DE69620818T2

DE69620818T2 - Menschliche Muskelkraft unterstützender Energie-Wandler

Info

Publication number: DE69620818T2
Application number: DE69620818T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Miyazawa; Takeshi Seto
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1995-02-21
Filing date: 1996-02-19
Publication date: 2003-02-27
Anticipated expiration: 2016-02-20
Also published as: EP0728663A3; US5836414A; CN1145314A; DE69620818D1; JPH08290795A; TW307945B; HK1014525A1; US6125959A; EP0728663A2; CN1052200C; EP0728663B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung zur Unterstützung der menschlichen Muskelkraft mit einem Elektromotor, die zur Anwendung beispielsweise mit einem Fahrzeug geeignet ist, das mit einem Elektromotor ausgerüstet ist.
Die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtungen, die die durch Muskelkraft hervorgerufene Drehung und die von der Kraft eines Elektromotors oder einer anderen Quelle angetriebene Drehung mit Hilfe eines Differentialgetriebemechanismus kombinieren, sind in dem Japanischen Patent tokkai S55-31644 (1980-31644), dem Japanischen Gebrauchsmuster jikko H2-391 (1990-391) und dem Japanischen Patent tokkai H5-319354 (1993-319354) beschrieben. Der in dem Japanischen Gebrauchsmuster jikko H2-391 (1990-391) beschriebene Mechanismus kombiniert beispielsweise die menschliche Muskelkraft mit der Kraft eines elektrischen Motors, um eine schnellere Fortbewegung zu ermöglichen, als dies möglich sein würde, wenn mit dem Elektromotor allein gefahren würde.
Die JP 01314685A beschreibt ein kraftunterstütztes Fahrrad, das einen Lastmotor, der mit den Pedalen gekopppelt ist, und einen Antriebsmotor einschließt, der mit dem Antriebsrad gekoppelt ist. Die Pedallast, die Pedaldrehzahl, die Antriebsrad- Drehgeschwindigkeit und das Drehmoment des Antriebsrads werden detektiert, um drei Fahrbetriebsarten bereitzustellen, unter Einschluß einer Fahrbetriebsart ohne Last, bei der keine Last oder Kraft auf die Pedale ausgeübt wird.
In ähnlicher Weise beschreibt die EP 0590674A ein kraftunterstütztes Fahrrad, bei dem die Kraftunterstützung in Abhängigkeit von dem durch einen Benutzer auf die Pedale ausgeübten Druck bereitgestellt wird. Das Verhältnis der Kraftunterstützung zur Pedalkraft wird mit zunehmender Geschwindigkeit des Fahrrads verringert, um eine geeignete Kraftunterstützung sicherzustellen.
Eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Kraftvorrichtung mit Einrichtungen zur Feststellung des durch die menschliche Muskelkraft erzeugten Drehmomentes und zur Anwendung eines Elektromotor-Drehmomentes entsprechend der durch diese Drehmoment-Detektoreinrichtung erfaßten, durch die menschliche Muskelkraft erzeugten Drehmomentes, wurde außerdem in dem Japanischen Patent tokkai S56- 76590 (1981-76590) vorgeschlagen. Fig. 7 zeigt die Konfiguration der die menschliche Muskelkraft unterstützenden Kraftvorrichtung auf der Grundlage des Japanischen Patents tokkai S56-76590 (1981-76590).
Die die menschliche Muskelkraft unterstützende Kraftvorrichtung (Fig. 7) weist einen Differentialgetriebemechanismus auf, der ein Pedalantrieb-Kegelzahnrad 82, ein Detektions-Kegelzahnrad 71 und zwei kleine Kegelzahnräder 83 aufweist, die mit diesen Zahnrädern kämmen. Die durch menschliche Muskelkraft erzeugte Drehung, die auf das Pedalantriebs-Kegelzahnrad 82 mit Hilfe eines Pedalwellen-Kettenzahnrads 14, einer Kette 80 und eines Pedalantriebs-Kettenzahnrads 81 ausgeübt wird, wird auf das Ausgangs-Kegelzahnrad 85 durch den Umlauf der kleinen Kegelzahnräder 83 übertragen, die in einer frei drehbaren Weise auf der Drehwelle 84 für die kleinen Kegelzahnräder gelagert sind, und dann über das Kegelzahnrad 86 auf eine Welle 87.
Die Drehung des Pedalantriebs-Kegelzahnrads 82 und des gegenüberliegenden Detektions-Kegelzahnrads 71 wird durch eine Feder 72 behindert; das Pedalantriebs- Kegelzahnrad 82 und das Detektions-Kegelzahnrad 71 drehen sich somit über einen Winkel proportional zur Reaktionskraft, die von den kleinen Kegelzahnrädern 83 empfangen wird, und das Ausmaß der Drehung wird durch ein Potentiometer 73 erfaßt.
Ein kleines Zahnrad 74 ist auf der Drehachse eines Elektromotors 20 befestigt, und dieses kleine Zahnrad 74 kämmt mit einem Zahnrad 88, das auf der Welle 87 befestigt ist. Der Elektromotor 20 erzeugt ein Drehmoment in Abhängigkeit von dem Ausmaß der Drehung, das von dem Potentiometer 73 erfaßt wird. Als Ergebnis wird eine die menschliche Muskelkraft ergänzende Kraft, die von dem Elektromotor 20 erzeugt wird, der Welle 87 hinzugefügt.
Die übliche die menschliche Muskelkraft unterstützende Kraftvorrichtung, die mit Hilfe eines Differenzialgetriebe-Mechanismus, die durch die menschliche Muskelkraft erzeugte Drehung und die durch die Kraft eines Elektromotors oder einer anderen Einrichtung erzeugte Drehung kombiniert, hat jedoch lediglich die Wirkung einer einfachen Kraft- oder Leistungskombinations- oder -übertragungs-Vorrichtung und ist nicht in der Lage, eine Kraftunterstützung proportional zur menschlichen Muskelkraft zu liefern.
Um dies unter Verwendung eines mit einem Elektromotor ausgerüsteten Fahrrades als Beispiel zu beschreiben, muß der Fahrer zwei getrennte Vorgänge ausführen: Er muß die Pedale mit den Füßen drehen, und er muß die Betriebsweise des Elektromotors, der als die menschliche Muskelkraft unterstützende Kraft- oder Leistungsvorrichtung verwendet wird, mit beispielsweise einem Hebel steuern, der auf der Lenkstange angeordnet ist, und dies im wesentlichen gleichzeitig. Als Ergebnis ist dieser Vorgang kompliziert, und eine Kraftunterstützung wird gleichzeitig ohne Beziehung zu der die Pedale antreibenden Kraft bewirkt; daher können Betriebsfehler leicht auftreten, und der Betrieb kann gefährlich sein. Weiterhin ist es in vielen Ländern, unter Einschluß von Japan, schwierig, eine Konstruktion, die für eine eigenangetriebene Fortbewegung mit Hilfe eines Elektromotors geeignet ist, gesetzlich als ein Fahrzeug zu behandeln, für das kein Führerschein erforderlich ist.
Ein mit einem Elektromotor ausgerüstetes Fahrzeug, das eine übliche, die menschliche Muskelkraft unterstützende, Kraftvorrichtung hat, die das Drehmoment eines Elektromotors entsprechend dem durch menschliche Muskelkraft erzeugten Drehmoment hinzufügt, kann so betrieben werden, als ob die von dem Fahrer ausgeübte Antriebskraft vergrößert wurde, weil das durch die menschliche Muskelkraft erzeugte Drehmoment als Drehmoment-Erzeugungsbefehlswert des Elektromotors verwendet wird, und leicht betrieben werden kann, ohne daß eine feine Antriebsleistungssteuerung wie in einem Motorfahrzeug erforderlich ist. Wenn jedoch die Präzision der Erfassung des durch die menschliche Muskelkraft erzeugten Drehmoments nicht ausreicht und die Ausgangslinearität schlecht ist, ist nicht nur das Gefühl der Steuerung unnatürlich, sondern es kann auch eine von dem Fahrer unbeabsichtigte schnelle Beschleunigung auftreten. Zusätzlich ist es möglich, daß keine ausreichende Kraftunterstützung erzielt wird, wenn es erforderlich ist, Gefahren zu vermeiden, und es können äußerst gefährliche Situationen auftreten. Daher ist eine eine hohe Präzision aufweisende Drehmoment-Detektorvorrichtung für das mit einem Elektromotor ausgerüstete Fahrrad erforderlich, doch sind eine hohe Präzision aufweisende Drehmoment-Detektorvorrichtungen aufwendig und groß.
Wenn die Batterie oder andere Energiequelle erschöpft ist und die Kraftunterstützung nicht erzielt werden kann, wird es weiterhin aufgrund der zur Hinzufügung des Drehmoments verwendeten Konstruktionen schwieriger, die Pedale zu drehen. Dies stellt ein wesentliches Problem dar, das es den meisten üblichen Benutzern von mit Elektromotoren ausgerüsteten Fahrrädern schwierig oder unmöglich macht, das Fahrrad zu fahren, unter Einschluß von Personen mit geringer körperlicher Stärke und Personen, die häufig auf hügeligen Straßen fahren.
Daher besteht das Ziel der vorliegenden Erfindung darin, eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Kraftvorrichtung zur geeigneten Anwendung einer Kraft zur Unterstützung der menschlichen Muskelkraft zu schaffen, ohne daß eine hohe Kosten aufweisende, große Drehmoment-Detektorvorrichtung verwendet wird, und wobei der Betrieb durch die menschliche Muskelkraft fortgesetzt werden kann, selbst wenn die Kraftunterstützung nicht mehr aufgebracht wird.
Diese Ziele werden mit Hilfe der vorliegenden Erfindung erreicht, wie sie nachfolgend beschrieben wird.
(1) Diese Erfindung stellt eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung zur Unterstützung der menschlichen Muskelkraft mit der Kraft eines Elektromotors bereit, der einen Drehgeschwindigkeits-Detektionsmechanismus zur direkten oder indirekten Feststellung der Geschwindigkeit der durch die menschliche Muskelkraft hervorgerufenen Drehung und der Drehung eines Elektromotors umfaßt und gekennzeichnet ist durch einen Differentialgetriebemechanismus, der einen Eingang für die menschliche Muskelkraft, der mit einer Quelle der durch die menschliche Muskelkraft hervorgerufenen Drehung verbindbar ist, und einen Eingang für den Elektromotor aufweist, der mit einer Quelle der Drehung des Elektromotors verbindbar ist; durch Signalvergleicheinrichtungen zum Vergleich von Signalen, die von dem Drehgeschwindigkeits-Detektormechanismus erzeugt werden; und durch Steuereinrichtungen zur Steuerung der Drehgeschwindigkeit des Elektromotors durch Vergleichen der Geschwindigkeit der durch menschliche Muskelkraft erzeugten Drehung und der Geschwindigkeit der Drehung des Elektromotors.
(2) Eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung gemäß (1), bei der die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, daß sie die Drehzahl des Elektromotors so steuert, daß das Verhältnis der Drehgeschwindigkeiten der durch die menschliche Muskelkraft erzeugten Drehung und der von dem Elektromotor erzeugten Drehung, die von der Signalvergleichereinrichtung verglichen werden, konstant ist.
