CN103935456A - 中轴力矩传感器 - Google Patents
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Abstract
一种中轴力矩传感器。本发明公开了一种带力矩传感器的中轴和将扭矩转换成可测位移的机构，该中轴能精确测出左端或两端的扭矩以及转速和方向。该扭矩转换机构包括：扭力输入端左方轴、扭力输出端右培林轴、齿轮、嵌在齿轮中的钢珠、限制钢珠的护圈、U型叉齿、滑套、碟簧组,钢珠在叉齿斜面上产生的轴向力使滑套压缩碟簧组,带动磁环移动,再由位移传感器测出磁环位移,计算出碟簧组的轴向力,其与扭矩的切向力成正切函数关系。径向多极磁环随中轴一同转动,由转速传感器测出中轴的转速和方向。扭力输入端与输出端采用螺钉、平面轴承连接降低相对转动的摩擦。测两端扭矩只用一根中轴作扭力输入,叉齿作扭力输出，叉齿靠角接触钢珠在中轴上限位。
Description
技术领域
本发明涉及一种带传感器的自行车中轴, 为智能助力自行车提供骑行者脚踏力矩、踏频及方向信号。
背景技术
智能助力自行车是指脚踩启动,脚停断电的电助力自行车。此种车不具机动功能,属非机动车，在欧美日本可合法的在人行道上骑行。
智能助力自行车的核心部件是力矩传感器,即要测出人的脚踏力。有几种方法:1.在牙盘上安装力矩传感器,简单经济,已大批使用,缺点是只能应用于单牙盘而且力矩信号为开关量。2.在链条上安装压链式力矩传感器,有专利,CITYBUG已量产。3.在飞轮,厉轴,轮毂上安装，统称后置式力矩传感器,YAMAHA的PAS系统。4.装在自行车中轴上。
中轴力矩传感器需装在标准五通内,受空间限制（五通长68mm,螺纹外径34.798mm）和恶劣的使用状态（中轴冲击扭矩可达160n.m,测量范围60n.m），能在市场上批量使用的很少见。1.常采用应变片测扭矩,在中轴上贴应变片,用耦合的方式输入电源和输出信号,很多厂家已做出样品, 贴应变片工艺差,弯矩扭矩混在一起且信号处理难。2.采用磁致伸缩原理做出的磁弹性扭矩传感器,德国的舍弗勒已成功(THUN使用其专利)，在中轴表面整一层易磁致伸缩的材料,扭矩变化会使材料的磁强度变化,再由传感器换算扭矩大小。我国90年代起有科研院所已再研究,还在试验阶段。3.采用机械方式，将扭矩转换成易测量的角度或位移，测量的角度范围越大则踩踏的滞后越大，骑行感不好。
发明内容
本发明要解决的问题是在标准五通内安装并能测出左端或两端扭矩和转速及方向的中轴 。
为解决上述问题，本发明采用一种U型叉齿斜面与钢珠配合的机构将扭矩转换成可测量的位移。中轴的左端扭矩或两端扭矩的测量分两种方案来实现,第一种方案只能测出左端扭矩：将中轴传感器分成左右两部份，左端标准方孔轴,右端标准培林花键轴,中间用M8 螺钉加平面轴承锁紧,左中轴将扭矩传递到右培林轴的过程中,靠钢珠与右轴上的叉齿斜面产生一个轴向力,此力压缩蝶形弹簧产生一个位移,再用位移传感器测出磁环位移值,即可精确的换算出扭矩值。径向充磁的磁环与中轴一同转动,用一个磁旋转传感器就能测出中轴的转速和方向。
如何产生一个轴向力:左方轴与有数个圆弧齿的主动齿轮静连接(采用方孔或花键,视工艺而定),在右培林轴的左端加工出相应个数的 U 型的叉齿斜面槽,叉齿槽与圆弧齿间装入钢珠,滑套与护圈再与钢珠形成一封闭机构,左中轴的扭矩在齿轮的齿边产生一个切向力作用到钢珠上,钢珠在护圈的限制下再作用于培林轴的叉齿斜边上,则产生一个轴向力和叉齿上的切向力,前者通过滑套压缩碟簧产生位移,后者就是培林轴上的扭力,且轴向力等于碟簧的弹力。
所述中轴包含左方轴,右培林轴,连接的螺钉,平面轴承,齿轮,钢珠,滑套,护圈,多级磁环,位移磁环,两个磁环的支架,磁环旋转位移的传感器及PCB板,固定PCB的上下壳体,两根电源线四根信号线,左右端的球轴承,左右标准轴碗。
第二种方案测两端扭矩的原理与第一种方案相同,大部分零件共用,区别:只用一根方的中轴,主动齿轮与中轴采用过盈连接传递扭矩, U 型的叉齿通过钢珠与中轴角接触作轴向固定,叉齿上套滚针轴承与右轴碗接触,叉齿另一端与牙盘轮毂采用凹凸齿啮合传递中轴扭矩至牙盘上, 牙盘轮毂与中轴之间加一球轴承支撑,靠中轴上的弹性卡环轴向固定。
