CN108020358B - 周面接触力矩传感器及电动助力车 - Google Patents

Abstract

一种周面接触力矩传感器，包括：本体单元，包括相对设置的第一作用面与第二作用面；力矩输入端，由待测力矩驱动而旋转，并与所述第一作用面形成周面接触而传递驱动力，所述驱动力用于驱动所述本体单元旋转及沿轴向移动，使所述第二作用面沿轴向接近所述力矩输入端；压力传感器，用于感应测量轴向力，所述轴向力为所述驱动力的轴向分量；所述第二作用面、所述压力传感器、所述力矩输入端与所述第一作用面沿所述力矩输入端的旋转轴向依次分布。本发明提供的周面接触力矩传感器及电动助力车具有结构紧凑、反应灵敏、测量精准、易于制造等优点。

Description

周面接触力矩传感器及电动助力车

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体地来说，是一种周面接触力矩传感器及电动助力车。

背景技术

电动助力车是一种以自行车结构为基础，加配电力驱动单元的骑行车类型。电动助力车可根据骑行者的踩踏力度，提供相应的动力支持，减轻骑行者的骑行负担，使骑行舒适度与骑行里程大为增加，因而逐渐受到市场的欢迎。

其中，力矩传感器是电动助力车的核心部件。力矩传感器用于感应测量骑行者的骑行力矩，为电力驱动单元的动力输出提供判断基础。力矩传感器作为感知骑行者意图的部件，其性能至关重要。

目前，力矩传感器多由国外进口，国内尚无法实现自给自足。即使是国外的现有产品，亦多结构复杂、造价高昂，难以满足迅速发展的市场需要。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种周面接触力矩传感器及电动助力车，具有结构紧凑、反应灵敏、测量精准、易于制造等优点。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种周面接触力矩传感器，包括：

本体单元，包括相对设置的第一作用面与第二作用面；

力矩输入端，由待测力矩驱动而旋转，并与所述第一作用面形成周面接触而传递驱动力，所述驱动力用于驱动所述本体单元旋转及沿轴向移动，使所述第二作用面沿轴向接近所述力矩输入端；

压力传感器，用于感应测量轴向力，所述轴向力为所述驱动力的轴向分量；

所述第二作用面、所述压力传感器、所述力矩输入端与所述第一作用面沿所述力矩输入端的旋转轴向依次分布。

作为上述技术方案的改进，所述力矩输入端面向所述第一作用面的一端周侧具有传动曲面，所述传动曲面与所述第一作用面具有相同形状的表面轮廓并形成周面接触啮合关系。

作为上述技术方案的进一步改进，所述传动曲面与所述第一作用面之间具有单向面接触啮合关系。

作为上述技术方案的进一步改进，所述传动曲面与所述力矩输入端垂直的横截面具有外摆线轮廓，所述第一作用面具有内摆线轮廓。

作为上述技术方案的进一步改进，所述力矩输入端包括转动环体与静止件，所述转动环体由所述待测力矩驱动而可旋转地保持于所述静止件上，所述压力传感器安装于所述静止件上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述本体单元包括固定安装的安装本体与压合盖，所述安装本体面向所述力矩输入端的一侧具有所述第一作用面，所述压合盖面向所述力矩输入端的一侧具有所述第二作用面。

作为上述技术方案的进一步改进，所述安装本体与所述压合盖螺旋连接，所述力矩输入端、所述压合盖分别通过第一轴承与所述压力传感器连接，所述第一轴承用于承受所述轴向力。

作为上述技术方案的进一步改进，所述安装本体与所述压合盖之间通过定位销而实现定位。

作为上述技术方案的进一步改进，所述周面接触力矩传感器还包括转速传感器单元，用于测量所述力矩输入端的转速和/或方向。

一种电动助力车，包括车体、牙盘及以上任一项所述的周面接触力矩传感器，所述牙盘可旋转地保持于所述车体上，所述本体单元安装于所述牙盘上，所述力矩输入端用于与中轴连接并受之驱动而旋转。

