TWI541166B

TWI541166B - 自行車用驅動單元

Info

Publication number: TWI541166B
Application number: TW102122018A
Authority: TW
Inventors: 田內充
Original assignee: 島野股份有限公司
Priority date: 2012-07-12
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2016-07-11
Also published as: DE102013011504A1; DE102013011504B4; CN103538685B; CN103538685A; JP2014019181A; TW201408540A; JP5442814B2

Description

自行車用驅動單元

本發明係關於使用馬達輸出作為輔助動力，且具有變速機構之電動輔助自行車之驅動單元。

作為使用馬達輸出當做輔助動力之電動輔助自行車，係有專利文獻1所記載之發明。專利文獻1之電動輔助自行車係具備：曲軸、筒狀中間軸、馬達、及包含鏈輪之旋轉構件。筒狀中間軸將踏力從與曲軸結合之一端部向另一端部傳達，且於一端部及另一端部之間具有檢測出踏力用之磁致伸縮感測器。旋轉構件係經由齒輪而連結於使馬達旋轉減速之減速機，且進而經由單向離合器而連接於筒狀中間軸之另一端部。

[先前專利文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利4612061號

然而，由於專利文獻1之自行車之驅動單元僅能檢測出踏力，故於該自行車之驅動單元係無法正確地檢測出經由鏈條而傳遞之旋轉力。

本發明係鑒於上述之課題而完成者，其目的在於提供一種在具有用於輔助行駛之馬達之自行車驅動單元中，可檢測踏力與馬達之輸出合成而成之旋轉力之自行車驅動單元。

用於解決上述課題之自行車驅動單元具備：第1連接部，其傳達來自馬達之輸出；第2連接部，其傳達來自曲軸之踏力；及驅動力傳達部，其具有：可連結鏈輪之鏈輪連接部、至少設置感測器之一部分之感測器配置部、及連結第1連接部與第2連接部之連結部；且感測器配置部係配置於鏈輪連接部與連結部之間。

因此，於感測器配置部附近，會因馬達之輸出與踏力合成而成之旋轉力而產生扭曲。因而設置於感測器配置部之感測器，可檢測出馬達之輸出與踏力合成而成之旋轉力。

進而，若驅動力傳達部包含插通曲軸之筒部的話較佳。藉此，由於驅動力傳達部可接近曲軸而配置，故實現自行車驅動單元之進一步輕量化及小型化。

進而，若感測器配置部設置於筒部之外側，且感測器檢測筒部之扭轉的話較佳。藉此，感測器可檢測於驅動力傳達部所產生之馬達之輸出與踏力合成而成之旋轉力。

進而，若第1連接部包含第1單向離合器的話較佳。藉此，可同時實現防止曲軸之旋轉力傳達至馬達、及使馬達高效率動作。

進而，若第2連接部包含第2單向離合器的話較佳。藉此，即使使用者使踏板繞著與通常旋轉之方向為反向之方向旋轉，鏈輪亦不會隨之旋轉。

進而，若第1連接部具有減速機構的話較佳。藉此，因可將馬達之輸出減速並傳達至驅動力傳達部，故可實現使馬達高效率動作之驅動力傳達部。

進而，減速機構較佳進而包含：第1齒輪，其係與連接於馬達之輸出軸之齒輪嚙合；及第2齒輪，其係與驅動力傳達部嚙合；且在第1 齒輪與第2齒輪之間之路徑上，設置第1單向離合器。藉此，可防止因賦予在曲軸上之旋轉力造成馬達之輸出軸旋轉。

