CN105043615B - 可动态测量旋转力矩的转轴系统及其方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可动态测量旋转力矩的转轴系统及其方法和装置，其输入轴与输出轴之间采用能够传递扭矩、且在传递扭矩的同时扭矩能够产生轴向力的方式进行连接，根据扭矩所产生的轴向力使安装的平面推力轴承移动，从而再将轴向力传递给平面推力轴承静环；平面推力轴承静环不转动并在轴向力作用下轴向移动，与弹性元件固定环共同驱使弹性元件变形，通过电子元件检测轴向力或检测轴向位移从而获得力矩。本发明获得的信号可以完全反应力矩大小，不受方向限制，与轴的各向变形无关，真实反应力矩，结构简单，制作简单，成本低廉，应用范围广，可以应用于各种电动机，发动机根据负载自动输出的节能设备,自动设备，机器人等。

Description

可动态测量旋转力矩的转轴系统及其方法和装置

技术领域

本发明涉及一种需动态测量输出轴转矩的结构，尤其是涉及一种电助力自行车中轴产生力矩信号，根据力矩信号控制电机出力的转轴机构，以及涉及一种需根据输出轴的力矩来控制输入转矩大小的系统，具体涉及一种可动态测量旋转力矩的转轴系统及其方法和装置。

背景技术

传统的动态力矩传感器是一种采用在轴上贴应变片，轴在使用过程中产生应变，应变片产生变化，同时应变片与电感线圈相连，此电感线圈是动线圈。在动线圈外有静线圈，通过给静线圈输入交变电，使动线圈产生交变电感，与应变片变化的动线圈共同作用产生电流电感，再通过静线圈的接收线圈将应变片的变化读取。这种方法读取的是间接的数据，采取的信号可以是轴的扭矩变形和径向变形，并不能准确反映力矩大小。并且该方法制造工艺复杂，成本昂贵，占用空间大的问题。

另一种传统的方式与上文类似，区别在于在轴上涂覆磁性材料，磁性材料的磁场变化产生信号被外部线圈接收，达到检测力矩的目的。该涂覆材料工艺不易控制，同样存在成本昂贵占用空间大的问题。

还有一种传统的方式是利用霍尔元件检测变形量来完成的。该方法适用范围较窄，不能真实反映力的大小。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种在多种使用情况下真实反映力矩大小，不受电磁干扰，成本低廉，制造工艺简单的测量力矩转轴机构。

