CN103171733B - 一种电动自行车中轴力矩传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动自行车中轴力矩传感装置，它包括通过轴承装配于五通管内的中轴、固定在中轴上的曲柄、以及套设于中轴上的牙盘，还包括一个连接中轴和牙盘的弹性扭转构件，该弹性扭转构件上固定有当弹性扭转构件扭转时能够产生周向相对位移的左力矩传感磁钢和右力矩传感磁钢，弹性扭转构件的外面还套有一个包在左力矩传感磁钢和右力矩传感磁钢外的磁感应线圈，该磁感应线圈经一安装于中轴和五通管内壁间的线路板与电机控制电路板电连接，电机控制电路板与电动自行车的电机电连接。本装置感应灵敏度和准确性高，其采用磁电转换的方式、在非接触的情况下能够准确检测出左右曲柄传递的力矩信号。

Description

一种电动自行车中轴力矩传感装置

技术领域

本发明涉及一种电动自行车的零部件，具体涉及一种电动自行车中轴力矩传感装置。

背景技术

电动自行车由于其轻快省力及无污染等特点，正日益在我国推广运用。传统的电动自行车都用手把来调速，即用手把来控制电机的输出功率，而目前越来越多的电动自行车则主要采用力矩传感器将人骑行时脚的蹬力转换成相应的电压信号输出，经电机控制电路板放大处理后控制电机的运转功率，这样可以大大节省能源。

目前用于电动自行车中的传感器多为霍尔转速传感器，这种传感器使用磁钢粘贴在电动自行车的中轴或飞轮等旋转部件表面，而在车架主轴等非转动部件上安装霍尔元件，当人踏脚蹬时，中轴或飞轮旋转产生对应于扭力矩的变化电位，并输出相应的电压信号，经放大处理后即可控制电机的输出功率。然而这类电动自行车传感器存在下述问题：

1、不能检测静态和动态扭矩，测量精度差，在骑行中不能零启动，在平路和下坡骑行中会出现电动助力过大而使电池产生不必要的放电。

2、由于磁钢并未安装在中轴有效的受力部位，其因扭力而产生的位移变化并不明显，往往在低转速时明显，而高转速时则不明显，故使得感应电位信号的输出不准确，传感器的工作稳定性和可靠性均大大下降。

发明内容

本发明目的是：提供一种感应灵敏度和准确性高电动自行车中轴力矩传感装置。

本发明的技术方案是：一种电动自行车中轴力矩传感装置，包括通过轴承装配于五通管内的中轴、固定在中轴上的曲柄、以及套设于中轴上的牙盘，其还包括一个连接中轴和牙盘的弹性扭转构件，该弹性扭转构件上固定有当弹性扭转构件扭转时能够产生周向相对位移的左力矩传感磁钢和右力矩传感磁钢，所述弹性扭转构件的外面还套有一个包在所述左力矩传感磁钢和右力矩传感磁钢外的磁感应线圈，该磁感应线圈经一安装于中轴和五通管内壁间的线路板与电机控制电路板电连接，所述电机控制电路板与电动自行车的电机电连接。

所述线路板上集成有速度感应霍尔，所述中轴上固定有与所述速度感应霍尔对应的速度感应磁钢。

在所述中轴上制有位于所述右力矩传感磁钢底部的孔洞。

所述弹性扭转构件由位于左部的环套和位于右部的拨盘构成，其中，环套套在中轴外且其左端通过固定销)与中轴相固定，拨盘也套在中轴外且通过一轴用卡簧轴向抵压在所述环套的右部，同时在环套和拨盘相抵压的部位，环套和拨盘上设有相互配合的、以使二者在周向相对固定的卡齿。

所述环套的环套壁上沿圆周方向设置有多条间隔分布的、位于所述左力矩传感磁钢和右力矩传感磁钢之间的轴向长缝。

所述拨盘与中轴之间设有限位键。

所述磁感应线圈由套在环套外的筒状的线圈支架、缠绕在线圈支架上的线圈、以及包在线圈外的左导磁环和右导磁环构成。

本发明的优点是：

1.本发明借助安装于中轴和牙盘间的弹性扭转构件的受力，而产生左右力矩传感磁钢的扭矩位移，相比现有的霍尔力矩传感装置，力矩传递到位，不会存在低转速时力矩感应信号微弱的缺陷，而是始终能确保感应信号的高灵敏度和高精度。

2.本发明中只需中轴受力扭转即可通过磁感应线圈获得力矩信号，故能够检测静态和动态扭矩，相比现有的霍尔力矩传感装置，工作性能更加稳定可靠，而且还可以确保电动自行车在骑行中零启动并保持行驶性能的稳定。

