CN103879506B - 电动自行车中轴力矩传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动自行车中轴力矩传感装置，包括穿设在自行车五通管中的中轴、套设在该中轴上的牙盘、以及套在中轴上且当其受到周向扭转力时会产生周向形变的轴套，轴套的一端与中轴相对固定，另一端与牙盘相对固定，轴套上设置有能够感应轴套所受周向扭转力大小的力矩传感组件，力矩传感组件的力矩信号输出线经一出线装置与自行车的电机控制器相连，出线装置由相互贴合接触且能够相对滑动的动滑座和静滑座构成，其中动滑座与轴套固定，静滑座与自行车五通管相对固定，力矩传感组件的力矩信号输出线与动滑座相连，所述静滑座与所述电机控制器之间通过力矩信号引出线相连。本发明结构简单且性能稳定。

Description

电动自行车中轴力矩传感装置

技术领域

本发明涉及一种电动自行车中轴力矩传感装置。

背景技术

为了让电动自行车的驱动电机能够根据自行车中轴所受扭转力大小而调整输出功率，几乎所有的电动自行车上都设置有中轴力矩传感装置。现有的电动自行车中轴力矩传感装置普遍存在结构复杂、外形庞大等缺点。

一些自行车中轴力矩传感装置的力矩信号引出线是通过集电环引出与驱动电机的电机控制器相连，而集电环采用滑环和碳刷或其他触点件动态接触的结构方式，使用时触点件或碳刷与滑环之间会产生滑动摩擦。因为触点件与滑环之间为点接触，接触面积非常小，压强较大，因此长时间使用后滑环很容易被划伤。而且很难保证触点件与滑环之间的接触稳定性，这直接影响了力矩传感装置所发出的力矩传感信号的稳定性。

发明内容

本发明目的是：针对上述问题，提供一种结构简单且性能稳定的电动自行车中轴力矩传感装置。

本发明的技术方案是：一种电动自行车中轴力矩传感装置，包括穿设在自行车五通管中的中轴、套设在该中轴上的牙盘、以及套在中轴上且当其受到周向扭转力时会产生周向形变的轴套，所述轴套的一端与中轴相对固定，另一端与牙盘相对固定，所述轴套上设置有能够感应轴套所受周向扭转力大小的力矩传感组件，所述力矩传感组件的力矩信号输出线经一出线装置与自行车的电机控制器相连，所述出线装置由相互贴合接触且能够相对滑动的动滑座和静滑座构成，其中动滑座与轴套固定，静滑座与自行车五通管相对固定，所述力矩传感组件的力矩信号输出线与动滑座相连，所述静滑座与所述电机控制器之间通过力矩信号引出线相连。

作为优选，所述力矩传感组件包括力矩传感磁钢以及与所述力矩传感磁钢相对应的霍尔力矩传感器，所述轴套的管壁上沿圆周方向开设有非闭合切口，所述力矩传感磁钢固定在所述切口的一侧，所述霍尔力矩传感器固定在所述切口的另一侧，所述力矩信号输出线连接在所述霍尔力矩传感器上。

作为优选，所述力矩传感磁钢为稀土磁钢，且共设有两个。

作为优选，所述霍尔力矩传感器上的霍尔元件设置在霍尔力矩传感器靠近所述力矩传感磁钢的那一侧。

作为优选，所述力矩传感组件的力矩信号输出线以及所述静滑座与电机控制器之间的力矩信号引出线各有两根；所述动滑座由连为一体的动滑座内环和动滑座外环构成，所述静滑座由连为一体的静滑座内环和静滑座外环构成，其中动滑座内环与静滑座内环滑动接触，动滑座外环与静滑座外环滑动接触；所述的两根力矩信号输出线分别与所述动滑座内环和动滑座外环相连，所述的两根力矩信号引出线分别与静滑座内环和静滑座外环相连。

作为优选，还包括速度感应磁钢以及与所述速度感应磁钢对应的霍尔速度传感器，其中速度感应磁钢设置在所述动滑座上，霍尔速度传感器与自行车五通管相对固定。

作为优选，所述速度感应磁钢共有20个，在所述动滑座上呈圆形均匀分布。

作为优选，所述轴套的一端与所述中轴之间是通过花键相对固定的。

本发明的优点是：

1、本发明这种自行车中轴力矩传感装置借助安装于中轴和牙盘间的轴套受力后而产生变形，进而使力矩传感磁钢和霍尔力矩传感器的相对位置发生变化，进而感应出中轴所受力矩大小，力矩传递到位，因为是一体式的结构，所以不会存在力矩较弱时感应信号不稳的缺陷，而是始终能确保感应信号的高灵敏度和高精度。

