TW201808700A - 具有電力量計之自行車輪轂 - Google Patents

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渥夫岡 艾伯斯巴赫
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美商特製自行車配件有限公司
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Abstract

本發明揭示一種自行車，其具有包含一軸之一後輪、一輪轂殼、包含一扭矩輸出部分及一扭矩輸入部分之一扭矩元件，及經耦合至該扭矩輸入部分之一後齒輪。該扭矩輸出部分距該扭矩輸入部分一第一徑向距離。該位置感測器量測該扭矩輸入部分相對於該扭矩輸出部分之一旋轉位置。在一項實施例中，該位置感測器包含一位移指示器(例如，經安裝至該扭矩輸出部分之一徑向突片)，及一位移感測器(例如，經安裝至該扭矩輸入部分之一電感式感測器)。該電感式感測器宜具有經定位於該位移指示器之各側上之兩個感測線圈。該輪轂總成可進一步包括經調適以自該位置感測器傳輸資料之一無線傳輸器。該輪轂殼宜包含促進自該無線傳輸器之資料傳輸之一窗。

Description

具有電力量計之自行車輪轂
本發明係關於具有電力量計之自行車輪轂。 自行車手常常尋找用於訓練之工具。例如，自行車通常具有感測器及處理器用於量測速度、距離及踏頻(cadence)(通常稱為「自行車碼錶」)。此外，脈衝監測器可用於給騎者提供使用者之心率之即時資料。 電子技術之最新改良已導致用於量測藉由自行車手產生之電力之裝置(通常稱為「電力量計」)之發展。存在不同類型之電力量計，但大多數係基於基於扭矩乘以踏頻之功率計算。扭矩可依多種方式量測，諸如藉由量測踏板上之力乘以曲柄臂之長度，或鏈條中之力乘以鏈環之半徑。 一些電力量計定位於自行車之後輪輪轂中。一些基於輪轂之電力量計使用定位於一扭矩管上之一對角線應變計量測扭矩，該扭矩管定位於後輪轂內。扭矩管將扭矩自一後齒輪傳輸至輪轂殼。可接著將量測之扭矩乘以後輪之旋轉速度以判定功率。
應瞭解在一自行車輪之後輪轂中使用一扭矩管給後輪添加重量及旋轉慣性，此在一自行車中通常為非所要的。此外，上文所描述之對角線應變計需能夠量測扭矩管中之極小應變，此可難以校準及保持經校準。 本發明提供一種自行車，其具有一車架、支撐該車架之一前輪、支撐該車架之一後輪、及一位置感測器。該後輪包含固定至該車架之一軸、安裝以在該軸上繞一旋轉軸旋轉之一輪轂殼、包含耦合至該輪轂之一扭矩輸出部分及一扭矩輸入部分之一扭矩元件、及耦合至該扭矩輸入部分之一後齒輪。該扭矩輸入部分距該旋轉軸一第一徑向距離且該扭矩輸出部分距該旋轉軸一第二徑向距離，該第一徑向距離不同於該第二徑向距離。例如，扭矩輸出部分可自扭矩輸入部分直接徑向向外。位置感測器量測扭矩輸入部分相對於扭矩輸出部分之一旋轉位置。較佳地，該扭矩元件進一步包含將扭矩輸入部分耦合至該扭矩輸出部分之複數個扭矩輪輻。例如，該等扭矩輪輻可經定向為實質上徑向至旋轉軸。 在一項實施例中，位置感測器包含：安裝至扭矩輸入部分及扭矩輸出部分之一者且可與其一起移動之一位移指示器；及安裝至扭矩輸入部分及扭矩輸出部分之另一者且可與其一起移動之一位移感測器。位移指示器較佳地係安裝至扭矩輸出部分之一徑向突片。位移感測器經定位以量測該位移指示器相對於該位移感測器之一位置。較佳地，該位移感測器包括一電感式感測器。例如，該電感式感測器可於該位移指示器之各側上包含一感測線圈，且較佳地兩個感測線圈。 若需要，輪轂總成可進一步包括經調適以自該位置感測器傳輸資料之一無線傳輸器。在此實施例中，該輪轂殼較佳地包含促進自無線傳輸器之資料傳輸之一窗(例如，繞輪轂殼圓周間隔之複數個窗)。 本發明之其他態樣將藉由考量詳細描述及隨附圖式而變得明白。
