CN104276251B - 一种电动车中轴力矩传感*** - Google Patents

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Abstract

一种电动自行车的中轴力矩传感***，包括中轴、应变套筒、踩踏力输出部、扭矩传感器和五通，所述应变套筒的一端通过轴承固定在五通上并与踩踏力输出部相连接，另一端套装在中轴上，与中轴固定连接，所述应变套筒的内表面贴合所述中轴的外表面，所述应变套筒的外表面粘贴扭矩传感器，扭矩传感器通过信号传送器将信号传输至控制器，所述控制器控制电机输出。本发明避免了目前普遍存在的力矩传感***在测量时发生的左右脚检测不平衡的现象，不仅测量的径向扭力准确地反应了踩踏力，而且无论是左脚还是右脚踩踏，都经由应变套筒驱动链轮，从而保证了骑行的流畅感，增加骑行的舒适度。

Description

一种电动车中轴力矩传感***
技术领域
本发明涉及一种电动自行车的助力传感***，特别是涉及一种电动自行车的中轴力矩传感***。
背景技术
电动自行车助力传感器应用于智能型电动助力自行车上，是智能型电动自行车核心部件之一。现在常用的电动自行车助力传感器有下列几种方案：(一)数电机脉冲或中轴脉冲的速度型假助力传感器，利用检测自行车的实际速度来相应增加电机的输出。(二)在中轴与牙盘间或电机与飞轮间装上一套弹性元件，利用弹性元件受力变形后的转差位移，推动相应机械动作，与某静态传感器件间产生磁场、光量等物理量变化，并转换为电量，检测出骑车人的脚蹬力。(三)在中轴与牙盘间或电机与飞轮间装上一套弹性元件，并在弹性元件两端，分别装上脉冲发生装置，利用弹性元件受力变形后的转差位移，使两个脉冲串间产生相位差，经鉴相电路转换，检测出骑车蹬力。(四)在转动的中轴与链轮支架间设变形体，直接粘贴应变片，并设置放大电路，与外界用滑环、电刷连接。(五)在转动的中轴与链轮支架间设变形体，在其上粘贴特殊材料，使其在受力后产生磁导变化，引起与其配套、不跟其转动的线圈组电感变化，通过检测电感或藕合系数转换为相应电量。(六)在链条主回路上有意装上一活动压轮，检测压轮在链条张力下产生的位移，与某静态传感器件间产生磁场、光量等物理量变化，并转换为电量，经线性化换算检测出骑车人的蹬力。上述六大类中，第一种简单、便宜，但不反映真实，在重载、顶风、上坡时，就不好用了。其它五种，优点是：都能满足使用要求，但各有各的难处，共同点是：体积大、价格高、结构复杂、精度不高、可靠性不够、制造与装配难。
申请号为CN200710006002.1，发明名称为利用中轴支承件变形的电动车助力传感器方案的发明，虽然提出了一种结构简单，比较实用的检测脚踏力的方案，然而由于其原理是通过实际上是测量链条拉力引起应变套筒变形，通过检测粘贴在应变套筒上的应变片来得到等踏力的方式实现的，该结构不可避免地会造成中轴前后轻微晃动，骑行感觉变坏，实际使用价值不高。
综上所述，人们迫切需要一种将脚踏力直接传导至应变套筒的中轴力矩传感***。应变套筒上的扭矩传感器反应的是真实的脚踏力，测量准确，可以避免力矩传感***在测量时发生的左右脚检测不平衡的现象。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种电动自行车的中轴力矩传感***，应变套筒一端连接链轮支架，另一端与中轴固定连接，脚踏力通过中轴直接传递给应变套筒，再通过应变套筒表面的扭矩传感器，产生信号，传递给控制器，控制电机的输出。这样的设计不仅测量的径向扭力准确地反应了踩踏力，而且无论是左脚还是右脚踩踏，都经由应变套筒驱动链轮，从而保证了骑行的流畅感。