根据本发明提供的一种可动态测量旋转力矩的转轴系统，包括：输入轴、输出轴、压力/位移检测机构；

输入轴与输出轴之间采用能够传递扭矩、且在传递扭矩的同时扭矩能够产生轴向力的方式进行连接；

扭矩产生的轴向力施力于压力/位移检测机构，所述压力/位移检测机构用于检测压力或者位移。

优选地，输入轴设置有斜齿轮花键轴套，输出轴设置有斜齿轮内花键，输入轴通过斜齿轮花键轴套驱动斜齿轮内花键使输出轴同步转动。

优选地，扭矩产生的轴向力通过固定有斜齿轮花键轴套的输入轴上所形成的动环施力于压力/位移检测机构。

优选地，扭矩产生的轴向力通过轴向滑配于输入轴的斜齿轮花键轴套上所形成的动环施力于压力/位移检测机构。

优选地，所述压力/位移检测机构包括静环、弹性元件、弹性元件固定环；

在轴向方向上，弹性元件位于静环与弹性元件固定环之间；

静环在轴向力的作用下向弹性元件轴向移动，与弹性元件固定环共同驱使弹性元件变形。

优选地，所述压力/位移检测机构还包括输入轴端轴承室；弹性元件固定环安装在输入轴端轴承室内。

优选地，

-在弹性元件与弹性元件固定环之间设置有压敏电阻，以检测压力；或者

-在弹性元件双侧设置固定环，双侧中的一侧设置磁性材料、另一侧设置霍尔元件，以检测位移。

优选地，在输入轴与输出轴之间的扭矩消失后，弹性元件由变形恢复原状使得压敏电阻上的压力消失。

优选地，输入轴上同心滑配弹性元件、静环、弹性元件固定环。

优选地，在轴向方向，输入轴或斜齿轮花键轴套的最大移动量等于弹性元件的最大可变形量。

优选地，输入轴与输出轴同轴设置。

优选地，动环采用平面推力轴承动环，静环采用平面推力轴承静环。

根据本发明提供的一种可动态测量旋转力矩的方法，利用上述的可动态测量旋转力矩的转轴系统，包括如下任一项步骤：

-利用输入轴固定斜齿轮花键轴套；输出轴上联接有斜齿轮内花键，在输入轴与输出轴之间传递扭距的同时产生轴向力；轴向力使输入轴轴向移动；或者

-利用输入轴轴向滑配斜齿轮花键轴套，输出轴上联接有斜齿轮内花键，在输入轴与输出轴之间传递扭矩的同时产生轴向力；轴向力使斜齿轮花键轴套轴向移动。

优选地，包括如下任一项步骤：

-利用压敏电阻接收压力，根据压敏电阻阻值的变化得到力矩；或者

-利用霍尔元件根据霍尔位移和磁性材料检测位移，转为电子信号读出力矩或轴向位移。

根据本发明提供的一种具有可动态测量旋转力矩的转轴系统的装置，包括上述的可动态测量旋转力矩的转轴系统。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明获得的信号可以完全反应力矩大小，不受方向限制，与轴的各向变形无关，真实反应力矩，结构简单，制作简单，成本低廉，应用范围广，可以应用于各种电动机，自动设备，机器人等装置，如：(1)机器人抓取物体时使用的电机轴类的力量大小可以直接反应控制，使力量恰到好处；(2)自行车中轴骑行时链轮的输出力矩直接控制电机，使自行车与骑行者人车合一，完美出行；(3)汽车和其他机械设备在需根据负载自动调节输入扭矩的情况；(4)自行车中置电机用力矩传感器；(5)需动态或静态检测扭矩的试验设备。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明用于自行车中轴的力矩轴外形结构及其A向剖视图。

图2为本发明所提供系统在力矩轴受到阻力矩做功时的受力方向及其齿轮花键的受理情况，图中直线箭头表示受力。

图3为本发明输出轴的立体结构示意图。

图4为本发明输入轴的立体结构示意图。

图5为本发明输入轴的爆炸立体结构示意图。

图6为本发明应用于自行车力矩轴的爆炸立体结构示意图。

图7为本发明的弹性元件示意结构图。

图中：

1、输入轴

101、斜齿轮花键轴套

102、第一轴肩

103、花键

2、第一轴承

301、动环

302、静环

501、弹性元件固定环

502、弹性元件

6、输出轴

601、斜齿轮内花键

602、第二轴肩

7、输入轴端轴承室

8、输出轴端轴承室

9、卡簧

10、滚针

11、压敏电阻

12、轴承钢碗

13、滚珠

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。

在本发明中，该力矩轴为双轴，即通过输入轴将转矩传递给输出轴，所述输入轴与输出轴同心，输入轴通过斜齿花键与输出轴斜齿内花键同心传递扭矩。通过斜齿花键输入轴滑配于输出轴，输出轴通过轴承安装在轴承室内。在输出轴有阻力矩时，输入轴受到反作用力，有移动趋势。推力轴承静环后有弹性元件，可使推力轴承在旋转阻力矩所产生的轴向力不能将静环无限推移，阻止输入轴的移动趋势，并使在旋转阻力矩消失后，弹性恢复，该移动量只能是该弹性元件的最大变形量。静环不转动，但可以在轴向力作用下轴向移动，使弹性元件变形，产生作用力，压迫压敏电阻，使之产生电阻变化，从而获得力矩信号。或采用霍尔和磁钢元件检测位移量获得扭矩信号。传递扭矩同时所产生的轴向力作用动环上，动环和静环在转动中传递轴向力，轴向力使输入轴和固定在输入轴上的动环移动，再通过电子元件测量其位移或测量其移动力。在静环安装有弹性元件，用于阻止位移和传递力的作用。用于各位移的元件在阻力矩消失后恢复原状。