2、本发明这种自行车中轴力矩传感装置中的出线装置采用相互贴合接触的动滑座和静滑座结构，由于动滑座和静滑座在相对旋转的过程中能够始终保持紧密贴合接触，接触面积较大，压强较小，所以导电可靠，信号传输稳定，摩擦损耗也小。

3、本发明这种自行车中轴力矩传感装置能够同时检测中轴的力矩和速度，从而使电机控制器能够综合考虑中轴的转速大小和力矩大小后，来控制电机的运行参数。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是采用了本发明这种自行车中轴力矩传感装置的电动自行车中置电机的整体结构示意图；

图2是采用了本发明这种自行车中轴力矩传感装置的电动自行车中置电机的局部结构示意图；

图3是轴套的剖视结构示意图；

图4是轴套的平面结构示意图；

其中：1-中轴，2-牙盘，3-轴套，301-切口，4-力矩传感磁钢，5-霍尔力矩传感器，6-动滑座，601-动滑座内环，602-动滑座外环，7-静滑座，701-动滑座内环，702-静滑座外环，8-轴承，9-力矩信号输出线，10-力矩信号引出线，11-机壳，12-定子，13-转子，14-电机轴齿，15-尼龙齿轮，16-小齿轮，17-大齿轮，18-第一单向轴承，19-第二单向轴承，20-机座，21-速度感应磁钢，22-霍尔速度传感器，23-花键，24-电机连接管，25-锁紧螺母，26-电机控制器，27-加强板，28-固定板。

具体实施方式

为了让人们更加清楚直观地了解本发明的技术内容，下面以一款安装有本发明这种中轴力矩传感装置的电动自行车中置电机作为具体实施例对本发明技术内容作具体阐述：

图1和图2是采用了本发明这种自行车中轴力矩传感装置的电动自行车中置电机的结构示意图，该中置电机包括机壳11、机座20和电机连接管24，而且机壳11和机座20均与电机连接管24连为一体。电机连接管24一端制有外螺纹，装配时，将电机连接管24穿设在自行车五通管(图中未画出)中，并使电机连接管24的螺纹端伸出五通管外，然后在电机连接管24的外螺纹上锁入锁紧螺母25，从而将电机连接管24和自行车五通管紧紧固定在一起。为了保证机壳11和五通管间的连接强度，本例在机壳11、电机连接管24和五通管之间连接有一块加强板27，该加强板27一端通过螺丝锁紧在机壳11上，另一端套在电机连接管24上并由所述锁紧螺母25紧紧压在五通管端部。

所述电机连接管24内通过轴承8旋转装配有中轴1(显然该中轴1也穿设在自行车五通管中)，该中轴1上套有牙盘2，实际应用时，该牙盘2与自行车后轮链盘之间安装有传动链条。所述中轴1上还套有一个轴套3，当该轴套3受到周向扭转力时会产生周向形变。轴套3的一端通过花键23与中轴1相对固定，而另一端与牙盘2相对固定。轴套3上设置有能够感应轴套所受周向扭转力大小的力矩传感组件，所述力矩传感组件的力矩信号输出线经一出线装置与自行车的电机控制器相连。

所述力矩传感组件可以采用现有技术中的各种结构形式，比如：粘贴电阻应变片的结构形式。而本实施例中的力矩传感组件采用了如下结构形式：所述轴套3的管壁上沿圆周方向开设有非闭合切口301，该切口301的一侧固定有力矩传感磁钢4，另一侧固定有与所述力矩传感磁钢相对应的霍尔力矩传感器5，而且该霍尔力矩传感器5中的霍尔元件设置在霍尔力矩传感器5上靠近力矩传感磁钢4的那一侧。所述力矩信号输出线9是连接在霍尔力矩传感器5上的。

本例中，所述力矩传感磁钢4为稀土磁钢，且共设有两个。这两个稀土磁钢并排布置，且极性相反。

实际应用时，需在中轴1两端安装曲柄，曲柄上安装脚踏。当自行车骑行者用脚踩动脚踏带动中轴1转动时，中轴1将其受到的扭转力通过花键23传递给轴套3在图1中的左端，轴套3受到扭转力后发生周向扭转变形，从而使所述力矩传感磁钢4和霍尔力矩传感器5之间的相对位置发生变化，进而使霍尔力矩传感器5感应到这一力矩信号并将该力矩信号通过出线装置传递给电机控制器26，再由电机控制器26处理后调整电机的运行参数。骑行者踩动脚踏的力量越大，轴套3受到的扭转力越大，轴套3的变形量越大，霍尔力矩传感器5感应到的力矩信号越大。

