CN102530173A - 轮外驱动式多功能助力自行车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车轮与电机分别配置的、采用轮外驱动方式工作的多功能助力自行车。因为电机与车轮不再需要同步旋转，利用两者之间明显的径差，使得这种车非常适宜采用轻便的高速电机驱动，从而有效的克服目前市场上销售的有齿型与无齿型电动自行车驱动电机存在的重量大、噪音高、结构复杂、功效低的缺点。通过一套离合装置，在电源无电或电器系统发生故障的时候驱动电机能够自动退出运行系统，使得这种车具有与脚踏车相同的人力骑行功能。

Description

轮外驱动式多功能助力自行车

技术领域：

本发明涉及一种能够在驱动电机以额定的最高运行速度运行的时候，驾驶员依然能够很方便的通过脚踏驱动系统助力自行车运行的；在电源无电或电器系统发生故障的时候驱动电机能够自动退出运行系统的、从而使得助力自行车能够象普通的自行车一样骑行的；与普通的铅酸蓄电池相比，使用相同容量的电池、在相同的运行速度时能够多运行至少15％的里程的；能够有效的克服目前市场上销售的有齿型与无齿型电动自行车驱动电机所存在的重量大、噪音高、结构复杂、功效低的缺点的、采用轮外式方法驱动的多功能助力自行车。

背景技术：

目前市场上的各种电动自行车拥有下列明显的缺点：1、没有任何一款电动自行车拥有与普通的自行车相同的人力骑行性能；2、目前各种电动自行车的电机基本上设置在车轮的圆心处，所以只要车在运动，电机都要与车轮同步的运行，在正常的工作条件下，电机与车轮的同步运行是必要，它可以保证电机的正常出力。而在电机或电器控制装置发生故障或电池没电需要人力驱动的情况下，电机这时候的被动运行会消耗掉很大比例的驱动能量；3、在较高的运行速度下，即在电机高速运行的时候，因为人的踏车频率较慢，所以这时候人力很难出力；4、在蓄电池没电或电器系统发生故障的情况下，用人力踏动电动自行车运行相当的费力；做一个简单的比喻：以轻便的锂电池和迷你型电机组合成的助力自行车为例，这两个装置的重量基本上不会超过10Kg，其其余的装置与普通的自行车并没有太大的区别，在电池没电的情况下，用人力驱动电动车运行比用普通的自行车驮载一个成年人运行要费力的多；5、国家相关部门规定电动自行车的最高运行速度不应超过20km/h，对应不同直径的标准制式轮径，其相对应配套电机的输出转速大约为每分钟200至400转。目前配备的电动车电机基本上分为两大类：有内变速齿轮装置的和无内变速齿轮装置的。采用这两种电机驱动电动车分别的存在下列明显的不足。以额定功率为250W的迷你型电机为例：无内变速齿轮装置的直流永磁电机的重量大约需要为5kg；采用高速转子的、然后通过内变速齿轮装置将电机的输出转速降到这一区间的有齿型直流永磁电机的重量大约为3.5kg。就是说，采用高速内转子驱动方式工作的有齿型电机即便增加了一组内变速齿轮装置、单向离合装置以及相应的机壳固定及封闭装置，其总的重量仍然大幅度的低于无齿型电机。这种制式的电机因为转子的启动转速较高，又经过一套齿轮装置减速，所以其启动力矩相对较大。其缺点是：在将大约1000至2000余转的高速转子转速降低到200-300余转的输出转速时，减速齿轮装置自身要消耗掉一部分功率，所以其效率较低；转子与齿轮的高速旋转产生较大的噪音；减速齿轮系统比较容易发生故障而且其使用寿命有限。无齿型电机不需要减速齿轮装置，所以其噪音较低，故障率也比较低。但是为了取得较低的输出转速，需要较大幅度的增加电机的极数(即线包数量)，从而大幅度的提高电机的重量，这也增加了电机的功率损耗，降低了电机的效率，而且这种电机在低压启动时能够输出的扭力较小。所以说目前市场上的电动车电机分别的存在着非常明显的缺陷。6、许多电动车的电机号称具有发电功能，其实这一功能往往没有任何的实用性，我们知道：如果我们用脚直接的踏动自行车，我们出力产生的效率等于总功率减去自行车的运行功耗。如果我们采用所谓的发电型电机的驱动过程驱动电动自行车，那么我们出力产生的效率等于总功率X发电效率X电机的做功效率再减去电动自行车的运行功耗。我们知道，配有铅酸蓄电池的电动自行车的重量往往数倍于普通的自行车，所以在其运行的过程中自身需要的功耗与自行车相比较高，再加上其发电与做功时的功耗，所以电动自行车依靠人力驱动时的功效是非常低的，可以说基本上没有什么实用性。而目前的电动车电机因为与车轮是一个整体，所以在其被动运行时(电池无电或下坡时)，都会产生这一所谓的“发电”过程，在无电运行的情况下，这一“发电功能”使得我们需要付出更多的力；在下坡的时候，这一“发电功能”将阻止电动车的顺畅运行，在坡度足够大(山地)的时候，高速滑行的电机产生的高压电势则有可能击穿控制系统的零部件从而产生故障。7、电动车的电源系统只具有简单的电机驱动功能，在电力不能够保证正常供应的地区，该电源系统不能够同时的提供发电、照明、广播、电视等用电。

