CN105799854B - 一种电动自行车转矩检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动自行车转矩检测装置电动自行车转矩检测装置，包括外筒、偏心套筒、中轴，所述偏心套筒通过偏心套筒轴承安装于外筒内，中轴通过中轴轴承安装于偏心套筒内，能够转动，外筒与自行车架固定；所述偏心套筒的外圆轴线方向，有与轴线相平行的接触平面A，所述偏心套筒外圆轴线与其内孔轴线不重合，即两者在所述中轴所受径向力的垂直方向存在偏心距；在偏心套筒一端固定有传感器头，传感器头旁边安装有预挡板，传感器头中部放置霍尔传感器，另在偏心套筒的轴向接触面A处，安装有可调的径向预置力装置，该预置力使传感器头与预挡板接触，霍尔传感器处于传感器头中部，霍尔传感器输出信号为零，人力作用于自行车脚踏板上时，传感器头随偏心套筒转动，霍尔传感器偏移传感器头中部，输出变化的电压信号，当作用于自行车脚踏板上人的压力为F_N，则转矩T为：。

Description

一种电动自行车转矩检测装置

技术领域

本发明涉及电动自行车技术领域，具体涉及一种电动自行车转矩检测装置。

背景技术

电动自行车作为绿色环保的交通工具，近年来在我国得到迅猛发展，现今国内保有量已超过1.4亿辆。电动自行车按驱动方式主要分为全电动驱动和比例助力驱动。全电动驱动的自行车由人转动手把后即在驱动电机驱动下行驶。相比而言，比例助力驱动自行车是通过转矩传感器感知人骑行时脚踏力或者速度传感器测得行驶车速，综合控制驱动电机的输出功率，合理调整驱动电机驱动功率和人力踩驱动功率的比例，实现人机合力带动自行车运行。随着广大民众多健康生活的追求，比例助力驱动的电动自行车日益受到青睐。

比例助力电动自行车即带有精确助力控制系统的电动助力自行车，由车体部件、电池、传动部件、微电脑控制器和转矩传感器组成。智能行驶时，人的脚踏力由传感部件测量出来，经过微电脑处理，电机输出相应的功率，使人的骑行十分省力。根据欧美及日本等国家对智能电动自行车的要求制定的技术标准，要实现智能骑行，电动自行车必须具有转矩传感器和微电脑控制器。转矩传感器作为电动自行车的核心部件之一，其采集的脚踏力信号是影响电动自行车助力品质的关键因素。然而，现有转矩传感器普遍存在线性度差、灵敏度低等问题，使其无法达到欧美国家对输出信号线性度的要求,这极大的限制了国内电动自行车的出口。本发明提出一种电动自行车转矩检测装置，其将通用电动自行车中轴与传感器集成一起，并通过理论分析合理布置了关键部件的位置和部件间的连接形式，可解决先前转矩传感器信号线性度差的问题。

发明内容

为解决转矩传感器信号线性度差的问题，本发明提供一种电动自行车转矩检测装置，通过在电动自行车中轴上合理布置转矩检测机构，可以实时检测出人脚作用于脚踏板的转矩大小，并以电压信号的形式输出，从而用于电动助力控制，具有集成度高和测量精度高等优点，在实际应用中有很高的性价比，能够方便地配套安装于各种有助力功能的电动自行车，便于批量化生产进行市场推广。

本发明的技术方案是：

包括外筒、偏心套筒、中轴，所述偏心套筒通过偏心套筒轴承安装于外筒内，中轴通过中轴轴承安装于偏心套筒内，能够转动，外筒与自行车架固定；所述偏心套筒的外圆轴线方向，有与轴线相平行的接触面A，所述偏心套筒外圆轴线与其内孔轴线不重合，即两者在所述中轴所受径向力的垂直方向存在偏心距；在偏心套筒一端固定有传感器头，传感器头旁边安装有预挡板，传感器头中部放置霍尔传感器，另在偏心套筒的轴向接触面A处，安装有可调的径向预置力装置，该预置力使传感器头与预挡板接触，霍尔传感器处于传感器头中部，霍尔传感器输出信号为零，人力作用于自行车脚踏板上时，传感器头随偏心套筒转动，霍尔传感器偏移传感器头中部，输出变化的电压信号，当作用于自行车脚踏板上人的压力为F_N，则转矩T为：

