扭矩晶体管和带有扭矩晶体管的电动自行车的制作方法

1.本发明涉及一种根据独立权利要求1的前序部分的用于具有辅助马达的肌肉力量操作的交通工具的传动系的扭矩传递装置。在本技术的范围内，术语“肌肉力量操作的交通工具”原则上包括所有类型的肌肉力量操作的交通工具，特别是诸如脚踏船等水上交通工具。然而，本发明特别适用于具有中间马达或底部支架马达的电动自行车或电动脚踏车。


背景技术：

2.根据独立权利要求1的前序部分的通用扭矩传递装置包括输出轴、用于将由肌肉力量产生的扭矩传递到输出轴的第一输入轴、用于将辅助马达产生的扭矩传递到输出轴的第二输入轴，和自由轮功能，当辅助马达停用或未打开时，该功能防止肌肉力量操作的交通工具的使用者不得不随动地使辅助马达旋转。
3.通用扭矩传递装置从现有技术中已知并且用于例如具有中间马达的电动自行车中。ep 700 826 a1公开了这样一种自行车，其具有辅助马达和基于检测到的肌肉操作的扭矩的控制器。在从现有技术已知的解决方案中，电传感器检测骑车者是否在踏板上施加压力以使自行车向前移动。如果该压力施加到踏板上，辅助马达就会激活以帮助骑车者。如果骑车者不再在踏板上施加任何压力或使踏板在相反方向上旋转，这也会被电传感器检测到，并且辅助马达的帮助会减少或停用。电气系统容易出错和出现故障，因此必须进行冗余设计，尤其是在安全相关领域，使得例如即使在传感器出现故障的情况下也能够安全地制动自行车。此外，支承链圈(chain ring)的输出轴通常牢固地连接到第一输入轴或由第一输入轴形成。第二输入轴通常也牢固地连接到输出轴。飞轮功能通常由飞轮实现，该飞轮安装在辅助马达本身中或安装在布置在辅助马达和输出轴之间的传动装置中。为了防止辅助马达在向后蹬踏期间不得不随动地旋转或向后旋转，在现有技术已知的解决方案中，除了第一自由轮之外还需要安装另外的自由轮。从ep 3 254 945 a1已知另一种带有辅助马达的自行车，其中驱动单元由扭矩检测单元控制。


技术实现要素：

4.本发明的目的是进一步开发通用的扭矩传递装置，使得可以保证特别紧凑和廉价的构造结果，并且同时保证上述两种自由轮功能。此外，应保证辅助马达的支持动力的可靠停用。
5.该目的通过独立权利要求1的特征来实现。因此，在根据独立权利要求1的前序部分的扭矩传递装置中，根据本发明的解决方案在于扭矩传递装置包括机械离合器，该机械离合器设计成：如果在第一输入轴处在驱动旋转方向上作用在输出轴上的扭矩占优势，则将扭矩从第二输入轴传递到输出轴，并且如果在第一输入轴处逆着驱动旋转方向作用在输出轴上的扭矩占优势，则不会将扭矩从第二输入轴传递到输出轴。
6.本发明的有利的实施例是从属权利要求的主题。
7.在本发明的较佳实施例中，离合器是在没有电源的情况下能操作的机械离合器。
较佳地，机械离合器设计为夹持式锁。与电气系统相比，机械离合器具有更高的可靠性。在电气系统中，存在的风险是例如电池或蓄能器将耗尽，从而导致系统出现故障。此外，传感器或电源线中的线缆断裂会导致系统故障。尤其是在主要在户外使用的交通工具中，这是重大挑战，因为即使在不同温度下并且例如下雪和下雨时，这些也必须较佳地操作多年。因此，安全和车辆领域中的电气系统必须设计成双重甚至三重冗余。