发明内容：

本发明的目的是要根据上面所述的电动自行车存在的不足，设计一种具有自行车一样的骑行性能的；将驱动电机设置在车轮之外并且在无电的时候能够自动退出运行的；即具有无齿型电机的工作效率与可靠性的；又具有比有齿型电机更大的启动力矩的；在同时具有有齿型电机和无齿型电机这两种电机优点的同时，重量与这两种电机相比具有极大的降低的；并且能够通过一种简单的风车装置和驱动电机组合使用、用风力为蓄电池充电的；拥有多组人力驱动传动轮变速组合从而在驱动电机最高的工作转速下仍然能够用脚踏动轮盘助力自行车运行的；拥有灵活的应急照明和低压直流电源供电装置的、新型轮外驱动式多功能助力自行车。

这种轮外驱动式多功能助力自行车主要由整体结构得到加强的普通自行车或带有前后轮减震装置和变速装置的山地自行车、驱动电机、电机固定及工作状态调整装置、电机反作用力利用装置、电机与车轮同步转速调整装置、及电机发电时使用的风车装置等组成。其特征是：将这种多功能助力自行车的驱动电机设置在自行车的车轮之外，驱动电机即可以采用外转子式，也可以采用内转子式。在驱动电机的外转子或内转子轴上，设置一个由橡胶或塑料材料制造的磨擦传动轮，将这一磨擦传动轮与自行车的轮胎接触，当电机通电转动时，通过磨擦传动轮带动自行车车轮转动。我们知道，相同额定输出功率的电机，额定转速越高，其体积与重量就会越小。很多时候，采用高速电机配减速机(有齿型电机就可以认为是一个电机配减速机的组合结构)，其总的重量往往也会比直接工作在额定低转速状态的电机要轻。因为这种驱动方式不再需要象电机设置在车轮中心时那样需要保持电机与车轮的同步转速，所以车轮与电机的直径差正好可以转换为车轮与电机的转速差，即大直径的车轮转速慢，小直径的电机转速高，使得车轮与电机都各自工作在自己的最佳工作范围内。从而使得在电机工作在理想的高转速的情况下，取消带来很大弊病的电机内变速装置、离合装置。

这种电机即可以采用内转子式的；也可以采用外转子式的。内转子式的电机在机轴上设置一个由橡胶或塑料材料制造的传动轮；外转子式的电机在外转子上设置一个由橡胶或塑料材料制造的传动轮。因为这一很小直径的主动轮与标准直径的自行车轮存在着很大的转速比(尤其是内转子式的电机，在满足额定输出功率的范围内，设于电机轴端的传动轮的直径可以任意的变化)，所以，我们可以直接的将这两种传动轮与自行车的轮胎直接接触，采用轮外磨擦驱动的工作方式。利用这一高速、小直径电机转子的转动，直接带动大直径的自行车轮转动。因为在这种驱动方式下，电机可以直接工作在比较理想的较高工作转速下，这样我们就可以让这种电机能够很好的同时保留有齿型和无齿型电机的优点，克服这两种电机分别存在的缺点，在满足助力自行车速度要求的情况下，大幅度的降低电机的重量；大幅度的提高电机额定转速；大幅度的提高电机启动特性；取消电机的变速系统与离合系统；大幅度的降低电机运行噪音；大幅度的提高电机工作效率与使用寿命。