在詳細解釋本發明之任何實施例之前，應瞭解，本發明在其應用方面並不限於下列描述中陳述或下列圖式中繪示之組件之構造及配置的細節。本發明可具有其他實施例，且能夠以各種方式來實踐或實行。 圖1繪示一自行車20，其具有一車架22、支撐車架22之一前輪24，及支撐車架22之一後輪26。自行車20進一步包含用於支撐騎者之一座28，將前輪24耦合至車架22之一前叉30，及促進操縱自行車20之手把32。一曲柄34包含用於驅動後輪26之一鏈條38之踏板36。 參考圖2至圖3，後輪26包含經調適以被固定至車架22之一軸40、旋轉地支撐於軸40上之一輪轂總成42、經耦合至輪轂總成42之一齒輪組44、自輪轂總成42徑向向外延伸之複數個輪輻46，及經固定至輪輻46之徑向外端且經調適以接收一輪胎之一輪圈48。如此技術中所理解，齒輪組44經調適以嚙合鏈條38，以促進將電力傳輸至後輪26。 在圖4至圖5中更詳細展示輪轂總成42及軸40。軸40包含一主軸50及經定位於主軸50之相對端上之間隔件52。如此技術中已知，主軸50及間隔件52經設計以被剛性地固定至自行車車架22。 輪轂總成42包含一輪轂殼54，輪轂殼54係由兩個車輪軸承56支撐，以在主軸50上旋轉。輪轂殼54包含經調適以嚙合輪輻46之內端之一系列輪輻安裝件58。輪轂殼54進一步包含經調適以改良一無線訊號之傳輸之一系列圓周間隔之窗60，如下文更詳細描述。一內密封件62經定位以覆蓋該等窗，且兩個O環64對進入非所要環境污染物(諸如灰塵及水)提供一障壁。輪轂殼54進一步包含經調適以經由一扭矩元件68自齒輪組44接收扭矩之一扭矩接收器66，如下文更詳細描述。扭矩接收器66包括促進至扭矩元件68之附接之內螺紋70。 參考圖6，扭矩元件68包含一扭矩輸出部分72，扭矩輸出部分72具有經定尺寸以螺合至輪轂殼54中之扭矩接收器66之內螺紋70中的外螺紋74。一系列之七個扭矩輪輻76自扭矩輸出部分72徑向向內延伸至一扭矩輸入部分78。扭矩輸入部分78包含促進扭矩輸入部分78附接至扭矩輸入部件82或自由輪轂的內螺紋80。扭矩元件68經設計使得經施加至扭矩輸入部分78之扭矩將引起扭矩輸入部分78與扭矩輸出部分72之間之一小旋轉偏移與扭矩之施加量成比例。在此方面，此旋轉偏移之量測提供與經施加至輪轂總成42之扭矩成比例的資訊。所繪示扭矩元件68係自一固體塊7000系列鋁合金削製成，但其可替代地由多種部件、其他材料及其他製造程序製成。 輪轂總成42進一步包含一外密封件84，及保護輪轂總成42內部免受污染物侵入之對應O環86。 輪轂總成42進一步包含一位置感測器，其具有經安裝至扭矩輸入部分78之一位移感測器92，及經安裝至扭矩輸出部分72之一導電位移指示器94。在所繪示實施例中，位移感測器92包含一電感式感測器96，電感式感測器96基於一電感器(在此情況中導電位移指示器94)之接近量改變來量測一線圈之電感改變。電感之此改變與位移感測器92與位移指示器94之間之距離改變成比例，且將因此與該兩個部分之間之扭矩成比例。 為改良準確度及減少歸因於熱擴散及感測器未對準之影響的誤差，圖8中展示之較佳位移感測器92包含經定位於位移指示器94之各側上之一電感式感測器96。如圖9中所示，各電感式感測器96包含經金屬蝕刻至一印刷電路板上之一線圈98。各感測器與包含一高解析度、電感至數位轉換器(例如，Texas Instruments模型LDC-1000)之一處理器通信。該處理器經程式化以將電感讀數轉換為位移指示器94相對於位移感測器92之位移之一計算值。 所繪示導電位移指示器94包括一徑向突片，該徑向突片自扭矩輸出部分72徑向向內延伸，但並未一直延伸至扭矩輸入部分78。所繪示突片與扭矩元件68係一體形成，且因此係由一700系列鋁合金製成。如圖6至圖8中所繪示，位移感測器92(包括電感式感測器96)經定位為接近位移指示器94，且將提供與位移指示器94相對於位移感測器92之位置成比例之一訊號，位移指示器94經安裝至扭矩輸出部分72，位移感測器92經安裝至扭矩輸入部分78。以此方式，扭矩輸入部分78相對於扭矩輸出部分72之位移或旋轉可被量測。 