(3) Eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung gemäß (1) oder (2), bei der die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, daß sie den Umlauf der zu einem Umlaufen und zu einer Drehung fähigen Zahnräder, die den Differentialgetriebemechanismus bilden, als Ausgangssignal abgibt und die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors so steuert, daß die Drehung der Zahnräder unterdrückt wird, so daß bewirkt wird, daß die Drehung der Zahnräder in Richtung einer Verringerung auf Null geändert wird.
(4) Eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Punkte (1) bis (3), die weiterhin einen eine Rückwärtsdrehung verhindernden Mechanismus aufweist, um eine Rückwärtsdrehung des Elektromotors zu verhindern.
(5) Eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Punkte (1) bis (4), bei der der Detektionsmechanismus für die Drehgeschwindigkeit einen Sensor für eine berührungsfreie Detektion der Drehgeschwindigkeit umfaßt.
(6) Eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Punkte (1) bis (5), die weiterhin einen Drehrichtungs- Detektormechanismus zur Feststellung der Richtung der durch menschliche Muskelkraft erzeugten Drehung umfaßt.
(7) Eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung nach dem vorstehenden Punkt (6), bei der der Betrieb oder Nicht-Betrieb des Elektromotors auf der Grundlage der Drehrichtung der durch die menschliche Muskelkraft hervorgerufenen Drehung gesteuert wird, die durch den Drehrichtungs- Detektormechanismus festgestellt wird.
(8) Eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung nach den Ansprüchen (6) oder (7), bei der der die Drehrichtung feststellende Detektormechanismus zumindest einige Komponenten mit dem Drehgeschwindigkeits- Detektormechanismus gemeinsam hat.
(9) Eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung nach einem der vorstehenden Punkte (1) bis (8), die den Elektromotor umfaßt und bei der das Rückhalte-Drehmoment des Elektromotors so ausgebildet ist, daß es größer als die Reaktionskraft ist, die auf den Elektromotor ausgeübt wird, wenn die Vorrichtung eine durch menschliche Muskelkraft hervorgerufene Drehung empfängt, jedoch keine Unterstützung für die menschliche Muskelkraft liefert.
(10) Eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Leistungs-Vorrichtung gemäß dem vorstehenden Punkt (9), bei der der Elektromotor ein bürstenloser Motor ist.
(11) Ein mit einem Elektromotor ausgerüstetes Fahrrad, das eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung nach einem der vorstehenden Punkte (1) bis (10) aufweist, bei dem der Differentialgetriebemechanismus keine gemeinsame Welle, weder mit der primären, durch die menschliche Muskelkraft angetriebenen Eingangswelle, die der Pedalwelle des Fahrrades entspricht, noch der abschließenden Ausgangswelle hat, die dem Hinterrad des Fahrrads entspricht.
Eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung, die die menschliche Muskelkraft mit der Kraft eines Elektromotors unterstützt und folgendes umfaßt:
einen Drehgeschwindigkeits-Detektormechanismus zur direkten oder indirekten Erfassung der Geschwindigkeit einer durch menschliche Muskelkraft erzeugten Drehung und einer durch einen Elektromotor erzeugten Drehung, und gekennzeichnet durch folgenden Teile: einen Differentialgetriebemechanismus, mit einem Eingang für die menschliche Muskelkraft, der mit einer Quelle der durch die menschliche Muskelkraft hervorgerufenen Drehung verbindbar ist, und mit einem Eingang für einen Elektromotor aufweist, der mit einer Quelle der Drehung des Elektromotors verbindbar ist; Signalvergleichereinrichtungen zum Vergleich der von dem Drehgeschwindigkeits- Detektormechanismus erzeugten Signale; und Steuereinrichtungen zur Steuerung der Drehgeschwindigkeit des Elektromotors derart, daß das Verhältnis der durch die menschliche Muskelkraft hervorgerufenen Drehung und der durch den Elektromotor hervorgerufenen Drehung, die durch die Signalvergleichereinrichtungen verglichen werden, konstant ist, und derart, daß wenn der Umlauf der Zahnräder, die eine Umlaufachse und eine Drehachse aufweisen und den Differentialgetriebemechanismus bilden, als die Antriebsdrehung der Räder verwendet wird, die Drehung der Zahnräder soweit wie möglich unterdrückt wird.
Die auf diese Weise gebildete, die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung stellt die Geschwindigkeit sowohl der durch die menschliche Muskelkraft hervorgerufenen Drehung als auch der durch den Elektromotor hervorgerufenen Drehung fest, um die Hilfskraft mit guter Präzision zu steuern. Wenn die Hilfskraft nicht geliefert wird, so kann die Fahrt ohne Änderung der Drehmomentbelastung für die menschliche Muskelkraft fortgesetzt werden, und die Ausgangs-Drehgeschwindigkeit wird einfach verlangsamt.
Zusätzlich umfaßt die die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise weiterhin einen eine Rückwärtsdrehung verhindernden Mechanismus, zur Verhinderung einer Rückwärtsdrehung des Elektromotors. Weiterhin ist das Rückhaltedrehmoment des Elektromotors in der die menschliche Muskelkraft unterstützenden Kraftvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise größer als die Reaktionskraft, die auf den Elektromotor im normalen Gebrauch ausgeübt wird. Mit Hilfe dieser Konfiguration wird der Elektromotor an einer Rückwärtsdrehung aufgrund der Reaktionskraft der menschlichen Muskelkraft gehindert, wenn die Hilfskraft nicht arbeitet, wodurch es ermöglicht wird, daß die menschliche Muskelkraft in wirkungsvoller Weise ausgenutzt wird und ein fehlerhafter Betrieb verhindert wird.
Der Elektromotor der die menschliche Muskelkraft unterstützenden Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist weiterhin vorzugsweise ein bürstenloser Motor. Ein bürstenloser Motor ist in der Lage, die Motordrehzahl selbst zu erfassen (über die Motoransteuerschaltung), er bietet einen hohen Wirkungsgrad, und er ist für den Antrieb von die menschliche Muskelkraft unterstützenden Kraftvorrichtungen geeignet, bei denen die Batteriegröße nicht sehr groß sein kann. Bürstenlose Motoren bieten weiterhin eine überlegene Haltbarkeit, und sie sind für Vorrichtungen geeignet, die im Freien verwendet werden.
Der Drehgeschwindigkeits-Detektormechanismus umfaßt weiterhin vorzugsweise einen Sensor für eine berührungsfreie Erfassung der Drehgeschwindigkeit. Dies verbessert die Präzision der Drehgeschwindigkeitserfassung und bietet eine überragende Haltbarkeit.
Die die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt vorzugsweise weiterhin einen Drehrichtungs-Detektormechanismus zur Feststellung der Richtung der durch die menschliche Muskelkraft hervorgerufenen Drehung. Der Betrieb oder Nicht-Betrieb der Hilfskraft des Elektromotors kann auf der Grundlage der Drehrichtung der durch die menschliche Muskelkraft hervorgerufenen Drehung gesteuert werden, die von dem Drehrichtungs-Detektormechanismus erfaßt wird. Wenn die Drehrichtung der durch die menschliche Muskelkraft hervorgerufenen Drehung der Rückwärtsdrehung der Pedale an dem mit dem Elektromotor ausgerüsteten Fahrrad entspricht, so wird der Elektromotor so gesteuert, daß er, unabhängig von der Geschwindigkeit der durch die menschliche Muskelkraft hervorgerufenen Drehung, nicht arbeitet. Dies verhindert eine unbeabsichtigte Beschleunigung und ermöglicht einen sicheren Betrieb.
Es ist weiterhin vorzuziehen, daß der Drehrichtungs-Detektormechanismus zumindest einen Teil seiner Bauteile, wie zum Beispiel den Sensor, gemeinsam mit dem Drehgeschwindigkeits-Detektormechanismus verwendet. Dies verringert die Anzahl der Teile und trägt dazu bei, die Konstruktion der Vorrichtung zu vereinfachen.
Weiterhin hat der Differentialgetriebemechanismus der die menschliche Muskelkraft unterstützenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise keine Welle, weder mit der primären Eingangswelle für die menschliche Muskelkraft, die der Pedalwelle entspricht, noch mit der abschließenden Ausgangswelle, die dem Hinterrad eines mit einem Elektromotor ausgerüsteten Fahrrads entspricht, gemeinsam. Dadurch, daß auf diese Weise die Weile für den wesentlichen Bestandteil (Differentialgetriebemechanismus) der die menschliche Muskelkraft unterstützenden Kraftvorrichtung unabhängig vorgesehen wird, kann eine geringe Abmessungen aufweisende, die menschliche Muskelkraft unterstützende Kraft- oder Leistungsvorrichtung für ein mit einem Elektromotor ausgerüstetes Fahrrad geschaffen werden, das keine Behinderung des Körpers des Fahrers ergibt.
Eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend lediglich in Form eines Beispiels auf der Grundlage der bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten schematischen Zeichnungen gezeigt sind, in denen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung ist, die die bevorzugte Ausführungsform einer die menschliche Muskelkraft unterstützenden Kraft- oder Leistungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 2 ein Steuerungs-Blockschaltbild der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist,
Fig. 3 ein Schaltbild ist, das die Konfiguration der Drehrichtungs-Detektorschaltung zeigt,
Fig. 4 ein Zeitdiagramm ist, das die Betriebsweise der Drehrichtungs- Detektorschaltung zeigt,
Fig. 5 eine schematische Darstellung ist, die eine alternative Ausführungsform einer die menschliche Muskelkraft unterstützenden Kraft- oder Leistungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 6 ein Steuerungs-Blockschaltbild der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform ist,
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer üblichen, die menschliche Muskelkraft unterstützenden Kraft- oder Leistungsvorrichtung ist.