由于采用轮外驱动的工作方式，所以只要通过一种简单的离合装置如：由类似于自行车变速控制器与拨链器组成的手把式离合装置；由螺旋推拉杆及固定螺母组成的旋转式离合装置；由扳杆与拉簧装置组成的直扳式离合装置的操作，就可以很方便的使电机与车轮脱离接触，从而在无电的情况下，使该车拥有能够象普通自行车一样的人力骑行功能。

这种轮外式驱动电机即可以设置在前轮之上，也可以设置在后轮的中前部或侧上方。以采用外转子式前轮驱动的轮外驱动式多功能助力自行车为例：这种助力自行车的电机驱动系统由电池、电机、电机控制与调速系统、多功能连接架、螺旋推拉杆、定位轴、定位螺母、扭力弹簧、拉力弹簧、拉簧扳杆、扳杆定位栓、飞轮、磨擦轮、车轮、车叉或车架组成。在驱动电机的外转子上，设置一个磨擦轮，或不设磨擦轮而是将电机外转子的金属表面做的比较粗糙，从而加大其在与车轮轮胎接触时的磨擦系数，保证电机能有一个比较理想的力的输出。将驱动电机的定子机轴固定在一个多功能连接架的一端，在该连接架上的另一端设置一个定位孔，定位轴穿过该定位孔并且与车前叉固定连接。在定位轴上，设置一个扭力可以在一定范围内调节的扭力弹簧，平时可以将扭力弹簧的扭力输出调节在比电机系统的重量略大的范围内，这样，在电机不工作的情况下，利用扭力弹簧的扭力使电机抬高，不与车轮接触，从而方便自行车的滑行和人力骑行。我们知道物理学的一个简单原理是作用力等于反作用力，所以当电机通电运转时，在转子对车轮输出一个驱动力的同时，定子这时受到一个大小相同方向相反的力。因为定子已经通过多功能连接架和定位轴与车叉固定，所以这一反作用力会促使处于多功能连接架另一端的电机得到一个向下运动的扭力，这个扭力随着电机转速的提高而提高，当这个扭力大于扭力弹簧对电机的抬升扭力时，电机就会向下运动，与车轮接触从而驱动车轮前进。电机不工作时，这一反作用力消失，扭力弹簧这时候使电机升高，使其脱离与车轮的接触。还有一种电机定位方法是：在车叉的适当位置处设置一个定位螺母，将螺旋推拉杆旋入螺母之内，螺旋推拉杆的顶端与多功能连接架形成活性连接(即螺旋推拉杆可以自由旋转)，通过螺旋推拉杆向不同方向的旋转，来控制电机与车轮的相互位置。也可以设置一个由扳杆和拉簧组成的离合装置负责驱动电机与自行车轮胎之间的离合。在扳杆上的不同位置，设置多个拉簧着力点，根据需要调整拉簧的拉力，从而能够灵活的调整多功能驱动装置对车轮压力的大小，使这种传动方法能够工作在最佳状态。以上这两种方法的缺点是：需要在电动车静止的条件下来变换电机的工作状态。还有一种是采用由类似于自行车变速控制器与拨链器组成的手把式离合装置，在车把上设置一个旋转把，通过一棵钢丝线与位于电机托架上的一组由弹簧(或拉簧)和扭臂装置组成的离合装置相连接，该弹簧的弹力选定为在无外力作用的条件下，能够托起电机及其附属装置，使其不与轮胎发生接触。

因为这种驱动电机设置在车轮之外，所以其可以很方便的与电池系统组合在一起。在电机的转子上，设置一个传动飞轮，组成一个多功能驱动装置。这一多功能驱动装置即可以通过电机转子上的磨擦轮驱动自行车的车轮运动；也可以通过传动飞轮与链条带动自行车运行；也可以将该飞轮通过链条与一个风车装置连接，使电机做为发电机使用，这种飞轮装置可以很方便的选择与风车装置的速比，使其处于最佳的发电工作状态。

因为电池是一个组合体，如锂电池，其单节电池的额定电压为3.7伏，所以我们可以在其不同的串联连接点引出不同的电压输出，做为一种应急电源为各种电器提供相应的电源，这一功能在无电的时候非常有用。

