具有集成发电机的用于自行车的踏板的制作方法

具有集成发电机的用于自行车的踏板
1.相关申请的交叉引用
2.本专利申请要求2020年10月8日提交的意大利专利申请第102020000019885号的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明涉及一种用于自行车的踏板，其设置有被设计为测量骑车人在踏板上施加的力/能量的电子测量系统。


背景技术：

4.用于确定和显示有利于监控骑车人在蹬车时进行的身体活动(通常是在踏板上施加的力/能量以及蹬车节奏)的一系列参数/量的电子测量系统在自行车、特别是竞赛/公路自行车中的使用是公知的。
5.电子测量系统通常包括电子测量设备，其设置在踏板上来测量上述参数并且被设计为将这些参数以数据形式发送至通常设置在自行车前部的显示设备，该显示设备接收数据并且将其展示给骑车人。
6.电子测量设备当前通过可更换或可充电的电池供电。
7.设置有可更换电池的电子测量设备通常设置有可以通过打开来触及电池的门，而充电电池要求特殊的充电连接器和充电电源设备。
8.充电电池的使用避免了重复使用新的电池对其进行置换干预，从而减少了成本、不便以及干预时间，但是具有一些局限性。特别地，充电连接器和充电电源设备对测量设备的成本具有显著影响。如果使用可更换电池，则可在外部使用的充电连接器也会是一种危险部件，因为其具有损坏和恶化的风险。另一个技术问题是充电电池在耗尽状态下会在骑车人不能对其充电时产生一定的不便，特别是在例如比赛期间或缺少充电电源设备的一些情况下。
9.为了克服上述技术缺陷，申请人提交了意大利专利申请第102018000002309号，其描述了一种设置有电子测量系统的用于自行车的踏板，该电子测量系统设置有被设计为将骑车人在蹬车时产生的机械能转换为给电子测量系统供电的电能的发电机。
10.虽然这个方案一方面具有克服了一些上述技术缺陷的优点，但另一方面发电机在踏板销外部的设置对电子测量设备的总体尺寸具有很大影响，增加了其在使用自行车时在意外接触/碰撞的情况下损坏的风险。
11.us2017/0358731a1描述了一种设置在踏板销的外表面上的压电传感器。
12.de10007841a1描述了一种用于发送表示蹬车的信号的设备，其包括设置在踏板曲柄的端部上的永磁体以及安装在踏板主体上的磁簧开关。
13.us2016/052584a1描述了使用压电设备来产生电力。


技术实现要素：

14.本发明的目的因此在于提供一种用于自行车的踏板，其除了保持上述方案的技术优点之外还能够克服上文强调的技术问题并且减少损坏电子测量系统的风险。
15.该目的通过本发明实现的原因在于其涉及一种根据所附权利要求中的限定提供的用于自行车的踏板。
附图说明
16.现在将参考示出了本发明的非限制性实施方式的附图来描述本发明，其中：
17.图1示意性示出了配备有根据本发明的教导提供的用于自行车的踏板的自行车；
18.图2是图1所示的踏板的放大比例的立体图；
19.图3是图2所示的踏板的i-i纵剖面；
20.图4是包括图1和2所示的踏板的处理电路和发电机的踏板销的分解图，其中具有部分剖视的部件并且为了清楚而移除了一些部件；
21.图5示出了根据第一实施方式的踏板的纵剖面的一部分；
22.图6是在图5所示的踏板中使用的连接设备的分解图；
23.图7示出了第二实施方式的踏板的纵剖面的一部分；
24.图8是在图7所示的踏板中使用的连接设备的分解图；
25.图9是根据第三实施方式的踏板的纵剖面。
具体实施方式
26.现在将参考附图来详细描述本发明，以允许技术人员对其进行实施和使用。
27.所述实施方式的多种修改对于本领域技术人员将是显而易见的，并且所述的一般原则可适用于其他的实施方式和应用，而不会脱离所附权利要求中限定的本发明的保护范围。因此，本发明不应被认为是受限于此处描述和示出的实施方式，相反，它们必须给出与此处描述和要求保护的原理和特征相符的最宽保护范围。
28.本发明实质上基于在踏板销的内部腔室中或在与内部腔室耦合的外部延伸体中安装发电机的概念，该发电机将骑车人在蹬车期间在踏板上产生和传递的机械能转换为给电子测量系统供电的电能。