本实施例中的所述出线装置采用了一种非常巧妙的结构，它由相互贴合接触的、且能够相对滑动的动滑座6和静滑座7构成，其中动滑座6通过固定板28固定连接在所述轴套3端部，静滑座7与所述机座20固定，所述霍尔力矩传感器5的力矩信号输出线与动滑座6相连，所述静滑座7与所述电机控制器之间通过力矩信号引出线10相连。

当轴套3转动时，与轴套3固定的动滑座6就会随轴套3一起转动，而静滑座7则固定在机座20上与自行车车架相对静止，这样动滑座6和静滑座7之间发生相对转动并始终保持贴合接触，从而将霍尔力矩传感器5感应到的力矩信号依次经过力矩信号输出线9、动滑座6、静滑座7和力矩信号引出线10稳定输送给电机控制器26。由于动滑座6和静滑座7之间为面接触，接触面积较大，压强较小，所以导电可靠，信号传输稳定，摩擦损耗也小。

本实施例中，所述霍尔力矩传感器5的力矩信号输出线9、以及所述静滑座7与电机控制器之间的力矩信号引出线10各为两根。相对应地，本例将所述动滑座6和静滑座7分别设置成了如下结构：动滑座6由连为一体的动滑座内环601和动滑座外环602构成，所述静滑座7由连为一体的静滑座内环701和静滑座外环702构成，其中动滑座内环601与静滑座内环701滑动接触，动滑座外环602与静滑座外环702滑动接触。所述的两根力矩信号输出线9分别与所述动滑座内环601和动滑座外环602相连，所述的两根力矩信号引出线10分别与静滑座内环701和静滑座外环702相连。

另外，本例在所述动滑座6上安装有速度感应磁钢21，所述机座20上设置有与所述速度感应磁钢21对应的霍尔速度传感器22，与霍尔力矩传感器5一样，该霍尔速度传感器内也设有霍尔元件。当中轴1带动轴套3和动滑座6转动时，所述速度感应磁钢21随之转动，而固定在机座20上的霍尔速度传感器22保持静止，从而使霍尔速度传感器22感应出中轴1的转速，达到检测脚踩速度信号的目的。因为霍尔速度传感器22与机座20固定，而机座20与自行车五通管固定，那么速度感应磁钢21自然与自行车五通管相对固定。

本实施例中，所述速度感应磁钢21共有20个，且这20个速度感应磁钢21在所述动滑座6上呈圆形均匀分布。动滑座6每转动一圈，就可向霍尔速度传感器22输出20个的脉冲信号。

本实施例的这种电动自行车中置电机还包括设于机壳11内的定子12和转子13、以及与转子13固定的电机轴齿14，所述电机轴齿14通过齿轮减速机构与所述牙盘2传动连接。电机通电运行后，转子13带动电机轴齿14转动，电机轴齿14通过齿轮减速机构带动牙盘2转动，进而带动自行车前行。

本例采用内转子外定子结构。

所述齿轮减速机构可以采用本领域技术人员所熟知的各种结构形式，本实施例中的齿轮减速机构采用二级减速结构，其详细结构如下：它包括与所述电机轴齿14相互啮合的尼龙齿轮15、与尼龙齿轮15同轴连接的小齿轮16、以及与所述小齿轮16相互啮合的大齿轮17，所述大齿轮17与牙盘2固定。电机轴齿14和尼龙齿轮15构成第一级减速，二者采用斜齿传动；与尼龙齿轮15同轴连接的小齿轮16和与牙盘2连接的大齿轮17构成第二级减速，二者采用直齿传动。本产品通过两级齿轮减速，把3600-4500rpm的转速降到100-125rpm后直接带动自行车牙盘。本发明所说的小齿轮和大齿轮中的“小”和“大”，是相对而言的。

为了保证转子13驱动牙盘2转动时中轴1不跟转，本例在轴套3和大齿轮17之间安装了第一单向轴承18，该第一单向轴承18包括轴承内圈以及与该轴承内圈单向锁紧的轴承外圈，其中轴承外圈与所述大齿轮17固定，而轴承内圈与轴套3端部固定。可见，牙盘2并不是直接连接在中轴1上的，而使通过大齿轮17、第一单向轴承18和轴套3与中轴1相连的。当电机通电驱动转子13转动时，第一单向轴承18的内圈和外圈处于分离状态，可相对转动，轴套3和中轴1就不会跟着脚蹬转动。而当人力骑行时，只要骑行速度超过电驱动的速度(纯人力骑行时，电驱动速度为零)，第一单向轴承1的内外圈就会处于合的状态(单向锁紧)，同样可以像普通自行车一样正常骑行。