本发明采用压敏电阻安装在弹性元件和静环之间，在轴向力作用使压敏电阻根据不同的阻力矩产出变化的电阻，该变化的电阻即反应了输出轴的阻力矩。在无扭矩的情况下静环上有促使压敏电阻恢复原状的弹性元件。压敏电阻检测扭矩，扭矩消失后轴向力消失，压敏电阻与静环之间有弹性元件，弹性元件恢复变形压敏电阻上的压力消失。本发明也可采用霍尔元件安装在弹性元件侧的弹性元件固定环，在静环侧弹性元件固定环上安装磁性材料，通过霍尔位移和磁性材料检测位移，转为电子信号读出力矩；也可采用霍尔元件是测量位移的。

本发明适用于脚踏电助力自行车中轴的力矩测量，经尺寸变更设计后可适用于任何需测量动态旋转力矩的转轴。本发明是利用同速不同轴输出达到测量力矩的目的。本发明用转轴上的斜齿和输出轴的内斜齿花键达到不同轴输出同速，同时根据斜齿的原理(如图2所示)在输出轴6上有阻力矩Ft时，该阻力矩Ft在斜齿的作用下必定会使转轴产生轴向移动的力Fa，Fa给平面推力轴承动环301施加力，该力通过滚珠传递给平面推力轴承静环302，平面推力轴承静环302的受力使弹性元件固定环501变形，该变形力压在安装在弹性元件固定环501与弹性元件502之间的压敏电阻11上，使压敏电阻11产生根据不同阻力矩变化而变化的电阻值。阻力矩消失后弹性元件502恢复形状，作用在压敏电阻11上的力随即消失。本发明解决了旋转轴测量转矩的难题，使测量更直接准确，成本大幅降低，测量值不受电磁干扰，使用寿命更长。

本发明在输入轴上花键处安装有卡簧，用于限制和限位输出轴6在轴向力相同的方向移动，定位于此。轴承钢碗12安装在输出轴端轴承室8内，与滚珠13起到轴承之作用。滚针10安装在输出轴和输入轴之间，起到圆周定心以及使输出轴1和输入轴6同心的作用。

具体地，本发明提供的一种可动态测量旋转力矩的转轴系统，包括：输入轴1、输出轴6、压力/位移检测机构；输入轴1与输出轴6之间采用能够传递扭矩、且在传递扭矩的同时扭矩能够产生轴向力的方式进行连接；使得输入轴或使与输入轴滑配的斜齿轮花键轴套能够根据扭矩所产生的轴向力在轴向上移动；扭矩产生的轴向力施力于压力/位移检测机构，所述压力/位移检测机构用于检测压力或者位移。

输入轴1设置有斜齿轮花键轴套101，输出轴6设置有斜齿轮内花键601，输入轴1通过斜齿轮花键轴套101驱动斜齿轮内花键601使输出轴6同步转动(如图4所示)。所述输入轴1上设置有花键103，斜齿轮花键轴套101与花键103相配合(如图5所示)。

扭矩产生的轴向力通过固定有斜齿轮花键轴套101的输入轴1上所形成的动环301施力于压力/位移检测机构。或者，扭矩产生的轴向力通过轴向滑配于输入轴1的斜齿轮花键轴套101上所形成的动环301施力于压力/位移检测机构。在变化例中，动环301也可以是独立的部件，动环随输入轴或斜齿轮花键轴套101转动及轴向移动，例如，动环301采用平面推力轴承动环，静环302采用平面推力轴承静环。轴向移动的输入轴将轴向力传递给动环，动环又将轴向力传递给静环。

如图6所示，其中，所述压力/位移检测机构是指用于检测压力或者位移的机构，包括静环302、弹性元件502、弹性元件固定环501；其中，压力/位移表示压力或者位移。在轴向方向上，弹性元件502位于静环302与弹性元件固定环501之间；静环不转动并在轴向力作用下轴向移动，静环302在轴向力的作用下向弹性元件502轴向移动，与弹性元件固定环501共同驱使弹性元件502变形。所述压力/位移检测机构还包括输入轴端轴承室7；弹性元件固定环501安装在输入轴端轴承室7内。为了采集到轴向力，在弹性元件502与弹性元件固定环501之间设置有压敏电阻11，以检测压力；或者在弹性元件502双侧设置固定环501，双侧中的一侧设置磁性材料、另一侧设置霍尔元件，以检测位移(如图7所示)。

