液压电动助力自行车暨液压前后驱动越野自行车

摘要

本发明是液压电动助力自行车以及液压前后驱动越野自行车，可用于电动自行车和山地自行车领域。现有普通电动自行车电力与人互不相关，电池费用高，整车重而不安全，难以符合新国标；可现有助力式电动自行车缺乏物美价廉的转矩传感器。现有自行车只能在后轮产生转矩，根本无法做到前后轮同步产生转矩，影响越野性能。而现有液压传动系统液压能利用率低也不适应脚踏体能的转换。本发明用专门设计的全封闭液压传动系统取代链传动转置，可在不影响转向性能同时同步地驱动前后主动轮。并且将价廉物美的压力传感器取代现用各种直接检测施转轴转矩的转矩传感器，用于助力式电动自行车。摘要附图是脚踏驱动系统液压回路图。

说明书

技术领域：电动自行车和山地自行车 

背景技术：本专利用到的现有技术可从下列参考文献中引证： 

1.《电动自行车实用技术》天津自行车行业生产力促进中心专家库成员编著人民邮电出版社2008.05 

2.《液压传动设计指南》张利平编著化学工业出版社2009.09 

3.《传感器技术与应用》金发庆编著机械工业出版社2006.01 

组成自行车的基本结构有：车体部分、制动部分、车轮部分、脚踏驱动部分。 

而电动助力自行车还增加了电力驱动系统，它由蓄电池及充电器，电动机，助力传感器及控制器组成。 

电动自行车的车体系统是整个车的主体部分，即是全部零件的安装之体，又是决定整车骑行性能的关键，它主要包括车把、前叉、车架三大部分组成，现有设计内容在文献1《电动自行车实用技术》中有详细阐述。 

车架是电动自行车各零部件安装依附的主要部件，本专利仍然使用现有的刚性车架或减震车架的结构形式，而且车架前管和车架后接头，立管孔仍使用现有的标准尺寸和形式，见文献1中的11页～13页；而本专利中接头不再设安装中轴的横管，改用固定左右侧液压泵的钢板接片；同时加宽车架后平叉开档，并加大后平叉接片用来安装固定后轮左右侧的摆动马达飞轮，而接片开口选用前开口或垂直开口式，不用后开口式。车架的选用和制造、安全要求见文献1的13页～15页。 

前叉部分是整车重要组成部分，它支撑前轮，具有转向功能，可保持骑行平稳。结构形式上本专利选用普通型减震前叉式或加紧式减震前叉，就是在前叉的左右叉腿处设计弹簧装置，在骑行山地车式电动车时可减弱人体对地面颠簸或冲击带来的震动。本专利对现有前叉改变是加宽了前叉开档的尺寸(与车架后平叉开档相等)，并加大了左右侧的腿接片，用于安装前轮的左右侧摆动马达飞轮。而减震前叉技术要求和质量性能、前叉的选用仍采用文献1中33页～40页的内容。车把与前叉组合一起成为电动自行车的转向机构，同时车把还要支撑骑车人体双臂，保持骑行稳定。本专利没有对现有的车把设计作任何特别要求或改动，直接采用文献1中的41页～46页内容进行设计。 

车架、前叉的结构参数选择和受力分析还是使用文献1的15页～27页内容进行。 

蓄电池安装位置要考虑其对整车重心的影响，见文献1的31页～32页，有车架上管处，车架下管与立管之间，车架立管与后车轮之间，衣架上方或左、右侧。而本产品没有中轴，比现有设计更容易安置蓄电池。 

电动自行车制动系统是保障自行车骑行安全的重要部分，它有轮缘闸、轮毂闸、盘形闸三大类，本专利没作任何改动，但根据本专利特点，只能选用轮缘闸，其中钳形闸制动系统应用最广，产品最多，闸把与闸体是采用钢绳和软管传递制动力；制动时，两侧闸体同时夹持轮辋两侧实现减速或制动；整体结构减少了轮辋轴向摆动对制动性能影响，保持制动平稳。为此必须在车架立叉和前叉腿焊接托架组件，该托架组件上的￠8销轴要与闸臂孔有良好的配合，且托架组件焊接的位置和销轴要有精确的垂直度。具体钳形闸的设计见文献1的99页和104-112页。 

