereich (Drehzahluntersetzungsmechanismus-Anordnungsbereich), der den Drehzahluntersetzungsmechanismus 25 enthält, der die Untersetzungszahnräder 36 bis 39 enthält, und einem Bereich (Motoranordnungsbereich) , der den Motor 21 enthält. Ferner wird nicht zugelassen, dass Fett oder dergleichen zum Verringern der Reibung zwischen den Untersetzungszahnrädern 36 bis 39 in den Motor 21 eintritt. Die vorliegende Ausführungsform ist nicht auf diese Konfiguration eingeschränkt. Das Bezugszeichen 21ca in 2 bezeichnet einen Anschlussdraht zum Anregen der Spule des Stators 21c.
Wenn in dieser Konfiguration die Pedale 8 beim Vorwärtsfahren gedrückt werden, wird eine menschliche Antriebskraft auf der Grundlage einer Pedalkraft, die auf die Pedale 8 aufgebracht wird, von der Kurbelwelle 7a auf das Übertragungselement 28 für die menschliche Kraft, die zylindrische Kopplungskomponente 23 und ein Übertragungselement 29 für die resultierende Kraft übertragen, und die menschliche Antriebskraft wird durch den Drehmomentsensor 31 detektiert, der auf dem Übertragungselement 28 für die menschliche Kraft vorgesehen ist. Anschließend wird eine Hilfsantriebskraft, die der menschlichen Antriebskraft entspricht, z. B. über das Untersetzungszahnrad 36 des Drehzahluntersetzungsmechanismus 25 auf das Übertragungselement 29 für die resultierende Kraft übertragen, und daraufhin wird eine resultierende Kraft, die durch das Übertragungselement 29 für die resultierende Kraft erhalten wird, vom Antriebskettenrad 13 durch die Kette 15 auf das Hinterrad 4 übertragen. Mit dieser Konfiguration wird eine Hilfsantriebskraft (Unterstützungskraft), die einer menschlichen Antriebskraft entspricht, vom Motor 21 hinzugefügt, wobei selbst auf einer Steigung oder dergleichen ein reibungsloses Fahren erzielt wird.
Mit dieser Konfiguration überlappen das Substrat 24 und der Stator 21c des Motors 21 einander in der Seitenansicht teilweise, derart, dass das Substrat 24 eine ausreichend große Fläche aufweisen kann. Außerdem kann in dem Fall, in dem das Substrat außerdem um die Kurbelwelle 7a angeordnet ist, wie in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben, die Fläche des Substrats 24 um die Kurbelwelle 7a unterdrückt werden. Somit kann bewirkt werden, dass ein Abstand von der Kurbelwelle 7a zu einer Achse des Hinterrads nahe an jenem eines gewöhnlichen Fahrrads (z. B. eines sogenannten Sportfahrrads) liegt, indem die Anordnung der Antriebseinheit 20 geändert wird (z. B. ist der Motor 21 vor der Kurbelwelle 7a angeordnet).
Wie diskutiert worden ist, überlappt das Substrat 24 in der Seitenansicht mindestens eine Hälfte der Fläche des Stators 21c des Motors 21, wodurch die Fläche des Substrats 24 um die Kurbelwelle 7a minimiert wird. Somit kann bewirkt werden, dass ein Abstand von der Kurbelwelle 7a zur Achse des Hinterrads 4 des Fahrrads 1 mit elektrischer Unterstützung näher an der Funktion eines gewöhnlichen Fahrrads (z. B. eines sogenannten Sportfahrrads) liegt. Außerdem überlappen das Substrat 24 und der Stator 21c des Motors 21 einander in der Seitenansicht teilweise, was ermöglicht, dass das Substrat 24 Geräusche, die im Motor 21 erzeugt werden, hemmt. Mit anderen Worten, das Substrat 24 überlappt in der Seitenansicht mindestens eine Hälfte der Fläche des Stators 21c des Motors 21, wodurch die Geräuschisolation verbessert wird.
