专利名称：单向离合器以及使用该单向离合器的转矩测定装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能够沿着其轴向只传递单向旋转的单向离合器，和一种带有这种单向离合器的转矩测定装置，其适合于对施加到单向离合器上的转矩进行测定。
背景技术：
传统的单向离合器由一个内环和一个外环组成，其中，内环上带有设置于其圆周上的锯齿形齿，而外环上带有能够与内环上的齿接合的卡爪。这种单向离合器允许仅在内环沿着所述方向旋转时，通过使内环上的锯齿形齿与外环上的卡爪接合，而将内环的单向旋转传递至外环。相反，当内环沿着相反方向旋转时，内环与外环的接合松脱开，以允许内环空转。
另外，除了具有卡爪与锯齿形齿的组合体的前述机构系统之外，公知的还有多种用于使内环与外环接合的接合机构系统。比如，一种这样的传统的接合机构系统包括具有沟槽与多个滚珠的组合体的机构系统。
在这里需要指出的是，传统的单向离合器很少被认为能够用于除了作为单向离合器之外的其它用途。
还有，由于这种传统的单向离合器不带有缓冲器，所以需要使用这样的材料或者机构，即当内环与外环接合所产生的应力被传递至接合部件时，其能够防止在接合部件中发生应力应变。
通过考虑前述事实并且基于下文中将要描述的探索，本发明得以完成。因此，本发明的目的在于提供一种单向离合器，其不仅能够用作转矩测定装置，并且还能够缓冲当接合部件接合时产生的应力。而且，本发明的另一目的在于提供一种转矩测定装置，该转矩测定装置使用了根据本发明的单向离合器。
发明内容
为了达到前述目的，本发明提供了一种单向离合器，其适合于将由单向旋转在离合器内部产生的应力的至少一部分，转换成沿着其轴向的应力，并且允许该沿着轴向的应力抵抗弹性形变(elasticity)。
因为至少一部分由单向旋转在离合器内部产生的应力被转换成轴向应力来抵抗弹性形变，这种单向离合器能够方便地测定出用于反映由于单向旋转所产生的转矩的内部应力。因此，比如通过添加用于对沿着其轴向的应力进行测定的测定系统，这种单向离合器还可以用作能够对由单向旋转所产生的转矩进行测定的转矩测定装置。
另外，根据本发明的单向离合器带有这样一个机构，其中，沿着轴向的应力抵抗弹性形变，以便这种弹性形变可以起缓冲作用，用于对由单向旋转在离合器内部产生的应力进行缓冲。
根据本发明的单向离合器不再使用传统技术中使用的内环和外环。在本发明的优选模式中，为了将由单向旋转所产生的应力转换成轴向应力，单向离合器包括第一构件和第二构件，所述构件沿着该单向离合器的轴向以这样一种方式依次设置，即一方面，当第一构件和第二构件中任意一个单向旋转时，第一构件与第二构件接合来中断第一构件与第二构件之间的相对旋转，并且为了对抗弹性形变，允许第一构件和第二构件沿着其轴向相互分离开；另一方面，当第一构件和第二构件中任意一个反向旋转时，第一构件与第二构件相互脱离，以使第一构件与第二构件之间能够相对旋转，并且借助于弹性形变沿着其轴向相互靠近。
在本发明的另外一种优选模式中，对于第一构件和第二构件的配置来说，第一构件具有第一接合面，该第一接合面上成形有多个齿，而第二构件具有第二接合面，该第二接合面上以这样一种方式成形有多个棘爪(pieces)，即第一构件和第二构件被设置成大体垂直于其轴向相互面对，并且当第一构件和第二构件中任意一个单向旋转时，所述棘爪能够接合到相邻的齿之间，而当第一构件和第二构件中任意一个反向旋转时，所述棘爪与所述齿脱离。
在本发明的又一种优选模式中，对于所述齿和棘爪的配置来说，各个齿均由相对于第一接合面的陡峭斜面和平缓斜面以这样一种方式构成，即各个所述棘爪均被安装在第二构件上，以便使沿着长度方向相对于第二接合面的角度可以发生变化，一方面，当第一构件和第二构件中任意一个单向旋转时，所述棘爪能够与所述齿的陡峭斜面接合，来实现与所述齿发生接合，并且其相对于第二接合面的角度增大；另一方面，当第一构件和第二构件中任意一个反向旋转时，所述棘爪能够与所述齿上的平缓斜面贴靠在一起，并且其相对于第二接合面的角度减小。此外，在又一种优选模式中，所述棘爪可以由刚性体制成，并且以这样一种方式枢转设置，即其长度方向能够环绕相对于第二接合面成给定角度的方向弹性枢转。
为了使得内部应力平稳地转换成其轴向的应力，第一构件和第二构件中任意一个优选地被设置成能够沿着其轴向方向滑动，并且可以通过防旋转系统安装到驱动系统上，以便防止相对于该驱动系统发生旋转，同时另外一个优选被设置成能够连接到从动系统上。防旋转系统比如可以包括所谓的滚珠花键装置或者键-槽装置。
仍然优选的是，弹性装置设置在与第一构件和第二构件的接合表面相反的后表面上，所述第一和第二构件通过防旋转系统沿轴向可滑动地安装。该弹性装置可以通过对抗其轴向应力而合适地发生弹性形变。
弹性装置优选地大体呈平整状，并且其轴向长度小于其径向长度。该弹性装置能够有助于缩短所述单向离合器的轴向尺寸。
通过设置用于测定弹性装置的应力形变的测定系统，可以获得一种转矩测定装置，该装置能够方便地对由单向旋转所产生的转矩进行测定。优选地，所述测定系统包括多个被以这样一种方式安装在弹性装置的多个位置处的形变传感器，即可以基于从所述多个形变传感器输出的信号的平均值，对转矩进行测定。这样可以改善转矩测定信号的S/N比率。
通过下面参照附图的描述，本发明的其它实施例和效果可以变得清楚明了。
图1是一个电动自行车的简要示意图，其中应用了根据本发明的单向离合器和转矩测定装置。
图2是根据本发明第一实施例的转矩测定装置。
图3是一个正视图和一个侧视图，示出了链轮与棘轮的接合状态，所述链轮和棘轮均用于与根据本发明第一实施例的转矩测定装置一同使用。
图4是一个示意性透视图，示出了链轮与棘轮齿部的分解视图。
图5是一个示意性透视图，示出了链轮与棘轮的接合状态，用于描述棘轮齿部的轴向位移。
图6是一个正视图，示出了用于与根据本发明第一实施例的转矩测定装置一同使用的链轮和链轮驱动齿轮。
图7是一个正视图和一个侧视图，示出了所述链轮驱动齿轮。
图8示出了一个根据本发明第二实施例的转矩测定装置，其中，图8(a)是一个正视图，示出了用于与第二实施例中的转矩测定装置一同使用的链轮，而图8(b)是一个侧面剖视图，示出了所述转矩测定装置。
图9是一个侧面剖视图，示出了用于与电动自行车一同使用的转矩测定装置，在该电动自行车中应用了根据本发明第三实施例的单向离合器(棘轮)。
图10是一个分解透视图，示出了图9中所示的单向离合器(棘轮)和转矩测定装置。
图11示出了齿与单向离合器(棘轮)上的棘爪接合的状态，用于描述根据第三实施例的转矩测定装置的原理。
图12示出了防旋转系统的示例，该防旋转系统用于防止部件相对于驱动轴发生相对旋转，其中，图12(a)是一个平面视图，示出了一个滚珠花键类型防旋转系统的简要结构；图12(b)是一个平面视图，示出了一个花键类型防旋转系统的简要结构；而图12(c)也是一个平面视图，示出了一个键-槽类型防旋转系统的简要结构。
图13示出了单向离合器上所述部件的结构和与所述部件一同使用的弹簧杆，其中，图13(a)是一个透视图，示出了安装有弹簧杆的状态；图13(b)是一个透视图，示出了没有安装弹簧杆的状态；而图13(c)是一个侧视图，示出了所述弹簧杆。