现有车轮部分由轮胎、前后轮的车辋、辐条、前后轴组成，本专利车轮部分延用这一结构，但前后轮被设计成完全相同结构和尺寸，与现有的后车轮再增加左侧飞轮之后相同。 

轮胎仍采用现有类型，要考虑与轮辋相同的接口类型和尺寸，轮辋的规格品种很多，都可用于本专利，如文献1的47-52页所述。前后轮的轮辋类型相同，条孔数也相同。 

前、后轴是前、后轮的支撑和旋转中心。前、后轴的轴身由左、右花盘和轴管三件过盈配合而成；轴承由装配在左、右花盘中的轴碗、钢球(或球架)、轴挡，通过轴棍与轴身组合，形成一套完整的前、后轴。同时，通过轴棍两端的螺母和垫圈，将前、后轴分别安装紧固在前叉、车架后平叉上。本发明将前、后轴的轴棍设计成空心，兼作为液压回路的一部分。现有的飞轮后轴是将右花盘部位的圆柱面作成右飞轮芯子，在上面安装千斤，千斤簧，与设有内棘齿的外套组成单向传动的间歇机构。轮毂电动机的设计见文献1的56-57页和第三篇电动机136-195页。 

辐条是连接前后轮辋和前后轴的重要零件。根据本发明的前后轮都是主动轮，左右侧完全对称，是完全相同的特点。辐条的抗拉强度、长短、粗细和轮辋编织设计时辐条数量、车轮编织方法都是参照现有自行车的后轴带飞轮的右花盘的辐条相同设计。如文献的59-66页。 

脚踏驱动系统是自行车能实现向前行进的关键装置，是本发明的创新所在。现有自行车脚踏驱动系统包括左右脚蹬、左右曲柄、链轮、链条、、右侧后轴飞轮组成。本发明完全放弃现行的链传动装置，改用液压传动。不再设置链轮和链条。保留脚蹬、曲柄，并改造和增设了飞轮。 

脚蹬是自行车驱动系统的首要环节，本发明完全继承了现有脚蹬各种设计，如文献1的67-72页。 

液压传动系统的设计是参考文献2《液压传动设计指南》，现有的液压传动系统由能源元件、执行元件、控制元件、辅助元件和工作介质组成。本发明根据人踩踏运动特点，不采用现在使用的各种液压泵作为能源元件，而是参照叶片式摆动液压马达的结构设计了左、右两侧叶片式摆动液压泵。而执行元件是在前后轮的左右侧对称的设计了两组四个活塞式摆动液压马达飞轮，它们的计算参数和技术规格见文献2的158-161页和229-230页。本发明的全封闭液压回路不用复杂的控制元件和庞大的油箱、蓄能器等辅助元件，只保留使用管件和压力测量两类辅助元件。 

油管、管接头、管夹统称管件。油管有硬管和软管(橡胶管或尼龙管)。油管规格尺寸多由它连接的液压元件的油口尺寸决定，GB/T2351-1993对液压系统用硬管外径和软管内径进行了规定。管接头用于管子与液压元件，管子与三通接头，管子与管子之间的连接。建议使用结构简单的扩口式管接头和软管总成。管夹功用是支撑和固定液压管路。管件选择与布置见文献2的30页和100-108页；常用标准见文献2的194-195页；管接头的结构类型见文献2的243页。本发明前后轴的轴棍设计为中空，用于联通左、右两侧活塞式摆动液压马达飞轮的回位油口。这样就形成了独特的完全封闭液压系统。本发明用到的压力测量元件是压力传感器。 

