專利名稱：用于進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)助力自行車的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電動(dòng)助力自行車，其能夠在電動(dòng)力輔助下，使用踏板力進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，更為具體地，涉及一種電動(dòng)助力自行車，其能夠使得騎行者進(jìn)行特定的運(yùn)動(dòng)，尤其是有氧運(yùn)動(dòng)。
現(xiàn)有技術(shù)近年來(lái)，通過輕量運(yùn)動(dòng)來(lái)改進(jìn)健康狀況和熱量消耗很受推崇。特別地，通過使用器材而適合于每一個(gè)人的理想訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)為騎自行車。即使在平坦的平面上，騎自行車也能夠提供有氧運(yùn)動(dòng)，從而可以使用較少的力量燃燒脂肪。此處，有氧運(yùn)動(dòng)指的是通過采用使用較少的力量持續(xù)20分鐘以上，從而將氧氣分配到身體各個(gè)部分以燃燒脂肪的運(yùn)動(dòng)，這與健身運(yùn)動(dòng)不同。在配備了調(diào)檔系統(tǒng)的自行車中，自行車在平坦表面上也可以進(jìn)行高速調(diào)檔，從而提高前進(jìn)速度，因此，可以增加風(fēng)和/或者滾動(dòng)阻力，以根據(jù)騎行者的要求，提供較重的負(fù)載或者合適的條件。
然而，當(dāng)在包括許多上坡和下坡在內(nèi)的典型路面上騎自行車時(shí)，上坡路不可避免地會(huì)引起登踏板增多(簡(jiǎn)而言之，需要更多的力)，并且此運(yùn)動(dòng)引起了肌肉鍛煉，從而鍛煉了大腿和小腿處的肌肉。另一方面，當(dāng)下降的時(shí)候，與踏板力動(dòng)作相反的負(fù)載會(huì)下降到零，導(dǎo)致沒有熱量消耗。
為了解決此問題，使用了多種自行車類型的室內(nèi)健身器材以根據(jù)計(jì)劃提供穩(wěn)定的訓(xùn)練，但是由于其是在室內(nèi)安裝，此類健身器材也有問題，即運(yùn)動(dòng)可用的空間有限，從而極大降低了運(yùn)動(dòng)的樂趣。還有一個(gè)問題，即室內(nèi)安裝會(huì)占用很多空間。
為此，根據(jù)在日本專利公開出版物No.Hei 10-203467中所公布的技術(shù)，推薦了電動(dòng)助力自行車，其另外添加了電動(dòng)力，用于輔助踏板力，其特征在于，可以得到充分的訓(xùn)練，而不會(huì)受到運(yùn)動(dòng)環(huán)境的影響。根據(jù)本技術(shù)的電動(dòng)助力自行車的一個(gè)方面，電動(dòng)助力自行車包括一個(gè)人工驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和一個(gè)包括用于輔助踏板力的電動(dòng)馬達(dá)的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)平行排列；并且還包括一個(gè)負(fù)載部分，用于將轉(zhuǎn)動(dòng)阻力施加到車輪；和一個(gè)控制部分，用于根據(jù)騎行者的實(shí)際人工功率(所檢測(cè)的踏板力×曲柄轉(zhuǎn)速)和預(yù)先設(shè)定的默認(rèn)功率之間的差值，由負(fù)載部分對(duì)電動(dòng)馬達(dá)的輸出和所施加的負(fù)載進(jìn)行控制。根據(jù)本技術(shù)，由于在上坡或者較高速度時(shí)，人的功率較大，所以控制部分可以對(duì)電動(dòng)馬達(dá)進(jìn)行控制，從而將人的功率控制在默認(rèn)功率強(qiáng)度，并且防止將過高的負(fù)載施加到人體。相反地，當(dāng)人力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸入軸轉(zhuǎn)速不高于預(yù)定值，并且踏板力也不高于預(yù)定值時(shí)，控制部分認(rèn)為自行車在進(jìn)行下坡運(yùn)動(dòng)，并且對(duì)負(fù)載部分的輸出值進(jìn)行控制，以將自行車速度調(diào)整到零。當(dāng)自行車進(jìn)行下坡運(yùn)動(dòng)時(shí)，在現(xiàn)有技術(shù)中，自行車自己進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而無(wú)需踏板力，但是與此相對(duì)，在根據(jù)該現(xiàn)有技術(shù)的電動(dòng)助力自行車中，需要施加與負(fù)載部分的負(fù)載相反的踏板力，從而根據(jù)功率，允許進(jìn)行一定數(shù)量的熱量消耗。
因此，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間甚至在包括很多上坡和下坡的典型地面上進(jìn)行輕微和長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)，和通過有氧運(yùn)動(dòng)方便地進(jìn)行減肥和提高新陳代謝功能而言，上述需要說(shuō)明的是，上述地出版物還公布了一個(gè)實(shí)例，在該實(shí)例中，至少將一個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)用作負(fù)載部分。
然而，在上述出版物中所公布的現(xiàn)有技術(shù)中，將包含電動(dòng)馬達(dá)的電動(dòng)助力裝置放置在曲軸的附近，將負(fù)載裝置放置在后輪附近，該負(fù)載裝置用作向后輪施加力作用的液壓盤制動(dòng)系統(tǒng)。使用此配置，除了電動(dòng)助力裝置，將大型的液壓盤制動(dòng)系統(tǒng)分開布置，電動(dòng)助力自行車的整個(gè)機(jī)構(gòu)非常復(fù)雜，并且增加了自行車的重量。更為不利的是，需要制作用于安裝復(fù)雜機(jī)構(gòu)的專用框架，這會(huì)由于不能使用普通的框架制作工藝而導(dǎo)致增加成本。
更進(jìn)一步，上述的出版物包括多種運(yùn)動(dòng)程序控制模式實(shí)例的描述，并且要求騎行者提前選擇控制模式。由于此原因，各騎行者難以在騎行時(shí)根據(jù)體力和/或者健康狀況的變化而進(jìn)行調(diào)整，并且難以在更換騎行者時(shí)改變物理狀態(tài)。
還有，由于該配置采用由剎車將負(fù)載施加到后輪，所以在后輪沒有與地面接觸的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)(即，當(dāng)自行車速度為零時(shí))，不允許騎行者執(zhí)行運(yùn)動(dòng)程序。例如，當(dāng)?shù)却煌舾淖儠r(shí)，必須暫時(shí)取消運(yùn)動(dòng)，而上述的出版物沒有公布任何針對(duì)性的解決方法。
根據(jù)上述的事實(shí)，得出了本發(fā)明，并且本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種電動(dòng)助力自行車，其具有簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)，能夠解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種電動(dòng)助力自行車，其能夠通過電動(dòng)力輔助的踏板力進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，所述的自行車包括用于檢測(cè)踏板力的踏板力檢測(cè)裝置，還包括輔助電動(dòng)裝置，其能夠至少根據(jù)所述的踏板力檢測(cè)裝置所檢測(cè)的踏板力選擇電動(dòng)力或者負(fù)載力中的一種，并且將所選擇的力施加到踏板力，從而將踏板力控制在可以進(jìn)行正常有氧運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度。
本發(fā)明的電動(dòng)助力自行車在正常的助力模式下，根據(jù)由踏板力檢測(cè)裝置所檢測(cè)的踏板力，使用從輔助電動(dòng)裝置輸出的電動(dòng)力，來(lái)對(duì)踏板力進(jìn)行助力，以運(yùn)轉(zhuǎn)自行車。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特征，在能夠進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)的有氧運(yùn)動(dòng)模式中，輔助電動(dòng)裝置能夠至少基于所述的踏板力檢測(cè)裝置所檢測(cè)的踏板力，選擇電動(dòng)力或者負(fù)載力，并且將所述選擇的力施加到踏板力，從而將踏板力的強(qiáng)度控制在能夠進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度范圍。例如，在騎行上坡路時(shí)，由于能夠使得所檢測(cè)的踏板力比進(jìn)行有氧鍛煉的所述踏板力強(qiáng)度高，則輔助電動(dòng)裝置對(duì)電動(dòng)力輸出進(jìn)行控制，從而踏板力能夠落在制定的踏板力強(qiáng)度范圍之內(nèi)。由于此原因，能夠?qū)崿F(xiàn)熱量消耗，同時(shí)防止由于騎行上坡路所生成的負(fù)載所導(dǎo)致的肌肉運(yùn)動(dòng)。更進(jìn)一步，在騎行下坡路時(shí)，由于所檢測(cè)的踏板強(qiáng)度比所述的進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)的踏板力強(qiáng)度低，則所述的輔助電動(dòng)裝置控制所述的負(fù)載力增大，直到所檢測(cè)的踏板力達(dá)到踏板力強(qiáng)度，則輔助電動(dòng)裝置控制負(fù)載力進(jìn)行增加，直到所檢測(cè)的踏板強(qiáng)度達(dá)到指定的踏板強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。這可以使得騎行者使用踏板力來(lái)克服相反方向的負(fù)載力，從而進(jìn)行熱量消耗。需要說(shuō)明的是，踏板強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)可以擴(kuò)展到一定的范圍。
因此，在本發(fā)明中，能夠輸出輔助電動(dòng)力的輔助電動(dòng)裝置，其本身不僅能夠輸出電動(dòng)力，而且可以輸出負(fù)載力。在優(yōu)選實(shí)施例中，將輔助電動(dòng)裝置配置為單一裝置。因此，和將與電動(dòng)裝置分離的大型制動(dòng)系統(tǒng)做為負(fù)載系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明能夠簡(jiǎn)化整個(gè)電動(dòng)助力自行車的機(jī)構(gòu)，并且降低其重量。更進(jìn)一步，本發(fā)明使得制作特定車底架的需求最小，并且可以使用現(xiàn)有的底架制作工藝。
在本發(fā)明的另外一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，電動(dòng)助力自行車還包括用于檢測(cè)騎行者心率的心率檢測(cè)裝置，其中，所述的輔助電動(dòng)裝置根據(jù)由所述的心率檢測(cè)裝置檢測(cè)到的至少一種心率，設(shè)定所述的踏板力強(qiáng)度。例如，如果心率為高，則將降低設(shè)定的踏板強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，但是如果相反，如果心率為低，則將提高設(shè)定的踏板強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。從而可以在各個(gè)騎行者在騎行時(shí)，根據(jù)體力和/或者健康狀況的變化而進(jìn)行調(diào)整，并且在更換騎行者時(shí)，可以改變物理狀態(tài)，從而使得可可以進(jìn)行充足的有氧運(yùn)動(dòng)。
