電動自行車變速器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電動自行車變速器。本發(fā)明包括一種用于電動馬達推進的自行車的多速變速器，該多速變速器具有用于驅(qū)動自行車的多檔位組合，該多檔位組合構(gòu)成了該變速器的全部檔位范圍。全部檔位范圍的一部分被操作為自動切換，并且一部分被操作為手動切換。附加地，可以將電動馬達的控制和切換操作的控制進行整合，以允許在切換操作過程中減少馬達的輸出功率。
【專利說明】電動自行車變速器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及自行車以及從騎行者和電動馬達至自行車對原動力進行傳遞和管理的系統(tǒng)，具體是半自動化系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]具有自動換檔系統(tǒng)的自行車的現(xiàn)有技術(shù)的示例通常使用諸如自行車速度和踩踏節(jié)奏之類的變量作為切換標準。然而，對于具有廣泛的檔位范圍以及大量獨立的齒輪比的系統(tǒng)來說，進行全自動換檔是不利的。相對于廣泛的檔位范圍，與汽車中的自動變速器不同，可能不希望和/或不需要系統(tǒng)每當在自行車完全停止時切換至最低檔位。
[0003]例如，如果騎行者在提供有自動換檔系統(tǒng)的自行車上下坡騎行達到完全停止，則在自行車停止后準備將其加速回到正常騎行速度時，可能優(yōu)選地僅向下切換少數(shù)擋位。也就是說，例如不總是需要以旨在推動騎行者和自行車上陡坡的檔位開始向前運動。
[0004]此外，當在減速過程中向下切換以及在加速過程中向上切換時，將齒輪比減少較少的量可能是有利的，例如齒輪裝置的整個范圍的僅大約40%可用。此外，在自行車具有許多緊密間隔開的齒輪的情況下，每當自行車啟動和停止時，通過40%范圍內(nèi)的每個齒輪進行自動切換是沒有意義的。可以優(yōu)選地切換僅I個或兩個檔位以達到目標檔位，這是因為在每個檔位中花費的時間量將會很小，并且切換通過所有中間檔位所用的能量將會導致較低的電池壽命。
[0005]電動馬達驅(qū)動的自行車包括電動馬達，該電動馬達用于輔助騎行者推進自行車。通常，電動馬達驅(qū)動的系統(tǒng)可以被描述為直接驅(qū)動或通過變速器換檔。對于直接驅(qū)動的形式，馬達可以位于前輪或后輪中。當通電時，馬達可以直接地或者通過專用的減速(即扭矩增加)變速器(通常為一組齒輪)驅(qū)動任一車輪。另選地，馬達可以位于自行車上的其他位置，并且使用專用的帶或者鏈條來直接驅(qū)動任一車輪。在所有這些直接驅(qū)動的情況下，騎行者和馬達兩者并行推進該自行車，但是只有騎行者產(chǎn)生的力通過自行車變速器起作用。例如，當爬坡時，騎行者可以選擇自行車的較低檔位，從而使得騎行者在踏板處的輸入導致在后輪處的較高的扭矩。相比之下，電動馬達試圖通過增加扭矩和消耗更多的來自附接電池的電流來保持速度。
[0006]第二類電動自行車變速器的特征在于，馬達通過自行車變速器驅(qū)動自行車。其通常被稱為中置變速箱。在該變速器中，騎行者選擇的用于踩踏的檔位也是馬達負載穿過的檔位，兩者均驅(qū)動后輪。這通過馬達與騎行者驅(qū)動前鏈環(huán)并行地直接驅(qū)動前鏈環(huán)來實現(xiàn)。馬達可以直接地或者通過專用的減速變速器來驅(qū)動鏈環(huán)，該減速變速器減慢馬達速度，同時增加扭矩。用于馬達的減速變速器的優(yōu)點在于，馬達和騎行者因此可以選取適合的齒輪裝置，該齒輪裝置允許兩者均在有效范圍內(nèi)操作。例如，當自行車從停止狀態(tài)開始加速時，馬達首先在車輪處傳遞大扭矩，并且迅速加速至第一速度。一旦達到該速度，則應將擋位改變至更低的扭矩/更高的速度輸出，直至達到中間速度，隨后為了達到最終的目標速度，而將其改變至最小的扭矩/最高的速度輸出。[0007]電動馬達具有在它們最有效操作時的速度和負載。然而，在馬達達到其最高效的速度之前，馬達產(chǎn)生高的扭矩以達到該速度，并且非常低效地運行。在加速過程中允許馬達以其最有效的速度運行將會非常有利。
[0008]圖13和圖14分別示出了加速至所期望的高效的速度的直驅(qū)電動自行車馬達以及切換過三個不同檔位的電動自行車馬達?？梢钥闯?，圖14的系統(tǒng)(由于齒輪裝置而以較高的扭矩操作)允許馬達在每次切換之前都達到更有效的速度。
[0009]圖15示出了電動馬達的速度并且將直驅(qū)系統(tǒng)(沒有齒輪)的馬達的速度與具有齒輪裝置的馬達和驅(qū)動系統(tǒng)直接進行比較。左側(cè)的曲線代表具有齒輪的系統(tǒng)，該曲線在加速過程中更快地到達有效速度并且更長時間地保持在有效范圍內(nèi)。同樣明顯的是具有齒輪的系統(tǒng)可以更迅速地加速。
