由从动轮的角速度确定齿轮啮合的自动变速系统的制作方法

背景技术：

从自行车被发明以来，人们一直在寻求一种更为简单舒适的推进系统，其能够提高自行车的可用性，从而使它们作为一种日常交通工具而被更广泛的人群所使用。

绿色交通的普遍趋势也鼓励人力车辆的使用。

第一代自行车仅仅能够支撑一位骑行者的重量。后来加入了驱动前轮的曲柄驱动踏板。之后又加入了驱动后轮的、具有上述曲柄驱动踏板的链条驱动器。后来又加入了手动变速装置以更易于山地骑行。上述变速装置是通过由装配在后轮轮毂内的内部行星齿轮切换至外部行星齿轮，更通俗地说，即链轮而实现的。机动自行车形成了不同的分支，从各种类型的摩托车到电动自行车。

之后加入了换挡装置，其在拓宽了发动机、电机和人力驱动自行车的动力范围的同时，也要求更高的技术理解来进行操控以充分利用其优势。

一方面，一般的潜在骑行者并不具有操纵手动变速拨叉的技能或意愿，且通常为多个传动比所困惑。另一方面他们又期望自动变速的便利性，由于自动变速能够隐藏上述运作方式下的繁琐操作和震鸣声。

对于坐式摩托车，目前的趋势是采用电子控制的皮带变速装置作为优选的变速方式。在人力车辆中，我们寻求一种更好的低能耗机制。因此，用于操纵常见的链轮变速装置的变速器、滑动离合器、自动离合器或甚至计算机化致动器都只是对于一种不尽人意的解决方案的补丁式改进。

因此，长期以来，人们需要这样一种驱动方式，其能够消除人们决定哪种传动比才是某一特定地形决定所需的适宜的传动比这一问题时的困扰，并且能够提供平稳、舒适、轻松的骑行。

shimano，美国专利03513726，公开了一种三级自动变速自行车轮毂，其包括：驱动套筒，其具有普通驱动链轮；行星齿轮机构，其设置在所述驱动套筒和所述轮毂外壳之间；高速比传动棘轮机构，二者均与所述行星齿轮机构相关联；以及离心调速器配重，其适于根据驱动链轮的转速来实现所述高速比传动棘轮机构的有效啮合及解除啮合。

lenoble，美国专利5976052，公开了一种用于自行车的紧凑型自动变速装置，其中所有的链轮均通过中间移动元件啮合，并装配有由机械转速计或电子转速计自动控制的防逆转棘爪。所公开的第一个装置为直线齿轮组，其集成在密封的壳体内，并通过完全移除驱动链条而将底架主轴连接至车轮主轴。其公开的第二个装置由同轴链轮组成，上述同轴链轮由位于内侧的三个中间移动元件驱动，而上述同轴链轮的起始齿、棘爪和转速计均位于外侧。所公开的组件被容纳在彼此正对转动的两个密封壳体中。

现有技术中公开的齿轮组件的速比传动取决于主动轮的角速度，然而，这些系统并未考虑从动轮的需求或输入，例如从动轮的转动载荷(或实际为从动轮的角速度)。

hadeev，wo/2008/147236，公开了一种能够在轴负载改变时调整传动比的机构。该机构可以是例如器具减速器的形式，特别是螺丝刀、汽车离合器以及直升机或旋翼机螺旋桨的减速器。hadeev传动比转换器被设计为这样一种装置的形式：即，该装置包括具有齿轮架和不同直径齿轮的行星差动齿轮，上述不同直径齿轮中的一个牢固地连接在输出轴上以将发动机的能量传递到其上，第二齿轮被放置在具有确定滑动力的摩擦装置的驱动部件上，该摩擦装置产生制动力矩以及适应性传动比，摩擦装置的从动部件牢固地连接至第三中心齿轮，上述第三中心齿轮可在输出轴上自由转动，并通过减速齿轮将转动传递给第四齿轮，上述第四齿轮牢固地连接至输出轴。

