CN104724244B - 一种中置电机电动自行车中轴力矩传感*** - Google Patents

一种中置电机电动自行车中轴力矩传感*** Download PDF

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Abstract

一种中置电机电动自行车中轴力矩传感***，包括电机、中轴、应变套筒、扭矩传感器、双向超越离合器、链轮支架和五通，应变套筒套装在中轴上，一端固定在五通上并与双向超越离合器相连接，另一端与中轴固定连接，应变套筒的内表面贴合中轴的外表面；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，控制器控制电机输出；双向超越离合器分为内圈、中圈和外圈，中圈与链轮支架固定连接，内圈与应变套筒相连，外圈与电机输出部相连。本发明将应变套筒作为踩踏力传递中轴和双向超越离合器的纽带，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，从而保证了骑行的流畅感，增加骑行的舒适度。

Description

一种中置电机电动自行车中轴力矩传感***
技术领域
本发明涉及一种电动自行车的助力传感***，特别是涉及一种中置电机电动自行车中轴力矩传感***。
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。
综上所述，人们迫切需要一种应变套筒直接与离合器相连，使脚踏力直接传导至应变套筒上的中轴力矩传感***。应变套筒上的力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***，中轴上套装应变套筒，应变套筒直接与双向超越离合器相连，应变套筒表面设有力矩传感器，产生信号，传递给控制器，控制电机的输出。这样的设计不仅使力矩信号采集器所采集到的踩踏力信号相同，测量到的力矩信号准确地反应了踩踏力，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：一种中置电机电动自行车中轴力矩传感***，包括电机、中轴、应变套筒、扭矩传感器、双向超越离合器、链轮支架和五通，所述应变套筒套装在中轴上，一端固定在所述五通上并与所述双向超越离合器相连接，另一端与中轴固定连接，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，控制器控制电机输出；
所述双向超越离合器分为内圈、中圈和外圈，所述中圈与所述链轮支架固定连接，所述内圈与所述应变套筒相连，所述外圈与电机输出部相连。
进一步地，所述的双向超越离合器内圈分为两部分，一部分与应变套筒通过第一花键连接，另一部分在中轴上滑动。
进一步地，所述的双向超越离合器内圈，一部分与应变套筒通过第一花键连接，另一部分与中轴通过第二花键连接，并且第二花键连接具有行程间隙配合。
进一步地，还包括脚踏曲柄结构，所述脚踏曲柄结构安装在中轴两端。
进一步地，其中一只脚踏曲柄直接安装在所述应变套筒的外表面上。
进一步地，所述扭矩传感器通过导电滑环将信号传递给控制器。
进一步地，所述扭矩传感器通过松耦合变压器将信号传递给控制器。
进一步地，所述双向超越离合器为双棘轮离合器。
进一步地，所述电机包括主壳体、线圈定子、转子、电机输出齿轮轴和行星减速机构，所述电机输出齿轮轴套设于所述中轴上与电机转子为一体结构，所述线圈定子固定于所述主壳体上，所述转子包裹于所述线圈定子外侧且与所述电机输出齿轮轴固定连接，所述行星减速机构设于所述主壳体内，所述电机输出齿轮轴与所述行星减速机构通过齿轮啮合。
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***，双向超越离合器直接与应变套筒相连，将应变套筒作为踩踏力传递中轴和双向超越离合器的纽带，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，不仅使应变套筒上的力矩传感器直接采集脚踏曲柄传递的力矩，所采集到的左右两曲柄的信号相同，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。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，从而保证了骑行的流畅感，增加骑行的舒适度，方法更可靠，加工更方便。
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为本发明中一实施例的脚踏曲轴力矩传递示意图；
图3为本发明中另一实施例中一级花键的结构示意图；
图4为本发明中另一实施例中两级花键的结构示意图；
图5为本发明另一实施例的中置电机传动***的剖面图；
图6为本发明另一实施例的截面结构示意图。
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为力矩传感器；8为应变套筒；9为轴承；10为链轮支架；11左端盖；12左隔层；13电机控制器；14导电滑环；15放大电路板；17为定子线圈；18为磁钢；19为齿轮轴；20为双向超越离合器；21为右端盖；22为行星减速机构；23电机主壳体；24电机转子；25为左曲柄；26为右曲柄；27为齿盘；28为第一花键；29为第二花键；281为扭矩行程间隙；30为第三花键。
具体实施方式
实施例1
参考图1，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、双向超越离合器20、链轮支架10和五通。应变套筒8套装在中轴外侧，一端通过轴承2固定在五通上并与双向超越离合器20相连，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。***还包括脚踏曲柄结构，脚踏曲柄结构由左脚踏曲柄25和右脚踏曲柄26组成，左脚踏曲柄和右脚踏曲柄安装在中轴两侧。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。
双向超越离合器分为内圈、中圈和外圈：中圈与链轮支架固定连接，驱动电动自行车前进；内圈与所述应变套筒相连，由于应变套筒与中轴贴合固定，因此应变套筒可以直接反应当前踩踏力，用于踩踏力的输出；外圈与电机输出部相连，作为电机电力输出部件。
优选地，应变套筒的外表面粘贴力矩传感器7，力矩传感器7将信号传输至控制器，所述控制器控制电机输出。力矩传感器7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，力矩传感器连接用于信号传输的导电滑环。对信号的传输方式不做特定限制，也可以采用非接触式传输，例如松耦合变压器、无线传输***。在这个过程中应变套筒受到踩踏力的力矩发生轻微形变，都引起力矩传感器发生变形，产生脚踏力矩信号，力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
优选地，力矩传感***还包括脚踏曲柄结构，脚踏曲柄包括左脚踏曲柄25和右脚踏曲柄26，分别连接在中轴的左右两侧。如图2所示，左脚踏曲柄轴25与应变套筒的外表面连接，右脚踏曲柄轴与中轴直接连接。当脚踩脚踏板时，力矩传递方向如图中箭头标示方向所示，右脚踏曲柄的踩踏力通过中轴传递到应变套筒的外表面，左脚踏曲柄的踩踏力直接传递到应变套筒的外表面，控制车轮的转动。通过这种方式，使踩踏力矩信号直接可以在应变套筒上采集，并且应变套筒的外表面粘贴力矩传感器，因为左、右脚踏曲柄受到的踩踏力都通过套筒传递给链轮，因此解决了目前力矩传感***在测量时发生的左右脚检测不平衡的现象。在这个过程中，套管受到脚踏曲柄的力矩发生轻微形变，直接传导至应变套筒，引起力矩传感器发生变形，产生脚踏力矩信号，力矩传感器将信号传输至控制器，用来控制电机输出。信号传输至控制器根据扭力信号的大小通过程序计算后控制电机运转，获得更好的骑行体验。
实施例3
参考图3-6，可以用在中置电机的电动自行车上。本实施例中电机为同心同轴的电机，包括电机主壳体23，定子线圈17、电机转子24、中轴1、齿轮轴19、双向超越离合器20，磁钢18嵌入电机转子24中，电机输出齿轮轴19套设在中轴上，与电机转子24为一体结构的齿轮轴套设于中轴1上，并与行星减速机构相啮合。双向离合器20可以是双棘轮离合器，由两个止动方向相反的棘轮轴向叠加而成，分为内圈、中圈和外圈，所述中圈与链轮支架10固定连接，驱动电动自行车前进；内圈与电动自行车的应变套筒或中轴相连，是踩踏力的输出部件；所述外圈与行星减速机构22的输出端相连，通过轴承与右端盖21连接，作为电机电力输出部件。
控制器控制所述定子线圈得失电以及得电量，当定子线圈得电，转子旋转，带动齿轮轴19旋转，通过齿轮轴与行星减速机构的啮合关系，使得减速箱按比例输出旋转。如果套筒或中轴正转，则通过双棘轮离合器20带动链轮支架正向旋转。同时，控制器根据传感器检测的信号，控制定子线圈的得点量，进而控制双棘轮离合器20带动链轮支架正向旋转。也就是说，当踩踏速度较快时，中轴作为链轮支架的驱动部件，当电机输出的速度较快时，电机所为链轮支架的驱动部件。
在本发明的一个实施例中，图3中为一级花键结构，双棘轮离合器20的内圈的一部分与套筒通过第一花键28连接，另一部分在中轴上滑动。套筒上的扭矩通过第一花键28传递至双棘轮离合器20的内圈。图4中为两级花键结构，双棘轮离合器20内圈一部分与套筒通过第一花键28连接，另一部分通过第二花键29与中轴连接，第二花键29与中轴的花键连接有行程间隙配合。正常人力驱动踩踏时，中轴通过套筒的第一花键28将力传递给双棘轮离合器20内圈，此时双棘轮离合器20内圈的第二花键29与中轴在行程间隙内自由转动，不起作用。当踩踏力超过一定上限后，第二花键29与中轴超过了行程间隙，踩踏力通过中轴与双棘轮离合器20内圈的第二花键29的啮合，直接将力传递给双棘轮离合器20的内圈，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。
如图6所示，二级花键在链轮上的应用，其中剖视图显示的是第二花键在链轮上的结构，花键的键齿和键槽呈扭矩行程间隙281配合。当踩踏力超过上限后，第二花键的键齿和键槽接触，中轴直接将踩踏力传递给链轮10，从而达到延长套筒使用寿命的效果。
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。
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 (5)

