CN103257011A

CN103257011A - 一种曲柄扭矩测量装置及电动自行车和智能自行车

Info

Publication number: CN103257011A
Application number: CN2013101599932A
Authority: CN
Inventors: 尚林山
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-05-03
Filing date: 2013-05-03
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2033-05-03
Also published as: CN103257011B

Abstract

本发明公开一种曲柄扭矩测量装置，包括圆形套筒、第一轴承、第二轴承、支撑第一轴承的第一轴承座、及设置在圆形套筒内靠近链盘端的承载模块；电动自行车或智能自行车的中轴从圆形套筒、第一轴承和第二轴承内贯穿，其两端分别外露于圆形套筒的两侧；承载模块上设置有导向腔，第一轴承座置于导向腔中；以及设置在导向腔内用于测量第一轴承座与承载模块之间的相对位移值或压力值的传感装置。还涉及一种电动自行车和智能自行车。其结构简单，使电动自行车的控制器根据采集的位移或压力电信号调节电机扭矩大小，实现电动自行车人力和电力的有机结合；可以实时计算和记录智能自行车的曲柄扭矩，为智能自行车骑行人的健身和训练提供科学的数据。

Description

一种曲柄扭矩测量装置及电动自行车和智能自行车

技术领域

本发明涉及电动自行车和自行车领域，特别是涉及一种曲柄扭矩测量装置及电动自行车和智能自行车。

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。

在普通自行车上设置测力计等辅助测量工具后被称为智能自行车，用作训练器械或身体复健。

传统的速度传感器没有对电动自行车或智能自行车的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

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种结构简单、设计合理的电动自行车的曲柄扭矩测量装置及电动自行车和智能自行车，其使电动自行车的控制器可以根据采集的位移或压力电信号来调节电机扭矩大小，从而实现电动自行车人力和电力的有机结合；或实现智能能自行车准确的计算出骑行人的用力状态。本发明实现上述目的所采用的技术方案是：

一种曲柄扭矩测量装置，设置于电动自行车车架或智能自行车车架的底部，并与设置于电动自行车上的控制器或智能自行车上的仪表连接，包括圆形套筒、第一轴承、第二轴承、支撑第一轴承的第一轴承座，及设置在所述圆形套筒内靠近链盘端的承载模块；

所述电动自行车的中轴从所述圆形套筒、第一轴承和第二轴承内贯穿，其两端分别外露于所述圆形套筒的两侧；

所述承载模块上设置有导向腔，所述第一轴承座置于所述导向腔中；

以及设置在所述导向腔内用于测量所述第一轴承座与承载模块之间的相对位移值或压力值的传感装置。

较优地，所述导向腔的形状为四边形、六边形或类六边形，其中至少有两侧内壁平行；

所述第一轴承座纵截面外围形状为四边形、六边形或类六边形，其中至少有两侧外壁平行；

平行的所述两侧内壁分别与平行的所述两侧外壁相配合，使所述第一轴承座与导向腔相配合，所述第一轴承座能够沿着平行的所述两侧内壁靠近或远离所述传感装置移动。

较优地，所述传感装置包括弹片和设置在弹片上的电阻应变片；

所述导向腔的一侧内壁上设置有凹槽，所述弹片镶嵌在所述凹槽内，所述凹槽的远离所述第一轴承座的一侧设置有凹陷部，所述电阻应变片与所述凹陷部形成避位空间。

较优地，所述传感装置包括弹片和电子位移感应元件；

所述导向腔的一侧内壁上设置有凹槽，所述弹片镶嵌在所述凹槽内，所述凹槽的远离所述第一轴承座的一侧设置有凹陷部，所述弹片与所述凹陷部形成避位空间；

所述电子位移感应元件包括第一霍尔组件和可与其通过相对位移而产生电动势的第一磁体；

所述第一霍尔组件和所述第一磁体分别设置于所述承载模块和所述第一轴承座上，且分别位于所述承载模块上和所述第一轴承座上的两个相邻的位置；所述第一霍尔组件与所述第一磁体之间产生的电动势把所述第一轴承座与所述承载模块之间的相对位移量传递给所述控制器。

