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TW202246116A - 帶轉矩測量裝置的電動自行車驅動單元 - Google Patents

帶轉矩測量裝置的電動自行車驅動單元 Download PDF

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TW202246116A
TW202246116A TW111115073A TW111115073A TW202246116A TW 202246116 A TW202246116 A TW 202246116A TW 111115073 A TW111115073 A TW 111115073A TW 111115073 A TW111115073 A TW 111115073A TW 202246116 A TW202246116 A TW 202246116A
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torque
motor
hollow shaft
rider
drive unit
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Application number
TW111115073A
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English (en)
Inventor
亨利克 布萊特
塞巴斯汀 海納
Original Assignee
德商矢倫德國股份有限公司
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Publication date
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Abstract

本發明涉及一種用於與底部支架同軸地佈置在自行車車架的底部支架區域中的電動自行車驅動單元(D U)。所述驅動單元(D U)包括用於測量騎行者總轉矩(T R)的轉矩感測器裝置(S T)、底部支架軸(S B)、與底部支架軸(S B)同軸地佈置的電動馬達裝置(M E)、用於將馬達轉矩(T M)和騎行者轉矩(T R)傳遞到自行車傳動系上的輸出空心軸(S O)以及用於將騎行者轉矩(T R)從底部支架軸(S B)耦合到輸出空心軸(S O)上的騎行者轉矩耦合裝置(D CR)和用於將馬達轉矩(T M)耦合到輸出空心軸(S O)上的馬達轉矩耦合裝置(D CM)。 轉矩感測器裝置(S T)佈置在驅動單元的由輸出空心軸區段(S OS)限定的軸向區域(P A)中，其中軸向區域(P A)設置用於傳遞騎行者轉矩(T R)和馬達轉矩:(T M)。

Description

帶轉矩測量裝置的電動自行車驅動單元
發明領域
本發明涉及一種如請求項1的前序部分所述的電動自行車驅動單元。
發明背景
在以下描述中各處使用的位置或方向指示詞如“左”，“右”，“前”，“後”，“上”，“下”等對應於自行車上的騎行者視角。
電動輔助驅動的越野自行車越來越受歡迎。這些自行車也被稱為電動山地車或簡稱E-MTB，分為“越野型”、“林道型”、“耐力型”和“速降型”等類別，並用於運動。
在此類應用中，對電動山地車的穩健性、車架剛度和“操控性”提出了很高的要求。在電動山地車的操控性方面，自行車的重心位置尤為重要。自行車的高重心會影響轉彎性能，並增加在強烈制動減速或陡峭下坡時翻車的風險。
特別重要的是自行車重心和後輪軸之間的距離。自行車的重心在行進方向上越靠前，側翻的危險就越高，騎行者越難以抬起前輪，特別是在沒有驅動轉矩輔助的情況下。
前輪抬起是最重要的駕駛技術之一，適用於各種駕駛情況。通過這種方式，可以越過較大的障礙物和臺階，或者以高速越過減速帶。
此外，在電動山地自行車中，與沒有附加驅動裝置的山地自行車相比，後輪軸與底部支架軸之間的距離趨於增大，因為電機也佔據底部支架軸區域中的結構空間，並且因為由此在那裡為後輪輪胎提供較少的徑向自由空間。
在全懸架自行車中，由於電動附加驅動裝置，用於在底部支架的區域中的後下叉架的鏈撐之間的通常出於穩定性原因需要的橋接件的結構空間也受到影響。根據用於後輪懸架的後下叉運動情況，也可能產生與後輪懸架的佈置在底部支架的區域中的轉動關節的結構空間衝突。
此外，電動山地車，更籠統地說，還有其他具有輔助騎行者的電動附加驅動裝置的自行車型號，在市場上也稱為腳踏車，需要檢測騎行者的輸入功率以用於馬達控制。馬達的設計僅僅是為了通過適當的倍增器來支持騎行者的功率。出於法律原因以及出於安全原因，電機在沒有騎行者通過踏板施加轉矩的情況下不應起驅動作用。
對於電動山地車來說，快速準確地測量騎行者施加的轉矩是特別重要的，因為許多越野騎行情況需要快速的反應時間和良好的驅動可調性。
在市場上，通過應變儀和非接觸式磁致伸縮轉矩測量基本上已經確立了這種轉矩測量方法。為了在利用應變儀進行測量時避免滑動接觸的必要性，應變儀感測器的能量供應大多以感應方式實現，從感測器到評估電子裝置的信號傳輸同樣以無線的方式進行。