Ausführungsbeispiel 1

Die Fig. 1 und 2 sind Konfigurations- bzw. Steuerungs-Blockschaltbilder einer ersten Ausführungsform einer die menschliche Muskelkraft unterstützenden Kraft- oder Leistungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in Anwendung auf ein mit einem Elektromotor ausgerüstetes Fahrrad.
Gemäß Fig. 1 drehen sich die Pedale 11, die Pedalkurbeln 12, die Pedalwelle 13 und das Pedalwellen-Kettenrad 14 auf einer gegenseitig festgelegten Pedalachse in identischer Weise wie bei einem üblichen Fahrrad. Die Drehung des Pedalwellen- Kettenrads 14 wird auf ein Pedalantriebskettenrad 27 über eine erste Kette 25 übertragen.
Der Elektromotor 20 ist beispielsweise ein Gleichstrommotor. Es sei bemerkt, daß, wie dies in einer weiteren Ausführungsform nachfolgend beschrieben wird, der Elektromotor 20 auch bei dieser Ausführungsform ein bürstenloser Motor sein kann.
Ein Motorwellenzahnrad 21 ist an einem Ende (dem linken Ende in Fig. 1) der Ausgangswelle befestigt, die an beiden Seiten des Elektromotors 20 vorspringt, und kämmt mit einem Motorantriebs-Stirnzahnrad 22. Das andere Ende (das rechte Ende in Fig. 1) der Ausgangswelle des Elektromotors 20 steht mit einem eine Rückwärtsdrehung verhindernden Sperrmechanismus in Eingriff, das heißt einer Einweg-Motorwellenkupplung 23, die an einem Rahmen 10 befestigt ist und eine Drehung der Ausgangswelle des Elektromotors 20 lediglich in einer Richtung ermöglicht.
Eine Zwischenwelle 30 ist durch ein Lager an dem Rahmen 10 gelagert, und eine Drehwelle 32 für kleine Kegelzahnräder ist senkrecht zur Zwischenwelle 30 befestigt. Ein Ausgangskettenrad 35 ist koaxial an der Zwischenwelle 30 auf dem Ende der Drehwelle 32 für das kleine Kegelzahnrad befestigt.
Das Pedalantriebskettenrad 27 und das Pedalantriebs-Kegelzahnrad 34 sind aneinander befestigt und koaxial auf der Zwischenwelle 30 über ein Lager gelagert, das eine freie Drehung des Pedalantriebskettenrads 27 und des Pedalantriebs- Kegelzahnrads 34 ermöglicht. Das Motorantriebs-Kegelzahnrad 31 und das Motorantriebs-Stirnzahnrad 22 sind in gleicher Weise miteinander verbunden und frei drehbar auf der Zwischenwelle 30 gelagert.
Das Pedalantriebs-Kegelzahnrad 34 und das Motorantriebs-Kegelzahnrad 31 kämmen mit zwei kleinen Kegelzahnrädern 33, wodurch ein Differentialgetriebemechanismus gebildet wird, der so arbeitet, daß sowohl die durch die menschliche Muskelkraft erzeugte Drehung als auch die durch den Elektromotor hervorgerufene Drehung als Eingang verwendet werden.
Die beiden kleinen Kegelzahnräder 33 können sich sowohl drehen als auch umlaufen. Der Umlauf der kleinen Kegelzahnräder 33 wird in eine Drehung des Ausgangskettenrads 35 über die Drehwelle 32 der kleinen Kegelzahnräder umgewandelt. Es sei bemerkt, daß die Anzahl der Zähne und die Zahnteilung des Pedalantriebs-Kegelzahnrads 34 und des Motorantriebs-Kegelzahnrads 31 gleich sind.
Die Drehung des Ausgangs-Kettenrads 35 wird über eine zweite Kette 26 auf das Hinterrad-Kettenzahnrad 16 übertragen, um die Hinterrad-Welle 15 mit Hilfe einer Freilaufkupplung 17 in Drehung anzutreiben, die ein Drehmoment lediglich in Vorwärtsrichtung überträgt, ähnlich wie bei einem üblichen Fahrrad.
Weiterhin ist ein Drehgeschwindigkeits-Detektormechanismus zur direkten oder indirekten Erfassung der Drehgeschwindigkeit der durch menschliche Muskelkraft hervorgerufenen Drehung und der von dem Elektromotor hervorgerufenen Drehung vorgesehen. Dieser Drehgeschwindigkeits-Detektormechanismus umfaßt Pedal- Drehgeschwindigkeits-Impulsgeneratoren 51a und 51b und einen Motordrehzahl- Impulsgenerator 50, die jeweils einen Sensor aufweisen, der in der Lage ist, berührungsfrei die Drehgeschwindigkeit zu erfassen.
Ein magnetischer Sensor oder ein optischer Sensor vom Transmittanz- (Lichtunterbrechungs-) oder Reflexions-Typ (Lichtreflektor) kann beispielsweise für diese Sensoren verwendet werden. Die Sensorteile der Pedal-Drehgeschwindigkeits- Impulsgeneratoren 51a und 51b und des Motordrehzahl-Impulsgenerators 50 sind an dem Rahmen 10 an Positionen gegenüberliegend zur Seite des Pedalantriebs- Kettenrads 27 bzw. des Motorantriebs-Stirnzahnrads 22 befestigt.
Durchgehende Bohrungen oder Ausnehmungen sind mit gleicher Teilung in Umfangsrichtung und vorzugsweise konzentrisch zum Pedalantriebs-Kettenzahnrad 27 und Motorantriebs-Stirnzahnrad 22 auf deren Seiten in einer den Sensoren gegenüberliegenden Position vorgesehen; die Impulsgeneratoren 51a, 51b und 50 erzeugen Impulse auf der Grundlage des Durchganges durch diese durchgehenden Bohrungen oder Ausnehmungen.
Es sei bemerkt, daß bei dieser Ausführungsform zwei Pedal-Drehgeschwindigkeits- Impulsgeneratoren 51a und 51b (oder zwei Sensoren) vorgesehen sind, die jeweils zwei Impulsfolgen mit einer Phasendifferenz von 90º erzeugen, während sich das Pedalantriebs-Kettenzahnrad 27 dreht.
Die Betriebsweise der die menschliche Muskelkraft unterstützenden Kraftvorrichtung der vorliegenden Erfindung wird als nächstes beschrieben.
Wenn der Fahrer die Pedale 11 tritt und die Pedalwelle 13 in Drehung versetzt, drehen sich das Pedalantriebs-Kettenrad 27 und das Pedalantriebs-Kegelzahnrad 34. Als Ergebnis erzeugen die Pedal-Drehgeschwindigkeits-Impulsgeneratoren 51a und 51b zwei Impulsfolgen mit einer Phasendifferenz von 90º. Von diesen zwei Impulsfolgen wird eine dem Pedal-Drehgeschwindigkeits-Signalgenerator 52 zugeführt und in ein Pedal-Drehgeschwindigkeitssignal umgewandelt, das ein Analogspannungs- Ausgangssignal ist, und zwar über einen frequenzproportionalen Spannungsgenerator, der innerhalb des Pedal-Drehgeschwindigkeits-Signalgenerators 52 angeordnet ist.
Die Drehung des Elektromotors 20, der die Hilfskraft erzeugt, wird durch den Motordrehzahl-Impulsgenerator 50 erfaßt; die von dem Impulsgenerator 50 erzeugte Impulsfolge wird als Eingangssignal dem Motordrehgeschwindigkeits-Signalgenerator 54 zugeführt, der eine Spannungsumwandlung der Impulsfolge auf das Motor- Drehgeschwindigkeitssignal durchführt, ähnlich wie bei der vorstehenden durch Muskelkraft hervorgerufenen Drehung.
Das Pedal-Drehgeschwindigkeitssignal und das Motor-Drehgeschwindigkeitssignal werden als Eingangssignal einem Signalvergleicher 55 zugeführt, der die Signalvergleichereinrichtung ist; der Signalvergleicher 55 vergleicht die Drehgeschwindigkeiten der Pedale und des Elektromotors und gibt als Ausgangssignal ein Befehlssignal entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs an ein Motordrehzahl- Steuergerät (Steuereinrichtung) 56 ab. Das Motordrehzahl-Steuergerät 56 steuert die Drehzahl des Elektromotors 20 in Abhängigkeit von diesem Befehlssignal, um ein konstantes Drehzahlverhältnis (beispielsweise 1 : 1) zwischen der durch Muskelkraft hervorgerufenen Drehung und der Elektromotor-Drehung aufrechtzuerhalten.
