CN102673720A - 用于电动自行车的曲柄扭矩感应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电动自行车的曲柄扭矩感应装置，设置于电动自行车车架的底部,并与设置于电动自行车上的电机控制器电连接；其包括五通托架和可与五通托架相对滑动的五通模块；五通托架包括用于托载五通模块，并可使五通模块在其上沿电动自行车的中轴与后轴之间直线连线的方向进行滑动的托架面；托架面上设置有侧挡部；五通模块上设置有垂直于所述五通模块滑行方向的通道，并且中轴的其中一端装载有链盘及一脚踏曲柄；另一端装载有另一个曲柄；本发明使电力驱动电动自行车的控制器根据采集的电信号调节电机扭矩大小，使人力和电力协调工作；其结构简单可靠，稳定性高，组装方便；制造成本低。

Description

用于电动自行车的曲柄扭矩感应装置

技术领域

本发明涉及电动自行车的曲柄扭矩感应测量范畴，具体涉及一种用于测量电动自行车的曲柄扭矩的感应装置。

背景技术

电动自行车，是指以蓄电池作为辅助能源在普通自行车的基础上，安装了电机、控制器、蓄电池、转把闸把等操纵部件和显示仪表系统的机电一体化的广泛使用的交通工具；其最重要的特征是将电机动力与骑乘者的踏力整合在一起，作为驱动力；为达到人力和电力的有机结合，需要在电动自行车脚踏的曲柄扭矩传递路径上设一个感测装置，以感测曲柄的扭矩的大小，并根据感测结果控制电机输出的动力，以减轻骑乘者施加的脚踏力，减轻骑乘者的累感。

传统的传感器没有对电动自行车脚踏部位的曲柄扭矩进行测量，无法判断骑行人踩踏脚踏时曲柄的扭矩，使人力和电力无法有机的结合，因而容易造成骑行时失去控制、推行时飞车等严重的安全隐患；而目前常用的力矩感应器是从电动自行车上旋转的链盘上测量扭矩信号，这种方式的信号采集和传输的稳定性差，并且结构复杂、生产成本较高，因而无法真正在市场上推广普及使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于电动自行车的曲柄扭矩感应装置，其结构更简单，组装更方便，信号采集和传输的稳定性好。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种用于电动自行车的曲柄扭矩感应装置，设置于的电动自行车车架的底部,并与设置于电动自行车上的电机控制器电连接，其包括五通托架和可与所述五通托架相对滑动的五通模块；

所述五通托架包括用于托载所述五通模块，并可使所述五通模块在其上沿电动自行车的中轴与后轴之间直线连线的方向进行滑动的托架面；所述托架面上设置有与所述五通模块的滑动产生相对位移的竖立的侧挡部；

所述五通模块上设置有垂直于所述五通模块滑行方向的通道；所述电动自行车车架的中轴从所述通道内贯穿，其两端分别外露于所述五通模块的两侧，并且所述中轴的其中一端装载有电动自行车的链盘及一脚踏曲柄；所述中轴的另一端装载有所述电动自行车的另一个曲柄；