In der vorliegenden Ausführungsform sind der Motordrehungssensor 43 zum Lesen der Drehung des Motors 21 und der Drehungsdetektor 10, der als ein Kurbelwellendrehungssensor zum Lesen der Drehung der Kurbelwelle 7a wirkt, am Substrat 24 befestigt. Mit dieser Konfiguration erfordert das Substrat 24 in der Antriebseinheit 20 lediglich eine Komponente, wodurch die Anzahl der Komponenten und die Arbeit zum Befestigen des Substrats verringert werden. In der vorliegenden Erfindung ist das Substrat 24, wie in 2 auf schematische Weise veranschaulicht ist, in der Draufsicht (oder Stirnansicht) zwischen dem Motor 21 und dem ersten Untersetzungszahnrad 36, dem Übertragungselement 29 für die resultierende Kraft und der zylindrischen Kopplungskomponente 23 vorgesehen, derart, dass der Motordrehungssensor 43 und der Drehungsdetektor 10, der als ein Kurbelwellendrehungssensor wirkt, leicht auf dem Substrat 24 angebracht werden können. Wie in 2 veranschaulicht ist, überlappt das Substrat 24 in der Seitenansicht den Rotor 21b und das Magnetisierungselement 21d des Motors 21, wobei vorteilhafterweise die Befestigung des Motordrehungssensors 43 am Substrat 24 erleichtert wird.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Konfiguration eingeschränkt. Wie in 4 veranschaulicht ist, kann ein Hilfssubstrat 24A für einen Kurbelwellendrehungssensor zusätzlich zum Substrat (Hauptsubstrat) 24 vorgesehen sein, derart, dass der Drehungsdetektor 10, der als ein Kurbelwellendrehungssensor wirkt, am Hilfssubstrat 24A befestigt ist. Das Hilfssubstrat 24A für einen Kurbelwellendrehungssensor kann mit dem Substrat (Hauptsubstrat) 24 verbunden sein (eine erste Abwandlung der ersten Ausführungsform). Alternativ kann, wie in 5 veranschaulicht ist, ein Hilfssubstrat 24B zum Detektieren einer Motordrehung zusätzlich zum Substrat (Hauptsubstrat) 24 vorgesehen sein, derart, dass der Motordrehungssensor 43 am Hilfssubstrat 24B befestigt ist. Das Hilfssubstrat 24B zum Detektieren einer Motordrehung kann mit dem Substrat (Hauptsubstrat) 24 verbunden sein (eine zweite Abwandlung der ersten Ausführungsform) . Wie in 4 und 5 veranschaulicht ist, ist das Substrat (Hauptsubstrat) 24 in der vorliegenden Ausführungsform in der Draufsicht zwischen dem Drehungsdetektionselement 11 und dem Drehungsdetektor 10 und dem Lager 26, das die Kurbelwelle 7a trägt, oder dergleichen (dem Lager 26 auf der Seite der Kurbelwelle 7a, die dem Antriebskettenrad 13 gegenüberliegt) und dem Drehmomentsensor 31 vorgesehen. In diesen Fällen weist das Substrat (Hauptsubstrat) 24 ebenfalls vorzugsweise eine größere Baugröße (größere Fläche) als das Hilfssubstrat 24A für einen Kurbelwellendrehungssensor und das Hilfssubstrat 24B zum Detektieren einer Motordrehung auf.
Ferner wird die Drehung des Motors 21 durch den Zweifach-Drehzahluntersetzungsmechanismus 25 auf das Antriebsketterad 13 übertragen, das als ein Antriebskraftausgaberad dient, und ein Untersetzungsverhältnis, das Verhältnis der Drehzahl des Motors 21 zur Drehzahl des Antriebskettenrads 13, ist im Bereich von 30 bis 37 eingestellt. Somit kann das erste Untersetzungszahnrad 36, das zur Kurbelwelle 7a koaxial ist, einen relativ kleinen Durchmesser aufweisen. Dies kann die Durchmesser (Radius und Durchmesser) um die Kurbelwelle 7a in der Antriebseinheit 20 verringern, derart, dass bewirkt werden kann, dass ein Abstand von der Kurbelwelle 7a zur Achse des Hinterrads 4 nahe an jenem eines gewöhnlichen Fahrrads (z. B. eines sogenannten Sportfahrrads) liegt, indem die Anordnung der Antriebseinheit 20 geändert wird (z. B. ist der Motor 21 vor der Kurbelwelle 7a angeordnet).
Außerdem weist die Antriebseinheit 20 einen minimalen Radius von 50 mm oder weniger um die Kurbelwelle 7a (um die Kurbelwelle) auf, derart, dass bewirkt werden kann, dass ein Abstand von der Kurbelwelle 7a zur Achse des Hinterrads 4 nahe an jenem eines gewöhnlichen Fahrrads (z. B. eines sogenannten Sportfahrrads) liegt. Ferner weist die Antriebseinheit 20 einen minimalen Radius von 45 mm oder weniger um die Kurbelwelle 7a (um die Kurbelwelle) auf, derart, dass bewirkt werden kann, dass ein Abstand von der Kurbelwelle 7a zur Achse des Hinterrads 4 nahe an jenem eines gewöhnlichen Fahrrads (z. B. eines sogenannten Sportfahrrads) liegt.
(Zweite Ausführungsform)
In der vorhergehenden Ausführungsform weist der Drehzahluntersetzungsmechanismus 25 ein konstantes Untersetzungsverhältnis auf, ist jedoch nicht darauf eingeschränkt. Eine Antriebseinheit 20 kann einen Drehzahluntersetzungsmechanismus 25A enthalten, der die Funktion des Änderns der Zahnraddrehzahlen aufweist, um mehrere Untersetzungsverhältnisse (zwei Zahnraddrehzahlen in der vorliegenden Ausführungsform) auszuwählen und umzuschalten.
Wie in 6 bis 10 veranschaulicht ist, weist der Drehzahluntersetzungsmechanismus 25A, der in der Antriebseinheit 20 vorgesehen ist, gemäß der vorliegenden Ausführungsform mehrere auswählbare Zahnräder (in der vorliegenden Ausführungsform zwei Zahnräder, die einen hohen Gang und einen niedrigen Gang enthalten) mit verschiedenen Zahnradverhältnissen auf dem Außenumfang und der rechten Seite einer zylindrischen Kopplungskomponente 23 auf, wobei eine Einwegkupplung (eine Einwegkupplung zum Unterbrechen einer Hilfsantriebskraft) 30 zwischen den Zahnrädern und der zylindrischen Kopplungskomponente 23 eingeschoben ist und der Drehzahluntersetzungsmechanismus 25A eine Antriebskraft auf ein Übertragungselement 29 für die resultierende Kraft überträgt.