29.将在下面详细描述的是，通过这个方案获得的一个技术效果是，一方面消除了充电电池、连接器和/或用于对它们充电的设备的使用，另一方面方便地将踏板销或其延伸体用作还用于容纳发电机的容器，从而将电子测量系统完全集成在踏板销或延伸体内。
30.参考图1和2，附图标记1整体上表示内部设置有电子测量系统的用于自行车的踏板，该电子测量系统被设计为测量表示骑车人的踏板行程的电量。
31.踏板1包括踏板销2，其由金属材料制成、沿着纵向参考轴线a延伸并且被构造为耦合至自行车4的踏板曲柄3。
32.参考图2和3，踏板销2可具有第一端部2a，其优选是带螺纹的并且耦合至自行车4的对应的踏板曲柄3。踏板销2可优选具有细长圆柱形状并且可以悬臂方式沿着纵向轴线a从踏板曲柄3突出，优选基本上与踏板曲柄3正交。踏板销2还具有在轴向上与端部2a相对的第二端部2b。
33.根据图1-3所示的例子，踏板销2可包括与轴线a同轴的环形冠部或凸缘2c，其基本上位于端部2a的螺纹部分的内环形边缘处，并且被设计为在踏板1连接至所述踏板曲柄3时被设置为抵靠踏板曲柄3(图2)。参考图1-3所示的优选实施方式，踏板销2可包括单一的部分，即，单一的整体的管状主体。
34.踏板1还包括踏板主体5，其以可自由旋转的方式耦合至踏板销2，因此能够相对于踏板销2围绕纵向轴线a旋转。在图3所示的例子中，踏板主体5包括管状主体，即，轴套6，其在内部具有开口或孔，优选是沿着纵向轴线a延伸的具有圆形横截面的贯通的开口或孔。
35.如图3中的例子所示，轴套6可以通过衬套21或轴承以可自由旋转的方式被方便地耦合在踏板销2上，使其可以围绕纵向轴线a自由旋转。根据图3所示的例子，衬套21或轴承基本上在中间位置处、基本上在第二端部2b附近被固定在踏板销2上。
36.在图2和3所示的例子中，踏板主体5还包括脚踏部分7，其牢固地/刚性地连接至轴套6以优选与其形成为单件或整体的主体，并且被构造为形成用于骑车人脚部的支撑体。例如，脚踏部分7可包括在基本上与纵向轴线a平行的平台上延伸的基本上板状的构造，在使用中骑车人的脚部放置在该平台上。应理解，脚踏部分7的形状/结构可以与上述的和/或附图中所示的板状不同。还应理解，脚踏部分7可优选被成形/构造为通过通常在竞赛或山地自行车上使用的已知类型的凹口/钉(或楔子)连接/钩挂至骑车人的鞋。
37.踏板1还包括电子测量设备或系统，其被设计为测量骑车人在蹬车期间在踏板1上施加的机械力/能量。电子测量系统设置有多个应变计8(仅在图3中示意性示出)，它们通过电迹线彼此连接以形成一个或多个测量电路、优选桥接电路，并且被设计为提供表示踏板销2的变形的电测量信号。
38.电子测量系统还包括与应变计8电连接的电子处理电路9。电子处理电路9被构造为基于电测量信号来确定骑车人在蹬车期间在踏板1上、因此在踏板销2上施加的力导致的踏板销2的变形。
39.应理解，电子电路9可优选被构造为基于所确定的变形来确定骑车人在蹬车期间在踏板1上、因此在踏板销2上施加的力/能量，并且以数据形式将该变形和/或能量/力发送给骑车人的显示设备、优选为安装在自行车4上的计算机和/或便携式通信设备(智能电话等等)。
40.电子测量系统还包括发电机40，其被设计为向电子测量系统提供其操作所需的电力。
41.如图3所示，内部开口或腔室11形成在踏板销2上/中，其沿着轴线a、优选与其同轴地延伸，并且包括具有与轴线a正交的优选基本上圆形的横截面的内表面12。
42.在图3所示的例子中，内部腔室11在踏板销2中延伸通过踏板销2在其相对两端之间的轴向长度，从而形成轴向通孔。应理解，本发明并非局限于以图1所示的方式形成、即由通孔形成的内部腔室11，而是可以替代地提供其他的方案。例如，根据替代上文描述和示出的优选实施方式的一个实施方式(未示出)，内部腔室11可由沿着轴线a从踏板销2的两个轴向端部2a、2b中的一个开始延伸跨过比踏板销2更小的长度的盲孔形成。