图14是一个用于描述所述弹簧杆的动作过程的视图，其中，图14(a)示出了没有安装弹簧杆的状态，而图14(b)示出了安装有弹簧杆的状态。
图15是一个用于描述所述弹簧杆的优点的视图。
图16是一个经过放大的正视图，示出了当从主链轮的后侧进行观看时，根据本发明一实施例用于电动自行车的双链条类型合力机构系统。
图17是一个经过放大的正视图，示出了当从主链轮的后侧进行观看时，根据本发明另一实施例用于电动自行车的双链条类型合力机构系统。
图18示出了一种根据本发明的合力机构系统，其中，图18(a)是一个当从主链轮的后侧进行观看时的放大正视图，而图18(b)是一个侧面剖视图。
具体实施例方式
作为一个示例，下面将参照附图利用一个电动自行车对根据本发明的单向离合器(棘轮装置)和利用了该单向离合器的转矩测定装置进行描述，其中，所述电动自行车中应用了根据本发明的单向离合器(棘轮)和转矩测定装置。
第一实施例图1是电动自行车1的简要示意图，在该电动自行车1中应用了根据本发明第一实施例的单向离合器(棘轮)和利用了该单向离合器的转矩测定装置。正如在图1中示出的那样，电动自行车1的主结构包括由金属管制成的车架3和多个构件，包括以与普通自行车相同的传统方式安装在车架3上的前轮20、用于控制前轮方向的车把16、后轮22以及车座18等等。
在车架3的中间下部处，驱动轴4被固定在车架3上，以便能够进行旋转，而踏板8L和8R分别通过曲柄轴6L和6R安装在驱动轴4的左侧端部和右侧端部。正如将要更为详细描述的那样，作为从动侧的链轮2通过棘轮被同轴安装在作为驱动侧的驱动轴4上，并且所述棘轮被设置成只沿着使自行车1向前运动的单一方向(沿着方向R)将旋转转矩从驱动侧传递至从动侧。
此外，在后轮22的中部，设置有后轮动力机构系统10，来将传递来的脚踏力提供给后轮22，环形链条12缠绕在链轮与飞轮(未示出)之间，所述飞轮被设置在后轮动力机构系统的内部。
由踏板8沿着前进方向施加的脚踏力通过曲柄杆6使驱动轴4进行旋转，并且旋转力作为沿着附图中方向R的脚踏转矩作用于链轮2上，使得链轮2进行旋转来通过链条12将脚踏转矩传递至后轮动力机构系统10，最终使后轮22进行旋转并且驱动自行车1向前运行。
下面，将参照图2至5针对根据本发明该实施例的转矩测定机构系统的构造进行描述。
参照图3，在这里示出链轮2和连接在该链轮2上的棘轮39的正视图，以及取自于该正视图中线S-S′的链轮2和棘轮39的侧部剖视图。正如在正视图中示出的那样，链轮2包括刚性本体部分38，该刚性本体部分38上带有多个齿24和位于相邻的齿24之间的凹槽25，链条12被缠绕在刚性本体部分38的外周上。刚性本体部分38在其中部设置有孔41，驱动轴4穿过并且被插入该孔41内，并且在孔41的圆周周围设置有圆筒形挡块46。
棘轮39包括有三个棘爪件40和棘轮齿部43。这三个棘爪件40在与链轮中心(对应于附图中的驱动轴线5)等间距的位置处以等角度间隔关系固定地设置在链轮2的本体部分38上。棘轮齿部43被设置在链轮2的一个侧表面上，以便能够与棘爪件40发生接合。
图3中的侧部剖视图示出了链轮2和棘轮39被安装在驱动轴4上的状态。正如在该附图中示出的那样，驱动轴42以固定方式环绕驱动轴4同心设置，以便不会环绕驱动轴4发生运动。驱动轴42在其外周处带有支座45，该支座45具有大体平行于驱动轴线5的圆柱轴表面。支座45中具有处于接合状态的链轮2和棘轮齿部43。链轮2被以这样一种方式设置，即其可以相对于支座45内的驱动轴42沿着棘轮的咬合不会产生作用的方向单独并且独立地进行旋转，与此同时棘轮齿部43被以一种下面将要描述的方式固定在驱动轴42上。
下面，将参照图4和5针对链轮2与棘轮齿部43的接合状态和离合器功能进行描述。
图4是链轮2与棘轮齿部43的分解状态的示意性透视图。正如在图4中示出的那样，棘爪件40均被制成托架形构件，带有由金属制成的细长、平整并且弹性弯曲的平板，该棘爪件40的后部40b通过焊接或者任何其它合适的措施以这样一种方式固定到链轮2的本体部分38上，即托架形构件的端部40a相对于其本体部分38以预定的角度倾斜设置。
棘轮齿部43具有带有平整表面的圆盘部分60。在面对链轮表面的一侧上，圆盘部分60的平整表面在其整个外周上成形有多个齿44，这些齿44能与棘爪件40接合。各个齿44均具有平缓斜面44a和陡峭斜面44b。而且，圆盘部分60在其中部带有圆筒形中轴54，该圆筒形中轴54从圆盘部分60的平整表面轴向延伸并且朝向其两侧向外突伸。中轴54上带有通孔57，该通孔57可以容纳环绕驱动轴4设置的驱动轴42。在中轴54的内部，在与面对链轮表面的圆盘部分60的相反的侧面处，呈平板形状的缓冲部分52被连接和固定到内侧轴壁上，以便沿着直径方向桥接通孔57。还有，螺旋弹簧(coil sping)50被插入到中轴54内，以便使得该螺旋弹簧50的一个端部与缓冲部分52贴靠在一起，并且使得其另一端部被固定在未示出的驱动轴上。
在链轮2与棘轮齿部43发生接合的状态下，棘爪件40的端部40a可以进入到由相邻斜面44a与44b限定出的凹槽内，并且其最顶端部分以与陡峭斜面44b相对的状态与所述凹槽贴靠在一起，正如图5中示出的那样。中轴54上的穿孔57用于容置驱动轴42。在这种状态下，尽管在附图中未示出，但是缓冲部分52被插入到另外的细长切槽58中，该细长切槽58被制成能够沿着驱动轴42的轴向穿过所述轴部。这种结构允许棘轮齿部43能够与可由脚踏力矩旋转的驱动轴4一起旋转，尽管其不会相对于驱动轴42进行旋转。由于缓冲部分52的轴向宽度被设定成比切槽58的长度要短，所以缓冲部分52可以沿着切槽58进行轴向滑动。与此同时，由于缓冲部分52在螺旋弹簧50的作用下沿着朝向链轮2的方向偏移，所以缓冲部分52会在棘爪件40的最顶端部分与棘轮齿部43发生接合的高度处接合。
正如图5的下部示出的那样，随着驱动轴42沿着对应于自行车1向前行进方向的方向R进行旋转，使棘轮齿部43和链轮2与驱动轴42一起沿着方向R进行旋转，因为与齿44的陡峭斜面44b贴靠在一起导致了棘爪件40的最顶端部分无法沿着该斜面进行滑动。另一方面，随着驱动轴42沿着与方向R相反的方向进行旋转，由于棘爪件40的端部40a的后表面与齿44的平缓斜面44a贴靠在一起，所以棘爪件40的最顶端部分不与该斜面发生接合并且沿着该倾斜面进行滑动，由此，驱动轴42的旋转运动不会被传递给链轮2。这就是棘轮39中单向离合机构的工作原理。
当驱动轴42沿着方向R的旋转运动通过棘轮齿部43传递给链轮2时，为了对抗由陡峭斜面44b施加的旋转力，弹性的棘爪件40受迫升高，正如在图5的下部示出的那样。因此，为了对抗螺旋弹簧50的偏压力，棘轮齿部43将受迫沿着轴向从正常的轴向位置(图2和3中的位置48a)远离链轮2，并且停在这样一个位置(图2和3中的位置48b)，在该位置处由脚踏力产生的旋转力与棘爪件40的弹性力达到均衡。随着脚踏转矩的减小，由陡峭斜面44b施加的旋转力变得更小，从而使得棘爪件40在其弹性作用下受迫回复到其原始位置，与此同时，由螺旋弹簧50向下偏压的棘轮齿部43受迫沿着轴向移动，接近链轮2。因此，棘轮齿部43的轴向位移量(ΔL)(图3)就反映出了脚踏转矩的量。