Der Drehzahluntersetzungsmechanismus 25A enthält einen Drehungsübertragungszylinder 49, der auf dem Außenumfang einer Kurbelwelle 7a auf drehbare Weise angeordnet ist und die Drehung der zylindrischen Kopplungskomponente 23 durch die Einwegkupplung (Einwegkupplung zum Unterbrechen einer Hilfsantriebskraft) 30 empfängt, ein Niedrigdrehzahlzahnrad 36A (ebenso als ein kurbelwellenseitiges Niedrigdrehzahlzahnrad bezeichnet), das sich vom rechten zylindrischen Abschnitt des Drehungsübertragungszylinders 49 radial nach außen erstreckt und einteilig ausgebildet ist, eine Niedrigdrehzahlkupplung 51, die zwischen dem Drehungsübertragungszylinder 49 und dem Übertragungselement 29 für die resultierende Kraft angeordnet ist und die Antriebskraft des kurbelwellenseitigen Niedrigdrehzahlzahnrads 36A auf das Übertragungselement 29 für die resultierende Kraft übertragen kann, ein Hochdrehzahlzahnrad 36B (ebenso als ein kurbelwellenseitiges Hochdrehzahlzahnrad bezeichnet), das auf dem Außenumfang des Übertragungselements 29 für die resultierende Kraft auf drehbare Weise angeordnet ist, ein Niedrigdrehzahlzahnrad 38A (ebenso als ein zwischenwellenseitiges Niedrigdrehzahlzahnrad bezeichnet), das auf einer Zwischenwelle 40 einteilig ausgebildet ist und sich mit dem kurbelwellenseitigen Niedrigdrehzahlzahnrad 36A in Eingriff befindet, Zwischenwellenzähne 40a, die auf der Zwischenwelle 40 einteilig ausgebildet sind und sich mit Zähnen (oder Kerbverzahnungskomponenten oder Keilnutkomponenten) 55b in Eingriff befinden, die auf dem Innenumfang einer Hochdrehzahlkupplung 55 gebildet sind, die später beschrieben wird, die Hochdrehzahlkupplung 55, die auf dem Außenumfang und im rechten Bereich der Zwischenwellenzähne 40a der Zwischenwelle 40 vorgesehen ist und eine resultierende Kraft von der Zwischenwelle 40 auf das kurbelwellenseitige Hochdrehzahlzahnrad 36B und das Übertragungselement 29 für die resultierende Kraft übertragen kann, Hochdrehzahlzähne (zwischenwellenseitige Hochdrehzahlzähne, das heißt, die Eingriffsklauen der Hochdrehzahlkupplung 55) 38B (siehe 9 und 10), die Eingriffsklauen enthalten, die zum Außenumfang der Hochdrehzahlkupplung 55 (insbesondere einem Körper 55a der Hochdrehzahlkupplung 55) vorstehen und sich davon zurückziehen können und sich auf entfernbare Weise mit dem kurbelwellenseitigen Hochdrehzahlzahnrad 36B in Eingriff befinden, eine Zahnradverschiebungseinrichtung 61, die sich auf entfernbare Weise mit dem rechten Abschnitt der zwischenwellenseitigen Hochdrehzahlzähne 38B vom Außenumfang in Eingriff befindet und gemäß dem ausgewählten Zahnrad bewegt wird, und einen Zahnradwechselbewegungsarm 62, der sich mit der Zahnradverschiebungseinrichtung 61 in Eingriff befindet, um die Zahnradverschiebungseinrichtung 61 in der Richtung der Kurbelwelle zu bewegen.
Während des Vorwärtstretens mit den Pedalen 8 wird eine menschliche Antriebskraft, die auf die zylindrische Kopplungskomponente 23 übertragen wird, auf den Drehungsübertragungszylinder 49 übertragen. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Hochdrehzahlkupplung 55 auf dem Außenumfang der Zwischenwelle 40 derart angeordnet, dass sie sich in derselben axialen Richtung wie jene der Achse der Zwischenwelle 40 bewegt.
In dieser Konfiguration weist das kurbelwellenseitige Niedrigdrehzahlzahnrad 36A einen größeren Durchmesser als das kurbelwellenseitige Hochdrehzahlzahnrad 36B auf, und das zwischenwellenseitige Niedrigdrehzahlzahnrad 38A weist einen kleineren Durchmesser als die zwischenwellenseitige Hochdrehzahlzähne 38B auf. Somit wird das Drehmoment der Zwischenwelle 40 auf das kurbelwellenseitige Niedrigdrehzahlzahnrad 36A und den Drehungsübertragungszylinder 49 mit Drehungen mit niedrigen Drehzahlen übertragen und wird auf das kurbelwellenseitige Hochdrehzahlzahnrad 36B mit Drehungen mit hoher Drehzahl übertragen.
Der Zahnradwechselbewegungsarm 62 wird vorzugsweise durch die Niedrigdrehzahlkupplung 51 (in 7 auf schematische Weise veranschaulicht) angetrieben, die in der Antriebseinheit 20 (oder außerhalb der Antriebseinheit) vorgesehen ist. Zum Beispiel enthält eine Komponente 18 zur manuellen Bedienung vorzugsweise einen Drehzahlwechselschalter, der das Umschalten der Zahnräder ermöglicht. Jedoch ist die vorliegende Ausführungsform nicht auf diese Konfiguration eingeschränkt. Der Zahnradwechselbewegungsarm 62 (eine Zahnradwechselkomponente, die über einen Draht oder dergleichen bewegt wird) kann in der Nähe einer Lenkstange vorgesehen sein.
