TW201711911A - 換檔時機判斷方法及自動變速系統 - Google Patents

Abstract

一種換檔時機判斷方法及自動變速系統，主要是利用該換檔時機判斷方法，從預設的一期望值區間推算出各檔位之進檔臨界值與退檔臨界值，藉以讓使用者在行車時，在最適當之時機點進行檔位的切換，以及有效地改善換檔頻繁之缺點，提高使用者專心路況安全、無須分心操作變速系統之功效。

Description

換檔時機判斷方法及自動變速系統

本發明係關於車輛自動變速系統，尤指一種避免在換檔臨界點頻繁換檔之換檔時機判斷方法及自動變速系統。

時代進步如斯，能源也浪費如此，地球資源已經逐漸匱乏，尤以石化燃料為最，因此綠色能源及其應用方興未艾，不論是太陽能、風力、水力、地熱等等所謂乾淨的能源之應用都大行其道，當然人力本身也因為節能減碳及健康因素之觀念而廣為流行，而且因為自行車可視為短程交通工具首選，加上同時又具有健身之功能。但是現在的自行車動輒十數檔位之設計，讓使用者常常無所是從，所以就產生了研究智慧型自動變速自行車的企圖，而且智慧型自動變速自行車就是符合以上綠色能源應用的科技及技術。簡言之，就是改善了能源之應用及使用者的健康問題。

然而，習見用於自行車的變速系統多係具有一車速及一扭力偵測裝置來判斷自動換檔的機制，或者是僅以車速來做為判斷換檔的機制，往往車速在換檔臨界點浮動時會有頻繁換檔的問題，多會造成使用者的不適感。在習見變速系統的硬體配備中，必須使用昂貴之扭力計方能偵測使用者之踩踏運動來協助判斷換檔時機，該扭力不能依使用者之真正意願採取動作，亦即容易誤判。而且，習見之系統需要使用較複雜之機械配備，換言之較易損壞及是容易受到外在因素所影響。又，習見的變速系統無法提供適當的運動方法及記錄，即無法反饋使用者之有用訊息，以及無法自動升級及學習的潛力及功能。

有鑑於習見變速系統有上述諸多缺點，本案創作人乃對此研究改進之道，終於有本創作產生。

本發明主要是為了讓使用者可以專心路況安全及踩踏運動，而不需要分心操作變速系統之問題。利用微控制器來分析及運算裝設於自行車後輪的轉速偵測器所得到的轉速值及車行速度後，評估使用檔位之適用性或換檔時機，以達成智慧型自動變速自行車之功能，最終讓使用者有舒適之騎車行為及達到適度的運動健身之目的。

本發明藉由從自行車自動變速系統為出發點，進一步可推廣適用至各種車輛的變速系統。

為此，本發明主要提供了一種換檔時機判斷方法，其可讓使用者在行車時，在最適當之時機點進行檔位的切換，以及有效地改善換檔頻繁之缺點。

而將其應用於變速自行車時，可讓使用者不需要自行判斷換檔，達到無感變速之功效，能夠專心於路況安全及踩踏運動，而不用分心操作變速系統，擁有舒適的行車感及達到更佳的能源運用及保護變速器。

為達上述之功效，本發明之換檔時機判斷方法，主要係用以判斷至少一檔位換檔之時機，採行之技術手段係從一期望值區間中選定一第一期望值與一第二期望值，且該第一期望值係大於該第二期望值；利用該第一期望值與該檔位之變速比推算出該檔位進檔之進檔臨界值，以及以該第二期望值與該檔位之變速比推算出退檔至該檔位之退檔臨界值。藉由推導出適宜的進檔臨界值與退檔臨界值分別做為進檔與退檔的臨界點，有效地避免在單一臨界點上頻繁換檔的問題。

較佳者，當應用於一變速自行車時，該期望值區間可為預設踏速區間，讓使用者在檔位變換的過程中，可保持在預設的踏速區間內，達到無感變速之功效，減少換檔時產生的不適感，專心於行車之安全。