为实现上述发明目的，本发明所提供的技术方案是：一种电动自行车的中轴力矩传感***，包括中轴、应变套筒、踩踏力输出部、扭矩传感器和五通，所述应变套筒的一端通过轴承固定在五通上并与踩踏力输出部相连接，另一端套装在中轴上，与中轴固定连接，所述应变套筒的内表面贴合所述中轴的外表面，所述应变套筒的外表面粘贴扭矩传感器，扭矩传感器将信号传输至控制器，所述控制器控制电机输出。
进一步地，所述踩踏力输出部通过两级花键套接在所述应变套筒和中轴上，第一花键与应变套筒的一端固定连接，第二花键与中轴连接，其中第二花键的键齿和键槽通过扭矩行程间隙相配合；所述应变套筒的另一端通过第三花键与中轴固定连接。
进一步地，扭矩传感器通过导电滑环进行信号的传输，所述导电滑环包括转子部和定子部，所述转子部与所述应变套筒或中轴固定安装，定子与五通或车架的固定位置固定安装。
进一步地，所述导电滑环上设有测速装置。
进一步地，在所述转子部安装呈圆环状间隔分布磁钢的磁环，在对应磁环的位置安装霍尔传感器。
进一步地，所述扭矩传感器由电阻应变片组成的半桥或全桥电路构成。
进一步地，所述扭矩传感器由扭矩敏感单元和控制单元组成。
进一步地，所述扭矩敏感元件安装在套筒上产生扭矩信号，所述扭矩敏感元件将信号无线传输至控制单元。
进一步地，所述中轴力矩传感***应用于中置电机驱动的电动自行车、前置电机驱动的电动自行车或后置电机驱动的电动自行车上。
进一步地，所述踩踏力输出部为链轮支架结构。
采用上述技术方案，本发明的有益效果有：
1.本发明的电动自行车的中轴力矩传感***，只要检测到踩踏力就能相应控制电机的助力输出，达到电动自行车的助力效果，实现电动自行车的智能化。
2.采用本发明的设计，避免了目前普遍存在的力矩传感***在测量时发生的左右脚检测不平衡的现象，不仅测量的径向扭力准确地反应了踩踏力，而且无论是左脚还是右脚踩踏，都经由应变套筒驱动链轮支架，从而保证了骑行的流畅感，增加骑行的舒适度。
3.通过优选的测速装置，可以通过检查使用者当前的踩踏力，利用控制器控制电机输出，不仅节能环保，而且可以提供最佳的骑行的助力效果。
4.本发明结构简单，制造方便，减小对中轴的磨损，增加产品使用寿命。
5.由于应变套筒套在中轴上，是滑动配合，两者之间存在一定的配合间隙，因此即使发生非正常情况，如自行车停放时有人踩在脚踏板上玩，此时中轴会产生微量的杠杆变形，该变形通过配合间隙传递到应变套筒上后大幅衰减，加上中轴刚性很强，本身变形量很小，此时应变套筒检测到的扭矩远小于正常踩踏时的扭矩，因此电动车不会启动输出电机驱动力，发出错误动作，克服了目前中轴力矩传感***的常见缺陷。
附图说明
图1为本发明的中轴力矩传感***的结构示意图；
图2为本发明的一个实施例的结构示意图；
图3为本发明的另一个实施例中测速装置的剖面结构示意图；
图4为本发明的另一个实施例的截面结构示意图；
图5为本发明的另一个实施例的结构示意图。
附图标记说明
1为中轴；2为轴承；3为导电滑环转子部；4为导电滑环定子部；5为霍尔传感器；6为磁环；7为扭矩传感器；8为应变套筒；9为轴承；10为链轮支架；11为齿盘；12为第一花键；13为第二花键；131为扭矩行程间隙；14为第三花键；15为放大电路板。
具体实施方式
实施例1