在實(shí)現(xiàn)從輔助電動(dòng)裝置輸出負(fù)載力的實(shí)施例中，電動(dòng)助力自行車還包括合力裝置，用于將由所述的輔助電動(dòng)裝置所選擇輸出的電動(dòng)力或者負(fù)載力與踏板力進(jìn)行合成，其中，所述的輔助電動(dòng)裝置包括馬達(dá)；并且在電動(dòng)馬達(dá)和合力裝置之間提供電磁離合器。此時(shí)，將負(fù)載力提供為所述電動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，在所述的電動(dòng)馬達(dá)沒有供電時(shí)，由所述的電磁離合器通過將所述的電動(dòng)馬達(dá)與所述的合力裝置連接起來(lái)，而生成該負(fù)載力。因此，由于將提供輔助力和負(fù)載力的裝置集成為一個(gè)裝置，能夠極大地實(shí)現(xiàn)車體的簡(jiǎn)化。需要說(shuō)明的是，在正常的運(yùn)轉(zhuǎn)操作中，即，當(dāng)不在助力模式也不在有氧運(yùn)動(dòng)模式時(shí)，可以松開電磁離合器，以避免施加馬達(dá)負(fù)載。
優(yōu)選地，輔助電動(dòng)裝置包括減速裝置，將該減速裝置放置在所述的電動(dòng)馬達(dá)的輸出軸和所述的合力裝置之間，以降低所述電動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。更為優(yōu)選地，減速裝置具有用于改變減速比的系統(tǒng)。在此情況下，輔助電動(dòng)裝置通過改變所述的減速裝置的減速比，而對(duì)所述的負(fù)載力進(jìn)行調(diào)整。如果提供了使用電能為所述的電動(dòng)馬達(dá)供電的電池，則可以對(duì)所述電池的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，以在電池沒有對(duì)馬達(dá)供電的情況下，當(dāng)馬達(dá)由與負(fù)載力相反的踏板力進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，使得電池由電動(dòng)馬達(dá)中產(chǎn)生的電動(dòng)力進(jìn)行充電。以此方式，負(fù)載力會(huì)較大，而與此同時(shí)，可以忽略充電的效果，從而便于使用電動(dòng)助力自行車。
可選地，在將電動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力作為負(fù)載力的實(shí)施例中，電動(dòng)助力自行車還包括離合器機(jī)構(gòu)，其能夠?qū)崿F(xiàn)踏板的反向旋轉(zhuǎn)或者實(shí)現(xiàn)踏板力向車輪傳輸?shù)拈_-合轉(zhuǎn)換，從而即使在后輪沒有與地面接觸的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)(即，自行車速度為零)，也允許騎行者進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)。
在裝備了能夠通過旋轉(zhuǎn)而將踏板力傳送到主動(dòng)輪的主動(dòng)鏈輪的電動(dòng)助力自行車中，合力裝置的優(yōu)選實(shí)施例包括能夠與所述的主動(dòng)鏈輪進(jìn)行同軸旋轉(zhuǎn)的從動(dòng)鏈輪，由所述的輔助電動(dòng)裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)鏈輪，在所述的從動(dòng)鏈輪和所述的電動(dòng)鏈輪之間延展的輔助鏈。
根據(jù)本實(shí)施例，當(dāng)輔助電動(dòng)裝置輸出電動(dòng)力時(shí)，由所述的電動(dòng)力旋轉(zhuǎn)電動(dòng)鏈輪。通過與所述的電動(dòng)鏈輪連接的輔助鏈，將電動(dòng)鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩傳輸?shù)綇膭?dòng)鏈輪。以此方式旋轉(zhuǎn)的從動(dòng)鏈輪與主動(dòng)鏈輪進(jìn)行同軸旋轉(zhuǎn)，從而可以將電動(dòng)力立即傳輸?shù)街鲃?dòng)鏈輪。主動(dòng)鏈輪將最終由踏板力和電動(dòng)力合成的合力傳送到驅(qū)動(dòng)輪。
相反地，當(dāng)電動(dòng)馬達(dá)沒有供電時(shí)，將施加到主動(dòng)鏈輪的踏板力通過從動(dòng)鏈輪和電動(dòng)鏈輪以旋轉(zhuǎn)電動(dòng)馬達(dá)，從而提供與踏板力相反的負(fù)載。在使用雙鏈系統(tǒng)的配置作用下，可以顯著提高用于安裝輔助電動(dòng)裝置的自由度。例如，可以將電動(dòng)鏈輪放置在沿著從動(dòng)鏈輪的圓周方向的任何預(yù)定位置(同樣適用于主動(dòng)鏈輪)。更進(jìn)一步，如果改變了輔助鏈的長(zhǎng)度，可以按照預(yù)定的值對(duì)從動(dòng)鏈輪(同樣適用于主動(dòng)鏈輪)到電動(dòng)鏈輪的距離進(jìn)行改變。
在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于輔助電動(dòng)裝置，可以將踏板力強(qiáng)度設(shè)定為幾乎不變的踏板力值。當(dāng)然，可以將踏板模式進(jìn)行設(shè)定，從而只要其在進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)所允許的范圍之內(nèi)，就可以按照預(yù)定目標(biāo)以時(shí)間的函數(shù)進(jìn)行變化。例如，在可選的優(yōu)選實(shí)施例中，電動(dòng)助力自行車還包括轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，其中，根據(jù)所檢測(cè)的踏板力的產(chǎn)品所限定的功率和由所檢測(cè)的驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，由輔助電動(dòng)裝置對(duì)所述的踏板力強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。在下一個(gè)實(shí)施例中，由于不僅基于踏板力，而且基于能夠更為準(zhǔn)確地反映熱量消耗數(shù)量的實(shí)際功率來(lái)進(jìn)行體調(diào)整，所以可以使用更為合適的方式進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)。
更為優(yōu)選地，電動(dòng)助力自行車還包括用于對(duì)預(yù)定時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量的裝置，其中，如果與由測(cè)量時(shí)間的裝置所測(cè)量的時(shí)間有關(guān)的所述功率的整數(shù)值已經(jīng)達(dá)到預(yù)定的時(shí)間，則輔助電動(dòng)裝置停止能夠進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)的操作模式，并且轉(zhuǎn)換到正常的輔助操作模式。以此方式，可以適當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生預(yù)定量的有氧運(yùn)動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的可選優(yōu)選實(shí)施例，電動(dòng)助力自行車還包括一個(gè)單向離合器裝置，用于可操作地將驅(qū)動(dòng)軸與主動(dòng)鏈輪連接起來(lái)，從而將驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)充分地單向傳送到主動(dòng)鏈輪，其中，優(yōu)選的踏板力檢測(cè)裝置對(duì)物理量進(jìn)行檢測(cè)，該物理量根據(jù)由踏板力所造成的單向離合器的變形不同而變化。
在本實(shí)施例中，由于根據(jù)由踏板力所造成的單向離合器裝置的變形而變化的物理量來(lái)對(duì)輔助力進(jìn)行控制，所以該單向離合器裝置對(duì)自行車是必需的，可以忽略掉其它用于檢測(cè)轉(zhuǎn)矩的單獨(dú)部件，諸如大盤簧、圓盤等。這些部件用于現(xiàn)有技術(shù)中的電動(dòng)助力自行車，而沒有用于普通的自行車。因此，即使在踏板力檢測(cè)裝置中，也可以將機(jī)架的改進(jìn)壓縮到最小程度，從而本發(fā)明和各個(gè)實(shí)施例的所述效果一起，能夠便于對(duì)本發(fā)明整個(gè)電動(dòng)助力自行車進(jìn)行簡(jiǎn)化。
根據(jù)本發(fā)明的另外一個(gè)方面，提供了一種電動(dòng)助力自行車，能夠由電動(dòng)力輔助的踏板力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，所述的助力自行車包括用于檢測(cè)踏板力的踏板力檢測(cè)裝置；用于檢測(cè)騎行者心率的心率檢測(cè)裝置；踏板力設(shè)定裝置，用于根據(jù)由所述的心率檢測(cè)裝置所檢測(cè)的至少一種心率，對(duì)能夠進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)的踏板力強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)定；以及輔助電動(dòng)裝置，能夠?qū)㈦妱?dòng)力添加到踏板力，從而由所述的踏板力檢測(cè)裝置所檢測(cè)的踏板力可以降低到由所述的踏板力設(shè)定裝置所設(shè)定的所述踏板力強(qiáng)度范圍內(nèi)。
通過參考附圖，對(duì)下面描述的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明進(jìn)行閱讀，可以更為清楚地理解本發(fā)明地其它目的和優(yōu)點(diǎn)。