進而，若感測器包含磁致伸縮元件的話較佳。藉此，感測器可檢測施加於曲軸上之扭轉。

進而，若該自行車驅動單元進而具備馬達的話較佳。藉此，可實現輔助行駛。

進而，若該自行車驅動單元進而具備連結於鏈輪連接部之鏈輪的話較佳。藉此，可將踏力與馬達之輸出合成而成之旋轉力傳達至後輪。

進而，若該自行車驅動單元進而具備曲軸的話較佳。藉此，可將使用者賦予踏板之踏力傳達至驅動力傳達部。

進而，若該自行車驅動單元進而包含根據感測器之檢測結果而控制馬達之控制部的話較佳。藉此，因可根據使用者踏力之大小來控制馬達之輸出，故可實現輔助行駛。

根據本發明，自行車驅動單元係可檢測踏力與馬達之輸出合成而成之旋轉力。

1‧‧‧驅動單元

11‧‧‧控制部

12‧‧‧變流器部

13‧‧‧速度感測器部

14‧‧‧變速部

15‧‧‧變速操作部

100‧‧‧踏板

101‧‧‧曲柄臂

102‧‧‧曲軸

102a‧‧‧第2單向離合器

102b‧‧‧單向離合器安裝部

103‧‧‧前鏈輪

103a‧‧‧基部

103b‧‧‧鏈輪本體

104‧‧‧鏈條

105‧‧‧後鏈輪

106‧‧‧車軸

111‧‧‧殼體

111a‧‧‧貫通孔

112‧‧‧第1軸承

113‧‧‧第2軸承

114‧‧‧第3軸承

115‧‧‧第8軸承

120‧‧‧馬達

120a‧‧‧轉子

120b‧‧‧定子

120c‧‧‧旋轉軸

122a‧‧‧安裝部

122b‧‧‧安裝部

124a‧‧‧第4軸承

124b‧‧‧第5軸承

130‧‧‧第1連接部

131‧‧‧第1齒輪

132‧‧‧第2齒輪

133‧‧‧單向離合器

134‧‧‧旋轉軸

135a‧‧‧第6軸承

135b‧‧‧第7軸承

136‧‧‧第3齒輪

140‧‧‧驅動力傳達部

140a‧‧‧第1筒部

140b‧‧‧第2筒部

140c‧‧‧連接部

141‧‧‧鏈輪連接部

142‧‧‧連結部

143‧‧‧感測器配置部

144‧‧‧插通孔

150‧‧‧感測器

151‧‧‧磁致伸縮元件

152‧‧‧線圈

160‧‧‧第2連接部

圖1係表示安裝有本發明之第1實施形態之驅動單元之電動輔助自行車之一部分之側視圖。

圖2係本發明之第1實施形態之驅動單元之剖面圖。

圖3係顯示本發明之第1實施形態之驅動單元之電動輔助自行車之方塊圖。

<第1實施形態>

圖1係表示安裝有本發明之第1實施形態之驅動單元1之電動輔助自行車之一部分之右側視圖。該電動輔助自行車係將作用於踏板100之踏力經由曲柄臂101→曲軸102→驅動單元1→前鏈輪103→鏈條104→後鏈輪105之路徑，傳達至可繞著後車輪之車軸106而旋轉地設置之花轂體。於此過程中，該電動輔助自行車將馬達輸出合成成輔助動力，來輔助行駛。於本實施形態，藉由後述之感測器檢測出使用者之踏力，且在該檢測值超過設定值時，啟動馬達產生根據踏力之扭矩來作為輔助動力。包含輔助用之馬達之驅動單元1，一般而言係配置於車架之座管之下端部與車架之下管之後端部之連結部附近，且利用未圖示之螺栓固定於車架上。馬達驅動用之電池係沿著後置物架、下管或座管而配置。

圖2係本發明之第1實施形態之驅動單元1之剖面圖。圖2係顯示從通過曲軸102、旋轉軸120c、及旋轉軸134之各者之軸線之圖1所示之剖面線II-II所觀察到之剖面圖。本驅動單元1係包含馬達(電動機)120、第1連接部130、第2連接部160、驅動力傳達部140、及感測器150而構成。