参考图1-2，本发明提供一种电动自行车的中轴力矩传感***，其包含中轴1、应变套筒8、链轮支架10、扭矩传感器7和五通，应变套筒8的一端通过轴承2固定在五通上并与踩踏力输出部相连接，踩踏力输出部可以采用链轮、链轮支架、双棘轮等多种结构，在此不作限定，在本实施例中以链轮支架10表示；应变套筒8的另一端套装在中轴1上，与中轴固定连接，应变套筒的内表面贴合中轴的外表面，套筒和中轴只会发生相对的微量旋转，而不会上下左右晃动。当脚踩脚踏板时，不管是左脚还是右脚，发生的踩踏力都通过中轴和套筒的连接处传递给应变套筒8，套筒另一端将踩踏力通过链轮支架10传送出去，控制车轮转动。应变套筒的外表面粘贴扭矩传感器7，扭矩传感器将信号传送至信号传输装置，信号传输装置用于将信号传输至控制器，在本实施例中，信号传输装置是连接控制器的导电滑环，扭矩传感器连接导电滑环，在这个过程中套管受到旋转扭力发生轻微扭转变形，引起扭矩传感器发生变形，产生脚踏力矩信号，扭矩传感器将信号传输至控制器，用来控制电机输出。
实施例2
参考图2和4，踩踏力完全通过套筒传递，如碰到暴力踩踏，很可能会发生不可逆的变形，尽管材质可以选择刚性更强的，但同时也会导致正常使用中套筒变形不够，传感器采集的信号太低，导致检测精度下降。因此本发明优选地设计了踩踏力直接通道，当踩踏力超过上限后，中轴通过第二花键13将踩踏力传递给链轮支架10，此时应变套筒8不再继续变形，从而达到延长套筒使用寿命的效果。链轮支架10通过两级花键套接在应变套筒8和中轴1上，其中第一花键12与应变套筒8固定连接，第二花键13与中轴1虽然也是花键连接，但健齿和键槽呈扭矩行程间隙131配合。
当脚不踩踏的时候，中轴不动，此时套筒没有受到扭力变形，套筒和中轴也没发生相对旋转，固定在套筒上的链轮支架也就没有相对中轴转动，所以此时的第二花键的健齿和键槽留有最多的扭矩行程间隙131，如图4所示。
当脚正常用力踩脚踏板时，中轴受力，扭力通过第三花键传送到套筒一端，套筒再通过另一端的第一花键12把扭力传送给链轮支架10，驱动自行车前行。套筒受到的扭力将发生微量变形，引起上面粘贴的扭矩传感器7产生信号，最终传递给控制器用来控制电机的助力输出。在这个过程中，由于是正常踩踏力，套筒相对中轴的扭转变形在一定范围内，所以第二花键的键齿和键槽还在扭矩行程间隙内运动，不发生传动作用。这个过程是电动自行车的正常工作过程。
当脚踏力继续增加，上述正常工作过程中的第二花键的键齿和键槽转动量超过了扭矩行程间隙，发生接触，此时第二花键开始直接传导脚踏力，把超过套筒设计变形量的扭力直接中断，中轴通过第二花键把过量的脚踏力直接传递给链轮支架。
实施例3
参考图2-3，优选地，将扭矩传感器的信号放大传递，用于控制器接收，本发明采用导电滑环装置，如图2所示，转子部3可以跟应变套筒或者中轴固定，定子部4可以跟五通或者其他相对车架固定的位置安装固定。进一步优选地，在导电滑环装置上设有测速装置，如图3所示，在转子部安装呈圆环状分布的磁环6，在对应磁环的位置安装霍尔传感器5。霍尔传感器为速度传感器，所述速度传感器检测中轴或套筒的旋转速度，即踩踏速度。霍尔传感器和扭矩传感器检测到踩踏速度或踩踏力，并将检测信号传输至控制器，根据信号调节电机输出。这样的装置应用在本发明中，结合踩踏力和踩踏速度，能够通过对控制器编程设计，达到最佳的助力骑行效果，例如在上坡过程中，踩踏速度慢，踩踏力大，相应的电机助力输出增加；在下坡或者平地时，踩踏速度快，但没用上力，导致踩踏力小，此时相应的电机助力输出减小，从而获得更好的骑行体验。
实施例4