然而，长期以来，仍然需要一种可以应用于自行车等人力装置的简单驱动器。需要一种能够根据承载转动负载的从动轮的角速度来确定从动轮上的动力源的应用。该设备应被封闭以隐藏前述机构，不需维护，且优选为一种附加在现有自行车群体上的“附加装置”。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于，提供一种自动变速啮合系统，其用于控制从动轮上的动力源的应用，该系统包括至少两个齿轮组件，每个齿轮组件安装在至少一个中间盘上，该中间盘可转动地连接至固定轴，每个中间盘安装有一个或两个齿轮组件；所述齿轮组件中的每一个具有以下结构：

a．输出轮，其与动力源连接并与其一致地转动；所述输出轮的直径用于设定角速度传动比以及施加给从动轮的转矩；输出轮安装在固定轴上且与中间盘并排设置；

b．角速度啮合模块（avem），其用于实现输出轮与从动轮之间的自动啮合和解除啮合；

每个输出轮具有不同的直径，用于实现不同的角速度传动比和施加给从动轮的转矩；

其中，所述至少一个中间盘安装在所述从动轮内侧，其中，所述至少一个中间盘的外周与所述从动轮的内周是部分接触的，从而所述中间盘安装在所述从动轮上并由所述从动轮带动其转动；

avem中的每一个均被配置为根据预定的所需的角速度传动比以及施加给从动轮的转矩来实现与所述中间盘的角速度、进而与所述从动轮的角速度相关联的啮合和解除啮合；从而使得对于动力源的应用的控制仅取决于从动轮的角速度。

本发明的另一个目的在于提供如上所述的系统，其中，所述avem包括：

a．棘轮，其具有至少一个轮齿；该棘轮牢固地连接至所述输出轮并与其一致地转动；

b．至少一个啮合组件，包括：棘爪和配重；所述棘爪被配置为与棘轮齿相匹配；所述啮合组件通过枢轴保持器而枢接至所述中间盘并与其一致地转动；

c．至少一个弯曲弹簧，其固定在所述中间盘和所述配重之间；

所述弯曲弹簧用于阻止所述棘爪与所述棘轮齿发生咬合，直至由中间盘的角速度引起的所述配重的离心力使弯曲弹簧弯曲、枢转所述啮合组件而使棘爪与棘轮齿的咬合成为可能，从而使得动力源的动力经由输出轮和中间盘传递到从动轮上；

配重的载荷以及与其匹配的弯曲弹簧的弹簧常数k同输出轮与从动轮通过中间盘的啮合而所需的中间盘的角速度相关联；

当从动轮的角速度高于齿轮组件的角速度时，中间盘比输出轮转动得更快，因此棘爪从棘轮齿上分离并在棘轮齿的齿背上滑动，从而使得输出轮同中间盘和从动轮解除啮合；

或者，当从动轮的角速度减小时，所述配重不再施加足够的离心力来对抗弯曲弹簧，从而弯曲弹簧将棘爪推出并使其从与棘轮齿咬合的状态而分离。

本发明的另一个目的在于提供如上所述的系统，其中，包含具有最大直径的输出轮的齿轮组件的配重比与其相关联的棘爪更轻，且作为默认选择，所述弹簧被配置为保持棘爪与棘轮齿咬合，直至从动轮的角速度高于齿轮组件的角速度，中间盘比输出轮转动得更快，从而棘爪从棘轮齿上分离并在棘轮齿的齿背上滑动，以使输出轮同中间盘和从动轮解除啮合。

本发明的另一个目的在于提供如上所述的系统，其中，所述弯曲弹簧的特征在于具有相对较高的常数k，但其会在很小的偏转下弯曲。因此，针对每个实际的考虑因素均施加恒定的力，直至其产生弯曲，之后，所述弹簧的特性转变为具有相对较低的弹簧常数k2的弯曲叶片弹簧；从而使棘爪和棘轮齿之间的啮合是非连贯的；因此，啮合发生在相比上述解除啮合的角速度更高的角速度下；在啮合和解除啮合之间配置为存在滞后。

本发明的另一个目的在于提供如上所述的系统，其中，所述avem包括两个啮合组件；所述avem还包括两根连杆，连杆中的每一根在其第一端连接至所述棘爪，在其第二端连接至后续的配重；所述连杆用于协调所述两个棘爪与所述棘轮齿的啮合和解除啮合并使其同步。