[0010]對于具有齒輪的機動系統(tǒng)人們所關(guān)心的是作用在自行車傳動系上的負載為通過騎行者轉(zhuǎn)動大齒盤產(chǎn)生的負載與由馬達產(chǎn)生的負載的總和。例如，騎行者可以產(chǎn)生200瓦特的功率，而電動馬達可以產(chǎn)生400瓦特的功率。通常包括前鏈環(huán)、鏈條、后飛輪和輪轂的傳動系則將經(jīng)歷大約600瓦特的功率。如此大小的功率對于傳動系來說被認為是困難的。它增加了磨損率,并且當騎行者試圖手動切換檔位時增加了傳動系上的負載。對于沒有電動馬達的自行車來說，當騎行者啟動檔位切換時，騎行者通常通過減輕踩踏力來減少作用在傳動系上的力，以便于更平緩且更溫和的切換。如果騎行者試圖在全負載情況下進行切換，則當一個齒輪脫離嚙合而另一個齒輪處于嚙合時存在系統(tǒng)中斷的風險。自行車傳動系被設(shè)計為在兩種情況下均起作用，然而應該理解的是較高的換檔負載提升過早的磨損以及騎行時發(fā)生中斷的風險。
[0011]在一種現(xiàn)有的用于自行車的電動驅(qū)動系統(tǒng)中，馬達通過裝有齒輪的變速器驅(qū)動后輪，從而產(chǎn)生由騎行者選定的齒輪比。該系統(tǒng)不能自動地選擇正確的齒輪比。驅(qū)動自行車的電動馬達不被構(gòu)造成感應何時騎行者試圖進行切換，因此即使在切換過程中，傳動系經(jīng)歷由馬達施加的全負載。這可能會損壞置換成本昂貴的變速器或者導致脫鏈，這對騎行者來說是不安全的。
[0012]需要一種用于通過驅(qū)動系統(tǒng)推進自行車的系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)置用于對驅(qū)動系統(tǒng)的有效和安全的使用。本發(fā)明滿足該需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明主要考慮具有自動換檔裝置和手動換檔裝置兩者的“雙驅(qū)”轂系統(tǒng)(即半自動的)與電動馬達驅(qū)動器的組合。該電動馬達驅(qū)動器可以是寬泛范圍的已公知的系統(tǒng)或構(gòu)造中的任一者。
[0014]本發(fā)明的一個方面包括具有多速變速器的自行車傳動系，多速變速器包括與多速飛輪結(jié)合的三速內(nèi)齒輪轂。該飛輪借助變速器被手動切換，輪借助控制器被自動切換。鏈條的負載首先通過飛輪的所選擇的鏈輪，然后經(jīng)受內(nèi)齒輪轂的其中一個速度。多速變速器系統(tǒng)的全部或所有檔位范圍為飛輪檔位的范圍乘以內(nèi)齒輪轂的檔位范圍。例如飛輪可能具有帶有40個齒的最大的嵌齒和帶有10個齒的最小的嵌齒，從而導致40/10 X 100=400%的范圍。內(nèi)齒輪轂的三個速度可以為0.78-1.00-1.28，從而給出1.28/0.78X100=164%的整個齒輪比。將這兩個范圍相乘得到串聯(lián)的飛輪和內(nèi)齒輪轂兩者的整個范圍為1.64X4.00=6.56或656%。這是較廣泛的范圍。然而，這對自行車來說是不常見的，并且希望當爬坡時使用最低的檔位，并且當下坡時使用最大的檔位。傳統(tǒng)自行車具有供騎行者從中選擇的全部范圍內(nèi)的大量檔位也是有利的。
[0015]本發(fā)明的另一個方面是將電動馬達與自行車多速變速器整合成使得在換檔過程中該馬達臨時性地停止或減慢，以在切換過程中減少力。當手動切換時和/或在由自動換檔系統(tǒng)執(zhí)行的切換過程中可能發(fā)生馬達的臨時暫停。
[0016]在本發(fā)明的又另一方面中，具有例如三檔速度的內(nèi)齒輪轂可以在加速時按照1-2-3的順序自動地切換，并且在趨于停止時按照3-2-1的順序自動地切換。在一種操作方法中，鏈條可以在輪轂上保持在手動選擇的多個鏈輪中的同一個鏈輪上。因此，使自行車被推進的檔位的范圍取決于內(nèi)齒輪轂的檔位范圍。
[0017]然而，騎行者還具有手動切換外部鏈輪上的鏈條的能力。由于多速變速器的整個檔位范圍是內(nèi)齒輪轂檔位范圍和通過多個鏈輪產(chǎn)生的檔位范圍的組合，因此使用者可以從自動切換的齒輪裝置選項的子集中選取，騎行者可以通過將鏈條從多個鏈輪中的一個鏈輪手動地切換至另一個鏈輪來選擇該子集。
[0018]本發(fā)明的另一方面是馬達驅(qū)動系統(tǒng)與具有自動切換的內(nèi)齒輪轂的齒輪的“雙驅(qū)”轂的組合。例如該切換點可以基于輪速，但也可以基于扭矩或節(jié)奏。
[0019]附加地，還可以將該類型的半自動切換應用于機動自行車，該自行車僅具有一個多齒輪飛輪或多齒輪轂。只需要在整個范圍內(nèi)為任一裝置指定自動切換的檔位和手動切換的檔位的范圍。完成這些之后，則易于向上或向下手動切換有效的自動切換的檔位范圍。
[0020]本發(fā)明的又另一方面提供了一種半自動自行車換檔系統(tǒng)，該半自動自行車換檔系統(tǒng)包括大齒盤、安裝在大齒盤上的鏈環(huán)以及布置在鏈環(huán)上的鏈條。電動馬達安裝到自行車以向前推進該自行車。多速變速器由鏈條驅(qū)動并且產(chǎn)生第一組齒輪比和第二組齒輪比。手動切換機構(gòu)選擇第一組齒輪比中的一個齒輪比，自動切換機構(gòu)選擇第二組齒輪比中的一個齒輪比。
