TW202408868A - 用於電動腳踏車之動力分流式混合動力傳動系統以及電動腳踏車 - Google Patents

Abstract

一種用於腳踏車的電動輔助驅動系統，包括一踏板軸（1）、一行星齒輪機構（20）、用以驅動一輸出軸（21）的一輔助馬達（M2）以及一控制馬達（M1），透過行星齒輪機構來控制踏板軸（1）與輸出軸（21）之間的傳動比。一第一單向離合器（10），可操作地連接到控制馬達（M1），配置用以阻止行星齒輪機構的一可旋轉構件（4）在一向前方向上的旋轉，同時允許其在反向自由旋轉。一第二單向離合器 (12) 配置以當輔助馬達 (M2) 被開啟時將輔助馬達 (M2) 驅動地連接至輸出軸 (21)，並且當輔助馬達關閉但輸出軸 (21) 繼續向前旋轉時用以將輔助馬達 (M2)從輸出軸(21)分離。

Description

用於電動腳踏車之動力分流式混合動力傳動系統

本揭露涉及電動腳踏車（或簡稱“e-bikes”）領域，其具有輔助騎乘者的踏板動力的一電動馬達。更具體地，本揭露涉及用於電動腳踏車的混合動力傳動系統。

近年來，用於電動腳踏車的動力分流式混合動力傳動系統被提出。這些系統中的某些系統包括了供騎乘者操作的踏板軸、一行星齒輪機構、一輔助馬達和控制馬達。行星齒輪機構被佈置以確定踏板軸以及一輸出軸之間的傳動比，用於將旋轉傳遞到腳踏車的後輪。行星齒輪機構被稱為行星“動力分流式”齒輪機構，因為它被佈置成透過兩條路徑將動力從踏板傳遞到腳踏車的後輪，這兩條路徑為：機械路徑和電路徑。具體而言，行星齒輪機構將動力從輔助馬達傳遞到輸出軸。此外，行星齒輪機構根據控制馬達的運作來調節踏板軸的轉速。

PCT專利號WO2020/260772A1的案件揭露了一種用於腳踏車的動力單元。此動力單元包括一踏板軸、佈置以將力矩傳遞到一車輪的一輸出軸、佈置以控制踏板軸和輸出軸之間的傳動比的一主行星齒輪組、連接到主行星齒輪組中的一輔助齒輪的一輔助馬達、以及連接到主行星齒輪組中的一控制齒輪的一控制馬達。控制馬達和控制齒輪組成動力單元的一控制組件。動力單元包括一單向離合器，其與動力單元的控制組件相關聯並且佈置以僅在一第一旋轉方向上傳遞旋轉。

在一些行星“動力分流式（power-split）”傳動系統中遇到的第一個問題是踏板產生的扭矩始終由控制齒輪比的馬達所反應。當腳踏車以低齒輪比的低速騎行時，齒輪比控制馬達的速度很低，因此馬達的效率很低。提供給馬達的大部分電能都以熱量的形式損失掉了。這會導致馬達的壽命縮短，也會導致電池中儲存的電能使用效率低下。

行星“動力分流式（power-split）”傳動系統的另一個問題是，在高速行駛和高齒輪比的情況下，齒輪比控制馬達會快速轉動以保持所需的踏板速度，同時仍然對來自踏板的力矩作出反應。因此，齒輪比控制馬達可以向系統輸送高水平的機械能量，因此不需要牽引馬達的額外輔助。牽引馬達是可以被關閉的，但仍需要與後輪一致地旋轉。因此，牽引馬達在這種情況下會產生電能，這可能會對電子系統造成損壞。

針對前述背景，本發明提供了一種用於腳踏車的電輔助驅動系統，其具有請求項1中所限定的特徵。較佳的實施例會在附屬請求項中限定。

本發明提供了一種用於腳踏車之電動輔助驅動系統，包括被一騎乘者操作的一踏板軸、一行星齒輪機構、一輔助馬達、一控制馬達、一第一單向離合器以及一第二單向離合器。行星齒輪機構是配置以決定踏板軸以及一輸出軸之間的傳動比，以傳遞轉動到電動腳踏車的一後輪。輔助馬達是驅動地連接至輸出軸。控制馬達驅動地連接至行星齒輪機構以控制踏板軸與輸出軸之間的傳動比。第一單向離合器是可操作地連接到比例控制馬達以及固定地安裝於一腳踏車架之一剛性元件之間，並且配置用以阻止行星齒輪機構的一第一可旋轉構件在一向前方向上的旋轉，並且用以釋放且允許行星齒輪系統的第一可旋轉構件在一第二，相反方向自由旋轉。第二單向離合器配置以可操作地連接到輔助馬達與輸出軸之間，第二單向離合器配置以當輔助馬達被開啟時在向前方向上驅動輸出軸，藉以輔助電動腳踏車向前，並且當輔助馬達關閉但輸出軸繼續在向前方向旋轉時用以將輔助馬達從輸出軸分離。

