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用于自行车的曲柄传动机构

阅读：592发布：2023-02-10

专利汇可以提供用于自行车的曲柄传动机构专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种用于自行车的曲柄传动机构以及一种具有一电动机式的辅助驱动机构（10）和一这类曲柄传动机构（1）的自行车，所述曲柄传动机构包括一踏板曲柄轴（4）、两个踏板曲柄（3、5）和一用于检测施加到所述踏板曲柄轴（4）上的转矩的转矩传感器系统（50），所述踏板曲柄固定在所述踏板曲柄轴（4）的自由的端部上，其中，所述转矩传感器系统构造为压电传感器系统（50）。，下面是用于自行车的曲柄传动机构专利的具体信息内容。

权利要求

1.用于自行车（2）的曲柄传动机构，包括：
-一踏板曲柄轴（4），
-两个踏板曲柄（3、5），所述踏板曲柄固定在所述踏板曲柄轴（4）的自由的端部上，和-一用于检测施加到所述踏板曲柄轴（4）上的转矩的转矩传感器系统（50），-其中，所述转矩传感器系统构造为压电传感器系统（50）。
2.根据权利要求1所述的曲柄传动机构，其特征在于，所述踏板曲柄轴（4）是所述传感器系统（50）的一部分，所述踏板曲柄轴具有一带有齿（6A）的外齿部（6），所述齿布置在一内齿部（11）的齿（11A）对面，所述内齿部的齿是压套到所述踏板曲柄轴（4）上的传感器套筒（7）的一部分，其中，在所述外齿部（6）的齿（6A）和所述内齿部（11）的齿（11A）之间布置有至少一个压电元件（51、52）。
3.根据权利要求2所述的曲柄传动机构，其特征在于，所述传感器套筒（7）在一端部（7A）上具有一外齿圈（8），所述外齿圈啮合到辅助驱动机构（10）的一传动齿轮（9）中。
4.根据权利要求2或3所述的曲柄传动机构，其特征在于，在所述传感器套筒（7）的另一端部（7B）上布置有一用于所述踏板曲柄轴（4）的压配合装置（21）。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的曲柄传动机构，其特征在于，在所述传感器套筒（7）的外壁（22）上大致居中地布置有至少两个彼此间隔开的金属环（12、13;120、121、130、
131），所述金属环与所述传感器套筒（7）电地分开。
6.根据权利要求5所述的曲柄传动机构，其特征在于，所述金属环（12、13;120、121、
130、131）通过导线与所述传感器套筒（7）的内齿部（11）及所述踏板曲柄轴（4）的外齿部（6）之间的所述压电元件连接，优选通过集成在所述传感器套筒（7）中的导线与所述传感器套筒（7）的内齿部（11）及所述踏板曲柄轴（4）的外齿部（6）之间的所述压电元件连接。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的曲柄传动机构，其特征在于，一塑料套筒（14）布置在整个踏板曲柄轴（4）上，所述塑料套筒能够绕所述踏板曲柄轴（4）自由地转动。
8.根据权利要求7所述的曲柄传动机构，其特征在于，所述塑料套筒（14）在其内壁（18）上设有至少两个间隔开的金属环（16、17），所述金属环各与一向外引导的导线（19、
20）连接并且所述金属环在所述塑料套筒（14）装配在所述踏板曲柄轴（4）上的状态下布置在所述踏板曲柄轴的金属环（12、13）之上。
9.根据权利要求7或8所述的曲柄传动机构，其特征在于，所述塑料套筒（14）在它的端部中的一个或两个端部上分别通过一轴承（25）支承在所述踏板曲柄轴（4）上。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的曲柄传动机构，其特征在于，所述踏板曲柄轴（4）的外齿部（6）构造为局部的齿部。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的曲柄传动机构，其特征在于一电动机式的辅助驱动机构（10）。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的曲柄传动机构，其特征在于，所述外齿部（6）将所述踏板曲柄轴（4）在它的长度上分成大致1/3比2/3。
13.具有一曲柄传动机构（1）的自行车，包括：