在本发明中，信号传输装置根据扭矩传感器信号的输出方式的不同，可以采用接触式传导，如图3中的导电滑环，或者非接触式信号输出，如松耦合变压器或无线信号传输模块，在此处不作限制。扭矩传感器7采用应变式扭矩测量装置，扭矩传感器7可以采用电阻应变片传感器，扭矩传感器7可由电阻应变片组成的半桥或全桥电路构成。
非接触式中轴扭矩测量利用无线电的方式收发扭矩检测信号，扭矩传感器7包括扭矩敏感单元和控制单元，安装在套筒上的扭矩敏感单元产生扭矩信号，通过天线发射无线电波，将信号传递无线地传递至控制单元，并由控制单元解调扭矩信号，从而控制电机输出。
本发明中的扭力传感器输出的信号也可以不经过放大器，直接输送给控制器。
实施例5
本发明的电动车中轴力矩传感***能应用在所有中置电机驱动的电动自行车、前置电机驱动的电动自行车及后置电机驱动的电动自行车上，只要检测到踩踏力就能相应控制电机的助力输出，达到电动自行车的助力效果。
在中置电机驱动的电动自行车应用，如图5所示，放大电路板15可以放置在中轴内，再通过导电滑环把踩踏力信号传递出去，甚至控制器都能直接安装在电机内，极大的方便了电动自行车的设计安装。中置电机驱动的电动自行车里面电机和减速机构(行星齿轮***)及双向离合器的连接关系在CN201320448104、名称为“中置电机驱动***”或者CN200820111767.1、名称为“电动自行车双棘轮离合传动装置”的专利中公开，在此不再赘述。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电动自行车的中轴力矩传感***，包括中轴、应变套筒、踩踏力输出部、扭矩传感器和五通，其特征在于：所述应变套筒的一端通过轴承固定在五通上并与踩踏力输出部相连接，另一端套装在中轴上，与中轴固定连接，所述应变套筒的内表面贴合所述中轴的外表面，所述应变套筒的外表面粘贴扭矩传感器，扭矩传感器将信号传输至控制器，所述控制器控制电机输出，其中，
所述踩踏力输出部通过两级花键套接在所述应变套筒和中轴上，第一花键与应变套筒的一端固定连接，第二花键与中轴连接，其中第二花键的键齿和键槽通过扭矩行程间隙相配合；所述应变套筒的另一端通过第三花键与中轴固定连接。
2.根据权利要求1所述的中轴力矩传感***，其特征在于，扭矩传感器通过导电滑环进行信号的放大传输，所述导电滑环包括转子部和定子部，所述转子部与所述应变套筒或中轴固定安装，定子与五通或车架的固定位置固定安装。
3.根据权利要求2所述的中轴力矩传感***，其特征在于，所述导电滑环上设有测速装置。
4.根据权利要求3所述的中轴力矩传感***，其特征在于，在所述转子部安装呈圆环状间隔分布磁钢的磁环，在对应磁环的位置安装霍尔传感器。
5.根据权利要求1所述的中轴力矩传感***，其特征在于，所述扭矩传感器由电阻应变片组成的半桥或全桥电路构成。
6.根据权利要求1所述的中轴力矩传感***，其特征在于，所述扭矩传感器由扭矩敏感单元和控制单元组成。
7.根据权利要求6所述的中轴力矩传感***，其特征在于，所述扭矩敏感元件安装在套筒上产生扭矩信号，所述扭矩敏感元件将信号无线传输至控制单元。
8.根据权利要求1所述的中轴力矩传感***，其特征在于，所述中轴力矩传感***应用于中置电机驱动的电动自行车、前置电机驱动的电动自行车或后置电机驱动的电动自行车上。
9.根据权利要求1所述的中轴力矩传感***，其特征在于，所述踩踏力输出部为链轮支架结构。
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