CN108025797B

CN108025797B - 用于踏板驱动的车辆和设备的力矩传感器

Info

Publication number: CN108025797B
Application number: CN201680040854.XA
Authority: CN
Inventors: B·A·德赫里彭
Original assignee: Idbike BV
Current assignee: Idbike BV
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2016-05-23
Publication date: 2020-06-05
Anticipated expiration: 2036-05-23
Also published as: EP3297901A1; EP3297901B1; CN108025797A; WO2016190729A1; NL1041317B1; NL1041317A

Abstract

本文描述了行星系统(270)在用于电力辅助自行车(1)的曲柄力矩传感器组件(200)中的使用。自行车包括曲柄组(100)和用于驱动链条(3)的链轮(300)，所述曲柄组(100)包括安装为用于相对于底部托架(10)旋转的曲柄轴(110)。所述曲柄力矩传感器组件(200)包括行星系统，所述行星系统包括环形轮(210)、恒星轮(220)和安装于行星载体(231)上的多个行星轮(230)。所述环形轮相对于框架零件(10)是静止的。所述恒星轮附接至所述链轮。所述行星载体附接至所述曲柄轴。力矩传感器包括布置于所述环形轮和所述底部托架之间的变形构件(273)，并且提供与由骑车人所施加的力矩(Ti)成比例的电测量信号。

Description

用于踏板驱动的车辆和设备的力矩传感器

技术领域

本发明整体涉及一般的踏板驱动车辆领域，特别地涉及自行车领域。出于简化的目的，本发明将对自行车的实例进行解释，但本发明同样适用于其它类型的踏板驱动车辆。通常，在自行车中，骑车人利用他的脚驱动踏板，但也存在曲柄由手驱动的车辆；并且需注意，本发明还适用于此类手驱动车辆。另外，虽然车辆具有用于在道路上运动的车轮，但是踏板驱动设备可包括例如训练装置、健身车等，并且需注意，本发明还适用于此类踏板驱动设备。

背景技术

期望的是具有用于测量由自行车的驾车者(即，骑车人)所施加的力或力矩的传感器。如果希望确定骑车人所产生的卡路里量的话，例如此类测量可用于训练情形。此类测量还可用于电力辅助自行车的情形，该电力辅助自行车配备有电动机，该电动机对自行车施加与踏板力矩成比例的驱动功率。

从骑车人至道路的传动系统包括踏板、曲柄、曲柄链轮、链条、后轴链轮、后轴。基本上，存在着可测量的三个位置：链条之前、链条中、链条之后。然而，问题为，传动系统是由相对于自行车框架移动的部件组成。因此，已提出替代的解决方案，其中测量框架零件的变形；例如参考关于这方面的国际专利公布WO-01/30643、W0-03/073057和WO-2006/091089。这些文档给出更多背景信息，并且其内容以引用方式并入本文。

尽管这些现有提议提供了良好测量结果，但是缺点在于，其实施方式需要对自行车框架进行显著修改。将有利的是具有测量传感器，该测量传感器甚至可在现有自行车中实现，而根本无需调整自行车框架，或在任何情况下无需对自行车框架做出显著修改。

与曲柄组相关联的测量传感器将满足该需求。然而，曲柄组为旋转零件，并且具有与旋转零件相关联的传感器涉及将测量信号传递至静止信号处理器和辅助电机的控制器(在电力辅助驱动的情况下)的问题。通过实例的方式，参考US-7806006，其公开了一种系统，该系统涉及曲柄臂(设置有应变计和内置功率源)、信号处理和无线信号传递。

US-2013/0086996公开了一种用于曲柄组的力矩传感器，该力矩传感器包括经由弹性构件通过曲柄轴驱动的旋转管。因此，在所施加力矩的作用下，在旋转曲柄轴和旋转管之间存在偏移角度。两个测量盘状物彼此贴近地布置，一者附接至曲柄轴而另一者附接至旋转管；因此，在两个测量盘状物之间存在偏移角度。测量盘状物在静止传感器的狭槽中旋转，该静止传感器能够检测两个测量盘状物之间的偏移角度。这通过对两个盘状物中的重叠开口的数目进行计数而执行。因此，力矩传感器输出信号可仅具有多个预定离散值中的一个，并且可不给出模拟输出信号。