本发明的另一个目的在于提供如上所述的系统，其中，所述弹簧是这样一种机构，即，该机构的性质能够满足阈值和滞后要求。

本发明的另一个目的在于提供如上所述的系统，其中，所述输出轮是被配置为连接至回转链条的链轮。

本发明的另一个目的在于提供如上所述的系统，其中，所述输出轮是被配置为连接至回转带的带轮。

本发明的另一个目的在于提供如上所述的系统，其中，所述输出轮是被配置为连接至回转同步带的齿轮。

本发明的另一个目的在于提供如上所述的系统，其中，所述两个齿轮组件沿着单个所述中间盘的两侧而安装在其所述固定轴上。

本发明的另一个目的在于提供如上所述的系统，其中，所述中间盘的外周包括链轮齿，所述从动轮的内周包括槽口，其被配置为与所述中间盘的链轮齿咬合，从而使得所述中间盘由所述从动轮带动其转动。

本发明的另一个目的在于提供如上所述的系统，其中，所述中间盘和所述从动轮分别被配置为行星齿轮和内齿轮，还包括中心齿轮；由此，所述中间盘由所述从动轮带动其转动。

本发明的另一个目的在于提供如上所述的系统，其中，该系统被配置为集成到交通工具中，所述交通工具是从由以下交通工具构成的组中选出的：自行车、三轮车、四轮人力车、脚踏船、脚踏驱动人力轻型飞行器或机动车辆。

本发明的另一个目的在于提供如上所述的系统，其中，所述棘爪包括弹性垫，其用于柔化上述咬合、减轻棘爪和棘轮齿的磨损并平衡多个棘轮齿之间的动力传动。

本发明的另一个目的在于提供如上所述的系统，其中，所述固定轴被替换为转动轴；该转动轴固定在所述中间盘上并与其一致地转动。

本发明的另一个目的在于提供如上所述的系统，其中，所述系统被配置为不具有从动轮，并且其中，输出负载连接至所述转动轴，从而由所述转动轴带动其转动；所述输出负载选自由以下负载构成的组中：车轮、脚踏船的踏板轮、家用发电机或被人类用作驱动力且需要齿轮的任何应用。

本发明的另一个目的在于提供如上所述的系统，其中，所述动力源选自由以下动力源构成的组中：回转曲柄和回转发动机。

本发明的另一个目的在于提供如上所述的系统，所述系统还包括中间轮，其位于所述固定轴上并连接至所述从动轮，从而以与之相同的角速度转动；所述中间轮被配置为容纳所述至少一个中间盘，以使所述至少一个中间盘的外周与所述中间轮的内周、而并非与所述从动轮的内周发生部分接触。

本发明的另一个目的在于提供如上所述的系统，其中，所述中间轮通过多根辐条连接至所述从动轮。

附图说明

为了理解本发明并了解如何将其应用在实践中，现通过参考附图而仅以非限制性示例的方式来描述多个实施例，其中

图1：公开了用于控制从动轮上的动力源的应用的自动变速系统的总体视图；

图2：公开了上述自动变速系统的细节图；

图3：公开了上述自动变速系统的详细透视图；以及

图4：公开了上述自动变速器的一个实施例的总体视图。

具体实施方式

本发明提供了一种回声友好的、自动的、且易于使用的驱动器，其为一种向机器传递动力的传动装置，其被配置为用于自行车、三轮车、四轮人力轻型车辆和脚踏船，也可以集成在脚踏驱动人力轻型飞行器中。所述驱动器还可以被容易地结合到机动车辆中，然而，在这种情况下，由于通常两个系统占据了同一个轮毂，因此需要充分利用本发明而进行一些适应性改造。

本发明提供一种自动啮合系统，其用于控制从动轮[110]上的动力源的应用。该系统[100]包括至少两个齿轮组件[200]。每个齿轮组件[200]安装在至少一个中间盘[120]上，中间盘[120]可转动地连接至固定轴[210]。上述中间盘[120]安装在固定轴[210]上，中间盘[120]具有一个或两个所述齿轮组件[200]，每个齿轮组件[200]安装在不同侧。齿轮组件[200]中的每一个具有：

a．输出轮[130]，其与回转动力源[160]机械连接并与其一致地转动；其中，输出轮[130]的直径用于设定角速度传动比以及施加到从动轮[110]上的转矩；输出轮[130]安装在固定轴[210]上并与中间盘[120]并排设置；