Es sei bemerkt, daß weil das Motorantriebs-Kegelzahnrad 31 und das Pedalantriebs- Kegelzahnrad 34 bei der Konstruktion nach der vorliegenden Erfindung die gleiche Anzahl von Zähnen haben, sich die Beziehung X + Y = 22 ergibt, worin X die Drehgeschwindigkeit des Pedalantriebs-Kegelzahnrads 34 und des Pedalantriebs- Kettenrads 27 ist, die den Differentialgetriebemechanismus bilden, Y die Drehgeschwindigkeit des Motorantriebs-Kegelzahnrads 31 und des Motorantriebs- Stirnzahnrads 22 ist, und Z die Umlaufgeschwindigkeit der kleinen Kegelzahnräder 33 und die Drehgeschwindigkeit des Ausgangs-Kettenzahnrads 35 ist.
Hinsichtlich des Drehmoments wird ein Drehmoment, das äquivalent zu dem des Pedalantriebs-Kegelzahnrads 34 ist, ebenfalls kontinuierlich an dem Motorantriebs- Kegelzahnrad 31 erzeugt, weil die kleinen Kegelzahnräder 33 über ein Lager auf der Drehwelle 32 für die kleinen Kegelzahnräder in einer Weise gelagert sind, die eine freie Drehung ermöglicht.
Eine Hilfskraft proportional zur menschlichen Muskelkraft kann daher dadurch erzielt werden, daß eine Steuerung ausgeübt wird, um ein konstantes Verhältnis zwischen X, das die Drehgeschwindigkeit des Pedalantriebs-Kettenrads 27 ist, und Y aufrechterhalten wird, das die Drehgeschwindigkeit des Motorantriebs-Stirnzahnrads 22 ist. Es sei bemerkt, daß dieses Verhältnis zwischen X und Y eingestellt oder nach Wunsch geändert werden kann, beispielsweise durch Einstellen der Verstärkung des Signalvergleichers 55 oder durch Ändern des Steuerprogramms des Motordrehzahl- Steuergeräts 56, und daß das Verhältnis der Hilfskraft zur menschlichen Muskelkraft frei in Abhängigkeit von dem Zweck der die menschliche Muskelkraft unterstützenden Kraftvorrichtung eingestellt werden kann.
Die Kraftunterstützung proportional zur Muskelkraft ist unter Verwendung lediglich eines Drehgeschwindigkeitssignals möglich, das einfacher und mit besserer Präzision als ein Drehmoment bei dieser Art von die menschliche Muskelkraft unterstützenden Kraftvorrichtung erfaßt werden kann, und es ergibt sich nur eine geringe Änderung des Verhältnisses der Hilfskraft zur Muskelkraft.
Weiterhin verschwindet, wenn das Motordrehzahl-Steuergerät 56, das die Steuereinrichtung ist, eine Steuerung zur Aufrechterhaltung eines Verhältnisses von X : Y von 1 : 1 anwendet, das heißt, daß die Drehung der kleinen Kegelzahnräder 33 um die Drehwelle 32 der kleinen Kegelzahnräder soweit wie möglich unterdrückt wird (sich Null nähert), der Verlust aufgrund des Kämmens der kleinen Kegelzahnräder 33 verschwindet, und die Muskelkraft und die Kraft des Elektromotors werden ohne mechanische Verluste miteinander kombiniert. Dies ist ein wesentlicher Vorteil für eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Kraftvorrichtung, die einen hohen Wirkungsgrad aufgrund des niedrigen aufgebrachten Leistungspegels erfordert. Die durch menschliche Muskelkraft erzeugte Kraft und die von dem Elektromotor erzeugte Kraft sind zu dieser Zeit kontinuierlich gleich, und zwar aufgrund der Anpassung von sowohl der Drehgeschwindigkeit als auch des Drehmoments in dem Differentialgetriebemechanismus, und es ist eine 1 : 1-Kraftunterstützung lediglich mit einer Drehgeschwindigkeits-Detektion möglich.
Es sei bemerkt, daß das Pedalantriebs-Kegelzahnrad 34 und das Motorantriebs- Kegelzahnrad 31 unterschiedliche Zähnezahlen haben können. Dies ermöglicht es, das Drehmomentverhältnis bei der Kraftkombination zu ändern, wobei die Drehung der kleinen Kegelzahnräder 33 so weit wie möglich unterdrückt wird, selbst bei Kraftunterstützungsverhältnissen, die von 1 l abweichen, wodurch Verluste verringert werden.
Ein übliches Fahrrad, das nicht mit einer die menschliche Muskelkraft unterstützenden Kraftvorrichtung ausgerüstet ist, und ein mit einem Elektromotor ausgerüstetes Fahrrad gemäß der vorliegenden Erfindung, werden verglichen und nachfolgend beschrieben. Die Anzahl der Zähne auf den Kettenrädern usw. ist so eingestellt, daß das Verhältnis zwischen der Pedaldrehzahl und der Fahrradgeschwindigkeit bei beiden Fahrrädern gleich ist. Als Ergebnis fahren, wenn die Fahrradpedale mit der gleichen Drehzahl gedreht werden, beide Fahrräder mit der gleichen Geschwindigkeit. Bei dem mit einem Elektromotor ausgerüsteten Fahrrad gemäß der vorliegenden Erfindung werden jedoch die Drehwelle 32 der kleinen Kegelzahnräder und das Ausgangskettenrad 35 durch das Drehmoment sowohl von dem durch menschliche Muskelkraft angetriebenen Pedalantriebs-Kegelzahnrad 34 und dem Motorantriebs- Kegelzahnrad 31 angetrieben; die Beinkraft, die die Pedale 11 antreibt, ist daher kleiner als bei einem üblichen Fahrrad (ungefähr halb so groß), was zu einem Fahrrad führt, das leicht fährt, insbesondere hangaufwärts, und das keine Belastung, beispielsweise für ältere Radfahrer, darstellt.
Als nächstes wird die Konfiguration der Drehrichtungs-Detektoreinrichtung beschrieben. Die Drehrichtungs-Detektoreinrichtung umfaßt die Pedal- Drehgeschwindigkeits-Impulsgeneratoren 51a und 51b und einen Drehrichtungs- Diskriminator 53; die Pedal-Drehgeschwindigkeits-Impulsgeneratoren 51a und 51b werden außerdem von dem vorstehend beschriebenen Drehgeschwindigkeits- Detektormechanismus verwendet. Der Drehrichtungs-Diskriminator 53 umfaßt eine interne Drehrichtungs-Detektorschaltung 60.
Fig. 3 ist ein Schaltbild, das ein Beispiel der Konfiguration der Drehrichtungs- Detektorschaltung 60 zeigt, und Fig. 4 ist ein Zeitdiagramm, das die Betriebsweise der Drehrichtungs-Detektorschaltung 60 erläutert. Die Drehrichtungs-Detektorschaltung 60 wird nachfolgend auf der Grundlage dieser Figuren beschrieben.
Impulssignale A und B mit einer 90º-Phasendifferenz werden von den Pedal- Drehgeschwindigkeits-Impulsgeneraturen 51a bzw. 51b als Ausgangssignale entsprechend der Drehung des durch menschliche Muskelkraft angetriebenen Pedalantriebs-Kettenrads 27 abgegeben. Die Signale A und B werden als Eingangssignale einem EXKLUSIV-ODER-Verknüpfungsglied 61 zugeführt, wodurch ein Signal Q&sub0; gewonnen wird; dieses Signal Q&sub0; wird als Eingangssignal einem der Eingangsanschlüsse eines EXKLUSIV-ODER-Verknüpfungsglieds 64 zugeführt. Das Signal Q&sub0; wird weiterhin über einen Inverter 62 und einer Verzögerungsschaltung 63 dem anderen Eingangsanschluß des EXKLUSIV-ODER-Verknüpfungsglieds 64 zugeführt, und ein Zeitsteuerimpuls Q&sub1; wird von dem EXKLUSIV-ODER- Verknüpfungsglied 64 abgegeben. Der Zeitsteuerimpuls Q&sub1; durchläuft weiterhin Inverter 66, wodurch ein Zeitsteuerimpuls Q&sub1;' erzeugt wird, der gegenüber dem Zeitsteuerimpuls Q&sub1; verzögert ist.
