CN208765879U - 中轴力矩传感器 - Google Patents

Abstract

一种中轴力矩传感器，包括：中轴，固定连接于左曲柄与右曲柄之间；传动组件，用于将所述中轴的旋转力矩转换为轴向力；传感单元，用于感测所述轴向力。本实用新型提供的中轴力矩传感器无需变更中轴安装结构及中轴附件结构，可直接应用于具有通用中轴结构的自行车上，具有优秀的通用性而可实现快速完全互换，降低制造与维护成本，有力地推动了中轴力矩传感器的广泛应用。

Description

中轴力矩传感器

技术领域

本实用新型属于传感器技术领域，具体地来说，是一种中轴力矩传感器。

背景技术

电动助力车是一种以自行车结构为基础，加配电力驱动单元的骑行车类型。电动助力车可根据骑行者的踩踏力度，提供相应的动力支持，减轻骑行者的骑行负担，使骑行舒适度与骑行里程大为增加，因而逐渐受到市场的欢迎。

其中，力矩传感器是电动助力车的核心部件。力矩传感器用于感应测量骑行者的骑行力矩，为电力驱动单元的动力输出提供判断基础。力矩传感器作为感知骑行者意图的部件，其性能至关重要。

目前，力矩传感器多由国外进口，国内尚无法实现自给自足。即使是国外的现有产品，亦多结构复杂、造价高昂，难以满足迅速发展的市场需要。此外，目前的力矩传感器需要对中轴安装结构及中轴所附设的牙盘、曲柄进行定制变更，并需要使用专用安装工具进行安装，无法于现有的中轴结构上直接安装使用，存在通用性差、无法实现快速更换、制造与维护成本高昂等缺点，严重制约了力矩传感器的推广应用，亦不利于电动助力车的快速发展。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种中轴力矩传感器，无需变更中轴安装结构及中轴附件结构，可直接应用于具有通用中轴结构的自行车上，具有优秀的通用性而可实现快速完全互换，降低制造与维护成本，有力地推动了中轴力矩传感器的广泛应用。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

一种中轴力矩传感器，包括：

中轴，固定连接于左曲柄与右曲柄之间；

传动组件，用于将所述中轴的旋转力矩转换为轴向力；

传感单元，用于感测所述轴向力。

作为上述技术方案的改进，所述中轴包括轴套与可旋转地贯设于所述轴套上的芯轴，所述芯轴固定连接所述左曲柄与所述右曲柄，所述轴套与所述芯轴之间形成环形容纳腔，所述传动组件与所述传感单元分别套设于所述环形容纳腔内。

作为上述技术方案的进一步改进，所述传动组件由所述中轴驱动而旋转及沿轴向作用于所述传感单元。

作为上述技术方案的进一步改进，所述传动组件包括力转换环件，所述力转换环件与所述中轴之间形成花键联接，所述力转换环件可旋转并沿轴向滑动地作用于所述传感单元。

作为上述技术方案的进一步改进，所述传动组件还包括输出轴件，所述输出轴件一端与所述力转换环件紧密咬合，另一端用于与链轮轴联接而驱动所述链轮轴旋转。

作为上述技术方案的进一步改进，所述输出轴件与所述力转换环件之间通过点接触、线接触与面接触中的一者实现紧密咬合。

作为上述技术方案的进一步改进，所述输出轴件具有花键轴端，所述花键轴端与所述链轮轴之间形成花键联接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述传动组件与所述传感单元之间通过第一轴承连接，所述第一轴承用于承受所述轴向力。

作为上述技术方案的进一步改进，所述传感单元包括应变环及设置于所述应变环上的应变片，所述应变环用于承受所述轴向力，所述应变片用于感测所述轴向力。

作为上述技术方案的进一步改进，所述中轴力矩传感器还包括转速传感器，用于测量所述中轴的转速和/或方向。

本实用新型的有益效果是：

具有中轴、传动组件与传感单元，中轴用于连接左右曲柄，传动组件用于实现旋转力矩与轴向力的转换，传感单元用于感测轴向力，形成模块化中轴结构而可直接替换现有的中轴而实现安装，无需变更中轴安装结构及中轴附件结构，具有优秀的通用性而可实现快速完全互换，降低制造与维护成本，有力地推动了中轴力矩传感器的广泛应用。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本实用新型实施例1提供的中轴力矩传感器的分解结构示意图；

