一种集成式自行车助力装置及助力自行车的制作方法

本发明涉及一种自行车助力装置及采用该助力装置的助力自行车。

背景技术：

采用助力的自行车都需要根据自行车的运动速度或受力信息，由电机控制器控制电机为自行车提供助力。但是现有技术中采用的各种检测自行车运动速度或受力的装置往往结构很复杂，专用的传感器价格较贵，普通的传感器不能准确反映自行车运动的速度或受力的准确状态，由于检测误差大而影响了对自行车进行助力的效果。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种集成式自行车助力装置，可以准确反映自行车运动的信息和状态，该集成式自行车助力装置可用于自行车上进行助力，助力效果好。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种集成式自行车助力装置，包括由电机控制器控制施加助力的电机，其特征在于，还包括脚踏力测量装置，脚踏力测量装置包括一受到链条或皮带的张紧力的作用发生摆动的摆臂和一检测摆臂转动角度或位移距离的传感器，所述传感器将检测的电信号发送至电机控制器控制电机输出相应的助力矩，助力矩作用在链条或皮带上。

脚踏力测量装置与电机集成在箱体中。

进一步，所述脚踏力测量装置还包括使所述摆臂复位的弹性元件。

进一步，所述脚踏力测量装置还包括对所述摆臂的转动范围进行限制的限位装置。

进一步，所述电机助力经减速器后作用到链条或皮带上。

进一步，所述减速器为定轴齿轮减速器或行星齿轮减速器。

进一步，所述皮带内表面为同步带。

一种具有集成式自行车助力装置的自行车，其特征在于，牙盘驱动自行车转动时，与牙盘外周啮合的链条或皮带绕过自行车飞轮外周后，依次啮合于由电机输出轴驱动转动的第二链轮、带动传感器所检测的摆臂转动的第一链轮后，再绕回牙盘，与牙盘外周啮合。

一种具有集成式自行车助力装置的自行车，其特征在于，牙盘驱动自行车转动时，与牙盘外周啮合的链条或皮带与由电机输出轴驱动转动的第二链轮啮合后，绕到自行车飞轮的外周啮合，再与带动传感器所检测的摆臂转动的第一链轮啮合后，最后绕回牙盘，与牙盘外周啮合。

进一步，还包括至少一个对链条或皮带进行张紧的张紧装置。

进一步，还包括至少一个增加链条或皮带与链轮啮合齿数或与滑轮接触面积的装置。

一种具有集成式自行车助力装置的自行车，其特征在于，在自行车的牙盘和曲柄之间设置一单向离合器或单向轴承。

一种具有集成式自行车助力装置的自行车，其特征在于，在自行车的牙盘和曲柄之间设置一采用行星齿轮组的可变挡位变速器，所述变速器的输入轴与曲柄相连，并随曲柄旋转，所述变速器的输出轴与牙盘相连。

本发明所述的自行车可有两种工作模式，第一种：骑行者踩动踏板，电机提供助力，人力与电机助力并存；第二种：仅由电机提供动力，骑行者通过动力调节装置调节电机输出力矩的大小。因此，本发明所述的电动自行车还安装有助力模式切换装置，调节电机输出力矩大小的装置。

本发明所述的自行车还安装有调节行星齿轮变速器挡位的换挡机构。

本发明所述的自行车还安装有操作显示装置，用于设定助力比档位、锁定车辆、显示和传输电池电量、车速、助力模式、挡位、车辆位置等信息。

本发明所达到的有益效果：

本发明的集成式自行车助力装置结构紧凑，节省空间；通过摆臂可以将微小的转动信号进行机械式的放大，使传感器测量值更精确，减少测量误差。

本发明的集成式自行车助力装置适用于对于两轮或三轮或更多轮的脚踏或者手摇自行车进行助力，按照设定的助力传递顺序进行助力，可以增加传动包角，提高传动能力，达到更好的助力效果。

本发明的集成式助力自行车装置能够实现两种工作模式，第一种是电机为人提供助力；第二种是仅由电机提供动力。两种工作模式能够适应不同的路况，更能够提高道路行驶的安全性。

附图说明

图1是集成式自行车助力装置示意图；

图2是采用定轴齿轮减速器的集成式自行车助力装置示意图；

图3是采用行星齿轮减速器的集成式自行车助力装置示意图；

图4是带限位装置的集成式自行车助力装置示意图；

图5是一种助力传递顺序的助力自行车示意图；

图6是另一种助力传递顺序的助力自行车示意图；

图7是助力自行车示意图；

图中，1.脚踏力测量装置；11.传感器；12.摆臂；121.长臂；122.短臂；13.弹性元件；131.拉簧；132.压簧；14.限位装置；141.限位块；142.限位槽；15.转轴；2.电机；21.电机输出轴；3.链条；4.链轮；5.减速器；51.定轴齿轮减速器输入轴；52.定轴齿轮减速器输出轴；53.齿圈；54.行星架；55.行星轮；6.链轮；7.自行车飞轮；8.单向离合器或单向轴承；9.曲柄；10.牙盘；100.箱体；201.张紧轮；202.张紧轮；203.张紧轮；204.张紧轮。