为了对棘轮齿部43的轴向位移量进行测定，可以在自行车车架上安装位置传感器34，以便测定出从一个预定位置至棘轮齿部43上圆盘60的轴向距离，正如在图2中示出的那样。位置传感器34例如可以利用测定构件、线圈以及测定线路来实现，其中，所述测定构件由诸如铁氧体的磁性材料制成，被安装成能够根据圆盘部分60的轴向位移而轴向移动，所述线圈被设置在测定构件的附近，而所述测定线路能够以电子方式测定线圈电感的变化，作为阻抗的变化量。对于这种装置来说，测定构件根据棘轮齿部43轴向位移量而靠近或者远离所述线圈，线圈的电感可以随测定构件与线圈之间的距离而发生变化，所以通过利用测定线路对电感的这种变化进行测定，可计算出与棘轮齿部43的轴向距离L1。在这里需要明白的是，很显然，只要轴向距离或者棘轮齿部43的轴向位移量ΔL可以被测定出，前述类型之外的其它任意类型的传感器均可以使用，并且某些传感器可以被置于棘轮39的内部。
位置传感器34的输出端部被连接在控制器14上，该控制器14用于接收来自于传感器的测定信号。控制器14可以由微型计算机或者类似设备来实现，并且具有基于接收到的与轴向距离相关的测定信号计算出脚踏转矩值的功能。
下面，将对一种根据本发明该实施例的电动助力系统进行描述。正如在图2中示出的那样，该电动助力系统包括可直接与链轮2接合的链轮驱动齿轮11；能够由未示出的电池旋转驱动的电动马达37，借助于旋转轴37a对助力转矩进行传递；减速齿轮机构35，用于降低电动马达37环绕旋转轴37a的转速，并且经由齿轮轴35a将旋转运动传递给链轮驱动齿轮11；以及控制器14，用于依据计算出的脚踏转矩值对电动马达37进行控制。
减速齿轮机构35例如可以包括由多个齿轮等构成的组合体。在由多个齿轮等组成的助力转矩传递路径的中部，可以设置一个所谓的单向离合器(虽然没有示出)，用于仅沿着一个方向传递动力。该单向离合器以这样一种方式设置，即其可以将助力转矩从电动马达37传递至链轮驱动齿轮11，但是却无法沿着相反方向进行传递，也就是说，无法沿着从链轮驱动齿轮至减速齿轮机构35的方向进行传递。这一布置能够确保自行车的运行总是平稳轻松，同时在非驱动时间内不会将任何负荷从电动马达传递到链轮2。
在图6中示出了链轮驱动齿轮11与链轮2的接合状态的正视图(其中的曲柄杆被省略)。正如在图6中示出的那样，缠绕在链轮2上的链条12包括这样一个布局，其中，销钉链节(pin links)交替性地与滚筒链节(rollerlinks)组合在一起，销钉链节被以这样一种方式设置，即两个销钉受迫进入两个蚕茧型环形板内，并且滚筒链节被以这样一种方式设置，即两个轴衬受迫进入两个环形板内，并且一个滚筒被插入到轴衬的外周，以便能够进行旋转。对于各个用于构成链条12中销钉链节和滚筒链节的滚筒来说，滚筒的间距和直径均被限定为能够与链轮2的各个齿发生接合。
比如，如同在图7中示出的那样，链轮驱动齿轮11可以以基本上与链条12相同的方式与链轮2发生接合。链轮驱动齿轮11可以包括两个呈平行关系设置的滚筒板17a和17b；多个圆筒形轴衬(滚筒轴)15，各个圆筒形轴衬15均沿着所述平板的周边区域以与链条12中的滚筒相等的间距大体垂直地受迫进入平板内，以便将所述平板相互连接起来；以及多个圆筒形滚筒21(如图所示，在本示例中为六个)，各个圆筒形滚筒21均被可旋转地插入，以便覆盖各个轴衬的外周。每个滚筒板17a和17b在其中部设置有安装孔19，驱动装置13穿过该安装孔19并且安装在该安装孔19上。在相邻的滚筒21之间，在链轮驱动齿轮11的外周部分处成形有向内凹陷的凹槽33′。
链轮驱动齿轮11上的两个相邻滚筒21与链轮2上的凹槽25接合，并且链轮2上的一个齿24能够进入到滚筒之间的间隙内，正如在图6中示出的那样。链轮驱动齿轮11上的凹槽33′最好被制成能够使链条12上的齿容易地接合到滚筒21中。例如，优选的是，凹槽33′被加工成基本上与链条12上呈蚕茧形状的链节板的狭窄中部具有相同形状。
下面，将参照附图针对本发明第一实施例的动作过程进行描述。
随着骑车人下压踏板8R和8L来使驱动轴4沿着方向R进行旋转，借助于缓冲部分52以不可旋转方式固定在驱动轴4上的棘轮齿部43，与驱动轴4一同旋转，并且通过与棘轮齿部43上的齿44发生接合的棘爪件40，将脚踏转矩施加到链轮2上，在链轮2上，来自于链条12的拉力作为负载作用。与此同时，为了对抗从棘齿上的陡峭斜面44b施加的旋转力，弹性的棘爪件40受迫升高，并且棘轮齿部43受迫沿着轴向进行移动，以便在抵抗螺旋弹簧50的偏压力的同时，从正常轴向位置(图3中的位置48a)远离链轮2，并且终止于由脚踏力产生的旋转力与棘爪件40的弹性力很好地达到均衡的位置(图3中的位置48b)。
下面参照图2，位置传感器34不断地对从其固定位置至棘轮齿部43的圆盘部分60之间的轴向距离进行感测，并且将测定信号(对应于位置48b)传递给控制器14。接着，控制器14从当没有向其上施加预先存储在内部存储器中的脚踏转矩时棘轮齿部43的位置48a与由接收到的测定信号代表的位置48b之间的差值确定出轴向位移量ΔL。由于轴向位移的量ΔL会随着脚踏转矩的变大而变大，所以控制器14可以利用上述两个要素的关系计算出脚踏转矩的值。这可通过例如试验确定出轴向位移量ΔL与脚踏转矩的关系，并且将代表这种关系的对照表存储在控制器14的内部存储器内而实现。
接着，控制器14至少基于计算出的脚踏转矩T确定出待施加的助力转矩Te，并且利用助力转矩计算出控制信号，来向电动马达37发出指令进行电驱动和旋转。此后，控制器14输出控制信号。也可以在自行车上安装自行车速度传感器，并且基于脚踏转矩T和自行车速度计算出助力转矩Te。
例如，对于最简单的电动助力控制来说，随着计算出的脚踏转矩T达到一个预定的值或者更高，马达控制信号产生，来发出指令使得电动马达37启动，并且产生出助力转矩，以便相对于脚踏转矩保持一个预定的比率。在其它情况下，控制器14产生出马达控制信号，发出指令使得电动马达37停机。在这种情况下，可以通过仅当所述值达到预定的值或者更高时，直接利用轴向位移量ΔL使电动马达37进行启动。
由于电动马达37被启动并旋转，旋转力通过减速齿轮机构35传递给链轮驱动齿轮11，并且链轮驱动齿轮11如图6所示，沿着方向K环绕中心驱动轴9进行旋转。这时，各个滚筒21能够一个接一个地与链轮2上的凹槽25接合，同时链轮2环绕驱动轴4的中心轴线5提供沿着方向R的驱动转矩。如上所述，在本实施例中，来自电动马达37的助力转矩通过链轮驱动齿轮11被传递至链轮2上形成有高刚度齿24的区域，以便其可以在不使链轮2发生弯曲和偏离旋转中心的条件下助力脚踏力。这将允许助力转矩在脚踏转矩被认为达到一个预定的值或者更高的情况下施加。对自行车的脚踏操作可以容易地实现。
在上述的实施例中，所述转矩可以基于在通常使用的自行车也需要的棘轮内部的轴向位移量而计算出来，无需单独向这种传统自行车增加部件和系统，包括具有高刚度、体积和重量的弹性部件或者传递机构系统，以便可以大幅度减小用于转矩测定机构系统的空间及其重量。这还有助于简化所述转矩测定机构系统。
另外，在本发明的该实施例中，来自电动马达37的助力转矩通过链轮驱动齿轮11被传递至具有较大直径的链轮2的外周部分，以便这种装置可以提供这样的优点和价值，即与其中助力转矩由驱动轴4添加的装置相比，可以提供更大的减速比率。这可以使转矩测定机构系统的尺寸更小，重量更轻，并且使该机构系统简化。