[0021]在本發(fā)明的另一方面中，多速變速器可以包括用于產(chǎn)生第一組齒輪比的多速鏈輪組件和用于產(chǎn)生第二組齒輪比的多速內(nèi)齒輪轂。所述手動切換機構(gòu)可以包括手動操作的撥鏈器和用于操作該手動操作的撥鏈器的檔位選擇器，以使鏈條移動通過多速鏈輪組件。多速鏈輪組件可以包括至少五個鏈輪。多速內(nèi)齒輪輪轂可以根據(jù)多個變速模式進行操作，這多個變速模式中的每一個變速模式都產(chǎn)生所述第二組齒輪比中的一個齒輪比。多個變速模式可以為兩個或更多個模式。自動切換機構(gòu)可以包括自動致動的切換器，該自動致動的切換器基于一個或多個預先設(shè)定的切換標準進行切換。所述預先設(shè)定的切換標準可以基于自行車速度、大齒盤的節(jié)奏以及施加至大齒盤的力的大小中的一者。半自動自行車換檔系統(tǒng)還可以包括控制馬達和自動切換機構(gòu)的控制器。該控制器可以被構(gòu)造成在切換過程中停止或減慢馬達。該半自動自行車換檔系統(tǒng)還可以包括與控制器通信的切換傳感器，其中控制器響應于來自切換傳感器的信號使馬達停止或減慢。該信號表示切換。手動切換機構(gòu)可以包括手動操作的撥鏈器和用于操作該手動操作的撥鏈器的檔位選擇器，以使鏈條移動通過多速鏈輪組件，并且其中信號表示檔位選擇器的致動。
[0022]所述半自動自行車換檔系統(tǒng)還可以包括將檔位選擇器和手動操作的撥鏈器互連的線纜，其中切換傳感器生成表示線纜移動的信號。多速變速器可以包括用于產(chǎn)生第二組齒輪比的多速內(nèi)齒輪轂。多速內(nèi)齒輪轂根據(jù)多個變速模式進行操作，這多個變速模式中的每一個變速模式都產(chǎn)生第二組齒輪比中的一個齒輪比。半自動切換機構(gòu)可以包括自動致動的切換器，該自動致動的切換器基于一個或多個預先設(shè)定的切換標準進行切換。切換標準可以基于自行車速度、大齒盤的節(jié)奏以及施加到大齒盤的力的大小中的一者。第一組齒輪比可以是比第二組齒輪比數(shù)量更多的齒輪比。馬達可以以驅(qū)動的方式聯(lián)接至大齒盤。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是結(jié)合本發(fā)明的多檔位自行車的局部側(cè)視圖；
[0024]圖2是聯(lián)接至根據(jù)本發(fā)明的圖1的自行車的后輪的內(nèi)齒輪轂系統(tǒng)和撥鏈器的后視圖；
[0025]圖3是聯(lián)接至后輪的內(nèi)齒輪轂系統(tǒng)和撥鏈器的側(cè)視立體圖；
[0026]圖4是內(nèi)齒輪轂系統(tǒng)的剖面圖；
[0027]圖5是根據(jù)本發(fā)明的自動或半自動切換的實施方式的示意圖；
[0028]圖6是自動切換器的俯視圖；
[0029]圖7是自行車的手把的部分的俯視圖；
[0030]圖8是示出了自行車的切換點相對于車輪速度和踩踏速度的曲線圖；
[0031]圖9是切換致動器的致動器的仰視圖，切換致動器可自動或半自動地操作；
[0032]圖10是圖2和圖3的致動器的馬達和齒輪減速器的俯視立體圖；
[0033]圖11是圖2和圖3的致動器的位置傳感器、位置桿以及位置開關(guān)的俯視立體圖；
[0034]圖12是線纜運動或切換傳感器的截面視圖；
[0035]圖13是示出了由單速馬達驅(qū)動的、作為時間的函數(shù)的自行車速度的曲線圖；
[0036]圖14是由多速變速器驅(qū)動的、作為時間的函數(shù)的自行車速度的曲線圖；
[0037]圖15是由多速變速器驅(qū)動的、作為時間的函數(shù)的馬達速度的曲線圖；
[0038]圖16是由多速變速器驅(qū)動的、作為時間的函數(shù)的馬達速度的曲線圖，其中馬達在切換過程中暫停；
[0039]圖17是示出了換檔中的步驟的流程圖，其中馬達在換擋過程中暫停；
[0040]圖18示出了自動切換檔位和手動切換檔位的不同組合的應用性；以及
[0041]圖19示出了被構(gòu)造成驅(qū)動大齒盤和前鏈環(huán)以及因此驅(qū)動驅(qū)動鏈條的馬達的一種實施方式。
【具體實施方式】
[0042]這里將參照附圖進描述本發(fā)明的實施方式。應該理解的是本文中所闡述的附圖和描述僅用于說明，且不限制如由所附的權(quán)利要求和任何以及所有它們的等同物限定的本發(fā)明。例如，術(shù)語“第一”和“第二”、“前”和“后”、或“左”和“右”用于闡述，而不用作限制性的術(shù)語。此外，除另外指明，這些術(shù)語涉及通常被安裝在自行車上的自行車機構(gòu)，該自行車機構(gòu)隨自行車取向，并且以標準方式使用。
[0043]詳細地參照附圖的圖1至圖3，數(shù)字10通常表示結(jié)入本發(fā)明的實施方式的自行車。自行車10包括車架12，該車架支撐半自動換檔系統(tǒng)21，該半自動換檔系統(tǒng)借助僅一個由騎行者操作的切換器來適應不同的騎行條件以及不同騎行者的舒適度。半自動換檔系統(tǒng)21可以包括由自動致動切換器16控制的內(nèi)齒輪機構(gòu)14以及可選地包括由手動致動切換器20操作的撥鏈器18。在一個實施方式中，內(nèi)齒輪機構(gòu)14形成產(chǎn)生用于自行車10的整組齒輪比的多速變速器15的基礎(chǔ)。在另一實施方式中，多速變速器15包括由自動致動的切換器16控制的內(nèi)齒輪機構(gòu)14以及由手動致動的切換器20操作的撥鏈器18以產(chǎn)生用于自行車的整組齒輪比。另選地，可以使用通過自動的和手動的切換機構(gòu)的組合操作的撥鏈器18來提供多速變速器，其中一組齒輪比由自動切換機構(gòu)產(chǎn)生，另一組齒輪比由手動切換機構(gòu)產(chǎn)生。然而，切換的第一和第二組齒輪比一起操作，以產(chǎn)生最終齒輪比或輸出齒輪比，該最終齒輪比或輸出齒輪比取決于從為其設(shè)定的第一和第二組齒輪比選擇的齒輪比的組合。
