自行车用变速系统及包含该系统的助力自行车用变速方法与流程

本发明属于助力自行车变速机构设计领域，具体涉及一种自行车用变速系统及包含该系统的助力自行车用变速方法。

背景技术：

助力自行车，又称助力式电动自行车，是一种介于自行车与电动车之间的骑行工具，通过电力辅助人力提供给自行车行进中所需要的动能，它是人们追求高效、便捷、健康、环保的生活方式的产物。中置系统是助力自行车的核心部件，集力矩检测、控制器模块、电机驱动于一体，控制整车的正常行驶，目前，助力自行车在国外市场，如德国、日本等较发达国家比较流行。在我国，电动自行车仍占有主要市场，且绝大多数电动自行车采用轮毂式驱动，与采用力矩检测的中置系统相比，具有明显的劣势。轮毂式驱动将电机置于车体前轮或后轮，造成整车重心靠前或靠后，不符合人们的骑行方式。而且行车速度完全依赖转把控制，在逆风、爬坡等重负载情况下驱动能力受到很大限制和影响。同时这种轮毂式的机械结构还使得安装和检修的难度增大，无形中也增大了使用过程中的安全隐患。加之与传统的自行车骑行方式不同且行车速度过快，因此在交通安全方面也存在一定的危险性，很有可能会造成新的交通问题的增多。

力矩中置系统的使用，将会克服传统电动自行车的缺陷，具有出色的骑行效果，必将成为电动车发展的一种趋势。

然而，市场上已有的用于助力自行车的中置系统绝大多数采用单速机构，不能够根据路况进行调节齿轮箱的变速比，即只具有单一的减速比，通过齿轮传动，将人力和电机力结合起来，人踩踏的力越大，控制系统驱动电机的力也越大，这样的中置系统，高效率区间窄，例如通常电机工作在额定工作点车速20km/h，电机效率能够达到80％，在爬坡的时候车速5km/h时候，电机效率只有30％甚至更小，且最大输出扭矩在电机设计的时候已经确定，不能够根据路况而实时调整。这样不仅续航里程短、影响电池寿命，而且对于人的骑行感也较差。目前市场上通用的解决方法是，采用电机系统和自行车外置变速器相结合的办法，进行扩展电机的运行区域。然而目前市场上采用的外置变速系统不论是花鼓式内置变速器还是外置式飞轮系统均价格昂贵，安装、调试复杂，且需要通过骑行者自己根据不同的路况进行调节，然而普通骑行者基本上很少会调节变速系统，通常一个档位一直骑行，难以实现变速的目的。

目前也有一些公司利用齿轮传动方式，实现了两段变速系统，但是两段变速系统属于有级调速，在变速时候骑行者能够明显感觉到变速时带来的顿挫感。而且因为尺寸空间问题，一般变速段数做不到很多级，变速范围窄。

因此，鉴于以上问题，有必要提出一种新型的助力自行车变速系统，以实现无级变速的目的，根据需要改变曲轴输出功率和电动机输出的减速比合力，操作简便，且保证电机系统一直工作在额定工作点附近，提高电机系统的效率，降低成本。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种自行车用变速系统及包含该系统的助力自行车用变速方法，通过在助力自行车的中置系统中集成无级变速机构，方便根据用户骑行状态自动调节助力比，保证电机系统一直工作在额定工作点附近，提高电机系统的效率，降低成本。

根据本发明的目的提出的一种自行车用变速系统，包括驱动机构、位于所述驱动机构输出端的变速机构，所述变速机构将转速输出至自行车牙盘；

所述变速机构为无级变速机构，所述无级变速机构包括至少一组变速组件，每组变速组件包括一主动锥轮组、一从动锥轮组、绕接于所述主动锥轮组与所述从动锥轮组上的传动带以及调速组件，所述主动锥轮组与所述从动锥轮组均包括相对设置的两个锥轮，所述调速组件作用于主动锥轮组和/或所述从动锥轮组上以调节相对设置的两锥轮之间的间距；