圖1顯示的是根據(jù)本發(fā)明的電動(dòng)助力自行車的示意圖；圖2顯示的是根據(jù)本發(fā)明的電動(dòng)助力自行車的控制系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)示意圖；圖3顯示的是根據(jù)本發(fā)明的電動(dòng)助力自行車的主控制流程圖；圖4顯示的在有氧運(yùn)動(dòng)操作模式下的操作過程中的控制流程圖；圖5顯示的是根據(jù)可選實(shí)施例，用于設(shè)定踏板力強(qiáng)度的流程圖；圖6顯示的是從主鏈輪的背面所看到的放大的正視圖，用于說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電動(dòng)助力自行車的雙鏈系統(tǒng)的合力裝置；圖7顯示的是本發(fā)明電動(dòng)助力自行車的合力裝置圖，其中(a)為從主鏈路的前面所觀察到的放大的正視圖，而(b)為其橫截面圖；圖8顯示的是從主鏈輪的背面所看到的放大的正視圖，用于說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施例的電動(dòng)助力自行車的雙鏈系統(tǒng)的合力裝置；圖9顯示的是NS極化環(huán)形磁鐵的頂部平面視圖和側(cè)視圖，該NS極化環(huán)形磁鐵用作轉(zhuǎn)速傳感器的一部分，嵌入到本發(fā)明的電動(dòng)助力自行車中；圖10顯示的是轉(zhuǎn)速傳感器的正視圖，通過將圖9中的NS極化環(huán)形磁鐵安裝到齒輪的表面而形成該轉(zhuǎn)速傳感器，以及沿著所述轉(zhuǎn)速傳感器的法線方向的側(cè)視圖；圖11顯示的是圖10的轉(zhuǎn)速傳感器的透視圖；圖12顯示的是由靠近NS極化環(huán)形磁鐵的霍爾IC所檢測(cè)的磁場(chǎng)信號(hào)的時(shí)域波形變化(temporal variation)；圖13顯示的是驅(qū)動(dòng)軸周圍的截面圖，該驅(qū)動(dòng)軸包括單向離合器，而單向離合器包括本發(fā)明的電動(dòng)助力自行車的踏板力檢測(cè)機(jī)構(gòu)；圖14顯示的是圖13中的單向離合器的分解透視圖；圖15顯示的是單向離合器(棘齒齒輪)的輪齒和棘爪的使用狀態(tài)，用于說(shuō)明對(duì)本發(fā)明電動(dòng)助力自行車的踏板力進(jìn)行檢測(cè)的原理；圖16顯示的是抗旋轉(zhuǎn)裝置的實(shí)例圖，用于抑制棘爪相對(duì)于驅(qū)動(dòng)軸的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，其中(a)為滾珠花鍵通常配置的頂部平面視圖，(b)為花鍵的頂部平面視圖，(c)為鍵槽的頂部平面視圖；以及圖17顯示的是特定的控制程序及其在圖4的流程中所顯示的路面上進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的結(jié)果，其中(a)與沒有考慮心率的控制有關(guān)，而(b)與考慮了心率的控制有關(guān)。
具體實(shí)施例方式
下面參考附圖，對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行描述。
圖1顯示的是根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的電動(dòng)助力自行車的通常配置。如圖1所示，與普通自行車類似，本電動(dòng)助力自行車1的主車架結(jié)構(gòu)包括由金屬管制成的車底架3，以已知方式安裝在所述車底架3上的前輪20，后輪22，把手16，鞍座18等等。
更進(jìn)一步，將驅(qū)動(dòng)軸4可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在車底架3的下中部，通過曲柄6L、6R而使用踏板8L、8R將驅(qū)動(dòng)軸4進(jìn)行固定。使用單向離合器(參見圖7(b)，99，將在后面進(jìn)行描述)將驅(qū)動(dòng)軸4與主鏈輪2進(jìn)行同軸固定，以僅在與車體的前進(jìn)驅(qū)動(dòng)方向?qū)?yīng)的R方向?qū)D(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行傳送。將無(wú)接頭鏈12安裝在本主動(dòng)鏈輪2和后輪電動(dòng)裝置10之間，而將該后輪電動(dòng)裝置10安放在后輪22的中央位置。
本實(shí)施例的電動(dòng)助力自行車1能夠在三種模式之一下進(jìn)行運(yùn)行第一為有氧運(yùn)動(dòng)模式，該模式能夠使得騎行者在運(yùn)行過程主進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)；第二為電動(dòng)助力模式，該模式用于由踏板力在電動(dòng)力的輔助下進(jìn)行運(yùn)行，根據(jù)自行車運(yùn)行速度和踏板力所確定的最小的輔助比(輔助電動(dòng)力/踏板力)，確定電動(dòng)力的大?。坏谌?，正常操作模式，表示在無(wú)電動(dòng)力或者負(fù)載力時(shí)的普通自行車運(yùn)行模式。
下面參考圖2，對(duì)在根據(jù)本發(fā)明的電動(dòng)助力自行車1中，進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)模式和電動(dòng)助力模式的主要部分進(jìn)行描述。由一個(gè)16位單芯片微型計(jì)算機(jī)14對(duì)該主要部分進(jìn)行控制。在單芯片微型計(jì)算機(jī)14中，一條數(shù)據(jù)或者命令包括16位。根據(jù)存儲(chǔ)在非揮發(fā)性存儲(chǔ)器(未顯示)中的預(yù)定程序，該微型計(jì)算機(jī)14執(zhí)行程序。單芯片微型計(jì)算機(jī)14還包括時(shí)鐘功能，并且能夠在預(yù)定過程中，使用時(shí)鐘數(shù)來(lái)對(duì)時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量。
16位單芯片微型計(jì)算機(jī)14的控制系統(tǒng)包括PWM控制電動(dòng)馬達(dá)37和放大電路15，該放大電路15將從單芯片微型計(jì)算機(jī)14輸出的控制信號(hào)的電功率進(jìn)行放大，然后將其輸出到所述的電動(dòng)馬達(dá)37。需要指出，將電池17連接到放大電路15，從而將電功率供應(yīng)到電動(dòng)馬達(dá)37。單芯片微型計(jì)算機(jī)14執(zhí)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，以根據(jù)將在下面進(jìn)行描述的預(yù)定算法來(lái)確定輔助力，然后輸出經(jīng)過調(diào)制的脈沖信號(hào)，使得脈沖寬度對(duì)應(yīng)于所述的輔助力，以使得電動(dòng)馬達(dá)37根據(jù)所述的輔助力而輸出轉(zhuǎn)矩。需要指出，放大電路15不僅具有用于脈沖信號(hào)的電功率放大功能，而且具有用于脈沖信號(hào)的緩沖器功能。
將電動(dòng)馬達(dá)37的輸出軸37a連接到減速裝置35，以使用變化的減速比，降低電動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，更進(jìn)一步，將減速裝置35的輸出軸35a連接到電動(dòng)鏈輪33，從而將輸出的電動(dòng)力與踏板力進(jìn)行合成。將在后面對(duì)合力裝置的細(xì)節(jié)進(jìn)行描述。
例如，可以將行星齒輪機(jī)構(gòu)作為減速裝置35，該行星齒輪機(jī)構(gòu)包括中心齒輪、行星齒輪、環(huán)形齒輪、離合器等等。在本配置的實(shí)例中，可以通過由單芯片微型計(jì)算機(jī)14的控制信號(hào)對(duì)多個(gè)離合器的嚙合和脫離進(jìn)行電磁控制，而對(duì)減速裝置35的減速比進(jìn)行控制。更進(jìn)一步，在從電動(dòng)馬達(dá)37的輸出軸37a到減速裝置35的輸出軸35a進(jìn)行轉(zhuǎn)矩傳輸時(shí)，減速裝置35設(shè)置有電磁離合器250。該電磁離合器250根據(jù)單芯片微型計(jì)算機(jī)14的控制信號(hào)，移動(dòng)到嚙合位置或者脫離位置，從而閉合或者打開到電動(dòng)鏈輪33的轉(zhuǎn)矩的傳輸。
另一方面，如果在沒有對(duì)電動(dòng)馬達(dá)35供電時(shí)，電磁離合器250移動(dòng)到嚙合狀態(tài)，則電動(dòng)馬達(dá)35由電動(dòng)鏈輪33的轉(zhuǎn)矩或者踏板力進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，其中，在電動(dòng)馬達(dá)35中所產(chǎn)生的反作用轉(zhuǎn)矩的作用是與踏板力相反的負(fù)載力。同時(shí)，在電動(dòng)馬達(dá)35中生成電動(dòng)力。使用放大電路15，從而使得馬達(dá)的該電動(dòng)力可以用于為電池17充電。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，可以使用與馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向極性反轉(zhuǎn)的方法對(duì)電池進(jìn)行充電，從而無(wú)論馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向如何，為電池供電的電壓極性總是相同。
如圖2所示的檢測(cè)系統(tǒng)的主要部分包括轉(zhuǎn)速傳感器220，用于檢測(cè)反映自行車速度的元件的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，例如驅(qū)動(dòng)軸4；至少兩個(gè)應(yīng)變儀126，用于輸出代表踏板力的信號(hào)；數(shù)學(xué)運(yùn)算部分252，用于將從所述應(yīng)變儀輸出的信號(hào)求平均值(或者求和并且輸出)，并且進(jìn)行輸出；心率檢測(cè)傳感器254，用于檢測(cè)騎行者的心率；以及模式轉(zhuǎn)換開關(guān)256，用于從所述的三種操作模式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。將轉(zhuǎn)速信號(hào)、應(yīng)變儀信號(hào)、心率信號(hào)和操作模式信號(hào)的輸出信號(hào)輸入到單芯片微型計(jì)算機(jī)14，并且存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器(未顯示)中。
需要指出，單芯片微型計(jì)算機(jī)14存儲(chǔ)了一種代碼，用于將模式轉(zhuǎn)換開關(guān)256所指定的操作模式標(biāo)志“Fd”標(biāo)識(shí)為操作模式，另外，在留有不足的電池容量或者在電動(dòng)馬達(dá)的溫度超出可用范圍內(nèi)的情況下，即使模式轉(zhuǎn)換開關(guān)256指向有氧運(yùn)動(dòng)模式或者電動(dòng)助力模式，單芯片微型計(jì)算機(jī)14具有將操作模式標(biāo)志Fd重新寫入表示正常操作模式的代碼。
下面，對(duì)使用轉(zhuǎn)速傳感器220和應(yīng)變儀126的轉(zhuǎn)矩檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)描述。
心率檢測(cè)傳感器254可以使用周知的可以佩戴在身體任何預(yù)定位置上的傳感器，例如，包括騎行者的耳朵、指尖或者手臂。更進(jìn)一步，除了心率檢測(cè)或者其它功能，可以使用該傳感器檢測(cè)諸如血壓的人體多種參數(shù)。
參考圖6到圖8，對(duì)用于在電動(dòng)助力自行車1中合成輔助力和踏板力的合力機(jī)構(gòu)和用于提供所述輔助力的機(jī)構(gòu)進(jìn)行描述。
圖6顯示的是當(dāng)從主動(dòng)鏈輪2的反面(圖1的反面)觀察到的合力機(jī)構(gòu)的實(shí)例。該合力機(jī)構(gòu)包括與主動(dòng)鏈輪2同心支撐的從動(dòng)鏈輪30；能夠在預(yù)定條件下，由輸出的輔助力進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的電動(dòng)鏈輪33；進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的輔助鏈32，其在電動(dòng)鏈輪33和從動(dòng)鏈輪30之間連接，以將所述電動(dòng)鏈輪33的輔助力傳輸?shù)剿龅膹膭?dòng)鏈輪30。電動(dòng)鏈輪33和從動(dòng)鏈輪30具有位于同一節(jié)距內(nèi)的輪齒，其中，優(yōu)選地，電動(dòng)鏈輪33的輪齒數(shù)目小于從動(dòng)鏈輪30的輪齒數(shù)目。