8.根据本发明的另一特别较佳的实施例，输出轴、第一输入轴和第二输入轴彼此同轴布置并且基本上相对于彼此可旋转地安装，其中，在第一输入轴和输出轴之间存在具有间隙的捕获接合，其允许第一输入轴和输出轴之间在一定周向间隙内相对旋转，其中，至少一个夹持元件像夹持式锁那样布置在第二输入轴和输出轴之间，使得如果输出轴由第一输入轴在驱动旋转方向上旋转，夹持元件在任何情况下都处于释放位置或被带到释放位置中，并且第二输入轴在驱动旋转方向上既不不旋转，也不比输出轴和第一输入轴旋转得更慢，其中，如果第二输入轴在驱动旋转方向上比输出轴暂时旋转得更快，通过输出轴和第二输入轴之间的相对旋转，使夹持元件从释放位置转换到锁定位置中，使得在第二输入轴和输出轴之间产生捕获接合，其中，只要作用在驱动旋转方向上的扭矩经由第一输入轴并且经由第二输入轴传递到输出轴，夹持元件在任何情况下都保持在锁定位置中，并且其中，第一输入轴包括解锁元件，如果第一输入轴在存在于第一输入轴和输出轴之间的周向间隙内相对于输出轴逆着驱动旋转方向旋转，该解锁元件在任何情况下都使夹持元件主动地从锁定位置移动到释放位置。因此，如果夹持元件处于锁定位置，根据本发明提供的离合器闭合。一旦锁定元件处于释放位置，根据本发明提供的离合器就打开。
9.该实施例具有的优点在于，以上示出的两个自由轮功能集成在单个功能单元中。另一个优点是经由夹持元件传递的扭矩被限制为辅助马达的最大扭矩。然而，如果使用两个独立的自由轮，两个自由轮中的一个必须针对肌肉力量操作的交通工具的使用者施加在输出轴上的最大扭矩进行设计。因此，特别较佳的实施例允许总体上非常紧凑且重量轻的构造。
10.根据上述特别较佳的实施例，输出轴、第一输入轴和第二输入轴相对于彼此同轴布置。除非另有说明，下面指示的诸如“在周向方向上”等是指输出轴、第一输入轴和第二输入轴的共用几何轴线。
11.根据本发明的另一个特别较佳的实施例，夹持元件是滚动元件，其布置在输出轴的第一夹持表面和第二输入轴的第二夹持表面之间，其中，在周向方向上看到的在第一夹持表面和第二夹持表面之间的距离减小，使得在夹持元件的锁定位置中，在夹持元件与第一夹持表面和第二夹持表面之间存在自锁。设计为滚动元件的夹持元件可以在释放位置中自由旋转，但在输出轴和第二输入轴之间存在相对旋转，其中，第二输入轴在驱动旋转方向上旋转得比输出轴快，它被第二输入轴的第二夹持表面抓取并携带，从而沿第一夹持表面在周向方向上滚动到其中发生上述自锁的锁定位置中。在相反方向的相对旋转中，自锁以简单的方式取消。
12.夹持元件特别较佳地是夹持滚子。圆筒形夹持滚子能够易于制造，并且同时允许以紧凑的构造传输高扭矩。例如，夹持元件替代地也可以具有锥形设计。在垂直于夹持元件的纵向轴线的截面中，夹持元件可以具有圆形横截面。然而，根据较佳实施例，夹持元件具有带有至少一个凸起的圆形横截面。特别较佳地，夹持元件具有带有两个凸起的圆形横截
面。凸起代表凸轮表面，它优化了第二输入轴和输出轴之间的动力传输。特别是，如果提供两个凸起，则在凸起之间的区域中具有表面，其优化第二输入轴和输出轴之间的动力传输。此外，通过凸起改善了夹持元件的定位。
13.另外较佳地，夹持元件的旋转轴线位于平行于输出轴、第一输入轴和第二输入轴的共用轴线。
14.根据本发明的另一较佳实施例，第一夹持表面和第二夹持表面由锥形表面形成，其中，第二夹持表面的中心半径横跨第二输入轴的整个周缘恒定，并且其中，第一夹持表面的中心半径在周向方向上看时变化。该实施例还有助于夹持机构的紧凑设计和安全功能。