-一踏板曲柄轴（4），两个踏板曲柄（3、5）和一用于检测施加到所述踏板曲柄轴（4）上的转矩的转矩传感器系统（50），所述踏板曲柄固定在所述踏板曲柄轴（4）的自由的端部上，
-其中，所述转矩传感器系统构造为压电传感器系统（50）。
14.根据权利要求13所述的自行车，其特征在于权利要求2至12的特征中的至少一个特征。
15.具有一轴（4）的传感器系统（50），所述轴具有一带有齿（6A）的外齿部（6），所述齿布置在一内齿部（11）的齿（11A）对面，所述内齿部的齿是压套到所述轴（4）上的传感器套筒（7）的一部分，其中，在所述外齿部（6）的齿（6A）和所述内齿部（11）的齿（11A）之间布置有至少一个压电元件（51、52）。
1.用于自行车（2）的曲柄传动机构，包括：
-一踏板曲柄轴（4），
-两个踏板曲柄（3、5），所述踏板曲柄固定在所述踏板曲柄轴（4）的自由的端部上，和-一用于检测施加到所述踏板曲柄轴（4）上的转矩的转矩传感器系统（50），-其中，所述转矩传感器系统构造为压电传感器系统（50）,
其特征在于，
所述踏板曲柄轴（4）是所述传感器系统（50）的一部分，所述踏板曲柄轴具有一带有齿（6A）的外齿部（6），所述齿布置在一内齿部（11）的齿（11A）对面，所述内齿部的齿是压套到所述踏板曲柄轴（4）上的传感器套筒（7）的一部分，其中，在所述外齿部（6）的齿（6A）和所述内齿部（11）的齿（11A）之间布置有至少一个压电元件（51、52）。
2.根据权利要求1所述的曲柄传动机构，其特征在于，所述传感器套筒（7）在一端部（7A）上具有一外齿圈（8），所述外齿圈啮合到辅助驱动机构（10）的一传动齿轮（9）中。
3.根据权利要求1或2所述的曲柄传动机构，其特征在于，在所述传感器套筒（7）的另一端部（7B）上布置有一用于所述踏板曲柄轴（4）的压配合装置（21）。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的曲柄传动机构，其特征在于，在所述传感器套筒（7）的外壁（22）上大致居中地布置有至少两个彼此间隔开的金属环（12、13;120、121、130、
131），所述金属环与所述传感器套筒（7）电地分开。
5.根据权利要求4所述的曲柄传动机构，其特征在于，所述金属环（12、13;120、121、
130、131）通过导线与所述传感器套筒（7）的内齿部（11）及所述踏板曲柄轴（4）的外齿部（6）之间的所述压电元件连接，优选通过集成在所述传感器套筒（7）中的导线与所述传感器套筒（7）的内齿部（11）及所述踏板曲柄轴（4）的外齿部（6）之间的所述压电元件连接。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的曲柄传动机构，其特征在于，一塑料套筒（14）布置在整个踏板曲柄轴（4）上，所述塑料套筒能够绕所述踏板曲柄轴（4）自由地转动。
7.根据权利要求6所述的曲柄传动机构，其特征在于，所述塑料套筒（14）在其内壁（18）上设有至少两个间隔开的金属环（16、17），所述金属环各与一向外引导的导线（19、
20）连接并且所述金属环在所述塑料套筒（14）装配在所述踏板曲柄轴（4）上的状态下布置在所述踏板曲柄轴的金属环（12、13）之上。
8.根据权利要求6或7所述的曲柄传动机构，其特征在于，所述塑料套筒（14）在它的端部中的一个或两个端部上分别通过一轴承（25）支承在所述踏板曲柄轴（4）上。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的曲柄传动机构，其特征在于，所述踏板曲柄轴（4）的外齿部（6）构造为局部的齿部。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的曲柄传动机构，其特征在于一电动机式的辅助驱动机构（10）。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的曲柄传动机构，其特征在于，所述外齿部（6）将所述踏板曲柄轴（4）在它的长度上分成大致1/3比2/3。
12.具有一曲柄传动机构（1）的自行车，包括：
-一踏板曲柄轴（4），两个踏板曲柄（3、5）和一用于检测施加到所述踏板曲柄轴（4）上的转矩的转矩传感器系统（50），所述踏板曲柄固定在所述踏板曲柄轴（4）的自由的端部上，