此外，在本发明的该实施例中，所述电动助力系统通过在棘轮中一体地包括转矩测定机构系统中的弹性变形部分，并且通过对链轮驱动齿轮11和驱动系统13进行定位，而更为简化地构造而成，因此无需对传统自行车的车架结构进行大的改动和变化。因此，本实施例中的电动自行车还可以被制得尺寸更小、重量更轻，并且降低制造成本。
(合力和助力动力机构系统)下面将参照图16至18针对合力机构系统的另一实施例进行描述，该合力机构系统使助力动力与脚踏力结合。
图16示出了在从后侧(从图1的相对侧)对主链轮2进行观看时，所述合力机构系统的示例。该合力机构系统包括与主链轮2同轴支撑起来的副链轮30；电动链轮33，该电动链轮33能够借助于在给定状况下产生的助力动力进行旋转；环形助力链条32，该环形助力链条32缠绕在副链轮30与电动链轮33之间，用以将助力动力从电动链轮33传递至副链轮30。电动链轮33和副链轮30均带有齿，各个齿具有相等的间距。最好，电动链轮33上齿的数目小于副链轮30上齿的数目。
由于图16示出的合力机构系统被从主链轮2设置在自行车车体的内部，所以副链轮30或者电动链轮33均不会从自行车车体向外突伸出来，由此有助于使得自行车车体的尺寸更小。还有，如图16所示，主链轮2与电动链轮33之间的距离可以小于主链轮2的半径。因此，正如在图18(a)中所示出的那样，所述合力机构系统不会有损于自行车的外观，因为当从外侧(从前侧)观看该自行车时，合力机构系统的大部分被轴向隐藏在主链轮2的内部。将一个链盒35′安装在主链轮2上，以便覆盖住该链条12，从而可以进一步改善自行车的外观并且保护链条。
图18(b)示出了图18(a)的一个侧面剖视图。正如在附图中示出的那样，利用销钉123将主链轮2和副链轮32固定起来，以便防止相互之间发生运动(也就是说以便使它们一同旋转)，并且上述两个链轮通过单向离合器99连接在驱动轴4上。电动链轮33通过平行于驱动轴4延伸的电动轴35a与驱动装置33运转联接起来。电动链轮33的中心孔34′制有锯齿部(参见图16)，以便能够防止电动轴35a与中心孔34′之间发生滑动式旋转。
驱动装置13可以安装在用于普通自行车的车架上，并且机壳中包括由电池17(图2)供给电能的电动马达37和减速齿轮机构35，该减速齿轮机构35连接在马达37的输出轴37a上，并且通过降低电动马达37的转速将动力传递给电动链轮33上的电动轴35a。尽管没有示出，沿着减速齿轮机构35中的助力动力传递路径设置有所谓的单向离合器，该单向离合器只可沿着一个方向传递动力。该单向离合器被设置和连接成能够将助力动力从电动马达37传递至电动链轮33，但是却不能沿着相反方向传递转矩，也就是说，不能从电动链轮33传递至减速齿轮机构35。
下面，将针对根据本发明该实施例的合力机构系统的动作过程进行描述。
随着电动马达37在给定状况下受控进行旋转，并且助力动力通过减速齿轮机构35提供给电动链轮33，电动链轮33的转矩通过助力链条12被传递给副链轮30，并且随后立即被传递至主链轮2，由此将助力动力与脚踏力结合到一起，其中，所述主链轮2被固定在副链轮30上并且在脚踏力的作用下进行旋转。
当电动马达37停止旋转时，该马达的旋转负载不会通过未示出的单向离合器传递至电动链轮33，以便可以在驾驭电动自行车的过程中获得安静和轻快的感觉，所述单向离合器设置在减速齿轮机构35中。
在本发明的该实施例中，以这样一种方式使用了所谓的双链条系统，即助力动力不会如同现有技术中那样直接传递给用于传递脚踏力的链条12，电动链轮33的助力转矩是通过单独安装在其上的链条32传递给与主链轮2一同旋转的副链轮30。通过采用这种双链条系统，根据本发明该实施例的电动自行车与现有技术相比，对驱动装置13的定位具有更大的自由度。例如，正如在图16和18(a)中示出的那样，驱动装置13可以沿着自行车向前运动的方向设置，以便该驱动装置13可以安装在用于普通自行车的车架上，而不用安装在专门为电动自行车而制备的车架上。
还有，在这里需要指出的是，很显然，电动链轮33可以沿着圆周方向设置在一个选定的位置处。图17示出了这样一个示例，其中，电动链轮33的位置沿着圆周方向顺时针改变了90度。在这种情况下，驱动装置13可以安装在用于车座18的支撑架上(参见图1)。此外，电动链轮33(从主链轮2的中心延伸至电动链轮33的中心的距离)还可以被置于任何位置处，该任何位置与主链轮2圆周的径向距离可以通过选取助力链条32的长度而更为自由地加以调整。
由于双链条系统可以使部件位置以前述方式更为自由地设置，所以这种技术更易于允许任何自行车被改装成电动自行车。换句话说，这种系统对自行车车架设计上的限制很小。
此外，如果电动链轮33上的齿的数目小于副链轮30上的齿的数目，正如附图中示出的那样，那么仅利用所述合力机构系统就能获得减速比率。这种装置允许减速齿轮机构35具有很小的减速比率，以便与传统的电动自行车相比，减速齿轮机构35的结构可以被制成更为简单，并且尺寸更为紧凑。换句话说，本发明的该实施例可以大大扩展减速齿轮机构的减速比率的范围。
第二实施例图8(a)和8(b)均示出了根据本发明第二实施例的转矩测定机构系统。在该实施例中，除了转矩测定机构系统以外的其它构件均与第一实施例中相同，因此相同和相似的构件被赋予了相同的附图标记和符号，并且为了简化起见将省去对它们的重复性详细描述。
正如在图8(a)和8(b)中示出的那样，该第二实施例中的转矩测定机构系统带有链轮70，该链轮70在其中部处具有圆筒形容纳部82。该圆筒形容纳部82被加工成朝向链轮70的一个平板表面侧突伸出来，而在其另外一个平板表面侧上凹陷下去的圆筒形状。链轮70可以被设置成使得圆筒形容纳部82上的凹槽指向踏板侧，并且该凹槽能够容纳单向离合器72，该单向离合器72仅可以从驱动侧部分向从动侧部分传递单向旋转。单向离合器72的从动侧部分在与圆筒形容纳部82上的凹槽接合的部分处被固定和联接在驱动轴4上，以便仅将沿着方向R的旋转传递至链轮70。链轮70上带有多个环绕圆筒形容纳部82的孔84(参见图8(a))，以便使链轮的重量减轻。
作为单向离合器72，可以选择这样一种离合器，即当驱动轴4沿着方向R旋转并且旋转力被传递至链轮70时，可以使该单向离合器72的从动侧部分沿着轴向朝向链轮侧发生位移，位移的量对应于脚踏转矩的量。作为示例，可以使用如同本发明第一实施例中的棘轮类型的单向离合器。
在相反侧的链轮70的另一内表面上，环绕圆筒形容纳部82的突伸部分设置有轴承74，用以从例周保持住圆筒形容纳部82。轴承74可优选地设置以从轴向和径向都与负荷匹配。而且，最好设置呈截锥形状的弹性金属盘簧76，来保持住所述轴承74，从而包封住轴承74的外周，并且盘簧76可以通过刚性支撑件78被固定在自行车车体上。换句话说，链轮70被弹性靠持在自行车车体上，从而能够在与单向离合器72相对的侧面上进行旋转。从图8(b)中可见，有一个位于轴向位置处的区域，在该区域中，当单向离合器72和盘簧76的轴向宽度投影到驱动轴4的中心轴线上时，单向离合器72轴向宽度的映象与盘簧76轴向宽度的映象叠置在一起。
