一种自行车电动换挡装置的制作方法

本实用新型涉及交通设备档位控制领域，具体说是一种自行车电动换挡装置。

背景技术：

传统的自行车换挡方式是通过外力作用于的换挡装置来实现的，当需要换挡时通过拨动指拨来改变变速线芯的长度从而达到换挡的目的。

传统的机械换挡装置在需要换挡时需要手动拨动指拨器，换挡时需要手部较大的外力，骑行过程中频繁换挡会导致手部疲劳。

部分骑行者不懂得在相应的路况下换到合适的档位，导致骑行过程中消耗很大的体力或膝盖受损。

目前现有的电子变速器取消了传统的指拨，电机与变速器一体，但这种变速器结构复杂，造价高昂，售价通常成千上万元，不利于平民化。

申请号为201620643263 .9的中国实用新型专利，名称为“一种自行车电子变速器用的蜗轮式变速线行程控制机构”的机械动力部分中涡轮蜗杆位于普通减速电机输出轴，在电机转动时，负载直接作用于涡轮、在涡轮蜗杆上产生较大的轴向力，涡轮蜗杆容易磨损和发热，大大降低涡轮蜗杆的寿命。并且现有技术的涡轮蜗杆外置，机械间隙大，控制精度差，异物容易进入涡轮蜗杆间容易发生故障、结构复杂、不容易生产和制造，可靠性差。

申请号201620147396 .7的中国实用新型专利，名称为“一种自行车用电子变速系统装置”所采用的是分散磁铁+霍尔传感器，这种位置检测方式存在死区，无法构成精确的闭环系统，无法对角度精确的控制。而且，机械结构复杂，成本高，不容易生产制造。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供一种自行车电动换挡装置，以解决使普通变速自行车改造为电子变速自行车和自行车电动换挡装置档位切换不准确的问题。

本实用新型提供一种自行车电动换挡装置，包括变速器：

所述变速器与机械执行单元连接，所述机械执行单元与控制单元连接；

所述控制单元，用于设定设置档位信息、档位的增加信息或者减少信息，以及采集所述机械执行单元的角度信号，根据所述设置档位信息、档位的增加信息或者减少信息以及所述角度信号，实时发出控制指令，所述控制指令用于驱动所述机械执行单元动作；

所述机械执行单元，用于拉动所述变速器进行变速。

优选地，所述机械执行单元和所述变速器之间还具有：变速线管长度微调装置；

所述变速线管长度微调装置，用于调整所述机械执行单元的初始位置。

优选地，所述控制单元包括：触发装置、控制电路、可充电电池、和驱动电路；

所述控制电路分别与所述触发装置、所述可充电电池和所述驱动电路连接，用于发送所述控制指令；

所述触发装置，用于设定设置档位信息、档位的增加信息或者减少信息；

所述驱动电路，用于驱动所述机械执行单元动作；

所述可充电电池，用于供电。

优选地，控制单元还包括：电池保护电路和充电电路和显示装置；

所述电池保护电路和充电电路，分别与所述可充电电池和所述驱动电路连接，用于对所述可充电电池的充电管理，以及保护所述驱动电路；

所述显示装置，与所述控制电路连接，用于显示当前档位、指导骑行者换挡档位、速度、坡度和踏频信息的一种或几种。

优选地，所述控制单元还包括：限流电路；

所述限流电路，分别与所述驱动电路、所述控制电路和所述机械执行单元连接，用于将电流反馈给所述控制电路，以保证控制电路控制所述电流的大小。

优选地，所述机械执行单元包括：角度传感器、转盘、第一变速线管、变速线芯和蜗轮蜗杆减速电机；

所述蜗轮蜗杆减速电机，与所述控制单元连接，所述蜗轮蜗杆减速电机的输出轴还分别与转盘和所述角度传感器连接，所述转盘与所述变速线芯连接，所述变速线芯外侧套接有第一变速线管。

优选地，所述机械执行单元还包括：角度传感器固定架和变速线管固定架；

所述角度传感器固定架为两个平板拼接而成的直角结构，一个面平板与所述蜗轮蜗杆减速电机固定连接，另一个直角面平板具有连接孔，所述角度传感器通过所述连接孔与所述角度传感器固定架连接；