43.参考图3，发电机40被耦合在内部腔室11中并且被构造为将踏板1相对于踏板曲柄3的旋转运动转换为电力。优选地，发电机40设置在内部腔室11中。优选地，发电机40设置在内部腔室11的内部、优选位于踏板销2的轴向端部处。例如，发电机40可方便地在内部腔室
11内被设置为在踏板销2的端部2b处邻近衬套21。
44.根据图3所示的优选实施方式，发电机40包括在内部腔室11内被设置为围绕参考轴线a旋转的磁转子41。
45.发电机40还包括将磁转子41机械地连接至踏板主体5的连接设备42，使得踏板主体5围绕参考轴线a的旋转引起磁转子41围绕所述参考轴线a旋转。
46.发电机40还包括电定子43，其设置在内部腔室11内并且被设计为基于磁转子41在内部腔室11中围绕参考轴线a的旋转来产生电力。电定子43和磁转子41可在内部腔室11中彼此并排设置、优选与轴线a同轴。
47.根据图3所示的优选实施方式，电定子43具有基本上圆柱形的形状并且尺寸被设置为在保持与轴线a同轴的情况下设置在内部腔室11中。在所示的例子中，电定子43牢固地固定至内部腔室11的内表面12，从而与踏板销2成角度地集成在一起。
48.根据图3所示的优选实施方式，定子43沿着轴线a至少部分地在磁转子41的外部延伸，从而将其容纳在其中。换句话说，定子43被构造为沿着轴线a延伸并且其一部分将磁转子41至少部分地容纳在其中。
49.在所示的例子中，定子43由圆柱形管状笼形结构形成。磁转子41具有圆柱形形状并且在轴向上接合在定子43的圆柱形管状半部中。电定子43例如可包括设置有铁磁体和与铁磁体耦合的电绕组的一系列的线圈15。根据一个示例性实施方式，磁转子41可包括设置在踏板销2中的基本上环形或基本上半环形的多极永磁体。
50.电定子43可包括中心绕组，其优选是嵌在内部腔室11内的金属笼并且设置有一系列的金属叶片，这些叶片沿着中心绕组的圆周交替地包围中心绕组并且随后围绕转子41侧向地延伸。通过内部腔室11中的多极永磁体进行的磁转子41的旋转引起金属笼和定子43的中心绕组上的磁场变化，从而产生电力。
51.申请人发现特别方便的发电机是适当地被设计为使转子在轴向上定位在定子旁边的爪极发电机。
52.应理解，发电机40的结构可以与上述的不同。
53.根据图3所示的优选实施方式，磁转子41可被空转地安装在轴杆44上。优选地，轴杆44可与轴线a同轴地伸入到内部腔室11中并且至少部分地定位在电定子43内。优选地，轴杆44牢固地连接至电定子43的内壁。优选地，轴杆44以悬臂方式从电定子的内壁突出，以沿着轴线a延伸并且使与电定子43相对的端部基本上设置在踏板销2的端部2b处的内部腔室11的开口处。
54.根据图3所示的优选实施方式，被设计为围绕轴线a与踏板主体5一起旋转的盖45以成角度集成的方式耦合至踏板主体5的设置在踏板销2的端部2b附近的端部。
55.根据图3所示的实施方式，盖45可以是圆柱形的和圆盘形的并且具有拧紧在形成在踏板主体5内部的圆形螺纹部上的外螺纹部，从而与其成角度地集成在一起。
56.在所示的例子中，连接设备42可包括盖45和将盖45磁性地连接至转子41的磁耦合设备46，使得踏板主体5的旋转通过盖45传递给转子41。在所示的例子中，磁耦合设备46包括至少一个磁体48，其设置在盖45上/中并且被设计为在转子41上施加磁引力，以在盖45旋转期间拖拽其进行旋转。
57.应理解，根据本发明的磁耦合设备46并非局限于提供位于盖45上/中的磁体48，而
是可以提供其他的替代实施方式，例如具有铁磁材料的盖45和安装在转子41中的磁体48的构造，或者使用具有彼此相反的磁极的两个磁性元件48。例如，两个磁性元件48可分别安装在盖45和电转子41中。两个磁性元件48可包括具有相反的磁极的相应的磁体。在使用中，两个磁性元件彼此吸引，导致磁转子41成角度地连接至盖45。
58.还应理解，本发明并非局限于包括磁耦合系统46的连接设备42，而是可以提供其他的实施方式。例如，根据另一个不同的替代实施方式(未示出)，连接设备42可包括设置有例如由橡胶材料制成的两个盘的摩擦耦合机构，这两个盘分别连接至转子41和盖45并且被设置为它们的面部彼此相邻且抵接。