较优地，所述曲柄扭矩测量装置还包括支撑所述第二轴承的第二轴承座；

所述承载模块与圆形套筒螺纹连接、铆钉连接或螺钉连接；

所述第二轴承座与圆形套筒螺纹连接、铆钉连接或螺钉连接。

较优地，所述承载模块上还设置有用于对其紧固和定位的第一预紧螺母；

所述第二轴承座上设置有用于对其紧固的第二预紧螺母。

较优地，所述第一轴承为滚针轴承或球轴承；

所述第二轴承为球轴承。

较优地，所述曲柄扭矩测量装置还包括测量中轴转速的测速装置，所述测速装置包括第二霍尔组件、套环和设置在所述套环上的若干磁铁；

所述第二霍尔组件设置在所述圆形套筒上，所述套环套设在所述中轴上，置于所述圆形套筒内，所述若干磁铁均匀分布在所述套环上；

在所述套环随所述中轴同步转动时，所述第二霍尔组件产生的电信号传送至所述控制器。

较优地，所述承载模块上所述导向腔的一端设置有限位挡板，所述限位挡板中部设置有用于贯穿所述中轴的通孔。

还涉及一种电动自行车，包括车架，设置在车架上的控制器，以及中轴，所述中轴的一端装载有电动自行车的链盘及一脚踏曲柄，另一端装载有电动自行车的另一个脚踏曲柄，还包括上述任一技术特征的曲柄扭矩测量装置，所述曲柄扭矩测量装置设置于所述电动自行车车架的底部。

还涉及一种智能自行车，所述智能自行车不以蓄电池作为辅助能源，包括车架、测量仪表和中轴，所述中轴的一端装载有自行车的链盘及一脚踏曲柄，另一端装载有自行车的另一个脚踏曲柄，还包括还包括上述任一技术特征的曲柄扭矩测量装置，所述曲柄扭矩测量装置设置于所述智能自行车车架的底部，与所述测量仪表电连接。

本发明的有益效果是：

本发明的曲柄扭矩测量装置及电动自行车和智能自行车，电动自行车的控制器可以根据采集的位移或压力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；智能自行车的测量仪表可以实时计算和记录曲柄扭矩；其结构简单，组装方便，对信号的采集和传输的稳定性高，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测量装置一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测量装置一实施例的剖视示意图；

图3为图2所示承载模块的主视示意图；

图4为图3所示承载模块的后视示意图；

图5为图3中B-B向剖视图；

图6为图4中C-C向剖视图；

图7为图2所示第一轴承座的主视示意图；

图8为图7所示第一轴承座的左视图；

图9为图7所示第一轴承座的俯视图；

图10为图2所示弹片的主视图；

图11为图10所示弹片的俯视图；

图12为图10所示弹片的左视图；

图13为图2所示第一预紧螺母的主视图；

图14为图13所示第一预紧螺母的俯视图；

图15为图2中A-A向未安装中轴时的剖视图；

其中，

100车架;101中轴;1011中轴链盘端；102脚踏;103脚踏曲柄;

104链条;105链盘;106后轴;107飞轮;108圆形套筒；1081过线孔；

109第一轴承座；1091第一磁体；110承载模块；1101导向腔；

1102凹槽；1103限位挡板；1104避位空间；1105第一霍尔组件；

111弹片；1111电阻应变片；1112导线；112第一预紧螺母；

113第一轴承；1131中轴安装孔；114磁铁；115螺钉；

116第二霍尔组件；117套圈；118第二轴承；

119第二轴承座；120第二预紧螺母。

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测量装置及电动自行车和智能自行车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。

参照图1至图15，本发明的电动自行车的曲柄扭矩测量装置一实施例设置于电动自行车或智能自行车车架100的底部，并与设置于电动自行车上的控制器或智能自行车上的仪表（未示出）电连接，电动自行车包括车架100，设置在车架100上的控制器（未示出），以及中轴101。曲柄扭矩测量装置包括圆形套筒108、第一轴承113、第二轴承118、支撑第一轴承113的第一轴承座109，及设置在圆形套筒108内靠近中轴链盘端1011的承载模块110；

电动自行车的中轴101从圆形套筒108、第一轴承113和第二轴承118内贯穿，其两端分别外露于圆形套筒108的两侧，中轴101的一端装载有电动自行车的链盘105及一脚踏曲柄103，另一端装载有电动自行车的另一个脚踏曲柄103；

承载模块110上设置有导向腔1101，第一轴承座109置于导向腔1101中；曲柄扭矩测量装置还包括设置在导向腔1101内用于将第一轴承座109与承载模块110之间的相对位移值或压力值传递给控制器的传感装置。

导向腔1101的形状为四边形、六边形或类六边形，其中至少有两侧内壁平行；

第一轴承座109纵截面外围形状为四边形、六边形或类六边形，其中至少有两侧外壁平行；

平行的所述两侧内壁分别与平行的所述两侧外壁相配合，使第一轴承座109与导向腔1101相配合，第一轴承座109能够沿着平行的所述两侧内壁靠近或远离所述传感装置移动。