由于圖6的合力機(jī)構(gòu)相對(duì)于主鏈輪2位于車體的內(nèi)側(cè)，而主動(dòng)鏈輪2、從動(dòng)鏈輪30和電動(dòng)鏈輪33不會(huì)從車體中突出，從而使得車體很緊湊。更進(jìn)一步，如圖所示，由于主動(dòng)鏈輪2和電動(dòng)鏈輪33之間的距離可以比主動(dòng)鏈輪2的半徑小，所以整個(gè)合力機(jī)構(gòu)可以形成為外形小巧的單元。由于此原因，如圖7(a)所示，如果從自行車的外部(即，從前面)看來(lái)，合力機(jī)構(gòu)的大部分隱藏于主動(dòng)鏈輪2的軸向內(nèi)側(cè)，因此不必?fù)?dān)心會(huì)影響外觀。在主動(dòng)鏈輪2上安裝鏈盒38，以覆蓋鏈12，從而為鏈提供了保護(hù)，同時(shí)使得外表更加美觀。
圖7(b)顯示的是沿著通過主動(dòng)鏈輪2的中心的垂直線的、圖7(a)的橫截面圖。如圖7(b)所示，由銷子123將主動(dòng)鏈輪和從動(dòng)鏈輪32進(jìn)行固定，從而使得兩者不會(huì)單獨(dú)移動(dòng)(即，作為整體旋轉(zhuǎn))，并且使用單向離合器99將兩者連接到驅(qū)動(dòng)軸4。可以使用與驅(qū)動(dòng)軸4平行方向進(jìn)行延伸的電動(dòng)軸35a將電動(dòng)鏈輪33連接到驅(qū)動(dòng)裝置13。通過早電動(dòng)鏈輪33的中心孔34中形成鋸齒狀突起(參考圖6和8)，可以防止電動(dòng)軸35a和中心孔34之間的滑動(dòng)旋轉(zhuǎn)。
與普通自行車類似，將驅(qū)動(dòng)裝置13安裝到車體，并且其支架包括上述的電動(dòng)馬達(dá)37和減速裝置35。
現(xiàn)在對(duì)本實(shí)施例的合力機(jī)構(gòu)的操作進(jìn)行描述。
當(dāng)在預(yù)定條件下控制電動(dòng)馬達(dá)37進(jìn)行旋轉(zhuǎn)并且通過減速裝置35將從電動(dòng)馬達(dá)37輸出的輔助力傳送到電動(dòng)鏈輪33時(shí)，通過輔助鏈32將電動(dòng)鏈輪的轉(zhuǎn)矩傳送到從動(dòng)鏈輪30，然后馬上將該轉(zhuǎn)矩傳送到固定在所示從動(dòng)鏈輪30的主動(dòng)鏈輪2，并且由踏板力轉(zhuǎn)動(dòng)主動(dòng)鏈輪2。從而，能夠?qū)崿F(xiàn)輔助力和踏板力的合成。
當(dāng)沒有驅(qū)動(dòng)電動(dòng)馬達(dá)37進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，則所述單向離合器(未顯示，安裝在減速裝置35中)阻止將轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)37所必需的負(fù)載傳送到電動(dòng)鏈輪33，從而允許進(jìn)行自行車的低強(qiáng)度騎行。
因此，本實(shí)施例使用了雙鏈系統(tǒng)，其中，與現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)不同，沒有將輔助力直接傳送到鏈12，用以傳送踏板力，而是通過單獨(dú)的鏈32將電動(dòng)鏈輪33的輔助轉(zhuǎn)矩傳送到與主動(dòng)鏈輪2連接的從動(dòng)鏈輪30。使用這種配置，與現(xiàn)有技術(shù)相比，可以極大地增加安裝驅(qū)動(dòng)裝置13的靈活程度。例如，如圖6和7(a)所示，由于可以將驅(qū)動(dòng)裝置放置在自行車的前進(jìn)方向，因此，也可以將驅(qū)動(dòng)裝置13安裝在普通的自行車車架上，而不同于專用于電動(dòng)助力自行車的所述車架。
當(dāng)然，可以將電動(dòng)鏈輪33放置在沿圓周方向的任何位置。圖8顯示的是將電動(dòng)鏈輪33的位置在圓周方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)90度的實(shí)例。在該實(shí)例中，可以將驅(qū)動(dòng)裝置13安裝在鞍座18的支承架上(圖1)。更進(jìn)一步，通過選擇輔助鏈32的長(zhǎng)度，可以將電動(dòng)鏈輪33徑向方向的位置(即，從主動(dòng)鏈輪2的中心到電動(dòng)鏈輪33的中心的距離)按照預(yù)定的值修改為更靠外或者更靠?jī)?nèi)。因此，可以將驅(qū)動(dòng)裝置13的最小離地凈高調(diào)整為較大或者較小。
以此方式，由于雙鏈系統(tǒng)具有用于安裝的較大自由度，所以可以將電源系統(tǒng)安裝在任何自行車上，而不受該類自行車施加的限制。換言之，可以極大地提高設(shè)計(jì)的靈活度。
另外，如果電動(dòng)鏈輪33的輪齒數(shù)目小于所示從動(dòng)鏈輪30的輪齒數(shù)目，那么合力裝置可以獨(dú)力地提供減速系統(tǒng)。由此，可以將減速裝置35的減速比設(shè)定為很小，從而可以將減速裝置做得很小巧。因此，在本實(shí)施例中，可以擴(kuò)展減速比的靈活程度。
圖3的流程圖通過實(shí)例顯示了圖2中的單芯片微型計(jì)算機(jī)14主要處理流程。以預(yù)定的周期對(duì)主要流出進(jìn)行重復(fù)。
如圖3所示，首先，判斷存儲(chǔ)在寄存器中的操作模式標(biāo)志Fd(步驟300)。根據(jù)本操作模式標(biāo)志Fd的代碼信息，分支進(jìn)行后面的處理。
如果在步驟300中選擇的是電動(dòng)助力模式，則單芯片微型計(jì)算機(jī)14根據(jù)輸入的轉(zhuǎn)速信號(hào)，計(jì)算相關(guān)的自行車速度“V”或者物理量(步驟302)。因此，單芯片微型計(jì)算機(jī)14根據(jù)數(shù)學(xué)計(jì)算器252的應(yīng)變儀信號(hào)而計(jì)算相關(guān)的踏板力或者物理量“Pq”(步驟304)。然后，根據(jù)計(jì)算的自行車速度和踏板力Pq，單芯片微型計(jì)算機(jī)14確定相關(guān)的輔助比率(電動(dòng)力/踏板力)或者控制量(步驟306)。例如，可以使用查詢表而確定輔助比率，該查詢表定義了自行車速度和踏板強(qiáng)度各個(gè)值與用于輔助的控制量之間的關(guān)系。然后，在使用了電磁離合器250的情況下，單芯片微型計(jì)算機(jī)14將PWM(脈寬調(diào)制)控制用于電動(dòng)馬達(dá)37，以輸出與所確定的輔助比率相對(duì)應(yīng)的輔助力(步驟308)。具體而言，順序輸出與所述的輔助力對(duì)應(yīng)的調(diào)制脈寬的脈沖信號(hào)。只要沒有重新寫入操作模式標(biāo)志Fd“電動(dòng)輔助模式”，則連續(xù)重復(fù)步驟302到308。
如果在步驟300中選擇了正常操作模式，則單芯片微型計(jì)算機(jī)14使得電磁離合器250脫離，同時(shí)停止電動(dòng)馬達(dá)37(步驟310)。只要沒有重新寫入操作模式標(biāo)志Fd“正常操作模式”，則連續(xù)重復(fù)步驟310。
如果在步驟300中選擇了有氧運(yùn)動(dòng)模式，則執(zhí)行使得騎行者進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)的操作(步驟312)。只要沒有重新寫入操作模式標(biāo)志Fd“有氧運(yùn)動(dòng)模式”，則連續(xù)重復(fù)步驟312。
現(xiàn)在參考圖4的流程圖，對(duì)有氧運(yùn)動(dòng)模式操作的概念處理流程進(jìn)行描述。
首先，單芯片微型計(jì)算機(jī)14根據(jù)數(shù)學(xué)計(jì)算器252的應(yīng)變儀信號(hào)，對(duì)相關(guān)的踏板力或者物理量Pq進(jìn)行計(jì)算(步驟330)。然后，根據(jù)心率檢測(cè)傳感器254的信號(hào)，對(duì)心率“h”進(jìn)行檢測(cè)(步驟332)。然后，將能夠使得騎行者進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)的踏板力“Pr”設(shè)定為控制目標(biāo)(步驟334)。例如，如果心率h相對(duì)較高，則可以將踏板力Pr設(shè)定為低，而如果心率h相對(duì)較低，則可以將踏板力Pr設(shè)定為高?？梢酝ㄟ^查詢表實(shí)現(xiàn)此步驟。在該表中，針對(duì)各種心率存儲(chǔ)了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)踏板力值。
下一步，將Pq與Pr進(jìn)行比較，以確定哪個(gè)為較高的值(步驟336)。
如果所檢測(cè)的踏板力Pq大于所設(shè)定的踏板力Pr(即，Pq＞Pr)，則計(jì)算用于將踏板力Pq降低到代表目標(biāo)值Pr的電動(dòng)力Te(步驟338)。該電動(dòng)力Te為(Pq-Pr)的函數(shù)(最簡(jiǎn)單的情況，為比例關(guān)系)。然后，在使得電磁離合器250嚙合的情況下，將PWM控制用于電動(dòng)馬達(dá)37，從而產(chǎn)生在步驟338中所計(jì)算的電動(dòng)力Te(步驟340)。
與此對(duì)比，如果所檢測(cè)的踏板力Pq小于在步驟336中所確定的設(shè)定踏板力Pr(即，Pq＜Pr)，則計(jì)算用于將踏板力Pq增加到代表目標(biāo)值Pr的負(fù)載力“L”(步驟342)。該負(fù)載力L為(Pr-Pq)的函數(shù)(最簡(jiǎn)單的情況，為比例關(guān)系)。然后，將減速裝置35的齒輪轉(zhuǎn)換到用于實(shí)現(xiàn)所計(jì)算負(fù)載力必需的減速比(步驟344)。然后，在使得電磁離合器250嚙合的情況下，關(guān)閉電動(dòng)馬達(dá)37，從而產(chǎn)生與踏板力相反的負(fù)載力(步驟346)。需要指出，如果在經(jīng)過一定周期后，踏板力Pq仍然沒有達(dá)到Pr，則可以繼續(xù)增加負(fù)載力，從而降低自行車速度，以使得騎行者增加踏板力。
如果所檢測(cè)的踏板力Pq等于在步驟336中所確定的所檢測(cè)的設(shè)定踏板力Pr(即，Pq＝Pr)，則脫開電磁離合器250，并且關(guān)閉電動(dòng)馬達(dá)37。以此方式，沒有施加電動(dòng)力或者負(fù)載力，僅僅繼續(xù)當(dāng)前踏板力基本等于設(shè)定踏板力的操作。
如果結(jié)束了上述子處理過程的任何一個(gè)，則處理過程退出圖4中所示的子程序，并且返回圖3所示的主程序的步驟300，以重復(fù)相同的處理過程。
如上所述，在本發(fā)明中，配置成單一裝置的驅(qū)動(dòng)裝置13本身不僅能夠提供電動(dòng)力，也可以提供負(fù)載力。因此，與現(xiàn)有技術(shù)中將負(fù)載裝置從電動(dòng)裝置嵌入為大型制動(dòng)系統(tǒng)相比，本發(fā)明能夠簡(jiǎn)化電動(dòng)助力自行車1的整個(gè)機(jī)構(gòu)，并且減輕其重量。更進(jìn)一步，結(jié)合將所述雙鏈系統(tǒng)作為合力機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明使得制作專用車底架的需要最小，并且可以使用現(xiàn)有的車架制作工藝。
更進(jìn)一步，當(dāng)自行車在交通燈等處停下時(shí)，在使用了由后輪的旋轉(zhuǎn)所生成的負(fù)載的現(xiàn)有技術(shù)中，在使用雙腳架支架等使得后輪離開地面后，必須踩踏板，這缺乏運(yùn)動(dòng)的快速性。然而，由于本實(shí)施例使用電動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力作為負(fù)載力，并且使用了雙鏈系統(tǒng)等的合力機(jī)構(gòu)，當(dāng)后輪與地面接觸時(shí)，即使在沒有運(yùn)動(dòng)期間(即，當(dāng)自行車速度為零時(shí))，如果使用單足角架快速撐住自行車使其不倒下，并且在相反方向踩踏板，則在正常施加負(fù)載時(shí)，在靜止時(shí)間內(nèi)，可以繼續(xù)進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)(在靜止期間的有氧運(yùn)動(dòng))。
