CN1265072A - 用于靠肌肉力量驱动的带辅助电动机的车用复合驱动装置 - Google Patents

Abstract

一种轮驱动车辆用的复合驱动装置具有作为第一驱动源的电动机和作为第二驱动源的踏板驱动装置,其中所述电动机带有转子(9)和定子(8),具有第一转速和第一扭矩,所述踏板驱动装置具有第二转速和第二扭矩。电动机的定子(8)可转动地布置在踏板曲柄和驱动轮之间的传动系的车轴或轴(1)上,最好布置在轮轴上。定子可与第二驱动源机构联接,电动机转子(9)的转速与第一驱动装置的第一转速和第二驱动装置的第二车速的和相对应。

Description

用于靠肌肉力量驱动的 带辅助电动机的车用复合驱动装置

本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的复合驱动装置。

很久以来，由驾驶员驱动的车辆，例如自行车、三轮车和轮椅用的电辅助驱动装置是已知的。

所有这些已知车辆都是通过辅助电动机驱动的，其中辅助电动机与驾驶员的肌肉力量并联驱动一个或多个被驱动的车轮。即，最终两个驱动源并联起作用作为驱动装置，这样它们的驱动力矩就加在一起。

从而两个驱动源，即电动机和肌肉力量作用于同一个驱动轮。因此两个驱动源根据转速联接。

提高一个驱动源的转速不一定能明显提高行驶速度。与此相反，这样会减轻另一个驱动源的负荷，直到其功率输出最后下降到零为止。

通过利用自由轮机构、脱离离合器或类似物可表面上对这种情况进行补救。

由此通过使用肌肉力量可以使带有电辅助驱动装置的自行车以高于由电动机最高转速限制的速度的速度行驶，此时电动机不会起制动作用。但是，由于自由轮机构或脱离离合器的特性，此时电动机不再为前进运动提供任何驱动功率。

因此，增加驾驶员力量的投入不会明显提高行驶速度，而是仅仅减轻了电动机的负荷。对于喜爱运动的驾驶员来讲，这通常会留下不满意的感觉，因此他们习惯于即使在非机动化的车辆上也可通过增加肌肉力量的使用来提高行驶速度。

频繁换档对于大多数骑自行车的人来讲是不舒服的，降低了驾驶舒适性。这种情况不能通过已知的换档方法，无论是链式换档装置还是轮毂变速器满意地解决。

而且在已知的电动自行车中，两个驱动源，即电驱动装置和肌肉力量以相同的转速驱动。即，例如，提高电驱动装置的转速(为了提高行驶速度)必须结合提高肌肉力量驱动装置的转速。如果自行车带有辅助电驱动装置，这就意味着提高驾驶员的踩踏板频率。但是，一般的骑车人只在非常窄的踩踏板频率范围内才会感到舒服。通常该范围位于50到60转每分钟之间。当然可通过已知的自行车变速装置(链式换档装置，轮毂变速器)使之处于给定的范围内。但是这意味着骑车人必须不断地操纵自行车变速装置。

本发明的目的在于，通过设计一种带辅助电动机的运动自行车尽可能地消除上述缺点，该自行车在每种驱动情况下都能把每次附加使用的骑车人的肌肉力量转换成提高行驶速度，由此可获得一种非常运动的骑车感觉。此外尽可能地减少骑车人对链式换档装置或轮毂变速器的手动操纵。在同一踩踏板频率下，可以任意速度行驶。

两个驱动源可完全相互独立地以任意转速进行驱动。

根据本发明，上述目的是通过具有权利要求1特征的复合驱动装置实现的。其中有利的是使用直接驱动单个/多个被驱动车轮的电动机，即所谓的轮毂电动机。

在根据本发明的布置中，两个驱动源，电动机和肌肉力量，可分别以完全不同的任意转速进行驱动。电动机可例如以非常高的转速进行驱动，而肌肉力量则以非常低转速共同驱动(在轻松地踩踏板时快速行驶)，或者完全反过来(在消耗少量电流时快速、运动地行驶)。两个驱动源的功率总是完全转换成前进运动能量和提高行驶速度。因为两个驱动源的转速是加起来的，或者说叠加的，所以每次提高两个驱动源之一的转速都会导致行驶速度的提高。

因此在带有辅助电动机的自行车中，每次提高骑车人踩踏板的功率都会提高行驶速度。即通过根据本发明的自行车喜爱运动的骑车人可以任意快的速度行驶。对于他不存在由电动机最高转速设定的约束范围。