Wenn eine niedrige Drehzahl ausgewählt wird, wie in 6 und 8 veranschaulicht ist, bewegt der Zahnradwechselbewegungsarm 62 die Zahnradverschiebungseinrichtung 61 an eine linke Position, derart, dass die zwischenwellenseitigen Hochdrehzahlzähne 38B, die die Eingriffsklauen enthalten, die zur Hochdrehzahlkupplung 55 vorstehen und sich davon zurückziehen können, nach unten gedrückt werden, derart, dass sie sich vom kurbelwellenseitigen Hochdrehzahlzahnrad 36B trennen. Somit werden eine menschliche Antriebskraft, die durch die Einwegkupplung (Einwegkupplung zum Unterbrechen einer Hilfsantriebskraft) 30 von der zylindrischen Kopplungskomponente 23 übertragen wird, und eine Hilfsantriebskraft, die durch die Zwischenwelle 40 und das zwischenwellenseitige Niedrigdrehzahlzahnrad 38A vom Motor übertragen wird, mit Drehungen mit relativ niedrigen Drehzahlen auf den Drehungsübertragungszylinder 49 übertragen und werden darin kombiniert. Die Drehungsantriebskraft (resultierende Kraft) wird durch die Niedrigdrehzahlkupplung 51 und das Übertragungselement 29 für die resultierende Kraft von einem Antriebskettenrad 13 ausgegeben.
Wenn eine hohe Drehzahl ausgewählt wird, wie in 9 und 10 veranschaulicht ist, bewegt der Zahnradwechselbewegungsarm 62 die Zahnradverschiebungseinrichtung 61 an eine rechte Position, derart, dass die Klauen, die mit dem kurbelwellenseitigen Hochdrehzahlzahnrad 36B (insbesondere den Zähnen des kurbelwellenseitigen Hochdrehzahlzahnrads 36B) in Eingriff gelangen können, von der Hochdrehzahlkupplung 55 angehoben werden können, um die Drehung des kurbelwellenseitigen Hochdrehzahlzahnrads 36B auf das Übertragungselement 29 für die resultierende Kraft zu übertragen. Somit wird eine menschliche Antriebskraft, die durch die Einwegkupplung (Einwegkupplung zum Unterbrechen einer Hilfsantriebskraft) 30 von der zylindrischen Kopplungskomponente 23 übertragen wird, durch das kurbelwellenseitige Niedrigdrehzahlzahnrad 36A und das zwischenwellenseitige Niedrigdrehzahlzahnrad 38A auf die Zwischenwelle 40 übertragen und wird mit einer Hilfsantriebskraft zu einer resultierenden Kraft kombiniert. Anschließend wird die resultierende Kraft durch die zwischenwellenseitigen Hochdrehzahlzähne 38B und das kurbelwellenseitige Hochdrehzahlzahnrad 36B übertragen, wird durch die Hochdrehzahlkupplung 55 mit Drehungen mit relativ hoher Drehzahl auf das Übertragungselement 29 für die resultierende Kraft übertragen und wird daraufhin vom Antriebskettenrad 13 ausgegeben. Hier dreht sich das Übertragungselement 29 für die resultierende Kraft schneller als der Drehungsübertragungszylinder 49, wodurch bewirkt wird, dass die Niedrigdrehzahlkupplung 51 leerläuft.
Auf diese Weise kann die Antriebseinheit 20 derart verwendet werden, dass die Zahnräder in der Antriebseinheit 20 umgeschaltet werden. Außerdem kann in der vorliegenden Ausführungsform dieselbe Wirkung erhalten werden, indem ein Substrat 24 wie in der vorhergehenden Ausführungsform angeordnet wird. Ein Untersetzungsverhältnis, das Verhältnis der Drehzahl eines Motors 21 zur Drehzahl des Antriebskettenrads 13, liegt im Bereich von 30 bis 37 bei einer niedrigen Drehzahl, und ein Untersetzungsverhältnis bei einer hohen Drehzahl ist nicht höher als jenes bei einer niedrigen Drehzahl. Somit kann das kurbelwellenseitige Niedrigdrehzahlzahnrad 36A (und das kurbelwellenseitige Hochdrehzahlzahnrad 36B), das zur Kurbelwelle 7a koaxial ist, einen relativ kleinen Durchmesser aufweisen, wobei dieselbe Wirkung erzielt wird.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Hochdrehzahlkupplung 55 auf dem Außenumfang der Zwischenwelle 40 vorgesehen. Die vorliegende Ausführungsform ist nicht auf diese Konfiguration eingeschränkt, und die Hochdrehzahlkupplung 55 kann im äußeren Bereich der Kurbelwelle 7a vorgesehen sein. Wie in der vorhergehenden Ausführungsform kann ein Hilfssubstrat 24A für einen Kurbelwellendrehungssensor zusätzlich zum Substrat (Hauptsubstrat) 24 vorgesehen und mit dem Substrat (Hauptsubstrat) 24 verbunden sein. Der Kurbelwellendrehungssensor ist ein Drehungsdetektor 10, der am Hilfssubstrat 24A befestigt ist. Alternativ kann ein Hilfssubstrat 24B zum Detektieren einer Motordrehung, wobei ein Motordrehungssensor 43 am Hilfssubstrat 24B befestigt ist, zusätzlich zum Substrat (Hauptsubstrat) 24 vorgesehen und mit dem Substrat (Hauptsubstrat) 24 verbunden sein.