所述变速系统还包括设置于所述无级变速机构输入端的输入链轮组与输出端的输出链轮组；所述驱动机构包括人力驱动机构，所述人力驱动机构包括脚踏与曲轴，曲轴转动通过输入链轮组传递扭矩至所述无级变速机构，调速组件驱动锥轮运动调节助力比，最后通过输出链轮组传递扭矩至牙盘。

优选的：所述驱动机构还包括一电机驱动机构，所述电机驱动机构包括驱动电机、控制器以及检测用户骑行自行车状态的检测器，所述检测器与所述控制器电连接，所述控制器根据检测器反馈信号控制驱动电机运转以提供助力。

优选的：所述驱动电机的输出端连接所述无级变速机构的主动锥轮组，所述驱动电机与所述主动锥轮组间还设置有一减速器，驱动电机运转传递扭矩至所述无级变速机构，调速组件驱动锥轮运动调节助力比，最后通过输出链轮组传递扭矩至牙盘。

优选的：所述调速组件作用于所述主动锥轮组上，所述主动锥轮组与从动锥轮组均包括固定于同一转轴上一定锥轮与一动锥轮，所述调速组件驱动主动锥轮组上的动锥轮沿其转轴轴向移动，传动带随两个锥轮间的间距变化沿垂直转轴的方向移动，调节锥轮组的相对半径，所述从动锥轮组的动锥轮通过一弹性件的伸缩驱动沿其转轴轴向移动；或所述调速组件驱动从动锥轮组上的动锥轮沿其转轴轴向移动，所述主动锥轮组的动锥轮通过一弹性件的伸缩驱动沿其转轴轴向移动。

优选的：所述调速组件包括调速电机、传动组件以及推块，所述推块固定套设于所述动锥轮上，推动动锥轮沿其转轴轴向移动。

优选的：所述传动组件包括一减速齿轮组与一涡轮蜗杆机构，涡轮上伸出一推杆，所述推杆随涡轮转动而摆动，所述推杆前端与所述推块接触。

优选的：所述调速组件包括一离心球，所述动锥轮后侧固定有一挡盖，所述挡盖呈锥柱型结构，并与所述动锥轮相背设置，所述挡盖与所述动锥轮后侧间形成一离心球移动腔，所述移动腔空间尺寸自两侧向中间逐渐增加；车速增加时，离心球靠向两侧设置，减小助力比，车速减小时，离心球靠向中间设置，增大助力比。

优选的：所述检测器包括用以检测用户骑行速度的车速传感器，用以检测用户踩踏扭矩的扭矩传感器，用以检测用户踩踏频率的踏频传感器，以及用以检测用户踩踏方向的踏向传感器中的一个或多个组合。

优选的：所述检测器还包括一位置检测传感器，所述位置检测传感器包括磁环与霍尔传感器，所述磁环与所述霍尔传感器均设置于所述涡轮上判断涡轮位置，继而计算出推块位置并反馈给控制器。

一种助力自行车用变速方法，采用所述的自行车用变速系统，该变速系统为设置于自行车脚踏部位的一中置系统，自行车在不同运行阶段助力比不同，具体方式如下：

起步阶段

判断方式：首先判断起步状态，设定一起步阈值，车速从0km/h逐步上升至该起步阈值；

起步阶段克服惯性需要的助力相比平路大，所以调速组件会在前次停车的时候，自动将无级变速机构调节到最大助力比，下次用户再次骑行会轻松，此时中置系统根据人力的输入再按照设定比例输出动力，车速在小于起步阈值时，中置系统的最大助力输出小于其额定助力输出，车辆缓慢启动；