尽管骑车人踩踏板的频率保持不变，但对于根据本发明的车辆，通过根据踩踏板频率相应调整电动机的转速就可任意改变行驶速度。通过相应的电子设备可对其这样调整，即使得在很宽的不同行驶状态范围内踩踏板频率保持不变，并且省去了对自行车变速器的操纵。

通过任何一种联接装置例如爪形离合器或者从轮毂变速器已知的棘轮，肌肉驱动机构可有选择地与电动机的定子或转子接合。由此骑车人有两个完全不同的驱动方式可以利用，一种方式是用于在山区较慢速度的将扭矩加起来的并联驱动，另一种方式是用于在较平路段上快速行驶的将转速加起来的驱动。

根据本发明的驱动装置可适用于各种领域内。最好是应用在与自行车类似的车辆中。

其中最常使用的是直接驱动的无电刷直流电动机。在目前的较低转速情况下，使用这种电动机是特别有利的。同样也可考虑用电刷进行整流的直接驱动的电动机。在这种情况下，有利的是调整电子装置安装在轮毂外部，或者至少安装在轮毂内部的位置固定的零部件上。由此只需安装两个用于传输正负极的接触环。

在多轮的、通过肌肉力量和电动机驱动的复合车辆上，根据本发明的驱动装置可安装作为从踏板曲柄到后轮的传动系中的中间轴。通过这种布置方式，可使用扭矩强度较小的电动机，如传统的机械整流的直流电动机，其中定子-通常构造成壳体-通过肌肉力量驱动。在驱动装置上，由肌肉力量和电驱动装置产生的驱动转速会下降并可通过链条或者齿带变速器传递到被驱动轮上。

在带有辅助电驱动装置的自行车上，整个驱动单元最好安装在后轮上。其中有利的是电动机的定子以及由肌肉力量驱动的齿圈可转动地支承在中心轴上。电动机的转子构造成包围定子的轮毂壳体，其通过在商业上可得到的辐条与轮辋相连。在构造成轮毂壳体的转子-同样可转动地支承在中心轴上-中安装有定子。有利的是-为简化单元的安装-用作转子的轮毂壳体由两部分组成。为提高行驶舒适性，肌肉力量驱动装置可有选择地与电动机的定子或转子力联接。为此可使用各种联接装置，例如爪形离合器，从轮毂变速器已知的棘轮联接器和其它装置。在所示实施例中，借助止动销使用了结构非常简单的联接装置。

构造成轮毂的转子可设计为一侧支承，或者构造成完全包围定子的零件并其在定子的两侧分别用一个轴承支承。在这种情况下，适合的是支承在通过肌肉力量驱动的轴上的轴承构造为自由轮机构。

从后附权利要求中可获知这些和其它的有利实施形式。

在附图中表示了本发明主题的两个实施例，并借助随后的描述进行了说明。其中：

图1为通过自行车驱动轮毂的垂直轴向剖面；

图2为通过轮椅轮子驱动轮毂的轴向垂直剖面。

图1的实施例表示了根据本发明的驱动装置在自行车上的一种可能布置方式，其使用了无电刷直流电动机和设计为轮毂的转子的单侧轴承装置。

在所述实施例中，电动机的转子9设计为包围定子的车轮轮毂，其中转子9被以第一转速相对定子8驱动。电动机的定子8可转动地支承，并借助下面描述的机构通过踏板驱动装置的齿圈23以任意第二转速驱动。在转子9上，即在车轮的轮毂上产生的转速相应于第一和第二转速之和。

套管2借助球轴承3和4可转动地支承在中心空心轴1上，其与踏板驱动机构的齿圈23力联接。一法兰形零件5插在套管2的一端，其通过齿形物与套管2形状联接，但可轴向移动。法兰7通过球轴承和自由轮机构6可转动地支承在法兰形零件5上。通过带有附属鲍登线12的杠杆28以及图中未示出的复位弹簧，法兰7通过其中设置的孔可有选择地与备有螺栓10的定子8或者备有螺栓11的转子9接合。通过这种方式，踏板驱动装置可有选择地与定子或设计为力联接作为轮毂壳体的转子9连接。由此可有选择地实现踏板驱动装置和电驱动装置的转速叠加或者踏板驱动装置和电驱动装置的扭矩叠加。可通过任意的联接装置将肌肉力量的力有选择地传递到电动机的定子或转子上。