张紧装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1和图4所示，本发明的集成式自行车助力装置，包括脚踏力测量装置1、电机2和电机控制器（图中未示出）。脚踏力测量装置1用于感知踏板力的大小；电机2由电机控制器控制施加助力。脚踏力测量装置1和电机2以及电机控制器集成在一个箱体100之中，结构紧凑，节省空间，并且还可以对这些部件进行防护。箱体100上开设有多个工作孔道，以允许相关部件的连接和设置。

脚踏力测量装置1包括传感器11、摆臂12、弹性元件13和限位装置14。摆臂12包括绕转轴15同步转动的较长的长臂121和较短的短臂122，长臂121和短臂122之间保持一恒定角度始终不变，在骑行者用力踩踏板时，摆臂12受到链条张紧力的作用绕转轴15发生摆动，且长臂121的转动范围、距离更大。传感器11与摆臂12的位置相对应地设置，使传感器11可以检测摆臂12的转角或位移，根据转动角度或位移距离计算出脚踏力的值。传感器11既可以安装在转轴15处，直接测量摆臂12相对箱体100的旋转角度，也可以优选地安装在长臂121上的任意位置，测量摆臂12相对箱体100的位移，通过长臂121将微小的转动信号进行机械式的放大，以获得更精确的测量值。弹性元件13一端固定在箱体100内，另一端连接在摆臂12的长臂121末端，使摆臂12复位。限位装置14设置在摆臂12的长臂121和/或短臂122的侧面，对摆臂12的转动范围进行限制，使测量脚踏力的传感器11保持在有效检测范围内并保护传感器。

传感器11采用电磁或光学传感器，如霍尔传感元件、电磁传感元件或编码盘等。

弹性元件13可采用拉簧、压簧、扭力弹簧、弹片等具有恢复功能的弹性元件；

限位装置14可采用限位块141或限位槽142等。

电机2采用永磁同步电机、感应电机或磁阻电机等满足助力要求的电机。

结合图5所示，骑行者踩踏板时，施加在踏板上的脚踏力经曲柄9传递给牙盘10，使牙盘10上啮合的链条3张紧，与链条3相啮合的链轮4受力转动，拨动设置在链轮4侧面的摆臂12绕转轴15发生摆动（摆臂12设置在链轮4侧面不影响链轮4与链条3的啮合传动），传感器11检测摆臂11的转动角度或距离计算出脚踏力的值。由电机控制器根据传感器测量的脚踏力的值的大小控制电机2输出助力转矩。电机输出轴21驱动链轮6转动，由链轮6带动啮合经过其上的链条3转动，通过链条3传动，带动自行车飞轮7转动，从而使自行车向前行驶。

较佳地，链轮4、链轮6也集成在箱体100之中。

在其他实施方式中，还可以以皮带代替链条进行传动，采用皮带时优选内表面做成可进行啮合的齿形，而外表面为光面的同步带，齿形的内表面可以与牙盘10、电机输出端21驱动转动的链轮6上的齿相啮合，提高了传动能力和助力效果；而外层的光面经过带动传感器所检测的摆臂转动的链轮4，可以减少摩擦，避免传动过程中的损耗。

集成式自行车助力装置内部还可以设置有润滑油或润滑脂，以满足机械内部的润滑需求。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例中，增加减速器5对电机2输出助力转矩进行减速增矩，将减速器5与脚踏力测量装置1、电机2及电机控制器集成在一个箱体100之中。电机输出轴21通过减速器5减速增矩后间接驱动链轮6转动，由链轮6带动啮合经过其上的链条3或皮带转动，通过链条或皮带传动，带动飞轮7转动，从而使自行车向前行驶。

如图2所示，减速器5采用定轴齿轮减速器。电机输出轴21与定轴齿轮减速器输入轴51连接，由定轴齿轮减速器输出轴52驱动链轮6转动。电机输出转矩经减速器进行放大后就可以满足助力要求，因此电机实际需要提供的转矩减小，电机的体积和质量也较小，有利于电机的安装和自行车减重；此外，行星轴减速器结构简单，成本低易于安装。

工作过程及原理：当骑行者用力踩踏板时，施加在踏板上的脚踏力经曲柄传递给牙盘，使牙盘上啮合的链条张紧，与链条啮合的链轮4受力转动，带动摆臂12绕转轴15转动，同时拉伸拉簧131，传感器11检测摆臂11转动的角度或距离计算出脚踏力的值。由电机控制器根据传感器测量的脚踏力的值的大小控制电机2输出助力转矩，助力转矩经定轴齿轮减速器减速增矩后由定轴齿轮减速器输出轴52输出，并经链轮6将力作用到链条3或皮带上，起到助力作用。

本实施例中，弹性元件采用的拉簧131，通过拉簧131的拉力可使摆臂12回复到初始状态。

其余与实施例1相同。

实施例3

在实施例1的基础上，本实施例中，增加减速器5对电机2输出助力转矩进行减速增矩，将减速器5与脚踏力测量装置1、电机2及电机控制器集成在一个箱体100之中。电机输出轴21通过减速器5减速增矩后间接驱动链轮6转动，由链轮6带动啮合经过其上的链条3或皮带转动，通过链条或皮带传动，带动自行车飞轮7转动，从而使自行车向前行驶。