15.根据本发明的另一较佳实施例，夹持元件接纳在输出轴的第一凹部中，其中第一夹持表面由第一凹部的部分表面形成。这种实施例有助于根据本发明的扭矩传递装置的简单构造并且允许夹持元件的简单定位。
16.在此，特别有利的是，如果在周向方向上看到第二凹部跟随第一凹部形成在输出轴中，其中，第一输入轴的解锁元件是接合在第二凹部中的销，其中，在驱动旋转方向上，通过销和第二凹部之间的接合，在第一输入轴和输出轴之间产生捕获接合，并且其中，第一输入轴和输出轴之间的周向间隙是由在周向方向上看到的第一凹部和第二凹部的组合扩张或膨胀给出的，其大于在周向方向上看到的夹持元件和销的组合扩张或膨胀。该实施例有助于特别紧凑和简单的构造。此外，在该实施例中，需要的部件数量特别少。通过周向间隙，可以使第一输入轴和输出轴之间产生一定的相对运动。由于相对运动，夹持元件能够移动到锁定位置中，其中，扭矩从第二驱动轴传递到输出轴，并进入释放位置，其中没有扭矩从第二输入轴传递到输出轴。
17.根据本发明的另一特别较佳的实施例，第二输入轴同轴地封围输出轴。该实施例也有助于紧凑的构造。在此，如果第二输入轴设计为冠形轮是特别有利的。冠形轮可以通过接合在冠形轮的相应齿轮中的马达轴的小齿轮以简单的方式驱动。
18.根据本发明的另一较佳实施例，第一输入轴延伸穿过输出轴。该实施例也有助于紧凑的构造。
19.在本发明的另一特别较佳的实施例中，扭矩传递装置包括在周向方向上分布布置的多个夹持元件。通过多个夹持元件，能够经由夹持元件传递特别高的扭矩。有利地提供与夹持元件一样多的解锁元件或小齿轮。特别较佳地，夹持元件和解锁元件都在周向方向上均匀分布地布置。这导致特别有利的动力传输。由此，也导致了较长的服务寿命。
20.在本发明的另一较佳实施例中，夹持式锁包括环形张紧元件，该环形张紧元件设计成在转换到锁定位置期间支承夹持元件。夹持元件例如可以由弹性材料构成，比如天然橡胶或合成橡胶。然而，张紧元件也可以是蜗杆弹簧，其由细螺旋线组成，其中，由于螺旋化，线材是弹性的。张紧元件在转换到锁定位置期间支承夹持元件，其中扭矩从第二输入轴传递到输出轴。通过用作弹性元件或弹簧的张紧元件，在夹持元件上施加力或扭矩。随着它们移到锁定位置中，扭矩支承夹持体。由于该实施例中的夹持元件被张紧元件预张紧到锁定位置中，因此第二输入轴和输出轴之间最轻微的相对运动就足以在第二输入轴和输出轴之间产生摩擦接触。张紧元件可以确保所有夹持元件都转换到锁定位置中。这是特别有利的，因为尽管第二输入轴和输出轴之间存在相对运动，但润滑所需的油脂会导致夹持元件粘附到释放位置，并且不会转换到锁定位置中或不滚动或滑动到锁定位置中。夹持元件较
佳地以其内周缘在张力下邻接抵靠夹持元件。然而，张紧元件也可以以其外周缘在张力下邻接抵靠夹持元件。在这两种情况下，夹持元件还较佳地具有相对于相应夹持元件的轴线不是圆筒形的支承表面，而是形成凸轮表面，张紧元件邻接凸轮表面处，使得通过张紧元件和凸轮表面的协配，在夹持元件上施加扭矩。更较佳地，支承表面实施为从夹持元件的基体轴向突出的突出部。更较佳地，支承面延伸穿过夹持元件的轴线。
21.本发明还提供了一种具有根据本发明的辅助马达和扭矩传递装置的自行车，其中，辅助马达实施为中间马达并且与第二输入轴联接。
22.下面参考附图更详细地说明本发明的实施例。
附图说明
23.在附图中：
24.图1：示出了根据第一实施例的具有根据本发明的扭矩传递装置的电动自行车的底部支架区域的局部剖视图，