式中：为脚踏板到中轴距离在水平方向的分量

作用于中轴的轴心的力

所述可调的径向预置力装置，是在偏心套筒的接触面A处，安装滚动轴承，滚动轴承的外圈与偏心套筒外表的接触平面A相接触，滚动轴承内圈固定安装于销轴，销轴与轴承支座固连，轴承支座通过碟形弹簧和垫片支承于螺栓端面，螺栓固定于传感器基板上，调节螺栓即调节向偏心套筒的压力。

中轴通过中轴轴承支撑于偏心套筒的内孔，两端通过卡簧进行轴向定位，并装有防尘垫圈进行防尘保护，所述偏心套筒的外圆轴线与其内孔轴线并不重合，两者在中轴所受径向力的垂直方向存在偏心距，中轴可在所述偏心套筒的内孔中转动。所述偏心套筒通过偏心套筒轴承安装于外筒内，所述偏心套筒通过左端的传感器基板和右端的轴承端盖进行轴向定位，所述偏心套筒左端面沿着偏心方向固定安装有传感器头。外筒左端固接传感器基板，右端通过垫圈与圆螺母固定在电动自行车车架上。外壳通过螺栓固接在传感器基板上。

滚动轴承的外圈与所述偏心套筒外表的接触面A相接触，内圈固定安装于销轴，销轴与轴承支座固联，轴承支座通过碟形弹簧和垫片支承于螺栓端面，而所述螺栓通过螺纹联接固定于传感器基板。这样，通过调节螺栓，可以调节碟形弹簧预紧力，即通过滚动轴承外圈作用于所述偏心套筒外表平面A的接触预压力。另外，霍尔传感器固定安装在传感器基板上，位于传感器头中间，预紧挡块固定在传感器基板上。在碟形弹簧预紧力作用下所述偏心套筒及传感器头产生初始摆动角位移，当它们与固定的预紧挡块相接触时，达到静平衡状态。

当人脚给电动自行车脚踏板施加压力后，根据力学原理可将其转化为对中轴的压力和转矩，其中

式中为脚踏板到中轴距离在水平方向的分量。

作用于中轴的轴心，由于中轴是通过中轴轴承支撑于偏心套筒内孔，将传递作用给偏心套筒内孔，在作用力的反方向，偏心套筒还将受到滚动轴承的挤压力作用，的大小与碟形弹簧的变形量有关，且为线性比例关系：

式中为碟形弹簧的弹性系数。

在人脚没有给电动自行车脚踏板施加压力之前，碟形弹簧会存在一定初始变形量用于机构的预紧，为了维持偏心套筒的力学平衡，传感器头端面会受到预紧挡块的预紧力作用，根据转矩平衡公式：

式中为预紧力作用点到偏心套筒轴心的垂直距离；为偏心套筒轴心与内孔轴心即中轴轴心的偏心距离。

作用之后上述转矩平衡公式发生改变，可以表达为：

根据力学平衡可以判断当，传感器头将与预紧挡块脱离接触，此时，且偏心套筒将绕轴心转动，转角为，根据机构的几何关系可以得到转角与碟形弹簧变形量之间的关系：

由于碟形弹簧的刚度很大，的变化将非常小，可以推算是一非常小量。偏心套筒发生转动将带动传感器头转动，转角即。由于传感器头是磁性材料，两端将会产生磁场，霍尔传感器布置在磁场中，由于传感器头发生转动，将改变霍尔传感器在磁场中的相对位置，导致霍尔传感器的输出电压信号发生变化，由于转角为一非常小量，可以将霍尔传感器在磁场中的相对位置变化近似表示为：

式中为霍尔传感器到偏心套筒轴心的距离。

霍尔传感器的输出电压信号变化量与霍尔传感器在磁场中的相对位置变化为线性关系：

式中为霍尔比例系数。

当偏心套筒及传感器头达到前述静平衡状态时，所受压力与大小相等、方向相反。

由式（1）~（8）可以求得转矩与霍尔传感器输出电压的关系：

式中比例系数，为霍尔传感器输出初始电压。

从比例系数的表达式可以看出比例系数仅与转矩检测装置的几何设计参数和碟形弹簧的弹性系数有关，当转矩检测装置设计确定后，比例系数为定值，即检测的电动自行车脚踏转矩与霍尔传感器输出电压之间为线性比例关系，故可在电动自行车工作时通过霍尔传感器电压信号换算得到脚踏转矩，为电动助力控制系统实时提供准确的转矩信号。