本发明的目的是提供一种用于旋转曲柄组的测量系统，其中该测量系统包括静止力矩测量元件。在实施例中，本发明提供了一种静止变形部件，该静止变形部件表现出与曲柄组的力矩成比例的机械变形。变形传感器(例如包括应变计)则可易于附接至该静止变形部件，并且变形传感器的测量信号经由有线连接可易于通信至静止信号处理器。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型力矩传感器，该力矩传感器具有较简单和紧凑设计并且允许测量旋转部件的力矩，而不存在需要无线地传递测量信号的问题。

需注意的是，用于自行车中的行星系统已公开于EP-1.110.856中，但本文档所公开的结构为复杂结构，该复杂结构需要通过用于容纳系统的特殊设计的外壳来替换标准的底部托架。本发明的设计具有轴向紧凑构造的优点，该轴向紧凑构造基本上包括布置于底部托架和链轮之间的三个盘形部件的叠堆。附接至恒星轮的链轮可视为叠堆的第四部件。该四部件叠堆可设置为用于标准的链轮(甚至在现有自行车的情况下)的置换套件。

附图说明

本发明的这些和其它方面、特征和优点将参考附图通过一个或多个优选实施例的下述描述来进一步解释，其中相同附图标记指示相同或类似零件，并且其中：

图1根据本发明示意性地示出了设置有力矩传感器的曲柄组的剖面图；

图2根据本发明示意性地示出了力矩传感器中的变形构件的可能实施例；

图3为根据本发明的框图，其示意性地示出包括设置有力矩传感器的曲柄组的自行车。

具体实施方式

图1根据本发明示意性地示出了设置有曲柄力矩传感器组件200的曲柄组100的剖面图。

曲柄组100包括曲柄轴110、第一曲柄121和第二曲柄122，其中第一曲柄121具有安装于曲柄轴110的第一端部111处的第一踏板131，第二曲柄122具有安装于曲柄轴110的第二端部112处的第二踏板132。曲柄轴110安装为用于在自行车框架的底部托架10中旋转。出于简单性的目的，自行车的其它部件未示出。曲柄轴110相对于底部托架10的轴承标记为11。

根据本发明的曲柄力矩传感器组件200具有行星设计。因为行星齿轮系统自身为已知的，所以详细描述和解释在本文忽略。可以说，行星齿轮系统201包括三个主要功能元件，即环形轮210、恒星轮220和具有多个行星轮230的行星系统，多个行星轮230布置于环形轮210和恒星轮220之间。

在所示的实施例中，环形轮210安装成相对于底部托架10静止。

行星轮230安装于行星载体231上，行星载体231相对于曲柄轴110固定。特别地，每个行星轮230被安装为用于相对于载体轴232旋转，而载体轴232被安装于共用载体231上，该载体可具有盘状物的形状。行星轮230的数目为非至关重要的；合适数目为3个或4个，但更多数目也是可能的。

行星轮230的数目越多，这些行星轮的每一个所需承载的负载越小。

附图标记300为用于接合驱动链条的链轮。在标准曲柄组中，链轮附接至曲柄轴110和/或右手曲柄122，但在根据本发明的图1的设计中，链轮300附接至恒星轮220。恒星轮220和链轮300的组合相对于曲柄轴110可为自由的，由行星轮230保持在适当位置，但也可能的是，一个或多个轴承113一方面布置于恒星轮220和链轮300之间，在另一方面布置于恒星轮220和曲柄轴110之间，以用于增加稳定性。