所述变速线管固定架为中空的圈状结构，所述角度传感器、所述角度传感器固定架、所述转盘、所述第一变速线管和蜗轮蜗杆减速电机都位于所述变速线管固定架内部；

所述变速线管固定架内圈上具有连接管；所述第一变速线管位于所述连接管内部。

优选地，所述转盘的边缘具有凹形槽，所述变速线芯在所述凹形槽内。

优选地，所述变速线管长度微调装置包括：第二变速线管和线管长度调节螺管；

所述机械执行单元具有第一变速线管，所述变速器与所述第二变速线管连接，所述第一变速线管和所述第二变速线管通过所述线管长度调节螺管连接；

所述线管长度调节螺管，用于改变所述第一变速线管和所述第二变速线管的长度。

优选地，所述线管长度调节螺管包括：管状螺杆和管状螺母；

所述第一变速线管的一端具有所述管状螺杆，所述第二变速线管的一端具有所述管状螺母；所述管状螺杆与所述管状螺母连接。

本实用新型至少具有如下有益效果：

本实用新型通过控制单元可以手动或自动设置档位信息、档位的增加或者减少信息，同时控制单元还采集机械执行单元反馈的角度信号，控制单元根据档位信息、档位的增加或者减少信息以及反馈的角度信号进行计算，形成闭环控制，对机械执行单元准确的控制，进而机械执行单元拉动变速器，实现变速器的变速。

附图说明

通过以下参考附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优点更为清楚，在附图中：

图1是本实用新型实施例的原理框图；

图2是本实用新型实施例图1中的机械执行单元的结构示意图；

图3是本实用新型实施例图1中的机械执行单元的结构另一示意图；

图4是本实用新型实施例图1中的变速线管长度微调装置的结构示意图。

具体实施方式

以下基于实施例对本实用新型进行描述，但是值得说明的是，本实用新型并不限于这些实施例。在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。然而，对于没有详尽描述的部分，本领域技术人员也可以完全理解本实用新型。

此外，本领域普通技术人员应当理解，所提供的附图只是为了说明本实用新型的目的、特征和优点，附图并不是实际按照比例绘制的。

同时，除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包含但不限于”的含义。

图1是本实用新型实施例的原理框图。如图1所示，包括：机械执行单元1、变速线管长度微调装置2、控制单元3和变速器4；机械执行单元1分别与控制单元3和变速线管长度微调装置2连接，变速线管长度微调装置2与变速器4连接。通过控制单元3采集机械执行单元1的角度信号，控制机械执行单元1动作，机械执行单元1拉动变速器4，实现变速器4的变速。

图1中，控制单元3包括：触发装置3.1、控制电路3.2、可充电电池3.4、驱动电路3.6和限流电路3.7。控制电路3.2分别与触发装置3.1、驱动电路3.6和可充电电池3.4连接，将发送转动方向和速度命令的控制指令发送到驱动电路3.6。

进一步，可充电电池3.4和驱动电路3.6之间具有电池保护电路和充电电路3.5，电池保护电路和充电电路3.5用于对可充电电池3.4进行充电以及保护可充电电池3.4，防止可充电电池3.4过充、短路或者过放。

进一步地，控制单元3还包括：显示装置3.3。显示装置3.3与控制电路3.2电气连接，用来显示当前档位、指导骑行者换挡档位、速度、坡度和踏频等信息的一种或几种，显示装置3.3不限于液晶显示器、OLED、TFT和数码管。

图1中，机械执行单元1包括：角度传感器1.1、转盘1.3、第一变速线管1.4和蜗轮蜗杆减速电机1.7。角度传感器1.1有线性角度传感器和对数角度传感器，本实用新型优先使用线性角度传感器。

进一步地，机械执行单元1还包括：角度传感器固定架1.2和变速线管固定架1.6，角度传感器固定架1.2用于固定角度传感器1.1，变速线管固定架1.6用于固定第一变速线管1.4。

图1中，转盘1.3与蜗轮蜗杆减速电机1.7输出轴相连，变速线芯1.51.5与转盘1.3的一端刚性连接，转盘1.3的另一端与变速线芯1.5连接，变速线芯1.5在第一变速线管1.4内部。

进一步地，图1中，机械执行单元1和变速器4之间还具有变速线管长度微调装置2，变速线管长度微调装置2包括：第二变速线管2.1和线管长度调节螺管2.4，第二变速线管2.1通过线管长度调节螺管2.4与第一变速线管1.4连接。