b．角速度啮合模块（avem）[205]，其用于实现输出轮[130]同从动轮[110]的自动啮合和解除啮合；

在一个以上输出轮[130]中的每一个具有不同直径的情况下，其用于实现不同的角速度传动比以及施加到从动轮[110]上的转矩；

上述至少一个中间盘[120]安装在从动轮[110]内侧，其中，所述至少一个中间盘[120]的外周[121]与从动轮[110]的内周[111]是部分接触的，从而使得中间盘[120]与从动轮[110]联接并由从动轮[110]带动其转动。联接比表示最终传动比。当有一个以上的中间盘时，所有中间盘均同步转动。其中一个驱动从动轮，其余则由从动轮驱动。

avem[205]中的每一个用于实现与中间盘[120]的角速度相关联的啮合和解除啮合。上述啮合仅取决于从动轮的预定角速度。avem中的每一个与不同的角速度传动比以及施加在从动轮上的不同扭矩的应用相关联。

根据一个优选实施例，其中，avem[205]包括：

a．棘轮[230]，其具有至少一个轮齿[235]；其中棘轮[230]牢固地连接在输出轮[130]上并与其一致地转动；

b．至少一个啮合组件[270]，包括：棘爪[275]和配重[276]；棘爪[275]被配置为与棘轮齿[235]相匹配；啮合组件[270]通过枢轴保持器[280]而枢接至中间盘[120]并与其一致地转动；

c．至少一个弯曲弹簧[260]，其固定在中间盘[120]和配重[276]之间。

弯曲弹簧[260]用于阻止棘爪[275]与棘轮齿[235]发生咬合，直至由中间盘[120]的角速度引起的配重[276]的离心力使弯曲弹簧[260]弯曲、枢转啮合组件[270]而使棘爪[275]与棘轮齿[235]的咬合成为可能，从而使得动力源[160]的动力经由输出轮[130]和中间盘[120]传递到从动轮[110]上。

弯曲弹簧的性质类似于恒力弹簧：由于其具有相对较高的弹簧常数k，且该弹簧会在经过很小的偏转后产生弯曲（屈服），且其性质改变为压缩弹簧的性质，表现出低得多的弹簧系数。

配重[276]的负载和与其匹配的弯曲弹簧[260]的几乎恒定的力f与输出轮[130]同从动轮通过中间盘[120]的啮合而所需的中间盘[120]的角速度相关联。

当从动轮[110]的角速度高于齿轮组件[200]的角速度时，中间盘[120]比输出轮[130]转动得更快，因此棘爪[275]从棘轮齿[235]上分离并在棘轮齿[235]的圆形齿背[236]上滑动，从而使得输出轮[130]同中间盘[120]和从动轮[110]解除啮合。

或者，当从动轮[120]的角速度降低，配重[246]不再施加足够的离心力来对抗弯曲弹簧[260]（现表现为类似压缩弹簧），从而使得弯曲弹簧[260]将棘爪[275]推出并使其由与棘轮齿[235]咬合的状态而分离。该过程发生在从动轮的较低角速度下从而实现滞后。

根据另一个实施例，包含具有最大直径的输出轮[131]的啮合组件[270]中的一个啮合组件具有零配重，其比棘爪[330]更轻，并且作为默认选择，压缩弹簧[320]被配置为保持棘爪[330]与棘轮齿[235]互相咬合。当更高转速比的avem啮合，从动轮[110]的角速度高于齿轮组件[200]的角速度，中间盘[120]比输出轮[130]转动得更快，因此棘爪[275]从棘轮齿[235]上分离并在棘轮齿[235]的齿背[236]上滑动，从而使得输出轮[130]暂时同中间盘[120]和从动轮[110]解除啮合。

根据另一个实施例，弯曲弹簧[260]的弹簧常数k相对较高；因此，对于每个实际的考虑因素，弹簧[260]的运动均施加恒定的力，直至其产生弯曲，然后弹簧[260]被配置为改变为具有相对较低的弹簧常数k2的弯曲叶片弹簧；从而使得棘爪[275]和棘轮齿[235]之间的啮合是非连贯的;因此，啮合发生在高于解除啮合角速度的角速度下；上述啮合和解除啮合之间配置为存在滞后。