[0044]此外，自行車10通常包括電動馬達11，該電動馬達由電池13供電并且由切換器16的控制器78(圖5)控制。示出的電動馬達11以已公知的方式驅(qū)動地聯(lián)接至自行車。電動馬達驅(qū)動的自行車是已公知的并且用于操作馬達的電動系統(tǒng)也是已公知的。
[0045]例如，圖19示出了被構(gòu)造用于驅(qū)動自行車10的曲柄30 (即大齒盤)、鏈環(huán)32以及因此驅(qū)動鏈條22的馬達11的實施方式。在該實施方式中，電動馬達單元220經(jīng)由一對馬達齒輪224、226以驅(qū)動的方式連接至軸222 ;該一對馬達齒輪中的第一馬達齒輪附接至馬達單元，另一馬達齒輪經(jīng)由離合器228附接至軸。當致動馬達單元220時，第一馬達齒輪224被轉(zhuǎn)動，該第一馬達齒輪224使得第二馬達齒輪226旋轉(zhuǎn)。離合器228使得軸轉(zhuǎn)動，該軸繼而引起鏈條32轉(zhuǎn)動。
[0046]附加地，如將要在下文中詳細描述的一樣，本發(fā)明的實施方式設(shè)想結(jié)合與自動致動切換器16通信的切換傳感器17。當示出的自行車10是公路自行車時，本發(fā)明具有針對包括山地自行車和其他自行車的任何類型的自行車的應用。
[0047]撥鏈器18在安裝至具有軸線X的轂軸25 (圖2)的多速鏈輪組件26的多個鏈輪24之間切換自行車鏈條22。自行車鏈條22由曲柄30和馬達11提供動力，這兩者有效地驅(qū)動鏈環(huán)32。自行車鏈條22從鏈環(huán)32行進至多個鏈輪24中的所選擇的位于自行車的后部的一個鏈輪24，從而根據(jù)接合哪個鏈輪24來以不同的速度驅(qū)動后輪28。每個鏈輪24之間的齒數(shù)差可以較小，從而引起在齒輪比方面的小的變化或微觀調(diào)整。另選地，齒數(shù)之差可以較大，從而導致齒輪比的大的變化或宏觀調(diào)整。
[0048]圖1至圖3中示出了七速后撥鏈器；然而，本發(fā)明可以應用于各種類型的撥鏈器。撥鏈器18包括樞轉(zhuǎn)地連接至吊架36的平行四邊形結(jié)構(gòu)34，吊架36聯(lián)接至自行車車架12的后三角形結(jié)構(gòu)35。平行四邊形結(jié)構(gòu)34大體包括:從基部42向前延伸的內(nèi)部和外部平行四邊形連桿38、40 ;以及附接至連桿38、40的向前端部的切換器主體或可動構(gòu)件44。
[0049]基部42樞轉(zhuǎn)地安裝在螺栓46上，螺栓46螺紋連接至吊架36。平行四邊形結(jié)構(gòu)34的可動構(gòu)件44借助平行四邊形的連桿機構(gòu)平行于基部42被保持，并且相對于車架2并且具體地相對于多速鏈輪組件26橫向地向內(nèi)和向外切換。外部平行四邊形連桿40借助兩個樞轉(zhuǎn)銷連接基部42和可動構(gòu)件44 ;內(nèi)部平行四邊形連桿38借助兩個樞轉(zhuǎn)銷連接基部42和可動構(gòu)件44。
[0050]滑輪架48樞轉(zhuǎn)地支撐在可動構(gòu)件44的內(nèi)端上，從而從該內(nèi)端向下延伸。上滑輪50以可旋轉(zhuǎn)的方式支撐在滑輪架48的與可動構(gòu)件44相鄰的上部中，下滑輪52以可旋轉(zhuǎn)的方式安裝在滑輪架48的下部中。自行車鏈條22從鏈環(huán)32經(jīng)過多速鏈輪組件26的七個鏈輪中的一個鏈輪向后延伸，然后在上滑輪50上向下且向前延伸，然后在下滑輪52上向下且向后延伸，并且隨后向前延伸回到鏈環(huán)32。
[0051]撥鏈器18通過騎行者操作手動切換器20來致動。手動切換器20通常包括檔位選擇器54和在檔位選擇器54與撥鏈器18之間延伸的控制線纜56。檔位選擇器54在自行車10上安裝在騎行者的其中一個手部能夠觸及的范圍內(nèi)。在圖1中，檔位選擇器54是安裝在手把58的位于固定手柄60內(nèi)側(cè)的端部上的可手旋操作的切換器。雖然已示出了代表性的切換器，但切換器可以是已被本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的各種傳統(tǒng)類型中的任一種切換器，該切換器致動在檔位選擇器和撥鏈器之間延伸的控制線纜。
[0052]撥鏈器18穿過鏈輪24的運動通過拉動或釋放控制線纜56來致動。拉動控制線纜56使得后撥鏈器18將自行車鏈條22切換至更大的或更靠內(nèi)的鏈輪，從而產(chǎn)生較低的檔位或減檔。釋放控制線纜56允許線纜張緊撥鏈器返回彈簧(未示出)將驅(qū)動鏈條22切換至更小的或更靠外的鏈輪24，從而產(chǎn)生更高的檔位或加檔。
[0053]優(yōu)選地為復絲合金或鋼纜的控制線纜56為波頓(Bowden)類型；也就是說，線以可滑動的方式被容納在外殼中或護套中。例如線纜56的上端存在于殼體部分62內(nèi)。另一線纜部分存在于接近自行車10的后轂66的線纜殼體64內(nèi)。