还包括用于将所述五通模块与所述五通托架侧挡部之间的相对位移值或压力值传递给所述电机控制器的传感装置；

所述传感装置设置于所述五通模块与所述五通托架侧挡部之间，或同时设置于所述五通模块和所述五通托架上。

较佳地，所述五通托架包括一个半包围的通腔体，所述侧挡部为所述通腔体的一个侧壁；

所述五通模块为一中空筒体，其中空的内部为所述通道，所述五通模块部分装配于所述五通托架的所述通腔体内，并可沿远离或靠近所述通腔体的所述侧壁方向滑动；

所述电动自行车中轴与所述五通模块通道内壁之间设置有轴承。

较佳地，所述五通托架的所述通腔体为一个敞开式的矩形通腔体，所述托架面为其底部平面，所述托架面上垂直设置的竖向侧壁为所述侧挡部；

所述五通模块的外侧壁由相对组合的矩形块壁和弧状壁组成；所述矩形块壁装配于所述五通托架的矩形通腔体内，并且所述矩形块壁与所述竖向侧壁的内表面相对。

较佳地，所述矩形块壁的矩形侧面与所述竖向侧壁的内表面相平行；

所述中轴贯穿于所述五通模块通道内后，其轴径同时与所述五通托架的托架面和所述竖向侧壁的表面相平行。

较佳地，所述五通托架的矩形通腔体还包括设置于所述竖向侧壁顶端的横向短壁，所述横向短壁与所述托架面平行相对；

所述五通模块弧状壁包括横弯部，所述矩形块壁包括短横部，所述短横部和所述横弯部在所述五通模块外侧的顶部相接，共同组成五通模块400顶部的外壁；所述五通模块的短横部在所述五通托架矩形通腔体的横向短壁的内侧并与其相接触配合。

较佳地，所述传感装置包括弹性元件，所述弹性元件的一端设置于所述五通托架侧挡部的与所述五通模块相邻的侧面上，另一端正对所述五通模块的与所述五通托架侧挡部相邻的侧面；

所述传感装置还包括可以感应所述五通模块相对于所述五通托架的位移值并将其传递给所述控制器的电子位移感应元件；

所述电子位移感应元件同时设置于所述五通托架上和所述五通模块上。

较佳地，所述弹性元件是弹簧或弹片；

所述电子位移感应元件包括一霍尔组件和可与其通过相对位移而产生电动势的永久磁铁；所述霍尔组件和所述永久磁铁分别设置于所述五通托架和所述五通模块上，且设置于分别位于所述五通托架上和所述五通模块上的两个相邻的位置；所述霍尔组件与所述永久磁铁之间产生的电动势把所述五通模块与所述五通托架侧挡部之间的相对位移量传递给所述电机控制器。

较佳地，所述传感装置是感应所述五通模块对所述五通托架的压力值并将其传递给所述控制器的电子压力感应元件；所述电子压力感应元件设置于于所述五通模块相对的所述五通托架侧挡部的内侧，并靠近所述五通托架与电动自行车链盘相邻的一侧。

较佳地，所述五通托架还包括一固定支架；所述五通托架通过所述固定支架固定于车架底部；所述固定支架通过螺丝或铆钉，或通过焊接的方式固定于所述车架底部。

较佳地，所述五通托架的托架面上设置有凹陷的滑槽，所述五通模块的底部设置有与所述滑槽相配合的凸起的滑道；所述五通模块装配于所述五通托架上时，所述滑道与所述滑槽相配合。

本发明的有益效果

本发明的曲柄扭矩感应装置，使电动自行车的控制器可以根据采集的电信号调节电机扭矩大小，从而实现电动自行车人力和电力的有机结合，协调工作；结构简单、可靠，对信号的采集和传输稳定性高，组装方便，并减少了组装工序；大大降低了制造成本，便于普及。