此外，盘簧76带有应变仪80，用于测定盘簧对应于施加到其上的应力所发生的变形，并且该应变仪80连接在控制器14上(参见图2)。应变仪80可以用例如由金属薄层制成的电阻元件制成。当这样的金属薄层电阻元件用于应变仪80时，氧化薄膜绝缘层可以设置在盘簧76的镜面抛光表面上，并且通过溅射或者任何其它传统技术，以桥接形式在其上形成包括多个元件的电阻元件。控制器14可以测定出由于施加到盘簧76上的应力形变量所导致的桥接元件的电阻的变化量，并且随后确定出应力量。为了提高测定的精确度，应变仪80最好被安装在这样一个位置，即在该位置处，盘簧76更可能经受应力形变，以便使导致电阻值变化的应力形变量尽可能最大。
作为应变仪80的替代物，例如还可以使用压电式电阻元件，用于测定由于向盘簧76上施加压力导致电阻的变化，或者位置传感器，用于测定盘簧76的表面的位移量。
下面，将详细地对本发明第二实施例的动作过程进行描述。
随着骑车人下压踏板8R和8L使得驱动轴4沿着方向R进行旋转，旋转力通过单向离合器72的驱动侧部分传递至链轮70。与此同时，单向离合器72的从动侧部分倾向于沿着轴向朝向链轮侧发生位移，位移的量对应于脚踏的转矩，从而使内侧压力沿着轴向作用于链轮70上。该内侧压力通过轴承74施加到保持链轮70的盘簧76上，并且导致该盘簧76发生应力形变。该应力形变反映了链轮70在单向离合器72作用下的轴向位移量，即脚踏转矩大小。
应变仪80的电阻值随着盘簧76的应力形变而变化。利用控制器14对电阻值的变化进行测定，在控制器14中的内部存储器内，预先依次以对照图表形式存储有应变仪80的电阻值与脚踏转矩的关系，并且随后通过将测定到的应变仪80的电阻值与对照图表进行对照，确定出脚踏转矩T。然后，以类似于上述本发明第一实施例的方式，控制器14对电动马达37进行控制，以便借助于基于脚踏转矩T计算出的助力转矩Te进行驱动和旋转，并且旋转转矩通过链轮驱动齿轮11被直接传递至链轮70。
如上所述，在本发明的第二实施例中，也可基于盘簧76的应力形变计算出转矩，所述应力形变是由于普通自行车也需要的单向离合器72的压力作用所导致的，无需向传统的电动自行车上单独添加高刚度、大体积并且笨重的弹性部件和传递机构系统等等。因此，本发明第二实施例可以大大减小转矩测定机构系统的所占空间和重量，并且简化其机构。
另外，由于单向离合器72和盘簧76被以这样一种方式设置成具有相同的宽度，即单向离合器72被容纳在链轮70的圆筒形容纳部82中，而盘簧76被间接地从圆筒形容纳部82的外周保持，该第二实施例可以进一步缩短轴向冲程。通过采用由在盘簧76上被制成薄板形状的应变仪80对与脚踏转矩对应的形变量进行测定的方式，所述优点可以得以进一步改进。就空间节省方面而言，与第一实施例相比，上述优点可以使本发明的该第二实施例具有更为显著的效果。
第三实施例下面将参照图9至14更为详细地对根据本发明第三实施例的单向离合器(棘轮)和转矩测定装置进行描述。由于除了转矩测定装置之外的其它构件均与第一和第二实施例中相同，所以该第三实施例与第一和第二实施例中相同的构件被赋予相同的附图标记，并且在下面的描述中省去了对那些相同或者相似构件的详细描述。
正如在图9中示出的那样，链轮2借助于棘轮被轴向支撑在驱动轴4上，所述棘轮包括部件100和齿部112，正如在图10中示出的那样，它们作为主要构件相对设置。
如图13(a)所示，大体呈盘状的部件100在其中部带有可以容纳驱动轴4的孔106，并且具有三个刚性棘爪件102，这三个刚性棘爪件102在与齿部112相对的第二接合面110的侧面上沿着孔106的圆周方向等角度设置。另外，部件100沿着其圆周方向设置有三个凹槽170，如图13(b)所示，用以容纳各个棘爪件102。如图14(a)所示，棘爪件102可以包括旋转轴部分102a，该旋转轴部分102a被设置成能够容纳在凹槽170中，以便能够环绕旋转轴R进行旋转；接合部分102b，该接合部分102b从旋转轴部分102a的侧表面开始延伸；与接合部分102b相邻的平面部分102c，该平面部分102c被成形在旋转轴部分102上没有接合部分102b进行延伸的侧表面上。棘爪件102能够在旋转轴部分102a被置于凹槽170中的状态下枢转，并且接合部分102b根据棘爪件102的这种枢转运动，相对于第二接合表面110改变角度。在本实施例的另外一种模式中，凹槽170的设置方式使得凹槽部呈细长状，以便在接合部分102b下降时容纳该接合部分(图14(b))。
再次参照图13(b)，部件100上带有与各个凹槽170相邻的直线沟槽171，以便能够容纳弹簧杆104。三个直线沟槽171中每一个的两端均延伸至部件100的外周边缘。正如在图13(c)中示出的那样，弹簧杆104被以这样一种方式构造而成，即一个端部A被大体弯曲成直角，而另外一个端部B大体被弯曲成带有拐角的C形状。当弹簧杆104要被安装在部件100上的直线沟槽171中时，如图15所示，可简单地通过如同利用一个夹具那样利用弹簧杆104上带有拐角的C形状的端部B，夹持住部件100，同时使弹簧杆104在直线沟槽171内沿着该直线沟槽进行滑动，而将弹簧杆104很容易地安装在部件100上。但是，如果以上述方式利用弹簧杆104自身将部件100与弹簧杆104夹持在一起，存在有这种可能性，即由于弹簧杆104的端部B的拉力作用，弹簧杆104将从部件100中滑脱出来。为了确保可靠地将弹簧杆104固附到部件100上，弹簧杆104上成直角发生弯曲的端部A与部件100的侧壁接合。因此，具有前述结构的弹簧杆104允许很方便地将其自身安装到部件100上，并且防止其从部件100上发生脱落。
如图14(b)所示，在弹簧杆104被安装在部件100上的直线沟槽171中的情况下，弹簧杆104上的直线部分与棘爪件102上的平面部分102c接合，并且压靠到平面部分102c上，从而使平面部分102c与弹簧杆104上的直线部分匹配。因此，当没有外力作用时，棘爪件102将受迫沿着其长度方向(图11中的平衡方向160，该平衡方向160相对于第二接合面110具有给定的角度)升高。正如在图11中示出的那样，当棘爪件102沿着上升方向a或者沿着下降方向b偏离平衡方向160时，弹簧杆104在棘爪件102上施加一个微小的弹性量，以便使得所述偏离现象回复到其原始的平衡方向160。
再次参照图9和10，圆筒形部分103从部件100的后表面101延伸出。该圆筒形部分103设置有贯穿其中心部分的孔106。部件100的后表面101在圆筒形部分103的外周上带有圆形沟槽155(图9)，并且多个钢珠被置入该圆形沟槽155中。因此，后表面101提供了轴向负载支承部和轴向滑动支承部。
通过将圆筒形部分103插入中心孔127中，盘簧124与部件100的后表面110毗邻。在这种情况下，盘簧124通过钢珠152，也就是负载支承部，沿着弹性抵抗来自于部件100的压力的所述方向，可滑动地与后表面101毗邻。在盘簧124的前表面上，可以在两个呈180度夹角的相对位置处设置应变仪126。该应变仪126经由引线128电连接到控制器14上。更为优选的是，应变仪可以在三个位置或者更多位置处被设置在盘簧124。与此同时，优选的是多个应变仪在相互旋转对称的位置处被设置在盘簧124的前表面上。