In den vorhergehenden Ausführungsformen (erste und zweite Ausführungsform) ist die Motorwelle (eine Drehwelle 21a des Motors 21) vor der Kurbelwelle 7a angeordnet, und die Zwischenwelle 40 ist unter einer geraden Linie angeordnet, die die Kurbelwelle 7a und die Motorwelle 21a verbindet. Wie in 11 veranschaulicht ist, sind das zweite und das dritte Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 37 und 38, die an der Zwischenwelle 40 befestigt sind, das Motorwellen-Untersetzungszahnrad 39, das an der Motorwelle 21a befestigt ist, und das erste Untersetzungszahnrad (kurbelwellenseitige Untersetzungszahnrad) 36, das auf dem Außenumfang der Kurbelwelle 7a angeordnet ist, geräuscharme, schraubenförmige Zahnräder. 11 entspricht der ersten Ausführungsform. Wenn der Motor 21 angetrieben wird, um eine Hilfsantriebskraft auszugeben, werden die Motorwelle 21a und das Motorwellen-Untersetzungszahnrad 39 in der rechten Seitenansicht im Uhrzeigersinn (nach rechts) gedreht, das zweite Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 37, das sich mit dem Motorwellen-Untersetzungszahnrad 39 in Eingriff befindet, die Zwischenwelle 40 und das dritte Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 38 werden in der rechten Seitenansicht gegen den Uhrzeigersinn (nach links) gedreht, und das erste kurbelwellenseitige Untersetzungszahnrad 36, das sich mit dem dritten Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 38 in Eingriff befindet, wird in der rechten Seitenansicht im Uhrzeigersinn (nach rechts) gedreht.
In dieser Konfiguration werden, wie in 12 veranschaulicht ist, Kraftvektoren (Reaktionskräfte) V1 bis V6 erzeugt, wenn sich die Untersetzungszahnräder 36 bis 39 des Drehzahluntersetzungsmechanismus 25 miteinander in Eingriff befinden. Die Kraftvektoren werden auf die Zwischenwelle 40 aufgebracht, wie in 13 veranschaulicht ist. 12 veranschaulicht die Kraftvektoren (Reaktionskräfte), die auf die Berührungspunkte der Zahnräder aufgebracht werden (die endgültigen Kraftvektoren (Reaktionskräfte), die der Zwischenwelle 40 zugeordnet sind). 13 veranschaulicht die Kraftvektoren (Reaktionskräfte), die auf die Zwischenwelle 40 aufgebracht werden (die Kraftvektoren, die sich auf der Achse der Zwischenwelle 40 sammeln).
In 12 und 13 bezeichnet das Bezugszeichen V1 einen tangentialen Kraftvektor, der auf das Zwischenwellenlager 35 aufgebracht wird, wenn sich das Motorwellen-Untersetzungszahnrad 39 und das zweite Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 37 miteinander in Eingriff befinden, das Bezugszeichen V2 bezeichnet einen Trennkraftvektor, der auf das Zwischenwellenlager 35 aufgebracht wird, wenn sich das Motorwellen-Untersetzungszahnrad 39 und das zweite Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 37 miteinander in Eingriff befinden, und das Bezugszeichen V3 bezeichnet einen Lastvektor, der durch eine Schubkraft auf das Zwischenwellenlager 35 aufgebracht wird, wenn sich das Motorwellen-Untersetzungszahnrad 39 und das zweite Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 37 miteinander in Eingriff befinden. Außerdem bezeichnet das Bezugszeichen V4 einen tangentialen Kraftvektor, der auf das Zwischenwellenlager 35 aufgebracht wird, wenn sich das erste Untersetzungszahnrad (das kurbelwellenseitige Untersetzungszahnrad) 36 und das dritte Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 38 miteinander in Eingriff befinden, das Bezugszeichen V5 bezeichnet einen Trennkraftvektor, der auf das Zwischenwellenlager 35 aufgebracht wird, wenn sich das erste Untersetzungszahnrad (das kurbelwellenseitige Untersetzungszahnrad) 36 und das dritte Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 38 miteinander in Eingriff befinden, das Bezugszeichen V6 bezeichnet einen Lastvektor, der durch eine Schubkraft auf das Zwischenwellenlager 35 aufgebracht wird, wenn sich das erste Untersetzungszahnrad (das kurbelwellenseitige Untersetzungszahnrad) 36 und das dritte Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 38 miteinander in Eingriff befinden, und das Bezugszeichen V7 bezeichnet eine Reaktionskraftvektor (resultierenden Kraftvektor), der (kombiniert) auf die Zwischenwelle 40 aufgebracht wird.
Mit dieser Konfiguration heben sich die Kraftvektoren V1 bis V6, die auf der Zwischenwelle 40 erzeugt werden, wenn sich die Untersetzungszahnräder 36 bis 39 miteinander in Eingriff befinden, kaum gegenseitig auf. Dies bringt den relativ großen Kraftvektor V7 auf die Zwischenwelle 40 auf, während die Kraftvektoren V1 bis V6 kombiniert sind. Somit wird auf die Zwischenwellenlager 34 und 35, die die Zwischenwelle 40 auf drehbare Weise tragen, eine große Reaktionskraft aufgebracht, insbesondere auf das rechte Zwischenwellenlager 35 nahe am dritten Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 38, das sich mit dem ersten kurbelwellenseitigen Untersetzungszahnrad 36 zum Übertragen einer resultierenden Kraft in Eingriff befindet, derart dass das Zwischenwellenlager derart vergrößert ist, dass es eine große Kraft trägt. Dies vergrößert die Baugröße der Antriebseinheit 20 (insbesondere nehmen in der vorliegenden Ausführungsform die Abmessungen in der Breitenrichtung am Ort der Zwischenwelle 40 in der Antriebseinheit 20 zu).