图2是图1中的中轴力矩传感器的A处放大结构示意图；

图3是图1中的中轴力矩传感器的局部放大结构示意图；

图4是本实用新型实施例1提供的中轴力矩传感器的剖视结构示意图；

图5是本实用新型实施例1提供的中轴力矩传感器的安装结构示意图；

图6是本实用新型实施例1提供的中轴力矩传感器的带外螺纹的方孔中轴的结构示意图；

图7是本实用新型实施例1提供的中轴力矩传感器的带内螺纹的方孔中轴的结构示意图；

图8是本实用新型实施例1提供的中轴力矩传感器的带内螺纹的ISIS花键中轴的结构示意图；

图9是本实用新型实施例1提供的中轴力矩传感器的传动组件的点接触传动结构示意图；

图10是本实用新型实施例1提供的中轴力矩传感器的传动组件的线接触传动结构示意图；

图11是本实用新型实施例1提供的中轴力矩传感器的传动组件的面接触传动结构示意图。

主要元件符号说明：

1000-中轴力矩传感器，0100-中轴，0110-轴套，0120-芯轴，0121-外花键，0130-第一端部组件，0131-第一轴碗，0132-第一密封圈，0133-第一端部轴承，0140-第二端部组件，0141-第二轴碗，0142-第二密封圈，0143-第二端部轴承，0200-传动组件，0210-力转换环件，0211-传动滚珠，0212-传动锥体，0213-传动曲面，0214-内花键，0220-输出轴件，0221-咬合传动面，0222-花键轴端，0300-传感单元，0310-应变环，0320-信号处理电路，0330-信号传输线，0400-第一轴承，0500-转速传感器，0510-测速动环，0520-磁体，0530-测速静环，0600-输出轴用弹性挡圈，0700-链轮轴用弹性挡圈，2000-左曲柄，3000-左踏板，4000-右曲柄，5000-右踏板，6000-链轮组。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对中轴力矩传感器进行更全面的描述。附图中给出了中轴力矩传感器的优选实施例。但是，中轴力矩传感器可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对中轴力矩传感器的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在中轴力矩传感器的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请参阅图1，本实施例公开一种中轴力矩传感器1000，包括中轴0100、传动组件0200与传感单元0300，用于提供一种可与通用中轴0100完全互换的传感器安装结构，降低中轴力矩传感器1000的应用难度，扩大中轴力矩传感器1000的应用范围。

请参阅图5，中轴0100固定连接于左曲柄2000与右曲柄4000之间，由左曲柄2000或右曲柄4000驱动旋转。骑行者骑行时，通过左踏板3000驱动左曲柄2000旋转，或者通过右踏板5000驱动右曲柄4000旋转，从而输入驱动力矩而实现自行车骑行。

中轴0100的结构形式众多，常见地包括方孔中轴、花键中轴等类型。可以理解，中轴0100设计成与通用中轴一致的结构，以便于具有通用中轴0100结构的自行车上进行完全互换式安装，以降低应用难度。图6～8示出了几种常见的中轴结构，即带外螺纹的方孔中轴、带内螺纹的方孔中轴、ISIS花键中轴。

请结合参阅图1～4，示范性地，中轴0100包括轴套0110与可旋转地贯设于轴套0110上的芯轴0120。其中，芯轴0120固定连接左曲柄2000与右曲柄4000。同时，芯轴0120套设于轴套0110的内部，使轴套0110与芯轴0120之间形成环形容纳腔。相应地，传动组件0200与传感单元0300分别套设于环形容纳腔内。具体而言，传动组件0200与传感单元0300分别套装于芯轴0120上，并位于轴套0110的内部。示范性地，轴套0110、芯轴0120与传动组件0200具有共轴关系。

可以理解，芯轴0120两端分别突出于环形容纳腔的端部。示范性地，环形容纳腔两端由第一端部组件0130与第二端部组件0140实现封闭。可以理解，第一端部组件0130与第二端部组件0140分别套设于芯轴0120的外圆周上。