1.一种中置电机电动自行车中轴力矩传感***，包括电机、中轴、应变套筒、扭矩传感器、双棘轮离合器、链轮支架和五通，其特征在于：
所述应变套筒套装在中轴上，一端固定在所述五通上并与所述双棘轮离合器相连接，另一端与中轴固定连接，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，控制器控制电机输出；
所述双棘轮离合器分为内圈、中圈和外圈，所述中圈与所述链轮支架固定连接，所述内圈与所述应变套筒相连，所述外圈与行星减速机构的输出端相连；
所述双棘轮离合器内圈分为两部分，一部分与应变套筒通过第一花键连接，另一部分与中轴通过第二花键连接，并且第二花键连接具有行程间隙配合。
2.根据权利要求1所述的中置电机电动自行车中轴力矩传感***，其特征在于，所述双棘轮离合器内圈的另一部分在中轴上滑动。
3.根据权利要求1所述的中置电机电动自行车中轴力矩传感***，其特征在于，所述扭矩传感器通过导电滑环将信号传递给控制器。
4.根据权利要求1所述的中置电机电动自行车中轴力矩传感***，其特征在于，所述扭矩传感器通过松耦合变压器将信号传递给控制器。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的中置电机电动自行车中轴力矩传感***，其特征在于，所述电机包括主壳体、线圈定子、转子、电机输出齿轮轴和行星减速机构，所述电机输出齿轮轴套设于所述中轴上与电机转子为一体结构，所述线圈定子固定于所述主壳体上，所述转子包裹于所述线圈定子外侧且与所述电机输出齿轮轴固定连接，所述行星减速机构设于所述主壳体内，所述电机输出齿轮轴与所述行星减速机构通过齿轮啮合。
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