在與底部支架軸不同心地構造的中置馬達:(其目前在電動山地車市場中占主導地位)中，電機的轉矩從與底部支架軸平行的馬達軸傳遞到驅動單元的輸出空心軸上並且因此傳遞到自行車傳動系的鏈輪上。從電機到輸出空心軸的轉矩傳遞通常借助於圓柱齒輪傳動裝置或通過齒形帶實現。在這種結構中，用於轉矩測量的裝置可以以簡單的方式放置在驅動單元中，使得與當前的馬達轉矩無關地僅測量由騎行者施加的轉矩。
為此，馬達轉矩在騎行者轉矩測量的區域與鏈環連接區域之間，即相對於轉矩流在騎行者轉矩測量的下游導入到輸出空心軸中，由此騎行者轉矩測量不被馬達轉矩干擾。
在這種非同心構造的中置馬達驅動單元中不利的是，驅動單元至少在一個方向上具有垂直於馬達軸線或底部支架軸的較大的延伸部分。沿馬達軸線或底部支架軸方向的延伸部分同樣較大，這是因為通向底部支架軸的減速傳動機構或傳動機構需要佔用除馬達寬度以外的結構空間。由此產生了通常不太緊湊且通常鋸齒狀的驅動單元。因此，難以實現驅動單元在自行車車架中的最佳集成。
與底部支架軸同心佈置的中置馬達驅動單元可以更緊湊地設計並且因此更好地集成到自行車車架中。在專業領域中以名稱TQ HPR 120S以及由文獻DE202014010823U1:(以下簡稱DE'823)已知這種結構類型的驅動單元的示例。儘管設計非常緊湊，但這款中置馬達的尺寸仍然難以集成到現代電動山地車中。特別地，該驅動單元的驅動殼體的外直徑約140mm，在一定程度上會造成問題，因為該尺寸的殼體直徑在具有短鏈撐長度:(特別是470 mm及更小)的自行車車架中以及在常見的車輪尺寸:(27.5英寸或29英寸)中可能導致結構空間衝突。
為了確保後輪有足夠的徑向自由空間，理想情況下，與底部支架軸同心構造的中置馬達的外徑不應大於100 mm。中置馬達的過大的外徑也會使在懸架式自行車車架上定位靠近底部支架的樞軸點變得困難，而這對於後下叉懸架的特性是重要的。
在上述已知的同心驅動單元中，用於測量騎行者轉矩的裝置很大程度上導致了殼體直徑相對較大。該已知的同心驅動單元使用由NCTE AG提供的感測器單元，用於磁致伸縮地測量騎行者轉矩。在該感測器單元中，在專門設置用於測量的、包圍底部支架軸的扭轉測量空心軸上測量騎行者轉矩。
為此，扭轉測量空心軸在其一個軸向端部上抗轉矩地與底部支架軸連接。在其另一軸向端部上，扭轉測量空心軸相對於底托架軸自由旋轉地，然而與轉動方向相關地通過自由輪與驅動單元的輸出空心軸連接。
通過這種已知的佈置可以實現由騎行者施加到兩個踏板或曲柄臂上的轉矩與馬達轉矩和可能的彎矩隔離地測量。如開頭已經提到的那樣，馬達轉矩在該驅動單元中關於轉矩流才在轉矩測量的下游引入到驅動單元的輸出空心軸中。在這種情況下，用於轉矩測量的裝置位於馬達和傳動裝置的徑向內部。
然而，這種已知的用於測量騎行者轉矩的佈置導致驅動單元的相對大的總直徑，特別是由於測量所額外需要的扭轉測量空心軸。由於驅動單元的多個組件的由此同樣增大的直徑，其中增大的軸直徑和相應大的軸承直徑，導致驅動單元的相應顯著增大的重量。最後，從轉矩測量裝置到電子馬達控制器的線纜導引在該驅動單元中也往往是複雜的並且因此一定程度上導致問題的出現。
發明概要
基於該現有技術，本發明的目的是提供一種電動自行車驅動單元，利用該電動自行車驅動單元可以克服上述缺點。特別地，在與底部支架同心地構造的自行車中置馬達的情況下，應該能夠測量騎行者轉矩，由此可實現驅動單元的較小的徑向結構尺寸。
該目的通過具有請求項1的特徵的用於與底部支架同軸地佈置在自行車車架的底部支架區域中的電動自行車驅動單元來實現。優選的實施方式是附屬請求項的主題。
驅動單元通包括用於測量由左側的騎行者轉矩和右側的騎行者轉矩構成的騎行者總轉矩的轉矩感測器裝置、底部支承軸、與底部支承軸同軸佈置的電動馬達裝置、用於將馬達轉矩和騎行者轉矩傳遞到自行車傳動系上的輸出空心軸，以及用於將騎行者轉矩從底部支承軸耦合到輸出空心軸上的騎行者轉矩耦合裝置，和用於將馬達轉矩同樣耦合到輸出空心軸上的馬達轉矩耦合裝置。
騎行者轉矩和馬達轉矩的耦合裝置通常分別是自由輪，例如夾緊件飛輪。然而，對於特定的應用目的，也可以考慮在兩個方向上旋轉剛性的耦合裝置或切換的離合器。
根據馬達的實施方式，這種類型的驅動單元大多也包括減速傳動機構，用於將輔助的馬達轉矩傳遞到底部支架軸上，然而其中也已知用於直接驅動底部支架軸的無傳動機構的驅動單元。
根據本發明，驅動單元的特徵在於，轉矩感測器裝置佈置在驅動單元的軸向區域中，該軸向區域由輸出空心軸的區段限定並且由輸出空心軸穿過，其中，軸向區域在驅動單元的運行中不僅由總騎行者轉矩而且由總馬達轉矩穿過。
換句話說，這意味著可以借助於本發明在輸出空心軸上進行騎行者轉矩的測量。從現有技術中對於非同心的中置馬達已知的騎行者轉矩測量的這種定位至今還不適用於這種類型的、與底部支架同心地構造的驅動單元，因為馬達或傳動裝置輸出空心軸在那裡出於幾何形狀的原因原則上包圍驅動單元的輸出空心軸，至少在僅騎行者轉矩而馬達轉矩尚未作用到輸出空心軸上的區域中。因此，到目前為止，無法直接對導引待測量的騎行者轉矩的軸進行操作。
根據本發明的一種優選的實施方式，騎行者轉矩耦合裝置佈置在軸向區域中以及徑向地佈置在輸出空心軸內部。在此，轉矩感測器裝置設置用於檢測輸出空心軸區段中的輸出空心軸的直徑變化或周向應力和/或騎行者轉矩耦合裝置在輸出空心軸區段的區域中的直徑變化或周向應力。
為此，例如可以在輸出空心軸區段的區域中在輸出空心軸的外徑上佈置共同旋轉的應變儀，或者可以通過磁致伸縮或磁致彈性確定輸出空心軸的周向應力，即沿輸出空心軸的周向方向的材料應力來進行測量。對於通過輸出空心軸來確定騎行者轉矩耦合裝置的直徑變化或周向應力來代替輸出空心軸的直徑變化或周向應力的情況，輸出空心軸可以至少在輸出空心軸區段中由對於磁力線或磁場可透過的材料，例如由鋁製成，並且特別是構造為具有薄壁。