在输入轴1与输出轴6之间的扭矩消失后，弹性元件502由变形恢复原状使得压敏电阻11上的压力消失。输入轴1上同心滑配弹性元件502、静环302、弹性元件固定环501。在轴向方向，输入轴1或斜齿轮花键轴套101的最大移动量等于弹性元件502的最大可变形量。输入轴1与输出轴6同轴设置。

本发明还提供一种具有可动态测量旋转力矩的转轴系统的装置，其特征在于，包括所述的可动态测量旋转力矩的转轴系统，该装置可以是自行车、机器人以及需动态或静态检测扭矩的试验设备。

本发明还一种可动态测量旋转力矩的方法，利用所述的可动态测量旋转力矩的转轴系统，包括如下任一项步骤：

-利用输入轴1固定斜齿轮花键轴套101；输出轴6上联接有斜齿轮内花键601，在输入轴1与输出轴6之间传递扭距的同时产生轴向力；轴向力使输入轴1轴向移动；或者

-利用输入轴1轴向滑配斜齿轮花键轴套101，输出轴6上联接有斜齿轮内花键601，在输入轴1与输出轴6之间传递扭矩的同时产生轴向力；轴向力使斜齿轮花键轴套101轴向移动。

所述的可动态测量旋转力矩的方法，还包括如下任一项步骤：

-利用压敏电阻11接收压力，根据压敏电阻11阻值的变化得到力矩；或者

-利用霍尔元件根据霍尔位移和磁性材料检测位移，转为电子信号读出力矩或轴向位移。

更为具体地，如图1所示，是本发明应用到自行车中轴的产品结构示意图，

本发明提供了一种能够测量轴的旋转阻力矩的结构，包括：输入轴1、第一轴承2、滚珠13、轴承钢碗12平面推力轴承动环301、平面推力轴承静环302、弹性元件固定环501、弹性元件502、输出轴6、压敏电阻11、滚针10、卡簧9、输入轴端轴承室7、输出轴端轴承室8。

图1中输入轴1为自行车的输入轴，输入轴1与输出轴6通过分别在输入轴1上的斜齿轮花键轴套101和输出轴6的斜齿轮内花键601连接，当输入轴1转动时通过斜齿轮花键轴套101驱动斜齿轮内花键601使输出轴6同步转动，此时如果输出轴1没有阻力矩，理想状态下，斜齿轮花键轴套101与斜齿轮内花键601之间不会产生轴向力，关于斜齿轮花键轴套101与斜齿轮内花键601之间所产生力的分解图如图2所示。

图2中，Ft表示切向力，Fa表示轴向力，Fn表示法向力，Fr表示径向力。当输出轴6有了一定的阻力矩时，输入轴1上就会产生图2中所示的切向力Ft和轴向力Fa，轴向力Fa这个力是输出轴6在阻力矩作用下，在输入轴1上产生的作用力，这个轴向力Fa与阻力矩在输出轴6的斜齿轮内花键601产生的轴向力大小相等，方向相反，因此轴向力Fa可以直接地反映阻力矩的大小。

图1中的输入轴1带动具有阻力矩的输出轴6转动时，第一轴承2滑配安装在输入轴1上，而第一轴承2安装在输入轴端轴承室7内，当输入轴1驱动带有阻力矩的输出轴6时，输出轴6上有第二轴肩602，被安装在输出轴端轴承室8的滚珠13和轴承钢碗12共同作用挡住阻力矩所产生的轴向移动，而反作用力使输入轴1沿轴线方向移动，传递给固定在输入轴1的第一轴肩102处的平面推力轴承动环301，又通过滚珠传递给平面推力轴承静环302，平面推力轴承静环302又通过弹性元件502，将反作用力传递给压敏电阻11，使压敏电阻11受压，产生根据力变化的电阻值变化，从而得到电信号。

弹性元件502连接在弹性元件固定环501上，弹性元件固定环501安装在输入轴端轴承室7上，在受轴向力而移动的输入轴1只能在弹性元件502的变形范围进行移动，阻力矩消失后，轴向力随即消失，弹性元件502变形恢复，压敏电阻11阻值恢复原值。

图2所示为力矩轴转动时力传递示意图。做功的阻力矩通过斜齿轮产生的轴向反作用力，迫使输入轴1下移，输入轴1上的轴肩102下压平面推力轴承动环301，一直传递到弹性元件502，使弹性元件502变形，压迫压敏电阻11从而得到电信号。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (12)