處理器與一無線收發器102(例如，一Dynastream N5晶片，其利用一Nordic Semiconductor nRF51422單元經由ANT+及藍牙(Bluetooth)傳輸電力)通信，無線收發器102促進使用由ANT聯盟界定及標準化之ANT+無線協定來與一頭單元104雙向通信。例如，具有一顯示器之頭單元104可經定位於自行車手把32上用於由自行車手觀看，如圖1所示。替代地，可使用其他形式之無線通信(例如，藍牙)。此外，接收器可包含一處理器及儲存裝置，使得可分析及儲存資料。 所繪示扭矩輸入部件82係一自由輪轂，其經支撐用於藉由自由輪轂軸承106而在軸40上旋轉。扭矩輸入部件82經棘齒至扭矩輸入部分78用於一種方式之扭矩傳輸，如此技術中通常已知。例如，可使用自DT Swiss之一星狀棘齒連接，儘管可替代使用其他自由輪轂連接。齒輪組44經固定至扭矩輸入部件82，以促進從一自行車鏈條至扭矩輸入部件82傳輸扭矩。 圖10繪示具有代替單獨輪輻安裝件58之輪輻凸緣112之一替代輪轂殼110。 使用諸多類型之扭矩感測器(諸如上文所描述之位移感測器及扭矩元件)，通常期望校準扭矩感測器以考量扭矩讀數隨時間之變化(例如，歸因於溫度或其他可變量之改變)。這樣做之一種方式係「歸零」扭矩感測器，此通常包含在無負載施加至系統時(例如，在使用者開始踩踏之前)重設零扭矩值。然而，因為在一實踐階段期間扭矩感測器校準可改變，故在一實踐階段期間，歸零扭矩通常需要使用者停止實踐(即，自踏板移除使用者之腳以不施加扭矩)，此係不方便的。 就此而言，本發明提供在實踐階段期間自動歸零扭矩感測器之能力。此係藉由感測使用者何時惰轉(即，無扭矩由使用者施加)來完成，且接著使用該機會來歸零扭矩感測器。例如，系統可具有一簡單運動感測器120，其提供偵測輪轂殼54與齒輪組44或扭矩輸入部件82之間之相對運動之一「惰轉訊號」。在一項實施例(圖5)中，運動感測器120(示意性地展示)在自由輪轂軸承106之間係定位於扭矩輸入部件82之一內表面上，以量測扭矩輸入部件82相對於主軸50之運動。若未偵測到運動，則可推斷該騎者處於惰轉。在另一實施例(圖4)中，運動感測器120(以虛線示意性地展示)被安裝至托架之側，該托架支撐電感式感測器96以偵測輪轂殼54相對於齒輪組44之運動。若偵測到運動，則可推斷該使用者處於惰轉。此一感測器120可包含：一機械開關；一磁鐵及線圈；一磁鐵及霍爾(hall)效應感測器；一LED，一光電電晶體及具有發射光之槽之一移動部分；及一壓電感測器。當推斷使用者處於惰轉時，扭矩感測器之一「即時」校準可自動執行。替代地，諸多自行車碼錶具有一踏頻感測器，且自踏頻感測器之輸出可用於偵測使用者何時未踩踏。此「即時」校準可自動出現而不需要使用者輸入，使得扭矩感測器可在使用者整個騎行期間重新校準。 在以下發明申請專利範圍中，陳述本發明之各種特徵及優點。
20‧‧‧一自行車
22‧‧‧一自行車車架
24‧‧‧一前輪
26‧‧‧一後輪
28‧‧‧一座
30‧‧‧一前叉
32‧‧‧手把
34‧‧‧一曲柄
36‧‧‧踏板
38‧‧‧一鏈條
40‧‧‧一後輪軸
42‧‧‧一輪轂總成
44‧‧‧一齒輪組
46‧‧‧複數個輪輻
48‧‧‧一輪圈
50‧‧‧一主軸
52‧‧‧間隔件
54‧‧‧一輪轂殼
56‧‧‧軸承
58‧‧‧輪輻安裝件
60‧‧‧窗
62‧‧‧一內密封件
64‧‧‧O環
66‧‧‧一扭矩接收器
68‧‧‧一扭矩元件
70‧‧‧內螺紋
72‧‧‧一扭矩輸出部分
74‧‧‧外螺紋
76‧‧‧扭矩輪輻
78‧‧‧一扭矩輸入部分
80‧‧‧內螺紋
82‧‧‧一扭矩輸入部件
84‧‧‧一外密封件
86‧‧‧外密封O環
92‧‧‧一位移感測器
94‧‧‧一導電位移指示器
96‧‧‧一電感式感測器
98‧‧‧一線圈
102‧‧‧一無線收發器
104‧‧‧一頭單元
106‧‧‧自由輪轂軸承
110‧‧‧一替代輪轂殼
112‧‧‧輪輻凸緣
120‧‧‧一運動感測器