3、在电动自行车启动和骑行过程中，人踩脚踏带动曲柄和中轴旋转，中轴则将扭力传递给环套，环套再将扭力传递给拨盘，在此过程中，由于环套受到周向扭力，从而使其发生周向变形，这样一来，环套上固定的左力矩传感磁钢和右力矩传感磁钢之间便产生周向的相对位移，又由于中轴上制有位于右力矩传感磁钢底部的孔洞，环套发生周向扭转变形时，右力矩传感磁钢与孔洞的相对位置发生变化，引起磁场回路的磁阻发生变化，导致通过磁感应线圈的磁通量发生变化且由该磁感应线圈感应获得磁场变化信号，并由线路板将该信号转换成电压信号经引出线输出给电机控制电路板，电机控制电路板根据该信号计算出电动机应该输出的功率大小，从而达到人力和电动机输出的功率的比例保持稳定一致，使骑车的人员能够感受到舒适的超出人力的动力感受，作为自行车的延伸，将骑自行车的快乐感受发挥到极致。

4、本发明采用磁电转换的方式，非接触的情况下准确的测量出弹性原件的变化量，同时该装置能够测量工件在一个区域内的变化的平均值，这样能够提高产品的抗干扰能力和可靠度，该发明弥补了需要在运动中、不能通过接触式取得力矩信号的测量领域空白。

5、本发明的技术可以应用到自行车后花鼓内测量链条的扭力，同时还可以应用到各种运动器材部件关节在运动过程中需要测量力矩的测量机构。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明实施例的剖视结构示意图。

其中：1-五通管，2-牙盘，3-牙盘固定螺钉，4-曲柄，5-曲柄固定螺栓，6-中轴，7-拨盘，8-环套，9-右护腕，10-右深沟球轴承，11-右导磁环，12-右力矩传感磁钢，13-线圈，14-引出线，15-左导磁环，16-线圈支架，17-左力矩传感磁钢，18-衬套，19-线路板，20-左护腕，21-左深沟球轴承，22-轴承衬套，23-六角螺母，24-速度感应霍尔，25-固定销，26-速度感应磁钢，27-限位键，28-轴用卡簧，29-孔洞。

具体实施方式

图1出示了本发明电动自行车中轴力矩传感装置的一个具体实施例，它具体由五通管1、牙盘2、牙盘固定螺钉3、曲柄4、曲柄固定螺栓5、中轴6、拨盘7、环套8、右护腕9、右深沟球轴承10，右导磁环11、右力矩传感磁钢12、线圈13、引出线14、左导磁环15、线圈支架16、左力矩传感磁钢17、衬套18、线路板19、左护腕20、左深沟球轴承21、轴承衬套22、六角螺母23、速度感应霍尔24、固定销25、速度感应磁钢26、限位键27、以及轴用卡簧28这些部件组成。

同常规技术一样，所述五通管1内穿设中轴6，中轴6的两端均通过曲柄固定螺栓5固定有曲柄4，同时所述中轴6上套设牙盘2，该牙盘2位于五通管1右侧，五通管1两端分别设置有左护腕20和右护腕9。本实施例中涉及的曲柄4在实际使用时同常规技术一样与电动自行车脚踏装配固定，并由人踩踏而带动旋转。

本发明的关键改进在于本电动自行车中轴力矩传感装置还包括一个连接中轴6和牙盘2的弹性扭转构件，该弹性扭转构件上固定有多个沿周向间隔分布的左力矩传感磁钢17、以及多个沿周向间隔分布的右力矩传感磁钢12，当弹性扭转构件扭转时所述左力矩传感磁钢17和右力矩传感磁钢12之间能够产生周向的相对位移(即弹性扭转构件受到周向扭转力时会产生周向变形)，而且在中轴6上制有位于右力矩传感磁钢12底部的孔洞29(为盲孔)。如图1所示，本实施例中的弹性扭转构件具体由位于环套8和拨盘7构成，其中环套8位于拨盘7的左侧且二者为分体结构，环套8套在中轴6外且其左端通过固定销25与中轴6相固定，拨盘7也套在中轴6外且其右部通过一轴用卡簧28卡紧从而将拨盘轴向抵压在所述环套8的右部，并且在环套8和拨盘7相抵压的部位、环套8和拨盘7上设有相互配合的卡齿，环套8和拨盘7上的卡齿相卡合从而使二者在周向相对固定，即：环套上设有卡齿，拨盘上也设有卡齿，二者的卡齿卡合在一起，当其中一个部件周向转动时，另一个部件也会随之转动。

所述弹性扭转构件的外面还套有一个包在所述左力矩传感磁钢17和右力矩传感磁钢12外的磁感应线圈，该磁感应线圈经一安装于中轴6和五通管1内壁间的线路板19与电机控制电路板电连接，所述电机控制电路板与电动自行车的电机(图中未示出)电连接。参照图1所示，本实施例中的磁感应线圈具体由套在环套8外的筒状的线圈支架16、缠绕在线圈支架上的线圈13、以及包在线圈外的左导磁环15和右导磁环11构成。

此外，本例在所述线路板19上还集成有速度感应霍尔24，在中轴6上固定有与所述速度感应霍尔本体24对应的速度感应磁钢26。

再结合图1所示，本实施例中的右护腕9和拨盘7之间设置有右深沟球轴承10，左护腕20与中轴6之间设有左深沟球轴承21，该左深沟球轴承21通过轴承衬套22套在中轴6上，再通过一六角螺母22轴向锁紧。

