CN101715407A - 具有驱动轴和驱动曲柄的驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机器的驱动装置，其具有可围绕轴线(6)旋转的驱动轴(13)以及两个与该驱动轴相对于其轴线保持角度不变地连接的驱动曲柄(1，2)。根据本发明，为了简单且成本节约地确定作用在驱动轴上的转矩，设置了至少一个与驱动曲柄固定连接的磁致伸缩体(7，9，10，17)以及磁场传感器(11，12，18)，以用于测量磁致伸缩体的磁散逸场。

Description

具有驱动轴和驱动曲柄的驱动装置

技术领域

本发明属于机械制造及测量技术领域，其尤其可应用于自行车、测功计和电动自行车。

背景技术

我们可以想到各种各样的具有能够直接通过一个或多个驱动曲柄驱动的驱动轴的机械设备。在这些应用中，自行车扮演着特别重要的角色，在自行车中，驱动功率通常由一个前端的驱动轴通过齿轮圈和链条传递至驱动轮的轴上。

其中，前端的驱动轴通常由人的腿力通过踏板经由驱动曲柄，即所谓的脚踏曲柄驱动。

在此，两根驱动曲柄通常相对于驱动轴的转轴呈180度相互错开，从而使驱动力总能通过其中一根驱动曲柄而得以循环交替地传递。

附加地，在较高功率范围内，自行车骑乘者的脚借助于固定装置与驱动曲柄或者说踏板连接，从而使驱动曲柄在其整个旋转过程中尽可能地受力。

人们在很早以前就知道借助于不同的装置测量轮子的转速，并至少间接地测量驱动轴的转速，以便确定自行车的速度或者例如测功计的转速。

而功率和/或作用在驱动轴上的转矩的测量就要困难许多。为此必须对力和/或扭矩进行测量，而这基本上是很复杂的。

现有技术中公开了各种各样的方法和装置来用于确定扭力，特别是自行车车轮扭力的不同方法和装置在现有技术中是公知的。

DE 102005023182 A1展示了一种转矩测量装置，其具有用于在马达输出元件和转矩转换驱动元件之间传递转矩的转矩传递板，其中，传递板通过适当地减小厚度而能够随转矩发生轻微的弹性变形，并且在传递板的可变形接片上设置有用于检测弹性形变的伸缩测试条。关于此伸缩测试条的功能在该专利文件中未作进一步解释。

DE 102005041287 A1展示了一种具有两个分轴的转矩传感器，其中，每一分轴均与一个所谓的探测管相连，该探测管彼此同轴放置。探测管以彼此间隔开的位置固定地连接在分轴上，其具有环状地分布在端面上的齿，从而在轴部件的旋转出现强弱变化时，探测管之间的磁阻就会根据轮齿的一致性而呈周期性地变化。由此，分轴的旋转能够相互检定。这是用于起作用扭力的标准。

DE 102005006769 A1展示了通常被作为磁致伸缩逆效应的所谓维拉里效应，通过该效应，例如由于轴的扭矩而导致的变形会产生轴的磁效应。铁、铜、镍或这些材料的合金都是显示有维拉里效应的材料。

DE 10044701 C1提出了一种安装在自行车踏板上的传递装置，踏板作用力经由该传递装置传递至脚踏曲柄上。由于力的传递，弹簧状元件被压缩，该力效应被测量，从而确定出传递的转矩。

应用磁致伸缩元件以测量扭矩通过DE 69900898 T2而为人所知，在这里，通过磁性材料，扭矩应该可被转换成电压。

发明内容

在这种背景下，本发明的目的在于，在一种具有可围绕轴线旋转的驱动轴以及与该驱动轴相对于其轴线保持角度不变地连接的两个驱动曲柄的用于机器的驱动装置中寻找一种尽可能结构简单、成本合理的方案，从而确定作用在驱动轴上的转矩。