Wenn die Antriebseinheit 20 mit großen Abmessungen in der Breitenrichtung der Antriebseinheit 20 vergrößert wird, ist der Abstand L1 (siehe 2) zwischen dem linken und dem rechten Kurbelarm 7b durchaus größer als jener eines gewöhnlichen Fahrrads (z. B. eines sogenannten Sportfahrrads), was zu Schwierigkeiten dabei führt, eine Funktion nahe an jener eines gewöhnlichen Fahrrads (z. B. eines sogenannten Sportfahrrads) zu erhalten.
Um die Schwierigkeiten anzugehen, sind in einer Antriebseinheit 20 eines Fahrrads mit elektrischer Unterstützung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 14 bis 16 veranschaulicht ist, eine Drehwelle 21a eines Motors 21, eine Zwischenwelle 40 und eine Kurbelwelle 7a von der Stirnseite aufeinanderfolgend angeordnet (derselbe Entwurf wie in den vorhergehenden Ausführungsformen) . Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsformen ist die Zwischenwelle 40 über einer geraden Linie angeordnet, die die Kurbelwelle 7a und die Motorwelle 21a verbindet. In diesem Fall sind die Kurbelwelle 7a, die Motorwelle 21a und die Zwischenwelle 40, wie in 15 veranschaulicht ist, derart angeordnet, dass ein Winkel α zwischen einer Linie A, die die Achse der Kurbelwelle 7a und die Achse der Motorwelle 21a verbindet, und einer Linie, die die Achse der Kurbelwelle 7a und die Achse der Zwischenwelle 40 verbindet, im Bereich von 30° bis 70° im Uhrzeigersinn in einer rechten Seitenansicht der Antriebseinheit 20 in Bezug auf die Fahrtrichtung liegt.
Die Antriebseinheit 20 des Fahrrads mit elektrischer Unterstützung gemäß der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von der Antriebseinheit 20 gemäß der ersten Ausführungsform hauptsächlich im Entwurf der Zwischenwelle 40, der Kurbelwelle 7a und der Motorwelle 21a und den Strukturen (z. B. Baugrößen) der Lager im Entwurf. Andere Konfigurationen sind gleichartig wie jene der Antriebseinheit 20 gemäß der ersten Ausführungsform. Insbesondere sind, wie in 11 veranschaulicht ist, ein zweites und ein drittes Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 37 und 38, die an der Zwischenwelle 40 befestigt sind, ein Motorwellen-Untersetzungszahnrad 39, das an der Motorwelle 21a befestigt ist, und ein erstes Untersetzungszahnrad (kurbelwellenseitige Untersetzungszahnrad) 36, das auf dem Außenumfang der Kurbelwelle 7a angeordnet ist, geräuscharme, schraubenförmige Zahnräder. Wenn der Motor 21 angetrieben wird, um eine Hilfsantriebskraft auszugeben, werden die Motorwelle 21a und das Motorwellen-Untersetzungszahnrad 39 in der rechten Seitenansicht im Uhrzeigersinn (nach rechts) gedreht, das zweite Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 37, das sich mit dem Motorwellen-Untersetzungszahnrad 39 in Eingriff befindet, die Zwischenwelle 40 und das dritte Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 38 werden in der rechten Seitenansicht gegen den Uhrzeigersinn (nach links) gedreht, und das erste kurbelwellenseitige Untersetzungszahnrad 36, das sich mit dem dritten Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 38 in Eingriff befindet, wird in der rechten Seitenansicht im Uhrzeigersinn (nach rechts) gedreht.
In dieser Konfiguration werden, wie in 15 veranschaulicht ist, Kraftvektoren (Reaktionskräfte) V11 bis V16 erzeugt, wenn sich die Untersetzungszahnräder 36 bis 39 des Drehzahluntersetzungsmechanismus 25 miteinander in Eingriff befinden. Die Kraftvektoren werden auf die Zwischenwelle 40 aufgebracht, wie in 16 veranschaulicht ist. 15 veranschaulicht die Kraftvektoren (Reaktionskräfte), die auf die Berührungspunkte der Zahnräder aufgebracht werden (die endgültigen Kraftvektoren (Reaktionskräfte), die der Zwischenwelle 40 zugeordnet sind). 16 veranschaulicht die Kraftvektoren (Reaktionskräfte), die auf die Zwischenwelle 40 aufgebracht werden (die Kraftvektoren, die sich auf der Achse der Zwischenwelle 40 sammeln).