[0054]參照圖2至圖4，內(nèi)齒輪機構(gòu)14是位于與多速鏈輪組件26相鄰的后輪轂66中的多速內(nèi)齒輪轂系統(tǒng)。內(nèi)齒輪轂系統(tǒng)14利用行星齒輪機構(gòu)68來提供多個變速模式。內(nèi)轂14的基本結(jié)構(gòu)包括:轂軸25，該轂軸以可旋轉(zhuǎn)的方式固定至自行車10 ;驅(qū)動器70，該驅(qū)動器借助軸承或類似的部件以可旋轉(zhuǎn)的方式支撐在該轂軸25上并且經(jīng)由齒輪(未示出)傳遞來自鏈條22的驅(qū)動力；以及轂殼72，該輪轂殼經(jīng)由多種驅(qū)動力傳遞模式傳遞來自驅(qū)動器的驅(qū)動力。后輪28經(jīng)由輻條74被支撐在轂殼72上。
[0055]形成多個驅(qū)動力傳遞路線或模式的行星齒輪機構(gòu)68大體包括圍繞轂軸25的太陽齒輪73和與該太陽齒輪接合的行星齒輪75。環(huán)形齒輪77設(shè)置在行星齒輪75徑向外部以接合行星齒輪的齒。通過行星齒輪機構(gòu)68的傳遞路徑由布置在轂軸25內(nèi)的切換銷76來選擇，該切換銷根據(jù)所感測的車輪速度進行自動操作。另選地，內(nèi)轂14可以基于諸如節(jié)奏或曲柄扭矩之類的其他自行車條件被自動地切換。盡管已經(jīng)示出了典型的內(nèi)轂，但內(nèi)轂14可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的各種傳統(tǒng)類型中的任一種。
[0056]在本發(fā)明的一個實施方式中，內(nèi)轂14的切換是在電子的方式被控制的。自動切換器16大體包括控制器78和致動器80。參照圖1和圖5，自動切換器16包括:殼體84，該殼體安裝在手把58上并且封閉控制器78 ;電源或電池86 ;以及用于顯示內(nèi)轂的當前檔位和自行車速度的顯示裝置88?？刂破?8包括微處理器或微控制器，所述微處理器或微控制器包括中央處理單元(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)以及輸入/輸出(I/
O)界面。自動致動的切換器16的控制器78還可以用于控制馬達11的操作。
[0057]控制器78可以是大規(guī)模集成電路的微控制器，該微控制器具有:集成CPU ;電動的可編程只讀存儲器(ERP0M)，本文所描述的切換器控制、顯示和車輪速度計算算法以及預先設(shè)定的切換點被編程到該ERPOM中；隨機存取存儲器(RAM)組用于接受來自速度傳感器102的模擬輸入的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器；致動器80 ;包括至少一個連接至致動器80的一個或多個控制輸出部；以及適合于驅(qū)動顯示器88的顯示驅(qū)動器?？刂破?8可以具有精簡指令集(RISC) CPU并且具有CMOS RAM以減少功率要求。在一個實施方式中，控制器78可以包括微芯片PIC16C924微處理器。[0058]雖然控制器78優(yōu)選是單集成電路，但其功能可以以多個電路或裝置執(zhí)行。此外，微控制器可以具有多功能可編程CPU，該多功能可編程CPU執(zhí)行加載在其EPROM中的計算機程序的指示，該控制器還可以是更專用的集成電路(ASIC)，其功能和邏輯完全地或者在很大程度上是硬線連接的。
[0059]自動切換器16還可以包括模式選擇器或開關(guān)87，以在手動模式和自動模式之間操作控制器78。控制器78在自動模式過程中或者當騎行者在手動模式過程中手動致動控制開關(guān)89時基于所存儲的切換點來切換內(nèi)轂14。參照圖6，模式開關(guān)87和控制開關(guān)89可以安裝在殼體84的外表面上，并且與控制器78聯(lián)接。其中一個控制開關(guān)可以用于執(zhí)行從較低檔位至較高檔位的切換，而另一個控制開關(guān)可以用于執(zhí)行從較高檔位至較低檔位的切換。另選地，如圖7中所示，控制開關(guān)89可以與布置在手把58的端部上的手柄91相鄰地安裝?？刂崎_關(guān)89經(jīng)由穿過手把58延伸的線(未示出)聯(lián)接至控制器78。
[0060]在一個示例中，由控制器78根據(jù)車輪速度切換內(nèi)轂14。更具體地，控制器78利用車輪速度和內(nèi)轂的當前檔位，結(jié)合預先設(shè)定的切換點90、92 (圖8中示出)自動切換內(nèi)轂
14。預先設(shè)定的切換點90、92基于車輪速度。參照圖8，內(nèi)轂14的每個檔位均對應于速度范圍94、96、98。預先設(shè)定的切換點90、92對應于每個速度范圍94、96、98的上限和下限。速度范圍94、96、98分別代表內(nèi)轂14的低檔位、中檔位和高檔位。當所測量的車輪速度跨越其中一個速度范圍界限時，控制器78生成切換信號?；谳?4的當前位置和對應于所測量的速度的轂14的希望位置，由控制器78生成切換信號。致動器80經(jīng)由線100接收切換信號，并且將內(nèi)轂14切換至所希望的檔位，其中線100沿著車架12在控制器78(參見圖1)和致動器80之間延伸。另選地，切換信號可以通過與控制器聯(lián)接的射頻發(fā)射器而耦合至致動器，并且由與致動器聯(lián)接的接收器接收該切換信號。
