[发明专利]电动自行车变速器

说明书

技术领域

本发明涉及自行车以及从骑行者和电动马达至自行车对原动力进行传递和管理的系统，具体是半自动化系统。

背景技术

具有自动换档系统的自行车的现有技术的示例通常使用诸如自行车速度和踩踏节奏之类的变量作为切换标准。然而，对于具有广泛的档位范围以及大量独立的齿轮比的系统来说，进行全自动换档是不利的。相对于广泛的档位范围，与汽车中的自动变速器不同，可能不希望和/或不需要系统每当在自行车完全停止时切换至最低档位。

例如，如果骑行者在提供有自动换档系统的自行车上下坡骑行达到完全停止，则在自行车停止后准备将其加速回到正常骑行速度时，可能优选地仅向下切换少数挡位。也就是说，例如不总是需要以旨在推动骑行者和自行车上陡坡的档位开始向前运动。

此外，当在减速过程中向下切换以及在加速过程中向上切换时，将齿轮比减少较少的量可能是有利的，例如齿轮装置的整个范围的仅大约40%可用。此外，在自行车具有许多紧密间隔开的齿轮的情况下，每当自行车启动和停止时，通过40%范围内的每个齿轮进行自动切换是没有意义的。可以优选地切换仅1个或两个档位以达到目标档位，这是因为在每个档位中花费的时间量将会很小，并且切换通过所有中间档位所用的能量将会导致较低的电池寿命。

电动马达驱动的自行车包括电动马达，该电动马达用于辅助骑行者推进自行车。通常，电动马达驱动的系统可以被描述为直接驱动或通过变速器换档。对于直接驱动的形式，马达可以位于前轮或后轮中。当通电时，马达可以直接地或者通过专用的减速（即扭矩增加）变速器（通常为一组齿轮）驱动任一车轮。另选地，马达可以位于自行车上的其他位置，并且使用专用的带或者链条来直接驱动任一车轮。在所有这些直接驱动的情况下，骑行者和马达两者并行推进该自行车，但是只有骑行者产生的力通过自行车变速器起作用。例如，当爬坡时，骑行者可以选择自行车的较低档位，从而使得骑行者在踏板处的输入导致在后轮处的较高的扭矩。相比之下，电动马达试图通过增加扭矩和消耗更多的来自附接电池的电流来保持速度。

第二类电动自行车变速器的特征在于，马达通过自行车变速器驱动自行车。其通常被称为中置变速箱。在该变速器中，骑行者选择的用于踩踏的档位也是马达负载穿过的档位，两者均驱动后轮。这通过马达与骑行者驱动前链环并行地直接驱动前链环来实现。马达可以直接地或者通过专用的减速变速器来驱动链环，该减速变速器减慢马达速度，同时增加扭矩。用于马达的减速变速器的优点在于，马达和骑行者因此可以选取适合的齿轮装置，该齿轮装置允许两者均在有效范围内操作。例如，当自行车从停止状态开始加速时，马达首先在车轮处传递大扭矩，并且迅速加速至第一速度。一旦达到该速度，则应将挡位改变至更低的扭矩/更高的速度输出，直至达到中间速度，随后为了达到最终的目标速度，而将其改变至最小的扭矩/最高的速度输出。

电动马达具有在它们最有效操作时的速度和负载。然而，在马达达到其最高效的速度之前，马达产生高的扭矩以达到该速度，并且非常低效地运行。在加速过程中允许马达以其最有效的速度运行将会非常有利。

图13和图14分别示出了加速至所期望的高效的速度的直驱电动自行车马达以及切换过三个不同档位的电动自行车马达。可以看出，图14的系统（由于齿轮装置而以较高的扭矩操作）允许马达在每次切换之前都达到更有效的速度。

图15示出了电动马达的速度并且将直驱系统（没有齿轮）的马达的速度与具有齿轮装置的马达和驱动系统直接进行比较。左侧的曲线代表具有齿轮的系统，该曲线在加速过程中更快地到达有效速度并且更长时间地保持在有效范围内。同样明显的是具有齿轮的系统可以更迅速地加速。

对于具有齿轮的机动系统人们所关心的是作用在自行车传动系上的负载为通过骑行者转动大齿盘产生的负载与由马达产生的负载的总和。例如，骑行者可以产生200瓦特的功率，而电动马达可以产生400瓦特的功率。通常包括前链环、链条、后飞轮和轮毂的传动系则将经历大约600瓦特的功率。如此大小的功率对于传动系来说被认为是困难的。它增加了磨损率，并且当骑行者试图手动切换档位时增加了传动系上的负载。对于没有电动马达的自行车来说，当骑行者启动档位切换时，骑行者通常通过减轻踩踏力来减少作用在传动系上的力，以便于更平缓且更温和的切换。如果骑行者试图在全负载情况下进行切换，则当一个齿轮脱离啮合而另一个齿轮处于啮合时存在系统中断的风险。自行车传动系被设计为在两种情况下均起作用，然而应该理解的是较高的换档负载提升过早的磨损以及骑行时发生中断的风险。