CN104260817A - 自行车电动助力装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了自行车电动助力装置，主要解决现有的锂电池助力车难骑行、重量重、控制线路繁多的问题。该助力装置包括安装在自行车体上的电机，为电机提供电能的锂电池组，控制电机运转的电机驱动控制系统，与电机连接的变速箱，通过辅助链条与变速箱连接的中轴装置，中轴装置与链盘连接。本发明采用低功耗、模块化设计，重量轻、易于安装和维护且不改变原车结构，不影响骑行体验，可以按不同比例控制电机输出功率，在高速和低速骑行时都可以做到电动助力的效果，不浪费宝贵的电能，并实现了纯电动驱动模式、纯人力驱动模式和电动人力混合驱动模式，三种运转模式可以把人力和电力完美的结合在一起，可作为都市骑行、锻炼骑游的理想工具。

Description

自行车电动助力装置

技术领域

 本发明涉及自行车电动助力装置，属于休闲运动骑游装备领域。

背景技术

目前，公知的电动助力自行车，由锂电池组、电机控制器组成，重量加起来在7公斤左右，铅酸电池更重。大多的电机直接安装在车轮内，直接带动车轮运动，由于电机的结构，厂家在出厂时调定了电机的转速，当骑行的速度超过电机的运转速度，电机就不能再起到助力的效果了，而且越快越无助力效果同时还消耗电能，还因为电机的大小和自行车的结构不匹配，安装后带来了许多的负面影响，所以感觉高速骑行时特别费力，速度提不起来。加上助力机构的重量，从而改装后整车变得相当笨重难骑，往往就不想骑行而变成电动车，再也没有了自行车原来骑行时的轻快感觉，达不到强身健体的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供自行车电动助力装置，主要解决现有的锂电池助力车难骑行、重量重、控制线路繁多的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

自行车电动助力装置，包括安装在自行车体上的电机，为电机提供电能的锂电池组，控制电机运转的电机驱动控制系统，与电机连接的变速箱，通过辅助链条与变速箱连接的中轴装置，中轴装置与链盘连接。

具体地，所述变速箱包括与电机的转轴连接的第一锥度齿轮，与第一锥度齿轮啮合且轴向垂直的第二锥度齿轮，通过轴横向连接于第二锥度齿轮上的第一正齿轮，与第一正齿轮啮合的第二正齿轮，与第二正齿轮连接的输出链轮。所述变速箱还包括设于第二正齿轮内的第一单向滚针轴承。

进一步地，所述中轴装置包括安装在自行车带有链盘的另一侧并通过辅助链条与输出链轮连接的大链轮，与大链轮连接的轴套，套接于套内的轴芯，安装在轴套上的滚针轴承座和滚针轴承，链盘则与轴套的另一侧连接，轴芯两侧与自行车的脚踏曲柄连接。所述轴芯上设有位于轴套内的第二单向滚针轴承。

更进一步地，所述电机驱动控制系统包括与电机连接的电机驱动控制器，与电机驱动控制器连接的霍尔传感器、磁钢测速盘，所述磁钢测速盘安装于轴芯上，随脚踏曲柄运动，霍尔传感器安装于自行车车架上并位于磁钢测速盘附近。首先脚踏自行车运行带动磁钢测速盘运转，霍尔传感器检测到运转电信号给电机驱动控制器驱动电机开始工作。

再进一步地，所述电机驱动控制器包括单片机，分别与单片机连接的电机调速模块、速度检测模块，所述电机调速模块与电机连接，速度检测模块与霍尔传感器连接，电机驱动控制器还包括与单片机连接的检测保护电路、电源检测模块、无线数据收发处理模块、按钮、LED灯、蜂鸣器，与无线数据收发处理模块连接的手油门开度检测模块，所述手油门开度检测模块安装于自行车龙头上，包括分别与无线数据收发处理模块连接的显示屏，手油门开关。