依旧结合图1所示，现将本实施例的工作原理介绍如下：

在电动自行车启动和骑行过程中，人踩脚踏带动曲柄4和中轴6旋转，中轴6则将扭力传递给环套8，环套8再将扭力传递给拨盘7，在此过程中，由于环套8受到周向扭力，从而使其发生周向变形(线圈和线圈支架在这个过程中不活动)，这样一来，环套8上固定的左力矩传感磁钢17和右力矩传感磁钢12之间便产生周向的相对位移，又由于中轴6上制有位于右力矩传感磁钢12底部的孔洞29，环套8发生周向扭转变形时，右力矩传感磁钢12与孔洞29的相对位置发生变化，引起磁场回路的磁阻发生变化，导致通过磁感应线圈的磁通量发生变化且由该磁感应线圈感应获得磁场变化信号，并由线路板19将该信号转换成电压信号经引出线14输出给电机控制电路板。所述电机控制电路板根据电压信号的强弱分别输出相应的控制信号，驱动电机降低或者提高运转功率以起到很好的助力效果，大大节省能源。当然，本实施例中还引入了速度感应霍尔24和速度感应磁钢26，它们的工作原理同常规技术一样，速度感应磁钢26随中轴6旋转而使其产生的磁场发生变化，利用速度感应霍尔24获得速度感应磁钢26的磁场变化信号，再由线路板19将速度感应霍尔24感应得到的磁场变化信号转换成速度信号，再输出给电机控制电路板，由其处理后控制电机运转功率。

此外，本例为了使环套8在扭力作用下的更容易发生周向变形，还在环套8的环套壁上沿圆周方向设置有多条间隔分布的、位于所述左力矩传感磁钢17和右力矩传感磁钢12之间的轴向长缝。同时又为了避免环套8变形量过大而导致结构破坏，本例又在所述拨盘7与中轴6之间设有可随拨盘7小幅度转动的限位键27，具体是这样实现的：限位块27卡在拨盘7及中轴6上开设的键槽内，其中，中轴6上开设的键槽尺寸略大于限位键27的尺寸，当环套8产生小幅度的周向变形时，限位键27跟随拨盘7产生相对于中轴6的小幅度周向移动，而当限位键27的周向移动量较大而抵住中轴6上键槽的槽壁时，便不能继续移动，以此来限制环套8的变形量不能过大。

当然，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电动自行车中轴力矩传感装置，包括通过轴承装配于五通管(1)内的中轴(6)、固定在中轴(6)上的曲柄(4)、以及套设于中轴(6)上的牙盘(2)，其特征在于：还包括一个连接中轴(6)和牙盘(2)的弹性扭转构件，该弹性扭转构件上固定有当弹性扭转构件扭转时能够产生周向相对位移的左力矩传感磁钢(17)和右力矩传感磁钢(12)，所述弹性扭转构件的外面还套有一个包在所述左力矩传感磁钢(17)和右力矩传感磁钢(12)外的磁感应线圈，该磁感应线圈经一安装于中轴(6)和五通管(1)内壁间的线路板(19)与电机控制电路板电连接，所述电机控制电路板与电动自行车的电机电连接，所述弹性扭转构件由分体结构的环套(8)和拨盘(7)构成，其中，环套(8)套在中轴(6)外且其左端通过固定销(25)与中轴(6)相固定，拨盘(7)也套在中轴(6)外且其通过一轴用卡簧(28)轴向抵压在所述环套(8)的右部，同时在环套(8)和拨盘(7)相抵压的部位，环套(8)和拨盘(7)上设有相互配合的、以防止二者相对周向转动的卡齿。

2.根据权利要求1所述的电动自行车中轴力矩传感装置，其特征在于：所述线路板(19)上集成有速度感应霍尔(24)，所述中轴(6)上固定有与所述速度感应霍尔(24)对应的速度感应磁钢(26)。

3.根据权利要求1所述的电动自行车中轴力矩传感装置，其特征在于：在所述中轴(6)上制有位于所述右力矩传感磁钢(12)底部的孔洞(29)。

4.根据权利要求1所述的电动自行车中轴力矩传感装置，其特征在于：所述环套(8)的环套壁上沿圆周方向设置有多条间隔分布的、位于所述左力矩传感磁钢(17)和右力矩传感磁钢(12)之间的轴向长缝。

5.根据权利要求1所述的电动自行车中轴力矩传感装置，其特征在于：所述拨盘(7)与中轴(6)之间设有限位键(27)。

6.根据权利要求1所述的电动自行车中轴力矩传感装置，其特征在于：所述磁感应线圈(13)由套在环套(8)外的筒状的线圈支架(16)、缠绕在线圈支架上的线圈(13)、以及包在线圈外的左导磁环(15)和右导磁环(11) 构成。