59.还应理解，本发明并非局限于使用“电磁”类型的发电机，而是可以替代地提供其中一个以下发电机的使用：压电发电机或者摩擦发电机或者磁致伸缩发电机或者开关磁阻发电机。压电发电机或者摩擦发电机或者磁致伸缩发电机或者开关磁阻发电机设置在内部腔室11中。
60.参考图3，应变计8牢固地耦合至踏板销2。优选地，应变计8被牢固地耦合在踏板销2的内部腔室11中。优选地，应变计8牢固地固定至踏板销2的内部腔室11的内壁或表面12。方便地，应变计8可具有十分柔性的薄层状结构。应变计8可包括至少一个高柔性的薄膜、电绝缘材料(弹簧)以及牢固地设置在膜上/中的一个或多个应变计测量网格。膜可优选具有四边形形状，例如长方形或正方形形状，并且通过基于粘合材料的固定层被牢固地固定至内部腔室11的内表面12。根据图3所示的优选实施方式，应变计8位于踏板销2的内表面12上，从而方便地基本上设置在衬套21与凸缘2c之间。
61.应理解，根据本发明的一个变型，应变计8可通过使用设置在内部腔室11中的支架或插入件(未示出)耦合至踏板销2。在这种情况下，应变计8可牢固地固定至被至少部分地设置/接合在内部腔室11内的支架或插入件。
62.根据图3所示的优选实施方式，电子电路9被方便地设置在内部腔室11内。在所示的例子中，电子电路9在内部腔室11内被设置为使得其被固定至内表面12的应变计8环绕并且在轴向上基本上与发电机11并排设置。电子电路9例如可包括四边形印刷电路板(pcb)。
63.根据一个优选实施方式，电子电路9还通过电连接导线或电路电连接至发电机40和应变计8。
64.电子测量系统还可包括能量储存设备53和电压调节电路(未示出)。电压调节电路可电连接至：电定子43，以从其中接收产生的电力；以及能量储存设备53，以给其提供优选根据预定值改变/调节的电力。能量储存设备53例如可包括锂离子充电微缓冲电池(小型电池)，或者电容或超级电容，或者任何类似的充电微型电池。能量储存设备53可被构造为在电定子43不产生电力的非蹬车间隔中给电子电路9供电。
65.根据图3所示的优选实施方式，踏板1还优选包括机械夹紧构件29，其被构造为在轴向上将踏板主体5的轴套6夹紧在踏板销2上，以防止踏板主体5沿着纵向参考轴线a从踏板销2上滑脱。
66.根据图3所示的示例性实施方式，与轴线a同轴的环形承座30形成在踏板销2上。环形承座30在内部具有圆柱形底壁和在踏板销2上限定了两个环形肩部的两个侧壁。根据图3所示的实施方式，环形承座30和对应的环形肩部在端部2b附近形成在踏板销2的边缘上。在图3和4所示的例子中，机械夹紧构件29还包括两个不同的且独立的半环形体31和32，它们
具有半圆形节段形式的横截面，优选基本上彼此互补且与环形承座30互补。两个半环形体31和32在环形承座30中被设置为使得它们可以在其中相对于踏板销2围绕轴线a自由旋转。两个半环形体31和32被构造为优选抵靠环形承座30的环形肩部，从而保持在轴向上被夹紧并且不能相对于踏板销2沿着纵向轴线a移动。两个半环形体31和32在径向上从承座30突出并且被设置为抵靠轴套6的内环形肩部，该内环形肩部继而介于承座30与衬套21的轴向端部之间。
67.根据图3所示的优选实施方式，封口盖45可以是外部带螺纹的杯状体的形式，其被拧紧在轴套6的内螺纹边缘上并且被设置为抵靠半环形体31和32的突出部。封口盖45在轴向上保持轴套6，从而锁定其轴向运动。
68.根据图3所示的优选实施方式，内部腔室11的形成在踏板销2的端部2a处的开口可以继而通过接合在其中的盖50封闭。
69.踏板1的操作从以上说明中变得清楚。转子41被踏板主体5驱动在内部腔室11中旋转并引起定子43的绕组中的磁通变化，这因此产生了电力供应。磁转子41和电定子43形成了被方便地安装在内部腔室11内的微型交流发电机(发电机)，其中定子和转子部件都被容纳在踏板销2的内部腔室11中。
70.上述的踏板的优点是消除了传统电池的使用和/或更换或充电的需求。因此，电测量系统在能源方面是完全自主的。消除充电电池还由于完全消除了充电系统及其部件(例如踏板上的连接器)而简化了测量系统。