这种轮外驱动式多功能助力自行车的电机即可以设置在前轮的上方，也可以设置在后轮的前方或上方。

采用加强的自行车或山地车的结构，使得这种多功能助力自行车与目前市场上常见的电动车相比重量明显的降低，而且可以拥有普通的脚踏车的骑行功能。我们知道：人们在城市中骑行自行车时，一般的速度大约为12Km/h，自行车运动员可以比较轻易的将自行车的速度骑行到50Km/h。而国家相关的管理部门给出的电动车最高限速为不超过20Km/h。通过这种车型结构的设置，我们可以相对比较轻松的实现在驱动电机高速运行的条件下，依然能够通过人力踏动脚踏轮盘来帮助该助力自行车的运行。

本发明采用的轮外式驱动技术即可以在相对轻便的脚踏车上与各种新型轻便的高能量密度的电池组合使用；也可以在因为采用传统的铅酸蓄电池所以需要较大车体强度的、目前市场上常见的普通电动车上使用。

附图说明

附图1是一种采用前轮驱动方式的轮外驱动式多功能助力自行车实物图。

附图2是一种采用后轮驱动方式的轮外驱动式多功能助力自行车实物图。

附图3是一种驱动电机能够自动离合的驱动电机系统示意图。

附图4是一种电机手动离合系统的示意图。

附图5是一种电机与电池及控制器分别设置在不同部位时的示意图。

图中标号：电机1、多功能连接架2、螺旋推拉杆3、定位轴4、电池及电机控制器5、定位螺母6、扭力弹簧7、拉力弹簧8、拉簧扳杆9、扳杆定位栓10、飞轮11、磨擦轮12、车轮13、车前叉14。

具体实施方式

附图1是一种采用前轮驱动方式的轮外驱动式多功能助力自行车实物图。附图3是这种驱动电机能够自动离合的驱动电机系统的详细结构示意图。这种助力自行车的电机驱动系统由电机1、多功能连接架2、螺旋推拉杆3、定位轴4、电池及电机控制器5、定位螺母6、扭力弹簧7、飞轮11、磨擦轮12等组成。在驱动电机1的外转子上，设置一个磨擦轮12，或不设磨擦轮而是将电机外转子的金属表面做的比较粗糙，这样能够加大其在与车轮13接触时的磨擦系数，从而保证电机1对车轮能有一个比较理想的力的输出。将驱动电机1的定子机轴固定在多功能连接架2的一端，在该连接架2上的另一端设置一个定位孔，定位轴4穿过该定位孔并且与车前叉14固定连接。在定位轴4上，设置一个扭力大小可以在一定范围内调节的扭力弹簧7，将扭力弹簧的扭力输出调节在比电机系统的重量略大的范围内，这样，在电机不工作的情况下，利用扭力弹簧7的扭力使电机1抬高，不与车轮13接触，从而方便自行车的滑行和人力骑行。本图中，在助力自行车前进时，车轮13顺时针旋转，电机外转子逆时针旋转，电机内定子这个时候受到一个与外转子大小相同、方向相反的、即顺时针的力，因为电机整体与多功能连接架2及定位轴4组合成一个整体，而且通过一个可以在一定范围内旋转的定位轴4与车前叉14单点固定，所以这一反作用力会促使处于多功能连接架2的另一端的电机整体得到一个向下运动的扭力，这个扭力随着电机1转速的提高而提高，当这个扭力大于扭力弹簧对电机的抬升扭力时，电机1就会向下运动，与车轮13接触从而驱动车轮前进。电机1不工作时，这一反作用力消失，扭力弹簧7这时候使电机1升高，使其脱离与车轮13的接触。在车前叉14的适当位置处设置一个定位螺母6，将螺旋推拉杆3旋入定位螺母6之内，螺旋推拉杆的顶端与多功能连接架2形成活性连接(即螺旋推拉杆3可以自由旋转)，通过螺旋推拉杆向不同方向的旋转移动，来控制电机与车轮的相互位置。采用这种电机定位方式，可以保证电机与车轮之间拥有比较可靠的定位。

附图2是一种采用后轮驱动方式的轮外式多功能助力自行车实物图。在这里驱动电机系统通过驱动后轮使助力自行车运行，其驱动结构与驱动原理与驱动前轮的附图1基本相同。

附图4是一种电机手动离合系统的示意图。也可以设置一种由电机1、多功能连接架2、螺旋推拉杆3、定位轴4、定位螺母6、扭力弹簧7、拉力弹簧8、拉簧扳杆9、扳杆定位栓10组成的离合装置负责驱动电机与车轮之间的离合。通过搬动拉簧扳杆9来选择驱动电机与车轮之间的离合。