附图说明

图1为本发明的曲柄扭矩感应装置的一具体实施例应用于电动自行车的原理图；

图2为本发明的曲柄扭矩感应装置的一具体实施例的装配时的立体结构图；

图3为本发明的曲柄扭矩感应装置的一具体实施例的剖视原理图；

图4为本发明的曲柄扭矩感应装置的一具体实施例的装有电子位移感应元件的示意图；

图5为本发明的曲柄扭矩感应装置的一具体实施例的装有电子压力感应元件的示意图；

图6为本发明的曲柄扭矩感应装置的一具体实施例的五通托架的立体图；

其中，

100电动自行车车架，101中轴，102脚踏，103曲柄，104链条，105链盘，后轴106；

200五通托架，211托架面，212竖向侧壁，210通腔体，213横向短壁；

230固定支架，231铆钉孔231；

310弹簧，21霍尔组件，322永久磁铁；

330电子压力感应元件；

400五通模块，401通道，410矩形块壁，411短横部，420弧状壁，421横弯部；

500轴承；

601滑槽，602滑道。

具体实施方式：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明的曲柄扭矩感应装置进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的曲柄扭矩感应装置，将用于承载电动自行车脚踏处中轴的五通装置模块化，并配以托架，使五通模块与五通托架之间可以根据骑行人的脚踏力产生相对滑动，并将代表滑动力或滑动位移的电信号传递给电动自行车上的电机控制器，使控制器可以根据相应的数据推出电动自行车上曲柄扭矩的大小，并调节电机的输出扭矩，使人力和电力合理的配合，减轻人的累感，有效发挥电机的作用。

如图1至图3所示，本实施例中的用于电动自行车的曲柄扭矩感应装置，设置于车架100的底部,并与设置于电动自行车上的电机控制器电连接，所述曲柄扭矩感应装置包括五通托架200和可与五通托架200相对滑动的五通模块400；

五通托架200包括用于托载五通模块400，并可使五通模块400在其上沿电动自行车的中轴101与后轴106之间直线连线的方向进行滑动的托架面211；托架面211上设置有与五通模块400的滑动产生相对位移的竖立的侧挡部；

五通模块400上设置有垂直于五通模块400滑行方向的通道401；所述车架的中轴101从通道401内贯穿，其两端分别外露于五通模块400的两侧，并且中轴101的其中一端装载有电动自行车的链盘105及一脚踏曲柄103；中轴101的另一端装载有电动自行车的另一个曲柄；

优选的，本实施例中的五通托架200包括一个半包围的通腔体，所述侧挡部为通腔体的一侧壁；

五通模块400为一中空筒体，其中空的内部为通道401，五通模块400部分装配于五通托架的通腔体210内，并可沿远离或靠近所述通腔体的侧壁方向滑动；电动自行车中轴101与五通模块的通道401内壁之间设置有轴承500；本实施例中，将五通托架200设计成腔体，保证了五通模块400在五通托架200内的滑动具有准确的方向性和较高的稳定性，并保证五通模块400能有效的承载轴承500和中轴101。

进一步地，如图2和图3所示，本实施例中的五通托架的通腔体210为一个敞开式矩形通腔体，其底部平面为托架面211，所述侧挡部为托架面211上垂直设置的竖向侧壁212；

五通模块400的外侧壁由相对组合的矩形块壁410和弧状壁420组成；

五通模块的矩形块壁410部分设置于五通托架200的矩形通腔体210内，使五通模块400可沿远离或靠近所述矩形框体竖向侧壁212的方向进行滑动，并且所述矩形块壁410的矩形侧面与所述竖向侧壁212的内表面相对。本实施例中，将五通托架的通腔体210设计成矩形，并将五通模块400外侧壁的一部分设计成矩形，使五通模块400与五通托架200在限定的矩形空间内配合，更容易精确测量出五通模块400与五通托架200之间的相对位移和相互作用力。

进一步地，五通模块的矩形块壁410的矩形侧面与五通托架的竖向侧壁212的内表面相平行；

中轴101贯穿于五通模块通道401后，其轴径同时与五通托架的托架面211和竖向侧壁212的表面相平行，保证五通模块400相对于五通托架200的滑动方向与作为所述侧挡部的竖向侧壁212相垂直，使测量数据更准确。

更进一步地，五通托架的矩形通腔体210还包括设置于竖向侧壁212顶端的横向短壁213；横向短壁213与托架面211平行相对；

所述五通模块的弧状壁420包括横弯部421，矩形块壁410包括短横部411；短横部411和横弯部421在五通模块400的顶部相接，共同组成五通模块400顶部的外壁；

如图3所示，五通模块400的短横部411在所述五通托架通腔体的横向短壁213的内侧并与其相接触配合；使横向短壁213作为五通模块400的向上方向的定位，使五通模块400在五通托架通腔体210内的滑动更稳定、更可靠，不会因为相对滑动而导致意外状况的发生，保证骑行者的骑行安全、可靠。