本发明的优越功效在于：

1.该电动自行车转矩检测装置适用于大部分电动自行车，将转矩检测装置与中轴进行一体化集成设计，结构紧凑，测试方便，具有很好的通用性；

2．该电动自行车转矩检测装置检测的转矩信号以电信号形式输出，具有很好的线性度和很高的测量精度。

附图说明

图1 本发明结构剖视图

图2 是图1的A-A向视图

图3 转矩检测机构受力分析图

图中标号说明：

1—外筒；2—外表具有接触平面A的偏心套筒；3—防尘垫圈；4—中轴；5—卡簧；6—中轴轴承；7—轴承端盖；8—圆螺母；9—垫圈；10—偏心套筒轴承；11—传感器基板；12—外壳；13—传感器头；14—螺栓；15—垫片；16—销轴；17—滚动轴承；18—碟形弹簧；19—轴承支座；20—预挡板；21—霍尔传感器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明包括外筒1、偏心套筒2、中轴4，所述偏心套筒2通过偏心套筒轴承10安装于外筒1内，中轴4通过中轴轴承6安装于偏心套筒2内，能够转动，外筒1与自行车架固定；所述偏心套筒2的外圆轴线方向，有与轴线相平行的接触平面A，所述偏心套筒2外圆轴线与其内孔轴线不重合，即两者在所述中轴所受径向力的垂直方向存在偏心距e；在偏心套筒2一端固定有传感器头13，传感器头13旁边安装有预挡板20，传感器头13中部放置霍尔传感器21，另在偏心套筒2的轴向接触面A处，安装有可调的径向预置力装置，该预置力使传感器头与预挡板接触，霍尔传感器处于传感器头中部，人力作用于自行车脚踏板上时，传感器头13随偏心套筒2转动，霍尔传感器21偏移传感器头13中部，输出变化的电压信号，当作用于自行车脚踏板上人的压力为F_N，则转矩T为：

式中：为脚踏板到中轴距离在水平方向的分量

作用于中轴的轴心的力

所述可调的径向预置力装置，是在偏心套筒2的接触面A处，安装滚动轴承17，滚动轴承17的外圈与偏心套筒2外表的接触平面A相接触，滚动轴承17内圈固定安装于销轴16，销轴16与轴承支座19固连，轴承支座19通过碟形弹簧18和垫片15支承于螺栓14端面，螺栓14固定于传感器基板11上，调节螺栓14即调节向偏心套筒2的压力。

如图1所示，中轴4通过中轴轴承6支撑于偏心套筒2的内孔，两端通过卡簧5进行轴向定位，并装有防尘垫圈3进行防尘保护，所述偏心套筒2的外圆轴线与其内孔轴线并不重合，两者在中轴所受径向力的垂直方向存在偏心距，中轴4可在所述偏心套筒2的内孔中转动。所述偏心套筒2通过偏心套筒轴承10安装于外筒1内，所述偏心套筒2通过左端的传感器基板11和右端的轴承端盖7进行轴向定位，所述偏心套筒2左端面沿着偏心方向固定安装有传感器头13。外筒1左端固接传感器基板11，右端通过垫圈9与圆螺母8固定在电动自行车车架上。外壳12通过螺栓固接在传感器基板11上。

如图2所示，滚动轴承17的外圈与所述偏心套筒2外表的接触平面A相接触，内圈固定安装于销轴16，销轴16与轴承支座19固联，轴承支座19通过碟形弹簧18和垫片15支承于螺栓14端面，而所述螺栓14通过螺纹联接固定于传感器基板11。这样，通过调节螺栓14，可以调节碟形弹簧预紧力，即通过滚动轴承17外圈作用于所述偏心套筒2外表平面A的接触预压力。另外，霍尔传感器21固定安装在传感器基板11上，位于传感器头13中间，预紧挡块20固定在传感器基板11上。在碟形弹簧预紧力作用下所述偏心套筒2及传感器头13产生初始摆动角位移，当它们与固定的预紧挡块20相接触时，达到静平衡状态。