如图3所示，减速器5采用行星齿轮减速器。星齿轮减速器中的齿圈53固定，太阳轮作为输入，支撑行星轮55的行星架54作为输出。太阳轮由电机输出轴驱动转动，带动与太阳轮、齿圈啮合的行星轮绕行星架转动，对连接于行星架出力轴上的链轮6减速增矩输出动力。行星齿轮减速器体积和质量均小于定轴齿轮减速器，有利于自行车的减重。

工作过程及原理：当骑行者用力踩踏板时，施加在踏板上的脚踏力经曲柄传递给牙盘，使牙盘上啮合的链条或皮带张紧，与链条或皮带啮合的链轮4受力，带动摆臂12绕转轴15转动，同时压缩压簧132，传感器11检测摆臂11转动的角度或距离计算出脚踏力的值。由电机控制器根据传感器测量的脚踏力的值的大小控制电机2输出助力转矩，助力转矩经过行星齿轮减速器输出，通过链轮6将力作用到链条或皮带上，对链条施加助力。

本实施例中，弹性元件采用的压簧132，通过压簧132的压力可使摆臂12回复到初始状态。

其余与实施例1相同。

实施例4

如图5所示，本实施例为采用实施例1、实施例2或实施例3的集成式自行车助力装置的自行车。普通自行车结构中，脚踏板设置在曲柄9的一端，曲柄9的另一端连接在牙盘10的中心。

本实施例中，还可以在牙盘10和曲柄9之间设置一单向离合器或单向轴承8，曲柄9的另一端经单向离合器或单向轴承与牙盘10中心连接。曲柄9旋转运动时，单向离合器或单向轴承处于锁止状态，施加在脚踏板上的脚踏力经曲柄9、单向离合器或单向轴承传递给牙盘10；牙盘10的转速高于曲柄9转速时，单向离合器或单向轴承处于解锁状态，牙盘10可以自由运动。

牙盘10和曲柄9之间设置一采用行星齿轮组的可变挡位变速器，变速器的输入轴与曲柄9相连，并随曲柄9旋转，变速器的输出轴与牙盘10相连，变速器通过外力改变挡位。

当自行车安装有单向离合器时，骑行者可以通过前述电机助力调节装置直接控制电机输出助力转矩驱动车辆，此时曲柄不随牙盘转动，相当于普通电动自行车；采用多挡位行星齿轮减速器，能够对骑行者的脚踏力进行不同传动比的放大。以上均能够使自行车适应于不同形式工况和骑行者的骑行习惯。

实施例5

在实施例1的基础上，本实施例中，对于集成式自行车助力装置或采用集成式自行车助力装置的自行车所采用的助力传递顺序是：

如图5和图7所示，骑行者踩踏板使自行车前进时，牙盘10顺时针转动，链条3顺时针与牙盘10啮合后绕向自行车飞轮7外周，再穿入箱体100进入脚踏力测量装置1中，依次啮合于电机输出轴21驱动转动的链轮6、带动传感器所检测的摆臂转动的链轮4，穿出箱体100后绕回啮合到牙盘10外周；并且，电机输出轴21驱动转动的链轮6啮合在牙盘10与自行车飞轮7撑起的链条3形成的空间内部，而带动传感器所检测的摆臂转动的链轮4啮合在牙盘10与自行车飞轮7撑起的链条3形成的空间外部。

在这几个部件之间，还可以根据需要任意安装对链条3进行张紧的张紧轮，如可以在自行车飞轮7与链轮6之间设置一张紧轮201，较佳地，该张紧轮201啮合在自行车飞轮7与链轮6撑起的链条3的外侧，该张紧轮201可以集成设置在箱体100中；也可以在牙盘10与自行车飞轮7之间设置一张紧轮202，较佳地，该张紧轮202啮合在牙盘10与自行车飞轮7撑起的链条3的外侧，该张紧轮202的固定端设置于箱体100中。

实施例6

在实施例1的基础上，本实施例中，对于集成式自行车助力装置或采用集成式自行车助力装置的自行车所采用的助力传递顺序是：

如图6所示，骑行者踩踏板使自行车前进时，牙盘10顺时针转动，链条3顺时针与牙盘10外周啮合后穿入箱体100进入脚踏力测量装置1中，与由电机输出轴21驱动转动的链轮6啮合后，穿出箱体100绕到自行车飞轮7的外周啮合后，再次穿入箱体100进入脚踏力测量装置1中，与带动传感器所检测的摆臂转动的链轮4啮合后，最后绕回啮合到牙盘10外周；并且，电机输出轴21驱动转动的链轮6、带动传感器所检测的摆臂转动的链轮4均啮合在牙盘10与自行车飞轮7撑起的链条3形成的空间外部。

在这几个部件之间，还可以根据需要任意安装对链条3进行张紧的张紧轮，如可以在自行车飞轮7与链轮4之间设置一张紧轮203，也可以在链轮6与自行车飞轮7之间设置一张紧轮204。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。