下面參考圖17(a)和(b)，對(duì)圖4子程序中的過程概述進(jìn)行更為具體的描述。如圖17(a)所示，假設(shè)根據(jù)本實(shí)例的電動(dòng)助力自行車1在路上行駛，路面包括平路“r1”，上坡“r2”，坡頂平路“r3”，下坡“r4”和平路“r5”。此時(shí)，對(duì)于在各種路面上行駛所需的推進(jìn)力，顯示了適于在平路r1、r3和r5上進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)的常數(shù)值(設(shè)定踏板力值)。另一方面，在上坡r2上的推進(jìn)力顯示為最大值，比在平路上的推進(jìn)力大很多，而在下坡r4，推進(jìn)力顯示為最小值，零。因此，由于踏板力Pq幾乎等于在平路r1、r3和r5上進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)的設(shè)定踏板力值，所以在本實(shí)例中不會(huì)使用電動(dòng)力和負(fù)載力。與此相比，當(dāng)在上坡r2上行駛時(shí)，由于踏板力比設(shè)定踏板力值高，因此將由電動(dòng)力對(duì)多出的部分進(jìn)行補(bǔ)償，從而，將所述的踏板力降低到接近設(shè)定踏板力。相反地，即使在沒有施加任何踏板力時(shí)，自行車也能夠下降，從而應(yīng)當(dāng)施加負(fù)載力，以降低自行車速度，并且使得騎行者施加踏板力，如圖所示。
因此，即使在包括上坡和下坡的路面上行駛時(shí)，騎行者也能夠使用接近恒定的踏板力，從而適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)。
在實(shí)際中，在行駛過程中，心率是變化的，圖17(b)顯示的是考慮了心率的控制實(shí)例。如圖所示，假設(shè)心率的變化使得當(dāng)在上坡r2上行駛時(shí)心率增加到相對(duì)較高的值，在平路r1、r3和r5和下坡r4上行駛時(shí)，心率幾乎相等。
在圖17(b)的實(shí)例中，在行駛到上坡r2的中間時(shí)的時(shí)間“t1”處，心率超出了閾值“H”，并且此時(shí)，進(jìn)行控制使得可以將根據(jù)心率確定的附加轉(zhuǎn)矩260加到圖17(a)的電動(dòng)力和負(fù)載力上。結(jié)果，騎行者的踏板力在時(shí)刻“t”之后下降到小于先前的踏板力，以防止心率再增長(zhǎng)。因此，在考慮了心率的模式中，可以進(jìn)行足夠的有氧運(yùn)動(dòng)，這與騎行者的健康狀況，或者在行駛過程中每個(gè)騎行者的體力差異和在運(yùn)動(dòng)中體力狀況的變化密切相關(guān)。
現(xiàn)在參考圖5的流程圖，對(duì)圖4中步驟334的可選模式進(jìn)行詳細(xì)描述。這用于使用功率的觀點(diǎn)對(duì)踏板力進(jìn)行設(shè)定，以及用于管理有氧運(yùn)動(dòng)的工作負(fù)荷。
首先，對(duì)時(shí)間間隔“Δt”進(jìn)行計(jì)數(shù)(步驟360)。將時(shí)間間隔Δt定義為在處理過程跳出圖5的子程序的時(shí)刻到該處理過程再次調(diào)用該子程序之間的時(shí)間間隔，在將踏板力、轉(zhuǎn)速等考慮為常數(shù)時(shí)，該時(shí)間間隔代表一分鐘的時(shí)間間隔。
第二，對(duì)驅(qū)動(dòng)軸4的圓周數(shù)度“R”進(jìn)行檢測(cè)(步驟362)，并且讀取踏板力“Pq”和心率“h”，這些已經(jīng)在圖4的步驟330和332中進(jìn)行檢測(cè)，并且存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中(步驟364)。然后，將騎行者的踏板力的功率“S”確定為踏板力Pq和驅(qū)動(dòng)軸4的轉(zhuǎn)速R的積(或者作為其函數(shù))(步驟366)。
下一步，基于心率h和功率S，將踏板力Pr設(shè)定為控制目標(biāo)(步驟368)。例如，如果功率S相對(duì)較高，則將踏板力值Pr設(shè)定為較小，而如果功率S相對(duì)較低，則將踏板力值Pr設(shè)定為較大。按照類似的方式對(duì)與心率h有關(guān)的Pr進(jìn)行設(shè)定。通過查詢表，可以實(shí)現(xiàn)上述步驟。在該表中存儲(chǔ)了對(duì)于各種心率和功率S的期望踏板力值。
下一步，對(duì)在有氧運(yùn)動(dòng)中到此時(shí)所完成的總工作負(fù)載“W”進(jìn)行計(jì)算(步驟370)。
W＝W+S·Δt式中，在進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)的開始時(shí)刻，將W初始化為0，在重復(fù)本程序時(shí)，每次均將上述方程的第二項(xiàng)順序地疊加。在上述方程中，在步驟360中累計(jì)的時(shí)間間隔Δt之內(nèi)，將功率S假設(shè)為近似恒定，而可以認(rèn)為第二項(xiàng)S·Δt是由騎行者通過踏板力而完成的。
下一步，確定工作負(fù)荷W是否達(dá)到了預(yù)定的閾值W0或者更高(步驟372)。其中，將閾值W0設(shè)定為進(jìn)行一定量有氧運(yùn)動(dòng)的可接受值，可以由騎行者根據(jù)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)量對(duì)該值進(jìn)行合理設(shè)定，可選地，由單芯片微型計(jì)算機(jī)根據(jù)騎行者的平均心率進(jìn)行自動(dòng)設(shè)定。如果工作負(fù)載W小于預(yù)定的閾值W0(在步驟372中設(shè)定為負(fù)值)，則流程跳出本程序，并且繼續(xù)如圖3所示的有氧運(yùn)動(dòng)模式操作。
當(dāng)工作負(fù)載W達(dá)到閾值W0或者更大(在步驟372中設(shè)定為正值)，則清除變量(W，Δt，S)(步驟374)，將操作模式標(biāo)志Fd重新寫入“電動(dòng)助力模式”(步驟376)，并且流程進(jìn)入圖3的步驟300(步驟378)。即，當(dāng)有氧運(yùn)動(dòng)的總負(fù)載W達(dá)到預(yù)定值時(shí)，將操作轉(zhuǎn)換到電動(dòng)助力模式。
與僅僅使用踏板力相比，在步驟366中計(jì)算的功率S能夠更為精確的反映出熱量消耗(即，如果踏板力較高，而轉(zhuǎn)速R較低，則熱量消耗不高，相反，如果踏板力較低，而轉(zhuǎn)速R較高，則熱量消耗不低)。因此，圖5所示，通過根據(jù)功率設(shè)定踏板力，可以在合適的模式下進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)。
更進(jìn)一步，由于可以控制有氧運(yùn)動(dòng)的負(fù)載，故可以通過在指定的路面上行駛，將上述流程用于進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)。例如，在諸如校園小路或者遠(yuǎn)郊小路的指定路線上，即使工作負(fù)荷很小，在上述的暫停期間，通過預(yù)先進(jìn)行上述的有氧運(yùn)動(dòng)，也可以對(duì)工作負(fù)荷的不足進(jìn)行補(bǔ)償。
優(yōu)選地，單芯片微型計(jì)算機(jī)14可以有規(guī)律地對(duì)電池的剩余容量進(jìn)行檢查。如果電池的剩余容量過小，在使用踏板力旋轉(zhuǎn)馬達(dá)37時(shí)生成馬達(dá)電動(dòng)力，則單芯片微型計(jì)算機(jī)14指示使用馬達(dá)電動(dòng)力對(duì)電池17進(jìn)行充電(例如，步驟346)。更進(jìn)一步，當(dāng)在暫停時(shí)進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果使用馬達(dá)電動(dòng)力對(duì)電池17進(jìn)行充電，則可以不使用踏板力進(jìn)行充電。此時(shí)，單芯片微型計(jì)算機(jī)14根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器220的信號(hào)確定踏板的旋轉(zhuǎn)方向，并且根據(jù)由于馬達(dá)電動(dòng)力的旋轉(zhuǎn)方向不同而得到的馬達(dá)電動(dòng)力不同極性，通過繼電器(未顯示)轉(zhuǎn)換電池17和馬達(dá)37之間的連接模式。
需要指出，由于在本實(shí)施例所使用的單芯片微型計(jì)算機(jī)14中，一個(gè)數(shù)據(jù)單元或者一個(gè)命令單元包括16位，所以與通常在現(xiàn)有技術(shù)中使用的電動(dòng)助力自行車的8位計(jì)算機(jī)相比，單芯片微型計(jì)算機(jī)14由于其數(shù)據(jù)量較大，所以能夠以較高的速度執(zhí)行具有高級(jí)處理函數(shù)的程序。因此，在本實(shí)施例，忽略了專用的PWM控制IC，但是由單芯片微型計(jì)算機(jī)14使用批處理的方式執(zhí)行上述各個(gè)步驟的電動(dòng)處理，同時(shí)，將諸如步驟308、340中的PWM控制直接用于電動(dòng)馬達(dá)37?？梢酝ㄟ^存儲(chǔ)在單芯片微型計(jì)算機(jī)14存儲(chǔ)器(未顯示)中的軟件(包括固件)進(jìn)行PWM控制。
因此，本實(shí)施例允許單計(jì)算機(jī)通過使用具有高處理能力的16位計(jì)算機(jī)執(zhí)行所有的控制任務(wù)，并且沒有對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)行很大程度的修改，所述控制任務(wù)例如包括在現(xiàn)有技術(shù)中由專用IC執(zhí)行的PWM控制。因此，可以降低總體上的零件數(shù)目和襯底范圍，這在使得系統(tǒng)最小化的同時(shí)，促進(jìn)了總成本的降低。例如，通常，16位計(jì)算機(jī)比8位計(jì)算機(jī)價(jià)格要高，但是如果將PWM控制專用IC、用于執(zhí)行諸如對(duì)電動(dòng)單元及其外圍設(shè)備的剩余容量進(jìn)行監(jiān)視等的其他電動(dòng)流程的IC與8位計(jì)算機(jī)結(jié)合為附加功能裝置，8位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將使得成本比16位計(jì)算機(jī)要高。
另外，由于16位計(jì)算機(jī)能夠毫無(wú)問題地使用其軟件執(zhí)行多種處理，所以可以對(duì)電路進(jìn)行簡(jiǎn)化。更進(jìn)一步，由于可以使用類似的靈活方式對(duì)其功能進(jìn)行靈活增加，以此來(lái)看，可以降低成本。更進(jìn)一步，由于可以使用軟件經(jīng)常對(duì)電動(dòng)力助力條件進(jìn)行監(jiān)視，所以可以在任何情況下立即中止電動(dòng)馬達(dá)37。
現(xiàn)在對(duì)用于輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)的轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行描述，將該信號(hào)輸入到單芯片微型計(jì)算機(jī)14。
圖9顯示的是作為轉(zhuǎn)速傳感器部件之一的NS極化環(huán)形磁鐵200。該環(huán)形磁鐵200通常形成為在中心具有開孔205的扁平環(huán)。環(huán)形磁鐵200包括以等角度進(jìn)行劃分的多個(gè)磁鐵部分，并且在這些磁鐵部分中，當(dāng)從前面看去時(shí)，將N極側(cè)朝外的N極部分202和S極側(cè)朝外的S極部分204交替放置。在此情況下，優(yōu)選地，將磁鐵部分的N-S極按照側(cè)視圖所示地進(jìn)行放置，從而磁通量的方向可以與磁鐵的環(huán)形表面正交，其中N極部分202的對(duì)邊為S極，S極部分204的對(duì)邊為N極。盡管在所示的實(shí)例中使用了12塊磁鐵部分，但是磁鐵部分的數(shù)目可以更多或者更少，這可以根據(jù)所檢測(cè)的轉(zhuǎn)速和所需要的檢測(cè)精度進(jìn)行合適和有利地修改。