較佳地，行星齒輪機構包括行星齒輪機構包括固定以隨著該輸出軸旋轉的一太陽齒輪、一環形齒輪、位於太陽齒輪與環形齒輪之間的一組行星齒輪、以及固定以隨著踏板軸旋轉並支撐這些行星齒輪的一行星齒輪架。根據一實施例，環形齒輪與安裝在由控制馬達驅動的一第一軸上的一第一小齒輪嚙合，並且第一單向離合器可操作地連接在控制馬達的第一軸和固定地安裝到腳踏車架的剛性元件之間。

首先參見第1圖。一電動腳踏車驅動系統包括兩個電動馬達M1、M2以及具有一輸出軸21的一行星齒輪機構20。固定用於與輸出軸21一起旋轉的是一鏈輪6，其是驅動腳踏車的後輪（圖中未顯示）。

標號1代表供一騎乘者R操作的踏板軸或曲軸。踏板軸1穿過此組件並將兩個安裝在驅動單元外部的習知踏板曲柄以及腳支撐組件(圖中未示出)連接在一起。踏板軸1接收了騎乘者提供的力矩和速度，並將其傳遞給行星齒輪架2。

電動馬達M1被稱為“控制”馬達或“比率控制（ratio controlling）”馬達，因為它驅動行星齒輪機構的一齒輪，此齒輪控制輸出軸以及踏板軸之間的傳動比。電動馬達M2，在本文中稱為“輔助”馬達（或“牽引”馬達），產生傳輸至輸出軸21的動力。

在本文中，行星齒輪機構也稱為行星“動力分流（power-split”）”齒輪機構，因為它佈置以藉由兩條路徑將動力從踏板傳遞到腳踏車的後輪，如下文所述：一機械路徑MR和電氣路徑ER。具體而言，輔助馬達M2向將動力傳遞到輸出軸。此外，行星齒輪機構由於控制馬達M1的運轉而調節踏板曲軸1的轉速。

電動腳踏車驅動系統是容納在一外殼（圖中未顯示）中，較佳地是安裝在腳踏車的一車架的中央（在“底部支架”處）。通常來說，外殼提供給滾動軸承安裝和反作用的點，其中滾動軸承是可旋轉地踏板曲軸1。外殼還可以包含用於驅動系統的一電子控制器（圖中未示出）。

行星齒輪機構20包括一行星齒輪架2，行星齒輪架2是支撐多個行星齒輪3並將騎乘者的力矩和速度施加到行星齒輪系統。行星齒輪架2是固定以用於與踏板軸1一起旋轉。踏板軸1接收騎乘者提供的力矩和速度，並將其傳遞到行星齒輪架2。

動力分流行星齒輪機構包括一太陽齒輪5，其由輔助馬達M2驅動旋轉並且隨著位於系統右側的鏈輪6旋轉。太陽齒輪5是與鏈輪6一起旋轉並且具有與行星齒輪3嚙合的外齒。

一環形齒輪4具有與行星齒輪3嚙合的內齒以及多個外齒，外齒是與比例控制馬達M1直接驅動的一第一小齒輪9嚙合。

行星齒輪3相對於行星齒輪架2是自由地旋轉並且因此向環形齒輪4和太陽齒輪5的齒輪齒（gear-teeth）施加相等的切向力，而不管這些部件的相對速度如何。因此，來自騎乘者的固定比例的力矩是分配給環形齒輪4，而來自騎乘者的力矩的剩餘部分是分配給太陽齒輪5。

輸出軸21可以是踏板軸1穿過的一中空管狀軸。

鏈輪或皮帶鏈輪6驅動一鏈條或一帶齒皮帶7， 用以驅動腳踏車的後輪。

一牽引齒輪8是被固定以與太陽齒輪5和鏈輪6（或鏈輪）一起旋轉。牽引齒輪8具有外齒，其與由輔助馬達M2直接驅動的一第二小齒輪11嚙合。

一第一單向離合器10是可釋放地將比例控制馬達M1的一軸S1連接到一剛性元件22，此剛性固定元件22是固定到腳踏車車架或與腳踏車車架成一體成形。較佳地，此剛性元件22可以是驅動單元的外殼。