In 15 und 16 bezeichnet das Bezugszeichen V11 einen tangentialen Kraftvektor, der auf ein Zwischenwellenlager 35 aufgebracht wird, wenn sich das Motorwellen-Untersetzungszahnrad 39 und das zweite Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 37 miteinander in Eingriff befinden, das Bezugszeichen V12 bezeichnet einen Trennkraftvektor, der auf das Zwischenwellenlager 35 aufgebracht wird, wenn sich das Motorwellen-Untersetzungszahnrad 39 und das zweite Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 37 miteinander in Eingriff befinden, und das Bezugszeichen V13 bezeichnet einen Lastvektor, der durch eine Schubkraft auf das Zwischenwellenlager 35 aufgebracht wird, wenn sich das Motorwellen-Untersetzungszahnrad 39 und das zweite Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 37 miteinander in Eingriff befinden, Außerdem bezeichnet das Bezugszeichen V14 einen tangentialen Kraftvektor, der auf das Zwischenwellenlager 35 aufgebracht wird, wenn sich das erste Untersetzungszahnrad (das kurbelwellenseitige Untersetzungszahnrad) 36 und das dritte Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 38 miteinander in Eingriff befinden, das Bezugszeichen V15 bezeichnet einen Trennkraftvektor, der auf das Zwischenwellenlager 35 aufgebracht wird, wenn sich das erste Untersetzungszahnrad (das kurbelwellenseitige Untersetzungszahnrad) 36 und das dritte Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 38 miteinander in Eingriff befinden, das Bezugszeichen V16 bezeichnet einen Lastvektor, der durch eine Schubkraft auf das Zwischenwellenlager 35 aufgebracht wird, wenn sich das erste Untersetzungszahnrad (das kurbelwellenseitige Untersetzungszahnrad) 36 und das dritte Zwischenwellen-Untersetzungszahnrad 38 miteinander in Eingriff befinden, und das Bezugszeichen V17 bezeichnet eine Reaktionskraftvektor (resultierenden Kraftvektor), der (kombiniert) auf die Zwischenwelle 40 aufgebracht wird.
Mit dieser Konfiguration heben sich V11 bis V16, die beim Eingriff der Untersetzungszahnräder 36 bis 39 auf der Zwischenwelle 40 erzeugt werden, gegenseitig auf, derart, dass eine Reaktionskraft (resultierende Kraft) V17, die auf die Zwischenwelle aufgebracht wird, schließlich verringert wird. Somit kann das Zwischenwellenlager 35 verkleinert (in der Breitenrichtung und in der Radiusrichtung verkleinert) werden, derart, dass es eine relativ kleine Last trägt, was zu einer Verkleinerung der Antriebseinheit 20 führt (z. B. wird die Antriebseinheit 20 in der Breitenrichtung verkleinert). Dies kann bewirken, dass ein Abstand L2 zwischen den Kurbelarmen nahe an einem Abstand zwischen den Kurbelarmen eines gewöhnlichen Fahrrads (z. B. eines sogenannten Sportfahrrads) liegt.
In der vorliegenden Ausführungsform steht die Mitte eines Antriebskettenrads 13 zur rechten Seite vor. Durch das Verwenden des Zwischenwellenlagers 35 mit einer kleinen Baugröße kann der Vorsprung des Antriebskettenrads 13 das Zwischenwellenlager 35 und einen Punkt zum Halten des Zwischenwellenlagers 35 in einem ersten Kasten 22a enthalten, wodurch die Antriebseinheit 20 weiter verkleinert wird (z. B. wird die Antriebseinheit 20 in der Breitenrichtung verkleinert). Dies kann bewirken, dass der Abstand L2 zwischen den Kurbelarmen nahe an einem Abstand zwischen den Kurbelarmen eines gewöhnlichen Fahrrads (z. B. eines sogenannten Sportfahrrads) liegt.
Wenn in der Antriebseinheit 20 des Fahrrads mit elektrischer Unterstützung gemäß der dritten Ausführungsform die Motorwelle 21a (die Drehwelle des Motors 21) vor der Kurbelwelle 7a angeordnet ist, ist die Zwischenwelle 40 unter einer geraden Linie angeordnet, die die Kurbelwelle 7a und die Motorwelle 21a verbindet. Die vorliegende Ausführungsform ist nicht auf diese Konfiguration eingeschränkt. Mit anderen Worten, wenn die Motorwelle 21a hinter der Kurbelwelle 7a angeordnet ist, wie in 17 veranschaulicht ist, kann die Zwischenwelle 40 über einer geraden Linie angeordnet sein, die die Kurbelwelle 7a und die Motorwelle 21a verbindet.
In allen Fällen wird z. B. dann, wenn die Zwischenwelle 40 rechts oder links der geraden Linie angeordnet ist, die die Kurbelwelle 7a und die Motorwelle 21a verbindet, bevorzugt, die Kurbelwelle 7a, die Motorwelle 21a und die Zwischenwelle 40 derart anzuordnen, dass ein Kreuzungswinkel zwischen einer Linie, die die Achse der Kurbelwelle 7a und die Achse der Motorwelle 21a verbindet, und eine Linie, die die Achse der Kurbelwelle 7a und die Achse der Zwischenwelle 40 verbindet, im Bereich von 30° bis 70° im Uhrzeigersinn in einer rechten Seitenansicht der Antriebseinheit 20 in Bezug auf die Fahrtrichtung liegt.
Die Antriebseinheit 20, die einen Übertragungsmechanismus enthält, ist als die Antriebseinheit 20 des Fahrrads mit elektrischer Unterstützung gemäß der zweiten Ausführungsform konfiguriert, wobei dieselbe Wirkung erzielt wird.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung ist auf eine Antriebseinheit für ein Fahrrad mit elektrischer Unterstützung, das mit einer Kombination einer menschlichen Antriebskraft, die durch eine Pedalkraft von einem Pedal erzeugt wird, und einer Hilfsantriebskraft, die durch einen Motor erzeugt wird, fahren kann, und auf das Fahrrad mit elektrischer Unterstützung anwendbar.