平路加速阶段

判断方式：人力、踏频的速度以及车速均在增加；

此过程中无级变速机构变速，逐渐减小助力比，从当前状态逐渐减小至最小助力比状态；

平路减速

判断方式：人力减小，脚踏频变慢，车速逐渐下降；

此过程中无级变速机构变速，逐渐增加助力比，由当前状态逐渐增加至停车时的最大助力比。

上坡阶段

判断方式：人力增加至设定阈值以上，但车速增加缓慢或停止增加甚至减小；

此过程中无级变速机构变速，逐渐增大助力比，根据车速调节，如果车速在不断下降，助力比需要不断增大至最大助力比；

下坡阶段

判断方式：人力减小，车速增快；

此过程中无级变速机构逐渐由当前状态减小助力比，直至最小助力比。

停车阶段

判断方式：人力逐渐减小或停止踩踏或反向踩踏时，此时车速逐渐减小直至停止；

停车过程中，无级变速机构自动根据当前的车速逐渐增大助力比，由当前状态逐渐增大至最大助力比，为下次骑行做准备。

与现有技术相比，本发明公开的自行车用变速系统的优点是：

通过在助力自行车的中置系统中集成无级变速机构，由控制器根据传感器信息判断当前骑行状态，自动调节人力和电机对自行车后轮的减速比，使得驱动电机工作在额定工作点附近，扩大了中置系统高效率运行区域以及输出扭矩范围，提高了续航里程，且为助力自行车系统节约了成本。

操作更加简便人性化，无需人员手动来调节变速档位，中置系统会自动根据车速、人脚踩踏频、脚踩力及踩踏方向来判断整车运行状态，自动调节当前助力比。

且该系统反应迅速，可以全路况任何时候自动调节，在骑行者停止骑行时候，自动将助力比调到最大，为下一次骑行做好准备。

通过采用无级变速机构调整中置系统减速比，这样能够使得电机输出范围变大，输出转速及输出扭矩均得到明显的提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中助力自行车结构示意图。

图2为本发明中助力自行车变速系统的结构示意图。

图3为本发明中无级变速机构部分的结构示意图。

图4、5为调速组件两种实施方式图。

图6为人力输出传递路径图。

图7为电机输出传递路径图。

图中的数字或字母所代表的相应部件的名称：

1、曲柄轴 2、输入链轮组 3、无级变速机构 4、输出链轮组 5、牙盘 6、驱动电机 7、控制器 8、减速器 9、扭矩传感器

31、主动锥轮组 32、从动锥轮组 33、传动带 34、调速组件 35、弹性件 341、调速电机 342、减速齿轮组 343、蜗轮蜗杆机构 344、推杆345、推块 346、离心球 347、挡盖 348、磁环 349、霍尔传感器 350、移动腔

具体实施方式

正如背景技术部分所述，目前市场上通过采用电机系统和自行车外置变速器相结合的办法，进行扩展电机的运行区域。然而目前市场上采用的外置变速系统价格昂贵，安装、调试复杂，且需要通过骑行者自己根据不同的路况进行调节，然而普通骑行者基本上很少会调节变速系统，通常一个档位一直骑行，难以实现变速的目的。

本发明针对现有技术中的不足，提供了一种自行车用变速系统及包含该系统的助力自行车用变速方法，通过在助力自行车的中置系统中集成无级变速机构，方便根据用户骑行状态自动调节助力比，保证电机系统一直工作在额定工作点附近，提高电机系统的效率，降低成本。

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请一并参见图2、图3，如图所示，一种自行车用变速系统，包括驱动机构、位于驱动机构输出端的变速机构，变速机构将转速输出至自行车牙盘。其中该变速机构为无级变速机构3，无级变速机构包括至少一组变速组件，每组变速组件包括一主动锥轮组31、一从动锥轮组32、绕接于主动锥轮组与从动锥轮组上的传动带33以及调速组件34，主动锥轮组31与从动锥轮组32均包括相对设置的两个锥轮，分别为定锥轮A与动锥轮B，调速组件作用于任一或两个锥轮组上以调节相对设置的两锥轮之间的间距。