此外，本發明進一步提供一種自動變速系統，其導入了前述換檔時機判斷方法，可適用於各種變速車輛，達到最適檔位切換、無感變速之功效及改善換檔頻繁之缺點，實具獨特之實用性。

該自動變速系統主要包括一測速模組、一變速模組及一控制 模組，該控制模組分別電性連結該測速模組、該變速模組；其中，該測速模組係用以量測行車之車速訊號並傳送至該控制模組，該變速模組可受該控制模組控制進行檔位之變換，該控制模組係從車速訊號推算出車速之變化，並依車速變化判斷是否滿足其內建自動變速模式的換檔條件，來控制該變速模組進行檔位的變換；而該自動變速模式係用以判斷各檔位的換檔時機，其換檔條件包含每二檔位間的進檔臨界值及退檔臨界值，且該各進檔臨界值及該各退檔臨界值係如前述之換檔時機判斷方法，分別由第一期望值、第二期望值與檔位變速比所得知。

較佳者，其中該車輛可為一自行車，且該期望值區間可為預設踏速區間。

較佳者，其中該測速模組係為用以量測車輪轉速之轉速感測器。

較佳者，其中該測速模組可為霍爾轉速感測器或紅外線轉速感測器。

較佳者，其中該變速模組係為內變速器或外變速器。

較佳者，其中該控制模組進一步連結一顯示模組，用以顯示行車之資訊。

較佳者，其中該控制模組進一步連結一電源模組，其包含一用於供電及儲電的儲電單元，以及一用於發電的發電單元。

較佳者，其中該發電單元係可設於該自行車之前輪。

為使本創作的上述目的、功效及特徵可獲得更具體的瞭解，依各附圖說明如下：

1‧‧‧控制模組

2‧‧‧測速模組

3‧‧‧變速模組

4‧‧‧顯示模組

5‧‧‧電源模組

51‧‧‧儲電單元

52‧‧‧發電單元

V _H1 、V _H2 、V _H3 、V _H4 ‧‧‧進檔臨界值

V _L2 、V _L3 、V _L4 、V _L5 ‧‧‧退檔臨界值

第1圖係為本發明實施例自動變速系統之方塊示意圖。

第2圖係為本發明實施例舒適模式切換檔位示意圖。

本發明之換檔時機判斷方法，其主要是應用在車輛的自動變速系統中，用以判斷檔位間切換的時機點；其主要是以變速系統中的動力供應源為出發點，根據動力供應源之模式或效能配設適當的期望值區間(通常為適當的轉速區間；當應用於變速自行車時，動力供應源係為使用者踩踏的轉速，期望值區間可為預設的踏速區間；而當應用於動力系統中，動力供應源係為馬達輸出的轉速，期望值區間可為該馬達輸出效能最佳、最穩定的轉速區間)，並配合變速系統中各檔位的變速比，來推算車輛預期的車速區間，來判斷各檔位進/退檔的時機；於本發明中，係從期望值區間中選取較大的第一期望值與較小的第二期望值，配合各檔位的變速比，以第一期望值推算出的預期車速作為進至下一檔位的進檔臨界值，而以第二期望值推算出的預期車速作為退回原檔位的退檔臨界值，藉此，可錯開進檔與退檔的時機，減少頻繁換檔的問題，且讓動力供應源保持在預期的轉速區間內，降低換檔時產生的頓挫感，讓動力供應源能維持在良好的效能。

本發明實施例主要是以自行車的領域為例，主要是為了讓騎乘者能感覺到舒適及便利，以智慧型自動變速系統來取代傳統式的手動推桿換檔或者是電子按鍵的切換檔位之機械式拉索變速系統。

請參第1圖所示，本發明實施例之自動變速系統，其係裝設於一自行車上，主要硬體架構包括有一控制模組1、一測速模組2、一變速模組3、一顯示模組4及一電源模組5，其中電源模組5包含有一儲電單元51及一發電單元52，控制模組1則係分別電性連接至其他各模組。