为减轻人力骑行时的阻力，本例还在所述小齿轮16和尼龙齿轮15之间设置了第二单向轴承19，所述第二单向轴承19包括轴承内圈以及与该轴承内圈单向锁紧的轴承外圈，其中轴承外圈与所述尼龙齿轮15固定，而轴承内圈与小齿轮16固定。当人力骑行时，牙盘2会通过大齿轮带着小齿轮16转动，这时第二单向轴承19的内外圈处在分离状态，不会带动尼龙齿轮15和电机转子13转动，从而确保骑行更轻松；而当电机通电运行时，只要电驱动的速度超过人力骑行的速度，第二单向轴承19就会处在合的状态，从而保证电驱动力可以传递给牙盘2。而且本例在小齿轮16和尼龙齿轮15之间还设置有与第二单向轴承19同轴布置的滚珠轴承(图中未标注)，从而为第二单向轴承19分担一部分径向力。

当然，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电动自行车中轴力矩传感装置，包括穿设在自行车五通管中的中轴(1)、套设在该中轴(1)上的牙盘(2)、以及套在中轴(1)上且当其受到周向扭转力时会产生周向形变的轴套(3)，所述轴套(3)的一端与中轴(1)相对固定，另一端与牙盘(2)相对固定，所述轴套(3)上设置有能够感应轴套所受周向扭转力大小的力矩传感组件，所述力矩传感组件的力矩信号输出线(9)经一出线装置与自行车的电机控制器(26)相连，其特征在于：所述出线装置由相互贴合接触且能够相对滑动的动滑座(6)和静滑座(7)构成，其中动滑座(6)与轴套(3)固定，静滑座(7)与自行车五通管相对固定，所述力矩传感组件的力矩信号输出线(9)与动滑座(6)相连，所述静滑座(7)与所述电机控制器(26)之间通过力矩信号引出线(10)相连。

2.根据权利要求1所述的电动自行车中轴力矩传感装置，其特征在于：所述力矩传感组件包括力矩传感磁钢(4)以及与所述力矩传感磁钢(4)相对应的霍尔力矩传感器(5)，所述轴套(3)的管壁上沿圆周方向开设有非闭合切口(301)，所述力矩传感磁钢(4)固定在所述切口(301)的一侧，所述霍尔力矩传感器(5)固定在所述切口(301)的另一侧，所述力矩信号输出线(9)连接在所述霍尔力矩传感器(5)上。

3.根据权利要求2所述的电动自行车中轴力矩传感装置，其特征在于：所述力矩传感磁钢(4)为稀土磁钢，且共设有两个。

4.根据权利要求2所述的电动自行车中轴力矩传感装置，其特征在于：所述霍尔力矩传感器(5)上的霍尔元件设置在霍尔力矩传感器(5)靠近所述力矩传感磁钢(4)的那一侧。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的电动自行车中轴力矩传感装置，其特征在于：所述力矩传感组件的力矩信号输出线(9)以及所述静滑座(7)与电机控制器之间的力矩信号引出线(10)各有两根；所述动滑座(6)由连为一体的动滑座内环(601)和动滑座外环(602)构成，所述静滑座(7)由连为一体的静滑座内环(701)和静滑座外环(702)构成，其中动滑座内环(601)与静滑座内环(701)滑动接触，动滑座外环(602)与静滑座外环(702)滑动接触；所述的两根力矩信号输出线(9)分别与所述动滑座内环(601)和动滑座外环(602)相连，所述的两根力矩信号引出线(10)分别与静滑座内环(701)和静滑座外环(702)相连。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的电动自行车中轴力矩传感装置，其特征在于：还包括速度感应磁钢(21)以及与所述速度感应磁钢(21)对应的霍尔速度传感器(22)，其中速度感应磁钢(21)设置在所述动滑座(6)上，霍尔速度传感器(22)与自行车五通管相对固定。

7.根据权利要求6所述的电动自行车中轴力矩传感装置，其特征在于：所述速度感应磁钢(21)共有20个，在所述动滑座(6)上呈圆形均匀分布。

8.根据权利要求1或2或3或4所述的电动自行车中轴力矩传感装置，其特征在于：所述轴套(3)的一端与所述中轴(1)之间是通过花键(23)相对固定的。