需要說(shuō)明的是，如果磁場(chǎng)相對(duì)于磁鐵的環(huán)形表面具有法向分量，則可以對(duì)各個(gè)磁鐵部分的N-S極方向進(jìn)行合適和有利的修改。例如，可以在圓周方向放置一個(gè)磁鐵，從而由所述的一個(gè)磁鐵的各個(gè)磁極形成連續(xù)的N極部分和S極部分。在此情況下，N極部分的對(duì)邊為N極，而S極部分204的對(duì)邊為S極，并且從磁場(chǎng)強(qiáng)度的角度看，優(yōu)選地采用圖9中的實(shí)例。
圖10顯示的是對(duì)其轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)的齒輪210。由軸214所傳輸?shù)牧剞D(zhuǎn)動(dòng)齒輪210，并且在齒輪210的一個(gè)表面上加工環(huán)槽208，從而提供用于安裝環(huán)形磁鐵200的尺寸和形狀。將環(huán)形磁鐵200安裝在該環(huán)槽208中，并且使用粘合劑等進(jìn)行粘固。此時(shí)，優(yōu)選地，環(huán)形磁鐵200和齒輪210的表面彼此齊平。這防止環(huán)形磁鐵突出到齒輪表面之外，從而使得由于安裝轉(zhuǎn)速傳感器所導(dǎo)致的空間損失最小。
將用于檢測(cè)磁場(chǎng)的霍耳IC 212放置到安裝在鄰近齒輪210中的環(huán)形磁鐵200附近。該霍耳IC是公知的檢測(cè)磁場(chǎng)的IC，具有能夠生成磁阻的內(nèi)置單元。該磁阻與如下因子成正比電流和該電流法向上的磁場(chǎng)；以及，當(dāng)在與半導(dǎo)體中的電流方向垂直的方向上出現(xiàn)磁場(chǎng)時(shí)，由霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)?；魻朓C 212還將所述磁阻的值以數(shù)字信號(hào)的形式輸出。將霍爾IC 212的輸出終端連接到單芯片微型計(jì)算機(jī)14。圖11顯示的是圖10中轉(zhuǎn)速傳感器220的透視圖。
單芯片微型計(jì)算機(jī)14可以使用任何期望和優(yōu)選的方法，對(duì)霍爾IC 212輸出的磁場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)(轉(zhuǎn)速信號(hào))進(jìn)行分析，以對(duì)齒輪210的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)。此處，圖12(a)顯示的是在霍爾IC 212的一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)處，環(huán)形磁鐵200的磁場(chǎng)波形的實(shí)例?；魻朓C 212對(duì)如圖12(a)所示的磁場(chǎng)變化進(jìn)行檢測(cè)，并且輸出如圖12(b)所示的脈沖信號(hào)。圖12(b)的脈沖信號(hào)在時(shí)間上與圖12(a)的磁場(chǎng)波形的N極側(cè)的局部最大部分對(duì)應(yīng)。在本實(shí)例中，僅提取出了正值(N極側(cè))，而刪除了負(fù)值(S極側(cè))，但是也可以僅使用負(fù)值，或者同時(shí)使用正值和負(fù)值。該脈沖信號(hào)序列的周期(脈沖之間的時(shí)間段)與環(huán)形磁鐵200的轉(zhuǎn)速成正比。因此，單芯片微型計(jì)算機(jī)14能夠?qū)魻朓C 212的脈沖信號(hào)時(shí)間間隔進(jìn)行檢測(cè)，并且馬上確定環(huán)形磁鐵200及齒輪210的轉(zhuǎn)速。
當(dāng)然，除了霍爾IC，只要能夠檢測(cè)磁場(chǎng)，也可以使用諸如線圈等的其它磁場(chǎng)傳感器。在此情況下，磁場(chǎng)傳感器的輸出將會(huì)是如圖12(a)所示的模擬波形，并且為16位單芯片微型計(jì)算機(jī)14增加進(jìn)行檢測(cè)的功能，例如，對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)的零交點(diǎn)(零磁場(chǎng)強(qiáng)度處的時(shí)間)、N極側(cè)的峰值或者S極側(cè)的峰值進(jìn)行檢測(cè)，并且確定這些時(shí)間。由于圖12(a)中所示的N極側(cè)222的峰值和S極側(cè)224的峰值顯示的是當(dāng)N極部分和S極部分的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁極通過磁場(chǎng)傳感器的檢測(cè)區(qū)域時(shí)的位置，所以可以利用各個(gè)峰值及其時(shí)間出現(xiàn)的次數(shù)檢測(cè)出齒輪210旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間周期“T”。從而，可以馬上檢測(cè)出齒輪210的轉(zhuǎn)速(2π/T)。當(dāng)然，當(dāng)齒輪以一定時(shí)間旋轉(zhuǎn)預(yù)定角度時(shí)，可以對(duì)齒輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，所述預(yù)定角度是整個(gè)旋轉(zhuǎn)跨度的一部分。
由于本實(shí)施例的轉(zhuǎn)速傳感器包括位于扁平形狀的NS極化環(huán)形磁鐵200，所以可以安裝外形較小、節(jié)省空間和輕重量的轉(zhuǎn)速傳感器。更進(jìn)一步，由于本實(shí)施例的轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作，從而降低了成本。
更進(jìn)一步，由于將多個(gè)磁鐵部分集成在一個(gè)扁平環(huán)中，所以承載部分的安裝操作很方便。例如，如圖10所示，在齒輪210的表面上切割一個(gè)環(huán)形槽，將環(huán)形磁鐵方便地嵌入到環(huán)形槽中，并且使用粘合劑等進(jìn)行固定。與將具有各個(gè)磁極的多個(gè)分散磁鐵進(jìn)行嵌入的工藝相比，上述的操作能夠明顯提高工作效率。更進(jìn)一步，如果槽的深度與環(huán)形磁鐵的高度匹配，則在外表面上不會(huì)存在突起，從而有助于節(jié)省空間。
更進(jìn)一步，通過降低各個(gè)磁鐵部分所占用的角度范圍，可以提高轉(zhuǎn)速的時(shí)間分辨率(time resolution)。
可以將轉(zhuǎn)速傳感器220安裝在所要檢測(cè)的預(yù)定部分，將其旋轉(zhuǎn)以體現(xiàn)電動(dòng)助力自行車1的行駛速度。對(duì)于所要檢測(cè)的部分，可以將減速裝置35中的齒輪(未顯示)直接連接到電動(dòng)鏈輪33，或者優(yōu)選地通過另外一個(gè)齒輪間接地進(jìn)行連接，因?yàn)檫@可以將轉(zhuǎn)速傳感器220安裝到驅(qū)動(dòng)裝置13的外殼中。需要說(shuō)明的是，在圖5所示的流程中，由于無(wú)論電動(dòng)離合器是否嚙合，都要經(jīng)常對(duì)曲柄軸4的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，所以優(yōu)選地，將曲柄軸4、鏈輪2或者從動(dòng)鏈輪30作為進(jìn)行檢測(cè)的一部分。
例如，其它的位置可以包括位于后輪功率傳輸機(jī)構(gòu)10中的齒輪(未顯示)、電動(dòng)鏈輪33和前輪的旋轉(zhuǎn)部分。單芯片微型計(jì)算機(jī)14可以具有查詢表，用于將在上面確定為所檢測(cè)部分的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電動(dòng)助力自行車1的行駛速度。
現(xiàn)在，參考圖13到16，對(duì)踏板力檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行描述。踏板力檢測(cè)機(jī)構(gòu)輸出應(yīng)變儀信號(hào)1、2，而該信號(hào)輸入到單芯片微型計(jì)算機(jī)14。根據(jù)本實(shí)施例的踏板力檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)變進(jìn)行檢測(cè)，該應(yīng)變隨著由踏板力所引起的單向離合器99的變形而變化。
如圖13所示，驅(qū)動(dòng)軸4通過單向離合器99對(duì)主動(dòng)鏈輪2進(jìn)行支撐。如圖14所示，該單向離合器99包括爪部分100和齒部分112。
在爪部分100中，沿著圓周方向在從動(dòng)嚙合表面100上設(shè)置三個(gè)使用等角度排列的棘輪爪(ratchet pawl)102。棘輪爪102由剛性材料制成，能夠圍繞在第二嚙合表面110的徑向方向延伸的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。由棘輪豎起彈簧104對(duì)各個(gè)棘輪爪102施加偏壓，從而在沒有對(duì)棘輪爪102施加任何力時(shí)，棘輪爪的軸向可以與嚙合表面110之間形成預(yù)定的角度(圖15中的平衡方向160)。如圖15所示，當(dāng)棘輪爪102從平衡方向160偏離到上升方向“a”或者下降方向“b”時(shí)，豎起彈簧104向棘輪爪102施加輕微的彈力，從而抵消偏離，使其回復(fù)到平衡方向160。
更進(jìn)一步，在爪部分100的中心區(qū)域，形成爪部分孔106，用于容納驅(qū)動(dòng)軸4，并且該爪部分孔106穿過從爪部分100的背面101突出的圓柱形部分103。在背面101中，在圓柱形部分103的外表面上形成圓形槽155(圖13)，并且將多個(gè)鋼珠152裝配到圓形槽155中，從而進(jìn)行自由旋轉(zhuǎn)。這構(gòu)成了像滑動(dòng)軸承一樣承受軸向載荷的軸承。
使用穿過爪部分100的中心孔127的圓筒部分103，使得錐形盤簧124與爪部分100的背面101接觸。此時(shí)，通過鋼珠152或者承載軸承，在允許錐形盤簧124的彈力抵抗爪部分100的壓力的方向，錐形盤簧124與背面101進(jìn)行滑動(dòng)接觸。在180度彼此相反的兩個(gè)位置，將應(yīng)變儀126連接到錐形盤簧124的表面。通過導(dǎo)線128將應(yīng)變儀126電連接到單芯片微型計(jì)算機(jī)14。更優(yōu)選地，可以將三個(gè)或者更多的應(yīng)變儀連接到錐形盤簧124。此時(shí)，優(yōu)選地，在錐形盤簧124的表面，將多個(gè)應(yīng)變儀以圓周對(duì)稱位置進(jìn)行布置。
將錐形盤簧124安裝在碗狀支架130的內(nèi)底側(cè)132中。在支架130中形成支撐孔133和支撐圓柱部分134，該支撐孔133用于容納驅(qū)動(dòng)軸4，該支撐圓柱部分134從支架130的背面突出來(lái)。在支撐圓柱部分134的外表面加工螺紋，從而通過將所述的螺紋部分與支撐部分145的螺紋內(nèi)表面進(jìn)行螺紋嚙合，將支架130固定到機(jī)架。將支撐圓柱部分134的內(nèi)表面與能夠在軸向和徑向承載的軸承138進(jìn)行嚙合(參考圖13)，同時(shí)，由在驅(qū)動(dòng)軸4上形成的制動(dòng)斜面144對(duì)軸承138進(jìn)行支撐。類似地，在驅(qū)動(dòng)軸4的另外一側(cè)上安裝另外一個(gè)軸承139(參考圖7(b))，從而使得可以相對(duì)于機(jī)架對(duì)驅(qū)動(dòng)軸4進(jìn)行旋轉(zhuǎn)支撐。