盘簧124容纳在呈碗状的支撑件130的内侧底部132中。支撑件130设置有贯穿其中心部分、用于容纳驱动轴4的支撑通孔133，以及从其后表面上突伸出来的圆筒形支撑部分134。圆筒形支撑部分134在其外周表面上带有螺纹，并且与支撑部分145的螺纹内壁螺接在一起，来将支撑件130固定到自行车车体上。同时，对应于轴向和径向负荷，圆筒形支撑部分134的内壁与轴承138接合(如图9所示)。轴承138与成形在驱动轴4上的倾斜止挡表面144接合。由于轴承139(图8(b))被以一种类似方式安装在与驱动轴4相对的侧面上，所以驱动轴可以相对于自行车车体进行旋转。
所述部件的孔106的内壁在四个位置处设置有第一防旋转沟槽108，每个沟槽均沿着轴向5进行延伸。发生滑动并且与孔106的内壁毗邻的驱动轴4的外壁部分，在四个位置处设置有第二防旋转沟槽140，每个该沟槽与第一沟槽108相对地沿着轴向5延伸。正如在图12(a)中示出的那样，第一防旋转沟槽108和与第一沟槽108相对的第二防旋转沟槽140构成了每个沿着轴向延伸的柱状沟槽。在各个柱状沟槽中容纳和填充有多个钢珠150。这种装置允许部件100以很小的摩擦阻力沿着轴向5进行运动，并且防止相对于驱动轴4发生旋转。该系统可以被称作一种滚珠花键。还需要指出的是，其它类型的滚珠花键，比如环形枢转型滚珠花键，也可以用作可滑动的防旋转系统。
另外，也可以使用除了这种滚珠花键之外的其它系统。例如，正如在图12(b)中示出的那样，所谓的花键型防旋转系统也可以用作所述防旋转系统，其以这样一种方式设置，即驱动轴4设置有沿着轴向延伸的突伸部分140a，而部件100设置有第三防旋转沟槽108a，该第三防旋转沟槽108a设置成能够容纳所述突伸部分140a。在图12(b)中，突伸部分140a可以设置在部件100的旁侧，而第三防旋转沟槽108a可以设置在驱动轴4的旁侧。而且，正如在图12(c)中示出的那样，所谓的键-槽型防旋转系统可以用作所述防旋转系统，其以这样一种方式设置，即部件100设置有沿着轴向延伸的第四防旋转沟槽108b，而驱动轴4设置有面对第四防旋转沟槽108b的第五防旋转沟槽140b。这些沟槽构成了呈方形棱柱状的沟槽，键板被容纳在其中。如同第一实施例中那样，缓冲部分52也可以被用于该第三参照图9和10，齿部112在其中心部分形成带有孔120，用于容纳驱动轴4，并且包括大体呈圆筒形状的构件，该构件带有设置于其圆周部分处的安装凸缘。所述大体呈圆筒形状的构件的内侧底部对应于齿部112的第一接合面121。该第一接合面121带有多个棘齿114，这些棘齿114能够与棘爪件102接合。相对于第一接合面121，各个棘齿114包括陡峭斜面118和平缓斜面116，这些斜面沿着齿部的圆周方向交替、周期性地成形。
齿部112通过套环111被轴向支撑在驱动轴4上，以便使第一接合面121面对部件100的第二接合面110。与此同时，棘爪件102与棘轮112接合(参见图11)。换句话说，驱动轴4仅通过棘爪件102与棘齿112之间的连接部，与齿部112运行地连接在一起。正如在图9中示出的那样，垫圈122与驱动轴4的端部142接合，来防止齿部112沿着轴向向外偏离，其中，所述驱动轴4通过套环111穿过孔120。主链轮2通过销钉123(图9)以不可移动的方式安装在齿部112上。另外，脚踏轴146被安装在驱动轴4的顶部。这种布置形成了用于将驱动轴4连接到主链轮2上的棘轮，以便只使由沿着使自行车向前行进方向的脚踏力所产生的旋转传递至主链轮2。
优选，偏置弹簧136置于驱动轴4上的倾斜止挡表面144与部件100的后表面101之间。该偏置弹簧136沿着轴向发生偏移，以便在脚踏力小于一个预定的值时，比如当脚踏力接近为零时，在安装于后表面101中的钢珠152与盘簧124之间形成一个间隙。
下面，将对本发明第三实施例的动作过程进行描述。
随着骑车人下压踏板8R和8L来施加脚踏力并使驱动轴4沿着使自行车向前行进的方向旋转，所产生的旋转力将被传递至部件100上，其中，所述部件100以不可旋转的方式轴向保持在驱动轴4上。与此同时，正如在图11中示出的那样，从部件100向棘爪件102施加一个对应于脚踏力的力Fd，以便其顶端部能够与齿部112的棘齿114的陡峭斜面118贴靠在一起，用于将所产生的力传递至棘齿。由于棘齿部112连接在链轮2上，所以棘爪件102的顶端部接收来自陡峭斜面118的作用力Fp，该作用力Fp是由驱动负荷产生。如果棘爪件102从其两个端部接收到在相反方向上的力Fp和Fd，那么其将受迫沿着方向a升高。随着棘爪件102沿着方向a升高，部件100将沿着轴向向内运动，并且下压设置于部件100与支撑件130之间的盘簧124。另一方面，为了对抗下压盘簧124的作用力，弹性力Fr作用于盘簧124上。该弹性力Fr可以在短时间内与反映使部件100沿着轴向运动的脚踏力的力保持均衡。因此，盘簧124的应力形变、部件100与齿部112之间的间隙、棘爪件102相对于第二接合面110的角度、部件100相对于自行车车架的位置、用于下压盘簧124的压力等等，均可以作为用于反映脚踏力的物理量。因此，通过测定前述物理量中的至少一个，可以定出脚踏转矩。
在第三实施例中，作为所述物理量的一个例子，对盘簧124的应力形变进行测定。控制器14还进行对来自至少两个设置于盘簧124上的应变仪126的信号的额外操作(包括进行平均运算)。通过以前述方式对多个位置处的应力形变量进行平均，对于相等的脚踏转矩可以将输出的较大变化设定得平缓，并且噪声分量可得以均化，从而S/N比率可以改善，来进一步提高确定转矩的准确性。这种效果可以随着应变仪数目的增加而增强。
还有，如果脚踏力小于预定的值或者在其它情况下，偏置弹簧136将使部件100的后表面101与盘簧124之间形成间隙，从而可以减少钢珠152在盘簧124上的冲击频率。这可以降低从应变仪发出的信号的噪声分量，以改善对转矩的测定和提高助力控制的稳定性。
需要指出的是，本发明第三实施例中的助力控制基本上与第一和第二第三实施例可以提供总结如下的显著优点和价值。
(1)棘轮和转矩测定装置可以由一个机构系统来实现，从而可以减少大量部件。因此，自行车可以制得尺寸更紧凑并且重量更轻，同时与传统的自行车相比，制备成本更低。
(2)由于一体带有负载装置和负载测定传感器的盘簧被用在对脚踏转矩进行测定的部分处，所以可以由一个装置实现两种功能，从而除了前述效果之外，还可以获得一种更为紧凑和重量更轻的结构，并且制造成本更为低廉。
(3)正如已经在第(1)和(2)条中描述的那样，由于本发明可以以非常高的水平获得紧凑、重量较轻并且结构简单的转矩测定装置，所以将转矩测定装置安装到普通自行车的可能性也得以拓展。
(4)由于在前述第(1)和(2)条中描述过的原因，与传统的机构系统相比，负载的传递损耗可以减轻，从而可以以很高的控制灵敏度来获得助力感觉。
(5)由于在前述第(1)和(2)条中描述过的原因下可以减少踏板的无用运动(直至当传感器进行感测时)，与传统的机构系统(使用螺旋弹簧)相比，踩踏根据本发明的电动自行车时的感觉可以如同踩踏普通自行车那样，尽管与踩踏传统机构系统相比存在有助力感觉。
尽管已经借助于各个实施例对本发明进行了描述，但是需要明白的是，本发明应该被理解为在任何方面均不局限于这些实施例，并且包含在不脱离本发明保护范围和技术构思的条件下进行的任何改进和变型。