说明书全文

用于自行车的曲柄传动机构

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于自行车的曲柄传动机构，一种具有一这类曲柄传动机构的自行车以及一种传感器系统。

背景技术

[0002] 对于具有一种电动机式的辅助驱动机构的自行车（这些自行车也称为“智能电动车（Pedelecs）”或电动自行车）来说需要传感器系统，该传感器系统检测骑车人的踩踏频率（行驶愿望）。该传感器系统理想地应该集成在踏板曲柄轴中，以便将从踏板曲柄向所述传感器系统的信号链保持得尽可能短。尤其为了在坡上起动时得到更好的行为，用于踩踏频率和转矩的传感器组合是值得希望的。

[0003] 因为自行车的踏板曲柄轴涉及完全旋转的轴，出于使用寿命的原因，无接触的传感器系统是有利的。踩踏频率传感器（确定踏板曲柄轴的旋转速度）能够容易地以传统的环形磁体和霍尔传感器实现为无接触的测量系统。但是，这在转矩传感器系统中较困难。目前，已知的系统大多在感应的基础上工作。但是，这些系统具有缺点，即，这些系统极容易对干扰的磁场作出反应。

[0004] 因此，这类系统通过替换所述磁体或通过去除所述磁体来处理。由此，在较高的行驶功率时产生问题，这是因为这类功率提高是违反法律的，并且在产生较低的行驶功率时会导致不希望的功率损失。此外，通过这类处理能够使整个系统完全脱离运行。此外，基于必要的磁化特性而大多需要特殊材料，所述特殊材料与传统材料、如钢相比较贵并且经常不能经受相同的机械应力。

发明内容

[0005] 因此而值得希望的是，提供一种用于自行车的曲柄传动机构以及一种具有这类曲柄传动机构的自行车，其中，能够在踏板曲柄轴中无接触地检测转矩，而不必忍受已知的感应式系统的缺点。

[0006] 根据本发明的曲柄传动机构和根据本发明的自行车具有用于检测施加在踏板曲柄轴上的转矩的无接触工作的传感器系统的优点，其中，该传感器系统此外相对于磁性的干扰影响不敏感。此外得到如下优点，即，对于根据本发明的曲柄传动机构和根据本发明的自行车能够最大程度上使用标准材料。

[0007] 具体地，根据本发明的曲柄传动机构具有一踏板曲柄轴，在该踏板曲柄轴的自由的端部上固定有踏板曲柄。此外，曲柄传动机构设有一电动机式的辅助驱动机构和一转矩传感器系统，这使如下成为可能，即，检测施加到踏板曲柄轴上的转矩。在此情况下，转矩传感器系统构造为压电传感器系统，该压电传感器系统使前面具体提到的优点的实现、如尤其相对于磁性干扰影响的不敏感性成为可能。

[0008] 从属权利要求具有本发明的有利的改进方案的内容。

[0009] 因为在一特别优选的实施方式中所述踏板曲柄轴是所述传感器系统的一部分，所以获得极其紧凑的构造方式的优点，此外，该构造方式使待制造的并且待装配的构件的最小化成为可能。

[0010] 本发明的曲柄传动装置系统的紧凑性还通过如下方式来改进，即，将传感器套筒套置、优选压套在所述踏板曲柄轴上，该传感器套筒具有内齿部，该内齿部与踏板曲柄轴的外齿部通过如下方式共同作用，即，在外齿部的齿和内齿部的齿之间布置有至少一个压电元件。由此，在踏板曲柄轴的旋转方向上的转矩检测是可能的。替代地，为了在两个旋转方向上的检测转矩而设置两个压电元件。