本发明与现有力矩中轴相比，其优点如下：
1.首次成功采用机械方式在中轴内加入力矩传感器,可在恶劣环境中使用,没有应变片和磁弹性力矩传感器复杂的信号处理,没有苛刻的电源要求,没严格的装配工艺。
2.结构简单,所需磁环,传感器,机械配件都是成熟工艺,可低成本批量生产, 普及智能助力自行车，此机构也可代替应变片应用于普通扭矩传感器内。
3.所述中轴左端标准方孔轴,右端标准培林花键轴,只改变右端花键轴长度就可适合不同尺寸的CHAIN LINE。数据连接线从左端出,可用于后装市场，显示踏频、力矩、功率。
4.所述中轴只须改变碟簧厚度就可改变力矩测量范围,磁环位移传感器精度0.002mm，对应五百分之一的力矩测量范围。
所述中轴缺点:培林轴端叉齿槽加工成本高;零件多;左端轴与右培林轴或牙盘有一个相对的转动角度，含加工误差后，最大近七度，会使左踩踏力延后，感觉力矩传递不直接。
以下是结合具体实施方式与附图说明对本发明做进一步的描述。
附图说明
图1是本发明的第一种方案只测左端力矩的结构剖视图；
图2是本发明的第一种方案立体爆炸图；
图3是本发明的第一种方案叉齿立体和剖视图；
图4是本发明碟簧组件剖视图；
图5是本发明磁环转速、位移传感器立体图；
图6是本发明主动圆弧齿轮立体图；
图7是本发明多极磁环支架立体图；
图8是本发明PCB上下壳体立体图;
图9是本发明位移磁环支架立体图;
图10是本发明之钢珠与叉齿斜面机构产生轴向力示意图;
图11是本发明左方轴立体图与滑套剖面图;
图12是本发明壳体支撑轮立体图;
图13是本发明扭矩分解机构示意图；
图14是本发明的第二种方案测两端扭矩之剖面图；
图15是本发明的第二种方案立体爆炸图；
图16是本发明的第二种方案中轴立体图；
图17是本发明的第二种方案叉齿立体和剖面图。
图18是本发明的第二种方案牙盘轮毂立体图 。
具体实施方式
如图1和图2所示，第一种方案的中轴力矩传感器包括：左轴碗1,壳体支撑轮2,左端球轴承3,多极磁环4,多极磁环支架5,左方轴6,位移磁环7,位移磁环支架8,碟簧组9,滑套10,PCB底壳11,PCB壳体12,导线13,PCB板14,位移传感器15,转速传感器16,主动齿轮17,护圈18,钢珠19,螺钉位钢珠20,钢珠隔离器21,右培林轴22,右端球轴承23,平垫片24,弹性垫片25,螺钉26,防水圈27,挡板28,右轴碗29,轴碗挡圈30。
如图3所示，右培林轴22的叉齿槽由三面构成, 钢珠19分别作用在这三个面上时：直线面31则牙盘反转,斜线面32则牙盘正转且产生轴向力,限位直线面33则牙盘正转不产生轴向力。
如图4所示，碟簧组9由三片碟簧34组合而成,碟簧34为标准件。
如图5所示, 转速传感器16和位移传感器15贴片焊接在PCB板14上, 位移传感器15采用BGA封装,减少空间。
如图6所示,主动齿轮17上的多个受力齿边35,储油槽47,均匀分布。
如图7所示,多极磁环支架5上的挡边36,屏蔽多极磁环4右边的磁力线,减少对右边位移磁环7和传感器15的干扰。
如图8所示, PCB底壳11的左挡边37是与壳体支撑轮2连接定位的,右挡边38 是卡在磁环支架8的凸筋43的右边,阻止左部零件脱落。卡钩39有四个,与PCB壳体12上的四个扣位40相扣,其左挡边41是与壳体支撑轮2连接定位的。
如图9所示,磁环支架8上的外牙42 与滑套10上的内牙连接,位移磁环7与位移传感器15的相对位置是靠外牙42 旋入滑套10的深浅调节的,以消除加工装配的位置误差。凸筋43是防止PCB壳体组件从左中轴上脱落。凸爪44有四个,磁环7装入支架8后,再折弯凸爪44,扣紧磁环7。
如图10所示,本发明之机构在钢珠19作用于右轴22的叉齿上时，斜线面32使作用力分解成轴向力f 45和切向力F 46。
如图11所示，碟簧组9两端的压缩力分别作用在左轴6的轴肩48和滑套10的底面49上，钢珠19作用于滑套10的边50上。
如图12所示，壳体支撑轮2内有导线槽51，导线13嵌入其中，卡槽52同时为PCB底壳11和PCB壳体12提供定位和连接。