根据本发明，上述目的利用至少一个与其中一个驱动曲柄固定连接的磁致伸缩体以及用于测量该磁致伸缩体的磁散逸场的磁场传感器来实现。

转矩通过驱动曲柄的驱动而在周向上被传递到驱动轴上。驱动曲柄自身在此需要弯曲，其借助于例如与曲柄星盘之间的螺栓连接或者其他接合技术与驱动轴保持角度不变地连接。

驱动曲柄原则上对于测量或者传感器的置入都特别方便。驱动曲柄的弯曲负荷在已知抗弯刚性的情况下可通过当前的弯曲变形来确定。根据本发明，弯曲变形由与驱动曲柄固定连接的磁致伸缩体分担，该磁致伸缩体与驱动曲柄一样地也发生变形。

磁致伸缩体，即通常的永磁体具有这样的特性，其磁力特性会随变形而改变。特别地，在这种磁致伸缩体中可引入永磁场，只要磁体形状保持不变，该永磁场将是稳定并且恒定的。例如其可以这样构成，即磁力线在磁体内部闭合，从而将向外穿透的磁散逸场降低到最小程度。

一旦磁体发生变形，就能探测到形成在磁体外部的磁散逸场。该磁散逸场可按照修正值，必要时也可根据出现的例如地磁场的干扰场进行求值，由此就可确定磁致伸缩体的变形，并随之确定驱动曲柄的变形以及作用在驱动曲柄上而导致其变形的弯曲力矩。

通常，可通过对驱动曲柄施加预定的弯曲力矩，并对不同数值下所产生的磁散逸场进行测定而对驱动装置进行校准，相应的测量值表可存留而用于求值。

据此，在知道磁致伸缩体与轴之间距离的情况下，通过对驱动曲柄(例如自行车的驱动曲柄)范围内的磁散逸场进行求值，就能够确定当前作用在驱动轴上的转矩。

本发明的一个有利的设计方案提出，每个驱动曲柄均连接有一个磁致伸缩体。

通过监控两个驱动曲柄，就能够以较高的精度确定总的有效转矩。虽然原则上应使两个驱动曲柄负荷相同，但不必完美追求满足这一要求。与仅仅从一个驱动曲柄上的单边测量值而推断出的总转矩相比，通过加和的方法能够达到更高的精确度。此外，负荷的不对称性也能得以确定，并为不同目的而加以评估。

例如应用在竞技运动中，用来向自行车运动员展示其施加在脚踏曲柄上的力量不均衡，或者运动员的其中一条腿要比另外一条腿锻练得差从而需要追加训练。

一方面，磁致伸缩体可以通过插入、浇注进或者粘贴进驱动曲柄的空隙而集成在驱动曲柄中，或者也可以提出将磁致伸缩体套装在驱动曲柄上并与驱动曲柄固定相连，以使其能够分担驱动曲柄的变形。这可以通过例如粘接、钎焊或者熔焊等方式实现。

另一方面，也可以这样实现集成，即将磁致伸缩体作为驱动曲柄的部件与驱动曲柄地一体式(没有连接处)地连接在一起。在这种情况下，磁致伸缩体可以例如在曲柄制造完毕后再加以磁化。

因而驱动曲柄必须由能够磁化的材料的制成。在其他的情况下，它可由其他材料，比如钢、钛合金或者复合材料或者石墨制成。

原则上，利用磁性不活跃的材料制造驱动曲柄也是有利的，这样，从磁致伸缩体出来的磁散逸场不会直接进入驱动曲柄中，磁力线也不会在驱动曲柄上闭合。值得期望的是，磁散逸场至少到达相应的磁场传感器并在该传感器处能被探测到。