該實施方式利用如下事實：騎行者轉矩耦合裝置，尤其是當騎行者轉矩耦合裝置構造為飛輪，例如構造為夾緊滾子飛輪或更泛指夾緊件飛輪時，在通過騎行者轉矩加載時徑向彈性地擴寬，其中，該擴寬也傳輸至輸出空心軸區段，騎行者轉矩耦合裝置位於該輸出空心軸區段之內。該徑向彈性擴寬以及與之相關聯的直徑增大導致沿周向在騎行者轉矩耦合裝置中以及在輸出空心軸區段中的材料應力。
這些沿周向延伸的材料應力在輸出空心軸區段中與由馬達轉矩引起的剪切應力疊加。然而，由於物理疊加原理，在周向方向上延伸的拉應力和剪切應力不相互影響，至少不在一階或在第一近似上相互影響，而是彼此獨立。以這種方式，能夠獨立於馬達轉矩地測量輸出空心軸部段中的騎行者總轉矩。
根據本發明的另一優選的實施方式，驅動單元包括佈置在馬達裝置和馬達轉矩耦合裝置之間的馬達輸出空心軸，該傳動裝置或馬達輸出空心軸在軸向區域中與輸出空心軸區段同軸地以及徑向地佈置在輸出空心軸區段之外，並且構造成對於磁場是可透過的，其中，轉矩感測器裝置設置用於非接觸地檢測輸出空心軸區段中的騎行者總轉矩。為了盡可能精確地測量騎行者總轉矩，在此，馬達輸出空心軸在軸向區域中優選此外盡可能薄壁地構造。
因此，在該實施方式中，馬達轉矩與騎行者轉矩分開地穿過軸向區域，更確切地說借助於馬達輸出空心軸，並且通過非接觸地測量輸出空心軸區段中穿過馬達輸出空心軸的材料應力來確定騎行者轉矩。
在此，輸出空心軸區段中的材料應力的測量可以要麼通過非接觸式構造的應變儀裝置，要麼通過非接觸式磁致伸縮測量來進行。
根據另一實施方式，通過由轉矩感測器裝置在輸出空心軸區段中測量的總轉矩和馬達轉矩形成差來進行騎行者總轉矩的測量。馬達轉矩可以在馬達中單獨測量。然而，優選地，馬達轉矩基於由馬達吸收的電流強度或功率來計算，然後從測量的總轉矩中減去。
本發明原則上與馬達裝置的結構設計無關，即與電機的類型無關，以及與包含在馬達裝置中的減速傳動機構及其結構設計無關。
根據本發明的另一實施方式，馬達裝置優選包括擺線傳動裝置或應變波傳動裝置，後者也稱為諧波傳動。這種傳動裝置尤其具有以下優點：在僅一個傳動級中實現非常高的傳動比，同時具有極其緊湊的尺寸和高的轉矩負載能力。
較佳實施例之詳細說明
圖1示出了根據現有技術的具有電動附加驅動裝置的山地車。山地車具有車架1，所述車架具有彈簧式的後下叉2。山地車的傳動系3包括帶有底部支架軸S B的底部支架組件A B、鏈輪R C、後撥鏈器4、佈置在後輪軸A R上的多級小齒輪飛輪5以及傳動鏈6。
此外，山地車配備有輔助騎行者的電驅動單元D U，該電驅動單元被構造為所謂的中置馬達構，即佈置在底部支架組件A B的區域中，並且包括根據現有技術的電動馬達裝置M EA。驅動單元D U配屬有蓄能裝置S E。
用於驅動驅動單元D U的馬達裝置M E的蓄能器裝置S E佈置在自行車車架1的下管T L中。由於馬達裝置M EA以及蓄能裝置S E佈置在底部支架軸S B前方或上方，從而形成圖1所示的、驅動單元D U和蓄能裝置S E的共同的重心位置C G，顯然自行車的重心由於具有相當大的質量的該組件而相對大幅度向上和向前移動，具有在說明書引言中所述的缺點，尤其是在操控性和行駛安全性方面的缺點。
圖2以示意圖示出了裝備有根據本公開的驅動單元D U的實施方式的電動山地車的主要組件和部件。
為了簡潔明瞭，除了大多數部件的示意性示圖之外，在圖2中未示出根據圖1的傳動系3以及車輪懸架的位於自行車的縱向中間平面之前的部件。
所述馬達殼體H M以及由此也固定在所述馬達殼體H M上的蓄能裝置S E的蓄電池殼體H B在此在兩個車架介面或固定軸F M1和F M2上與車架1連接或可與之連接。蓄能裝置S E或蓄電池殼體H B借助兩個固定點或固定軸F B1和F B2與馬達殼體H M連接。
由此可省去在根據圖1的現有技術中所需的蓄能裝置S E和自行車車架1之間的附加固定介面，進而降低複雜性、重量和成本。作為圖2所示方案的備選方案，蓄能器裝置S E也可以與驅動單元D U的其他組件一起佈置在唯一的共同的殼體中。
與圖1相比，相對於非同軸地構造和佈置的驅動單元，在自行車中的同軸的驅動單元D U的質量重心C G明顯更低並且明顯更靠後，由此能夠減輕在說明書引言中所闡述的缺點，尤其是在操控性和行駛安全性方面的缺點。
此外，使用與底部支架軸S B同軸地構造的驅動單元D U:(其中，因此馬達軸S M的縱軸線與底部支架軸S B的縱軸線重合)能夠實現驅動單元D U的特別緊湊的設計，從而相對於例如根據圖1的非同軸地構造的驅動單元，能夠將底部支架區域D 1中釋放的結構空間用於其他部件，當前實施方案中尤其用於具有包含在其中的電池單體C的蓄能裝置S E以及此外用於樞轉軸承P S或後下叉擺臂A S的連接。
此外，鏈撐長度或後輪軸A R和底部支架軸S B之間的間距由於尤其在直徑方面非常緊湊的同軸驅動單元D U而有利地保持較短，並且在底部支架區域D 1中有足夠的徑向自由空間用於後輪胎。
圖3示出了從現有技術中已知的、具有通常包含傳動裝置的馬達裝置M EB的底部支架同軸驅動單元D U的示例的縱截面示意圖。在圖3中示出的尤其是用於測量騎行者轉矩T R的工作原理例如與由DE'823已知的驅動單元一致。馬達和傳動裝置在圖3中未詳細示出，而是通過點狀的面區域MEB示出，參見E'823的圖15、22、26、31和39。