[0011] 整个结构的另一简化方案由此得出，即，在传感器套筒上在该传感器套筒的一端部上安置一外齿圈，该外齿圈啮合到辅助驱动机构的一传动齿轮中。

[0012] 此外，在传感器套筒和踏板曲柄轴之间的连接能够通过如下方式被简化，即，在传感器套筒的另一个端部上设置用于将所述传感器套筒固定在所述踏板曲柄轴上的压配合装置。

[0013] 整个结构的另一简化方案通过这种情况得出，即，在传感器套筒的外壁上布置有至少两个彼此间隔开的金属环，所述金属环与传感器套筒电地（galvanisch）分开并且与在传感器套筒的内齿部和踏板曲柄轴的外齿部之间的压电元件连接。替代地，也可以设置两个压电元件，用于沿两个转动方向的转矩检测。

[0014] 此外，优选地在踏板曲柄轴上布置有一塑料套筒，该塑料套筒遮盖踏板曲柄轴的整个长度并且该塑料套筒设置得能够相对于所述踏板曲柄轴自由转动。

[0015] 该塑料套筒在它的内壁上设有至少两个（或替代地四个）间隔开的金属环，所述金属环在塑料套筒装配在踏板曲柄轴上的状态下布置在该踏板曲柄轴的金属环之上，这同样有利地有助于根据本发明的曲柄传动机构的整个结构的紧凑性。

[0016] 塑料套筒优选在一端部上通过一轴承、优选一球轴承支承在踏板曲柄轴上。但是，也可能的是，塑料套筒的两个端部分别通过一轴承、优选一球轴承支承在踏板曲柄轴上。

[0017] 在权利要求13和14中，将根据本发明的自行车限定为能单独出售的物品。

[0018] 在权利要求15中限定了传感器系统作为能单独出售的物品。附图说明

[0019] 下面参考附图详细地描述本发明的实施例。在附图中：

[0020] 图1具有集成的电动机式的辅助驱动机构的自行车的示意性视图，[0021] 图2根据本发明的曲柄传动机构的示意性视图，

[0022] 图3根据本发明的第一实施例的曲柄传动机构的踏板曲柄轴的示意性视图，[0023] 图4图3的踏板曲柄轴的示意性剖视图，

[0024] 图5图3的踏板曲柄轴的示意性纵剖图，

[0025] 图6根据本发明的第二实施例的曲柄传动机构的踏板曲柄轴的示意性图，[0026] 图7图6的踏板曲柄轴的示意性剖视图，

[0027] 图8图6的踏板曲柄轴的示意性纵剖图，

[0028] 图9踏板曲柄轴以及曲柄传动机构的塑料套筒的示意性视图，

[0029] 图10安装在踏板曲柄轴上的转矩传感器系统的示意性剖视图，和[0030] 图11用于得到根据本发明的曲柄传动机构的转矩的功能原理的示意性视图。

具体实施方式

[0031] 下面参考图1至图5，根据第一优选实施例详细地描述用于自行车的根据本发明的曲柄传动机构1以及具有电的辅助驱动机构和这类曲柄传动机构1的自行车。

[0032] 图1示出具有一集成的电的附加驱动机构或中央驱动机构的自行车2的示意性视图。如从图1可看出，中央驱动机构包括曲柄传动机构1、电的或电动机式的辅助驱动机构10、控制单元15、操作单元28和可再充电的能量源27。电动机式的辅助驱动机构10布置在下管26的下方并且在行驶方向上布置在自行车2的曲柄传动机构1的前面并且固定在下管26上。曲柄传动机构1具有踏板曲柄轴4，在该踏板曲柄轴的自由的端部上固定有踏板曲柄3或踏板曲柄5。如从图1可进一步看出，控制单元15固定在下管26上并且与电动机式的辅助驱动机构10和在自行车2的车把30上的操作单元28连通。此外，控制单元15为了能量供应而同样如电动机式的辅助驱动机构10那样联接在可再充电的能量源27上，该能量源布置在下管26和上管29之间的上部的框架三角中。电动机式的辅助驱动机构10通过固定在曲柄传动机构1上的齿轮17借助于齿带33连接，该齿带直接与链轮承载件31相邻地布置在曲柄传动机构1的相同的侧上。链轮承载件31与布置在自行车的后轮上的驱动小齿轮25通过链条28连接。