在爪部分孔106的內(nèi)側(cè)，加工了在軸向進(jìn)行延伸的四個(gè)第一抗旋轉(zhuǎn)槽108。同樣，在驅(qū)動(dòng)軸4的外側(cè)形成四個(gè)第二抗旋轉(zhuǎn)槽140，使得驅(qū)動(dòng)軸4的外側(cè)與爪部分孔106的內(nèi)側(cè)處于滑動(dòng)接觸狀態(tài)。第二抗旋轉(zhuǎn)槽140在軸向方向進(jìn)行延伸，從而朝向第一抗旋轉(zhuǎn)槽108。如圖16(a)所示，第一抗旋轉(zhuǎn)槽108和與朝向第一抗旋轉(zhuǎn)槽108的第二抗旋轉(zhuǎn)槽140構(gòu)成了在軸向進(jìn)行延伸的圓柱槽，并且在各個(gè)槽中填充多個(gè)鋼珠以充滿槽。由于此原因，爪部分100能夠沿著軸向5進(jìn)行移動(dòng)，而摩擦阻力最小，同時(shí)防止相對(duì)于驅(qū)動(dòng)軸4的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這構(gòu)成了一種滾珠花鍵，并且可以將包括環(huán)接旋轉(zhuǎn)類型滾珠花鍵在內(nèi)的其它類型滾珠花鍵用作能夠進(jìn)行滑動(dòng)的抗旋轉(zhuǎn)裝置。
更進(jìn)一步，對(duì)于將爪部分100連接到驅(qū)動(dòng)軸4的方法，也可以使用除了圖16(a)的滾珠花鍵之外的裝置。例如，如圖16(b)所示的系統(tǒng)，或者可以將稱為鍵-花鍵的系統(tǒng)用作抗旋轉(zhuǎn)裝置，其中，在驅(qū)動(dòng)軸4上形成在軸向延伸的突起140a，并且在爪部分100中形成用于安裝突起140a的第三抗旋轉(zhuǎn)槽108a?？蛇x地，在圖16(b)中，可以在爪部分100側(cè)形成突起140a，可以在驅(qū)動(dòng)軸4側(cè)形成第三抗旋轉(zhuǎn)槽108a。更進(jìn)一步，可以將圖16(c)中的系統(tǒng)，或者稱為鍵-槽的系統(tǒng)用作抗旋轉(zhuǎn)裝置，其中，分別在爪部分100和驅(qū)動(dòng)軸4中形成在軸向延伸的第四抗旋轉(zhuǎn)槽108b，和與其面對(duì)的第五抗旋轉(zhuǎn)槽140b，并且將鍵板以由這些槽形成的矩形平行六面體的形式安裝到槽中。
在齒部分112的第一嚙合表面上形成多個(gè)與棘輪爪102嚙合的棘輪齒114。棘輪齒114包括相對(duì)尖銳的斜面118和相對(duì)第一嚙合表面121適度傾斜的斜面116，這些斜面沿著齒部分的圓周方向以循環(huán)的方式交替放置。
驅(qū)動(dòng)軸4通過軸環(huán)111對(duì)齒部分112進(jìn)行支撐，從而使得齒部分112的第一嚙合表面121可以朝向爪部分100的第二嚙合表面110地進(jìn)行滑動(dòng)接觸。此時(shí)，棘輪爪102和棘輪齒112彼此嚙合(圖15)。尤其是，通過棘輪爪102和棘輪齒112之間的嚙合部分，可以僅將驅(qū)動(dòng)軸4連接到齒部分112。驅(qū)動(dòng)軸4的端部142通過軸環(huán)111穿過齒部分孔120，端部142與墊圈122進(jìn)行配合，以防止齒部分112在軸向向外脫離(圖13)。由銷子123將齒部分112緊固到主動(dòng)鏈輪2上(圖13)，以防止兩者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，更進(jìn)一步，將驅(qū)動(dòng)軸4的頂端組成踏板軸146。這樣，完全做成了棘輪，并且將棘輪與驅(qū)動(dòng)軸4和主動(dòng)鏈輪2進(jìn)行連接，從而通過踏板上的力在身體的前進(jìn)方向上將力僅傳輸?shù)街鲃?dòng)鏈輪2。
優(yōu)選地，在驅(qū)動(dòng)軸4的制動(dòng)斜面144和爪部分100的背面101之間插入偏壓彈簧136。該偏壓彈簧136在軸向?qū)ψΣ糠?00施加偏壓，從而在踏板力不大于預(yù)定值時(shí)(例如，近似為零)，在安裝在背面101中的鋼球152和錐盤彈簧124之間產(chǎn)生間隙。
現(xiàn)在，對(duì)踏板力檢測(cè)機(jī)構(gòu)的操作進(jìn)行描述。
當(dāng)騎行者將踏板力施加到踏板8R、8L，以使得驅(qū)動(dòng)軸4在身體的前進(jìn)方向旋轉(zhuǎn)，將該旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力傳輸?shù)接沈?qū)動(dòng)軸支撐的爪部分100，從而使得爪部分100不僅能夠旋轉(zhuǎn)，還能夠相對(duì)驅(qū)動(dòng)軸4進(jìn)行滑動(dòng)。此時(shí)，如圖15所示，對(duì)應(yīng)于爪部分100的踏板力，將力“Fd”施加到棘輪爪102，所以棘輪爪102的頂端與齒部分112棘輪齒的相對(duì)尖銳斜面118接觸，從而用于將這個(gè)力傳輸?shù)郊嘄X。由于將棘輪齒部分112連接到主動(dòng)鏈輪2，所以棘輪爪102承受相對(duì)尖銳的斜面118中用于驅(qū)動(dòng)的負(fù)載所產(chǎn)生的力Fp。棘輪爪102在其兩端部分承受了作用方向彼此相反的力Fp和Fd，從而在所選擇的a方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，通過豎起棘輪爪102，使得棘爪100在軸向向內(nèi)移動(dòng)，從而壓下爪部分100和支架130之間的錐盤彈簧124。錐盤彈簧124產(chǎn)生與此作用相反的反作用力彈力“Fr”，并且施加到爪部分100。該力Fr與踏板力用于在軸向驅(qū)動(dòng)爪部分100的力在短時(shí)間內(nèi)得到平衡。從而，這些參數(shù)中的每一個(gè)參數(shù)，包括錐盤彈簧124的應(yīng)力應(yīng)變、爪部分100和齒部分112之間的間隙、棘輪爪102和第二嚙合表面110之間的角度、爪部分100相對(duì)于機(jī)架的位置和用于壓下錐盤彈簧124的力，都代表了反映踏板力的物理量。因此，通過檢測(cè)這些參數(shù)中的至少一個(gè)，可以對(duì)踏板力T進(jìn)行估算。
在本實(shí)施例中，通過實(shí)例，對(duì)錐盤彈簧124的應(yīng)力所引起的應(yīng)變(下文中簡(jiǎn)稱為“應(yīng)變”)進(jìn)行檢測(cè)。單芯片微型計(jì)算機(jī)14至少通過對(duì)來(lái)自連接到錐盤彈簧124的兩個(gè)應(yīng)變儀126的信號(hào)進(jìn)行加法(包括平均)運(yùn)算，而進(jìn)行算術(shù)操作。通過這種方式，對(duì)多個(gè)位置處的應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量并且求取總數(shù)的平均值，可以使得輸出變化在相同的踏板力范圍內(nèi)，并且可以對(duì)噪聲部分進(jìn)行平滑，從而可以提高SN比，更進(jìn)一步，可以提高踏板力的預(yù)測(cè)精度。當(dāng)應(yīng)變儀的數(shù)目增加時(shí)，這種效應(yīng)會(huì)更加顯著。
對(duì)于踏板力不大于預(yù)定值的情況，由于偏壓彈簧136在爪部分100的背面101和錐盤彈簧124之間產(chǎn)生了間隙，鋼球152撞擊錐盤彈簧124的頻率較小。由此，降低了應(yīng)變儀信號(hào)中的噪聲部分，從而提高了踏板力檢測(cè)的穩(wěn)定性和電動(dòng)助力控制的穩(wěn)定性。
隨后，單芯片微型計(jì)算機(jī)14執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算，以至少根據(jù)所計(jì)算的操作力T確定用于助力的輔助力“Te”，并且在算術(shù)上確定和輸出控制信號(hào)，以指示電動(dòng)馬達(dá)37提高用于所述助力的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力。優(yōu)選地，單芯片微型計(jì)算機(jī)14將由轉(zhuǎn)速傳感器220所檢測(cè)的轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為自行車的速度，根據(jù)踏板力T和自行車速度確定合適的輔助力Te，并且控制電動(dòng)馬達(dá)37以產(chǎn)生所述的輔助力Te。
本實(shí)施例的踏板力檢測(cè)機(jī)構(gòu)具有如下的更多優(yōu)點(diǎn)(1)由于棘輪和踏板力檢測(cè)機(jī)構(gòu)采用了單機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的零件數(shù)目減少、布局緊湊、重量輕和成本低。
(2)由于在用于檢測(cè)踏板力的部分中，使用了將承載裝置和負(fù)載檢測(cè)傳感器一體化的錐盤彈簧，從而由一個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)了兩項(xiàng)功能，因此，除了上述的優(yōu)點(diǎn)，還實(shí)現(xiàn)了該裝置的結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕和成本低。
(3)如上述第(1)條和第(2)條所述，在較高程度上實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，從而擴(kuò)展了所安裝的踏板力檢測(cè)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用范圍。
(4)由于上述第(1)條和第(2)條所述的原因，與傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)相比，可以降低負(fù)載的傳輸損耗，從而在控制中實(shí)現(xiàn)良好的助力感受。
(5)由于上述第(1)條和第(2)條所述的原因，與傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)(使用盤簧)相比，能夠成功地消除踏板的空轉(zhuǎn)(直到由傳感器檢測(cè)到之前的時(shí)間滯后)，并且與使用傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)時(shí)軟綿綿的踏板感受相比，在施加本實(shí)施例中的踏板力時(shí)，踏板的感受與使用普通自行車的感受類似。
如上所述，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于這些實(shí)施例，并且可以在本發(fā)明的概念范疇內(nèi)進(jìn)行期望和優(yōu)選的改進(jìn)。
例如，盡管上述實(shí)例用于有氧運(yùn)動(dòng)，但是本發(fā)明的電動(dòng)助力自行車可以具有增加的鍛煉肌肉模式，其中，可以降低或者取消電動(dòng)力，而增加負(fù)載力。更進(jìn)一步，可以將本發(fā)明的電動(dòng)助力自行車用于支持騎行者的體力恢復(fù)或者理療等，包括諸如下面的實(shí)例將心率預(yù)存在存儲(chǔ)器中，然后在醫(yī)生的指導(dǎo)下設(shè)定踏板力值，使用無(wú)線信號(hào)將心率傳送到醫(yī)院的管理中心等，并且在醫(yī)生的管理下進(jìn)行使用。
盡管在圖4的實(shí)例中，根據(jù)心率設(shè)定了踏板力值，但是可選地或者附加地，可以根據(jù)諸如血壓等人體的其它參數(shù)來(lái)設(shè)定踏板力值。
更進(jìn)一步，盡管在有氧運(yùn)動(dòng)模式中的負(fù)載力使用了電動(dòng)馬達(dá)37的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，但是負(fù)載力并不局限于此，還可以在驅(qū)動(dòng)裝置13中單獨(dú)安裝諸如剎車裝置的負(fù)載力生成裝置。更進(jìn)一步，盡管通過齒輪齒數(shù)比調(diào)節(jié)而提供了負(fù)載力的調(diào)節(jié)，也可以通過電動(dòng)離合器的嚙合到脫離的負(fù)荷比調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)此目的。