曲柄扭矩测量装置安装在电动自行车或智能自行车后，导向腔1101的上侧内壁与导向腔1101的下侧内壁平行；第一轴承座109的上侧外壁与下侧外壁平行；导向腔1101的上侧内壁与第一轴承座109的上侧外壁接触，导向腔1101的下侧内壁与第一轴承座109的下侧外壁接触，使第一轴承座109与导向腔1101相配合，第一轴承座109在导向腔1101内可沿着导向腔1101的上侧内壁和下侧内壁与导向腔1101产生相对位移，导向腔1101对第一轴承座109起导向作用。

所述传感装置包括弹片111和设置在弹片111上的电阻应变片1111；

导向腔1101的一侧内壁上设置有凹槽1102，弹片111镶嵌在凹槽1102内，凹槽1102的远离第一轴承座109的一侧设置有凹陷部，电阻应变片1111与凹槽1102的所述凹陷部之间形成避位空间1104，避位空间1104用于为弹片111受力变形的避位，同时用于通过过电阻应变片1111与控制器之间的导线1112，圆形套筒108上开设有用于穿过导线1112的过线孔1081；

较优地，作为一种可实施方式，所述传感装置包括弹片111和电子位移感应元件；

所述导向腔1101的一侧内壁上设置有凹槽1102，弹片111镶嵌在凹槽1102内，凹槽1102的远离第一轴承座109的一侧设置有凹陷部，弹片111与凹槽1102的所述凹陷部之间形成避位空间1104；

所述电子位移感应元件包括第一霍尔组件1105和可与其通过相对位移而产生电动势的第一磁体1091；

第一霍尔组件1105和第一磁体1091分别设置于承载模块110和第一轴承座109上，且分别位于承载模块110上和第一轴承座109上的两个相邻的位置；

第一霍尔组件1105与第一磁体1091之间产生的电动势把第一轴承座109与承载模块110之间的相对位移量传递给所述控制器。其中，第一磁体1091包括两块永久磁铁，两块永久磁铁的N极和S极相对应，即第一块永久磁铁的N极与第二块永久磁铁的S相接触，通过两者接触处的磁通量最小。

曲柄扭矩测量装置还包括支撑第二轴承118的第二轴承座119；

承载模块110与圆形套筒108螺纹连接，承载模块110的外围设置外螺纹，圆形套筒108内侧设置内螺纹；承载模块110与圆形套筒108也可采用螺钉连接或铆钉接连接。

第二轴承座119与圆形套筒108螺纹连接，第二轴承座119的外围也设置有外螺纹。第二轴承座119与圆形套筒108也可采用螺钉连接或铆钉接连接。

较优地，作为一种可实施方式，承载模块110上设置有用于对其紧固和定位的第一预紧螺母112；第二轴承座119上设置有用于对其紧固的第二预紧螺母120；第一预紧螺母112与承载模块110螺纹连接，承载模块110安装在圆形套筒108上后，第一预紧螺母112将承载模块110紧固，使其定位固定在圆形套筒108上，优选的，曲柄扭矩测量装置安装在电动自行车或智能自行车后，导向腔1101的上侧内壁保持水平，弹片111的中部与第一轴承座109接触，并使弹片111的受力F4方向朝向后轴106；第二预紧螺母120与第二轴承座119螺纹连接，第二轴承座119安装在圆形套筒108后，第二预紧螺母120安装在第二轴承座119上，使第二轴承座119紧固在圆形套筒108上。

优选的，第一轴承113为滚针轴承或球轴承；第二轴承118为球轴承。

较优地，作为另一种可实施方式，曲柄扭矩测量装置还包括测量中轴转速的测速装置，所述测速装置包括第二霍尔组件116、套环117和设置在套环117上的若干磁铁114；

第二霍尔组件116设置在圆形套筒108上，套环117套设在中轴101上，置于圆形套筒108内，若干磁铁114均匀分布在套环117上;

套环117由塑料制成，也可采用两个半圆形的塑料件对接而成，磁铁114设置在套环117上；磁铁114为永久磁铁或磁钢片，镶嵌在套环117中，第二霍尔组件116设置在圆形套筒108上，由螺钉115固定在圆形套筒108上，圆形套筒108上与磁铁114对应的位置设置第一通孔，霍尔组件上的感应元器件也可设置在第一通孔内，在磁铁随中轴101同步转动时，第二霍尔组件116产生电信号并传送至控制器。套环117可设置第一轴承113与第二轴承118之间的中轴101上的任意位置。