25.图2：示出了通过在夹持元件和解锁元件的轴向位置上的图1的根据本发明的扭矩传递装置的剖视图，
26.图3：示出图2的剖视图，其中辅助马达停用，电动自行车的使用者在向前方向上操作踏板，
27.图4：示出了当辅助马达开始支持时图2的剖视图，
28.图5：示出了当辅助马达对电动自行车的使用者提供持续支持时图2的剖视图，
29.图6：示出了在踏板运动停止的时刻中图2的剖视图，
30.图7：示出了电动自行车使用者向后操作踏板且辅助驱动件关闭时图2的剖视图，
31.图8：示出了由电动自行车的使用者向后操作踏板并且由于辅助驱动件的激活第二输入轴的在向前方向上旋转时图2的剖视图，
32.图9：示出了当向后推动电动自行车时图2的剖视图，
33.图10：示出了具有张紧元件的根据本发明的扭矩传递装置的另一实施例的剖视图，
34.图11：示出了图10的根据本发明的扭矩传递装置的夹持元件，详细示出了夹持元件的前端，以及
35.图12：示出了图11中夹持元件的立体图。
具体实施方式
36.在以下描述中，相同的部分由相同的附图标记表示。如果附图包含在附图的相关描述中未详细讨论的附图标记，则参考先前或随后的附图描述。
37.图1示出了具有根据第一实施例的扭矩传递装置的电动自行车的底部支架区域的局部剖视立体图。电动自行车的未示出的踏板附联到其上的底部支架轴1形成了根据本发明的扭矩传递装置的第一输入轴。第一输入轴1延伸穿过扭矩传递装置的中空圆筒形输出轴3。中空圆筒形输出轴3又支承链圈支承件7，链圈6附连在链圈支承件7处。在输出轴3处施加的驱动扭矩经由未示出的链条传递到电动自行车的后轮。根据本发明的扭矩传递装置还包括第二输入轴2，该第二输入轴也是中空的并且径向地包围输出轴3。第二输入轴2设计为
冠状轮。因此，它具有锥形齿面，电动自行车的电动辅助马达的输出轴的小齿轮13接合到该锥形齿面中。因此，第二输入轴2仅通过未进一步详细示出的辅助驱动件驱动。所有三个轴，即输出轴3、第一输入轴1和第二输入轴2彼此同轴布置并且基本上相对于彼此可旋转地安装。它们共用图1中所示的共用几何轴线8。
38.根据本发明的扭矩装置构造成使得扭矩能够经由输入轴1和2两者传递到输出轴3。根据本发明的扭矩传递装置在此具有集成在单个功能单元中的两个自由轮功能。如果辅助马达停用或未开启，第一自由轮功能防止电动自行车的使用者在向前踩踏的同时必须使辅助马达随动地旋转。如果电动自行车的使用者向后踩踏而不将扭矩传递到后轮，第二自由轮功能确保辅助马达不必逆着正常旋转方向随动旋转。因此，后轮毂也配备由相应的自由轮。
39.下面说明根据本发明的扭矩传递装置的功能。在输出轴3和第二输入轴2之间布置有多个圆筒形夹持滚子4，它们如夹持式锁那样确保在正常操作中从第二输入轴2到输出轴3的扭矩传递。夹持滚子4布置成均匀地横跨输出轴3的周缘分布，并接纳在输出轴3的外周缘处的相应凹部9中。如图1清楚地示出的，夹持滚子4的轴线不平行于根据本发明的扭矩传递装置的轴线8定向。而是，它们与输出轴3、第一输入轴1和第二输入轴2的共用轴线8成倾斜角度。因此，夹持滚子4在输出轴3和第二输入轴2的夹持表面之间起作用，它们基本上是锥形的。