液压工作介质的选定时考虑的功用主要是载能和润滑，冷却不重要，具体参考文献2的30-31页。 

本发明使用的曲柄与现有曲柄的技术要求与长度的选择都是相同的。但不使用一体曲柄和右侧链轮，可使用方孔曲柄或花键曲柄，具体见文献1的17页和78-79页。 

飞轮是自行车在骑行中，将人力蹬踏动作转换为自行车前进机构的重要组成部分。为了减少骑车人体能消耗和本发明左右两侧摆动液压马达交替出力作功与回位，自行车飞轮都设计成单向的间歇机构。飞轮由：外套；平档；芯子；；千斤簧；千斤；芯子垫圈；丝档七个零件组成，如文献的82页。或者是车轴花盘外侧圆柱面作成芯子，在此芯子上设密封圈；钢球(或球架)；千斤，千斤簧；轴挡；轴承；外套；防尘圈与车轴设计为一整体，如文献1的56页。 

产生间歇动作的机构主要由外套内圆的棘齿，和安装在芯子上的千斤、千斤簧组成。 

现有自行车只在后轮右侧设置了右侧飞轮。当带动右侧飞轮外套顺时针旋转时，外套内圆的棘齿推动千斤(连同芯子)同时顺时针旋转，进而推动后轮转动，前轮为从动轮，使整车前进。当外套停止转动而整车靠惯性前进时，芯子和千斤仍然在顺时针转动，但此时在外套棘齿斜面作用下将千斤压入到芯子的千斤槽内，千斤失去作用。 

技术要求是：飞轮强度是飞轮传递扭矩的保证，飞轮沿驱动方向施加4900N的力，飞轮应无损坏。飞轮棘齿应与齿条正确啮合。飞轮的维护保养见文献1的83页。 

电动助力自行车的转矩助力骑行，就是在自行车已经有的脚踏驱动系统基础上优化设计与之匹配电力驱动系统。就是通过助力传感器检测骑行时脚踏力的大小，然后将信号(或放大后)送到控制器MCU的A/D口，再由MCU控制电动机电流，进而得到与人脚踏转矩成正比的电动机输出转矩。电力与人力的驱动比称为助力比，现有控制器提供助力比为1∶1或2∶1功能。使用电力与人力合成转矩，无论顶风还是爬坡，骑行者都可轻松骑行。具体见文献1《电动自行车实用技术》中172-174页和246-247页。 

智能控制器见文献1的第4篇198页-260页有论述，可直接使用。 

传感器是助力式电动自行车的核心元件。见文献3的《传感器技术与应用》，传感器是能感受规定的 被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成；如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件；如果转换元件能直接感受被测量而输出与之成一定关系的电量，此时传感器就无敏感元件。 

现在应用于电动助力自行车的传感器无一例外地只能使用转矩传感器，它是直接测量驱动轴的机械扭转应力。这类传感器制造成本和维护成本奇高。 

本发明利用液压传动特点，将压力传感器用于助力式电动自行车。压力传感器可选种类繁多、线性好，技术成熟，如文献3中的41-67页。 

现有自行车的脚踏驱动系统中传动部分都是利用链传动，它只能将双脚踩踏力量由链轮经链条传递到后轴右侧飞轮外套外圆链齿来驱动整车，由于前叉和前轮要进行灵活转向，因此无法同步地将此力传递到前轮。因此在越野时，特别是在地面松软，转急弯，前轮遇到障碍时，通过能力大为降低，而且极易掉链子。 

而现有的各种液压系统也无法直接用于脚踏驱动系统，因为现有液压传动系统的能量源都是电动机或内燃机，都是高速连续旋转的，所以系统中现有能源元件只适应这一特点，同时此能源元件不能与执行元件同步运动，能量使用率低，因此必须有复杂的控制元件和庞大的油箱，蓄能器与之配合，控制从泵到执行器的液压力、流量和方向。因此要对现有液压传动系统进行从新设计。 