Das Signal A wird weiterhin als ein Eingangssignal einer D-Flip-Flop-Schaltung 65 zugeführt, und der Zeitsteuerimpuls Q&sub1; wird als Taktimpuls der D-Flip-Flop-Schaltung 65 zugeführt.
Das Signal B wird weiterhin als ein Eingangssignal einer D-Flip-Flop-Schaltung 67 zugeführt, und der Zeitsteuerimpuls Q&sub1;' wird als Taktimpuls der D-Flip-Flop-Schaltung 67 zugeführt.
Ein Signal Q&sub2; wird als Ausgangssignal von der D-Flip-Flop-Schaltung 65 geliefert und dieses Signal Q&sub2; wird als Eingangssignal einem der Eingangsanschlüsse eines EXKLUSIV-ODER-Verknüpfungsglieds 69 zugeführt.
Ein Signal Q&sub3; wird als Ausgangssignal von der D-Flip-Flop-Schaltung 67 abgegeben und dieses Signal Q&sub3; wird als Eingangssignal einer D-Flip-Flop-Schaltung 68 zugeführt. Der Zeitsteuerimpuls Q&sub1; wird ebenfalls der D-Flip-Flop-Schaltung 68 als Taktimpuls zuführt.
Ein Signal Q&sub3;', das als Ausgangssignal von der D-Flip-Flop-Schaltung 68 abgegeben wird, wird dem anderen Eingangsanschluß des EXKLUSIV-ODER-Verknüpfungsglieds 69 als Eingangssignal zugeführt. Ein Drehrichtungs-Detektionssignal Q&sub4; wird von dem EXKLUSIV-ODER-Verknüpfungsglied 69 abgegeben.
Wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, ist, wenn die durch die menschliche Muskelkraft hervorgerufene Drehung eine Vorwärtsdrehung ist, das heißt, wenn die Drehung der Pedalwelle 13 eine Drehung in der Richtung ist, die eine Vorwärtsbewegung des mit dem Elektromotor ausgerüsteten Fahrrads hervorruft, das Drehrichtungs-Detektionssignal Q&sub4; ein einen hohen Pegel aufweisendes (EIN-) Signal; wenn die durch Muskelkraft hervorgerufene Drehung eine Rückwärtsdrehung ist, so ist das Drehrichtungs-Detektionssignal Q&sub4; ein einen niedrigen Pegel aufweisendes (AUS-) Signal. Wenn sich die durch die menschliche Muskelkraft hervorgerufene Drehung von einer Vorwärtsdrehung zu einer Rückwärtsdrehung oder von einer Rückwärtsdrehung zu einer Vorwärtsdrehung ändert, so wird auch das Drehrichtungs-Detektionssignal Q&sub4; entsprechend invertiert.
Das Drehrichtungs-Detektionssignal Q&sub4; von dem Drehrichtungs-Diskriminator 53 wird als Eingangssignal dem Pedal-Drehgeschwindigkeits-Signalgenerator 52 zugeführt.
Wenn das Drehrichtungs-Detektionssignal Q&sub4; ein einen hohen Pegel aufweisendes Signal ist, das heißt nur dann, wenn die durch die menschliche Muskelkraft hervorgerufene Drehung eine Vorwärtsdrehung ist, so wandelt der Pedal- Drehgeschwindigkeits-Signalgenerator 52 das Impulssignal von dem Pedal- Drehgeschwindigkeits-Impuslgenerator 51a in ein Pedal-Drehgeschwindigkeitssignal um. Andererseits wird, wenn die durch die menschliche Muskelkraft hervorgerufene Drehung eine Rückwärtsdrehung ist, das Pedal-Drehgeschwindigkeitssignal nicht als Ausgangssignal abgegeben, und entsprechend wird der Elektromotor 20 nicht angetrieben. Als Ergebnis kann eine sichere, die menschliche Muskelkraft unterstützende Kraftvorrichtung ohne Energieverlust aufgebaut werden.
Es sei bemerkt, daß die Drehrichtungs-Detektoreinrichtung für die durch die menschliche Muskelkraft hervorgerufene Drehung bei der vorliegenden Erfindung nicht auf Einrichtungen beschränkt sein soll, die in der vorstehend beschriebenen Weise konfiguriert sind, und daß irgendwelche Einrichtungen, die die Drehrichtung der durch die Muskelkraft hervorgerufenen Drehung feststellen können, verwendet werden können.
Die die menschliche Muskelkraft unterstützende Kraftvorrichtung der beschriebenen Ausführungsform umfaßt eine Einweg- oder Freilauf-Motorwellenkupplung 23, die äquivalent zu einem Rückwärtsdrehungs-Sperrmechanismus für den Elektromotor 20 ist. Als Ergebnis wird eine Rückwärtsdrehung des Elektromotors 20 selbst dann verhindert, wenn die auf den Elektromotor 20 aufgrund des starken Drucks auf die Pedale 11 wirkende Reaktionskraft den Ausgangsdrehmoment-Grenzwert des Elektromotors 20 übersteigt, und die gesamte ausgeübte Muskelkraft kann in effektiver Weise zum Vortrieb des mit dem Elektromotor ausgerüsteten Fahrrads verwendet werden. Selbst wenn das Motordrehzahl-Steuergerät 56 versucht, den Elektromotor 20 in diesem Fall anzutreiben, wird kein Motordrehzahlsignal erzeugt und es ist eine Steuerung, die keine elektrische Energie vergeudet, möglich, indem die Ansteuerung des Elektromotors 20 gestoppt wird.
Die folgenden Effekte können ebenfalls durch die Kombination des Rückwärtsdrehungs-Sperrmechanismus des Elektromotors 20 und des Differentialgetriebemechanismus erzielt werden.
Weil die Kapazität der Batterie, die die Energiequelle ist, beschränkt ist, liefert die die menschliche Muskelkraft unterstützende Kraftvorrichtung eines mit einem Elektromotor ausgerüsteten Fahrrads keine Kraftunterstützung mehr, wenn gefahren wird, während die Batterie vollständig entladen (leer) ist. Wenn die Hilfskraft in einem mit einem Elektromotor ausgerüsteten Fahrrad gemäß dem japanischen Patent tokkai S56-76590 (1981-76590) nicht gewonnen werden kann, die als Beispiel des Standes der Technik beschrieben wurde, so wird die Beinkraft, die zum Drücken der Pedale eines schweren mit einem Elektromotor ausgerüsteten Fahrrads erforderlich ist, umgekehrt größer als die bei einem üblichen Fahrrad, und es wird beispielsweise das Bergauffahren schwierig.
Im Gegensatz hierzu wird, wenn der Elektromotor 20 bei einem mit einem Elektromotor ausgerüsteten Fahrrad gemäß der vorliegenden Erfindung nicht arbeitet, das Motorantriebs-Kegelzahnrad 31 durch die Einweg-Motorwellen-Kupplung 23 und die Reaktionskraft des Pedalantriebs stationär gehalten, und die Drehung des Pedalantrieb-Kegelzahnrads 34 wird auf das Ausgangskettenrad 35 mit dem doppelten Drehmoment und der halben Drehzahl durch die Drehung und den Umlauf der kleinen Kegelzahnräder 33 übertragen. Daher wird, obwohl die Geschwindigkeit des mit einem Elektromotor ausgerüsteten Fahrrads bezogen auf die Drehgeschwindigkeit der Pedalwelle verlangsamt wird, die erforderliche Beinkraft niedrig gehalten, und zwar unabhängig von dem Vorhandensein der Hilfskraft, verglichen mit einem üblichen Fahrrad, das nicht mit einer die Muskelkraft unterstützenden Kraftvorrichtung ausgerüstet ist, und selbst das Bergauffahren ist einfach.
Zusätzlich kann, weil der Differentialgetriebemechanismus eine unabhängige Welle aufweist und weder mit der Pedalwelle 13 noch der Hinterrad-Welle 15 eine gemeinsame Welle hat, die Dicke (die horizontale Länge in Fig. 1) der mechanischen Baugruppe klein gemacht werden, und weil sich eine hohe Freiheit hinsichtlich der Anbringung der mechanischen Baugruppe ergibt, kann ein geringe Abmessungen aufweisendes, mit einem Elektromotor ausgerüstetes Fahrzeug erzielt werden, das den Körper des Fahrers nicht stört.