[0061]為了確定車輪速度，控制器78聯(lián)接至速度傳感器102。參照圖1，速度傳感器102包括安裝在車架12的后下叉106上的簧片開關(guān)104和附接至其中一個輻條74上的磁體108。速度傳感器102響應于磁體108從簧片開關(guān)104的通過而生成速度信號并且由控制器78接收。每個信號脈沖均對應于磁體108從簧片開關(guān)104的通過或后輪28的每轉(zhuǎn)。速度信號表示當前的車輪速度?？刂破?8還處理速度信號以提供輸出信號，該輸出信號被發(fā)送給顯示裝置88以將車輪速度連續(xù)地顯示給騎行者。另選地，簧片開關(guān)104可以被安裝在自行車10的前叉上，并且磁體108可以被附接至其中一個前輪輻條。
[0062]致動器80鄰近于多速鏈輪組件26安裝在車架12上。參照圖9至圖11，致動器80大體包括:封閉位置傳感器116的殼體114 ;直流(DC)馬達118，該直流馬達具有終止在作為齒輪減速器120的一部分的蝸輪119中的輸出軸；圍繞軸線123樞轉(zhuǎn)的桿122 ;以及齒輪分度凸輪124。當致動器經(jīng)由信號線100接收切換信號時，馬達118使齒輪119產(chǎn)生高速的低扭矩運動，該運動借助繼而包括多個互連齒輪的齒輪減速器120被轉(zhuǎn)化成高扭矩的低速運動。齒輪減速器120使供齒輪減速器120軸向加接的齒輪分度凸輪124旋轉(zhuǎn)，凸輪124使桿122圍繞軸線123旋轉(zhuǎn)。如最好地在圖9中看出的，基于希望的變速模式和當前的變速模式，桿122驅(qū)動內(nèi)轂14的切換銷76在輪轂軸25內(nèi)部或外部進入不同位置中。
[0063]參照圖11，當前的內(nèi)轂齒輪位置或者變速模式通過控制器78從位置傳感器116確定。位置傳感器116包括位置凸輪126，位置桿128以及微型開關(guān)130。凸輪126上的三個位置對應于內(nèi)輪轂14的三個齒輪位置或變速模式。齒輪分度凸輪124使位置凸輪126旋轉(zhuǎn)。當位置凸輪126旋轉(zhuǎn)時，位置桿128發(fā)生移動。每當桿128移動時微型開關(guān)130就被致動。微型開關(guān)130生成由控制器78接收的齒輪位置信號，以用于確定內(nèi)轂14的齒輪位置。
[0064]另選地，如已公知的，內(nèi)齒輪轂系統(tǒng)14的自動切換可以通過使用定位在轂內(nèi)的離心重塊而以機械的方式完成。則轂將以離心的方式操作，從而基于與自行車提高的速度相對應的轂的提高的轉(zhuǎn)動速度來切換檔位。此外，應該理解的是，能夠自動切換內(nèi)齒輪轂系統(tǒng)14的大量方法或裝置中的任一個均可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)使用。
[0065]圖8示出了騎行者如何可以以任一給定的車輪速度保持相同的車輪速度，但通過手動調(diào)節(jié)撥鏈器來改變他/她的踩踏速率。每個線段134均示出用于山地自行車的給出定選擇后鏈輪和內(nèi)轂齒輪的線性車輪/踏板速率。節(jié)奏的改變是即時的，這是因為騎行者直接改變齒輪裝置，而不是與在獨立的自動輪轂中一樣僅改變切換點。不論車輪速度如何，踏板速度的改變總是立即實現(xiàn)。
[0066]圖12 (并且也參照圖1)示出了一種用于本發(fā)明的另一實施方式的元件。具體地，該部件包括構(gòu)造為用于檢測切換線纜的運動并且可以被稱為切換傳感器17的傳感器。這樣的傳感器17的一個示例為被構(gòu)造成用于檢測切換線纜的運動的霍爾效應傳感器或等。在該實施方式中，磁體140被固定至控制線纜56?？刂凭€纜56以可滑動的方式在控制線纜殼體部分62a、62b內(nèi)行進。一個控制線纜殼體部分62a從傳感器17延伸至切換器，另一個控制線纜殼體部分62b從傳感器17朝向撥鏈器18延伸(圖1)。線纜56在傳感器17處在形成于傳感器殼體144中的止檔件142a、142b之間是暴露的(即沒有殼體)。傳感器17附接至傳感器殼體144或一些其他的在磁體140的有效感測距離內(nèi)的固定點上。傳感器17檢測磁體140的磁化作用的存在和水平。在該示例中，不是磁通量的水平而是用磁通量的改變來表示磁體140朝向是更靠近傳感器17還是更遠離傳感器17移動。磁體140的移動表示線纜56正在移動并且撥鏈器18同樣也在移動并且響應于線纜位置的改變而產(chǎn)生從多個鏈輪24中的一個鏈輪(圖1)至另一個鏈輪的檔位切換。
[0067]傳感器17與控制器78通信?？刂破?8被編程為在切換發(fā)生之前和/或切換發(fā)生時通過整體地或部分地減少供給馬達的功率來響應于來自表示線纜運動的傳感器的信號。所引起的馬達11的功率減少臨時性地減少鏈條22上的張力，并且因此減少齒輪傳動系部件的其余部分上的張力，具有防止錯過切換以及減少切換發(fā)生時的負載的效果。