与纯电动自行车相比，助力式电动自行车优点：在蓄电池容量减少一半的情况下可获得相同的续驶里程，因而可将蓄电池体积或质量减少一倍，是电动车更轻巧，更安全，更适应新国标对整车质量的新要求；同时蓄电池成本占整车成本很大部分，因此降低整车成本。而要实现其力矩助力功能的助力式电动自行车未能普及及主要原因是现有传动系统只能使用直接测量轴扭矩的转矩传感器，此类传感器结构复杂，装配及维护困难或使用昂贵的稀土材料，制备困难，工艺复杂，制造成本高。可传感器是构成助力式电动自行车的核心。 

发明内容：

本发明创新点是将特殊设计的液压传动方式应用于自行车的脚踏驱动系统以及将价廉物美的传感器应用于助力式电动自行车。 

本发明是利用人的脚踩踏运动是左、右脚交替地上、下往复运动作功的特点，设计了左右对称全封闭液压系统。能源元件是固定在车架中接头两侧的左、右两个叶片式摆动液压泵，它的输入轴中心设计有方头或花剑以便与左右侧曲柄连接，从而使叶片与泵轴、曲柄、脚蹬集成为一体。脚蹬最高位时或最低位时，曲柄与重垂线夹角为15.～30.，以提高踩踏效率。而执行元件是在前、后轮的左、右两侧对称的设计了两组四个活塞式摆动液压马达飞轮，把飞轮的外套外圆设计成齿轮，通过齿条与飞轮外套外圆齿轮啮合，将活 塞往复运动转变为飞轮外套的回转运动，使活塞式摆动液压马达与同侧飞轮集成为一体。本发明保留了现有的右侧飞轮的同时，参照右飞轮结构设计了左侧飞轮，两种飞轮结构相同但它们棘齿方向和千斤安装方向完全相反。这样就在自行车左、右两侧对称的设计油路，用动力主油管和软管将同侧曲柄叶片式摆动液压泵与同侧前后两个活塞式摆动液压马达飞轮直接相连接；并且再通过前后轴的空心轴棍将两侧活塞式摆动液压马达飞轮的回位油口相连接，组成完整的全封闭液压回路。 

此全封闭液压回路的功能是，当蹬踏某一侧脚蹬时，带动曲柄和叶片，使这一侧叶片式摆动液压泵的上部油缸内液体被压缩，即将脚踏力变为液体压力能，再经三通将液压油分别通过两侧的动力主油管和软油管传递到前轴和后轴处同一侧执行元件一两个同侧活塞式摆动马达飞轮的齿条油缸后部的动力主油口，推动活塞向前运动，利用齿条与飞轮外套外圆齿轮啮合，将活塞直线往复运动转变为飞轮外套的旋转运动(左侧逆时针，右侧顺时针)。再由外套内圆棘齿推动千斤，连同芯子向前旋转，使前后轮同步旋转，共同驱动整车前进；与此同时，通过空心轴棍将液压油传递到前轴和后轴另一侧的活塞式摆动液压马达飞轮的齿条油缸前部的回位油口，推动前后活塞式摆动液压马达的活塞和叶片式摆动液压泵的叶片作回位运动，而此时这一侧飞轮在外套棘齿斜面作用下将千斤压入芯子的千斤槽内，千斤失去作用。 

就这样摆动液压泵直接推动和控制摆动液压马达，不需要使用控制元件和油箱等不适用于自行车的元件，液压能100％利用。 

本发明利用管件布置的灵活性，通过软管在不影响前轮转向功能的情况下，向前、后轮同时传输载能的液压介质，再同步地在前、后轴处用执行元件将液压传递的压力能转变为机械能，由此达到前后同步驱动自行车前进，提高越野性能，又无掉链子之忧。 