较优地，作为再一种可实施方式，承载模块110上导向腔1101的一侧设置有限位挡板1103，限位挡板1103中部设置有用于贯穿中轴101的第二通孔，第二通孔为中轴安装孔1131。优选的，限位挡板1103与承载模块110为一体。

以上实施例中的曲柄扭矩测量装置的工作原理是：如图1和15所示，当骑行人踩踏脚踏102时，产生一个向下的压力F1，相应的扭矩为T1=F1×L1（L1为踩踏力F1的力臂）,此时链条104拉紧，产生一个反作用力F2,相应的扭矩T2=F2×L2（L2为反作用力F2的力臂，由于链条104在飞轮107和链盘105的边缘圆周上，故L2为链盘105的半径），由于T1=T2，链盘105把力F2传导给中轴101，中轴101产生一个和F2相等的压力F3,中轴101把此压力传导给第一轴承座109，由于第一轴承座109受力F3后与弹片111接触，弹片111受力F4产生变形，其中F4=F3，贴在弹片111上的电阻应变片1111便测出压力F4的大小，因此就可得出曲柄扭矩的函数关系为：T1=F4xL2；当电阻应变片1111把代表压力F4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。

上述实施例中的曲柄扭矩测量装置，结构简单，设计巧妙，根据弹片的变形很准确的测出弹片受力的大小，从而计算出脚踏扭矩的大小，电动自行车电机根据弹片受力大小或脚踏扭矩大小来调节电动自行车电机的输出扭矩，协调工作。以上实施例中，由于电动自行车的除曲柄扭矩测量装置以外的其它部件为现有技术，智能自行车的除曲柄扭矩测量装置以外的其它部件也为现有技术，此处不再对电动自行车和智能自行车一一赘述。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种曲柄扭矩测量装置，设置于电动自行车车架或智能自行车车架的底部，并与设置于电动自行车上的控制器或智能自行车上的仪表连接，其特征在于：

包括圆形套筒、第一轴承、第二轴承、支撑第一轴承的第一轴承座，及设置在所述圆形套筒内靠近链盘端的承载模块；

2.根据权利要求1所述的曲柄扭矩测量装置，其特征在于：

所述导向腔的形状为四边形、六边形或类六边形，其中至少有两侧内壁平行；

3.根据权利要求2所述的曲柄扭矩测量装置，其特征在于：

所述传感装置包括弹片和设置在弹片上的电阻应变片；

4.根据权利要求2所述的曲柄扭矩测量装置，其特征在于：

所述传感装置包括弹片和电子位移感应元件；

5.根据权利要求1所述的曲柄扭矩测量装置，其特征在于：

所述曲柄扭矩测量装置还包括支撑所述第二轴承的第二轴承座；

所述承载模块与圆形套筒螺纹连接、铆钉连接或螺钉连接；

6.根据权利要求5所述的曲柄扭矩测量装置，其特征在于：

所述承载模块上还设置有用于对其紧固和定位的第一预紧螺母；

所述第二轴承座上设置有用于对其紧固的第二预紧螺母。

7.根据权利要求5所述的曲柄扭矩测量装置，其特征在于：

所述第一轴承为滚针轴承或球轴承；

所述第二轴承为球轴承。

8.根据权利要求1-7任一项所述的曲柄扭矩测量装置，其特征在于：

所述曲柄扭矩测量装置还包括测量中轴转速的测速装置，所述测速装置包括第二霍尔组件、套环和设置在所述套环上的若干磁铁；

9.根据权利要求所述的曲柄扭矩测量装置，其特征在于：

所述承载模块上所述导向腔的一端设置有限位挡板，所述限位挡板中部设置有用于贯穿所述中轴的通孔。

10.一种电动自行车，包括车架，设置在车架上的控制器，以及中轴，所述中轴的一端装载有电动自行车的链盘及一脚踏曲柄，另一端装载有电动自行车的另一个脚踏曲柄，其特征在于：

还包括如权利要求1至9任一项所述的曲柄扭矩测量装置，所述曲柄扭矩测量装置设置于所述电动自行车车架的底部。

11.一种智能自行车，所述智能自行车不以蓄电池作为辅助能源，包括车架、测量仪表和中轴，所述中轴的一端装载有自行车的链盘及一脚踏曲柄，另一端装载有自行车的另一个脚踏曲柄，其特征在于：

还包括如权利要求1至9任一项所述的曲柄扭矩测量装置，所述曲柄扭矩测量装置设置于所述智能自行车车架的底部，与所述测量仪表电连接。