第一种方案如图1至图12所示,左方轴6将力矩传递到主动齿轮17上，齿边35再将切向力作用在钢珠19上，在护圈18的限制下，左方轴6正转时，钢珠19的切向力作用在右培林轴22的叉齿斜线面32上，斜线面32与直线面31的夹角为θ，斜线面32分解出轴向力f 45和切向力F 46，轴向力f 45反作用于钢珠19上使滑套10压缩碟簧组9，且滑套10带动磁环支架8使磁环7产生位移，位移传感器15测出的位移值就可换算出碟簧组9的压缩力，此压缩力与轴向力f 45相等，根据公式f=tan(θ)F,T=F*R计算出扭矩T的大小，T越大，滑环10使碟簧组9的压缩量越大，钢珠19沿斜线面32作轴向滑动，伴随左方轴6相对右轴22转动一个角度，故螺钉位钢珠20和钢珠隔离器21组成一个平面轴承，减少两端轴相对转动时的摩擦力。
当轴向力f 45达到设定值时（扭矩T的测量限定值），钢珠19滑出斜线面32与限位直线面33接触，则轴向力f 45保持最大值，超出的切向力全部作用在直线面33上，起到碟簧限位作用。
当左方轴6反转或右培林轴22正转时，钢珠19与叉齿槽上的反转直线面31接触，没有轴向力f 45产生。
防水圈27和挡板28的作用：1.防尘防水保护平面轴承。2.防拆卸螺钉26。3.美观。
位移磁环支架8采用铝合金无磁性材质，不干扰位移传感器15。
如图13所示，能将扭矩分解为可测位移的机构：正转或反转的主动齿轮54将扭矩传递给钢珠19，在护圈18的限制下，钢珠19作用在叉齿66的斜面32上，产生一个轴向力和切向力，前者通过钢珠19反作用于滑套10上压缩碟簧组9，钢珠19沿斜面滑动产生位移，切向力即为扭力,与其测出的碟簧弹力是正切函数关系，叉齿63顶端的直面33不产生轴向力，限制最大位移，不超出碟簧极限。
如图14和图15所示，第二种方案测中轴两端扭矩的传感器包括：左轴碗1,壳体支撑轮2,左端球轴承3,多极磁环4,多极磁环支架5,中轴53,位移磁环7,位移磁环支架8,碟簧组9,滑套10,PCB底壳11,PCB壳体12,导线13,PCB板14,位移传感器15,转速传感器16,主动齿轮54,护圈18,钢珠19,角接触钢珠56,钢珠隔离器57,叉齿55,滚针轴承58,橡胶套管59,牙盘轮毂60，轮毂球轴承61，弹性卡环62,右轴碗29,轴碗挡圈30。
如图16所示，第二种方案只采用一根方的中轴53,支撑碟簧组9的轴肩48,安装角接触钢珠56的滚珠槽63,安装弹性卡环62的卡槽64。
如图17所示，叉齿55的U型齿槽同样由三面构成：直线面31,斜线面32,限位直线面33，内部锥面65压住角接触钢珠56由滚珠槽63提供轴向固定。
如图18所示，牙盘轮毂60内装球轴承61，弹性卡环62轴向限位。
如图14至图18所示，第二种方案为:碟簧组9先套入中轴53后再一同冷缩, 主动齿轮54热胀,与中轴53过盈连接,左右端的扭矩都通过齿轮54传递到钢珠19上,钢珠19与叉齿55上的斜面32产生轴向力和切向力，前者使碟簧组9压缩，反作用力通过角接触钢珠56作用在中轴53的滚珠槽63上，并降低叉齿55与中轴53相对转动的摩擦力，叉齿55只传递切向扭矩给牙盘轮毂60。
Claims (17)
1.中轴左端力矩传感器，其特征：该中轴能安装在标准五通内且具有输出左端力矩、转速及方向信号的传感器,其包括左轴碗（1）、壳体支撑轮（2）、左端轴承（3）、多极磁环（4）、多极磁环支架（5）、左方轴（6）、位移磁环（7）、位移磁环支架（8）、碟簧组（9）、滑套（10）、PCB底壳（11）、PCB壳体（12）、导线（13）、PCB板（14）、磁环位移传感器（15）、磁环转速传感器（16）、齿轮（17）、护圈（18）、钢珠（19）、螺钉位钢珠（20）、钢珠隔离器（21）、右培林轴（22）、右端轴承（23）、平垫片（24）、弹性垫片（25）、螺钉（26）、防水圈（27）、挡板（28）、右轴碗（29）、轴碗挡圈（30）。
2.根据权利要求1所述，其特征在于：左方轴（6）与右培林轴（22）用螺钉（26）和弹性垫片（25）紧固，之间用螺钉位钢珠（20）和钢珠隔离器（21）及平垫片（24）组成平面轴承降低左右轴相对转动的摩擦力。