本发明的有益效果是：第二作用面、压力传感器、力矩输入端与第一作用面沿力矩输入端的旋转轴向依次分布，待测力矩自力矩输入端输入，经力矩输入端与第一作用面之间的周面接触作用转换为轴向力，进而传递至压力传感器而实现感应测量，传动链简洁而测量精准，具有结构紧凑、造价低廉、易于实现、反应灵敏、测量精准等优点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例1提供的周面接触力矩传感器及电动助力车的的爆炸结构示意图；

图2是本发明实施例提供的周面接触力矩传感器的局部结构示意图；

图3是本发明实施例3提供的周面接触力矩传感器的正转啮合示意图；

图4是本发明实施例3提供的周面接触力矩传感器的反转啮合示意图；

图5是本发明实施例4提供的电动助力车的爆炸结构示意图。

主要元件符号说明：

1000-电动助力车，0100-周面接触力矩传感器，0110-本体单元，0111-安装本体，0111a-第一作用面，0111b-安装爪，0112-压合盖，0112a-第二作用面，0113-定位销，0120-力矩输入端，0121-转动环体，0121a-传动曲面，0122-静止件，0130-压力传感器，0140-第一轴承，0150-第二轴承，0160-转速传感器单元，0161-霍尔传感器，0162-磁体，0200-牙盘，0300-中轴，0400-曲柄。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对周面接触力矩传感器及电动助力车进行更全面的描述。附图中给出了周面接触力矩传感器及电动助力车的优选实施例。但是，周面接触力矩传感器及电动助力车可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对周面接触力矩传感器及电动助力车的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在周面接触力矩传感器及电动助力车的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请结合参阅图1～2，本实施例提供一种周面接触力矩传感器0100，该周面接触力矩传感器0100包括本体单元0110、力矩输入端0120及压力传感器0130，用以实现对力矩的迅捷而精确的测量，具有结构紧凑、反应灵敏、测量精准等优点。以下对该周面接触力矩传感器0100的主要构造进行详细介绍。

首先说明的是，在本实施例中，待测力矩自力矩输入端0120输入，经力矩输入端0120与本体单元0110之间的周面接触作用转换为轴向力，进而传递至压力传感器0130而实现感应测量。

本体单元0110包括相对设置的第一作用面0111a与第二作用面0112a。第一作用面0111a用于以周面接触方式实现力矩与轴向力之间的转换，该轴向力经由本体单元0110的实体部分而传递至第二作用面0112a。第二作用面0112a用于将该轴向力进一步传递至压力传感器0130，实现本体单元0110的力传递功能。

力矩输入端0120由待测力矩驱动而旋转，并与第一作用面0111a周面接触而传递驱动力，该驱动力用于驱动本体单元0110旋转及沿轴向移动，使第二作用面0112a沿轴向接近力矩输入端0120。

具体地，驱动力的切向分量即切向力，用于驱动本体单元0110旋转；驱动力的轴向分量即为前述的轴向力，用于驱动本体单元0110与力矩输入端0120发生轴向的相对运动。

可见地，力矩输入端0120与本体单元0110具有共同旋转的特性。相应地，力矩输入端0120与本体单元0110的旋转轴向相同，该旋转轴向即为前述的轴向，如轴向力、轴向分量及轴向移动均源于此。可以理解，前述的轴向与待测力矩的方向平行。示范性地，力矩输入端0120与本体单元0110具有共轴关系，即力矩输入端0120与本体单元0110具有共同的旋转轴。

示范性地，第一作用面0111a与力矩输入端0120的旋转轴向之间具有非零夹角。应当理解，第一作用面0111a可采曲面或平面的实现形式，即如锥面、球面或其他形式。相应地，力矩输入端0120的周面与第一作用面0111a紧密咬合，形成前述的周面接触。

所谓周面接触，是指发生于传动件周面的面接触传动关系。其中，周面环绕于传动件的端面周侧。周面接触关系仅要求传动件的周面之间具有配合关系，使曲面变化仅发生于传动件周面，曲面形状简单而易于加工，有效地降低制造成本。此外，简单的形状亦利于保证传动的可靠性。

在前述结构中，第二作用面0112a、压力传感器0130、力矩输入端0120与第一作用面0111a沿力矩输入端0120的旋转轴向依次分布。轴向力驱使本体单元0110沿轴向移动，第二作用面0112a将接近力矩输入端0120远离第一作用面0111a的一侧。其直接影响为，第二作用面0112a与力矩输入端0120自两侧压迫压力传感器0130，从而将该轴向力传递于压力传感器0130。