正如本领域的技术人员应清楚的是，行星轮230接合环形轮210和恒星轮220。当骑车人踩踏踏板131、132以使曲柄轴110旋转时，曲柄轴110带动行星载体231，并且从而使得行星轮230围绕着曲柄轴110进行轨道运行。因为轨道运行的行星轮230接合静止的环形轮210，所以行星轮230绕着行星轮230的相应载体轴232旋转，并且因此它们驱动恒星轮220以用于相对于静止的环形轮210和相对于曲柄轴110旋转。特别地，将看出的是，恒星轮220以及由恒星轮220带动的链轮300将以高于曲柄轴110旋转的速度旋转。将明显的是，适用下述公式：

Ws/Wc＝2Rc/Rs (1)

其中Ws为恒星轮和链轮的角速度；

Wc为曲柄轴和行星载体的角速度；

Rs为恒星轮的半径；

Rc＝Rs+Rp为载体轴232的位置的半径；

Rp为行星轮的半径。

在示例性实施例中，Rs＝21mm并且Rp＝7mm，使得链轮300将以高于曲柄轴110的旋转速度的速度旋转，其中速度因数为Ws/Wc＝2.67。该较高速度已提供优点，因为鉴于具有曲柄组和从动轮之间的相同传递比率，链轮300可具有通过相同因数减小的半径。由于此类较小链轮，上半链条和下半链条之间的竖直距离将为较小的，并且护链槽可具有更加迷人的纤细设计。

如果忽略损耗，那么根据下述公式，在链轮300处所传送的输出力矩To通过相同因数被减小：

To/Ti＝R_S/2R_C (2)

其中Ti为由驾车者在曲柄轴110处所输入的输入力矩。

一个重要方面为，环形轮210从行星轮230接收反作用力矩Tr，其中反作用力矩Tr等于输入力矩Ti和输出力矩To之间的差值：

T_R＝Ti-To＝Ti-(1-Rs/2R_C) (3)

应清楚的是，反作用力矩Tr与输入力矩Ti成比例。因此，测量反作用力矩Tr等同于测量输入力矩Ti。在上述实例中，T_R＝0.6·Ti。

如上文所述及，行星齿轮系统包括三个功能元件，即恒星轮、环形轮和行星系统。作为原则性问题，这些元件的每一个可连接至力矩输入(即，曲柄)，而这些元件的任意第二个可连接至力矩输出(即，链轮)，而剩余的第三元件可连接至静止框架。六种配置是可能的。在这些配置的每一个中，第三元件将接收反作用力矩，但第三元件在位置上相对于框架固定。因此，第三元件将反作用力矩施加于底部托架的框架上。

根据本发明的另一个方面，曲柄力矩传感器组件200包括反作用力矩传感器组件270，反作用力矩传感器组件270布置于底部托架10和所述第三元件之间，所述第三元件，即，图1的实施例中的环形轮210。反作用力矩传感器组件270包括第一零件271和第二零件272，其中第一零件271附接至环形轮210，第二零件272附接至底部托架10。在第一零件271和第二零件272之间，反作用力矩传感器组件270包括可弹性变形的中间变形零件273。反作用力矩传感器组件270设置有变形传感器280，变形传感器280感测中间变形零件273的变形并且提供与所感测的变形成比例的电输出信号。

图2示意性地示出了反作用力矩传感器组件270的特别合适的实施例的实例。在该实施例中，反作用力矩传感器组件270包括盘状物274，其中盘状物274具有环状内环形部分275和环状外环形部分276。径向狭缝277限定多个径向辐条278，多个径向辐条278连接内环形部分275和环状外环形部分276。辐条278的精确数目为非必需的。然而，辐条278的宽度应使得允许一些弯曲，根据下述内容这将清楚的。