再进一步地，所述电机驱动控制系统还包括与单片机连接的车轮速度陀螺仪传感器组，与无线数据收发处理模块连接的智能终端，所述电源检测模块与锂电池组连接。

另外，所述单片机采用ATmega328P AVR微控制器。所述电机采用航模外转子无刷电机。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明重量轻、易于安装且不改变原车结构，不影响骑行体验，在高速和低速骑行时都可以做到电动助力的效果，不浪费宝贵的电能，可以把人力和电力完美的结合在一起，可作为都市骑行、锻炼骑游的理想工具；

（2）本发明的变速箱采用7系高强度铝合金，利用高强度钢材制造小体积的变速齿轮，采用如图1所示的安装结构，此种结构能保证自行车的稳定，并且减轻重量；

（3）本发明采用第一单向滚针轴承和第二单向滚针轴承，起到超越离合的作用，实现只有在电机助力转动时变速箱才有动力输出，当电机停止转动，变速箱无转动输出，实现了纯电动驱动模式、纯人力驱动模式、和电动人力混合驱动模式，三种运转模式相互依存又互不干涉的效果；

（4）本发明的电机驱动控制系统可以按不同比例控制电机输出功率，由于电机的可控转速范围较广，在高、中、低速骑行时始终能给中轴装置按控制比例助力，所以骑行者可以通过调节链盘的档位和人力大小来享受骑行乐趣；

（5）本发明应用范围广，节约电能，重量轻，控制线路少，不会干扰骑行，非常适合大规模推广使用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图一。

图2为本发明的结构示意图二。

图3为本发明的变速箱的结构示意图一。

图4为本发明的变速箱的结构示意图二。

图5为本发明的中轴装置的结构示意图。

图6为本发明的电机驱动控制系统的系统框图。

其中，图中附图标记对应的零部件名称为：

1-锂电池组，2-航模外转子无刷电机，3-变速箱，4-中轴装置，5-辅助链条，6-霍尔传感器，7-磁钢测速盘，8-第一锥度齿轮，9-第二锥度齿轮，10-第一正齿轮，11-第二正齿轮，12-输出链轮，13-第一单向滚针轴承，14-电机驱动控制器，15-大链轮，16-轴芯，17-轴套，18-滚针轴承座，19-滚针轴承，20-链盘，21-第二单向滚针轴承，22-检测信号线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1至图6所示，自行车电动助力装置，包括航模外转子无刷电机2，为航模外转子无刷电机提供电能的锂电池组1，控制航模外转子无刷电机运转的电机驱动控制系统，与航模外转子无刷电机连接的变速箱3，通过辅助链条5与变速箱连接的中轴装置4，中轴装置与链盘20连接。如图1所示的安装位置。采用高性能的航模外转子无刷电机，重量轻、体积小、效率高。

在本发明中，变速箱和航模外转子无刷电机安装于同一外壳内，航模外转子无刷电机位于变速箱上端，变速箱采用7系高强度铝合金，变速箱包括与航模外转子无刷电机的转轴连接的第一锥度齿轮8，与第一锥度齿轮8啮合且轴向垂直的第二锥度齿轮9，通过轴横向连接于第二锥度齿轮上的第一正齿轮10，与第一正齿轮啮合的第二正齿轮11，与第二正齿轮轴向连接的输出链轮12。在本实施例中，第一锥度齿轮8和第二锥度齿轮9构成一级变速，实现1比3的变速比和输出轴90度方向改变，第一正齿轮10和第二正齿轮11构成二级变速，实现1比3的变速比，在第二正齿轮内还设有第一单向滚针轴承13，实现只有在航模外转子无刷电机助力转动时变速箱的输出链轮12才有动力输出，当航模外转子无刷电机停止转动，自行车的脚踏曲柄通过链盘带动中轴装置，再通过辅助链条5带动输出链轮12逆时针转动时第二正齿轮11无转动输出，即空转，起到超越离合的作用，当人力骑行时不会带动航模外转子无刷电机运转而白白耗费能量、增加负荷。