第二作用面0112a的表面形状与压力传感器0130的外轮廓相适应，以保持贴合作用而保证力传递的精确性。示范性地，第二作用面0112a与力矩输入端0120的旋转轴垂直，使作用力与轴向力方向一致，传递路线直接而简短，具有最为理想的传递精度。

如前所述，压力传感器0130用于感应测量前述轴向力。压力传感器0130的形式众多，依据实际应用而选择。示范性地，压力传感器0130为薄膜压力传感器，具有薄膜式结构而体积微小，使周面接触力矩传感器0100的尺寸链大幅压缩，从而提高制造与装配精度。进一步优选，该薄膜压力传感器为防水形式，具有良好的防水性。另一种示范例中，压力传感器0130可为应变式压力传感器等其他类型。

优选地，周面接触力矩传感器0100还包括转速传感器单元0160，该转速传感器单元0160用于测量力矩输入端0120的转速和/或方向。其中，转速传感器单元0160可采用机械、电气、磁、光和混合式等方法实现。

示范性地，转速传感器单元0160包括霍尔传感器0161及磁珠。其中，复数个霍尔传感器0161连接于周面接触力矩传感器0100所应用的设备之机架上，复数个磁体0162则设于力矩输入端0120或本体单元0110上。进一步地，复数个霍尔传感器0161与磁体0162均沿力矩输入端0120或本体单元0110的旋转圆周均匀分布。

当力矩输入端0120旋转时，磁体0162随之旋转，霍尔传感器0161保持静止而产生霍尔效应，从而测量力矩输入端0120的转速。同时，根据复数个霍尔传感器0161之间的测量值之综合，即可判断力矩输入端0120的旋转方向。补充说明，转速传感器单元0160的测量值为转速矢量。

实施例2

请结合参阅图1～2，在实施例1的基础上，本实施例提供一种具有改进结构的周面接触力矩传感器0100，其改进之处在于本体单元0110的具体构造。以下对本体单元0110的结构进行详细介绍，其余在实施例1中已述之处，在此不再赘述。

本体单元0110可采用一体成型结构，亦可采用分体式拼接结构。优选地，本体单元0110包括固定安装的安装本体0111与压合盖0112，安装本体0111面向力矩输入端0120的一侧具有第一作用面0111a，压合盖0112面向力矩输入端0120的一侧具有第二作用面0112a。

安装本体0111与压合盖0112而采用钉接、焊接等连接方式，使二者之间不发生相对运动。优选地，安装本体0111与压合盖0112螺旋连接，简化装配工艺。进一步优选，安装本体0111与压合盖0112之间通过定位销0113而实现定位，避免二者于旋转过程发生松动脱落，保证可靠的一体运动。

示范性地，安装本体0111与压合盖0112分别具有环形结构。压合盖0112通过螺纹连接嵌入安装于安装本体0111内，二者包围而成一容纳部，用于容纳力矩输入端0120，形成紧凑的装配结构。

其中，力矩输入端0120、压合盖0112分别通过第一轴承0140与压力传感器0130连接，第一轴承0140用于承受轴向力。换言之，压力传感器0130两端分别设有第一轴承0140，形成力矩输入端0120-第一轴承0140-压力传感器0130-第一轴承0140-压合盖0112的分布结构。实际应用时，压合盖0112与力矩输入端0120自两侧压迫压力传感器0130，使轴向力得以传递至压力传感器0130。

其中，第一轴承0140的类型众多，优选为推力轴承。推力轴承仅用于承受轴向载荷，避免轴向力的传递受到干扰，保证传递精确性。示范性地，推力轴承为平面滚针推力轴承，进一步压缩周面接触力矩传感器0100的结构尺寸与传动链，使之更形紧凑。

实施例3

请结合参阅图1～2，在实施例1或2的基础上，本实施例提供一种具有改进结构的周面接触力矩传感器0100，其改进之处在于周面接触的具体形式。以下对周面接触的结构进行详细介绍，其余在实施例1或2中已述之处，在此不再赘述。