例如，在本发明的各个实施例中，需要明白的是，将棘轮上的棘爪和齿中一个安装到链轮上并且将另外一个安装到驱动轴上的方式，可以以任选的合适方式加以改进。例如，对于第三实施例来说，部件100可以被安装在链轮的侧面，并且齿部112可以被安装在驱动轴4上，以便能够进行滑动但不能进行旋转，由此允许齿部112下压盘簧124。
尽管在第一和第三实施例中作为示例采用了三个棘爪件，但是毋容质疑，棘爪的数目可以是两个、四个或者更多。还应该指出的是，如同在图12(a)、12(b)和12(c)中示出的那样，作为防旋转系统的沟槽和突伸部分的数目并不局限于前述内容。
还需要指出的是，尽管所述构件已经在一个或者多个实施例中进行了描述但却未在其它实施例中予以描述，但是在不脱离本发明保护范围和技术构思的条件下，所述构件也可以应用于其它实施例。例如，在图12(a)、12(b)和12(c)中示出的防旋转系统也可以同样被应用于第一和第二实施例。另外，借助于第二实施例描述过的单向离合器也可以被应用于第一和第三实施例中的棘轮上。而且，第二实施例中的多个应变仪也可以以与第三实施例中相同的方式设置，并且可以对输出信号进行平均操作。
就其类型和形状而言，设置成用于抵抗棘轮发生形变的弹性构件也可以以任选的合适方式进行改进和变化。除了盘簧和螺旋弹簧之外，由橡胶材料制成的弹性构件也可以使用。
在本发明的各个实施例中，对待测定的物理量可以任选地进行合适选择，只要其如同第三实施例中那样以棘轮发生形变为基础即可。例如，测定基于棘轮齿部的轴向位移的压出压力(forcing-out pressure)的压电式传感器也可以被用于第一实施例中。此外，还可以将应变仪安装到棘爪件上，并且基于该棘爪件的应力形变量计算出脚踏转矩。而且，压电式传感器可以在第三实施例中被设置在支撑件的内侧底部。利用置于其旋转轴上的编码器，还可以对棘爪件的旋转角度进行测定。此外，还可以设置位置传感器，用于测定所述构件相对于所述齿部的位置。
还有，尽管作为用于测定应力形变的装置的示例而采用了应变仪，但是所述装置并不局限于应变仪，只要可以对与应力形变相关的物理量进行测定即可。
此外，根据本发明的单向离合器和转矩测定装置被描述成了一个可以应用于电动自行车上的示例。但是，需要指出的是，本发明还可以应用于任何其它特定用途，只要根据本发明的单向离合器可以被用于仅将一个方向的旋转从驱动装置传递至从动装置即可。
本发明的效果正如在前面详细描述的那样，根据本发明的单向离合器可以提供的优点在于，通过添加用于测定轴向应力的测定系统，其可以用作转矩测定装置，用于对由单向旋转所产生的转矩进行测定，因为所述单向离合器可以至少将由单向旋转在离合器内部产生的应力的一部分转换成所述轴向的应力，以便允许所述轴向应力抵抗所述弹性形变。另外，本发明可以提供的优点还在于，因为所述轴向应力可以与弹性形变相对抗，所述弹性形变可以起缓冲作用，用于对由单向旋转在离合器内部产生的应力进行缓冲。
而且，由于根据本发明的转矩测定装置还可以用作单向离合器，因为该单向离合器的轴向应力可以作为转矩进行测定，因此本发明可以提供的优点还在于，需要使用所述单向离合器并且需要对转矩进行测定的装置可以被制得尺寸更为紧凑并且重量更轻。
权利要求
1.一种适合于沿着其轴向只传递单向旋转的单向离合器，其中，至少由所述单向旋转在离合器内部产生的应力的一部分被转换成沿其所述轴向的应力，并且所述轴向的应力能够抵抗弹性形变。
2.如权利要求1所述的单向离合器，其中，第一构件和第二构件沿着所述轴向依次设置；当所述第一构件和第二构件中任意一个执行所述单向运动时，所述第一构件和第二构件相互接合，以中断所述第一构件与第二构件之间的相对旋转，并且为了对抗所述弹性形变，所述第一构件和第二构件沿着所述轴向相互分离；并且当所述第一构件和第二构件中任意一个沿着与所述单向相反的方向进行旋转时，所述第一构件和第二构件相互脱离，以使所述第一构件与第二构件之间能够相对旋转，并且借助于所述弹性形变，所述第一构件和第二构件沿着所述轴向相互靠近。
3.如权利要求2所述的单向离合器，其中，所述第一构件具有第一接合面，该第一接合面被制成带有多个齿，而所述第二构件具有第二接合面，该第二接合面被制成带有多个棘爪(pieces)；所述第一接合面与第二接合面被设置成大体垂直于所述轴向相互面对；当所述第一构件和第二构件中任意一个沿着所述轴向旋转时，所述棘爪接合在相邻的齿之间，以与所述齿发生接合；并且当所述第一构件和第二构件中任意一个沿着与所述轴向相对的方向旋转时，所述棘爪脱离所述齿，以松脱开所述棘爪与所述齿的接合。
4.如权利要求3所述的单向离合器，其中，每个所述齿均包括相对于所述第一接合面的陡峭斜面和平缓斜面；所述棘爪安装在所述第二构件上，从而使其沿着长度方向相对于所述第二接合面的角度能够发生变化；当所述第一构件和第二构件中任意一个沿着所述轴向旋转时，所述棘爪与所述齿上的陡峭斜面接合，以实现与所述齿的接合，并且所述棘爪相对于所述第二接合面的角度增大；并且当所述第一构件和第二构件中任意一个沿着与所述轴向相对的方向旋转时，所述棘爪与所述齿上的平缓斜面贴靠在一起，并且所述棘爪相对于所述第二接合面的角度减小。
5.如权利要求4所述的单向离合器，其中，所述棘爪由刚性件制成，并且被设置成能够使其长度方向环绕一个相对于所述第二接合面成给定角度的方向进行弹性枢转。
6.如权利要求5所述的单向离合器，其中，所述棘爪包括旋转轴部分和接合部分，所述旋转轴部分被枢转地设置在所述第二构件上的凹槽内，而所述接合部分从所述旋转轴部分开始延伸，来与所述齿接合。
7.如权利要求6所述的单向离合器，其中，所述棘爪在所述旋转轴部分的侧表面上具有平面部分，并且通过将弹性件与该棘爪上的平面部分贴靠在一起，使得该棘爪能够弹性枢转。
8.如权利要求7所述的单向离合器，其中，所述弹性件呈杆的形状，并且可以被容纳在成形于所述第二构件中的沟槽中，该沟槽位于邻近用于所述棘爪的所述凹槽的位置处。
9.如权利要求8所述的单向离合器，其中，所述弹性件包括大体被弯曲成直角的第一端部和被弯曲成带有拐角的C形状的第二端部。
10.如权利要求2至9中任一所述的单向离合器，其中，所述第一构件和第二构件中任意一个被设置成能够沿着所述轴向进行滑动，并且能够通过防旋转系统安装在驱动系统上，所述防旋转系统用于防止相对于所述驱动系统发生旋转；而所述第一构件和第二构件中的另外一个可以连接在从动系统上。
11.如权利要求10所述的单向离合器，其中，通过所述防旋转系统沿着所述轴向可滑动地被安装的所述第一构件和第二构件中的任意一个构件，被支撑成能够使得弹性装置与其后表面贴靠在一起，并且由该弹性装置提供所述弹性形变，其中，所述后表面与所述接合面相反。
12.如权利要求11所述的单向离合器，其中，所述弹性装置大体呈平整状，其轴向长度短于其径向长度。
13.如权利要求12所述的单向离合器，其中，所述弹性装置包括盘簧。
14.如权利要求12所述的单向离合器，其中，能够与所述弹性装置贴靠在一起的所述第一构件和第二构件中任意一个的后表面设置有用于承载和旋转-滑动的轴承。
15.如权利要求14所述的单向离合器，其中，所述轴承包括多个钢珠，这些钢珠被可旋转地压入成形于所述后表面上的圆形沟槽中。