在本发明中，中轴装置包括安装在自行车带有链盘20的另一侧并通过辅助链条与输出链轮连接的大链轮15，与大链轮连接的轴套17，套接于套17内的轴芯16，安装在轴套上的滚针轴承座18和滚针轴承19，在轴芯16上且轴套17内还设有第二单向滚针轴承21，链盘20则与轴套的另一侧连接，轴芯两侧与自行车的脚踏曲柄连接。通过辅助链条5、输出链轮12、大链轮15、滚针轴承座18、滚针轴承19和轴套17，可以把航模外转子无刷电机的动能通过大链轮15经轴套17传递给链盘，驱动车轮转动。当脚踏曲柄逆时针转动时（即前行时），轴芯16和轴套17咬合一起做逆时针运动，从而带动链盘20转动，最后驱动链条，车轮转动；当轴芯16停止转动，航模外转子无刷电机输出转动，由于第二单向滚针轴承21起超越离合的作用，航模外转子无刷电机输出作用于轴套17做逆时针转动，轴芯16不转动；当航模外转子无刷电机输出通过大链轮15作用于轴套17转动和脚踏曲柄带动轴芯16一起做逆时针运动时，由于第二单向滚针轴承的超越离合作用，轴芯16和轴套17咬合共同作用于轴套带动链盘20运动。第二单向滚针轴承和第一单向滚针轴承起到了纯电动驱动模式、纯人力驱动模式、和电动人力混合驱动模式，三种运转模式相互依存又互不干涉的效果。

在本发明中，电机驱动控制系统包括与航模外转子无刷电机连接的电机驱动控制器14，控制电机驱动控制器工作的智能终端，与电机驱动控制器连接的霍尔传感器6、磁钢测速盘7，霍尔传感器6和磁钢测速盘7组成运转测速装置，磁钢测速盘7安装于轴芯上，随脚踏曲柄运动，霍尔传感器6安装于自行车车架上并位于磁钢测速盘附近。首先脚踏自行车运行带动磁钢测速盘运转，霍尔传感器检测到运转电信号给电机驱动控制器驱动电机开始工作。电机驱动控制器14与航模外转子无刷电机和变速箱组成一个整体，仅通过一根检测信号线22与霍尔传感器连接，避免布线错杂，影响骑行和美观。电机驱动控制器包括单片机，单片机采用ATmega328P AVR微控制器，分别与单片机连接的电机调速模块、速度检测模块、检测保护电路，电机调速模块与航模外转子无刷电机连接，速度检测模块与霍尔传感器连接，本实施例中，单片机还连接有电源检测模块、无线数据收发处理模块、按钮、LED灯、蜂鸣器、车轮速度陀螺仪传感器组，与无线数据收发处理模块连接的手油门开度检测模块，所述手油门开度检测模块安装于自行车龙头上，包括分别与无线数据收发处理模块连接的显示屏，手油门开关。电源检测模块与锂电池组连接，无线数据收发处理模块包括蓝牙和315M无线遥控模块。在本实施例中，手油门开度检测模块通过蓝牙与电机驱动控制器连接，可以显示骑行速度、公里数、功率、电量等信息，也可以通过手油门开关或智能终端控制航模外转子无刷电机输出。

电机驱动控制系统可实现如下功能：

1、设置电机的输出控制模式为“运动”、“城市”、“休闲”、“长途”、“后备油箱”、“自定义”共六个基本模式，分别代表6种不同的速度控制比例、加速度控制比例和输出控制曲线等参数，前五种是预设模式，可满足绝大多数玩家，自定义模式可以通过智能终端按骑手习惯自行设置速度控制比例、加速度控制比例、输出控制曲线、助力功率和电池保护截止电压等参数，以满足个性玩家需求。