如圖2所示，於本驅動單元1中，將曲軸102內插於殼體111之貫通孔111a內。曲軸102之軸方向之兩端部係分別自殼體111突出。曲軸102之與鏈輪103為相反側之端部，係經由第1軸承112自由旋轉地受殼體111支撐。曲軸102之鏈輪103側之端部，係經由第2軸承113、鏈輪103、及第3軸承114自由旋轉地受殼體111支撐。第2軸承113係受鏈輪103支撐，鏈輪103係自由旋轉地受第3軸承114支撐。於曲軸102之軸方向之兩端部，係安裝有可裝卸之未圖示之曲柄臂101。兩個曲柄臂101中之一曲柄臂101，亦可不可裝卸地構成於曲軸102上。第1~第3軸承係例如利用徑向軸承而實現。

<輔助用馬達之構成>

馬達120係以使其旋轉軸120c與曲軸102平行之方式而配置。馬達 120之旋轉軸120c係自由旋轉地受於旋轉軸120c之方向上隔著間隔而配置之第4軸承124a及第5軸承124b支撐。旋轉軸120c係固定於馬達120之轉子120a上。馬達120之定子120b係設置於轉子120a之外周，且固定於殼體111。第4軸承124a、第5軸承124b分別受設置於殼體111之安裝部122a、122b支撐。第4軸承124a、第5軸承124b例如利用徑向軸承而實現。

<第1連接部之構成>

馬達120之輸出係經由第1齒輪131→第2齒輪132→單向離合器133→旋轉軸134→第3齒輪136，而傳達至驅動力傳達部140。於本發明之實施形態中，第1連接部130包含第1齒輪131、第2齒輪132、單向離合器133、旋轉軸134、及第3齒輪136而構成。旋轉軸134之旋轉軸線、與曲軸102及馬達120之旋轉軸120c之旋轉軸線各自平行地配置。旋轉軸134之旋轉軸線係設置於背離包含曲軸102及馬達120之旋轉軸120c之旋轉軸線之平面之位置。藉此，可使曲軸102與馬達120之旋轉軸120c儘可能地接近配置，而可形成小型化之驅動單元1。

第1齒輪131係固定於旋轉軸121上。藉此，第1齒輪131與旋轉軸121成為一體而旋轉。

第2齒輪132係與第1齒輪131嚙合。第2齒輪132經由第1單向離合器133，繞著旋轉軸134於一方向上自由旋轉地受支撐。第1單向離合器133例如藉由具備棘爪與棘輪之單向離合器而實現。第1單向離合器133係以將第2齒輪132之旋轉傳達至旋轉軸134、但不將旋轉軸134之旋轉傳達至第2齒輪132之方式而設置。

旋轉軸134係自由旋轉地受於旋轉軸134之方向上隔著間隔而配置之第6軸承135a及第7軸承135b支撐。第6軸承135a及第7軸承135b受殼體111支撐。第6軸承135a及第7軸承135b例如利用徑向軸承而實現。

第3齒輪136係固定於旋轉軸134上。藉此，第3齒輪136與旋轉軸134成為一體而旋轉。第3齒輪136與旋轉軸134亦可一體成形。第3齒輪136係與後述之驅動力傳達部140嚙合。

此處，第2齒輪132之齒數比第1齒輪131之齒數多，驅動力傳達部140之齒數比第3齒輪136之齒數多。此外，第2齒輪132之齒數係比第3齒輪136之齒數多。藉由使第1齒輪131與第2齒輪132嚙合，第3齒輪136與驅動力傳達部140嚙合，來實現2段減速。如此，第1連接部具有減速機構。

<第2連接部之構成>

使用者之踏力係經由踏板100→曲柄臂101→曲軸102→第2單向離合器102a，而傳達至驅動力傳達部140。本發明之實施形態中，第2連接部160係包含第2單向離合器102a與單向離合器安裝部102b而構成。單向離合器安裝部102b係固定於曲軸102上。藉此，單向離合器安裝部102b與曲軸102成為一體而旋轉。第2單向離合器102a係設置於單向離合器安裝部102b之外周部。第2單向離合器102a係藉由例如具備棘爪與棘輪之單向離合器而實現。第2單向離合器102a係以將曲軸102之旋轉傳達至連結部142，但不將連結部142之旋轉傳達至曲軸102之方式而設置。