根据另一个实施例，弹簧[320]是用于实现预定阈值和滞后要求的机构。

根据另一个实施例，avem[205]包括两个或更多啮合组件[270]以及另外两个连杆[510]。连杆[510]中的每一个在其第一端连接至棘爪[275]，在其第二端连接至后续的配重[276]。连杆[510]用于协调两个或更多棘爪[275]与棘轮齿[235]的啮合和解除啮合并使其同步。

根据另一个实施例，弹簧[320]是压缩弹簧。根据另一个实施例，输出轮[130]是配置为连接至回转链条[140]的链轮。

根据另一个实施例，输出轮[130]是配置为连接至回转带[141]的带轮。根据另一个实施例，输出轮[130]是连接至回转同步带的齿轮。

根据另一个实施例，输出轮[130]为直齿圆柱齿轮，其配置为与由电源直接驱动的另一个直齿圆柱齿轮联接。

根据另一个实施例，中间盘[120]的外周[121]包括链轮齿[122]，从动轮的内周[111]包括槽口[112]，其被配置为与中间盘的链轮齿[111]咬合，从而使得中间盘[120]由从动轮[110]带动其转动。

根据另一个实施例，中间盘[120]和从动轮分别被配置为行星齿轮和内齿轮，还包括中心齿轮；从而中间盘[120]由从动轮[110]带动其转动。

根据另一个实施例，该系统被配置为集成到交通工具中，所述交通工具是从由以下交通工具构成的组中选出的：自行车、三轮车、四轮人力车、脚踏船、脚踏驱动人力轻型飞行器或机动车辆。

根据另一个实施例，棘爪[275、330]包括弹性垫[277]，其用于柔化咬合、减轻棘爪[275、330]和棘轮齿[235]的磨损并平衡多个棘轮齿[235]之间的动力传动。

根据另一个实施例，固定轴[210]被替换为转动轴；该转动轴固定在中间盘[120]上并与其一致地转动。

根据另一个实施例，该系统被配置为不具有从动轮，并且其中，输出负载连接至转动轴，从而由转动轴带动其转动；输出负载选自由以下负载构成的组中：车轮、脚踏船的踏板轮、家用发电机或被人类用作驱动力且需要齿轮的任何应用。

根据另一个实施例，动力源[160]选自由以下动力源构成的组中：回转曲柄和回转发动机。

根据一个优选实施例，系统[100]还包括中间轮[115]，其位于固定轴[210]上并连接至从动轮，从而以与之相同的角速度转动；中间轮[115]被配置为容纳至少一个中间盘[120]，以使所述至少一个中间盘[120]的外周[121]与中间轮[115]的内周、而并非与从动轮[110]的内周[111]发生部分接触。

中间轮[115]与转动侧壁一同构成了容置整个变速装置的封闭轮毂。

根据另一个实施例，中间轮[115]通过多根辐条[163]连接至从动轮。

现参考图1，其示出了自动变速系统[100]，其用于控制角速度和从动轮[110]上的转矩的应用。如图所示，两个中间盘[120]安装在固定轴[210]上，每个中间盘[120]具有一个齿轮组件[200]。图1中示出的动力源[160]为自行车踏板曲柄。

图1还示出了齿轮组件[200]，其具有：

a．输出轮[130]，其与动力源[160]连接并与其一致地转动；输出轮[130]安装在固定轴[210]上且与中间盘[120]并排设置；

b．角速度啮合模块（avem）[205]，其用于实现输出轮[130]与从动轮[110]之间的自动啮合和解除啮合；

如图所示，中间盘[120]安装在从动轮[110]内侧，其中，中间盘[120]的外周[121]与从动轮[110]的内周[111]是部分接触的，从而使得中间盘[120]安装在从动轮[110]上并由从动轮[110]带动其转动；