本发明利用脚踏驱动系统的液压传动系统能量转换过程中载能介质的压力与人的脚踏力成正比的特点将压力传感器作为助力传感器，而压力的测量远比直接测量机械轴扭矩的方法简单而有效的多。压力传感器可选品种繁多，技术成熟，线性好，可靠性高，制造和维护容易，价格低。将压力传感器测得的电信号送到智能控制器MCU，再由MCU控制电动机电流，进而产生与脚踏力1∶1的电动机输出转矩，使得脚踏驱动系统与电力驱动系统完美融合，产生符合要求助力比的电力与人力合成转矩。 

本发明对现有自行车车体作了适应性更改。首先加宽了前叉开档和车架后平叉开档。再就是加大了前叉左、右侧的脚接片和车架左右侧后平叉的接片，并在接片上留两个固定孔，它与活塞式摆动液压马达飞轮的齿条油缸上的固定螺栓进行固定。 

车架中接头也不再有横置钢管，而是用钢板取代，并在其左、右两侧设有三个固定螺栓与叶片式摆动液压泵的油缸上对应设置的三个固定孔相配合固定。还可在左右泵之间安置蓄电池。 

附图说明：附图左边为电动自行车的前方 

图1电动自行车车体 

1——前叉脚接头；2——车架后叉接片；3——车架中接头；4——前叉肩与车架前管的下接头处 

图2前叉脚接片 

1——前叉退；2——前叉脚接片及液压马达固定孔 

图3车架后叉接片 

1——后平叉；2——立叉；3——后叉接片及液压马达固定孔 

图4车架中接头 

1——下管；2——立管；3——后平叉；4——中接头安置液压泵的钢板接片及固定螺栓 

图5内圆棘轮外圆齿轮的飞轮外套 

1——车轴左侧飞轮外套；2——车轴右侧飞轮外套 

图6活塞式摆动液压马达飞轮的齿条油缸 

1——动力主油口；2——油缸体；3——与空心轴棍相通的回位油口；4——与前叉接片或车架后叉接片相固定螺栓；5——活塞、活塞杆、齿条一体化组件 

图7叶片式摆动液压泵 

1——动力主油口；2——叶片式摆动液压泵的油缸体；3——副油口；4——与中接头接片相固定安装孔；5——叶片、泵轴、曲柄、脚蹬一体化组件 

图8脚踏驱动系统的液压回路图 

1——左侧叶片式摆动液压泵； 

2，11——左、右侧动力主油管； 

3——油路中的压力传感器； 

4，12——左、右侧软油管 

5——前轴左侧活塞式摆动马达飞轮的齿条油缸； 

6——后轴左侧活塞式摆动马达飞轮的齿条油缸； 

7——前轴的中空轴棍油管； 

8——后轴的中空轴棍油管； 

9——前轴右侧活塞式摆动马达飞轮的齿条油缸； 

10——后轴右侧活塞式摆动马达飞轮的齿条油缸； 

13——右侧叶片式摆动液压泵； 

14——副油管； 

具体实施方式：

本发明产品宜采用减震前叉，车架可使用现有的各种形式结构。 

由于制动系统只能选用轮缘闸，因此要在车架立叉和前叉腿上焊接托架组件，该托架组件上的￠8销轴要与闸臂孔有良好配套。 

本发明对现有车体作了适应性改变，如图2，图3将前叉脚接片和车架后叉接片都增大了并设计两孔用于与活塞式摆动液压马达飞轮的齿条油缸上的螺栓相固定。前叉脚和车架后叉脚的开档尺寸都加宽并且完全相等，应等于车轴的左、右花盘间距再加上两个活塞式摆动马达飞轮的宽度。中接头钢板接片左右侧的三个螺栓与左右侧活塞式摆动液压泵的油缸体上三个固定孔相连接，用来固定左右侧液压泵。 