Ausführungsbeispiel 2

Die Fig. 5 und 6 sind Konfigurations- bzw. Steuerungs-Blockschaltbild- Darstellungen einer zweiten Ausführungsform einer die menschliche Muskelkraft unterstützenden Kraftvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung bei Anwendung auf ein mit einem Elektromotor ausgerüstetes Fahrrad. Die die menschliche Muskelkraft unterstützende Kraftvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform wird nachfolgend anhand dieser Figuren beschrieben, wobei eine unnötige weitere Beschreibung von Bestandteilen fortgelassen wird, die gleich denen in der vorstehenden ersten Ausführungsform sind.
Gemäß Fig. 5 wird die Drehung der Pedalwelle 13 aufgrund des Tretens der Pedale 11 über ein Pedalwellen-Kettenrad 14, eine erste Kette 25 und ein Pedalantriebs- Kettenrad 27 auf ein innenverzahntes Zahnrad 45 übertragen, das an dem Pedalantriebs-Kettenrad 27 befestigt und in Axialrichtung auf dem Rahmen 10 gelagert ist. Die Pedal-Drehgeschwindigkeits-Impulsgeneratoren 51a und 51b, die die Drehzahl und Richtung der durch Muskelkraft hervorgerufenen Drehung feststellen, sind auf dem Rahmen 10 gegenüberliegend zur Seite des Pedalwellen-Kettenrads 14 angeordnet.
Die Drehung des Elektromotors 20 wird über ein Motorwellen-Zahnrad 21 und ein Motor-Antriebs-Stirnzahnrad 22 auf ein Sonnenzahnrad 41 übertragen, das an dem Motorantriebs-Stirnzahnrad 22 befestigt und in Axialrichtung auf dem Rahmen 10 gelagert ist. Ein Ende eines Trägers 42 ist beispielsweise mit zwei Planetenraddrehwellen 44 versehen, und ein Planetenrad 43 ist frei drehbar auf jeder Planetenzahnrad-Drehwelle 44 gelagert. Jedes Planetenzahnrad 43 kämmt mit dem mit Innenverzahnung versehenen Zahnrad 45 und dem Sonnenzahnrad 41.
Ein Ausgangskettenzahnrad 35 ist an dem Träger 42 befestigt und diese Teile sind frei drehbar auf dem Rahmen 10 über ein Lager gelagert. Auf diese Weise wird bei dieser Konfiguration ein Differentialgetriebemechanismus geschaffen, bei dem die durch Muskelkraft erzeugte Drehung auf das mit Innenverzahnung versehene Zahnrad 45 übertragen wird, während die Drehung des Elektromotors auf das Sonnenzahnrad 41 übertragen wird, und die Ausgangsdrehung wird von dem Träger 42 abgeleitet.
Der Elektromotor 20 ist bei dieser Ausführungsform ein bürstenloser Motor und umfaßt einen internen Motordrehzahl-Signalgenerator 57, der ein Hall-Element-Signal zur Erzeugung des Kommutationssignals verwendet.
Die Betriebsweise der die menschliche Muskelkraft unterstützenden Kraftvorrichtung gemäß der hier beschriebenen Ausführungsform wird als nächstes beschrieben.
Die zwei Impulsfolgen mit einer 90º-Phasendifferenz, die von den Pedal-Drehgeschwindigkeits-Impulsgeneratoren 51a und 51b in der gleichen Weise wie bei der ersten Ausführungsform abgegeben werden, werden im Inneren des Pedal- Drehgeschwindigkeits-Signalgenerators 52 aufeinanderfolgend multipliziert, durch ein (in der Figur nicht gezeigtes) UND-Verknüpfungsglied mit dem Drehrichtungsdetektionssignal Q&sub4; hindurchgeleitet, das von dem Drehrichtungsdiskriminator 53 abgegeben wird, dessen Eingangssignal die beiden Impulsfolgen von den Pedal- Drehgeschwindigkeits-Impulsgeneratoren 51a und 51b sind, und in ein Pedal- Drehgeschwindigkeits-Signal, das ein Analog-Spannungsausgang ist, durch einen frequenzproportionalen Spannungsgenerator umgewandelt. Der Pedal-Drehgeschwindigkeits-Signalgenerator 52 gibt daher eine Spannung proportional zur Drehgeschwindigkeit ab, wenn sich die Pedalwelle 13 vorwärts dreht, und ergibt eine Spannung von Null ab, wenn sich die Pedalwelle 13 in Rückwärtsrichtung dreht.
Die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors 20 wird durch den internen Motordrehzahl- Signalgenerator 57 in eine Spannung umgewandelt, als Eingangssignal einem Signalvergleicher 55 zugeführt und mit dem Pedal-Drehgeschwindigkeitssignal verglichen; in Abhängigkeit von dem Befehlsignal, das von dem Signalvergleicher 55 als Ausgangssignal abgegeben wird, steuert das Motordrehzahl-Steuergerät 56 die Ansteuerung des Elektromotors 20, um ein niedriges Verhältnis zwischen den Drehgeschwindigkeiten der durch die menschliche Muskelkraft hervorgerufenen Drehung und der durch den Elektromotor hervorgerufenen Drehung aufrechtzuerhalten.
Wie bei der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform wird, wenn das Motordrehzahl-Steuergerät 56 das Verhältnis der Drehgeschwindigkeit des die Innenverzahnung aufweisenden Zahnrads 45 zur Drehgeschwindigkeit des Sonnenzahnrads 41 auf einen Wert von 1 : 1 steuert, um die Drehung der Planetenzahnräder 43 um die Planetenrad-Drehwellen 44 soweit wie möglich zu unterdrücken (sie nähert sich Null), der Verlust aufgrund des Kämmens der Planetenzahnräder 43 zum Verschwinden gebracht und die menschliche Muskelkraft und die Kraft des Elektromotors werden ohne mechanische Verluste miteinander kombiniert.
Die Bedingung dafür, daß sich die Planetenzahnräder 43 nicht drehen, besteht darin, daß die Drehgeschwindigkeiten des mit Innenverzahnung versehenen Zahnrades 45 und des Sonnenzahnrads 41 gleich sind, und daß die tangentiale Kraft auf dem Teilungskreis jedes dieser Zahnräder gleich ist.