更進(jìn)一步，盡管將雙鏈系統(tǒng)用作合力機(jī)構(gòu)，但是本發(fā)明不限于此。例如，除了主動(dòng)鏈輪2，還可以將電動(dòng)鏈輪33直接嚙合到鏈12。
更進(jìn)一步，可以對(duì)主流程圖(圖3)和用于有氧運(yùn)動(dòng)模式的流程圖(圖4和5)中的處理流程進(jìn)行合適地修改。例如，為了控制踏板力值處于與目標(biāo)踏板力值Pr相匹配的范圍內(nèi)，可以使用稱為PID的控制。
盡管沒有顯示，但是可以提供功率和工作負(fù)荷的顯示功能。
在轉(zhuǎn)矩檢測(cè)機(jī)構(gòu)中，應(yīng)當(dāng)將單向離合器99的爪或者齒部分之一連接到鏈輪，而將另外一個(gè)連接到驅(qū)動(dòng)軸，對(duì)此也可以進(jìn)行期望和優(yōu)選的修改。在一個(gè)實(shí)施例中，可以將爪部分100安裝在鏈輪側(cè)，而將齒部分112安裝在驅(qū)動(dòng)軸中，使得相對(duì)于軸進(jìn)行滑動(dòng)而非轉(zhuǎn)動(dòng)，從而由齒部分112壓縮錐盤彈簧124。
更進(jìn)一步，在上述實(shí)例中，將錐盤彈簧的應(yīng)變作為與踏板力有關(guān)的物理量進(jìn)行檢測(cè)，但是本發(fā)明不限于此。對(duì)于根據(jù)所施加踏板力的變形而發(fā)生變化的單向離合器99的任何物理量，均可以進(jìn)行檢測(cè)。例如，棘輪爪的傾斜角度，爪部分和齒部分之間的相對(duì)距離，爪部分和齒部分中任何一個(gè)相對(duì)于身體的位置，用于壓縮錐盤彈簧的壓力等，均可以用作反映踏板力的物理量。
更進(jìn)一步，對(duì)于用于抵抗單向離合器99變形的彈性零件，也可以根據(jù)期望和優(yōu)選地對(duì)其類型和形狀進(jìn)行修改。例如，除了錐盤彈簧或者盤簧，可以使用橡膠彈性零件。更進(jìn)一步，盡管將應(yīng)變儀作為檢測(cè)應(yīng)變的裝置，但是該裝置不限于此，而是可以使用能夠檢測(cè)與應(yīng)變有關(guān)的物理量的任何裝置。
權(quán)利要求
1.一種電動(dòng)助力自行車，能夠使用由電力輔助的踏板力而運(yùn)轉(zhuǎn)，所述的助力自行車包括用于檢測(cè)踏板力的踏板力檢測(cè)裝置；以及輔助電動(dòng)裝置，能夠基于所述踏板力檢測(cè)裝置檢測(cè)的踏板力選擇電動(dòng)力或者負(fù)載力，并且能夠?qū)⑺鲞x擇的力加到踏板力上，從而產(chǎn)生能夠進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)的踏板力強(qiáng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電動(dòng)助力自行車，還包括用于檢測(cè)騎行者心率的心率檢測(cè)裝置，其中，所述輔助電動(dòng)裝置根據(jù)由所述心率檢測(cè)裝置檢測(cè)到的至少一種心率設(shè)定所述的踏板力強(qiáng)度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電動(dòng)助力自行車，其中，所述輔助電動(dòng)裝置形成為單個(gè)單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的電動(dòng)助力自行車，其中，如果檢測(cè)到的踏板力比所述踏板力強(qiáng)度高，則所述輔助電動(dòng)裝置對(duì)所述電動(dòng)力進(jìn)行控制，從而使所述踏板力在踏板力強(qiáng)度之內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的電動(dòng)助力自行車，其中，如果檢測(cè)到的踏板力減小到比所述踏板力強(qiáng)度低，則所述輔助電動(dòng)裝置控制所述負(fù)載力而使其增大，直到檢測(cè)到的踏板力達(dá)到踏板力強(qiáng)度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的電動(dòng)助力自行車，還包括合力裝置，用于將由所述輔助電動(dòng)裝置選擇輸出的所述電動(dòng)力或者所述負(fù)載力與所述踏板力進(jìn)行合成，其中，所述輔助電動(dòng)裝置包括馬達(dá)；并且在所述電動(dòng)馬達(dá)和所述合力裝置之間提供電磁離合器，其中將所述負(fù)載力作為所述電動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，在所述電動(dòng)馬達(dá)沒有供電的情況下，通過利用所述電磁離合器將所述電動(dòng)馬達(dá)與所述合力裝置連接起來(lái)而生成該負(fù)載力。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的電動(dòng)助力自行車，其中，所述輔助電動(dòng)裝置包括減速裝置，將該減速裝置放置在所述電動(dòng)馬達(dá)的輸出軸和所述合力裝置之間，以降低所述電動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的電動(dòng)助力自行車，其中，所述減速裝置設(shè)置有用于改變減速比的系統(tǒng)，其中所述輔助電動(dòng)裝置通過改變所述減速裝置的減速比對(duì)所述的負(fù)載力進(jìn)行調(diào)整。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的電動(dòng)助力自行車，還包括用于使用電能為所述電動(dòng)馬達(dá)供電的電池，其中在沒有供電的所述電動(dòng)馬達(dá)被與所述負(fù)載力相反的踏板力轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，所生成的電動(dòng)力對(duì)所述電池進(jìn)行充電。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的電動(dòng)助力自行車，還包括能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的主動(dòng)鏈輪，其用以將踏板力傳送到主動(dòng)輪，其中所述合力裝置還包括能夠與所述主動(dòng)鏈輪進(jìn)行同軸旋轉(zhuǎn)的從動(dòng)鏈輪；被所述輔助電動(dòng)裝置旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)鏈輪；以及在所述從動(dòng)鏈輪和所述電動(dòng)鏈輪之間延展的輔助鏈。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的電動(dòng)助力自行車，其中，將所述踏板力強(qiáng)度設(shè)定為幾乎不變的踏板力值。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的電動(dòng)助力自行車，還包括轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，其中根據(jù)由檢測(cè)到的踏板力和檢測(cè)到的驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速的乘積限定的功率，所述輔助電動(dòng)裝置對(duì)所述踏板力強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的電動(dòng)助力自行車，還包括測(cè)量時(shí)間的裝置，用于對(duì)設(shè)定的時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量，其中如果與所述測(cè)量時(shí)間的裝置測(cè)量到的時(shí)間有關(guān)的所述功率的整數(shù)值已經(jīng)達(dá)到預(yù)定值，則所述輔助電動(dòng)裝置停止能夠進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)的操作模式，并且轉(zhuǎn)換到正常的輔助操作模式。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的電動(dòng)助力自行車，還包括單向離合器裝置，用于可操作地將所述驅(qū)動(dòng)軸與所述主動(dòng)鏈輪連接起來(lái)，從而專門地將驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)充分地單向傳送到主動(dòng)鏈輪，其中所述踏板力檢測(cè)裝置對(duì)所述單向離合器裝置的物理量進(jìn)行檢測(cè)，該物理量根據(jù)由踏板力造成的變形而變化。
15.一種電動(dòng)助力自行車，其能夠由電動(dòng)力輔助的踏板力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，所述助力自行車包括用于檢測(cè)踏板力的踏板力檢測(cè)裝置；用于檢測(cè)騎行者心率的心率檢測(cè)裝置；踏板力設(shè)定裝置，用于根據(jù)由所述心率檢測(cè)裝置檢測(cè)到的至少一種心率對(duì)能夠進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)的踏板力強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)定；以及輔助電動(dòng)裝置，能夠?qū)㈦妱?dòng)力加到踏板力上，從而使由所述踏板力檢測(cè)裝置檢測(cè)到的踏板力落入由所述踏板力設(shè)定裝置設(shè)定的所述踏板力強(qiáng)度中。
全文摘要
提供了一種進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)助力自行車，具有重量輕、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。電動(dòng)助力自行車1包括用于檢測(cè)踏板力(99，126)的踏板力檢測(cè)裝置，驅(qū)動(dòng)裝置13，用于將減速裝置的轉(zhuǎn)矩傳送到驅(qū)動(dòng)裝置的合力機(jī)構(gòu)，以及心律檢測(cè)傳感器254。驅(qū)動(dòng)裝置13包括電動(dòng)馬達(dá)37和具有電磁離合器250的減速裝置35。在一種能夠進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)的方式中，如果檢測(cè)的踏板力比能夠進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)的踏板力強(qiáng)度高，則在使用電磁離合器250的條件下，驅(qū)動(dòng)裝置13驅(qū)動(dòng)電動(dòng)馬達(dá)37，從而，使用電動(dòng)力輔助踏板力。如果檢測(cè)的踏板力比所述的踏板力強(qiáng)度低，則在使用電磁離合器250的條件下，關(guān)閉電動(dòng)馬達(dá)，從而通過馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，將負(fù)載力施加到踏板力。根據(jù)檢測(cè)到的騎行者心率，可以對(duì)踏板力進(jìn)行調(diào)整。
文檔編號(hào)A61H1/02GK1646361SQ0380777
公開日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2003年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月8日
發(fā)明者小勝京介, 吉家彰人, 二唐史 申請(qǐng)人:新時(shí)代技研株式會(huì)社, 盛勢(shì)達(dá)瑞士有限公司