本实施例中的所述曲柄扭矩感应装置，还包括用于将五通模块400与所述五通托架侧挡部之间的相对位移值或压力值传递给所述电机控制器的所述传感装置；所述传感装置设置于五通模块400与所述五通托架侧挡部之间，或同时设置于五通模块400和五通托架200上；

进一步地，本实施例中的五通模块400是一个独立的模块，可在五通托架200内进行一定幅度的滑动，并通过所述传感装置将五通模块400受力后在五通托架200内的位移或作用力转化为电信号传递给电机控制器，使控制器可以根据电信号调节电机输出扭矩的大小，实现人力和车力的协调。

优选地，本实施例中的所述传感装置包括弹性元件；

所述弹性元件的一端设置于所述五通托架侧挡部上与五通模块400相邻的侧面上，另一端正对五通模块400的与所述五通托架侧挡部相邻的侧面上；并靠近五通托架200的邻近链盘105的一侧；

所述传感装置还包括电子位移感应元件，所述电子位移感应元件可以感应所述五通模块400相对于五通托架200的位移值并将其传递给所述电机控制器；所述电子位移感应元件同时设置于所述五通托架侧挡部上和五通模块400上。本实施例中，通过所述弹性元件使五通模块400和在五通托架200内的位移与曲柄的扭矩之间建立线性关系，再通过所述电子位移感应元件将代表位移值的电信号传递给电机控制器，使控制器可以反推出曲柄扭矩的大小，并调节电动自行车的输出扭矩，实现人力和电力的有机结合。

进一步地，所述弹性元件可以是弹簧或弹片；如图4所示，本实施例中的所述弹性元件是弹簧310；

本实施例中，如图4所示，弹簧310设置于五通托架的竖向侧壁212与五通模块的矩形块壁410的矩形侧面之间，并且弹簧310越靠近五通托架200的链盘105侧，其稳定性越好。

本实施例中的所述电子位移感应元件包括一霍尔组件321和可与其通过相对位移而产生电动势的永久磁铁322；霍尔组件321和永久磁铁322分别设置于五通托架200和五通模块400上，且设置于位于五通托架200上和五通模块400上的两个相邻的位置；霍尔组件321与永久磁铁322之间产生的电动势把五通模块400与五通托架竖向侧壁212之间的相对位移量传递给电机控制器。

进一步地，如图4所示，本实施例中的霍尔组件321设置于五通托架竖向侧壁212顶端的横向短壁213上，永久磁铁322镶嵌设置于五通模块的短横部411上，并且霍尔组件321与永久磁铁322之间尽可能的靠近，以便准确感测。作为另一些实施方式，霍尔组件321和永久磁铁322可以分别设置于五通托架200和五通模块400上的其它位置，但要保持二者之间的有效距离，以便可以准确的感测五通模块400相对于五通托架的位移。

优选的，作为本发明的另一种实施方式，如图5所示，所述传感装置还可以是电子压力感应元件330；电子压力感应元件330感应五通模块400对五通托架的压力值并将其传递给所述控制器；所示电子压力感应元件330设置于与五通模块400相对的五通托架竖向侧壁212的内侧，并靠近所述五通托架200与电动自行车链盘105相邻的一侧；使用电子压力感应元件330，可以使控制器直接推导出曲柄的扭矩，并实时调节；由于骑行人的脚踏力、电动自行车的曲柄的扭力等相关作用力都是通过链条传递给电动自行车的，因此电子压力感应元件330越靠近五通托架200上与链盘105相邻的一侧，测出的五通模块400对五通托架的压力值就越准确。

优选的，如图6所示五通托架200还包括一固定支架230；五通托架200通过固定支架230固定于车架100底部；固定支架230通过螺丝或铆钉固定于车架100底部，或焊接固定于车架100底部；本实施例中的固定支架230上设置有用于铆钉固定的铆钉孔231。