<驅動力傳達部之構成>

驅動力傳達部140係將馬達120之輸出及曲軸之旋轉力合成而成之旋轉力傳達至鏈輪103。驅動力傳達部140係具備：鏈輪連接部141、連結部142、及感測器配置部143。若驅動力傳達部140進而具備插通曲軸102之插通孔144的話較佳。此處，驅動力傳達部140係成筒狀。驅動力傳達部140係包含：第1筒部140a，其係具有鏈輪連接部141及感測器配置部143；第2筒部140b，其係形成連結部142；及連接部140c，其係連接第1筒部140a及第2筒部140b。第1筒部140a、第2筒部140b、及連接部140c係一體成形。

鏈輪連接部141係可與鏈輪103連結。鏈輪連接部141係例如利用鋸齒或花鍵來將鏈輪103固定於驅動力傳達部140上。亦可將鏈輪103壓入鏈輪連接部141。驅動力傳達部140之鏈輪連接部141側之端部，係經由鏈輪103及第3軸承114可旋轉地受殼體111支撐。鏈輪103係具備：連接於鏈輪連接部141之基部103a、及鏈輪本體103b。基部103a係成筒狀，且於內周部連接有鏈輪連接部141。又，第2軸承113受基部103a之內周部支撐，外周部受第3軸承支撐。基部103a係從殼體111經由貫通孔111a突出至外側。

鏈輪本體103b係在從基部103a之殼體突出至外部之端部向徑方向延伸之外周部上形成有齒。雖然本實施形態中，基部103a、與鏈輪本體103b係一體成形，但亦可以異體來構成。本實施形態中，鏈輪本體103b之外周部係相對於與基部103a結合之基端部，向殼體111側偏移設置。

連結部142係連結第1連接部130與第2連接部160。意即，連結部142係具有與第3齒輪136嚙合之齒輪，且連接於第2單向離合器102a。為了後述之感測器150可容易檢測出於驅動力傳達部140所產生之扭轉，連結部142係於曲軸102之方向上與鏈輪連接部141分開設置為佳。

形成連結部142之第2筒部140b，係成外徑較第1筒部140a大之筒狀。連結部140c係自與第1筒部140a之鏈輪連接部141為相反側之端部向徑方向外側延伸，且徑方向之外周部連接於第2筒部140b。第2筒部140b係自連接部140c向鏈輪連接部141之相反側延伸。

於連結部142之外周部連接有第3齒輪136，於內周部則連接有第2單向離合器102a。第3齒輪136與第2單向離合器102a係在與曲軸102垂直之方向上，以至少一部分重疊之方式而設置。

第1筒部140a之與鏈輪連接部141為相反側之端部，係經由第8軸承115可旋轉地受曲軸102支撐。第8軸承115係配置於連接部140c與曲軸102之間。第8軸承115例如利用徑向軸承而實現。

於感測器配置部143，至少設置有感測器150之一部分。感測器150係包含磁致伸縮元件151、及檢測線圈152而構成。感測器配置部143係配置於鏈輪連接部141與連結部142之間。此外，感測器配置部143以設置於第1筒部140a之外周部為佳。於感測器配置部143上，例如設置有磁致伸縮感測器之一部分即磁致伸縮元件151。如圖2所示，在將磁致伸縮元件151設置於感測器配置部143之情形下，在第1筒部140a之外周側上，設置有用於使磁致伸縮元件151檢測扭轉之線圈152。於該情形，利用磁致伸縮元件151與線圈152，來形成檢測出第1筒部140a之扭轉之感測器150(磁致伸縮感測器)。檢測線圈152係設置於保持該檢測線圈152之線圈保持構件(未圖示)上。線圈保持構件係固定於殼體111上。第1筒部140a之扭轉，係對應於在第1筒部140a所產生之扭矩。