相应的磁场传感器同样可以集成进驱动曲柄中，或者安装在驱动曲柄上，以便对磁场进行有效测量。相应的测量值可通过导线传输，但也可借助于无线电通讯方式发送至评估单元。

本发明的另一有利的设计方案提出，磁致伸缩体在传递转矩的区域中与驱动轴固定连接。

这样就可借助于一个额外的磁场传感器测定作用在驱动轴上的转矩，并将其与通过各驱动曲柄带来的分转矩作比较。

本发明的另一有利的设计方案提出，将磁致伸缩体集成在驱动轴的输出元件中，特别集成在曲柄星盘中。

这样可以测定总转矩，并且可以确定诸如在驱动轴的轴承中的摩擦损失或者通过非周向指向的力在驱动曲柄上产生的损耗。

这样，只要在驱动曲柄中安装一个唯一的磁致伸缩体就足够了，通过测量驱动轴中或者更简单地测量输出元件中的转矩总量，就可通过减法运算确定作用在另一驱动曲柄上的转矩。

相应的磁场传感器可以安装在驱动轴周围附近，或者安装驱动轴自身上或输出元件附近，但是需要使其处于相应磁致伸缩体的磁散逸场的影响范围之内。

另外，本发明可有利地设计具有评估单元，在该评估单元中由总磁场强度确定出转矩。

在评估单元内部，借助于存储于其中的公式，或者通过将转矩归入存储于其中的数值表，就可从总磁场强度确定出相应的转矩。转矩也能够在自行车或者测功计上显示出来，以告知自行车骑乘者有关驱动装置的机械负荷以及其所施加的力。

这可以比如作报警之用，因为，与在过大的力量使骨骼和关节负荷过大的情况下训练相比，在较高转速及较小转矩的情况下训练通常被认为对人体更为有利。这样，在超过相应的转矩阈值时可以发出警告，以便促使骑乘者换挡。

原则上，评估时所确定的是转矩的平均值，例如总在驱动轴旋转半圈(或稍小)的期间内取平均值，所述期间在自行车或测功计中通常就是相应的驱动曲柄处于受压负荷状态下的期间。

在此，有利地提出一种用于确定驱动轴转速的转速测量装置。

这样，除了转矩之外还能够确定转速，这两个量值一起就能够计算出所施加的功。与转矩共同利用一样，转速本身同样能够加以利用，其在达到一定阈值时可用于起动或关闭机器/自行车的额外驱动，或者在自行车或测功计中用于自动换挡，或者特别地在测功计中用于将负载电阻调高或调低。为此设置一个控制单元是有利的，该控制单元能够存储已经确定的转矩的阈值，并且它与额外的驱动装置和/或用于变速箱的换挡装置连接。

控制单元可以仅依赖于用以确定转矩的装置而动作，或者也可以在额外顾及转速测量值以及由此确定的功率测算值的情况下而动作。

为此目的，评估单元可以同时具有功率计算单元。

本发明除了涉及一种用于机器的驱动装置之外，还涉及用于驱动如前所述的机器的方法，其中，在考虑按时间取平均的转矩和/或按时间取平均的功率的情况下启动和关闭额外的驱动装置和/或换挡装置。

最后，本发明还涉及一种具有如前所述的驱动装置的自行车、电动自行车或者测功计。

附图说明

下面将根据一个实施例来在附图中展示本发明，并随之对其进行描述。其中：

图1是具有两个踏板曲柄和一个链轮齿圈的自行车的驱动轴的透视图；

图2是驱动轴一部分、曲柄星盘以及驱动曲柄的横截面图和相应的透视图；

图3是具有两个踏板曲柄和相应的磁致伸缩体的驱动装置的透视图；

图4是测量值求值功能的示意性概要图。

具体实施方式

图1示出了作为自行车或测功计或者电动自行车典型部件的两根驱动曲柄1和2以及驱动轴(在其余附图中有详细展示)的封装体3，驱动曲柄在这种情况下也被称作踏板曲柄，在图中，与踏板曲柄相连接的踏板已被去掉。另外描绘了一排齿轮圈4，其与驱动轴通过一个所谓的曲柄星盘5连接在一起。

驱动曲柄1、2与驱动轴例如可以形状配合的连接件相对于轴线6保持角度不变地连接。

在第一驱动曲柄1在远离第二驱动曲柄的外侧上显示有磁致伸缩体7。

磁致伸缩永磁体被置入驱动曲柄1的材料中并通过例如钎焊固定在其中。

在第二驱动曲柄2中安装有同样的一个磁致伸缩体，不过在图中看不见。

从图2示出的概要图中可得知，链条(未示出)通过齿轮圈驱动，该链条通常与自行车后轮上的相应小齿轮相连接。

磁致伸缩体9、10是这样描绘的，即其形成驱动曲柄1、2的整体的一部分。

磁致伸缩体7、9、10在开始运转之前，必要时也可在安转入相应的驱动曲柄之前就已完成磁化。它们向外释出的磁散逸场优选降低到最小程度，这样就会有尽可能多的磁力线在磁致伸缩体的材料内部闭合。