定子8通过球轴承13和自由轮机构14可转动地支承在中心轴1上。当定子没有被一起驱动，或者踏板驱动装置与转子联接时，自由轮机构14可阻止定子反转。

定子上安装有定子片15以及绕组，绕组通过相应的装置，在所示情况下是通过集电环16以及碳刷17供电。用于检测转子位置的信号是通过集电环18和电刷20或类似装置传递的。

通过传感器装置19检测到的关于定子相对转子的相对位置和相对运动的数据提供给电子控制器，电子控制器可安装在驱动机构的内部或外部。

在所示实施例中，转子9设计为包围定子8的自行车轮毂壳体，其借助球轴承21和22单侧支承在与肌肉力量驱动装置相对的一侧上。设计为壳体的转子同样也可构造成完全包围定子的构件，并且在定子的两侧通过位于踏板驱动装置齿圈23附近的轴承装置支承，其中所述轴承装置支承在套管2上，同时设计为自由轮机构。

这样对于扭矩叠加的行驶情况，即当踏板驱动装置直接与轮毂(转子)力联接时，只需将踏板驱动装置与定子8脱开。通过所述设计为自由轮机构的轴承装置就可将踏板驱动装置的力矩传递到转子上，而自由轮机构14吸收定子的反作用力矩将阻止其反转。

根据本发明的驱动装置还可有效地用作轮椅的辅助驱动装置。目前轮椅主要使用的是纯电驱动装置，其通过手动操纵调整。这种驱动装置对于不再能通过自己的力量驱动轮椅的残疾人是很大的帮助。但由此他们失去了所有的日常身体锻炼，而日常身体锻炼是非常能促进身体健康的。

带有轮胎形驱动扶手的完全通过肌肉力量驱动的轮椅是一种非常适合的简单的解决方案，但却对残疾人造成过度的体力负担。

根据身体锻炼对残疾人特别重要这一经验研制了这样的轮椅，其通过扶手上的传感器检测驾驶员施加的力，将通过安装在轮毂中的电动机将其放大。其对驱动轮椅的作用与助力转向类似。

但由此还有一个问题尚未解决，即通过驱动扶手难以实现比步行速度快的行进。

通过根据本发明的驱动装置可以全新的方式解决这个问题。最好在两个车轮的轮毂中安装直接驱动的电动机，其可转动支承的定子可通过作用在轮胎形扶手上的肌肉力量驱动。这样，通过电动机产生的第一转速和由骑车人通过扶手传递到定子上的第二转速就会叠加起来。转子通过辐条或直接与轮辋连接，其上面产生的第三转速相应于第一和第二转速之和。尽管在扶手上只以与步行速度差不多的转速驱动，但在轮辋上可不费力地获得高的驱动转速。上坡时车轮上需要较大的力矩，为此设有与转子，即轮辋操作连接的第二轮胎形扶手。如果在该扶手上驱动，则不会产生转速叠加，相反地，扶手驱动装置和电驱动装置的扭矩叠加起来。

这样，轮椅可备有驱动装置，该驱动装置根据骑车人的需要或希望交替地放大作用在扶手上的力-用于上坡时或曲折绕行时-或者使作用在扶手上的转速加倍。为从一种驱动方式转换到另一种驱动方式，只要在一个或另一个扶手上进行驱动。为此适宜的是每个车轮使用两个相互靠近的扶手或者两个不同直径的扶手。同样也可考虑每个车轮使用一个扶手，扶手通过适当的联接装置与电机的定子或转子操作连接。

一种驱动装置的优选实施例是这样获得的，即将电动机的转子和定子支承在一个中心轴上。有利的是转子和定子分别构造成盘形零件，其中转子包围定子并构造成车轮的轮毂。根据车轮和转子的直径，轮毂形转子可分别通过辐条与轮辋连接或者过渡到轮辋。每个车轮带有两个扶手的实施方案被证明是技术上非常简单的并且在转换两种驱动方式时非常易于操作的解决方案。当在与轮辋(转子)直接连接的外扶手上驱动时，为接收定子上的反作用力矩，设有在反向上锁止的自由轮机构。把调整电子装置安装在定子上使得仅通过一个用于传输正极的集电环就可实现电能传输，而负极是通过车架传输的。为检测在与定子连接的扶手上施加的功率，一个用于检测定子和固定轴之间的相对转速的传感器就足够了。

图2中的实施例表示的是驱动装置在轮椅轮毂中的一种可能的布置方式。在所示实施例中，使用了两个扶手40和50，其中一个扶手40与定子20力联接，另一个扶手50与轮椅的轮辋(电动机的转子)力联接。