优选地，力矩输入端0120面向第一作用面0111a的一端周侧具有传动曲面0121a，传动曲面0121a与第一作用面0111a具有相同形状的表面轮廓并形成周面接触咬合关系。应当理解，所谓一端周侧，并不限于力矩输入端0120的轴向外轮廓末端，而仅指直面第一作用面0111a的外露端部外周面。应当理解，所谓形状相同，并不限于相同的轮廓尺寸。示范性地，传动曲面0121a与第一作用面0111a之间具有相同或不同的轮廓尺寸。

顾名思义，传动曲面0121a具有曲面形状，与第一作用面0111a作用而得以形成前述驱动力。曲面形状依实际情况而定，以能将力矩转换为前述驱动力即可，如涡轮叶片表面、斜齿面等形状类型。

请结合参阅图3～4，进一步地，传动曲面0121a与第一作用面0111a之间具有如下传动关系：当传动曲面0121a与第一作用面0111a正转啮合时，第二作用面0112a沿轴向接近力矩输入端0120；当传动曲面0121a与第一作用面0111a反转啮合时，第二作用面0112a沿轴向远离力矩输入端0120。

其中，正转与反转属于共轴而方向相反的旋转运动。示范性地，方向自第二作用面0112a指向第一作用面0111a的驱动力矩，使力矩输入端0120发生正转，传动曲面0121a与第一作用面0111a正转啮合；方向自第一作用面0111a指向第二作用面0112a的驱动力矩，使力矩输入端0120发生反转，传动曲面0121a与第一作用面0111a反转啮合。

在正转啮合时，第二作用面0112a与力矩输入端0120相对接近而压迫压力传感器0130，使压力传感器0130测量轴向力；在反转啮合时，第二作用面0112a与力矩输入端0120相对远离，压力传感器0130免受压迫而不发生测量信号，避免在反转时出现信号干扰。在电动助力应用下，该结构可避免反转时出现辅助动力的错误输出，保证使用安全，同时简化控制环节而提高控制精度与安全性。

前述的离合结构可通过多种形式实现，例如传动曲面0121a与第一作用面0111a具有相错的位置或不一的结构尺寸等方式。示范性地，传动曲面0121a与力矩输入端0120垂直的横截面具有外摆线轮廓，第一作用面0111a具有内摆线轮廓。传动曲面0121a与第一作用面0111a之间形成双摆线内外啮合关系，以周面接触而传递驱动力。

应当理解，第一作用面0111a与传动曲面0121a的表面轮廓相适应。在前述传动曲面0121a的任一情形下，传动曲面0121a具有周期变化特征，避免大平面下的面接触方式的过大阻尼。由于摩擦阻尼较小，传动曲面0121a与第一作用面0111a之间的传动灵敏度很高，感应精确且重复性好。

优选地，力矩输入端0120包括转动环体0121与静止件0122。其中，转动环体0121由待测力矩驱动而可旋转地保持于静止件0122上，压力传感器0130安装于静止件0122上。换言之，转动环体0121由外部转动件直接驱动，静止件0122则于转动环体0121的旋转过程始终保持静止。示范性地，转动环体0121接近第一作用面0111a的一端的周面为实施例2所介绍的传动曲面0121a。示范性地，静止件0122远离转动环体0121的一端限位牙圈，用于防止静止件0122转动。

进一步优选，转动环体0121与静止件0122之间套设第二轴承0150，用于承受径向载荷而保证转动环体0121与静止件0122之间的相对转动平稳。第二轴承0150的类型众多，优选为向心轴承，仅承受径向载荷而避免运动干扰。

示范性地，第一轴承0140与压力传感器0130均安装于静止件0122上，不随力矩输入端0120发生旋转，使第一轴承0140与压力传感器0130于应用过程仅承受轴向力，避免受到旋转运动的干扰破坏。

示范性地，转速传感器单元0160所具有的复数个霍尔传感器0161均连接于静止件0122上，于应用过程不发生旋转，从而保证霍尔传感器0161与磁体0162之间的相对运动，保证转速矢量的测量条件。

实施例4

请结合参阅图1～5，本实施例提供一种电动助力车1000，该电动助力车1000包括车体、牙盘0200及实施例1～3任一者所介绍的周面接触力矩传感器0100，通过测量力矩而向骑行者提供相应的辅助动力。