可以看出，已知的驅動單元D U為了測量騎行者總轉矩T R而特別需要扭轉測量空心軸S H，騎行者總轉矩由騎行者施加到左側踏板曲柄上的轉矩T RL和騎行者施加到右側踏板曲柄上的轉矩T RR組成。為此，騎行者總轉矩T R被引導通過參考附圖在右側與底部支架軸S B固定連接的扭轉測量空心軸S H，其中，騎行者總轉矩T R例如借助於徑向佈置在扭轉測量空心軸S H外部的轉矩感測器S T無接觸地測量。隨後，騎行者總轉矩T R通過構造為飛輪D CR的騎行者轉矩輸入耦合裝置被引導到驅動單元D U的輸出空心軸S 0上。
在輸出空心軸S 0上，騎行者總轉矩T R然後與經由同樣構造為飛輪D CM的馬達轉矩輸入耦合裝置合併成總驅動轉矩T T。總驅動轉矩T T通過位於輸出空心軸S O的軸向區域P A中的輸出空心軸區段S OS傳導到:(未示出的)鏈輪R C上並且因此傳導到自行車的傳動系3中。
在圖3中可以很容易地看出，所述已知的驅動單元D U具有大的徑向直徑，並且總體上要求相對非常大的結構空間，特別是由於扭矩測量特別需要的扭轉測量空心軸S H，以及由於與扭轉測量空心軸S H同軸地佈置的另外的組件感測器裝置S T，飛輪D CR和D CM以及具有電機和減速傳動裝置的馬達裝置M EB，如在本公開的說明書的導言中所述。
與此不同，圖4以對應於圖3的示意圖示出了根據本公開的驅動單元的工作原理，該工作原理類似於下面的第一和第五實施方式。
首先可以看到根據圖3的根據現有技術的驅動單元D U的馬達裝置M EB的再次以虛線繪製的輪廓。由此可看出利用根據本公開的驅動單元D U實現的非常大的結構空間節省。
如結合圖4與根據圖3的現有技術所示，根據本公開的解決方案允許完全省去根據圖3的扭轉測量空心軸S H。在現有技術中需要:(此外通常相對長的)扭測量轉空心軸S H，因為扭矩在那裡通過扭轉測量空心軸S H的旋轉扭轉變形來實現，其中相應的扭轉應力，即在扭轉測量空心軸S H的周向方向上延伸的剪切應力借助於同軸地包圍扭轉測量空心軸S H的感測器裝置S T來測量，然後由此確定騎行者總轉矩T S。由此，騎行者轉矩T S和馬達轉矩T M才能夠在另一軸上，在此在驅動裝置D U的輸出空心軸S 0上合併。
可以看出，這種在現有技術中常見的用於測量騎行者轉矩T R的方法導致：在底部支架軸S B的中間區域中需要三個同軸地相互嵌套的空心軸:(底部支架軸S B不包括在內)：首先是扭轉測量空心軸S H，其次是與扭轉測量空心軸S H同軸地佈置的用於容納感測器裝置S T的軸，以及作為佈置在底部支架軸線S B的同一軸向區域中的第三軸，最後是馬達軸S M。
如果圖3也僅僅是示意性的並且不是按比例的圖示，那麼這仍然明顯地導致驅動裝置D U的相對大的直徑。特別地，由三個同軸的空心軸S H、S T和S M佔據的，在徑向方向上的顯著的結構空間不再可用於馬達裝置M EB的轉子/定子和傳動裝置。因此，馬達裝置M E必須徑向向外和/或軸向偏移，這相應地總體上導致驅動單元D U的長度和/或外徑明顯增大。
這也可以從DE'823的圖15、22、26、31和39中得知。在DE'823的圖15中，附圖標記140表示扭轉空心軸S H:(該處稱為測量軸)，附圖標記184表示感測器裝置S T:(該處稱為線圈架)，並且附圖標記174表示馬達軸S M:(該處稱為支撐軸或轉子軸)。在DE'823的其他附圖中，這些元件部分未設有附圖標記，但同樣可以清楚地看到。
在根據圖4的驅動單元D U的實施方式中，可以省去扭轉測量空心軸S H和感測器裝置S T的相互嵌套的兩個軸，因為根據本公開可以在輸出空心軸S O的相同區段S OS的軸向區域P A中測量騎行者轉矩T S，馬達轉矩也被引導穿過該軸向區域。
在根據圖4至6和圖9A至9C的實施方式中，這通過如下方式實現：騎行者轉矩T R被引導穿過佈置在軸向區域P A中的徑向飛輪D CR，所述軸向區域與輸出空心軸S O的區段S OS一致，其中，徑向飛輪D CR在加載騎行者轉矩T R時產生向外到輸出空心軸S O上的徑向力，所述徑向力使輸出空心軸S O徑向向外擴寬。
通過輸出空心軸S O在其區段S OS中的這種徑向擴寬，在輸出空心軸S O中產生沿環繞方向延伸的材料應力，該材料應力通過包圍輸出空心軸S O的區段S OS的感測器裝置S T優選無接觸地測量。通過檢測輸出空心軸S O的由徑向飛輪D CR誘導的周向應力來測量騎行者轉矩T R實際上也不會受到同樣流過輸出空心軸S O的相同區段S OS的馬達轉矩T M的影響或明顯失真，因為馬達轉矩T M僅在輸出空心軸S O的區段S OS中產生沿環繞方向的剪切應力。
由馬達轉矩T M在輸出空心軸S O的區段S OS中引起的剪切應力和由騎行者轉矩T R同樣在區段S OS中引起的周向應力在彼此垂直的空間方向上延伸，並且因此基於物理疊加原理彼此獨立地至少在一階或近似值上，該一階或近似值對於騎行者轉矩T R的測量的通常所需的精度是完全足夠的。然而，可以實現更高的精度，其方式是：要麼在馬達中測量馬達轉矩T M，要麼從馬達電流計算出馬達轉矩T M，然後將相應的修正因子應用到騎行者轉矩T R的測量值上。
換句話說，在根據圖4至6和圖9A至9C的實施方式中，輸出空心軸S O同時用作測量空心軸，從而完全省去了現有技術中所需的扭轉空心測量軸S H。由於取消了通常佈置在驅動單元D U的軸向中間區域中的測量空心軸S H，也取消了將通常也以空心軸形式存在的感測器裝置S T佈置在驅動單元D U的該軸向中間區域中的必要性。取而代之的是，感測器裝置S T可以軸向遠離馬達裝置M E地佈置在輸出空心軸S O的區段S OS中，這從圖4中非常清楚地可見。