Claims

Antriebseinheit eines Fahrrads mit elektrischer Unterstützung, wobei die Antriebseinheit an dem Fahrrad mit elektrischer Unterstützung angebracht ist, das mit einer Kombination einer menschlichen Antriebskraft, die durch eine Pedalkraft von einem Pedal erzeugt wird, und einer Hilfsantriebskraft, die durch einen Motor erzeugt wird, fahren kann, wobei die Antriebseinheit den Motor enthält, wobei die Antriebseinheit Folgendes umfasst: eine Montagekomponente, die an einem Zwischenpunkt zwischen einem Vorderrad und einem Hinterrad des Fahrrads mit elektrischer Unterstützung anzubringen ist; einen Kurbelwelleneinführungsbereich, wo eine Kurbelwelle zum Empfangen einer menschlichen Antriebskraft, die vom Pedal übertragen wird, eingeführt ist; und ein Antriebskraftausgaberad zum Ausgeben einer Antriebskraft, wobei die Kurbelwelle und der Motor mit unterschiedlichen Achsen angeordnet sind, und die Antriebseinheit mindestens ein Substrat enthält, das angeordnet ist, wobei ein Abschnitt in der Seitenansicht einen Stator des Motors entlang der Kurbelwelle überlappt.
Antriebseinheit des Fahrrads mit elektrischer Unterstützung nach Anspruch 1, wobei das Substrat in der Seitenansicht mindestens eine Hälfte einer Fläche des Stators des Motors überlappt.
Antriebseinheit des Fahrrads mit elektrischer Unterstützung nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei das Substrat in der Seitenansicht eine Überlappung von einem Bereich des Stators des Motors bis zu einem Bereich um die Kurbelwelle aufweist.
Antriebseinheit des Fahrrads mit elektrischer Unterstützung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Motordrehungssensor, um eine Drehung des Motors zu lesen, am Substrat befestigt ist.
Antriebseinheit des Fahrrads mit elektrischer Unterstützung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Kurbelwellendrehungssensor, um eine Drehung der Kurbelwelle zu lesen, am Substrat befestigt ist.
Antriebseinheit des Fahrrads mit elektrischer Unterstützung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Motordrehungssensor, um eine Drehung des Motors zu lesen, und ein Kurbelwellendrehungssensor, um eine Drehung der Kurbelwelle zu lesen, am Substrat befestigt sind.
Antriebseinheit des Fahrrads mit elektrischer Unterstützung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das mindestens eine Substrat mehrere Substrate umfasst und das Substrat mit dem Abschnitt, der den Stator des Motors überlappt, von den Substraten die größte Fläche aufweist.
Antriebseinheit des Fahrrads mit elektrischer Unterstützung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Drehung des Motors über einen Zweifach-Drehzahluntersetzungsmechanismus auf das Antriebskraftausgaberad zum Ausgeben einer Antriebskraft übertragen wird, und ein Untersetzungsverhältnis, wobei das Untersetzungsverhältnis ein Verhältnis einer Drehzahl des Motors zu einer Drehzahl des Antriebskraftausgaberads ist, im Bereich von 30 bis 37 eingestellt ist.
Antriebseinheit des Fahrrads mit elektrischer Unterstützung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Antriebseinheit einen minimalen Radius von höchstens 50 mm um die Kurbelwelle aufweist.
Fahrrad mit elektrischer Unterstützung, das die Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9 enthält, das ferner einen Drehzahluntersetzungsmechanismus umfasst, der Paare von Untersetzungszahnrädern enthält, wobei der Drehzahluntersetzungsmechanismus eine Zwischenwelle, die parallel zur Kurbelwelle angeordnet ist, mehrere Zwischenwellen-Untersetzungszahnräder, die auf der Zwischenwelle vorgesehen sind, ein kurbelwellenseitiges Untersetzungszahnrad, das auf einem Außenumfang der Kurbelwelle auf drehbare Weise angeordnet ist und eine menschliche Antriebskraft und eine Hilfsantriebskraft empfängt, und ein Motorwellen-Untersetzungszahnrad, das auf einer Motorwelle vorgesehen ist, enthält, die Antriebseinheit ein Zwischenwellenlager enthält, das die Zwischenwelle auf drehbare Weise trägt, und die Zwischenwelle in einer Längsrichtung zwischen der Kurbelwelle und der Motorwelle angeordnet ist, unter einer geraden Linie angeordnet ist, die die Kurbelwelle und die Motorwelle verbindet, wenn die Motorwelle vor der Kurbelwelle angeordnet ist, und über der geraden Linie angeordnet ist, die die Kurbelwelle und die Motorwelle verbindet, wenn die Motorwelle hinter der Kurbelwelle angeordnet ist.
Fahrrad mit elektrischer Unterstützung, das die Antriebseinheit enthält, nach Anspruch 10, wobei die Kurbelwelle, die Motorwelle und die Zwischenwelle derart angeordnet sind, dass ein Kreuzungswinkel zwischen einer Linie, die eine Achse der Kurbelwelle und eine Achse der Motorwelle verbindet, und einer Linie, die die Achse der Kurbelwelle und eine Achse der Zwischenwelle verbindet, im Bereich von 30° bis 70° im Uhrzeigersinn in einer rechten Seitenansicht in Bezug auf einer Fahrtrichtung der Fahrrads mit elektrischer Unterstützung liegt.
Antriebszuführsystem, das die Antriebseinheit des Fahrrads mit elektrischer Unterstützung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und einen Energiespeicher zum Zuführen von Energie zur Antriebseinheit umfasst.
Fahrrad mit elektrischer Unterstützung, das entweder die Antriebseinheit des Fahrrads mit elektrischer Unterstützung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder das Antriebszuführsystem nach Anspruch 12 umfasst.