优选的，本实施方式中采用一组变速组件，除采用一组变速组件外，还可采用多组变速组件，后一组变速组件的主动锥轮组与前一组变速组件的从动锥轮组连接固定，实现同步转动。每组变速组件中的两组锥轮组均可通过调速组件调节，或者其中任一锥轮组通过调速组件调节，具体实现方式根据需要设定，在此不做限制。

变速系统还包括设置于无级变速机构3输入端的输入链轮组2与输出端的输出链轮组4；输入链轮组与输出链轮组均包括一驱动链轮C与一从动链轮D。具体的，输入链轮组2中的驱动链轮C固定于曲柄轴1上，随曲柄转动而转动，并将转速输出至从动链轮D，该从动链轮D设置于主动锥轮组31所在转轴上，与主动锥轮组同步转动，形成无级变速机构的输入端。输出链轮组4中的驱动链轮C固定于从动锥轮组32上，随从动锥轮组转动而转动，并将转速输出至从动链轮D，该从动链轮D设置于曲柄轴1上且与牙盘5固定实现同步转动，形成无级变速机构的输出端。其中驱动链轮及从动链轮轮盘的尺寸大小根据需要设定，在此不做限制。

做自行车使用时，驱动机构包括人力驱动机构，人力驱动机构包括脚踏与曲轴(未示出)，曲轴转动通过输入链轮组2传递扭矩至无级变速机构3，调速组件34驱动动锥轮运动调节助力比，最后通过输出链轮组4传递扭矩至牙盘5，实现无级变速的目的。因此，在不打开助力的情况下本设计可单独做无级变速自行车使用，可以爬行较大的坡度。

在做助力自行车使用时，该驱动机构还包括一电机驱动机构，该电机驱动机构包括驱动电机6、控制器7以及检测人员骑行自行车状态的检测器(未示出)，检测器与控制器电连接，控制器根据检测器反馈信号控制驱动电机运转以提供助力。

优选的，驱动电机的输出端连接无级变速机构的主动锥轮组31，驱动电机与主动锥轮组间还设置有一减速器8，驱动电机运转通过减速器减速后传递扭矩至无级变速机构3，调速组件驱动锥轮运动调节助力比，最后通过输出链轮组4传递扭矩至牙盘。

优选的，调速组件34作用于主动锥轮组31上，主动锥轮组与从动锥轮组均包括固定于同一转轴上一定锥轮与一动锥轮，且调速组件作用于主动锥轮组的动锥轮上，调速组件34驱动主动锥轮组31上的动锥轮沿其转轴轴向移动，传动带33随两个锥轮间的间距变化沿垂直转轴的方向移动。从动锥轮组的动锥轮通过一弹性件35预紧，通过该弹性件的伸缩驱动动锥轮沿其转轴轴向移动，随调速组件的驱动使得传动带的位置发生变化，从而实现压缩弹性件或弹性件反向复位的目的。本实施方式中，该弹性件优选为弹簧。此外调速组件还可驱动从动锥轮组上的动锥轮沿其转轴轴向移动，主动锥轮组的动锥轮通过一弹性件的伸缩驱动沿其转轴轴向移动，具体方式不做限制。

调速组件34包括调速电机341、传动组件以及推块345，推块345固定于动锥轮上，推动动锥轮沿其转轴轴向移动。

传动组件包括一减速齿轮组342与一涡轮蜗杆机构343，涡轮上伸出一推杆344，推杆随涡轮转动而摆动，推杆344前端与推块345接触，推块345固定套设于动锥轮上，随涡轮的转动推杆周向摆动，继而推动推块及动锥轮沿转轴移动调节两锥轮间的距离。该系统中传动带为V带，由于传动带长度一定，随着两锥轮之间间距的变化，两锥轮组间得相对半径发生变化，继而调节减速比。