附图5是一种电机与电池及控制器分别设置在不同不同部位时的示意图。这种轮外驱动式多功能助力自行车的电机1即可以设置在前轮的上方，也可以设置在后轮的前方或上方。电池即可以单独列装，也可以与电机及控制器组合在一起。组合在一起具有下列明显的优点：使整车结构变得相对简单；控制器上移对防水浸故障非常重要，尤其是南方多雨水地区；便于防盗。

Claims (6)

1.一种采用轮外驱动方式的、驱动电机能够自动离合的、电机可以借助一个风车装置发电的、电池可以拥有多组电压输出的多功能助力自行车，这种轮外驱动式多功能助力自行车由电机、多功能连接架、螺旋推拉杆、定位轴、电池及电机控制器、定位螺母、扭力弹簧、拉力弹簧、拉簧扳杆、扳杆定位栓、飞轮、磨擦轮、车轮、前叉、以及助力车的其它车体部分共同组成，其特征是：在驱动电机(1)的外转子上，设置一个磨擦轮(12)，将驱动电机(1)的定子机轴固定在多功能连接架(2)的一端，在该连接架(2)上的另一端设置一个定位孔，定位轴(4)穿过该定位孔并且与车前叉(14)固定连接，在定位轴(4)上，设置一个扭力大小可以在一定范围内调节的扭力弹簧(7)，将扭力弹簧的扭力输出调节在比电机系统的重量略大的范围内，这样，在电机不工作的情况下，利用扭力弹簧(7)的扭力使电机1抬高，不与车轮(13)接触，从而方便自行车的滑行和人力骑行；在助力自行车前进时，车轮13顺时针旋转，电机外转子逆时针旋转，电机内定子这个时候受到一个与外转子大小相同、方向相反的、即顺时针的力，因为电机整体与多功能连接架(2)及定位轴(4)组合成一个整体，而且通过定位轴(4)与车前叉(14)单点固定，所以这一反作用力会使处于多功能连接架(2)的另一端的电机整体得到一个向下运动的扭力，这个扭力随着电机(1)转速的提高而提高，当这个扭力大于扭力弹簧对电机的抬升扭力时，电机(1)就会向下运动，与车轮(13)接触从而驱动车轮前进；电机(1)不工作时，这一反作用力消失，扭力弹簧(7)这时候使电机(1)升高，使其脱离与车轮(13)的接触；在车前叉(14)上设置一个定位螺母(6)，将螺旋推拉杆(3)旋入定位螺母(6)之内，螺旋推拉杆的顶端与多功能连接架(2)形成活性连接，通过螺旋推拉杆(3)向不同方向的旋转，来控制电机(1)与车轮(13)的相互位置。

2.根据权利要求1所述的轮外式多功能助力自行车，其特征是：电机(1)也可以设置在后车轮(13)的中前方或侧上方，其驱动结构与驱动原理与驱动前轮时基本相同。

3.根据权利要求1所述的轮外式多功能助力自行车，其特征是：设置一种由电机(1)、多功能连接架(2)、螺旋推拉杆(3)、定位轴(4)、定位螺母(6)、扭力弹簧(7)、拉力弹簧(8)、拉簧扳杆(9)、扳杆定位栓(10)组成的离合装置负责驱动电机(1)与自行车车轮(13)之间的离合。通过搬动拉簧扳杆(9)来选择驱动电机与车轮之间的离合。

4.根据权利要求1所述的轮外式多功能助力自行车，其特征是：可以采用由类似于自行车变速控制器与拨链器组成的手把式操作的离合装置，在车把上设置一个旋转把，通过一棵钢丝线与位于电机托架上的一组由弹簧(或拉簧)和扭臂装置组成的离合装置相连接，该弹簧的弹力选定为在无外力作用的条件下，能够托起电机及其附属装置，使其不与轮胎发生接触。

5.根据权利要求1所述的轮外式多功能助力自行车，其特征是：在电机(1)的转子上，设置一个传动飞轮(11)，可以将该飞轮(11)通过链条与一个风车装置连接，使电机(1)做为发电机使用。

6.根据权利要求1所述的轮外式多功能助力自行车，其特征是：电机(1)可以与电池及电机控制器(5)组合在一起，在电池不同的串联连接点引出不同电压的多组输出。

Images