CN105823579B - 一种电动自行车测力机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动自行车测力机构，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П形传感器头，П形传感器旁边安装有预挡板，П形传感器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П形传感器头中部，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П形传感器头中部，输出变化的电压信号。

Description

一种电动自行车测力机构

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测力机构。

背景技术

电动自行车是绿色节能的交通工具，在城市化的发展进程中，电动自行车能够满足了消费者日常出行的需求。经过十余年的快速发展，电动自行车产业已经有了很大的规模，产品质量不断提高，技术创新度也不断加强。随着国内电动自行车产量近年急剧膨胀，市场开始细分，比例助力系统也越来越得到市场的青睐。

国际市场上的电动自行车均要求有比例助力系统，而电动自行车最理想的状态也是实现人力电力的合理分配，以保证消费者最舒适的骑行状态。为了实现对驱动电机的有效控制，助力传感系统在电动自行车车上起到了关键作用，其工作原理就是将人施加在脚踏板上的力信号转化成电压信号传给控制器，控制器分析比较后合理控制电机的工作。助力传感系统的核心是测力传感器，然而现有的测力传感器普遍存在结构复杂，制造成本高、线性度差等问题。

发明内容

为解决测力传感器普遍存在结构复杂，制造成本高、线性度差等问题，本发明提供一种电动自行车测力机构，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形状为П形传感器头，П形传感器头旁边安装有预挡板，П形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П形传感器头中部，霍尔传感器输出信号为U₀，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П形传感器头中部，输出变化的电压信号U，则作用于自行车脚踏板上的人力F_N为：

F_N=K（U-U₀）；

式中：为霍尔传感器的输出初始电压

U为霍尔传感器输出的适时电压

，

e为偏心套筒轴线与其内孔轴线之间的偏心距，

为霍尔比例系数，

为霍尔传感器到偏心套筒轴心的距离，

为碟形弹簧的弹性系数。

所述可调的径向预置力装置，是在偏心套筒一端的传感器固定板上固定有圆筒，圆筒内放置钢球，钢球与偏心套筒的接触面A接触，钢球另一面通过碟形弹簧受调节螺栓顶压，旋动调节螺栓，能调整对偏心套筒的径向压力。

所述中轴通过中轴轴承安装于所述偏心套筒的内孔，两端通过卡簧进行轴向定位，并通过防尘垫圈进行防尘处理，所述偏心套筒的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，偏心套筒左端面沿着偏心方向装有传感器头。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。外壳固接在传感器基板上。

所述钢球的一端与所述偏心套筒外表的接触平面A相接触，另一端支承于碟形弹簧的内圈，碟形弹簧外圈支承于螺栓端面，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，即通过钢球作用于所述偏心套筒外表平面A的接触预压力。霍尔传感器安装在传感器基板上，位置位于传感器头中间，预挡板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，当它们与固定的预挡板相接触时，整个测力机构达到静平衡状态。

电动自行车行驶时，人施加在脚踏板上的脚踏力为，根据力的平移定理，将平移作用到中轴轴心上，中轴还将受到一驱动转矩使其转动，由于中轴轴心与偏心套筒内孔轴心是重合的，且中轴是通过中轴轴承支撑在偏心套筒内孔，最终将作用到偏心套筒上。

在作用力的反方向，偏心套筒还受到来自碟形弹簧和钢球的挤压力作用，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。

在没有作用之前，碟形弹簧存在一定的初始变形用于机构的预紧，初始变形量为，预挡板作用给传感器头的压力用于平衡碟形弹簧对偏心套筒轴心的转矩，偏心套筒的转矩平衡公式为：

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。

当作用之后，式（2）的转矩平衡被打破，新的平衡状态的转矩平衡公式为：

根据力学平衡可以判断当，传感器头将与预挡板脱离接触，碟形弹簧将被进一步压缩，此时，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。

偏心套筒达到新的平衡状态，所受压力与大小相等、方向相反。

由式（1）~（7）可以求得脚踏力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。

综上所述，可以推断霍尔传感器输出电压与脚踏力为线性关系，且比例系数只与测力机构的几何设计尺寸和碟形弹簧的弹性系数有关，故可以根据输出电压推知脚踏力的大小并作为信号输出用于比例助力系统的控制。

本发明的优越功效在于：

1.该电动自行车测力机构将测力机构与电动自行车中轴进行一体化集成设计，结构紧凑，测试简单，通用性广；

2.该电动自行车测力机构巧妙地运用力学机理与传感器测量原理，将人的脚踏力转化为电压信号输出，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剖视图；