測速模組2係裝設於自行車後輪，用以量測行車之車速訊號並傳送至控制模組1，具體可為轉速感測器，藉由量測後輪的轉速供控制模組1推算行車的車速；而於本實施例中測速模組2係採用霍爾轉速感測器，其具體係於後輪360度之輪圈上平均分佈4個磁鐵，藉由後輪轉動時，感測各磁鐵經過的時差來判斷後輪的轉速，進而供控制模組1推算行車的車速。

變速模組3係裝設於自行車後輪，包含具數個檔位的內變速器(或外變速器)以及可受控制模組1控制來變換檔位的馬達驅動器。於本實施例中，變速模組3係採用SA(STURMEY ARCHER)型號S-RF5(W)的內五速變速器，各檔位之變速比(通常為輸入與輸出間的齒數比，於本 例中為踏板齒輪與後變速齒輪的齒數比)依序為1.17、1.40、1.87、2.48、2.98；而馬達驅動器可為步進馬達齒輪或是伺服馬達(Server Motor)，利用步進馬達轉動渦桿來帶動齒輪後拉動或放鬆內五速變速器的拉索而形成變換檔位之模式，或是利用伺服馬達帶動內五速變速器的拉索前進或者後退而形成變換檔位之模式。

控制模組1係裝設於車體上，利用微控制器晶片(MCU)為主控制器(其係採用盛群半導體的HT66F50，其為8位元(bits)的微控制器(MCU)內嵌快閃記憶體(Flash Memory)，在其內部有內建多組多功能計數及計時器)，接收後輪測速模組2感測之車速訊號，經由演算後，依據推算出之車速變化判斷是否滿足其內建自動變速模式的換檔條件，來控制變速模組3完成轉換最適檔位之變速動作，最終以此來協助使用者分擔檔位變速的工作負擔。

儲電單元51同控制模組係裝設於車體上，用以供應各電子配備之用電以及儲備電源；而發電單元52係裝設於前輪處，採用SHIMANO最高輸出電力6V/3W之發電機，用以將行車時產生的電能儲存至儲電單元51。於實際應用時，車身上會有一片AC轉DC的變壓模組板轉換由發電機產生之交流(AC)電壓至直流(DC)電壓。

顯示模組4係可裝設於龍頭處，採用單色液晶模組(LCM)，用以顯示相關的行車資訊，並設有進退檔及主電源開關以利於使用者操作。

控制模組1中內建有至少一種自動變速模式，以供使用者選用。而該自動變速模式係用以判斷各檔位的換檔時機，換檔條件包含每二檔位間的進檔臨界值及退檔臨界值；該自動變速模式依騎乘者的需求或習慣配設有一期望值區間，當使用者選用適當的自動變速模式後，控制模組1可針對各檔位，從對應的期望值區間中選定一較大的第一期望值及一較小的第二期望值，而後利用第一期望值與該檔位之變速比推算出該檔位進檔之進檔臨界值，以及利用第二期望值與該檔位之變速比推算出退檔至該檔位之退檔臨界值；藉此推算出各檔位間最佳進檔或退檔之時機，而當滿足換檔條件時，控制模組1即可控制變速模組3進行換檔之動作。

以下，以一具體數據來說明換檔時機的判斷方法：

本案發明人研習諸多自行車自動變速控制的學術資料，其在分析最佳踏速的研究中，顯示出人類在使用腳踏車時，其所謂的最佳踏速，即為騎乘者踩踏踏板的頻率『每分鐘轉速(RPM)』，習見研究者所統計最佳踏速之範圍係介於38RPM到105RPM之間；而踏板踩踏的速度(RPM)是可以作為騎乘舒適與否的一個重要參數，是以，本實施例中自動變速模式係依據普通騎乘者之情況，選取踩踏速度40~60RPM作為預設踏速區間(即期望值區間)，來推算出預期的車速(即進檔臨界值、退檔臨界值)，作為判斷各檔位換檔的指標。