[0033] 如从图2可看出，此外，曲柄传动机构1包括具有传感器套筒7的传感器系统50，在该传感器套筒的一个端部7A上（参看图4和图5）布置外齿圈8，该外齿圈啮合到辅助驱动机构10的传动齿轮9中。踏板曲柄轴4，如从图4可看出那样，在此情况下为传感器系统50的一部分并且具有局部的齿部（齿部，该齿部沿纵向方向不连贯地和/或不完整地绕360°环绕地构造）或外齿部6，所述局部的齿部或外齿部将踏板曲柄轴4在它的长度上优选分成大致1/3比2/3的比例。外齿部6具有齿6A，所述齿布置在内齿部11的齿11A对面，所述内齿部的齿是压套到踏板曲柄轴4上的传感器套筒7的一部分。在外齿部6的齿
6A和内齿部11的齿11A之间布置有用于在以箭头R标记的转动方向的方向上检测转矩的至少一个压电元件51（见图3和图4）。

[0034] 在传感器套筒7的另一个端部7B上，如从图5可看出那样设置有一压配合装置21，借助于该压配合装置将传感器套筒7固定在踏板曲柄轴4上。此外，如从图3可看出那样，在传感器套筒7的外壁22上大致居中地布置有两个彼此间隔开的金属环12、13，这些金属环由传感器套筒7电地分开。金属环12、13通过优选集成在传感器套筒7中的、在这里不能看见的导线与压电元件51连接。塑料套筒14，如从图9可进一步看出那样，在箭头P的方向上在整个踏板曲柄轴4上移动。塑料套筒14借助于一布置在一端部上的轴承25以如下方式支承在踏板曲柄轴4上，从而使得保证在踏板曲柄轴4和塑料套筒14之间不变的间距并且塑料套筒14能够自由地转动。替代地，塑料套筒14也借助于两个轴承支撑在所述踏板曲柄轴4上。

[0035] 塑料套筒14在内壁18上同样具有两个间隔开的金属环16、17，所述金属环在将塑料套筒14装配在踏板曲柄轴4上的状态下在踏板曲柄轴的金属环12、13之上或沿径向对置地布置。所述金属环16、17各与一用于向控制单元15信号传递的向外引导的导线19、20连接。如从图10可看出，在传感器套筒7的外侧面22上的有传导能力的金属环12、13与在塑料套筒14的内侧面18上的金属环16、17一起作为以空气作为电介质的耦合电容器
40起作用，所述空气处于其间的间距中。

[0036] 作用链以由骑车人施加在踏板曲柄3、5上的转矩开始，该转矩使踏板曲柄轴4转动。然后，通过在踏板曲柄轴4上压套的传感器套筒7将以转矩形式的踏板曲柄力传递到传动齿轮9上，该传动齿轮啮合到传感器套筒7的外齿圈8中。因为传感器套筒7只在端部7A处压套到踏板曲柄轴4上，所以产生传感器套筒7的在压配合装置21和外齿圈8之间的弹性扭转。该扭转的强度取决于传感器套筒7的材料和几何尺寸（壁厚/长度）以及压配合装置21的长度。通过这些参数能够进行扭转强度的调节/适配。

[0037] 通过传感器套筒7的外齿圈8或内齿部11相对于踏板曲柄轴4的扭转，在内齿部11和外齿部6之间的中间空间中布置的压电元件51通过所述中间空间的变小而经受力作用。通过该力作用由压电元件51的晶体产生电压，该电压导出到传感器套筒7的金属环
12、13上。该结构上的实施方案优选这样设计，使得在转矩为零、即没有力作用时几乎没有电压产生。为了在转矩检测时没有负的偏移量（Offset）出现，但是，应该保证在压电元件和踏板曲柄轴4或传感器套筒7之间的即使很小的基本夹紧（Grundverspannung）。相应于置入的转矩，使到压电晶体上的力作用提高或降低。因此，也使导出到金属环12、13上的电位差（电压）提高或降低。