为测量每该磁致伸缩体外部的相应磁散逸场而分别设置有磁传感器11、12，其例如可以构造成具有或没有铁磁芯的导体线圈，通过导体线圈的电流被监测。

在一个磁场传感器上也可以分别设置两个线圈，以便能够抵消干扰量，例如由地磁场或者当地产生的磁干扰场。

当踏板曲柄1、2中一个发生弯曲，以便产生用于使自行车或者一个相应的通过驱动轴驱动的机器加速或制动的转矩时，相应的驱动曲柄的弯曲就会导致相应的磁致伸缩体9、10产生局部变形，从而引起磁场的改变，这种改变能够通过磁传感器探测到并被换算成弯曲转矩。然后从弯曲力矩可以确定出作用在驱动轴13上的转矩。

图2更加详细地展示了驱动轴的构造、驱动轴与齿轮圈4的接合以及踏板曲柄1。

在图2的右侧示出了相应的纵剖图，而左侧则是详细描绘的立体图。相对于左侧的立体示图，图2右侧的尺度被放大了许多。

在纵剖图中首先示出了驱动轴13的一部分，驱动轴13在其未示出的部分进一步地与第二驱动曲柄2连接。驱动曲柄1与轴13通过螺栓连接14角度固定地互相连接。驱动曲柄1可以与所谓的曲柄星盘5一体式地构造，齿轮圈4通过分布在圆周上的螺栓连接15拧紧在曲柄星盘5上。

因此，驱动曲柄1被用于将转矩引入轴13中，而曲柄星盘则通过传递至齿轮圈4引起输出。

该附图示出了位于曲柄星盘上的磁致伸缩体17，其在此位置探测力矩。该力矩是需要传递的总力矩的分量。理想的情况是在曲柄星盘的每一轮辐上或者每一轮辐中安置一个这样的传感器。这些传感器也可以一体式地集成进各轮辐中。这些传感器探测到的转矩总和等于总力矩，即通过链条传输到后轮上的力矩(不考虑链式传动的效率损耗)。

驱动轴13支承在滚动轴承16中并由壳体3整个包围加以保护。

在图2中，首先示出了测量装置10，11，其由一个磁致伸缩体10和一个磁场传感器11组成。

附加地，在转矩从曲柄星盘5传递至齿轮环4的区域中，显示有另一磁致伸缩体17和磁场传感器18，通过该磁场传感器18可确定输出转矩，以便测定装置的效率。

附加地示出了转速测量装置的元件19，该转速测量装置用于测量驱动轴13的旋转，从而能够通过测量时间而确定转速。

在图4中实际上示出了评估单元、功率计算单元以及控制单元的功能。

图4展示了轴13以及驱动曲柄1、2和对应于驱动曲柄的磁场传感器11、12。

另外描述了用于接收输出至齿轮环4的转矩的磁场传感器18。磁场传感器11、12、18与评估单元20连接。在评估单元中，从例如相应的弯曲力矩出发，对各个当前施加在轴上的转矩以及这些转矩的总和进行计算。总转矩可与输出转矩进行比较，并由此确定效率。

另外，转矩被按照时间取平均值，例如，为驱动曲柄1、2的值，这种按时间取平均值也可以单独地发生，以便确定不对称性。

另外，可以监测作用在驱动曲柄上的最大有效弯曲力矩以及作用在轴13上的最大有效转矩，可以对于例如轴的半圈旋转分别形成滑动时间平均值，从而计算驱动装置的机械负荷以及计算驱动运动器械(比如在自行车)的人员作用在该运动器械上的力。

根据所设定的阈值，对于力/力矩的最大值以及平均值，都可以在控制单元中给以相应的数据，在控制单元中的存储单元24中存储有阈值，该阈值用于与当前测得的值相比较。在超过一定阈值的情况下，一方面，控制命令会被赋予辅助驱动装置25(例如电动机)，从而控制其启动或关闭，另一方面，可以对用于变速箱的换挡装置26进行控制，从而改变驱动装置中的力，同时也对转速进行调节。例如，换挡装置26的控制能够在转矩负荷过高时换到“较低”档，该较低档导致例如选择齿轮圈24上较小的小齿轮。