环形轮210附接至环状外环形部分276，从而环状外环形部分276构成第一零件271。底部托架10(或自行车框架的另一部分)附接至环状内环形部分275，从而环状内环形部分275构成第二零件272。径向辐条278构成中间变形零件273。辐条278限定内环形部分275和环状外环形部分276之间的连接，该连接对于在径向方向上的相互位移是十分刚性的。然而，在成角度方向上，刚度为较小的，并且反作用力矩Tr将导致环状外环形部分276相对于环状内环形部分275产生微小的角位移，其中径向辐条278弹性地弯曲。

反作用力矩传感器组件270可设置有变形传感器以用于感测辐条的变形，从而测量中间变形零件273的变形。此类变形传感器可包括应变计。因为用于测量辐条的弯曲的应变计的使用自身为已知的，所以更详细解释在本文被忽略。

然而，利用应变计是复杂的。因此，附图示出了优选实施例，其中环状外环形部分276和环状内环形部分275之间的角位移被直接地测量。正如在放大图中更清晰地所示，辐条中的至少一个被中断。中断部可位于该辐条的中间部段，但中断部也可位于该辐条的端部部段。当环状外环形部分276相对于环状内环形部分275移位时，该中断的辐条将不弯曲并且因此辐条部分在中断部的相对侧部之间将存位移。在所示实例中，中断部位于辐条的外端部，使得该辐条不连接至环状外环形部分276。因此，当环状外环形部分276相对于环状内环形部分275移位时，该辐条的自由外端部和环状外环形部分276之间将存在着位移。位移传感器280包括小磁体281和小霍尔传感器282，其中小磁体281附接至中断的辐条的自由外端部，小霍尔传感器282附接至外环形部分276。霍尔传感器的电输出信号与外环形部分276的角位移线性地成比例，并且因此与反作用力矩Tr和输入力矩Ti线性地成比例。基于霍尔传感器的位移传感器自身为已知的，因此更详细解释在本文被忽略。

因此，将看出的是，实际信号发生器(其将机械参数转换为电气信号)为静止部件，使得可避免无线信号传递的复杂性。

图3为根据本发明的框图，其示意性地示出包括设置有曲柄力矩传感器组件200的曲柄组100的自行车1。曲柄组100驱动链条3，链条3继而驱动后轮2。曲柄力矩传感器组件200向控制装置400提供测量输出信号，控制装置400基于所接收的测量信号而控制辅助电机500，使得随着骑车人产生的力矩越多，辅助电机500提供的驱动功率越多。在框图中，示出的辅助电机500驱动后轮2，但替换地，辅助电机500可布置成驱动前轮，或驱动曲柄组。

因此，描述了行星系统在用于电力辅助自行车的曲柄力矩传感器组件中的使用。自行车包括曲柄组和用于驱动链条的链轮，其中该曲柄组包括安装用于相对于底部托架旋转的曲柄轴。曲柄力矩传感器组件包括行星系统，该行星系统包括环形轮、恒星轮和安装于行星载体上的多个行星轮。环形轮相对于框架零件是静止的。恒星轮附接至链轮。行星载体附接至曲柄轴。曲柄力矩传感器组件包括布置于环形轮和底部托架之间的变形构件，并且提供与由骑车人所施加的力矩成比例的电测量信号。

在图1中可看出，本发明的曲柄力矩传感器组件200是极其紧凑的，并且可布置于底部托架10和链轮300之间的小空间(具有小的轴向长度)中。基本上，本发明的曲柄力矩传感器组件200包括三个盘形元件的叠堆。如在从链轮300至底部托架10的轴向方向上，即，从图1中的右侧至左侧的方向上所看出的是，所述盘形元件的第一个为恒星轮220，恒星轮220抵靠着链轮300进行安装，而链轮300实际上可为标准链轮。

所述盘形元件的第二个为行星载体231，行星载体231安装在距恒星轮220的短轴向距离处。承载行星轮230的载体轴232从盘形行星载体231朝向链轮300和恒星轮220延伸，即，延伸至右侧，而与盘形行星载体231一体或固定至盘形行星载体231的安装衬套在相反方向上延伸至底部托架10的腔室中。安装衬套具有对应于曲柄轴110的外径的内径，并且附连至曲柄轴110。