另外，圖2所示之感測器150之例終究不過是一例，亦可於感測器配置部143上設置應變計、半導體應變感測器來代替感測器150。在將應變計、半導體應變感測器等設置於感測器配置部143之情形，例如進而於感測器配置部143上設置將來自應變計、半導體應變感測器等之訊號以無線之方式發送之發送器，利用無線將該訊號或基於該訊號之資訊輸出至外部。此外，亦可設置使用光來檢測出感測器配置部143之扭曲之光學式感測器，來取代感測器150。

<馬達控制部之構成>

圖3係顯示包含驅動單元1之電動輔助自行車之電動電性構成之方塊圖。電動輔助自行車係包含驅動單元1、控制部11、變流器部12、速度感測器部13、變速部14、及變速操作部15而構成。控制部 11、變流器部12係亦可包含於驅動單元1內。此外，控制部11及變流器部12中之至少一者，亦可設置於驅動單元1之殼體111之內部或外周部。

馬達120係例如利用3相無刷DC馬達而實現，並利用變流器部12來驅動。變流器部12係基於控制部11之指令，利用切換控制將直流轉換成3相交流。速度感測器部13係檢測自行車之行駛速度。速度感測器部13係例如包含安裝於自行車之車輪之磁鐵、及安裝於車架之磁鐵檢測用感測器而構成。

控制部11根據踏力及自行車之速度，來控制變流器部12。此處，上述之感測器150係檢測將馬達120之輸出及曲軸之旋轉力合成而成之旋轉力。控制部11係例如包含運算處理裝置(CPU)、及記錄有特定程式之記憶體而構成。控制部11係具有用於驅動馬達120而輸出至變流器部12之指令、及馬達120根據該指令而輸出之扭矩之相關資訊。相關資訊係可以表格等表示，亦可利用關係式表示。因此，控制部11可掌握馬達120之輸出扭矩。從而，控制部11可基於感測器150所檢測出之馬達120之輸出及曲軸之旋轉力合成而成之旋轉力、及馬達120之輸出扭矩，而僅算出踏力。藉此，控制部11可根據踏力來控制馬達120。控制部11亦可測量流向馬達120之電流，來推定馬達120之驅動力。

變速部14係包含電動致動器及變速器而構成。變速器可為內裝變速器、外裝變速器之任一者。電動致動機係根據來自控制部11之指令而使變速器動作。

變速操作部15係包含開關而構成，且給予控制部11變速之切換指示。控制部11係具有手動變速模式及自動變速模式。手動變速模式中，控制部11係根據來自變速操作部15之變速之切換指令，來控制變速部14。於自動變速模式下，控制部11根據速度感測部13及感測器 150之至少一方之檢測，來控制變速部14。雖然本實施形態中，係以電動方式來控制變速器，但亦可成為根據變速操作部之操作而以通常之鋼線機械性控制變速器之構成。此外，雖然本實施形態中具備有變速器，但亦可為不具備變速器之構成。

<第1實施形態之效果>

接著，就本實施形態之效果說明。於本實施形態之驅動單元中，係可於連結部142獲得馬達120之輸出及曲軸之旋轉力合成而成之旋轉力。並且，藉由配置於鏈輪連接部141與連結部142之間之感測器150，來檢測出因該旋轉力而產生之筒部144之扭轉。因此，本實施形態之驅動單元可檢測出踏力與馬達之輸出合成而成之旋轉力。

搭載有例如電動手動變速器或自動變速器之自行車，且係於後輪使用了內裝變速器之自行車之情形，最好在施加於內裝變速器之扭矩較小時進行變速。本實施形態中，因可利用感測器150檢測出踏力與馬達之輸出合成而成之旋轉力，故可檢測出施加於內裝變速器之力，若使用該檢測結果，便可控制在施加於內裝變速器之扭矩為較小之範圍內進行變速，從而可順利地進行變速。

<變化例>

雖然於本實施形態中，作為第1連接部例示有由4個齒輪所構成之減速機構，但亦可使用2個或6個以上之齒輪來實現減速機構。此外，若馬達120可低速驅動，則亦可省略減速機構。於該情形，馬達輸出係經由單向離合器133而傳達至驅動力傳達部140。