[0038] 该电位区别直接取决于置入的转矩并且可以通过待确定的、与系统相关的传递函数F（参看图11）计算出所述电位区别。所述传递函数的类型和结构可以通过扭转的参数和使用的压电材料来影响/适配。

[0039] 将传感器套筒7的两个金属环12、13的电位差传递到塑料套筒14的金属环16、17上通过电容性耦合或借助于所述耦合电容器40进行。为此，分别配属的金属环12、13;16、17必须如上面描述的那样布置在踏板曲柄轴4或塑料套筒14上。通过在踏板曲柄轴4和塑料套筒7之间的轴承25使踏板曲柄轴4保持自由转动并且传感器信号可以在没有附加构件，例如滑动触点或诸如此类的情况下分接（abgegriffen）在塑料套筒14上。如从图11可进一步看出那样，将耦合电容器40的电容C40为了处理信号而输送给后接于所述传感器系统50的运算放大器41，该运算放大器的电路设计取决于自行车2的对应使用方式。

[0040] 耦合电容器40的电容C40示例性如下地计算：

[0041] 传感器套筒半径：r=20mm

[0042] 金属环的宽度：b=15mm

[0043] 金属环的平均间距：d=0.5mm

[0044] 电介质空气：ε=8.854×10-12As/Vm

[0045] A=2π×r×b=1885mm2

[0046] C40=ε×A/d=3.77m×8.854×10-12As/Vm=33.38pF

[0047] 从该示例计算可看出，如果传感器套筒7的外半径为大约2.5cm，金属环12、13;16、17的宽度等于1.5cm并且在对置的金属环12、13;16、17之间的间距为大约0.5mm，则大约30pF的耦合电容C40完全能够达到。对于该计算近似地使用用于以空气作为电介质的理想的板式电容器的公式。

[0048] 下面参考图6至图8根据第二优选实施例详尽地描述根据本发明的曲柄传动机构1。在这里，相同的或功能相同的构件以像在第一实施例中那样的同样的附图标记标记。

[0049] 与前面描述的第一实施例相比，在此情况下，为了转矩检测，如从图7可看出那样，两个压电元件51设置在外齿部6的齿6A和内齿部11的齿11A之间。此外，如从图6和图8可看出那样，在传感器套筒7的外壁22上布置有四个与该传感器套筒电地分开的金属环120、121、130、131。同样像在第一实施例中那样，在这里未示出的塑料套筒相应地设置有四个布置在该塑料套筒的内壁上的金属环，所述塑料套筒在踏板曲柄轴4上移动。这些金属环同样各与一用于信号传递的向外引导的导线连接。通过该布置使得能够实现在踏板曲柄轴4的两个可能的转动方向上的简单的并且运行可靠的转矩检测。如此外图7说明的那样，此外可能的是，相对于压电元件51和52设置附加的压电元件51＇和52＇。通过这些附加的压电元件51＇和52＇能够有利地实现造成信号放大，这是因为在将配属的中间空间变小时，在两个转动方向上以力加载各两个压电元件，从而使得得到信号放大。

[0050] 根据本发明的曲柄传动机构1借助于转矩传感器装置50提供借助于所述压电传感器系统50无接触地检测施加在踏板曲柄轴4上的转矩，该压电传感器系统相对于磁性的干扰影响是很大程度上不敏感的。此外，对于使用的构件来说可以使用最大程度上成本低廉的标准材料，所述标准材料也在行驶运行中承受最高的机械应力。

[0051] 虽然上面以用于自行车的曲柄传动机构为例阐述了传感器系统50，但是传感器系统50不限制于该使用目的。确切地说，所述传感器系统是能单独出售的物品，该物品可以在轴的情况下使用用于转矩测量，所述轴为另外的技术系统的部件。

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