所述盘形元件的第三个为反作用力矩传感器组件270，反作用力矩传感器组件270的环状内环形部分275定位成抵靠着底部托架10的轴向端面并且附连至底部托架10。行星系统的环形轮210附连至环状外环形部分276的相对侧，即，图1中的右手侧。

具有略大于环状内环形部分275/环形轮210组合的外径的内径的圆柱形壁附连至链轮300的框架侧(左手侧)，从而与环状内环形部分275/环形轮210组合重叠以形成用于行星系统的保护罩。

在原型实施例中，从底部托架10的轴向端面测量到链轮300并且包括链轮300的封装件的轴向尺寸)的测量值为约30mm。

在原型实施例中，反作用力矩传感器组件270的盘状物274为铝盘状物。其它金属也为可行的。作为替代形式，盘状物274可为塑料的盘状物，特别是固体的盘状物。由于材料和厚度的合适的选择，盘状物将具有合适刚度，而无需形成凹槽。凹陷部或通孔可布置于盘状物中以用于安装霍尔传感器，但中断的辐条当然仍可被使用。

对本领域的技术人员应明显的是，本发明不限于上述所讨论的示例性实施例，而一些变型和修改在如附属权利要求书中所限定的本发明的保护范围内为可能的。例如，两种或更多种功能可由一个单个实体执行。即使某些特征在不同从属权利要求中叙述，但是本发明还涉及这些共有特征的实施例。权利要求中的任何附图标记不应理解为限制该权利要求的范围。

在上文中，本发明已对自行车的实例进行解释。该自行车可已在工厂中提供有创新性曲柄力矩传感器组件。然而，创新性力矩传感器的优点在于，其可容易地实现为置换套件以用于适用现有自行车。

在上文中，本发明已参考框图进行解释，这些框图根据本发明示出了装置的功能块。应当理解，这些功能块的一者或多者可在硬件中实现，其中该功能块的功能由个体硬件部件执行，但还可能的是，这些功能块的一者或多者在软件中实现，使得该功能块的功能由计算机程序或可编程装置(诸如微处理器、微控制器、数字信号处理器等)的一个或多个程序线执行。

Claims

1.曲柄驱动设备(1)，包括：

-底部托架(10)；

-曲柄组(100)，所述曲柄组(100)包括曲柄轴(110)、一对曲柄(121、122)，其中所述曲柄轴(110)安装为用于相对于所述底部托架(10)旋转，所述一对曲柄(121、122)附接至所述曲柄轴(110)并且设置有各自的用户介面构件(131、132)；

-链轮(300)，所述链轮(300)与所述曲柄组(100)相关联并且相对于所述曲柄轴(110)共轴地布置以用于驱动链条(3)；

-曲柄力矩传感器组件(200)，所述曲柄力矩传感器组件(200)响应于用户所施加的力矩以提供与所述用户所施加的力矩(Ti)成比例的电测量信号；

其中所述曲柄力矩传感器组件(200)包括

-行星系统(201)，所述行星系统(201)包括：

-环形轮(210)，所述环形轮(210)相对于所述底部托架(10)固定；

-恒星轮(220)，所述恒星轮(220)相对于所述链轮(300)固定；

-和多个行星轮(230)，所述多个行星轮(230)布置于所述环形轮(210)和所述恒星轮(220)之间，所述行星轮(230)安装于盘形的行星载体(231)上；

-反作用力矩传感器组件(270)，所述反作用力矩传感器组件(270)布置于所述环形轮(210)和所述底部托架(10)之间；

其中所述反作用力矩传感器组件(270)包括盘状物(274)，所述盘状物(274)具有：

-环状外环形部分(271、276)，和

-环状内环形部分(272、275)；

其中所述环状内环形部分(272、275)共轴地固定于所述底部托架(10)的一个端部处；

其中所述环形轮(210)在所述盘状物(274)的背向底部托架(10)的一侧固定至所述环状外环形部分(271、276)；

其中所述行星载体(231)共轴地固定至所述曲柄轴(110)；

其中所述行星轮(230)被安装为用于在相应载体轴(232)上旋转，而所述相应载体轴(232)在所述行星载体(231)的背向底部托架(10)的一侧安装于所述行星载体(231)上；