Als Ergebnis ist das Leistungsverhältnis zwischen der Hilfskraft und der Muskelkraft gleich dem Zahnverhältnis des innenverzahnten Zahnrads 45 und des Sonnenzahnrads 41. Daher kann, verglichen mit der ersten Ausführungsform unter Verwendung von Kegelzahnrädern eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Kraftvorrichtung mit einfachster Konstruktion und geringstem Verlust mit der Konstruktion der ersten Ausführungsform erzielt werden, wenn das gewünschte Kombinationsverhältnis der Hilfskraft und der Muskelkraft 1 : 1 ist. Speziell kann die Drehung der kleinen Kegelzahnräder 33 unterdrückt werden, wenn das Pedalantriebs- Kegelzahnrad 34 und das Motorantriebs-Kegelrad 31 die gleiche Zähnezahl aufweisen und eine Drehwelle 32 für die kleinen Kegelzahnräder erstreckt sich senkrecht zur Zwischenwelle 30. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform wird jedoch, wenn das gewünschte Kraft- oder Leistungsverhältnis zwischen der Hilfsleistung und der durch Muskelkraft erzeugten Leistung ein Verhältnis ist, das es ermöglicht, daß ein Planetengetriebemechanismus mit Hilfe des Zahnrad-Zahnverhältnisses des innen verzahnten Zahnrads 45 und des Sonnenzahnrads 41 gebildet wird, das heißt wenn das Verhältnis der Hilfskraft zur Muskelkraft ausreichend klein oder ausreichend groß ist, die Drehung der Planetenzahnräder 43 unterdrückt, und es kann eine die Muskelkraft unterstützende Kraftvorrichtung mit geringsten Verlusten erzielt werden.
Eine getrennte Einrichtung zur Feststellung der Drehgeschwindigkeit des Elektromotors 20 ist nicht erforderlich und eine Kraftunterstützung proportional zur Muskelkraft kann dadurch erhalten werden, daß das Hall-Element-Signal des bürstenlosen Motors als Drehgeschwindigkeits-Detektormechanismus des Elektromotors 20 bei dieser Ausführungsform verwendet wird.
Wenn beispielsweise die Batterie vollständig entladen (leer) ist und die Kraftunterstützung nicht möglich ist, so ist die Eingangskraft des Differentialgetriebemechanismus lediglich das Drehmoment des innenverzahnten Zahnrads 45 in Abhängigkeit von der aufgewandten Muskelkraft, und das Drehmoment wird auf den Träger 42 und das Sonnenzahnrad 41 entsprechend der Last verteilt. Das auf den Träger 42 verteilte Drehmoment wird durch die Drehung der Hinterradwelle 15 verbraucht und das auf das Sonnenrad 41 verteilte Drehmoment versucht, den Elektromotor 20 zu drehen. Das auf das Sonnenrad 41 verteilte Drehmoment, das für den Antrieb des Elektromotors 20 verbraucht wird, ist eine Vergeudung von Muskelkraft.
Der bei dieser Ausführungsform verwendete bürstenlose Motor weist einen Rotor mit einem Permanentmagneten auf, und er hält ein Rast-Drehmoment gegen eine externe Drehung der Motorwelle selbst dann aufrecht, wenn der Motor nicht angetrieben wird. Wenn dieses Rastdrehmoment größer als die durch Muskelkraft hervorgerufene Reaktionskraft ist (das auf das Sonnenrad 41 verteilte Drehmoment), was eintritt, wenn die die Muskelkraft unterstützende Kraftvorrichtung der beschriebenen Ausführungsform normal verwendet wird, dreht sich der Elektromotor 20 nicht; die gesamte Muskelkraft wird daher auf den Träger 42 übertragen und effektiv zum Antrieb des Hinterrads verwendet.
Weiterhin steigt, obwohl die Geschwindigkeit des mit dem Elektromotor ausgerüsteten Fahrrades gemäß der hier beschriebenen Ausführungsform verglichen mit der gleichen Pedal-Drehgeschwindigkeit um einen Betrag entsprechend dem Verlust der Hilfskraft absinkt, die Pedallast nicht an. Ein Bergauffahren wird daher nicht schwierig und Fahrer ohne Kraft, unter Einschluß älterer Personen, können einfach fahren.
Zusätzlich kann, weil der Differentialgetriebemechanismus dieser Ausführungsform ebenfalls eine unabhängige Welle aufweist und keine Welle weder mit der Pedalwelle 13 noch der Hinterradwelle 15 gemeinsam hat, die Dicke der mechanischen Baugruppe sehr klein gemacht werden, und weil sich ein großes Ausmaß an Freiheit hinsichtlich der Anbringung der mechanischen Baugruppe ergibt, kann ein geringe Abmessungen aufweisendes, mit einem Elektromotor ausgerüstetes Fahrrad geschaffen werden, das den Körper des Fahrers nicht stört.
Die Drehgeschwindigkeits-Detektormechanismen der vorstehenden ersten und zweiten Ausführungsformen sind so konfiguriert, daß sie direkt die Drehgeschwindigkeit der durch die menschliche Muskelkraft hervorgerufenen Drehung und der Elektromotor- Drehung feststellen, sie können jedoch auch alternativ so konfiguriert werden, daß sie zumindest eine dieser Drehgeschwindigkeiten indirekt feststellen.
Beispielsweise kann der Drehgeschwindigkeitsdetektormechanismus so konfiguriert werden, daß er die Drehgeschwindigkeit X des Pedalantriebs-Kettenrads 27 und die Drehgeschwindigkeit Z des Ausgangskettenrads 35 feststellt und die Drehgeschwindigkeit Y des Motorantriebs-Stirnzahnrads 22 aus diesen X- und Z-Werten ableitet (indirekt feststellt), beispielsweise auf der Grundlage der weiter oben beschriebenen Beziehung X + Y = 2Z; oder er kann die Drehgeschwindigkeit Y des Motorantriebs- Stirnzahnrads 22 und die Drehgeschwindigkeit Z des Ausgangskettenrads 35 feststellen und in ähnlicher Weise die Drehgeschwindigkeit X des Pedalantriebs- Kettenrads 27 aus diesen Y- und Z-Werten ableiten (indirekt feststellen). Weiterhin ist auch eine Konfiguration möglich, die die Drehgeschwindigkeits-Differenz X - Y gewinnt. In diesen Fällen kann ein Drehgeschwindigkeits-Impulsgenerator mit einem Sensor in der vorstehend beschriebenen Art, beispielsweise gegenüberliegend zur Seite des Ausgangskettenrads 35 oder des Hinterrad-Kettenrads 16, angeordnet werden, um die Drehgeschwindigkeit Z festzustellen.
Es sei bemerkt, daß obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend unter Verwendung eines mit einem Elektromotor ausgerüsteten Fahrrads als Beispiel beschrieben wurde, Anwendungen der vorliegenden Erfindung nicht in dieser Weise beschränkt sein sollen, und daß die vorliegende Erfindung auch beispielsweise als ein die menschliche Muskelkraft unterstützende Kraftvorrichtung für mit Elektromotoren ausgerüstete Vierrad-Fahrzeuge, mit einem Elektromotor ausgerüstete Boote und Fracht- Höhenförderer für die Industrie verwendet werden kann. Zusätzlich kann eine andere Art von Kraftübertragungsvorrichtungen, wie zum Beispiel Reibübertragungsräder mit äquivalenter Funktion, ebenfalls anstelle der Zahnräder, verwendet werden.