40.图2示出了在夹持滚子4的轴向位置上正交于轴线8的根据本发明的扭矩传递装置的剖视图。第二输入轴2d的侧部上的夹持表面12通过旋转对称锥形表面形成。输出轴的侧部上的夹持表面11由输出轴3外周缘的凹部9的基部构成。图2清楚地示出了夹持表面11在周向方向上看顺时针或在驱动方向15上升高，使得夹持表面11和夹持表面12之间的距离在顺时针方向上减小。同样在周向方向上看，在每个凹部9旁边，在输出轴3的外轮廓中形成第二凹部10。如图2所示，第一输入轴1的销状延伸部5接合在第二凹部10中。为清楚起见，图1中未示出销状延伸部5。
41.通过使销状延伸部5接合在输出轴3的外轮廓的凹部10中，在第一输入轴1和输出轴3之间基本上存在捕获接合。这意味着如果第一输入轴1沿驱动旋转方向15或逆着驱动旋转方向旋转，输出轴3基本上跟随旋转。然而，捕获接合具有间隙。如图2所示，第一凹部9和第二凹部10在周向方向上看到的组合扩张大于夹持滚子4和布置在其旁边的销5也在周向方向上观察的组合扩张。因此存在图2中所示的并且在周向方向上起作用的间隙14。
42.如果电动自行车的使用者向前并且相应地在旋转驱动方向15上踩踏，则第一输入轴1在图3的图示中顺时针旋转。第一输入轴的销状延伸部5在它们已经克服间隙14后，将邻接抵靠位于每个图示右侧的第二凹部10的侧部，使得输出轴3与第一输入轴1随动旋转。夹持滚子4保留在相应的第一凹部9的左角部中并且可以自由旋转，如图3中夹持滚子4中的箭头所示。
43.如果现在激活辅助马达，则第二输入轴2也如图4所示顺时针旋转。为了能够将扭矩从辅助马达传递到输出轴，第二输入轴2必须短暂地比输出轴3旋转得更快。夹持滚子4被这种相对运动带动并沿着上升的夹持表面11向右滚动，直到它卡在输出轴3的夹持表面11和第二输入轴2的夹持表面12之间为止，从而发生自锁。这种状况在图5中示出。现在扭矩经由第一输入轴1和第二输入轴2两者传递到输出轴3。
44.如果电动自行车的使用者使踏板保持抵抗第二输入轴2的扭矩，则销状延伸部5将逆时针作用的力施加到夹持滚子4上。这种状况在图6中示出。如果夹持滚子的静摩擦力被克服，它们将再次开始旋转或滑动。然后中断第二输入轴和输出轴之间的摩擦连接。第二输入轴自由旋转。例如，如果辅助马达的加速比骑行者希望的要快，就可能是这种情况。电动自行车当然可以具有相应的扭矩传感器，在这种情况下，它将测量将导致辅助马达停用的负扭矩。
45.图7示出了当电动自行车的驾驶员向后踩踏时，根据本发明的扭矩传递装置的行为。销状延伸部5逆时针推动夹持滚子4，直到夹持滚子被卡在销状延伸部5和第一凹部9的左侧之间为止。现在扭矩经由夹持滚子4从第一输入轴或销状延伸部5逆时针传递到输出轴3。输出轴3与第一输入轴一起逆时针旋转。然而，输出轴和第二输入轴之间的摩擦连接被取消，使得辅助马达不必在踏板的这种向后运动期间跟随旋转。如图8所示，在驱动旋转方向上激活辅助马达，这导致第二输入轴2顺时针旋转，对夹持滚子4以及第一输入轴1和输出轴3的向后运动没有影响。
46.最后，图9示出了电动自行车被向后推动时的行为。在这种情况下，输出轴3逆时针旋转并且在其运动中带动第一输入轴的销状延伸部5。由于输出轴3与第二输入轴2之间的相对旋转，夹持滚子4沿第一夹持表面11向右滚动进入锁紧位置，其中夹持滚子4与输出轴3和第二输入轴2之间发生自锁。当向后推动电动自行车时，辅助马达因此也跟随旋转。