其中所述恒星轮(220)共轴地围绕所述曲柄轴(110)布置使得能够相对于所述曲柄轴(110)旋转；

其中所述链轮(300)在所述恒星轮(220)的背向底部托架(10)的一侧附接至所述恒星轮(220)；

其中所述反作用力矩传感器组件(270)还包括：

-可弹性变形的中间变形零件(273)，所述可弹性变形的中间变形零件(273)连接所述盘状物(274)的内环形部分(272、275)和所述盘状物(274)的环状外环形部分(271、276)，从而允许所述外环形部分(271、276)相对于所述内环形部分(272、275)的角位移；

-传感器(280)，所述传感器(280)感测所述环状外环形部分(271、276)相对于所述环状内环形部分(272、275)的角位移并且提供与所述感测的角位移成比例的电输出信号。

2.根据权利要求1所述的曲柄驱动设备，其中所述传感器(280)为变形传感器(280)，所述变形传感器(280)感测所述中间变形零件(273)的变形并且提供与所述感测的变形成比例的电输出信号。

3.根据权利要求1所述的曲柄驱动设备，其中所述中间变形零件(273)包括所述盘状物(274)的内环形部分(272、275)和所述盘状物(274)的外环形部分(271、276)之间的中断部或凹陷部，并且其中所述传感器(280)适配为分别测量所述中断部或凹陷部的径向相对侧部处的所述中间变形零件(273)的部分的相对位移。

4.根据前述权利要求中任一项所述的曲柄驱动设备，其中所述中间变形零件(273)包括至少一个径向辐条。

5.根据权利要求4所述的曲柄驱动设备，其中所述传感器(280)为变形传感器，所述变形传感器感测所述至少一个径向辐条(273、278)中的至少一个的变形并且提供与所述感测的变形成比例的电输出信号。

6.根据权利要求4所述的曲柄驱动设备，其中所述至少一个径向辐条(273、278)中的至少一个被中断，并且其中所述传感器(280)适配为测量在中断的辐条的辐条部分之间的中断部的相对侧部的辐条部分的相对位移。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的曲柄驱动设备，其中所述曲柄驱动设备为曲柄驱动车辆。

8.根据权利要求7所述的曲柄驱动设备，其中所述曲柄驱动车辆为踏板驱动车辆。

9.根据权利要求7所述的曲柄驱动设备，其中所述曲柄驱动车辆为电力辅助自行车。

10.根据权利要求7所述的曲柄驱动设备，其中所述曲柄驱动车辆为电力辅助自行车，所述电力辅助自行车包括由控制器(400)控制的辅助电动机(500)，所述控制器(400)从曲柄力矩传感器组件(200)接收所述电测量信号，并且其中所述控制器(400)适配为基于从所述曲柄力矩传感器组件(200)所接收的所述电测量信号而生成用于所述电动机(500)的控制器(400)的控制信号。

11.根据权利要求10所述的曲柄驱动设备，其中所述中间变形零件(273)包括至少一个径向辐条。

12.根据权利要求11所述的曲柄驱动设备，其中所述传感器(280)为变形传感器，所述变形传感器感测所述至少一个径向辐条(273、278)中的至少一个的变形并且提供与所述感测的变形成比例的电输出信号。

13.根据权利要求12所述的曲柄驱动设备，其中所述至少一个径向辐条(273、278)中的至少一个被中断，并且其中所述传感器(280)适配为测量在中断的辐条的辐条部分之间的中断部的相对侧部的辐条部分的相对位移。