优选的，如图2和6通托架的托架面211上设置有凹陷的滑槽601，五通模块400的底部设置有与滑槽601相配合的凸起的滑道602；五通模块400装配于五通托架200上时，滑道602与滑槽601相配合，使五通模块400与五通托架200上的滑动方向准确，不会产生其它方向的分力或偏移的位移，使所述传感装置感测到的五通模块400与五通托架侧挡部212之间的相对位移值或压力值更精准。

本实施例中的曲柄扭矩感应装置的工作原理是：如图1所示，当骑行人踩踏脚踏板102时，产生一个向下的踩踏力F1，其相应的扭矩T1=F1xL1（L1为踩踏力F1的力臂）；同时链条104拉紧，并产生一个反作用力F2，相应的扭矩T2=F2xL2（L2为反作用力F2的力臂，链条104在链盘105的边缘圆周上，故L2为链盘105的半径）；当反作用力F2传导至中轴101时，使中轴101产生一个和反作用力F2相等的压力F3；如图3所示，中轴101通过轴承500把压力F3传导给五通模块400，使五通模块400在五通托架的矩形通腔体210内相对滑动。

进一步地，作为一种实施方式，当所述传感装置采用弹性元件310和电子位移感应元件320时；如图3和图4所示，本实施例中的弹性元件310为弹簧，其一端设置于五通托架竖向侧壁212的内侧，另一端正对五通模块400的侧面；弹簧310受到压力F3压迫变形，设定该弹簧310的弹性系数为K，五通模块400在五通托架200内的滑动位移距离为L3，则压力F3=KxL3；因为反作用力F2与压力F3近似相等，踩踏力扭矩T1与反作用力扭矩T2相等，因此根据T1=F1xL1，T2=F2xL2，以及F3=KxL3，可得出曲柄103的扭矩与五通模块400位移的函数关系为：T1=KxL3xL2;

同时由于在五通托架侧挡部212的内侧面上设置了霍尔组件321，在五通模块400的侧面上设置了永久磁铁322；通过霍尔组件321与永久磁铁322之间产生的电动势可以把五通模块400在五通托架200内的滑动位移距离L3传递给所述电机控制器，电机控制器根据L3数值、弹簧310的弹性系数K以及电动自行车链盘的半径L2，通过曲柄103的扭矩公式T1=KxL3xL2，反推出曲柄103的扭矩T1的大小，然后根据曲柄103的扭矩的大小自动调节电动自行车电机的输出扭矩大小，从而实现人力与电力的有机结合。

更进一步地，作为另一种实施方式，如图3和图5所示，当所述传感装置采用电子压力传感元件330时；由于电子压力感应元件330可以直接测量出压力F3的大小，因此就可得出曲柄扭矩的函数关系为：T1=F3xL2；

当电子压力感应元件330把代表压力F3大小的电信号传递给电机控制器时，电机控制器也可以反推出的曲柄103的扭矩T1的大小，并自动调节电动自行车电机的输出扭矩大小，从而也可以实现电动自行车人力和电力的有机结合。

最后应当说明的是，很显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (10)

1.一种用于电动自行车的曲柄扭矩感应装置，设置于的电动自行车车架的底部,并与设置于电动自行车上的电机控制器电连接，其特征在于：包括五通托架和可与所述五通托架相对滑动的五通模块；

所述五通托架包括用于托载所述五通模块，并可使所述五通模块在其上沿电动自行车的中轴与后轴之间直线连线的方向进行滑动的托架面；所述托架面上设置有与所述五通模块的滑动产生相对位移的竖立的侧挡部；

所述五通模块上设置有垂直于所述五通模块滑行方向的通道；所述电动自行车车架的中轴从所述通道内贯穿，其两端分别外露于所述五通模块的两侧，并且所述中轴的其中一端装载有电动自行车的链盘及一脚踏曲柄；所述中轴的另一端装载有所述电动自行车的另一个曲柄；