其中，第一端部组件0130包括第一轴碗0131、第一密封圈0132与第一端部轴承0133，第一轴碗0131固定于轴套0110的一端，第一端部轴承0133套设于第一轴碗0131与芯轴0120之间，第一密封圈0132用于实现芯轴0120与第一轴碗0131之间的密封；第二端部组件0140包括第二轴碗0141、第二密封圈0142与第二端部轴承0143，第二轴碗0141固定于轴套0110的另一端，第二端部轴承0143套设于第二轴碗0141与芯轴0120之间，第二密封圈0142用于实现芯轴0120与第二轴碗0141之间的良好密封。

传动组件0200用于将中轴0100的旋转力矩转换为轴向力，以便传感单元0300对轴向力进行可靠测量。示范性地，在中轴0100的驱动下，传动组件0200实现旋转并沿轴向作用于传感单元0300。换言之，传动组件0200可沿轴向滑动地接近传感单元0300，以将轴向力传递于传感单元0300。

传动组件0200可通过多种结构实现圆周运动与直线运动的转换，从而将输入的旋转力矩转换为轴向力而输出。示范性地，传动组件0200包括力转换环件0210。力转换环件0210与中轴0100(如其中的芯轴0120)之间形成花键联接，使力转换环件0210可旋转并沿轴向滑动地作用于传感单元0300。示范性地，芯轴0120具有外花键0121，力转换环件0210具有内花键0214，形成花键联接。其中，力转换环件0210接近传感单元0300的一端具有第一作用面，用于压迫传感单元0300而传递轴向力。

示范性地，传动组件0200还包括输出轴件0220。其中，输出轴件0220一端与力转换环件0210紧密咬合，另一端用于与链轮轴联接而驱动链轮轴旋转。示范性地，输出轴件0220套设于芯轴0120上，并由力转换环件0210驱动而旋转。由此，芯轴0120的旋转运动经力转换环件0210-输出轴件0220-链轮轴而输出，并由链轮轴所连接的链轮组6000与传动链的链传动传递至后轮毂，从而驱动后轮毂旋转而实现自行车的前进运动。

其中，输出轴件0220与力转换环件0210之间的咬合用以实现二者之间的传动。可以理解，二者之间的传动作用在于将力转换环件0210的圆周运动传递至输出轴件0220。二者之间的传动可通过多种方式实现，示范性地，输出轴件0220与力转换环件0210之间通过点接触、线接触与面接触中的一者实现紧密咬合。

请参阅图9，在点接触方式下，力转换环件0210接近输出轴件0220的一侧表面具有半球孔，半球孔内嵌设传动滚珠0211。同时，输出轴件0220具有咬合传动面0221，由传动滚珠0211与咬合传动面0221相互作用而实现点接触式传动。示范性地，输出轴件0220接近力转换环件0210的一侧表面具有锥孔，锥孔的表面即为咬合传动面0221。

请参阅图10，在线接触方式下，力转换环件0210接近输出轴件0220的一侧具有传动锥体0212。同时，输出轴件0220具有咬合传动面0221，由传动锥体0212与咬合传动面0221相互作用而实现线接触式传动。示范性地，输出轴件0220接近力转换环件0210的一侧表面具有锥孔，锥孔的表面即为咬合传动面0221。

请参阅图11，在面接触方式下，力转换环件0210接近输出轴件0220的一侧具有传动曲面0213。同时，输出轴件0220具有咬合传动面0221，由传动曲面0213与咬合传动面0221相互作用而实现面接触式(包括端面接触、周面接触)传动。可以理解，传动曲面0213与咬合传动面0221的形状相适应，保证咬合良好。

示范性地，输出轴件0220具有花键轴端0222，花键轴端0222与链轮轴之间形成花键联接。示范性地，花键轴端0222设有输出轴用弹性挡圈0600，用于限制输出轴件0220向外滑动。示范性地，链轮轴端设有链轮轴用弹性挡圈0700，用于限制链轮轴的轴向滑动。