第一單向離合器10是佈置成阻擋環形齒輪4在向前方向上的旋轉(即，向前方向是腳踏車向前運動時，踏板、鏈條和車輪的旋轉方向)，但允許環形齒輪4反向自由轉動。根據一個實施例，第一單向離合器10可包括被壓入外殼22內的一內孔（bore）中的單向滾柱軸承。

如第1圖所示的示例性實施例所示，控制馬達M1的第一軸S1是平行於環形齒輪4的旋轉軸。

根據另一實施例（未示出），控制馬達M1的第一軸S1可以垂直於環形齒輪4的旋轉軸的方向進行定位，由此環形齒輪4形成與行星齒輪3嚙合的內齒以及與第一小齒輪9依照一錐齒輪排列嚙合的側齒。

第二小齒輪11是經由一第二單向離合器12與輔助馬達M2的軸S2連接。第二小齒輪11與牽引齒輪8嚙合，輔助馬達M2可輔助並驅動腳踏車前進。

將輔助馬達M2與其小齒輪11連接的第二單向離合器12是佈置成當輔助馬達M2試圖沿著向前方向來驅動牽引齒輪8時進行接合，以輔助驅動腳踏車向前。當輔助馬達M2關閉但牽引齒輪8繼續向前旋轉時，第二單向離合器12允許牽引齒輪8自由旋轉。

第一、第二單向離合器10、12可以是例如棘爪和棘輪的形式，或者是具有滾子的一楔塊離合器，其在保持器（cage）內爬上斜坡，或者是纏繞一軸上的皮帶或條帶。

由於上述佈置，控制馬達M1藉由控制環形齒輪4的速度來控制踏板速度與腳踏車速度之間的比率。輔助馬達M2藉由驅動牽引齒輪8來給鏈輪6施加力矩，以協助腳踏車前進。

上述電動腳踏車驅動系統以下列方式運行。當腳踏車從靜止開始時，騎乘者藉由踏板向系統施加力矩。此力矩是經由踏板軸1、行星齒輪架2和行星齒輪3傳遞到系統中。行星齒輪3接著在環形齒輪4和太陽齒輪5之間分配所施加的力矩。

環形齒輪4與太陽齒輪5之間的力矩分配的示意圖如第2圖所示，其中：

Tc=施加在行星齒輪架2上的力矩；

Zr=行星齒輪架2的半徑；

Zs=行星齒輪的半徑；

Fr=施加在環形齒輪4上的切向力；

Fs=施加在太陽齒輪5上的切向力；

並且其中Fr=Fs=½*Tc/Zr

Tr=施加在環形齒輪上的力矩：Tr=Fr*(Zr+Zs)；以及

Ts=施加在太陽齒輪上的力矩：Ts=Fs*(Zr-Zs)

最初，從靜止開始（第3圖），控制馬達M1被關閉。力矩Tr是沿著一向前方向施加到環形齒輪4，然而第一單向離合器10是佈置成阻止環形齒輪4的向前旋轉。因此，力矩Tr被第一單向離合器10施加反作用力，並且環形齒輪4保持靜止。因此，騎乘者R提供的所有動力都轉移到太陽齒輪5，並且經由鏈輪或鏈輪6以及鏈條或皮帶7轉移到腳踏車車輪。腳踏車的踏板與車輪之間的傳動比表示如下：

由於第一單向離合器10的作用，其允許環形齒輪4沿著相反方向旋轉但不允許沿著向前旋轉，當環形齒輪4靜止時存在有最低總傳動比。行星齒輪系統的比率和鏈條或皮帶的比率可以被佈置成使得環形齒輪4靜止時的比率等於用於從靜止啟動腳踏車或爬陡坡的一合適的比率。作為指示，對於旅遊或通勤腳踏車，此最低比率可以具有大約1的數值。

在從靜止起步期間，牽引馬達M2可以通過控制器16由電池17供電，以便協助騎乘者向前移動腳踏車。牽引馬達M2經由第二單向離合器12和小齒輪11施加力矩以向前移動牽引齒輪8，從而輔助腳踏車向前加速。第二單向離合器12佈置成當牽引馬達M2沿著向前方向施加力矩給牽引齒輪8時被鎖定。

當腳踏車開始增加速度時，為了使踏板的轉速（即，踏板軸1的轉速）保持在提供給騎乘者舒適的速度，需要增加總傳動比。這是透過給控制馬達M1（第4圖）通電，以使環形齒輪4沿著相反方向旋轉來實現的。這個動作會解鎖第一單向離合器10，其佈置成允許環形齒輪4反向自由旋轉。控制馬達M1的速度被控制以保持所需的環形齒輪速度(Wr)，此速度由以下方程式給出：