隨著取消根據圖3的扭轉空心軸S H，隨著感測器裝置S T從驅動單元D U的軸向中間區域中移出，並且隨著直接在輸出空心軸S 0中測量騎行者轉矩T R，還可能的是，借助於軸向飛輪D CMA將馬達轉矩T M引入輸出空心軸中，如這在根據圖4和圖9A至9C的實施方式中實現的那樣。
如尤其在圖4中清楚可見的那樣，通過本公開實現的扭轉測量空心軸S H的省去以及同樣實現的感測器裝置S T的顯著改變的定位導致感測器裝置所需的結構空間的大幅減小。因此，根據圖4的馬達裝置M E可以比在由現有技術已知的驅動單元D U中的馬達裝置M EA:(參見根據圖3的馬達裝置M EA的在圖4中以虛線示出的輪廓)非常顯著地更緊湊地構造。
因此，基於本公開，電動自行車驅動單元D U尤其可以是同軸的結構形式，所述電動自行車驅動單元D U可以比由現有技術已知的驅動單元明顯更緊湊且更輕地構造。
圖5示出了根據本公開的驅動單元D U的第一實施方式的剖視透視分解圖。在此，相對於其餘的部件，僅驅動殼體H D以分解圖的形式單獨示出，因此，所有其他部件都位於其所設位置。所有軸承裝置或支承部位用附圖標記B表示。
可以看出馬達裝置M E，其包括僅示意性地示出的電機 M以及在此構造為擺線傳動機構G C的減速傳動機構。擺線傳動裝置G C包括兩個擺線輪W C，所述擺線輪經由軸承裝置B，例如球軸承支承在兩個偏心地以及旋轉相移地佈置在馬達軸S M上的軸承座F E上。所述擺線輪W C沿著其外周具有擺線形的齒或凸輪，其與形狀對應構造的、在圖5中未示出的波狀齒在驅動器殼體H D的內齒部區域S i中嚙合，其中，內齒部區域S i的齒數典型地比擺線齒輪W C的齒數大1。由此得到對於這種擺線傳動機構G C典型的非常高的傳動比。
由於上述齒數比相對於馬達轉速非常緩慢地圍繞自身軸線旋轉的擺線輪W C通過傳動銷P T將該旋轉運動傳輸給從動法蘭F O。從動法蘭F O的旋轉然後經由馬達飛輪D CM被導引到驅動單元D U的輸出空心軸S 0上。
經由底部支架軸S B導入的騎行者轉矩經由騎行者飛輪D CR同樣傳導到輸出空心軸S 0上。騎行者和馬達的這樣組合的轉矩然後作為總轉矩T T被導引到鏈輪R C上並且從那裡被導引到自行車的傳動系3中。
圖6示出了根據圖5的驅動單元的縱剖面圖。除了圖5中示出的組件或構件，圖6還示出了左側騎行者轉矩T RL、右側騎行者轉矩T RR以及馬達轉矩T M的流動路線。此外還示出了在驅動單元D U的運行中不僅由騎行者總轉矩T R而且由總馬達轉矩T M流過的軸向區域P A。
然而，由於轉矩感測器裝置S T在軸向區域P A中的佈置，可以獨立地並且至少在第一近似上不受馬達轉矩T M影響地測量騎行者總轉矩T R，在該實施方式中騎行者轉矩耦合裝置，即當前用於騎行者轉矩T R的飛輪D CR也位於該軸向區域中。
為了該測量，通過感測器裝置S T對輸出空心軸S O在輸出空心軸區段S OS的區域中的徑向變形或由此產生的、沿輸出空心軸區段S OS的周向方向延伸的材料應力進行測量，所述感測器裝置對在導引騎行者轉矩T RL或T RR通過例如構造為夾緊滾子或泛指夾緊件飛輪D CR的騎行者轉矩耦合裝置時出現的夾緊滾子飛輪D CR的直徑擴寬進行測量。
換句話說，在該實施方式中，在夾緊件飛輪D CR的區域中測量輸出空心軸區段S OS的外徑處的周向應力。在周向方向上延伸的材料應力與騎行者轉矩T R成比例，使得感測器裝置S T可以根據實際的騎行者轉矩T R由製造商進行校準。
在輸出空心軸區段S OS中同樣出現的、通過經由馬達飛輪D CM導入到輸出空心軸S O中並且通過輸出空心軸S O導引的馬達轉矩T M產生的扭轉或剪切應力在此基於物理疊加原理不使騎行者轉矩T R的測量值失真，至少不在一階或在第一近似上失真。此外，可以基於由馬達轉矩引起的扭轉或剪切應力，借助輸出空心軸S O的相應尺寸而將彈性變形保持在與通過夾緊件飛輪D CR實現的輸出空心軸區段S OS的顯著的徑向擴展相比可忽略的較低水平。
通過感測器裝置S T明確地僅對周向應力進行有針對性的測量，可以進一步改善騎行者轉矩T R的測量精度或其與馬達轉矩T M的隔離。對於利用應變儀進行測量的情況，為此將應變儀沿圓周方向佈置和定向在輸出空心軸區段S OS上，使得由於扭轉而產生的剪應應力幾乎不再計入測量中。等效地，通過感測器裝置S T的相應的磁場引入可以在採用磁致伸縮測量的變型方案中優化測量精度。
總之，在該實施方式中，輸出空心軸區段S OS的材料變形方向因此在軸向區域P A中被使用並且與感測器裝置區分開，以便在測量時將騎行者轉矩T R與馬達轉矩T M隔離。
為了能夠進一步改善以這種方式測量的騎行者轉矩T R的精度，可以基於由馬達M吸收的電功率或基於馬達M的工作點:(馬達轉矩例如取決於電流、電壓、轉速、溫度)近似地確定馬達轉矩，以便修正由於馬達轉矩T M的剪切應力引起的騎行者轉矩T R的測量值的可能的、但僅在高階上發生的失真。
在感測器裝置S T和驅動器殼體H D之間可徑向識別的自由空間可用於其他組件，例如用於減速傳動裝置G C的部件，用於電子部件如馬達控制器和電池控制器或用於蓄能器。