传感单元0300用于感测轴向力，并将感测信号予以输出。示范性地，传动组件0200与传感单元0300之间通过第一轴承0400连接，第一轴承0400用于承受轴向力。其中，第一轴承0400的类型众多，优选为推力轴承。推力轴承仅用于承受轴向载荷，避免轴向力的传递受到干扰，保证传递精确性。示范性地，推力轴承为平面滚针推力轴承，进一步压缩中轴力矩传感器1000的结构尺寸与传动链，使之更形紧凑。

示范性地，传感单元0300包括应变环0310及设置于应变环0310上的应变片，应变环0310用于承受轴向力，应变片用于感测轴向力。其中，应变环0310套设于芯轴0120上，且不发生旋转运动。

换言之，应变环0310随轴套0110一并保持静止，不随芯轴0120发生旋转，使第一轴承0400与应变环0310于应用过程仅承受轴向力，避免受到旋转运动的干扰破坏。

示范性地，传感单元0300还包括信号处理电路0320，用于将感测量转换为可供传输的电信号予以输出。例如，信号处理电路0320将应变片的应变值转换为力矩值而直接输出。可以理解，信号处理电路0320可通过运算放大电路实现，可执行微积分、加减乘除等基本运算。示范性地，传感单元0300还包括信号传输线0330，用于实现感测信号的电路传输。

示范性地，中轴力矩传感器1000还包括转速传感器0500，用于测量中轴0100的转速和/或方向。其中，转速传感器0500单元可采用机械、电气、磁、光和混合式等方法实现。

示范性地，转速传感器0500包括测速动环0510、磁体0520与测速静环0530。其中，测速动环0510随芯轴0120一并旋转，复数个磁体0520沿测速动环0510的旋转圆周嵌设于测速动环0510上。测速静环0530与轴套0110一并保持静止，其上设置复数个霍尔传感器。

当芯轴0120旋转时，磁体0520随之旋转，霍尔传感器保持静止而产生霍尔效应，从而测量芯轴0120的转速。同时，根据复数个霍尔传感器之间的测量值之综合，即可判断芯轴0120的旋转方向。补充说明，转速传感器0500的测量值为转速矢量。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种中轴力矩传感器，其特征在于，包括：

中轴，固定连接于左曲柄与右曲柄之间，包括轴套与可旋转地贯设于所述轴套上的芯轴，所述芯轴固定连接所述左曲柄与所述右曲柄，所述轴套与所述芯轴之间形成环形容纳腔；

传动组件，用于将所述中轴的旋转力矩转换为轴向力；

传感单元，用于感测所述轴向力；

所述传动组件与所述传感单元分别套设于所述环形容纳腔内。

2.根据权利要求1所述的中轴力矩传感器，其特征在于，所述传动组件由所述中轴驱动而旋转及沿轴向作用于所述传感单元。

3.根据权利要求1所述的中轴力矩传感器，其特征在于，所述传动组件包括力转换环件，所述力转换环件与所述中轴之间形成花键联接，所述力转换环件可旋转并沿轴向滑动地作用于所述传感单元。

4.根据权利要求3所述的中轴力矩传感器，其特征在于，所述传动组件还包括输出轴件，所述输出轴件一端与所述力转换环件紧密咬合，另一端用于与链轮轴联接而驱动所述链轮轴旋转。

5.根据权利要求4所述的中轴力矩传感器，其特征在于，所述输出轴件与所述力转换环件之间通过点接触、线接触与面接触中的一者实现紧密咬合。

6.根据权利要求4所述的中轴力矩传感器，其特征在于，所述输出轴件具有花键轴端，所述花键轴端与所述链轮轴之间形成花键联接。

7.根据权利要求1所述的中轴力矩传感器，其特征在于，所述传动组件与所述传感单元之间通过第一轴承连接，所述第一轴承用于承受所述轴向力。

8.根据权利要求1所述的中轴力矩传感器，其特征在于，所述传感单元包括应变环及设置于所述应变环上的应变片，所述应变环用于承受所述轴向力，所述应变片用于感测所述轴向力。

9.根据权利要求1所述的中轴力矩传感器，其特征在于，还包括转速传感器，用于测量所述中轴的转速和/或方向。