检测器包括用以检测用户骑行速度的车速传感器，用以检测用户踩踏扭矩的扭矩传感器，用以检测用户踩踏频率的踏频传感器，以及用以检测用户踩踏方向的踏向传感器。检测器可包括其中的一个或多个组合，优选上述传感器均设置，通过检测器反馈的信号判断车行状态。

此外，检测器还包括一位置检测传感器，位置检测传感器包括磁环348与霍尔传感器349，磁环与霍尔传感器均设置于涡轮上判断涡轮位置，继而计算出推块位置并反馈给控制器。其中调速电机通过线束连接到控制器7，由控制器控制调速电机运动，霍尔传感器349通过线束连接到控制器7，控制器根据霍尔信号计算出当前推块345的位置，从而选择合适的减速比，从而实现低速骑行时助力比大，输出扭力大，高速运行时助力比小，输出转速快，使得电机一直运行在高效率区域。

本发明还公开了助力自行车用变速方法，自行车在不同运行阶段助力比不同，具体助力比根据需要而定，在此不做限制。本实施例中优选最大助力比为2:1，最小助力比为1:1。以该助力比为例在不同运行阶段调节如下：

起步阶段

判断方式：首先判断起步状态，设定一起步阈值为6km/h，车速从0km/h逐步上升至该起步阈值；该阈值大小视需要调节，不做限定。

起步阶段通常克服惯性需要的助力相比平路较大，但是若突然给予较大的电机辅助力，很有可能使车失控产生危险，所以控制系统会在前次停车的时候，自动将无级变速机构的助力比调节到2:1，这样下次用户再次骑行会轻松，此时电机根据人力的输入再按照一定比例输出动力，但是在车速小于6km/h的时候，最大助力只会输出70％，防止动力过大，造成事故，让用户骑行舒适，缓慢启动。此阶段的最大输出效率根据需要可自行设定，在此不做限制。

平路加速阶段

判断方式：人力、踏频的速度以及车速均在增加。

此过程中无级变速机构变速，逐渐减小助力比，从当前状态逐渐减小至最小助力比1:1。

平路减速

判断方式：人力减小，脚踏频变慢，车速逐渐下降。

此过程中无级变速机构变速，逐渐增加助力比，由当前状态逐渐增加至停车时的最大助力比2:1。

上坡阶段

判断方式：人力增加至设定阈值以上，但车速增加缓慢或停止增加甚至减小；

此过程中无级变速机构变速，逐渐增大助力比，根据车速调节，如果车速在不断下降，助力比需要不断增大至最大助力比2:1。

下坡阶段

判断方式：人力减小，车速增快。

此过程中无级变速机构逐渐由当前状态减小助力比，直至最小助力比1:1。

停车阶段

判断方式：人力逐渐减小或停止踩踏或反向踩踏时，此时车速逐渐减小直至停止。

停车过程中，无级变速机构自动根据当前的车速逐渐增大助力比，由当前状态逐渐增大至最大助力比2:1，为下次骑行做准备。

通过检测器实时检测车速、扭矩、踏频、踏向等多个信号，可准确的判断自行车所处的运行状态，控制器可根据当前状态调节无级变速机构的助力比，以满足用户骑行需求。

具体案例

人力在曲轴上输入9NM，输入链轮组的减速比为1:3，二级输入则为3NM。

驱动电机输出力0.5NM，减速器减速比为10；1二级输入力则为5NM。

这样，无级变速机构输入则为合力8NM，然而无级变速机构在调速电机作用下根据速度调节减速比可以从1:1到2:1，从而使得无级变速机构输出的从动轮锥轮组力可以变为8NM到16NM。

最终段输出链轮组减速比为2：1，从而该系统最终的输出力在同样输入力的情况下，能够从16NM一直变化到32NM，而该功能的实现只需要调节调速电机转动，使得无级变速机构中传动带工作在不同状态下，实现减速比调节。