圖1係具有體現本發明之一基於輪轂之電力量計之一自行車之一側視圖。 圖2係圖1中之自行車之一後輪之一透視圖。 圖3係圖2中之後輪之一後輪轂總成之一透視圖。 圖4係圖3之後輪轂總成之一分解視圖。 圖5係沿圖3中之線5-5取得之後輪轂總成之一橫截面圖。 圖6係圖5之後輪轂總成之一扭矩感測總成之一分解圖。 圖7係具有移除內密封件以展示傳輸窗之後輪轂總成之一透視圖。 圖8係扭矩感測總成之一右側視圖。 圖9係扭矩感測總成中使用之一電感式感測器之一平面圖。 圖10係可用於實踐本發明之一替代輪轂殼之一透視圖。
42‧‧‧一輪轂總成
44‧‧‧一齒輪組
50‧‧‧一主軸
52‧‧‧間隔件
54‧‧‧一輪轂殼
56‧‧‧軸承
58‧‧‧輪輻安裝件
60‧‧‧窗
62‧‧‧一內密封件
64‧‧‧O環
66‧‧‧一扭矩接收器
68‧‧‧一扭矩元件
70‧‧‧內螺紋
82‧‧‧一扭矩輸入部件
84‧‧‧一外密封件
86‧‧‧外密封O環
94‧‧‧一導電位移指示器
96‧‧‧一電感式感測器
102‧‧‧一無線收發器
106‧‧‧自由輪轂軸承

Claims (20)

  1. 一種自行車，其包括： 一車架； 一前輪，其支撐該車架； 一後輪，其支撐該車架，且包含： 一軸，其經固定至該車架； 一輪轂殼，其經安裝用於在該軸上繞一旋轉軸旋轉； 一扭矩元件，其包含經耦合至該輪轂之一扭矩輸出部分及一扭矩輸入部分，該扭矩輸入部分距該旋轉軸一第一徑向距離，且該扭矩輸出部分距該旋轉軸一第二徑向距離，該第一徑向距離係不同於該第二徑向距離； 一後齒輪，其經耦合至該扭矩輸入部分；及 一位置感測器，其量測該扭矩輸入部分相對於該扭矩輸出部分之一旋轉位置。
  2. 如請求項1之自行車，其中該扭矩元件進一步包含將該扭矩輸入部分耦合至該扭矩輸出部分之複數個扭矩輪輻。
  3. 如請求項2之自行車，其中該等扭矩輪輻經定向為實質上徑向至該旋轉軸。
  4. 如請求項1之自行車，其中該位置感測器包含： 一位移指示器，其經安裝至該扭矩輸入部分及該扭矩輸出部分之一者，且可與其一起移動；及 一位移感測器，其經安裝至該扭矩輸入部分及該扭矩輸出部分之另一者，且可與其一起移動，該位移感測器經定位以量測該位移指示器相對於該位移感測器之一位置。
  5. 如請求項4之自行車，其中該位移感測器包括一電感式感測器。
  6. 如請求項5之自行車，其中該電感式感測器包括一感測線圈。
  7. 如請求項5之自行車，其中該電感式感測器包括經定位於該位移指示器之一側上之一感測線圈。
  8. 如請求項5之自行車，其中該電感式感測器包括圓周地鄰近該位移指示器定位之一感測線圈。
  9. 如請求項4之自行車，其中該位移指示器經安裝至該扭矩輸出部分。
  10. 如請求項9之自行車，其中該位移指示器包括自該扭矩輸出部分徑向向內延伸之一徑向突片。
  11. 如請求項1之自行車，其中該扭矩輸出部分係自該扭矩輸入部分直接徑向向外。
  12. 如請求項1之自行車，進一步包括一無線傳輸器，其經調適以自該位置感測器傳輸資料，其中該輪轂殼包含促進自該無線傳輸器之資料傳輸之一窗。
  13. 如請求項12之自行車，其中該窗包括繞該輪轂殼圓周間隔之複數個窗。
  14. 一種自行車，其包括： 一車架； 一輪，其支撐該車架，且包含： 一軸，其經固定至該車架； 一輪轂殼，其經安裝用於在該軸上繞一旋轉軸旋轉； 一電子感測器，其經至少部分定位於該輪轂殼內；及 一無線傳輸器，其經調適以自該電子感測器傳輸資料，其中該輪轂殼包含促進自該無線傳輸器之資料傳輸之一窗。
  15. 如請求項14之自行車，其中該窗包括繞該輪轂殼圓周間隔之複數個窗。
  16. 如請求項14之自行車，其中該電子感測器包括一位置感測器。
  17. 如請求項16之自行車，其中該位置感測器包含： 一位移指示器；及 一位移感測器，其經定位以量測該位移指示器相對於該位移感測器之一位置。
  18. 如請求項17之自行車，其中該位移感測器包括一電感式感測器。
  19. 如請求項18之自行車，其中該電感式感測器包括一感測線圈。
  20. 如請求項18之自行車，其中該電感式感測器包括鄰近該位移指示器之一側定位之一感測線圈。
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