现参考图2和图3，其公开了一个优选实施例，其中avem[205]包括：

a．棘轮[230]，其具有两个轮齿[235]（其中一个被隐藏）；其中，棘轮[230]牢固地连接至输出轮[130]并与其一致地转动；

b．两个啮合组件[270]，每一个均包括:棘爪[275]和配重[276]；棘爪[275]被配置为每一个均与棘轮齿[235]相匹配；啮合组件[270]通过枢轴保持器[280]而枢接至中间盘[120]并与其一致地转动；

c．至少一个弯曲弹簧[260]，其固定在中间盘[120]和配重[276]之间。

本示例中，弯曲弹簧[260]用于阻止棘爪[275]与棘轮齿[235]发生咬合，直至由中间盘[120]的角速度引起的配重[276]的离心力使弯曲弹簧[260]弯曲、枢转所述啮合组件[270]而使棘爪[275]与棘轮齿[235]的咬合成为可能，从而使得动力源[160]的动力经由输出轮[130]和中间盘[120]传递到从动轮[110]上。

配重[276]的负载以及与其匹配的弯曲弹簧[260]的恒力f与输出轮[130]通过中间盘[120]而与从动轮的啮合所需的中间盘[120]的角速度相关联。

当从动轮[110]的角速度高于齿轮组件[200]的角速度时，中间盘[120]比输出轮[130]转动得更快，因此棘爪[275]从棘轮齿[235]上分离并在棘齿[235]的圆形齿背[236]上滑动，从而使得输出轮[130]同中间盘[120]和从动轮[110]解除啮合。

或者，当从动轮[110]的角速度降低，配重[246]不再施加足够的离心力来对抗现在的叶片弹簧[260]，从而使得叶片弹簧[260]将棘爪[275]推出并使其由与棘轮齿[235]咬合的状态而分离。

根据另一个实施例，包含具有最大直径的输出轮[131]的啮合组件[271]的配重[335]比棘爪[330]更轻，并且作为默认选择，弹簧[320]被配置为保持棘爪[330]与棘轮齿[235]互相咬合，直到当中间盘[120]比输出轮[130]转动得更快时，更高转速比的avem啮合，从动轮[110]的角速度高于齿轮组件[200]的角速度，因此棘爪[275]从棘轮齿[235]上分离并在棘轮齿[235]的齿背[236]上滑动，从而使得输出轮[130]暂时同中间盘[120]和从动轮[110]解除啮合。

图2和图3还公开了本发明的一些实施例的详细示例，包括：两个承载结构[400]，其位于从动轮轮毂的两侧，具有用于将其两者之间进行关联的运动传递装置[410]。承载结构[400]被配置为承载至少一个中间盘[120]，该示例中为两个中间盘[120]。图2a和图3还示出了两个齿轮组件[200、300]，其中左侧齿轮组件[300]包含最大输出轮[131]，并因此示出了弹簧[320]，作为默认选择，其用于保持棘爪[330]与棘轮齿[235]互相咬合，直至从动轮[110]的角速度高于齿轮组件[200]的角速度。

现参考图4，其公开了另一个实施例，其中，系统[100]还包括中间轮[115]，其位于固定轴[210]上并连接至从动轮，从而以与之相同的角速度转动。中间轮[115]被配置为容纳至少一个中间盘[120]，以使所述至少一个中间盘[120]的外周[121]与中间轮[115]的内周、而并非与从动轮[110]的内周[111]部分接触。根据另一个实施例，中间轮[115]通过多根辐条[163]连接至从动轮。图4公开的另一个实施例为封闭轮毂，其将整个变速装置封闭。

现参考图5，其公开了该自动变速装置的啮合和解除啮合的方法。在开始[610]中，作为默认选择，上述具有最大直径的输出轮被啮合。在下一步骤[620]中，当从动轮转动得更快，施加在配重上的离心力通过使棘爪与棘轮齿咬合而将其次最大的（第二大）输出轮啮合。于是，上述最大输出轮的棘爪在棘轮齿的圆形齿背上滑动。在下一步骤[630]中，从动轮转动得更快，从而离心力使第n大的输出轮与从动轮啮合，并与第（n-1）大的输出轮解除啮合。一旦从动轮慢下来[640]，离心力的衰减使得第n大的输出轮解除啮合，并将第（n-1）大的输出轮啮合。最终，在最后一个步骤[650]中，当从动轮足够慢时，离心力的衰减使得第二大输出轮解除啮合，且默认选择（最大输出轮）被啮合。

本领域技术人员将理解，本发明不限于上文具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文描述的特征的组合和子组合，以及本领域技术人员在阅读前述描述后所能够想到的现有技术中不存在的修改和变化。