还包括用于将所述五通模块与所述五通托架侧挡部之间的相对位移值或压力值传递给所述电机控制器的传感装置；

所述传感装置设置于所述五通模块与所述五通托架侧挡部之间，或同时设置于所述五通模块和所述五通托架上。

2.根据权利要求1所述的曲柄扭矩感应装置，其特征在于：

所述五通托架包括一个半包围的通腔体，所述侧挡部为所述通腔体的一个侧壁；

所述五通模块为一中空筒体，其中空的内部为所述通道，所述五通模块部分装配于所述五通托架的所述通腔体内，并可沿远离或靠近所述通腔体的所述侧壁方向滑动；

所述电动自行车中轴与所述五通模块通道内壁之间设置有轴承。

3.根据权利要求2所述的曲柄扭矩感应装置，其特征在于：

所述五通托架的所述通腔体为一个敞开式的矩形通腔体，所述托架面为其底部平面，所述托架面上垂直设置的竖向侧壁为所述侧挡部；

所述五通模块的外侧壁由相对组合的矩形块壁和弧状壁组成；所述矩形块壁装配于所述五通托架的矩形通腔体内，并且所述矩形块壁与所述竖向侧壁的内表面相对。

4.根据权利要求3所述的曲柄扭矩感应装置，其特征在于：

所述矩形块壁的矩形侧面与所述竖向侧壁的内表面相平行；

所述中轴贯穿于所述五通模块通道内后，其轴径同时与所述五通托架的托架面和所述竖向侧壁的表面相平行。

5.根据权利要求4所述的曲柄扭矩感应装置，其特征在于：

所述五通托架的矩形通腔体还包括设置于所述竖向侧壁顶端的横向短壁，所述横向短壁与所述托架面平行相对；

所述五通模块弧状壁包括横弯部，所述矩形块壁包括短横部，所述短横部和所述横弯部在所述五通模块外侧的顶部相接，共同组成五通模块400顶部的外壁；所述五通模块的短横部在所述五通托架矩形通腔体的横向短壁的内侧并与其相接触配合。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的曲柄扭矩感应装置，其特征在于：

所述传感装置包括弹性元件，所述弹性元件的一端设置于所述五通托架侧挡部的与所述五通模块相邻的侧面上，另一端正对所述五通模块的与所述五通托架侧挡部相邻的侧面；

所述传感装置还包括可以感应所述五通模块相对于所述五通托架的位移值并将其传递给所述控制器的电子位移感应元件；

所述电子位移感应元件同时设置于所述五通托架上和所述五通模块上。

7.根据权利要求6所述的曲柄扭矩感应装置，其特征在于：

所述弹性元件是弹簧或弹片；

所述电子位移感应元件包括一霍尔组件和可与其通过相对位移而产生电动势的永久磁铁；所述霍尔组件和所述永久磁铁分别设置于所述五通托架和所述五通模块上，且设置于分别位于所述五通托架上和所述五通模块上的两个相邻的位置；所述霍尔组件与所述永久磁铁之间产生的电动势把所述五通模块与所述五通托架侧挡部之间的相对位移量传递给所述电机控制器。

8.根据权利要求1至5任意一项所述的曲柄扭矩感应装置，其特征在于：

所述传感装置是感应所述五通模块对所述五通托架的压力值并将其传递给所述控制器的电子压力感应元件；所述电子压力感应元件设置于于所述五通模块相对的所述五通托架侧挡部的内侧，并靠近所述五通托架与电动自行车链盘相邻的一侧。

9.根据权利要求1所述的曲柄扭矩感应装置，其特征在于：

所述五通托架还包括一固定支架；所述五通托架通过所述固定支架固定于车架底部；所述固定支架通过螺丝或铆钉，或通过焊接的方式固定于所述车架底部。

10.根据权利要求1所述的曲柄扭矩感应装置，其特征在于：

所述五通托架的托架面上设置有凹陷的滑槽，所述五通模块的底部设置有与所述滑槽相配合的凸起的滑道；所述五通模块装配于所述五通托架上时，所述滑道与所述滑槽相配合。

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