当人脚给电动自行车脚踏板施加压力后，根据力学原理可将其转化为对中轴4的压力和转矩，其中

式中为脚踏板到中轴4的距离在水平方向的分量。

如图3所示，作用于中轴4的轴心，由于中轴4是通过中轴轴承6支撑于偏心套筒2的内孔，将传递作用给偏心套筒2的内孔，在作用力的反方向，偏心套筒2还将受到滚动轴承17的挤压力作用，的大小与碟形弹簧18的变形量有关，且为线性比例关系：

式中为碟形弹簧18的弹性系数。

在人脚没有给电动自行车脚踏板施加压力之前，碟形弹簧18会存在一定初始变形量用于机构的预紧，为了维持偏心套筒2的力学平衡，传感器头13端面会受到预紧挡块20的预紧力作用，根据转矩平衡公式：

式中为预紧力作用点到偏心套筒2轴心的垂直距离；为偏心套筒2轴心与内孔轴心即中轴4轴心的偏心距离。

作用之后上述转矩平衡公式发生改变，可以表达为：

根据力学平衡可以判断当，传感器头13将与预紧挡块20脱离接触，此时，且偏心套筒2将绕轴心转动，转角为，根据机构的几何关系可以得到转角与碟形弹簧18变形量之间的关系：

由于碟形弹簧18的刚度很大，的变化将非常小，可以推算是一非常小量。偏心套筒2发生转动将带动传感器头13转动，转角即。由于传感器头13是磁性材料，两端将会产生磁场，霍尔传感器21布置在磁场中，由于传感器头13发生转动，将改变霍尔传感器21在磁场中的相对位置，导致霍尔传感器21的输出电压信号发生变化，由于转角为一非常小量，可以将霍尔传感器21在磁场中的相对位置变化近似表示为：

式中为霍尔传感器21到偏心套筒2轴心的距离。

霍尔传感器21的输出电压信号变化量与霍尔传感器21在磁场中的相对位置变化为线性关系：

式中为霍尔比例系数。

当偏心套筒2及传感器头13达到前述静平衡状态时，所受压力与大小相等、方向相反。

由式（1）~（8）可以求得转矩与霍尔传感器21输出电压的关系：

式中比例系数，为霍尔传感器21输出初始电压。

从比例系数的表达式可以看出比例系数仅与转矩检测装置的几何设计参数和碟形弹簧18的弹性系数有关，当转矩检测装置设计确定后，比例系数为定值，即检测的电动自行车脚踏转矩与霍尔传感器21输出电压之间为线性比例关系，故可在电动自行车工作时通过霍尔传感器21电压信号换算得到脚踏转矩，为电动助力控制系统实时提供准确的转矩信号。

Claims (2)

1.一种电动自行车转矩检测装置，包括外筒、偏心套筒、中轴，其特征在于：所述偏心套筒通过偏心套筒轴承安装于外筒内，中轴通过中轴轴承安装于偏心套筒内，中轴能够转动，外筒与自行车架固定；所述偏心套筒的外圆轴线方向，有与轴线相平行的接触面A，所述偏心套筒外圆轴线与其内孔轴线不重合，即两者在所述中轴所受径向力的垂直方向存在偏心距；在偏心套筒一端固定有传感器头，传感器头旁边安装有预挡板，传感器头中部放置霍尔传感器，另在偏心套筒的轴向接触面A处，安装有可调的径向预置力装置，该预置力使传感器头与预挡板接触，霍尔传感器处于传感器头中部，人力作用于自行车脚踏板上时，传感器头随偏心套筒转动，霍尔传感器偏移传感器头中部，输出变化的电压信号，当作用于自行车脚踏板上的人的压力为F_N，则转矩 T为：

式中：为脚踏板到中轴距离在水平方向的分量为作用于中轴的轴心的力。

2.根据权利要求1所述的一种电动自行车转矩检测装置，其特征在于：所述可调的径向预置力装置，是在偏心套筒的接触面A处，安装滚动轴承，滚动轴承的外圈与偏心套筒外表的接触面A相接触，滚动轴承内圈固定安装于销轴上，销轴与轴承支座固连，轴承支座通过碟形弹簧和垫片支承于螺栓端面，螺栓固定于传感器基板上，调节螺栓能调节向偏心套筒的压力。