定子20和转子30都是通过球轴承70和80或者90和100可转动地支承在中心轴101上。对于定子的一个轴承最好使用自由轮机构80，当仅在外扶手50上驱动时，该自由轮机构阻止定子的反转。

在所示实施例中，设计为壳体的转子30通过辐条170与轮辋60连接。在其内侧布置有磁体180。该磁体与安装在定子30上的定子片190和定子绕组200一起构成产生第一转速的电动机。

在与电动机定子20连接的里面的第二扶手40上用手以第二转速驱动。该转速通过传感器140检测到，并通过调整电子装置在其上添加相匹配的电动机的第一转速。在电动机的转子30，即在车轮的轮辋上产生的第三转速相应于第一和第二转速之和。

在与轮辋相连的外面扶手50上以相应于电动机转速的第一转速驱动。在这种驱动状态下，施加在扶手50上的扭矩通过电机放大。为接收此时在定子上产生的反作用力矩-定子在这种驱动状态下处于静止，设有反向锁止自由轮机构80。为检测施加在外面扶手上的功率，设有传感器250。

在所示实施例中，调整电子装置110安装在定子上。其通过碳刷120以及集电环130供电。负极通过车架传导。

为接收碳刷120或者集电环130以及传感器140，分别设有法兰形零件210和220。

为检测在扶手40上施加的功率，只需通过传感器140检测定子相对中心轴的转速。通过传感器150检测转子相对定子的相对转速以各自的转子位置。

对于非常实用的轮椅，只通过由传感器检测到的转子转速对轮椅进行调整已经是足够的了。

当在外面扶手50上驱动时，驱动扭矩可通过电动机放大。为此在外面扶手上设有另一个传感器250，该传感器检测骑车人在外面扶手上施加的功率。特别是在上坡时，由此可通过电动机将在外面扶手上施加的扭矩放大。但是，为此还需要将传感器250的信号传递到与定子一起转动的电子控制装置。在所示实施例中，这是通过电刷230以及集电环240实现的。

Claims (12)

1.用于轮式驱动车辆的复合驱动装置，该车辆带有作为具有第一转速和第一扭矩的第一驱动源的电动机和具有第二转速和第二扭矩的第二驱动源，其中所述电动机具有转子和定子，其特征在于，电动机的定子可转动地支承在踏板曲柄和驱动轮之间的传动系的车轴或轴上，最好是布置在轮轴上并与可第二驱动源机械联接，使得能够通过第二驱动源驱动定子，电动机转子的转速相应于第一驱动装置的第一转速和第二驱动装置和第二转速之和。

2.根据权利要求1中所述的复合驱动装置，其特征在于，第二驱动源可交替地或者与定子或者与转子联接，使得两个驱动装置的扭矩或者转速加起来。

3.根据权利要求1中所述的复合驱动装置，其特征在于，第二驱动源是肌肉力量驱动装置。

4.根据权利要求1中所述的复合驱动装置，其特征在于，电动机是外转子电动机。

5.根据权利要求4中所述的复合驱动装置，其特征在于，定子可转动地布置在被驱动车轮的车轴上，并且转子是轮毂的一部分。

6.根据权利要求1中所述的复合驱动装置，其特征在于，电动机是电整流电动机。

7.根据权利要求1至6之一所述的复合驱动装置，其特征在于，在第一驱动源的定子和第二驱动源之间引入一自由轮机构。

8.根据权利要求1至7中的一个或几个所述的复合驱动装置，其特征在于，在通过肌肉力量驱动的轴和以第一转速驱动的电动机转子之间引入一自由轮机构。

9.根据权利要求1至8中的一个或几个所述的复合驱动装置，其特征在于，车辆是自行车。

10.根据权利要求1至8中的一个或几个所述的复合驱动装置，其特征在于，车辆是轮椅，并且在两个被驱动的车轮中分别安装一个复合驱动装置。

11.根据权利要求2中所述的复合驱动装置，其特征在于，在车轴上支承有一套管(2)，肌肉驱动的驱动装置的齿圈布置在该套管上，其中套筒由可在套管上轴向移动的第一法兰(5)形状固定，在该可移动0 的第一法兰(5)上通过自由轮机构(6)借助中间轴承装置可这样移动第二法兰(7)，即使得该第二法兰通过形状锁合装置(10，11)可交替地与电动机的定子或者转子接合。

12.根据权利要求1中所述的复合驱动装置，其特征在于，在定子和转子上布置有传感器，传感器检测两个电动机零件的相互相对运动，如此检测到的信号传递给调整装置，通过该调整装置可调整电动机。

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