圖7以縱截面示出驅動單元D U的第二實施方式。在該實施方式中，騎行者轉矩T R的測量也在輸出空心軸SO的軸向區域P A中進行，即在輸出空心軸區段S OS中進行。與根據圖5和圖6的實施方式不同，在根據圖7的實施方式中，將馬達轉矩T M物理上與騎行者轉矩T R分開地導引通過軸向區域P A。
為此，根據圖7的驅動單元D U包括佈置在馬達裝置M E和馬達轉矩耦合裝置D CM之間的馬達從動空心軸S OM。馬達從動空心軸S OM在軸向區域P A中與輸出空心軸區段S OS同軸地佈置以及在輸出空心軸區段S OS的徑向外部佈置，並且構造成對於磁場是可透過的。馬達從動空心軸S OM對於軸向區域P A中的磁場可通過性例如可以通過如下方式實現，即，馬達從動空心軸S OM至少在軸向區域P A中由順磁性材料，例如鋁構成，並且此外優選具有相對小的壁厚。
馬達從動空心軸的該順磁的並且優選薄壁的區段S OM如此確定尺寸，使得在軸向區域P A中存在用於磁致伸縮感測器S T的足夠的軸向結構空間。以這種方式，可以借助於感測器裝置S T通過馬達從動空心軸S OM無接觸地測量在輸出空心軸區段S OS中僅由騎行者轉矩T R形成的轉矩。
因此，在轉矩測量的下游:(在朝向鏈輪R C的方向上)才通過馬達飛輪D CM將馬達轉矩T M引入到輸出空心軸S 0上。因此，以這種方式，可以與馬達轉矩T M完全隔離地測量騎行者轉矩T R。在輸出空心軸S 0上的轉矩測量可以在該佈置中在騎行者飛輪D CR的軸向區域中或者在輸出空心軸S 0的完全或主要僅通過扭轉加載的軸向區域S OS中測量。
圖8以縱截面示出驅動單元D U的第三實施方式。在該實施方式中，騎行者轉矩T R和馬達轉矩T M又通過飛輪D CR或飛輪D CM引入到輸出空心軸S O中。在該實施方式中，借助於感測器裝置S T在輸出空心軸區段S OS的區域中進行轉矩測量，該輸出空心軸區段在該實施方式中由總轉矩T T,，即由騎行者轉矩T R和馬達轉矩T M的總和流過。
為了能夠從該測量中導出關於用於馬達控制的關於騎行者轉矩T R的合適的信號，優選地實時地或在非常短的時間間隔內測量馬達轉矩T M，並且將其從分別測量的總轉矩T T中減去。
為了節省結構空間和成本，在此優選不直接測量馬達轉矩T M，而是根據由馬達吸收的電功率計算。騎行者轉矩T R的確定精度由於計算和減去馬達轉矩T M而略微降低，然而可以通過在此容易進行的在輸出空心軸區段S OS的區域中的轉矩測量至少部分地再次對其進行補償。
這種佈置也實現了特別低成本的製造，從而實現了在騎行者轉矩T R的測量精度方面的較小的妥協。
圖9A至9C以根據圖9B的剖視圖和根據圖9B的其放大的局部圖示出了根據本公開的驅動單元D U的第四實施方式，其中，在圖9A中給出了截面走向和截面的觀察方向。
與根據圖5至7的實施方式不同，驅動單元D U在圖9A至圖9C的圖示中安裝到自行車車架1中，類似於在圖2中示意性示出的那樣。此外，在圖9A至9C中關於根據圖1或2的自行車的截面上的觀察方向從後向前延伸，因此鏈輪RC在圖9B和9C的圖示中關於附圖位於右側。
相反，鏈輪RC在圖3至7的圖示中位於左側，與此相應地，針對根據圖1或2的自行車，朝向根據圖3至7的相應截面的觀察方向從前向後延伸。換言之，這意味著，根據圖9B和9C的圖示相對於圖3至7的圖示鏡像地觀察。
根據圖9A至圖9C的第四實施方式在扭矩測量的作用原理方面並且因此在力流方面與根據圖4至圖6的第一實施方式密切相關。
圖9B和9C以縱截面示出驅動單元D U。左側的騎行者轉矩T RL、右側的騎行者轉矩T RR以及馬達轉矩T M的變化曲線再次通過相應不同的虛線示出。此外，再次示出軸向區域P A，在驅動單元D U的運行中，整個騎行者總轉矩T R和整個馬達轉矩T M都流過該軸向區域。
如在圖5或5中那樣，在圖9B或9C中可以看到馬達裝置M E，在此具有馬達定子M S、馬達轉子M R和馬達軸S M。
電機軸S M作用於擺線傳動裝置G C，該擺線傳動裝置與電機軸S M一起包括旋轉的偏心軸承座F E、與內齒部區域S i嚙合的、外齒的擺線輪W C，此外還有傳動銷P T以及從動法蘭F O。
由於擺線傳動裝置的由系統決定的高傳動比範圍，單級擺線傳動裝置G C足以將馬達轉子M R的相對高的轉速必要地降低到自行車傳動系3上的鏈輪R C的相對低的轉速上。
圖9C以圖9B的放大的局部圖尤其示出軸向區域P A，在該實施方式中在驅動單元D U的運行中不僅總騎行者總轉矩T R而且總馬達轉矩T M流過該軸向區域。
在圖9C中從左到右跟隨馬達轉矩T M和騎行者總轉矩T R的力流，首先可以看到馬達飛輪D CMA，其在此僅以示意性的框圖示出，尤其沒有示出飛輪體等構件，其具體的實施方案對於本公開的主題也沒有意義。然而優選地，馬達飛輪D CMA是軸向飛輪，這有助於能夠特別節省空間地設計驅動單元D U，參見根據圖4的同樣具有軸向飛輪D CMA的實施方式與根據圖3的現有技術。
在根據圖9A至9C的實施方式中，如在根據圖4至6的實施方式中那樣，馬達飛輪D CM將擺線傳動裝置G C的輸出轉矩從擺線傳動裝置從動法蘭F O引導到輸出空心軸區段S OS上，該輸出空心軸區段限定軸向區域P A，在該軸向區域中佈置有轉矩感測器裝置S T。
在此，首先如在根據圖3的現有技術中那樣，騎行者總轉矩T R和馬達轉矩T M共同地引導穿過軸向區域P A和佈置在那裡的輸出空心軸區段S OS。
然而，根據本公開，與根據圖3的現有技術不同，騎行者總轉矩T R的大小直接在軸向區域P A中和在佈置在那裡的輸出空心軸區段S OS中測量，騎行者總轉矩T R和馬達轉矩T M都流過該輸出空心軸區段。