在附图中另外绘出了转速传感器19，其与功率计算单元21连接在一起。在功率计算单元21中，通过时间测量单元22从转速传感器19的脉冲中计算得到转速，该转速可连同评估单元20的数据用于计算功率。

相应地得出的功率同样可赋予控制单元23，根据功率值是否超过或低于相应的阈值，控制单元23能够控制辅助驱动装置25是否关闭或启动，或者控制换挡装置26进行调节。

通过本发明，能够以简单的方式(必要时也能改进)对所述类型的机器例如自行车、测功计或者电动自行车进行转矩测量，以用于监测及调节等各种不同目的。

附图标记列表

1、2         驱动曲柄

3            封装体

4            齿轮圈

5            曲柄星盘

6            轴线

7、9、10、17 磁致伸缩体

8            链条

11、12、18   磁场传感器

13           驱动轴

14、15       螺栓连接

16           滚动轴承

19           测速器元件

20           评估单元

21           功率计算单元

22           时间测量单元

23           控制单元

24           存储单元

25           辅助驱动装置

26           换挡装置

Claims (16)

1.一种用于机器的驱动装置，具有可围绕轴线(6)旋转的驱动轴(13)以及与相对于所述驱动轴的轴线保持角度不变地与所述驱动轴连接两个驱动曲柄(1，2)，其特征在于至少一个与所述驱动曲柄(1，2)中的一个固定连接的磁致伸缩体(7，9，10，17)以及用于测量所述磁致伸缩体的磁散逸场的磁场传感器(11，12，18)。

2.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，磁致伸缩体(9，10)与每个所述驱动曲柄(1，2)连接。

3.根据权利要求1或2所述的驱动装置，其特征在于，所述磁致伸缩体(7，9，10，17)分别集成在所述驱动曲柄(1，2)中。

4.根据权利要求1或2所述的驱动装置，其特征在于，所述磁致伸缩体(7)粘贴在所述驱动曲柄(1，2)上。

5.根据权利要求1或前述权利要求中的一项所述的驱动装置，其特征在于，磁场传感器(11，12，18)固定在一个/多个驱动曲柄(1，2)上。

6.根据权利要求1或前述权利要求中的一项所述的驱动装置，其特征在于，磁致伸缩体(30)在传递转矩的区域中与所述驱动轴固定连接。

7.根据权利要求1或前述权利要求中的一项所述的驱动装置，其特征在于集成在所述驱动轴的输出元件中，尤其是在曲柄星盘中的磁致伸缩体。

8.根据权利要求1或前述权利要求中的一项所述的驱动装置，其特征在于一评估单元(20)，在所述评估单元(20)中由测得的磁场强度确定出转矩。

9.根据权利要求1或前述权利要求中的一项所述的驱动装置，其特征在于一转速测量装置(19)，用于确定驱动轴(13)的转速。

10.根据权利要求8或9所述的驱动装置，其特征在于一控制单元(23)，在所述控制单元(23)中存储有用于已测定的转矩的阈值，并且所述控制单元与辅助驱动装置(25)和/或用于变速箱的换挡装置(26)连接。

11.根据权利要求10所述的驱动装置，其特征在于，所述控制单元(23)与所述转速测量装置(19)连接。

12.根据权利要求11所述的驱动装置，其特征在于，所述评估单元(20)具有功率计算单元(21)。

13.一种用于驱动根据权利要求8至12中任一项所述的机器的方法，其特征在于，在考虑按时间取平均的转矩和/或按时间取平均的功率的情况下启动和关闭辅助驱动装置(25)和/或换挡装置(26)。

14.一种具有根据权利要求1至12中任一项所述的驱动装置的自行车。

15.具有根据权利要求1至12中任一项所述的驱动装置的电动自行车。

16.具有根据权利要求1至12中任一项所述的驱动装置的测功计。

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