进一步地，线管长度调节螺管2.4包括：管状螺杆2.2和管状螺母2.3；管状螺杆2.2与第一变速线管1.4连接，管状螺母2.3与第二变速线管2.1连接，管状螺杆2.2与管状螺母2.3连接，将第二变速线管2.1与第一变速线管1.4连接在一起。

图1中，触发装置3.1与控制电路3.2电气连接，用于触发档位的加减变换，触发装置3.1可以为按键、旋钮、摇杆、无线遥控、坡度传感器、速度传感器和踏频传感器的一种或几种，坡度传感器、速度传感器和踏频传感器的作用是：根据这些传感器的数据自动变速，比如上坡坡度较大时自动切换到低速档，而无需人为手动换挡，本实用新型不对触发装置3.1的类型进行限定；其中，无线遥控可以为普通无线遥控器或者手机（蓝牙、wifi）的一种或几种，本实用新型同样也不进行限定。

图1中，控制电路3.2可以为单片机、FPGA、CPLD或者DSP所组成的一种控制电路，本实用新型不对控制电路3.2中使用的控制芯片进行限制。

图1中，驱动电路3.6与控制电路3.2电气连接，控制电路3.2将转动方向和速度命令的控制指令发送到驱动电路3.6，驱动电路3.6与涡轮蜗杆减速电机1.7电气连接，驱动电路3.6来驱动蜗轮蜗杆减速电机1.7工作，转动方向和速度命令的控制指令可以精确控制电机输出轴转的角度，如采用PID控制，触发装置3.1设定一个档位信息和档位的增加或者减少信息，档位信息就相当于设定了固定的角度（即，速度命令），档位的增加或者减少信息则相当于设定了转动方向，通过控制电路3.2让蜗轮蜗杆减速电机1.7跟踪这个设定的固定的角度以及转动方向。

图1中，可充电电池3.4与电池保护电路和充电电路3.5电气连接，电池保护电路和充电电路3.5与驱动电路电气连接3.6，可充电电池3.4为整个系统供电；同时充电器可通过电池保护电路和充电电路3.5为电池充电。

图1中，角度传感器1.1的转动轴与涡轮蜗杆减速电机输出轴相连固定为一体，角度传感器壳体与角度传感器固定架相连固定为一体；当涡轮蜗杆减速电机转动时，涡轮蜗杆减速电机1.7输出轴带动角度传感器1.1转动轴转动。

角度传感器输出1.1与控制电路3.2电气连接，通过角度传感器1.1来采集涡轮蜗杆减速电机1.7上转盘1.3的角度，将角度值送至控制电路3.2，控制电路3.2计算出当前档位，构成闭环控制系统，实现精确的角度控制。

进一步地，在图1中，驱动电路3.6通过限流电路3.7与涡轮蜗杆减速电机1.7电气连接；驱动电路3.6用于对驱动电路3.6电流限制，防止因涡轮蜗杆减速电机1.7堵转而烧毁涡轮蜗杆减速电机1.7或驱动电路3.6或防止将变速器4损坏；其中，控制电路3.2可通过限流电路3.7限制流过涡轮蜗杆减速电机1.7的最大电流。

更进一步地，在图1中，限流电路3.7还与控制电路3.2电气连接，限流电路3.7将流过涡轮蜗杆减速电机1.7的电流反馈给控制电路3.2，构成闭环电流控制，由于流过涡轮蜗杆减速电机1.7的电流值与涡轮蜗杆减速电机1.7输出扭矩正相关，所以通过这样的方式，控制电路3.2可以精确控制涡轮蜗杆电机1.7最大输出扭矩。

图2是本实用新型实施例图1中的机械执行单元的结构示意图。图3是本实用新型实施例图1中的机械执行单元的结构另一示意图。如图2和图3所示，机械执行单元包括：角度传感器1.1、角度传感器固定架1.2、转盘1.3、变速线管1.4、变速线芯1.5、变速线管固定架1.6和蜗轮蜗杆减速电机1.7。

在图2和图3中，涡轮蜗杆减速电机1.7是市面上成品的减速电机，涡轮蜗杆减速电机1.7由直流电机和涡轮蜗杆减速箱组成，直流电机为涡轮蜗杆减速电机1.7中的直流电机部分。同时本实用新型利用涡轮蜗杆减速电机1.7的自锁特性，在不换挡时可自动保持原档位不变，而不需要外部电流即可维持当前档位。