具体调节方式如下：

调速电机经过减速齿轮组与蜗轮蜗杆机构两段调速后实现转速降低，扭矩增大，最终通过涡轮转动来平移推块，使得传动带位置移动，然而因为传动带长度固定，所以主动锥轮组和从动锥轮组的相对半径发生变化，即实现了减速比变化。

具体案例：

调速马达输入力为200gcm，则经过最终减速后输出力为16kgcm，推杆的臂长为0.5cm，则推力为8㎏cm。

如图6所示，在做自行车使用时，左脚和右脚都通过扭矩传感器，之后通过输入链轮组2传递扭矩至无级变速机构3，调速组件34驱动动锥轮运动调节助力比，最后通过输出链轮组4传递扭矩至牙盘5。其中，无级变速机构部分由减速比1:1变为2:1，从而实现人力变速，即使关闭电机助力人骑行也可以上很大的坡。

综上，通过使用本系统自带的无级变速机构改变人力功率和电动机输出的减速比合力，可以消除对整车后置变速机构的必要性。

效率：

通过调速使得驱动电机工作在额定工作点附近，使得驱动电机的一直工作在效率比较高的点，这样降低了能耗，增加了续航能力。

简便：

操作更加简便人性化，不需要人为调节变速档位，中置系统会自动根据车速、人脚踩踏频，脚踩力，来判断整车状态是处于平路，上坡，下坡或加速、减速等状态，自动调节当前助力比。

且该系统反应迅速，通常情况下，外置变速或内变速均需要1S左右的响应时间，而且需要在骑行状态才能够调节，停止状态是不能够调节变速器的。

然而本发明可以全路况任何时候自动调节，在骑行者停止骑行时候，自动将减速比比调到最大，为下一次骑行做好准备。

通过无级变速机构调整中置系统减速比，这样能够使得电机输出范围变大，如在没有调速机构情况下中置系统输出最大转速100RPM，最大扭矩80NM，有了调速机构后，中置系统输出最大转速由100RPM上升到120RPM，扭矩80NM上升到100NM。综上，通过设置无级变速机构后，中置系统的输出性能得到较大的提升，具体数值根据结构尺寸变化而变动，在此不做限制。

实施例2

请参见图5，其余与实施例1相同，不同之处在于，调速组件包括一离心球346，动锥轮后侧固定有一挡盖347，挡盖呈锥柱型结构，并与动锥轮相背设置，挡盖与动锥轮后侧间形成一离心球移动腔350，移动腔空间尺寸自两侧向中间逐渐增加；车速增加时，离心球靠向两侧设置，减小助力比，车速减小时，离心球靠向中间设置，增大助力比。

除上述实施方式之外，调速组件还可为其他形式的动力机构，可采用丝杠螺母机构、气缸/液压缸驱动机构、电动推杆驱动机构或凸轮驱动机构等，通过上述任一机构驱动动锥轮移动调节助力比，具体实现方式可根据使用需要而定，在此不做限制。

补充说明：附图2、3、5、6、7中的动锥轮为在两种状态下的示意图。

本发明公开了一种自行车用变速系统，通过在助力自行车的中置系统中集成无级变速机构，由控制器根据传感器信息判断当前骑行状态，自动调节人力和电机对自行车后轮的减速比，使得驱动电机工作在额定工作点附近，扩大了中置系统高效率运行区域以及输出扭矩范围，提高了续航里程，且为助力自行车系统节约了成本。

操作更加简便人性化，无需人员手动来调节变速档位，中置系统会自动根据车速、人脚踩踏频、脚踩力及踩踏方向来判断整车运行状态，自动调节当前助力比。

且该系统反应迅速，可以全路况任何时候自动调节，在骑行者停止骑行时候，自动将助力比调到最大，为下一次骑行做好准备。

通过采用无级变速机构调整中置系统减速比，这样能够使得电机输出范围变大，输出转速及输出扭矩均得到明显的提升。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。