2、锂电池电流电压保护、电机电流保护、电机堵转保护、电机驱动控制器超温保护、油门信号异常或丢失保护等。

3、完善的输入和输出功能控制和显示，基本信息可通过显示屏和蜂鸣器来表示，基本设置可通过315M无线遥控模块和控制按钮来操作，所有设置和显示功能均可通过蓝牙交互到智能终端进行显示和控制。

4、创新内置陀螺仪传感器，时刻感知车辆加速度和倾角等信息，实现更为细腻的操控曲线，比如当陀螺仪传感器感知车辆上坡，既可以根据坡度自动提升助力输出功率，下坡反之；当车辆起步或较大加速时也可自动提升助力输出功率。

电机驱动控制系统还可以根据检测的脚踏速度，按不同比例控制航模外转子无刷电机输出功率，不同的助力模式中功率输出的曲线和最大输出功率是不同的，输出控制需要脚踏速度检测来反馈，也就是说脚踏速度按比例与设置的输出控制曲线进行函数运算后控制电机输出，由于航模外转子无刷电机的可控转速范围较广，在高、中、低速骑行时始终能给中轴装置按控制比例助力，所以骑行者可以通过调节链盘的档位和人力大小来享受骑行乐趣。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.自行车电动助力装置，其特征在于，包括安装在自行车体上的电机，为电机提供电能的锂电池组（1），控制电机运转的电机驱动控制系统，与电机连接的变速箱（3），通过辅助链条（5）与变速箱连接的中轴装置（4），中轴装置与链盘连接。

2.根据权利要求1所述的自行车电动助力装置，其特征在于，所述变速箱包括与电机的转轴连接的第一锥度齿轮（8），与第一锥度齿轮啮合且轴向垂直的第二锥度齿轮（9），通过轴横向连接于第二锥度齿轮上的第一正齿轮（10），与第一正齿轮啮合的第二正齿轮（11），与第二正齿轮连接的输出链轮（12）。

3.根据权利要求2所述的自行车电动助力装置，其特征在于，所述变速箱还包括设于第二正齿轮内的第一单向滚针轴承（13）。

4.根据权利要求3所述的自行车电动助力装置，其特征在于，所述中轴装置包括安装在自行车带有链盘的另一侧并通过辅助链条与输出链轮连接的大链轮（15），与大链轮连接的轴套（17），套接于套内的轴芯（16），安装在轴套上的滚针轴承座（18）和滚针轴承（19），链盘则与轴套的另一侧连接，轴芯两侧与自行车的脚踏曲柄连接。

5.根据权利要求4所述的自行车电动助力装置，其特征在于，所述轴芯上设有位于轴套内的第二单向滚针轴承（21）。

6.根据权利要求5所述的自行车电动助力装置，其特征在于，所述电机驱动控制系统包括与电机连接的电机驱动控制器（14），与电机驱动控制器连接的霍尔传感器（6）、磁钢测速盘（7），所述磁钢测速盘安装于轴芯上，霍尔传感器安装于自行车车架上并位于磁钢测速盘附近。

7.根据权利要求6所述的自行车电动助力装置，其特征在于，所述电机驱动控制器包括单片机，分别与单片机连接的电机调速模块、速度检测模块，所述电机调速模块与电机连接，速度检测模块与霍尔传感器连接，电机驱动控制器还包括与单片机连接的检测保护电路、电源检测模块、无线数据收发处理模块、按钮、LED灯、蜂鸣器，与无线数据收发处理模块连接的手油门开度检测模块，所述电源检测模块与锂电池组连接，所述手油门开度检测模块包括分别与无线数据收发处理模块连接的显示屏，手油门开关。

8.根据权利要求7所述的自行车电动助力装置，其特征在于，所述电机驱动控制系统还包括与单片机连接的车轮速度陀螺仪传感器组，与无线数据收发处理模块连接的智能终端。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的自行车电动助力装置，其特征在于，所述单片机采用ATmega328P AVR微控制器。

10.根据权利要求9所述的自行车电动助力装置，其特征在于，所述电机采用航模外转子无刷电机（2）。