本发明中左、右侧叶片式摆动液压泵是将人的左右双脚交替踩踏的能量转变为在左侧油路或右侧油路中液压交替产生压力能的能源元件。 

执行元件是在前后轴的左、右两侧对称地设计了两组四个活塞式摆动液压马达飞轮，利用齿条与飞轮外套外圆齿轮相啮合，将活塞往复运动转变为飞轮外套的回转运动。 

本发明保留现有的右侧飞轮，还设计与右侧飞轮结构完全相同，方向相反的左侧飞轮。就是将左花盘和右花盘部位的圆柱而都作为左飞轮和右飞轮的芯子，在左、右花盘圆柱面上设千斤槽，安装千斤、千斤簧；而左侧和右侧飞轮外套通过钢球和轴挡(或丝档)分别安装在左花盘和右花盘的圆柱面芯子上；左花盘和右花盘通过轴挡内孔的轴承安装在车轴(前轴和后轴)之上。 

因本发明的车轴左右侧都设计有液压马达飞轮，因此轮辋条孔和左、右花盘上的辐条是左右对称设计，它们粗细、长度、数量、受力分析都与现有后轴右侧花盘的设计相同。同时本发明自行车前轮，不再是从动轮，而是和后轮相同，前轮也承担传递左侧或右侧液压马达飞轮扭矩作用，因此前轮与后轮的辐条强度、尺寸及编织方法都完全相同。 

本发明油路是左右对称布置，当某侧脚踩踏时这一侧的叶片式摆动液压泵上部动力主油口输出载能液压介质，再通过同侧三通分别向前轮和后轮传递液压能量，通往后轮的此侧动力主油管用管夹来固定在车架的后平叉同侧腿上；而通向前轮的此侧动力主油管用管夹固定在车架的下管之上和前叉同侧腿上，同时在前叉肩与车架前管下接头处再用软油管将它们接通。这样前后轮同一侧的两个活塞式摆动液压马达飞轮上的动力主油口就与此侧动力主油管相通，受液压能量作用，前后轮同步得到飞轮扭矩，驱动自行车前进。 

与此同时前后轴中空轴棍联接左、右两侧活塞式摆动液压马达飞轮的回位油口，将液压能传输到另一侧油路，驱使另一侧前后轴处活塞式摆动液压马达飞轮的活塞向后回位运动，并在另一侧三通汇合驱动另一侧叶片式摆动液压泵的叶片向下作回位运动(此时此侧飞轮千斤失去作用，而脚蹬向上回位运动)设计时，叶片式摆动液压泵的油腔容量等于活塞式摆动马达的油腔容量的两倍。 

两侧叶片式摆动液压泵的副油口和副油管不参与能量转换。 

当停止蹬踏时，所有活塞式摆动液压马达飞轮的飞轮外套都停止转动，在外套内圆棘齿斜面作用下将千斤压入到芯子的千斤槽内，左右侧飞轮的千斤都失去作用，自行车依靠惯性前进。 

当将液压前后驱动自行车与电力驱动系统相结合时，组成液压电动助力自行车的能源供应子系统和驱动电动机子系统仍然使用现有技术，控制子系统的智能控制器的技术也已经很成熟，本发明是为助力式电动自行车核心元件——传感器，提供廉价而性能优秀的解决方案。 

本发明不采用现行的直接测量转轴机械扭转应力的各种转矩传感器，而是利用液压传动中能量转换过程中，油管中载能介质的压力与脚蹬力(转矩)的大小成正比。在左右侧油管上各设置压力传感器，将检测到骑行时脚踏力(转矩)的大小，经压力——电变换后的电信号(或放大信号后)送到智能控制器MCU的A/D口，再由MCU控制电动机的电流，这就得到电力与人力转矩完全重合的合成转矩，没有踏空感。 

使用压力传感器，它的技术已很成熟，可选用的种类繁多，其结构简单，线性良好，性能稳定，可靠，而且成本低廉，易于制造，装配及维护简便。可很好地普及助力式电动自行车，它可减少蓄电池用量，使整车成本降低，同时减轻整车重量，骑行更安全，更能适应新国标。 

当双脚同时稍微用力就可顺利切换到纯电动状态。