应当理解，电动助力车1000以自行车结构为基础，并加配电力驱动单元提供动力支持。其中，电力驱动单元一般包括电动机，对应输出动力。电动助力车1000的车体与自行车整体上别无二致，在此不再赘述。以下仅对牙盘0200处的连接关系进行介绍。

牙盘0200可旋转地保持于车体上，本体单元0110安装于牙盘0200上，力矩输入端0120用于与中轴0300连接并受之驱动而旋转。示范性地，安装本体0111设有安装爪0111b，通过安装爪0111b而紧固于牙盘0200上。转动环体0121与中轴0300连接，中轴0300进而与曲柄0400连接。在曲柄0400驱动下，转动环体0121随中轴0300一并旋转。静止件0122与电动助力车1000的车体相连，于转动环体0121的旋转过程始终保持静止。

应用时，骑行者踩踏并通过曲柄0400而输入动力，使牙盘0200、转动环体0121与本体单元0110一并旋转，从而感应测量骑行者的骑行力矩。电力驱动单元根据周面接触力矩传感器0100的测量值，输出对应的辅助动力，减轻用户的骑行负担。

示范性地，骑行者正向踩踏使电动助力车1000前进时，传动曲面0121a与第一作用面0111a正转啮合，第二作用面0112a沿轴向接近力矩输入端0120，压力传感器0130受压而测量轴向力；骑行者反向踩踏时，传动曲面0121a与第一作用面0111a反转啮合，第二作用面0112a沿轴向远离力矩输入端0120，压力传感器0130失去对轴向力的感应，避免发生反转情形下的动力输出错误，保证使用安全。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种周面接触力矩传感器，其特征在于，包括：

本体单元，包括相对设置的第一作用面与第二作用面；

力矩输入端，由待测力矩驱动而旋转，并与所述第一作用面形成周面接触而传递驱动力，所述驱动力用于驱动所述本体单元旋转及沿轴向移动，使所述第二作用面沿轴向接近所述力矩输入端；

压力传感器，用于感应测量轴向力，所述轴向力为所述驱动力的轴向分量；

所述第二作用面、所述压力传感器、所述力矩输入端与所述第一作用面沿所述力矩输入端的旋转轴向依次分布；

所述力矩输入端面向所述第一作用面的一端周侧具有传动曲面，所述传动曲面与所述第一作用面具有相同形状的表面轮廓并形成周面接触啮合关系；

所述力矩输入端包括转动环体与静止件，所述转动环体由所述待测力矩驱动而可旋转地保持于所述静止件上，所述压力传感器安装于所述静止件上。

2.根据权利要求1所述的周面接触力矩传感器，其特征在于，当所述传动曲面与所述第一作用面正转啮合时，所述第二作用面沿轴向接近所述力矩输入端；当所述传动曲面与所述第一作用面反转啮合时，所述第二作用面沿轴向远离所述力矩输入端。

3.根据权利要求2所述的周面接触力矩传感器，其特征在于，所述传动曲面与所述力矩输入端垂直的横截面具有外摆线轮廓，所述第一作用面具有内摆线轮廓。

4.根据权利要求1所述的周面接触力矩传感器，其特征在于，所述本体单元包括固定安装的安装本体与压合盖，所述安装本体面向所述力矩输入端的一侧具有所述第一作用面，所述压合盖面向所述力矩输入端的一侧具有所述第二作用面。

5.根据权利要求4所述的周面接触力矩传感器，其特征在于，所述安装本体与所述压合盖螺旋连接，所述力矩输入端、所述压合盖分别通过第一轴承与所述压力传感器连接，所述第一轴承用于承受所述轴向力。

6.根据权利要求4所述的周面接触力矩传感器，其特征在于，所述安装本体与所述压合盖之间通过定位销而实现定位。

7.根据权利要求1所述的周面接触力矩传感器，其特征在于，还包括转速传感器单元，用于测量所述力矩输入端的转速和/或方向。

8.一种电动助力车，包括车体，其特征在于，还包括牙盘及权利要求1-7任一项所述的周面接触力矩传感器，所述牙盘可旋转地保持于所述车体上，所述本体单元安装于所述牙盘上，所述力矩输入端用于与中轴连接并受之驱动而旋转。