71.此外，由于计量仪所需的电力总数为几毫瓦，因此能够使用尺寸和成本适中的发电机。另外，系统的可靠性和使用寿命特别高，因为踏板的转数是有限的，通常约为60rpm与120rpm之间。
72.最后，显然可以在不脱离本发明的范围的情况下对上文描述和示出的踏板做出修改和变型。
73.图5所示的实施方式涉及踏板60(仅以剖面部分地示出)，其类似于踏板1，并且在可能的情况下其组成部分将标有与表示踏板1的对应部分的附图标记相同的附图标记。
74.图5所示的踏板60与踏板1的不同之处在于连接设备42可包括速度倍增机构61。如图5和6所示，速度倍增机构61可包括行星齿轮机构，其被构造为使得踏板主体5与磁转子41之间的传动比倍增。申请人发现速度倍增机构61允许增大转子41的转数、因此允许增大发电机40提供的电力。
75.在图5和6所示的例子中，速度倍增机构61包括：形成在圆柱形部分67内的冠状齿轮62，其被牢固地固定至盖45的内表面从而突出，并且被接合在内部腔室11中；中心嵌齿轮63，其通过轴杆64与转子41成角度地集成在一起；以及嵌齿轮65，其介于冠状齿轮62与中心嵌齿轮63之间。在所示的例子中，轴杆64平行于轴线a延伸并且以可自由旋转的方式接合在形成在盘状支撑元件66中的通孔中，该盘状支撑元件66又在内部腔室11中设置在圆柱形部分67与转子41之间。
76.图7所示的实施方式涉及踏板70，其类似于踏板60(在图5和6中示出)，并且在可能的情况下其组成部分将标有与表示踏板1的对应部分的附图标记相同的附图标记。
77.图7和8所示的踏板70与踏板60的不同之处在于圆柱形部分67与盖45分离并且通过磁耦合系统69与其连接，磁耦合系统69设置有分别设置在盖45和圆柱形部分67上的两个
磁性元件48。圆柱形部分67空转地安装在内部腔室11中，使得其可以围绕轴线a自由旋转。在使用中，当盖45旋转时，其通过磁耦合系统69驱动圆柱形部分67围绕轴线a进行旋转。冠状齿轮62的旋转通过速度倍增机构61的嵌齿轮63和65传递给转子41。
78.最后，图9所示的实施方式涉及踏板80，其类似于踏板1(在图1-3中示出)，并且在可能的情况下其组成部分将标有与表示踏板1的对应部分的附图标记相同的附图标记。
79.图9所示的踏板80与踏板1的不同之处在于发电机40通过延伸体81耦合至内部腔室11。图9所示的踏板80与踏板1的不同之处还在于夹紧设备29不是设置在踏板销2的端部2b处而是基本上设置在相对一侧上，即设置在端部2a处。应理解，这种变型并非局限于图9所示的夹紧设备29的定位，而是可以沿着轴线a提供夹紧设备29的其他位置，例如上文所述的先前的实施方式中的端部2b处。
80.根据图9所示的实施方式，延伸体81与踏板曲柄3相对地在踏板销2的端部2b处耦合至内部腔室11。延伸体81还设置在踏板主体5内。根据图9所示的实施方式，延伸体81具有圆柱形形状并且耦合至踏板销2的端部2b，从而以悬臂方式从其上突出。延伸体81在内部具有内部承座或腔室82。内部承座或腔室82容纳发电机40。内部承座或腔室82与轴线a同轴地伸入到延伸体81中并且可包括与形成在踏板销2的端部2b处的内部腔室11的开口相邻且连通的开口。特别地，延伸体81可包括具有与轴线a横切的圆形横截面的管状元件，其中内部承座或腔室82可对应于该管状元件的内部空间。
81.在图9所示的实施方式中，延伸体81构成踏板销2的一部分。换句话说，延伸体81是踏板销2的轴向延伸部。在图9所示的实施方式中，踏板销2由通过牢固且不可移除的方式彼此耦合的两个部分形成。这两个部分中的与踏板曲柄3相对的一个部分由延伸体81形成。第一部分具有与踏板曲柄3连接的端部2a(在图9的左侧示出)，而第二部分优选但非必须地牢固连接至第一部分的端部2b并且限定延伸体81。踏板销2的第二部分包括容纳发电机40的内部腔室82。发电机40设置在与踏板曲柄3相对的踏板销2的第二部分的内部承座或腔室82中。踏板销2的第二部分不是踏板曲柄3的一部分并且由与第一部分耦合的延伸体81形成。