[發明專利]電動自行車變速器

有效

• 申請號: 201410054306.5
• 申請日: 2014-02-18
• 公開（公告）號: CN103991506B
• 公開（公告）日: 2017-04-12
• 發明（設計）人: 凱文·韋斯林
• 申請（專利權）人: 什拉姆有限責任公司
• 主分類號: B62M9/10
• 分類號: B62M9/10
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司11127
• 代理人: 王小東

技術領域

本發明涉及自行車以及從騎行者和電動馬達至自行車對原動力進行傳遞和管理的系統，具體是半自動化系統。

背景技術

具有自動換檔系統的自行車的現有技術的示例通常使用諸如自行車速度和踩踏節奏之類的變量作為切換標準。然而，對于具有廣泛的檔位范圍以及大量獨立的齒輪比的系統來說，進行全自動換檔是不利的。相對于廣泛的檔位范圍，與汽車中的自動變速器不同，可能不希望和/或不需要系統每當在自行車完全停止時切換至最低檔位。

例如，如果騎行者在提供有自動換檔系統的自行車上下坡騎行達到完全停止，則在自行車停止后準備將其加速回到正常騎行速度時，可能優選地僅向下切換少數擋位。也就是說，例如不總是需要以旨在推動騎行者和自行車上陡坡的檔位開始向前運動。

此外，當在減速過程中向下切換以及在加速過程中向上切換時，將齒輪比減少較少的量可能是有利的，例如齒輪裝置的整個范圍的僅大約40%可用。此外，在自行車具有許多緊密間隔開的齒輪的情況下，每當自行車啟動和停止時，通過40%范圍內的每個齒輪進行自動切換是沒有意義的。可以優選地切換僅1個或兩個檔位以達到目標檔位，這是因為在每個檔位中花費的時間量將會很小，并且切換通過所有中間檔位所用的能量將會導致較低的電池壽命。

電動馬達驅動的自行車包括電動馬達，該電動馬達用于輔助騎行者推進自行車。通常，電動馬達驅動的系統可以被描述為直接驅動或通過變速器換檔。對于直接驅動的形式，馬達可以位于前輪或后輪中。當通電時，馬達可以直接地或者通過專用的減速（即扭矩增加）變速器（通常為一組齒輪）驅動任一車輪。另選地，馬達可以位于自行車上的其他位置，并且使用專用的帶或者鏈條來直接驅動任一車輪。在所有這些直接驅動的情況下，騎行者和馬達兩者并行推進該自行車，但是只有騎行者產生的力通過自行車變速器起作用。例如，當爬坡時，騎行者可以選擇自行車的較低檔位，從而使得騎行者在踏板處的輸入導致在后輪處的較高的扭矩。相比之下，電動馬達試圖通過增加扭矩和消耗更多的來自附接電池的電流來保持速度。

第二類電動自行車變速器的特征在于，馬達通過自行車變速器驅動自行車。其通常被稱為中置變速箱。在該變速器中，騎行者選擇的用于踩踏的檔位也是馬達負載穿過的檔位，兩者均驅動后輪。這通過馬達與騎行者驅動前鏈環并行地直接驅動前鏈環來實現。馬達可以直接地或者通過專用的減速變速器來驅動鏈環，該減速變速器減慢馬達速度，同時增加扭矩。用于馬達的減速變速器的優點在于，馬達和騎行者因此可以選取適合的齒輪裝置，該齒輪裝置允許兩者均在有效范圍內操作。例如，當自行車從停止狀態開始加速時，馬達首先在車輪處傳遞大扭矩，并且迅速加速至第一速度。一旦達到該速度，則應將擋位改變至更低的扭矩/更高的速度輸出，直至達到中間速度，隨后為了達到最終的目標速度，而將其改變至最小的扭矩/最高的速度輸出。

電動馬達具有在它們最有效操作時的速度和負載。然而，在馬達達到其最高效的速度之前，馬達產生高的扭矩以達到該速度，并且非常低效地運行。在加速過程中允許馬達以其最有效的速度運行將會非常有利。

圖13和圖14分別示出了加速至所期望的高效的速度的直驅電動自行車馬達以及切換過三個不同檔位的電動自行車馬達。可以看出，圖14的系統（由于齒輪裝置而以較高的扭矩操作）允許馬達在每次切換之前都達到更有效的速度。

圖15示出了電動馬達的速度并且將直驅系統（沒有齒輪）的馬達的速度與具有齒輪裝置的馬達和驅動系統直接進行比較。左側的曲線代表具有齒輪的系統，該曲線在加速過程中更快地到達有效速度并且更長時間地保持在有效范圍內。同樣明顯的是具有齒輪的系統可以更迅速地加速。

對于具有齒輪的機動系統人們所關心的是作用在自行車傳動系上的負載為通過騎行者轉動大齒盤產生的負載與由馬達產生的負載的總和。例如，騎行者可以產生200瓦特的功率，而電動馬達可以產生400瓦特的功率。通常包括前鏈環、鏈條、后飛輪和輪轂的傳動系則將經歷大約600瓦特的功率。如此大小的功率對于傳動系來說被認為是困難的。它增加了磨損率，并且當騎行者試圖手動切換檔位時增加了傳動系上的負載。對于沒有電動馬達的自行車來說，當騎行者啟動檔位切換時，騎行者通常通過減輕踩踏力來減少作用在傳動系上的力，以便于更平緩且更溫和的切換。如果騎行者試圖在全負載情況下進行切換，則當一個齒輪脫離嚙合而另一個齒輪處于嚙合時存在系統中斷的風險。自行車傳動系被設計為在兩種情況下均起作用，然而應該理解的是較高的換檔負載提升過早的磨損以及騎行時發生中斷的風險。