Wirkung der Erfindung

Wie dies weiter oben beschrieben wurde, stellt die die menschliche Muskelkraft unterstützende Kraftvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Drehgeschwindigkeit der durch Muskelkraft hervorgerufenen Drehung und der Elektromotor-Drehung einfach und mit hoher Präzision fest, vergleicht diese, um eine Hilfskraft auf der Grundlage der Muskelkraft zu gewinnen, und sie kann eine Hilfskraft proportional zur Muskelkraft dadurch erzeugen, daß das Verhältnis zwischen den beiden Drehgeschwindigkeiten auf einen konstanten Wert mit Hilfe einer Steuereinrichtung gesteuert wird.
Weiterhin kann, wenn ein Rückwärtsdrehungs-Sperrmechanismus, der eine Rückwärtsdrehung des Elektromotors verhindert, vorgesehen ist, oder wenn die Rückhaltekraft des Elektromotors größer als die im Normalbetrieb auf den Elektromotor wirkende Reaktionskraft ist, die durch Muskelkraft angetriebene Betriebsweise selbst dann leicht fortgesetzt werden, wenn die Hilfskraft nicht mehr gewonnen wird.
Die Feststellung der Drehgeschwindigkeit des Motors kann außerdem sehr leicht durchgeführt werden, wenn der Elektromotor ein bürstenloser Motor ist.
Zusätzlich kann, wenn der Drehgeschwindigkeits-Detektormechanismus einen Sensor umfaßt, der eine berührungsfreie Feststellung der Drehgeschwindigkeit ermöglicht, die Drehgeschwindigkeit mit hoher Präzision festgestellt werden.
Wenn eine Drehrichtungs-Detektoreinrichtung zur Feststellung der Richtung der durch menschliche Muskelkraft erzeugten Drehung vorgesehen ist, und insbesondere dann, wenn der Betrieb oder Nichtbetrieb des Elektromotors auf der Grundlage der festgestellten Drehrichtung der durch Muskelkraft hervorgerufenen Drehung gesteuert wird, ist weiterhin eine Steuerung möglich, die die Hilfskraft nur dann einsetzt, wenn die durch Muskelkraft hervorgerufene Drehung eine Vorwärtsdrehung ist, und die Sicherheit ist hoch.
In diesem Fall kann die Konstruktion der Vorrichtung vereinfacht werden, wenn zumindest einige der Bauteile der Drehrichtungs-Detektoreinrichtung gemeinsam mit dem Drehgeschwindigkeits-Detektormechanismus verwendet werden.
Weiterhin kann der Differentialgetriebemechanismus schmaler gemacht werden, so daß der Freiheitsgrad für seine Anbringung vergrößert wird und somit konstruktive Vorteile erzielt werden, wenn der Differentialgetriebemechanismus weder die primäre Muskelkraft-Eingangswelle, die der Pedalwelle entspricht, noch die abschließende Ausgangswelle mit nutzt, die dem Hinterrad des mit dem Elektromotor ausgerüsteten Fahrrads entspricht.
Die vorstehende Beschreibung wurde lediglich als Beispiel gegeben und es ist für den Fachmann verständlich, daß Modifikationen durchgeführt werden können, ohne von dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung zur Unterstützung der menschlichen Kraft mit der Kraft eines Elektromotors (20), mit:

einem Drehgeschwindigkeits-Detektormechanismus (50, 51a, 51b) zur direkten oder indirekten Feststellung der Geschwindigkeiten einer durch menschliche Muskelkraft hervorgerufenen Drehung und einer Elektromotor-Drehung, gekennzeichnet durch:

einen Differentialgetriebemechanismus mit einem Eingang für die menschliche Muskelkraft, der mit einer Quelle der durch die menschliche Muskelkraft hervorgerufenen Drehung verbindbar ist, und mit einem Elektromotor-Eingang, der mit einer Quelle der Elektromotor-Drehung verbindbar ist,

Signalvergleichereinrichtungen (55) zum Vergleich der von dem Drehgeschwindigkeits-Detektormechanismus (50, 51a, 51b) erzeugten Signale, und

Steuereinrichtungen (56) zur Steuerung der Geschwindigkeit der Drehung des Elektromotors durch Vergleich der Geschwindigkeit der durch menschliche Muskelkraft hervorgerufenen Drehung und der Geschwindigkeit der Elektromotor-Drehung.

2. Eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der:

die Steuereinrichtung (56) zum Steuern der Drehzahl eines Elektromotors derart ausgebildet ist, daß das Verhältnis der Geschwindigkeiten der durch die menschliche Muskelkraft hervorgerufenen Drehung und der Elektromotor-Drehung, die durch die Signalvergleichereinrichtung verglichen werden, konstant ist.

3. Eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, daß sie den Umlauf der zu einem Umlauf und zu einer Drehung fähigen Zahnräder, die den Differentialgetriebemechanismus bilden, abgibt, und die Drehgeschwindigkeit eines Elektromotors derart steuert, daß die Drehung der Zahnräder unterdrückt wird, so daß die Drehung der Zahnräder in Richtung auf eine Drehung von Null verringert wird.

4. Eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die weiterhin folgendes umfaßt:

einen Rückwärtsdrehungs-Sperrmechanismus (23) zum Verhindern einer Rückwärtsdrehung eines Elektromotors.

5. Eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Drehgeschwindigkeits-Detektormechanismus einen Sensor für eine berührungsfreie Erfassung der Drehgeschwindigkeit umfaßt.

6. Eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die weiterhin einen Drehrichtungs-Detektormechanismus (53) zur Feststellung der Richtung der durch Muskelkraft hervorgerufenen Drehung umfaßt.

7. Eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der der Betrieb oder der Nichtbetrieb des Elektromotors in Abhängigkeit von der Drehrichtung einer durch die Muskelkraft hervorgerufenen Drehung gesteuert wird, wie sie von dem Drehrichtungs-Detektormechanismus festgestellt wird.

8. Eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei der der Drehrichtungs-Detektormechanismus zumindest einige Bauteile mit dem Drehgeschwindigkeits-Detektormechanismus gemeinsam hat.

9. Eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen Elektromotor aufweist, und bei der die Rückhaltekraft des Elektromotors so ausgebildet ist, daß sie größer als die Reaktionskraft ist, die auf den Elektromotor ausgeübt wird, wenn die Vorrichtung durch menschliche Muskelkraft hervorgerufene Drehung empfängt, jedoch keine Unterstützung für die menschliche Kraft liefert.

10. Eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der Elektromotor ein bürstenloser Motor ist.

11. Ein mit einem Elektromotor ausgerüstetes Fahrrad, das eine die menschliche Muskelkraft unterstützende Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, bei dem der Differentialgetriebemechanismus weder eine Welle mit der primären Muskelkraft-Eingangswelle (13), die der Pedalachse des Fahrrads entspricht, noch mit der abschließenden Ausgangsachse (15) gemeonsam hat, die dem Hinterrad des Fahrrads entspricht.