Wr=(Wc(Zr+Zs)–WsxZs)/Zr

其中：

Wc=踏板軸1的期望轉速；

Ws=太陽齒輪5的轉速；

Wr=環形齒輪4因此所需的速度；

Zr和Zs是定義行星齒輪系統內槓桿比的系統半徑，如第2圖中的圖形所示。

當控制馬達M1的速度開始增加以保持舒適的踩踏速度時，它開始向系統提供機械動力：

Power _M1=Wr*Tr

其中，Tr是施加到環形齒輪4的力矩，以反作用於騎乘者的踩踏力矩（如第2圖所示）。

遵循能量守恆定律，由控制馬達M1提供的機械功率補充了由牽引馬達M2提供的機械功率，以幫助騎乘者向前移動腳踏車。

隨著腳踏車速度的進一步增加，騎乘者施加的力矩Tr趨於基本保持恆定，而控制馬達M1的速度繼續增加以保持舒適的踩踏速度，因此控制馬達M1的功率增加。可以藉由對控制器16進行程式化來對某些點進行設定，控制馬達M1的功率（Power _M1）變得足以向腳踏車輸送期望的電動輔助功率，並且不需要來自牽引馬達M2的進一步輔助。然後牽引馬達M2可以關閉（第5圖）以節省電能。腳踏車在騎乘者的動力和比例控制馬達M1的輔助下繼續向前移動，因此牽引齒輪8繼續沿著向前方向旋轉。然而，牽引馬達M2不再向牽引齒輪8施加一向前力矩，因此第二單向離合器12會解鎖，以允許第二小齒輪11相對於牽引馬達M2的軸自由旋轉。因此，允許電動馬達M2停止並且它不將減速力矩傳遞到牽引齒輪8或因此傳遞到腳踏車的車輪。

可以觀察到，如果第一單向離合器10不存在，當以較低速比（第3圖）從靜止開始時，力矩Tr將需要單獨地透過電動馬達M1進行反作用。由於電流必須通過馬達的繞組以產生必要的反力矩，因此控制馬達M1會消耗電能。然而，由於控制馬達M1是靜止的，因此這個馬達不會產生任何機械能。因此，所有電能都將在馬達繞組內轉換為熱量，這既低效又不利於馬達的耐用性。

還可以觀察到，如果第二單向離合器12不存在，當以高速加速時（第5圖），控制馬達M2將繼續旋轉並且它將向牽引齒輪8施加一減速力矩並因此傳到腳踏車的車輪。此外，馬達繞組內會產生電壓，這可能會損壞馬達的電子控制系統。

以下將可以理解到本驅動系統的優點和好處。

由於比例控制馬達M1的發熱減少，驅動系統的效率和耐用性得以提高。

由於第一單向離合器10的鎖定性能，當沒有電力供應到任何一個馬達時，例如當電池沒電時，腳踏車是可以被騎乘的（以最低傳動比）。這是系統行為的固有特徵—不需要選擇任何特殊的鎖定裝置或系統的操作模式。

由於牽引馬達M2可以在不需要時與系統機械地斷開，因此系統效率在更高的車速下得以提高。

因為牽引馬達M2不能產生制動力矩，所以它不能在其繞組內產生任何可能損壞電子系統的電壓。

任何一個馬達都沒有必要再生任何電能。這導致簡化的馬達控制和電子系統，以及簡化的電池管理系統，不需要提升馬達電壓來為電池充電。

雖然本揭露的實施例及其優點已揭露如上，但應該瞭解的是，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作更動、替代與潤飾。此外，本揭露之保護範圍並未侷限於說明書內所述特定實施例中的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，任何所屬技術領域中具有通常知識者可從本揭露揭示內容中理解現行或未來所發展出的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，只要可以在此處所述實施例中實施大抵相同功能或獲得大抵相同結果皆可根據本揭露使用。因此，本揭露之保護範圍包括上述製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟。另外，每一申請專利範圍構成個別的實施例，且本揭露之保護範圍也包括各個申請專利範圍及實施例的組合。

1:踏板軸/踏板曲軸 2:行星齒輪架 3:行星齒輪 4:環形齒輪 5:太陽齒輪 6:鏈輪/皮帶鏈輪 7:皮帶/帶齒皮帶 8:牽引齒輪 9:小齒輪/第一小齒輪 10:第一單向離合器 11:小齒輪/第二小齒輪 12:第二單向離合器 16:控制器 17:電池 20:行星齒輪機構 21:輸出軸 22:剛性元件/剛性固定元件/外殼 ER:電氣路徑 Fr:切向力 Fs:切向力 M1:電動馬達/控制馬達/比例控制馬達 M2:電動馬達/輔助馬達/牽引馬達 MR:機械路徑 R:騎乘者 S1:軸/第一軸 S2:軸 Tc:力矩 Tr:力矩 Ts:力矩 Zr:半徑 Zs:半徑