這尤其在圖9C中清晰可見。在那裡，騎行者總轉矩T R和馬達轉矩T M在輸出空心軸S O的輸出空心軸區段S OS中集束並且共同流過輸出空心軸S O的該輸出空心軸區段S OS，其在本實施例中是通過軸承套B B，例如通過滑動軸承套，安裝在鏈輪R C右側的區域，在底部支架軸S B上。
在根據圖9A至9C的當前考慮的實施方式中，騎行者總轉矩T R在此也與馬達轉矩T M無關地測量，所述馬達轉矩在輸出空心軸區段S OS中流過與騎行者總轉矩T R相同的輸出空心軸S O的材料橫截面。
這與在根據圖4至6的實施方式中類似地通過如下方式實現，即，騎行者轉矩輸入耦合裝置D CR:(即騎行者轉矩飛輪，即使當騎行者不操縱踏板並且底部支架軸S B因此靜止時，騎行者轉矩飛輪也允許馬達式地驅動輸出空心軸進而驅動自行車傳動系3)佈置在軸向區域P A中以及徑向地在輸出空心軸S O之內並且例如構造為夾緊件飛輪D CR。
一旦騎行者經由踏板曲柄C P將騎行者轉矩T RR或T RL施加到底部支架軸S B上，則踏板曲柄C P和底部支架軸S B開始旋轉，從而啟動夾緊件飛輪D CR並開始閉合。
夾緊件飛輪D CR的閉合總是在底部支架軸S B比馬達或傳動機構從動法蘭F O更快地旋轉，並且因此比輸出空心軸S O更快地旋轉時進行。然而，底部支架軸S B和輸出空心軸S 0的旋轉速度的這種差異始終是騎行者轉矩可以被引入動力傳動系3中的前提，並且始終存在於騎行者主動地或以一定的力踏踩踏板時。
基於閉合的夾緊件飛輪D CR，然後將騎行者總轉矩T R引導通過夾緊件飛輪D CR。通過飛輪體在飛輪內環和飛輪外環之間的夾緊，在夾緊件飛輪中在徑向方向上產生顯著的力。這些力傳遞給輸出空心軸區段S OS，由此該輸出空心軸區段徑向彈性地擴寬。由此又誘導材料應力，所述材料應力在輸出空心軸區段S OS的周向方向上延伸。
在輸出空心軸區段S OS的周向方向上延伸的材料應力在圖9C中通過指向圖平面中的箭頭的符號T C來表示。這些材料應力T C的測量通過感測器裝置S T優選無接觸地進行。以這種方式，以及基於在周向方向上延伸的材料應力T C與通過馬達轉矩T M在輸出空心軸區段S OS中產生的剪切應力之間的上述物理疊加原理，可以通過感測器裝置S T以高精度確定騎行者轉矩T R。
如在圖9B中和在圖9C的放大的局部圖中可看出的那樣，感測器裝置S T包括線圈架B C，所述線圈架在所示出的實施方式中承載三個測量線圈C W1、C W2和C W3。
在圖9B和9C中示出的感測器裝置S T的結構、工作原理和評估電子器件不是本公開的主題，而是未公開的專利申請US 63/286,370:(US'370)的主題。美國專利申請US'370的公開內容在此通過引用併入本專利申請的公開內容中，由此公開了根據US'370的公開內容的感測器裝置S T與在本公開內容中闡述的這種感測器裝置S T在電動自行車驅動單元D U中的佈置的特徵、實施方式和優點的組合。
在三個測量線圈C W1、C W2和C W3中，與附圖相關的左側的測量線圈C W1用於檢測輸出空心軸區段S OS中的磁場的變化，以便由此推斷出輸出空心軸區段S OS中的材料應力。與附圖相關的平均測量線圈C W2用於激勵輸出空心軸區段S OS中的渦流和/或磁場。根據磁彈性的原理，在鐵磁性材料的情況下，如在優選由鋼製成的輸出空心軸S O的情況下，在機械特性和磁性特性之間存在相關性。在材料負荷和與之相關的幾何變形:(在此為輸出空心軸區段S OS的徑向擴寬)的情況下，輸出空心軸區段S OS的磁性能改變。
與附圖相關的左側測量線圈C W1檢測由與附圖相關的中間測量線圈C W2感應電流或磁場在輸出空心軸部分S OS中的變化，所述變化由輸出空心軸部分的電壓或變形引起。附圖右側的測量線圈C W3用於測量的溫度補償。這是必要的，因為在感測器裝置S T的區域中可能出現100K數量級的溫度波動，特別是由於電機M、M S、M R的發熱。
特別有利的是，測量線圈CW1、CW2、CW3如在圖9B和9C中可見的那樣以沿周向延伸的繞組的形式構造。以這種方式可以非常簡單且成本低廉地製造線圈架B C，並且感測器裝置S T也能夠承受要求高的負荷和與之相關的振動或溫度負荷。測量線圈C W1、C W2、C W3的製造和設計的細節及其電路和評估電子器件是上述美國申請US'370的主題，其公開內容通過引用包含在本專利申請的公開內容中。
輸出空心軸區段S OS在所示出的實施方式中具有兩個環繞的凹槽G R1和G R2。一個或兩個凹槽G R1和G R2的大小和幾何形狀的存在和/或選擇影響通過感測器裝置S T的測量的特性曲線。尤其可以通過一個或兩個凹槽G R1和G R2的適當選擇和構造來優化通過感測器裝置S T測量騎行者轉矩T R的靈敏度和精度。
在圖9B和9C中示出的實施方式中，線圈架B C佈置在右側殼體蓋C HR的左側內側突出部B S上，該突出部通過輸出空心軸S O的軸承B R的軸承座形成。該佈置通過由此給出的軸承座突出部B S的雙重應用是有意義的，並且具有另外的優點，在驅動單元D U的運行中由於高的鏈條牽引力或踏板力而出現的底部支架軸和/或殼體蓋C HR的變形也傳達給線圈架B C。這確保線圈架B C即使在驅動單元D U的高負載的情況下也保持與測量體，即與輸出空心軸區段S OS在很大程度上同軸。