47.图10示出了通过根据本发明的扭矩传递装置的另一示例性实施例的剖视图。扭矩传递装置基本上是与根据图1至图9的实施例的扭矩传递装置相同的设计。在图10所示的实施例中，扭矩传递装置另外包括张紧元件16，张紧元件16设计成在转换到锁定位置期间支承夹持元件4。夹持元件16具有环形设计并且邻接抵靠夹持元件4的相应支承表面18。如图11和12所示，支承表面18实施为从夹持元件4的基体19轴向突出的突出部20。张紧元件具有弹性设计，使得通过张紧元件产生张紧力。通过将张紧元件16搁置在支承表面18的点处，因此能够在夹持元件4上分别产生力或扭矩。通过该扭矩，夹持元件4在运动或转换到锁定位置中被支承。张紧元件16可以例如由诸如天然橡胶或合成橡胶之类的弹性材料制成，通过该弹性材料产生张紧力。张紧元件16可以替代地例如由弹簧线制成。通过使线成为螺旋，产生蜗杆弹簧，它也可以产生张紧力。夹持式锁的夹持元件4必须润滑良好。因而，在根据图1至图9的实施例中，由于第二输入轴2和输出轴3之间的相对运动以及离心力和/或重力，夹持元件4可能保持粘附到释放位置并且不滚动或滑动或被转换到锁定位置中。通过根据图10的第二实施例的扭矩传递装置的张紧元件16，在从释放位置转换到解锁位置期间，夹持元件4被支承，使得所有夹持元件被可靠且快速地带入锁定位置中。
48.具有支承表面18的突出部20从夹持元件4的基体19突出约1mm至10mm，较佳地2mm至5mm，使得张紧元件16能够很好地搁置在其上并且不需要夹持式锁中为突出部20留出太大的安装空间。支承表面18从夹持元件4的周缘的一侧径向近似笔直地延伸到周缘的另一侧。较佳地，支承表面18在此大致延伸穿过中心点，其横截面垂直于夹持元件4的纵向轴线延伸。由此，通过支承表面18，能够较佳地在夹持元件4处产生大的扭矩。支承表面18在夹持元件4的外周缘附近具有曲率21。通过该曲率21，与其中将夹持元件16搁置在锐利边缘的情况相比，张紧元件16在它搁置在支承表面18上时被更小地机械加载。
49.图10中所示的夹持元件16产生朝向共用轴线8引导的张紧力。在该布置中，张紧元
件16应该搁置在靠近轴线的夹持元件4的区域上。靠近轴线的区域是夹持元件4的如下区域，在图1中观察，该区域更靠近三个轴1、2和3的共用轴线8。突出部20因此形成靠近轴线的区域。
50.也能够通过张紧元件向外部产生远离共用轴线8的张紧力。在这种未示出的布置中，张紧元件应该搁置抵靠夹持元件的远离轴线的区域。
51.如图12所示，夹持元件4包括具有圆形横截面和两个凸起17的基体。凸起17像两个凸轮那样扩大了夹持元件4的周缘，由此改进了第二输入轴2和输出轴3之间的动力传递和夹持元件4的定位或取向。
52.附图标记列表
[0053]1ꢀꢀꢀꢀ
第一输入轴
[0054]2ꢀꢀꢀꢀ
第二输入轴
[0055]3ꢀꢀꢀꢀ
输出轴
[0056]4ꢀꢀꢀꢀ
夹持元件
[0057]5ꢀꢀꢀꢀ
解锁元件
[0058]6ꢀꢀꢀꢀ
链圈
[0059]7ꢀꢀꢀꢀ
链圈支承件
[0060]8ꢀꢀꢀꢀ
轴线
[0061]9ꢀꢀꢀꢀ
第一凹部
[0062]
10
ꢀꢀꢀ
第二凹部
[0063]
11
ꢀꢀꢀ
第一夹持表面
[0064]
12
ꢀꢀꢀ
第二夹持表面
[0065]
13
ꢀꢀꢀ
小齿轮
[0066]
14
ꢀꢀꢀ
周向间隙
[0067]
15
ꢀꢀꢀ
驱动旋转方向
[0068]
16
ꢀꢀꢀ
张紧元件
[0069]
17
ꢀꢀꢀ
凸起
[0070]
18
ꢀꢀꢀ
支承表面
[0071]
19
ꢀꢀꢀ
基体
[0072]
20
ꢀꢀꢀ
突出部
[0073]
21
ꢀꢀꢀ
曲率