在图2和图3中，直接采用涡轮蜗杆减速电机1.7，蜗杆位于减速箱内部直流电机输出轴，蜗杆直接与减速电机相连，蜗杆直接与减速箱齿轮组最初级涡轮齿合，直流电机转动时仅需要很小的力即可带动减速箱齿轮运动，负载不直接作用于涡轮蜗杆，在蜗杆上只有很小的轴向力，对易损耗部件涡轮蜗杆损耗较小。

同时，减速箱的齿轮之间或者蜗轮蜗杆之间，表现出来的就是输出轴机械间隙，本实用新型的机械执行单元具有更小的机械间隙，可以实现更精确的控制；直接采用内置涡轮蜗杆的减速电机1.7，机械结构相对封闭，外界异物不容易进入涡轮蜗杆之间。

在图2和图3中，角度传感器1.1转动轴与涡轮蜗杆减速电机1.7输出轴相连固定为一体，角度传感器1.1的壳体与角度传感器固定架1.2相连固定为一体；当涡轮蜗杆减速电机1.7转动时，涡轮蜗杆减速电机1.7输出轴带动角度传感器1.1转动轴转动。

在图2和图3中，蜗轮蜗杆减速电机1.7输出轴还与转盘1.3相连，蜗轮蜗杆减速电机1.7输出轴还与转盘1.3通过螺栓固定为一体，变速线芯1.5与转盘1.3刚性连接，涡轮蜗杆减速电机1.7输出轴转动时，转盘1.3随着蜗轮蜗杆减速1.7电机输出轴转动，转盘1.3拉动变速线芯1.5沿着转盘切线运动，变速线芯1.5外部具有变速线管1.4，将变速线芯1.5在转盘1.3上缠绕或释放变速线芯1.5来改变变速线芯的相对于变速线管1.4的长度来实现对档位的控制。

进一步地，转盘1.3侧边带有凹槽，凹槽用于缠绕变速线芯1.5。

在图2和图3中，变速线管1.4与变速线管固定架1.6固定为一体；变速线管固定架1.6和角度传感器固定架1.2与蜗轮蜗杆减速电机1.7通过螺栓固定为一体。

更一步地，角度传感器固定架1.2为两个平板拼接而成的直角结构，一个直角面平板用于与蜗轮蜗杆减速电机1.7固定连接，另一个直角面平板具有连接孔，角度传感器1.1通过另一个直角面平板的连接孔与角度传感器固定架1.2连接。

更一步地，变速线管固定架1.6为中空的圆形圈状，变速线管固定架1.6的内侧具有中空的连接管，角度传感器1.1、角度传感器固定架1.2、转盘1.3、变速线管1.4、变速线芯1.5和蜗轮蜗杆减速电机1.7在变速线管固定架1.6内部，变速线管1.4位于变速线管固定架1.6的内侧的连接管内，变速线管固定架1.6对变速线管1.4进行固定。

图4是本实用新型实施例图1中的变速线管长度微调装置的结构示意图。如图4所示，变速线管长度微调装置包括：第二变速线管2.1和线管长度调节螺管2.4，第二变速线管2.1通过线管长度调节螺管2.4与第一变速线管1.4连接。

进一步地，线管长度调节螺管2.4包括：管状螺杆2.2和管状螺母2.3；管状螺杆2.2与第一变速线管1.4连接，管状螺母2.3与第二变速线管2.1连接，管状螺杆2.2与管状螺母2.3连接，将第二变速线管2.1与第一变速线管1.4连接在一起。通过旋动管状螺杆2.2和管状螺母2.3，改变管状螺杆2.2和管状螺母2.3的距离即可改变变速线芯1.5的长度，如，增加了第一变速线管1.4和第二变速线管2.1的长度，就相当于减小了变速线芯1.5的长度，解决初始位置不对而导致变速不准的问题。

结合图1～4，对本实用新型工作原理进行简单描述：

通过控制单元3的触发装置3.1设定的，以及控制单元3的控制电路3.2采集机械执行单元1的角度传感器1.1角度信号，控制电路3.2通过计算触发装置3.1的档位信息、档位的增加或者减少信息和角度传感器1.1的角度信号，产生转动方向和速度命令的控制指令，控制电路3.2根据转动方向和速度命令的控制指令控制机械执行单元1动作，机械执行单元1变速器4，实现变速器4的变速。同时，通过变速线管长度微调装置2，可以解决机械执行单元1初始位置不对而导致变速不准的问题。

以上所述实施例仅为表达本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形、同等替换、改进等，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。