图3 测力机构受力分析图；

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—碟形弹簧；16—钢球；17—预挡板；18—霍尔传感器。

具体实施方式

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；在偏心套筒2一端固定有П形传感器头13，П形传感器头13旁边安装有预挡板17，П形传感器头子3中部放置霍尔传感器18，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13与预挡板17接触，霍尔传感器18处于П形传感器头13中部，霍尔传感器18输出信号为零，人力作用于自行车脚踏板上时，传感器头13随偏心套筒转动，霍尔传感器18偏移П形传感器头中部，输出变化的电压信号。

所述可调的径向预置力装置，是在偏心套筒2一端的传感器固定板11上固定有圆筒，圆筒内放置钢球16，钢球16与偏心套筒2的接触面A接触，钢球16另一面通过碟形弹簧15受调节螺栓14顶压，旋动调节螺栓14，能调整对偏心套筒2的径向压力。

以下结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，中轴4通过中轴轴承6安装于所述偏心套筒2的内孔，两端通过卡簧5进行轴向定位，并通过防尘垫圈3进行防尘处理，所述偏心套筒2的轴线与其内孔轴线并不重合，两者在中轴4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的左端面沿着偏心方向装有传感器头13。外筒1的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固接在传感器基板11上。

如图2所示，钢球16的一端与所述偏心套筒2的外表接触平面A相接触，另一端支承于碟形弹簧15的内圈，碟形弹簧15外圈支承于螺栓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15的预紧力，即通过钢球16作用于所述偏心套筒2的外表平面A的接触预压力。霍尔传感器18安装在传感器基板11上，位置位于传感器头13中间，预挡板17固定在传感器基板11上。在碟形弹簧15的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，当它们与固定的预挡板17相接触时，整个测力机构达到静平衡状态。

电动自行车行驶时，人施加在脚踏板上的脚踏力为，根据力的平移定理，将平移作用到中轴4的轴心上，中轴4还将受到一驱动转矩使其转动，由于中轴4轴心与偏心套筒2的内孔轴心是重合的，且中轴4是通过中轴轴承6支撑在偏心套筒2的内孔，最终将作用到偏心套筒2上。

在作用力的反方向，偏心套筒2还受到来自碟形弹簧15和钢球16的挤压力作用，的大小与碟形弹簧15的变形量有关，且为线性比例关系：

式中为碟形弹簧15的弹性系数。

在没有作用之前，碟形弹簧15存在一定的初始变形用于机构的预紧，初始变形量为，预挡板17作用给传感器头13的压力用于平衡碟形弹簧15对偏心套筒2轴心的转矩，偏心套筒2的转矩平衡公式为：

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

当作用之后，式（2）的转矩平衡被打破，新的平衡状态的转矩平衡公式为：

根据力学平衡可以判断当，传感器头13将与预挡板17脱离接触，碟形弹簧15将被进一步压缩，此时，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15变形量之间的关系：

由于碟形弹簧15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18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18在磁场中的相对位置，导致霍尔传感器18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18在磁场中的相对位置变化近似表示为：

式中为霍尔传感器18到偏心套筒2轴心的距离。

霍尔传感器18的输出电压信号变化量与霍尔传感器18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。

偏心套筒2达到新的平衡状态，所受压力与大小相等、方向相反。

由式（1）~（7）可以求得脚踏力与霍尔传感器18输出电压的关系：

式中比例系数为霍尔传感器18的输出初始电压。

综上所述，可以推断霍尔传感器18的输出电压与脚踏力为线性关系，且比例系数只与测力机构的几何设计尺寸和碟形弹簧15的弹性系数有关，故可以根据输出电压推知脚踏力的大小并作为信号输出用于比例助力系统的控制。

Claims (2)

1.一种电动自行车测力机构，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，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П形传感器头中部，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П形传感器头中部，输出变化的电压信号，则作用于自行车脚踏板上的人力F_N为：

F_N=K（U-U₀）；

式中：为霍尔传感器的输出初始电压

U为霍尔传感器输出的适时电压

，

e为偏心套筒轴线与其内孔轴线之间的偏心距，

为霍尔比例系数，

为霍尔传感器到偏心套筒轴心的距离，

为碟形弹簧的弹性系数。

2.根据权利要求1所述的一种电动自行车测力机构，其特征在于：所述可调的径向预置力装置，是在偏心套筒一端的传感器固定板上固定有圆筒，圆筒内放置钢球，钢球与偏心套筒的接触面A接触，钢球另一面通过碟形弹簧受调节螺栓顶压，旋动调节螺栓，能调整对偏心套筒的径向压力。