為了可以很好地理解本發明，現在將藉由舉例的方式來描述幾個較佳的實施例，並參考附圖，其中： 第1圖是根據本發明一實施例的電動腳踏車驅動系統的主要元件的示意性剖面圖。 第2圖示意性地顯示了通過行星齒輪機構的力矩分配關係。 第3圖、第4圖與第5圖示意性地描繪了腳踏車在加速其間的三個階段中系統內的功率流。

1:踏板軸/踏板曲軸

2:行星齒輪架

3:行星齒輪

4:環形齒輪

5:太陽齒輪

6:鏈輪/皮帶鏈輪

7:皮帶/帶齒皮帶

8:牽引齒輪

9:小齒輪/第一小齒輪

10:第一單向離合器

11:小齒輪/第二小齒輪

12:第二單向離合器

20:行星齒輪機構

21:輸出軸

22:剛性元件/剛性固定元件/外殼

M1:電動馬達/控制馬達/比例控制馬達

M2:電動馬達/輔助馬達/牽引馬達

S1:軸/第一軸

S2:軸

Claims (7)

1. 一種電動輔助驅動系統，包括： 一踏板軸（1），被一騎乘者操作； 一行星齒輪機構（20），配置以決定該踏板軸以及一輸出軸（21）之間的傳動比，以傳遞轉動到該電動腳踏車的一後輪； 一輔助馬達（M2），用以驅動一輸出軸（21）； 一控制馬達（M1），驅動地連接至該行星齒輪機構，且透過該行星齒輪機構來控制該踏板軸（1）與該輸出軸（21）之間的傳動比； 一第一單向離合器（10），可操作地連接到該控制馬達（M1）以及固定地安裝於一腳踏車架之一剛性元件（22）之間，其中該第一單向離合器（10）配置用以阻止該行星齒輪機構的一第一可旋轉構件（4）在一向前方向上的旋轉，並且用以釋放且允許該行星齒輪機構的該第一可旋轉構件在一相反方向自由旋轉；以及 一第二單向離合器 (12) ，可操作地連接到該輔助馬達與該輸出軸之間，其中該第二單向離合器配置以當輔助馬達 (M2) 被開啟時將該輔助馬達 (M2) 驅動地連接至該輸出軸 (21)，以在該向前方向上驅動該輸出軸，藉以輔助該電動腳踏車向前，並且當該輔助馬達關閉但該輸出軸 (21) 繼續在該向前方向旋轉時用以將該輔助馬達 (M2)從該輸出軸(21)分離。
2. 如請求項1所述之驅動系統，其中該行星齒輪機構（20）包括： 一太陽齒輪（5），固定以隨著該輸出軸旋轉； 一環形齒輪（4）； 一組行星齒輪（3），位於該太陽齒輪（5）與該環形齒輪（4）之間；以及 一行星齒輪架（2），固定以隨著該踏板軸（1）旋轉並支撐該些行星齒輪（3）； 其中該環形齒輪（4）與安裝在由該控制馬達 (M1) 驅動的一第一軸 (S1) 上的一第一小齒輪 (9) 嚙合，並且 該第一單向離合器（10）可操作地連接在該控制馬達（M1）的該第一軸（S1）和固定地安裝到該腳踏車架的該剛性元件（22）之間。
3. 如請求項2所述之驅動系統，其中該環形齒輪（4）形成與該些行星齒輪（3）嚙合的內齒以及與該第一小齒輪（9）嚙合的外齒。
4. 如請求項2所述之驅動系統，其中該環形齒輪（4）形成與該些行星齒輪（3）嚙合的內齒以及與該第一小齒輪（9）依照一錐齒輪排列嚙合的側齒。
5. 如請求項1至4中任一項之所述之驅動系統，更包括： 一第二小齒輪（11），可釋放地且驅動地經由該第二單向離合器（12）連接於該輔助馬達（M2）的一軸（S2）；以及 一牽引齒輪（8），固定以隨著該輸出軸（21）旋轉並且與該第二小齒輪（11）嚙合。
6. 如請求項1至5中任一項之所述之驅動系統，其中該輸出軸（21）包括軸向延伸的一中心管狀部分，其同軸地圍繞該踏板軸（1）的長度。
7. 一種包含請求項1至6中任一項之驅動系統之電動腳踏車。