自動變速模式可依使用狀態配設有數種模式，因應不同需求的騎乘者，本實施例中的自動變速模式係分別以舒適模式及運動模式為例；舒適模式即為一般的模式，以輕鬆踩踏為主要目的，讓騎乘者的踩踏頻率保持在舒適的範圍內，達到輕鬆騎乘的目的，而而運動模式係以鍛鍊身體運動為主要目的，所以會以提前換檔之時機來讓騎乘者感覺到需要較重的踩踏力度及適量或較重度運動的模式。

本實施例是基於車速與踏速頻率之關係來推導出踩踏自行車的舒適模式及運動模式，而下方<表1>即為後輪與踏速頻率之變速比分析表，其中一個重要之做法是認為當自行車從時速為零開始時其位能轉成動能之功率損耗是最大的，所以車速(踏速頻率)也是逐漸增加然後至穩定的狀態，故在第一檔是依據最輕鬆的踏速頻率來評估所需之時速，而在第二檔是依據中間值之輕鬆踏速頻率來評估所需之時速，舒適模式採取此方法來更進一步的降低騎乘者之不適感。下方<表1>即為後輪與踏速頻率之變速比分析表，其中調整值是使用四捨五入的方式進位處理。

舒適模式換檔之臨界值之推算公式如下：已知輪圈直徑為28英吋，變速器第n檔的變速比(Gear Ratio)為Gn，踏板頻率為p，則車行速度V為： 實際在應用上，則需要再乘以變速比的權重1，則適合舒適模式的車速範圍之數值如下： 所以基於以上之運算就可以得出舒適模式換檔變速之基礎值，依此作為每二檔位間之進檔臨界值與退檔臨界值。

本實施例利用理想的舒適踏速作為預設踏速區間，來推算出各檔位間的進檔臨界值及退檔臨界值，可一併參第2圖所示，一檔進至二 檔的進檔臨界值V _H1 為8(Km/hr)，而二檔退回一檔的退檔臨界值V _L2 為6(Km/hr)；二檔進至三檔的進檔臨界值V _H2 為11(Km/hr)，而三檔退回二檔的退檔臨界值V _L3 為9(Km/hr)；三檔進至四檔的進檔臨界值V _H3 為15(Km/hr)，而四檔退回三檔的退檔臨界值V _L4 為13(Km/hr)；四檔進至五檔的進檔臨界值 _VH4 為20(Km/hr)，而五檔退回四檔的退檔臨界值V _L5 為17(Km/hr)。

於實際使用時，當車輛開始行駛，速度會逐漸增加，當車速達到V _H1 時會由一檔變換至二檔，車速達到V _H2 時會由二檔變換至三檔，車速達到V _H3 時會由三檔變換至四檔，以此類推直至最高檔位為止。速度逐漸降低時，當車速下降至V _L5 時會由五檔變換至四檔，車速下降至V _L4 時會由四檔變換至三檔，車速下降至V _L3 時會由三檔變換至二檔，以此類推直至最低檔位為止。

藉此，有效地避免車速在單一換檔臨界點浮動時造成頻繁換檔、以及產生不適感的問題；換言之，因為本例係以舒適踏速作為預設踏速區間，推算出各檔位的進檔臨界值及退檔臨界值，因此當使用者欲加速而加快踩速，即將超過預設踏速時即會進至下一檔位，讓使用者在換至最高檔位前，有效地將踏速控制在舒適踏速的範圍內，達到舒適的目的，以及減少換檔所產生的不適感。

再者，運動模式是以鍛鍊身體運動為主要目的，所以會有提前換檔之現象，藉由來自於較重負荷之運動範圍的踏速頻率所對應之車速範圍，讓騎乘者感覺到需要較重的踩踏力度及適量運動負荷的操作模式。

在旋轉系統中，由已知公式功率P(t)與力矩T和角速度ω有關，其公式如下：P(t)=T×ω本實施例係先以1.25倍之虛擬值來做功率P(t)與力矩T正比增加的運動模式之權重基礎值，又因為所求之力矩T權重值是跟旋轉速遞ω成反比，所以需要以倒數運算得<1/1.25=0.8>，則運動模式之權重(0.8)就可以帶入運算適中使用。