3.根据权要求1所述，其特征在于：所述齿轮（17）与左方轴（6）采用方孔或花键静连接，再由数个齿边（35）将力矩传递到钢珠（19）上,且用相应个数钢珠（19）均分扭矩切向力。
4.根据权利要求1所述，其特征在于：右培林轴（22）的左端均匀分布数个U型叉齿槽，分别是驱动牙盘反转的直线面（31）,驱动牙盘正转的斜线面（32）,驱动牙盘正转的限位直线面（33）。
5.根据权利要求1所述，其特征在于：碟簧组（9）由三片标准的碟簧（34）组合成，形成接触面左端小右端大。
6.根据权利要求1所述，其特征在于：磁环转速传感器（16）和磁环位移传感器（15）贴片焊接在PCB板（14）上, 磁位移传感器（15）采用BGA封装, 转速传感器（16）采用SOIC封装，减少空间。
7.根据权利要求1所述，其特征在于：多极磁环支架（5）采用不锈铁片冲压，轻量化，其挡边（36）可屏蔽多极磁环（4）右边的磁力线,减少磁环互相干扰。
8.根据权利要求1所述，其特征在于：位移磁环（7）因被测磁场强度限制，采用铁氧体弱磁，多极磁环（4）采用铷铁硼强磁径向辐射多极充磁。
9.根据权利要求1所述，其特征在于：磁环支架（8）是铝合金，外牙（42）用于调节位移磁环（7）与位移传感器(15)的相对位置,消除位置误差;凸筋(43)是阻止PCB壳体组件从轴上脱落;凸爪（44）折弯后扣紧磁环(7)。
10.根据权利要求1所述，其特征在于：PCB底壳（11）和PCB壳体（12）都是塑胶件，靠挡边（37）和挡边（41）与壳体支撑轮（2）连接定位,卡钩（39）与扣位（40）相扣。
11.根据权利要求1所述，其特征在于：防水圈（27）与挡板（28）可防水和防拆卸螺钉（26）。
12.根据权利要求1所述，其特征在于：共六根导线（13），两根为3伏的电源线，两根是力矩信号线，另两根是转速方向信号线，可从壳体支撑轮（2）的左端引出，也可在轴的中间，从五通立管中引出。
13.中轴力矩传感器，其特征在于：该中轴能安装在标准五通内且具有输出中轴两端的扭矩、转速及方向信号的传感器,其包括左轴碗（1）、壳体支撑轮（2）、左端轴承（3）、多极磁环（4）、多极磁环支架（5）、中轴（53）、位移磁环（7）、位移磁环支架（8）、碟簧组（9）、滑套（10）、PCB底壳（11）、PCB壳体（12）、导线（13）、PCB板（14）、磁环位移传感器（15）、磁环转速传感器（16）、主动齿轮（54）、护圈（18）、钢珠（19）、角接触钢珠（56）、钢珠隔离器（57）、叉齿（55）、滚针轴承（58）、橡胶套管（59）、牙盘轮毂（60）、轮毂球轴承（61）、弹性卡环（62）、右轴碗（29）、轴碗挡圈（30）。
14.根据权利要求13所述的中轴传感器，其特征在于：中轴（53）与主动齿轮（54）过盈连接传递扭矩，其上有安装角接触钢珠（56）的滚珠槽（63），安装弹性卡环（62）的卡槽（64）。
15.根据权利要求13所述，其特征在于：叉齿（55）上的U型槽由三面构成，直线面（31）,斜线面（32）,限位直线面（33），内部圆锥面（65）压住数个角接触钢珠（56）由滚珠槽（63）提供轴向反作用力。
16.根据权利要求13所述，其特征在于：叉齿（55）与牙盘轮毂（60）采用凹凸齿啮合传递扭矩，其与右轴碗（29）之间采用滚针轴承（58）作支撑，牙盘轮毂（60）靠球轴承（61）支撑，由弹性卡环（62）作轴向固定。
17.机械式扭矩分解机构，其作用在于将扭矩转换成可测的位移，其原理特征在于：叉齿（66）的一端是由斜面（32）和限位直面（33）对称组成的数个V型叉齿槽,与主动齿轮（54）、钢珠（19）、护圈（18）、滑套（10）、碟簧组（9）组成扭矩分解机构, 主动齿轮（54）正转或反转,钢珠（19）在护圈（18）的限制下受齿边（35）作用沿斜线面（32）滑动产生轴向力,测出滑动位移计算出碟簧组（9）的弹力, 被测扭力与轴向力成余切函数关系。
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