[0068]其他實施方式(未示出)預期了當切換由騎行者啟動時的另一檢測裝置。一個這樣的實施方式預期提供一種位于已知的檔位選取機構(gòu)的桿上的觸摸傳感器或布置成檢測“手柄切換”類型的檔位選取機構(gòu)(例如參見圖1中的可由手旋轉(zhuǎn)的切換器54)的旋轉(zhuǎn)的霍爾效應傳感器。當騎行者觸碰桿或旋轉(zhuǎn)切換器的手柄時，馬達11臨時性地暫?；蛲Ｖ?。一旦騎行者將手從桿移開或者在將手從桿移開之后的一預先設(shè)定的時間之后或者在移動手柄以造成切換之后，馬達11可以重新啟動。可以容易地設(shè)想一種在完成切換之后逐漸地使馬達11達到全扭矩的控制電路或路線。
[0069]圖17描述了示出在檔位切換過程中臨時性暫停馬達的方法的簡化的流程圖。通常，馬達11和大齒盤/踏板30 —起生成作用在多速變速器15上的力，以使自行車10加速。當達到預先設(shè)定的切換速度時(200)可以自動發(fā)生切換(204)，切換速度由速度傳感器感測(202)，和/或切換輸入通過騎行者生成和感測(206)。響應于所感測的切換信號204，馬達11暫停或減慢(208)，執(zhí)行切換(210)，并且馬達重新開始操作運轉(zhuǎn)(212)。
[0070]轉(zhuǎn)至圖18并參照“自動范圍1”，全部或整個檔位范圍的自動切換部分是從最低的齒輪比I至齒輪比4。以這種方式，如果自行車10停止，則該系統(tǒng)將從齒輪比4自動向下切換至齒輪比I。該切換可以順序地發(fā)生:4-3-2-1。另選地，切換可以直接從齒輪比4跳轉(zhuǎn)至齒輪比I。然而，當自行車加速時，可能最希望從第一檔位順序地進行切換:1-2_3-4。一旦自行車達到所希望的速度，則騎行者可以將自動切換的檔位范圍上調(diào)一個齒輪比。這在“自動范圍2”中示出。當自行車在自動范圍2中停止時,齒輪從齒輪比5自動向下切換至齒輪比2，并且在加速時回調(diào)到比5。相類似地，如果騎行者上調(diào)至“自動范圍6”，則自動切換的檔位范圍為從6至9。以這種方式，該系統(tǒng)將不會在停止時一直切換至最低檔位。而是將僅向下切換至所選擇的最低自動切換檔位范圍，從而使得馬達以希望的速度運行并且騎行者能夠以有效和希望的方式將其恢復至希望的巡航速度。
[0071]雖然已經(jīng)通過參照特定的實施方式對本發(fā)明進行了描述，但應該理解的是，在所描述的本發(fā)明構(gòu)思的精神和范圍內(nèi)可以進行許多改變。因此，本發(fā)明不旨在被限制為所公開的實施方式，而是具有通過所附的權(quán)利要求的語言文字所允許的全部范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種半自動自行車換檔系統(tǒng)，該半自動自行車換檔系統(tǒng)包括: 大齒盤； 鏈環(huán)，該鏈環(huán)安裝在所述大齒盤上； 鏈條，該鏈條布置在所述鏈環(huán)上； 電動馬達，該電動馬達安裝到自行車，以向前推進所述自行車； 多速變速器，該多速變速器由所述鏈條驅(qū)動并且產(chǎn)生第一組齒輪比和第二組齒輪比； 手動切換機構(gòu)，該手動切換機構(gòu)用于選擇所述第一組齒輪比中的一個齒輪比；以及 自動切換機構(gòu)，該自動切換機構(gòu)用于選擇所述第二組齒輪比中一個齒輪比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半自動自行車換檔系統(tǒng)，其中，所述馬達驅(qū)動地聯(lián)接至所述大齒盤。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半自動自行車換檔系統(tǒng)，其中，所述多速變速器包括用于產(chǎn)生所述第一組齒輪比的多速鏈輪組件和用于產(chǎn)生所述第二組齒輪比的多速內(nèi)齒輪轂。
4.根據(jù)權(quán)利要 求3所述的半自動自行車換檔系統(tǒng)，其中，所述手動切換機構(gòu)包括手動操作的撥鏈器和用于操作所述手動操作的撥鏈器的檔位選擇器，以使所述鏈條移動通過所述多速鏈輪組件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半自動自行車換檔系統(tǒng)，其中，所述多速鏈輪組件包括至少五個鏈輪。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半自動自行車換檔系統(tǒng)，其中，所述多速內(nèi)齒輪轂根據(jù)多個變速模式操作，所述多個變速模式中的每一個變速模式都產(chǎn)生所述第二組齒輪比中的一個齒輪比。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半自動自行車換檔系統(tǒng)，其中，所述多個變速模式為兩個或更多個模式。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半自動自行車換檔系統(tǒng)，其中，所述自動切換機構(gòu)包括自動致動的切換器，該自動致動的切換器基于一種或多種預先設(shè)定的切換標準來進行切換。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半自動自行車換檔系統(tǒng)，其中，所述預先設(shè)定的切換標準基于自行車速度、大齒盤節(jié)奏以及施加到所述大齒盤的力的大小中的一者。