下方<表2>所示為運動模式進退檔位變速表，乃是導入方程式升降檔的所有車速結果值，其中的升降調整值是使用四捨五入的方式進 位處理。

運動模式換檔之臨界值之推算公式如下：已知輪圈直徑為28英吋，變速器第n檔的變速比(Gear Ratio)為Gn，踏板頻率為p，則車行速度V為： 再乘以變速比權重0.45，則適合運動模式的車速範圍之數值如下： 所以基於以上之運算可以得出運動模式換檔變速之基礎值，依此作為每二檔位間之進檔臨界值與退檔臨界值。

運動模式透過變速比權重來調節整體進退檔的時機，藉由提 早換檔的方式，讓使用者可保持在重負荷的踩踏狀態，以滿足使用者重負荷的需求。

依本發明前述實施例之模式，係應用在自行車，以人力踩踏的預設踏速區間來推算最適宜的進、退檔臨界值，當本發明應用於一般非人力驅動的車輛時，可依據車輛動力輸出源(如引擎、馬達等)之效能，以其最佳之扭力、轉速關係，來設定期望值區間，推算出各檔位最適宜的進檔臨界值及退檔臨界值，藉以判斷各檔位換檔之時機，讓車輛的動力系統達到最佳的效能，減少頻繁換檔的問題。

綜合以上所述，本發明換檔時機判斷方法及自動變速系統，確實可讓使用者行車時於最適當之時機點進行檔位的切換，且可改善換檔頻繁之缺點，實為一兼具新穎性及進步性之發明，爰依法提出申請發明專利。

惟以上所述者，僅為本發明的較佳實施例說明，舉凡依本發明的技術手段與範疇所延伸的變化、修飾、改變或等效置換者，亦皆應落入本發明的專利申請範圍內。

1‧‧‧控制模組

2‧‧‧測速模組

3‧‧‧變速模組

4‧‧‧顯示模組

5‧‧‧電源模組

51‧‧‧儲電單元

52‧‧‧發電單元

Claims (10)

1. 一種換檔時機判斷方法，其用以判斷至少一檔位換檔之時機，係包括：從一期望值區間中選定一第一期望值與一第二期望值，且該第一期望值係大於該第二期望值；利用該第一期望值與該檔位之變速比推算出該檔位進檔之進檔臨界值；以及利用該第二期望值與該檔位之變速比推算出退檔至該檔位之退檔臨界值。
2. 如請求項1所述之換檔時機判斷方法，其可應用於一變速自行車，且該期望值區間可為預設踏速區間。
3. 一種自動變速系統，其係應用於一車輛，包括一測速模組、一變速模組及分別連結該測速模組、該變速模組之一控制模組；該測速模組係用以量測行車之車速訊號並傳送至該控制模組，該變速模組可受該控制模組控制進行檔位之變換，該控制模組係從車速訊號推算出車速之變化，並依車速變化判斷是否滿足其內建自動變速模式的換檔條件，來控制該變速模組進行檔位的變換；其中，該自動變速模式係用以判斷各檔位的換檔時機，其換檔條件包含每二檔位間的進檔臨界值及退檔臨界值，且該各進檔臨界值及該各退檔臨界值係依據請求項1所述之換檔時機判斷方法得知。
4. 如請求項3所述之自動變速系統，其中該車輛係為一自行車，且該期望值區間可為預設踏速區間。
5. 如請求項4所述之自動變速系統，其中該測速模組係為用以量測車輪轉速之轉速感測器。
6. 如請求項5所述之自動變速系統，其中該測速模組可為霍爾轉速感測器或紅外線轉速感測器。
7. 如請求項4所述之自動變速系統，其中該變速模組係為內變速器或外變速器。
8. 如請求項5至7任一項所述之自動變速系統，其中該控制模組進一步連結一顯示模組，用以顯示行車之資訊。
9. 如請求項5至7任一項所述之自動變速系統，其中該控制模組進一步連結一電源模組，其包含一用於供電及儲電的儲電單元，以及一用於發電的發電單元。
10. 如請求項9所述之自動變速系統，其中該發電單元係可設於該自行車之前輪或後輪。