1:自行車車架 2:彈簧式後下叉 3:傳動系 4:後撥鏈器 5:小齒輪飛輪 6:傳動鏈 A R:後輪軸 A B:底部支架組件 A S:後下叉擺臂 B:軸承裝置 B B:軸承套 B C:線圈架 C HL:左側殼體蓋 C HR:右側殼體蓋 C G:重心位置 C P:踏板曲柄 D CM:馬達飛輪 D CMA:軸向飛輪;馬達飛輪 D CR:夾緊滾子飛輪 D 1:底部支架區域 D U:驅動單元 F M1,F M2:固定軸:(馬達) F B1,F B2:固定軸:(電池) F E:軸承座 F O:從動法蘭 G C:擺線傳動機構 C W1,C W2,C W3:測量線圈 H D:驅動殼體 H M:馬達殼體 H B:電池殼體 M:電機 M E:馬達裝置 M S:馬達定子 M R:馬達轉子 P A:軸向區域 P S:樞轉軸承 R C:鏈輪 S B:底部支架軸 S E:蓄能裝置 P T:傳動銷 T L:下管 S H:扭轉空心軸;測量空心軸 S i:內齒部區域 S M:馬達軸 S O:輸出空心軸 S OS:輸出空心軸區段 S T:感測器裝置 T C:材料應力 T M:馬達轉矩 T R:騎行者總轉矩 T RL:左側的騎行者轉矩 T RR:右側的騎行者轉矩 T T:總轉矩;總驅動轉矩 W C:擺線輪
下面根據附圖示例性地描述本發明的實施方式。 其中： 圖1：以驅動側側視圖示出了根據現有技術的電動山地車； 圖2：以對應於圖1的視圖和示意圖示出了具有根據本公開的驅動單元的一種實施方式的電動山地車； 圖3：示出了從現有技術中已知的底部支架同軸驅動單元的工作原理的縱截面示意圖； 圖4：以對應於圖3的示意圖示出了根據本公開的類似於下面的第一和第五實施方式的驅動單元的工作原理； 圖5：示出了第一實施方式的剖視透視分解圖； 圖6：示出了根據圖5的實施方式的縱剖面圖； 圖7：示出了第二實施方式的縱剖面圖； 圖8：示出了第三實施方式的縱剖面圖； 圖9A-9C：示出了第四實施方式的縱剖面圖。
B:軸承裝置
BB:軸承套
CHL:左側殼體蓋
CHR:右側殼體蓋
CP:踏板曲柄
DCMA:軸向飛輪；馬達飛輪
DCR:夾緊滾子飛輪
DU:驅動單元
GC:擺線傳動機構
FE:軸承座
FO:從動法蘭
HD:驅動殼體
M:電機
ME:馬達裝置
MS:馬達定子
MR:馬達轉子
PA:軸向區域
PT:傳動銷
RC:鏈輪
SB:底部支架軸
Si:內齒部區域
SM:馬達軸
SO:輸出空心軸
SOS:輸出空心軸區段
ST:感測器裝置
TM:馬達轉矩
TRL:左側的騎行者轉矩
TR:騎行者總轉矩
TT:總轉矩；總驅動轉矩
TRR:右側的騎行者轉矩
WC:擺線輪

Claims (7)

  1. 一種電動自行車驅動單元(D U)，其用於與底部支架同軸地佈置在自行車框架:(1)的底部支架區域:(D 1)中，所述驅動單元(D U)包括轉矩感測器裝置(S T)，所述轉矩感測器裝置用於測量由左側的騎行者轉矩(T RL)和右側的騎行者轉矩(T RR)構成的騎行者總轉矩(T R)；底部支架軸(S B)；與所述底部支架軸(S B)同軸地佈置的電動馬達裝置( ME)；用於將馬達轉矩(T M)和騎行者總轉矩(T R)傳遞到自行車傳動系:(3)上的輸出空心軸(S O)以及用於將騎行者轉矩(T R)從底部支架軸(S B)耦合到輸出空心軸(S O)上的騎行者轉矩耦合裝置(D CR)和用於將馬達轉矩(T M)耦合到輸出空心軸(S O)上的馬達轉矩耦合裝置(D CM)， 其特徵在於 所述轉矩感測器裝置(S T)佈置在所述驅動單元的由輸出空心軸區段(S OS)限定的軸向區域(P A)中，其中所述軸向區域(P A)也被設置為導引騎行者總轉矩(T R)和馬達轉矩(T M)。
  2. 如請求項1所述的驅動單元， 其特徵在於， 所述騎行者轉矩耦合裝置(D CR)佈置在所述軸向區域(P A)中以及徑向地佈置在所述輸出空心軸(S O)之內，其中，所述轉矩感測器裝置(S T)設置用於檢測所述輸出空心軸(S O)和/或所述騎行者轉矩耦合裝置(D CR)在所述輸出空心軸區段(S OS)的區域中的直徑變化或周向應力。
  3. 如請求項1所述的驅動單元， 其特徵在於 佈置在所述馬達裝置(M E)和所述馬達轉矩耦合裝置(D CM)之間的馬達從動空心軸(S OM)，所述馬達從動空心軸在所述軸向區域(P A)中與所述輸出空心軸區段(S OS)同軸地佈置並在所述輸出空心軸區段(S OS)的徑向外部佈置，並且構造成對於磁場是可透過的，其中，所述轉矩感測器裝置(S T)設置用於在所述輸出空心軸區段(S OS)中無接觸地檢測所述騎行者總轉矩(T R)。
  4. 如請求項1所述的驅動單元， 其特徵在於， 所述騎行者總轉矩(T R)通過由所述轉矩感測器裝置(S T)在所述輸出空心軸區段(S OS)中測量的總轉矩(T T)和由所述馬達轉矩(T M)形成差來確定。
  5. 如請求項1至4中任一項所述的驅動單元， 其特徵在於， 所述馬達裝置(M E)包括擺線傳動裝置(G C)或應變波傳動裝置。
  6. 如請求項1至5中任一項所述的驅動單元， 其特徵在於， 所述感測器裝置(S T)包括線圈裝置:(C W1，C W2，C W3)，用於檢測所述輸出空心軸區段的與材料應力相關的或與變形相關的磁彈性特性。
  7. 如請求項6所述的驅動單元， 其特徵在於， 所述線圈裝置的至少一個，優選多個或全部線圈:(C W1，C W2，C W3)通過基本上沿著周向延伸的線匝形成。
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