1.一种可动态测量旋转力矩的转轴系统，其特征在于，包括：输入轴(1)、输出轴(6)、压力/位移检测机构；

输入轴(1)与输出轴(6)之间采用能够传递扭矩、且在传递扭矩的同时扭矩能够产生轴向力的方式进行连接；

扭矩产生的轴向力施力于压力/位移检测机构，所述压力/位移检测机构用于检测压力或者位移；

输入轴(1)设置有斜齿轮花键轴套(101)，输出轴(6)设置有斜齿轮内花键(601)，输入轴(1)通过斜齿轮花键轴套(101)驱动斜齿轮内花键(601)使输出轴(6)同步转动；

扭矩产生的轴向力通过固定有斜齿轮花键轴套(101)的输入轴(1)上所形成的动环(301)施力于压力/位移检测机构；

所述压力/位移检测机构包括静环(302)、弹性元件(502)、弹性元件固定环(501)；

在轴向方向上，弹性元件(502)位于静环(302)与弹性元件固定环(501)之间；

静环(302)在轴向力的作用下向弹性元件(502)轴向移动，与弹性元件固定环(501)共同驱使弹性元件(502)变形。

2.根据权利要求1所述的可动态测量旋转力矩的转轴系统，其特征在于，扭矩产生的轴向力通过轴向滑配于输入轴(1)的斜齿轮花键轴套(101)上所形成的动环(301)施力于压力/位移检测机构。

3.根据权利要求1所述的可动态测量旋转力矩的转轴系统，其特征在于，所述压力/位移检测机构还包括输入轴端轴承室(7)；弹性元件固定环(501)安装在输入轴端轴承室(7)内。

4.根据权利要求1所述的可动态测量旋转力矩的转轴系统，其特征在于，

-在弹性元件(502)与弹性元件固定环(501)之间设置有压敏电阻(11)，以检测压力；或者

-在弹性元件(502)双侧设置固定环(501)，双侧中的一侧设置磁性材料、另一侧设置霍尔元件，以检测位移。

5.根据权利要求4所述的可动态测量旋转力矩的转轴系统，其特征在于，在输入轴(1)与输出轴(6)之间的扭矩消失后，弹性元件(502)由变形恢复原状使得压敏电阻(11)上的压力消失。

6.根据权利要求1所述的可动态测量旋转力矩的转轴系统，其特征在于，输入轴(1)上同心滑配弹性元件(502)、静环(302)、弹性元件固定环(501)。

7.根据权利要求1所述的可动态测量旋转力矩的转轴系统，其特征在于，在轴向方向，输入轴(1)或斜齿轮花键轴套(101)的最大移动量等于弹性元件(502)的最大可变形量。

8.根据权利要求1所述的可动态测量旋转力矩的转轴系统，其特征在于，输入轴(1)与输出轴(6)同轴设置。

9.根据权利要求1所述的可动态测量旋转力矩的转轴系统，其特征在于，动环(301)采用平面推力轴承动环，静环(302)采用平面推力轴承静环。

10.一种可动态测量旋转力矩的方法，其特征在于，利用权利要求1所述的可动态测量旋转力矩的转轴系统，包括如下任一项步骤：

-利用输入轴(1)固定斜齿轮花键轴套(101)；输出轴(6)上联接有斜齿轮内花键(601)，在输入轴(1)与输出轴(6)之间传递扭距的同时产生轴向力；轴向力使输入轴(1)轴向移动；或者

-利用输入轴(1)轴向滑配斜齿轮花键轴套(101)，输出轴(6)上联接有斜齿轮内花键(601)，在输入轴(1)与输出轴(6)之间传递扭矩的同时产生轴向力；轴向力使斜齿轮花键轴套(101)轴向移动。

11.根据权利要求10所述的可动态测量旋转力矩的方法，其特征在于，包括如下任一项步骤：

-利用压敏电阻(11)接收压力，根据压敏电阻(11)阻值的变化得到力矩；或者

-利用霍尔元件根据霍尔位移和磁性材料检测位移，转为电子信号读出力矩或轴向位移。

12.一种具有可动态测量旋转力矩的转轴系统的装置，其特征在于，包括权利要求1所述的可动态测量旋转力矩的转轴系统。

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