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半自動自行車換檔系統(tǒng)，該半自動自行車換檔系統(tǒng)還包括控制所述馬達和所述自動切換機構(gòu)的控制器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半自動自行車換檔系統(tǒng)，其中，所述控制器被構(gòu)造成在切換過程中停止或減慢所述馬達。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半自動自行車換檔系統(tǒng)，該半自動自行車換檔系統(tǒng)還包括與所述控制器通信的切換傳感器，其中，所述控制器響應于來自所述切換傳感器的信號停止或減慢所述馬達。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的半自動自行車換檔系統(tǒng)，其中，這些信號表示切換。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的半自動自行車換檔系統(tǒng)，其中，所述手動切換機構(gòu)包括手動操作的撥鏈器和用于操作所述手動操作的撥鏈器的檔位選擇器，以使所述鏈條移動通過所述多速鏈輪組件，并且其中這些信號表示所述檔位選擇器的致動。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的半自動自行車換檔系統(tǒng)，該半自動自行車換檔系統(tǒng)還包括將所述檔位選擇器和所述手動操作的撥鏈器互連的線纜，其中，所述切換傳感器生成表示所述線纜移動的信號。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半自動自行車換檔系統(tǒng)，其中，所述多速變速器包括用于產(chǎn)生所述第二組齒輪比的多速內(nèi)齒輪轂。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的半自動自行車換檔系統(tǒng)，其中，所述多速內(nèi)齒輪轂根據(jù)多個變速模式進行操作，所述多個變速模式中的每個變速模式都產(chǎn)生所述第二組齒輪比中的一個齒輪比。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的半自動自行車換檔系統(tǒng)，其中，所述自動切換機構(gòu)包括自動致動的切換器，該自動致動的切換器基于一個或多個預先設(shè)定的切換標準進行切換，其中所述自動致動的切換器響應于所述控制器。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的半自動自行車換檔系統(tǒng)，其中，所述預先設(shè)定的切換標準基于自行車速度、大齒盤節(jié)奏以及施加到所述大齒盤的力的大小中的一者。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的半自動自行車換檔系統(tǒng)，其中，所述手動切換機構(gòu)包括手動操作的撥鏈器和用于操作所述手動操作的撥鏈器的檔位選擇器，以使所述鏈條移動通過所述多速鏈輪組件，并且其中這些信號表示所述檔位選擇器的致動，其中所述多速變速器包括用于產(chǎn)生所述第二組齒輪比的多速內(nèi)齒輪轂。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的半自動自行車換檔系統(tǒng)，該半自動自行車換檔系統(tǒng)還包括將所述檔位選擇器和所述手動操作的撥鏈器互連的線纜，其中所述切換傳感器生成表示所述線纜移動的信號 ，并且其中所述多速內(nèi)齒輪轂根據(jù)多個變速模式進行操作，所述多個變速模式中的每個變速模式都產(chǎn)生所述第二組齒輪比中的一個齒輪比。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的半自動自行車換檔系統(tǒng)，其中，所述自動切換機構(gòu)包括自動致動的切換器，該自動致動的切換器基于一個或多個預先設(shè)定的切換標準進行切換，其中所述自動致動的切換器響應于所述控制器。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的半自動自行車換檔系統(tǒng)，其中，所述預先設(shè)定的切換標準基于自行車速度、大齒盤節(jié)奏以及施加到所述大齒盤的力的大小中的一者。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半自動自行車換檔系統(tǒng)，其中，所述第一組齒輪比是比所述第二組齒輪比數(shù)量更多的齒輪比。
【文檔編號】B62M9/10GK103991506SQ201410054306
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年2月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月19日
【發(fā)明者】凱文·韋斯林 申請人:什拉姆有限責任公司