16.如权利要求12所述的单向离合器，其中，当由所述单向旋转所产生的转矩小于给定值时，偏置弹性件被置于所述后表面与所述弹性装置之间，以使所述第一构件和第二构件中任意一个发生偏离，从而在所述后表面与所述弹性装置之间形成一个间隙。
17.如权利要求10所述的单向离合器，其中，所述防旋转系统包括滚珠花键。
18.如权利要求17所述的单向离合器，其中，能够沿着所述轴向滑动的所述第一构件和第二构件中的任意一个构件设置有用于容纳旋转轴的孔，来通过所述单向旋转产生转矩。
19.如权利要求18所述的单向离合器，其中，所述防旋转系统包括一行或者多行成形于所述孔内壁上并且沿着所述轴向延伸的第一沟槽、一行或者多行成形于所述旋转轴上以面对所述第一沟槽并且沿着所述轴向延伸的第二沟槽、以及容纳于第一沟槽和第二沟槽中的钢珠。
20.如权利要求18所述的单向离合器，其中，所述防旋转系统包括一行或者多行成形于所述孔内壁上并且沿着所述轴向延伸的第一沟槽、一行或者多行成形于所述旋转轴上以面对所述第一沟槽并且沿着所述轴向延伸的第二沟槽、以及容纳于第一沟槽和第二沟槽中的板。
21.如权利要求18所述的单向离合器，其中，所述防旋转系统包括一行或者多行成形于所述孔内壁上并且沿着所述轴向延伸的沟槽，和一行或者多行成形于所述旋转轴上以容纳于所述沟槽中的突伸部分。
22.如权利要求18所述的单向离合器，其中，所述防旋转系统包括一行或者多行成形于所述孔内壁上并且沿着所述轴向延伸的突伸部分，和一行或者多行成形于所述旋转轴上以容纳所述突伸部分的沟槽。
23.如权利要求18所述的单向离合器，其中，所述防旋转系统包括在所述孔的整个直径长度上延伸并且将该孔的内壁连接起来的板件，和沿着所述轴向在所述轴上延伸的穿通沟槽。
24.一种转矩测定装置，该转矩测定装置包括用于沿着轴向只传递单向旋转的单向离合器，并且能够测定由所述单向旋转所产生的转矩，其中，所述单向离合器将由所述单向旋转在所述离合器内部产生的应力的至少一部分转换成所述轴向应力，来抵抗弹性形变；并且还设置有测定系统，用于对所述轴向应力作为转矩进行测定。
25.如权利要求24所述的转矩测定装置，其中，所述单向离合器包括第一构件和第二构件，所述构件沿着所述轴向依次设置；当所述第一构件和第二构件中任意一个执行所述单向运动时，所述第一构件和第二构件相互接合，以中断所述第一构件与第二构件之间的相对旋转，并且为了对抗所述弹性形变，所述第一构件和第二构件沿着所述轴向相互分离；并且当所述第一构件和第二构件中任意一个沿着与所述单向相反的方向进行旋转时，所述第一构件和第二构件相互脱离，以使所述第一构件与第二构件之间能够相对旋转，并且借助于所述弹性形变，所述第一构件和第二构件沿着所述轴向相互靠近。
26.如权利要求25所述的转矩测定装置，其中，所述第一构件具有第一接合面，该第一接合面被制成带有多个齿，而所述第二构件具有第二接合面，该第二接合面被制成带有多个棘爪(pieces)；所述第一接合面与第二接合面被设置成大体垂直于所述轴向相互面对；当所述第一构件和第二构件中任意一个沿着所述轴向旋转时，所述棘爪接合在相邻的齿之间，以与所述齿发生接合；并且当所述第一构件和第二构件中任意一个沿着与所述轴向相对的方向旋转时，所述棘爪脱离所述齿，以松脱开所述棘爪与所述齿的接合。
27.如权利要求26所述的转矩测定装置，其中，每个所述齿均包括相对于所述第一接合面的陡峭斜面和平缓斜面；所述棘爪安装在所述第二构件上，从而使其沿着长度方向相对于所述第二接合面的角度能够发生变化；当所述第一构件和第二构件中任意一个沿着所述轴向旋转时，所述棘爪与所述齿上的陡峭斜面接合，以实现与所述齿的接合，并且所述棘爪相对于所述第二接合面的角度增大；并且当所述第一构件和第二构件中任意一个沿着与所述轴向相对的方向旋转时，所述棘爪与所述齿上的平缓斜面贴靠在一起，并且所述棘爪相对于所述第二接合面的角度减小。
28.如权利要求27所述的转矩测定装置，其中，所述棘爪由刚性件制成，并且被设置成使其长度方向环绕一个相对于所述第二接合面成给定角度的方向进行弹性枢转。
29.如权利要求28所述的转矩测定装置，其中，所述棘爪包括旋转轴部分和接合部分，所述旋转轴部分被枢转地设置在所述第二构件上的凹槽内，而所述接合部分从所述旋转轴部分开始延伸，来与所述齿接合。
30.如权利要求29所述的转矩测定装置，其中，所述棘爪在所述旋转轴部分的侧表面上具有平面部分，并且通过将弹性件与该棘爪上的平面部分贴靠在一起，使得该棘爪能够弹性枢转。
31.如权利要求30所述的转矩测定装置，其中，所述弹性件呈杆的形状，并且可以被容纳在成形于所述第二构件中的沟槽中，该沟槽位于邻近用于所述棘爪的所述凹槽的位置处。
32.如权利要求31所述的转矩测定装置，其中，所述弹性件包括大体被弯曲成直角的第一端部和被弯曲成带有拐角的C形状的第二端部。
33.如权利要求25至32中任一所述的转矩测定装置，其中，所述第一构件和第二构件中任意一个被设置成能够沿着所述轴向进行滑动，并且能够通过防旋转系统安装在驱动系统上，所述防旋转系统用于防止相对于所述驱动系统发生旋转；而所述第一构件和第二构件中的另外一个可以连接在从动系统上。
34.如权利要求33所述的转矩测定装置，其中，通过所述防旋转系统沿着所述轴向可滑动地被安装的所述第一构件和第二构件中的任意一个构件，被支撑成能够使得弹性装置与其后表面贴靠在一起，并且由该弹性装置提供所述弹性形变，其中，所述后表面与所述接合面相反。
35.如权利要求34所述的转矩测定装置，其中，所述弹性装置大体呈平整状，其轴向长度短于其径向长度。
36.如权利要求35所述的转矩测定装置，其中，所述弹性装置包括盘簧。
37.如权利要求36所述的转矩测定装置，其中，所述测定系统用于对所述弹性装置的应力形变进行测定。
38.如权利要求37所述的转矩测定装置，其中，所述测定系统带有安装于所述弹性装置上多个位置处的多个形变传感器，基于所述多个形变传感器输出信号的平均值，对转矩进行测定。
全文摘要
本发明公开了一种带有单向离合器的电动自行车，所述单向离合器还可以用作转矩测定装置。这种单向离合器具有安装于从动装置上的齿部(112)和被可滑动但不可旋转地安装在驱动轴(4)上的部件(100)。所述齿部具有第一接合面(121)，该第一接合面(121)被制成带有多个齿(114)，而所述部件具有第二接合面(110)，该第二接合面(110)被制成带有多个棘爪(102)。第一接合面与第二接合面被设置成大体垂直于轴线方向相互面对。盘簧(124)被置于所述部件的后表面上。随着部件(100)沿着向前行进的方向进行旋转，棘爪与所述齿上的陡峭斜面接合，来与所述齿接合，并且所述棘爪相对于第二接合面的角度增大，由此通过抵抗所述盘簧，所述棘爪发生滑动，从而增大与所述齿部的距离。随着所述棘爪沿着相反方向进行旋转，所述棘爪与所述齿上的平缓斜面贴靠在一起，并且所述棘爪相对于第二接合面的角度减小，来借助于所述盘簧的弹性，缩小与所述齿部的距离。
文档编号B62M6/55GK1469975SQ01817283
公开日2004年1月21日 申请日期2001年10月10日 优先权日2000年10月13日
发明者吉家彰人, 小胜京介, 介 申请人:新时代技研株式会社, 环球-新时代公司