CN109131710B - 助力与健身一体自行车之中轴扭矩传感器和轮毂电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中轴扭矩传感器和置于后轮的轮毂电机,使电动助力的通勤车也具有功率自行车的健身功能。该中轴扭矩传感器将扭矩的输入端与输出端分离，在两者间设置钢珠传递扭矩，钢珠径向滚动挤压滑环锥面使滑环轴向压缩碟簧组，滑环带动对斥的磁环位移，磁环间的霍尔IC检测位移输出电压信号。该轮毂电机采用行星减速和棘爪式离合器,棘爪离合器设置于行星齿圈与电机壳间，通过外置的旋钮可手动将棘爪离合器锁死。作通勤车，棘爪离合器工作，轮毂电机根据扭矩大小输出功率,进行电动助力。作室内或室外的健身车，棘爪离合器被锁死，轮毂带动电机外转子转动，作发电机给电池充电，也可以使电机外转子变成磁阻制动器,设置不同的运动强度。

Description

助力与健身一体自行车之中轴扭矩传感器和轮毂电机

技术领域

本发明涉及自行车与健身车技术领域，具体的说是涉及一种中轴扭矩传感器与轮毂电机, 该车即作电动助力的通勤车也可以作发电的骑行台或移动的动感单车。

背景技术

电动助力的通勤车分两种, 一种采用中置电机, 里面集成了扭矩传感器和踏频传感器, 内置两套单向离合器不适合改动增加健身功能,另一种多采用轮毂电机和中轴踏频传感器, 因功率为扭矩与转速的积,存在两个变量，只用一个变量控制电机输出功率不可靠不安全。健身车通常放在室内,如骑行台,动感单车等,常采用阻尼飞轮或磁滞制动器设置运动强度,基于电动机也能做发电机与电机制动的原理, 对轮毂电机作结构上的小改动和改变驱动器电路,可变成发电机或磁阻制动器,如将电机的三相线切换到与水泥电阻短接,电机制动就作为负载使通勤车成为室内外的健身车；在共享电动助力车领域，可采用有偿方式让健身爱好者踩单车为电池充电。

为达成电动助力的通勤车可以健身可以发电，须将轮毂电机置于后轮和采用中轴扭矩传感器提供扭矩与踏频信号。

自行车领域用于五通内的扭矩传感器有三种方式:一种磁弹性扭矩传感器,利用磁性材料的磁致伸缩效应,采用激磁线圈和测量线圈来检测；一种用应变片方式,直接贴在旋转轴套上面临电源耦合进去与信号耦合出来的难题，或设置一套行星加速，应变片贴在行星支架或齿圈的固定端；最后一种采用机械方式,用扭簧传递扭矩产生相位差,而扭簧为自制非标件，其扭力与寿命难保证，四度以内角度线性测量困难。第一种方式最理想,冶金工业部在87年申请的专利871047241就有详细的制作方法,国外的专利更早 ,技术难度大与材料要求高,并且与应变片一样需要进行标定和调零调满，自动化生产困难。

基于骑行平顺性要求,电动助力不能有顿挫感，而曲柄力臂是变化的正弦曲线,只有穿上锁鞋的运动员以画圆的方式踩踏脚蹬骑行,扭矩输出才近似恒定值，普通人间歇性发力,扭矩输出近似正弦非线性，所以电机控制算法中会在曲柄的上下死点人为加一个扭矩信号，以平滑采样信号曲线。当中轴转速超出每秒一圈时, 即踏频信号超出60，扭矩信号通常只取一圈中的最大值。另外,助力车还配多个档位选择助力的大小。基于以上几点，助力自行车对扭矩传感器的精度并不同于在2﹪以内的功率计，也不同于运动竞技自行车对传动组件刚性的要求，而是安全与舒适,所以寻找一种能简单满足功能，电路和结构简单及生产容易的扭矩传感器仍是各单车厂的目标。

公知的扭矩限制器结构中，采用钢珠传递扭矩滑环压缩碟簧，调整碟簧组的压缩量来设置扭矩大小，当扭矩超出设定值，钢珠从齿槽内跳出，使扭矩输入与输出端脱离，这只是开关量。得益于中轴只是单向传递扭矩,可以使钢珠在齿槽内径向滚动，使滑环压缩碟簧组作一个连续的位移, 作为标准工业件的碟簧，压缩量在0.5h。时，寿命上百万次且弹力误差在15﹪以内。

在专利2014101280438和2016102405228中提到压缩碟簧组产生位移，霍尔元件测出位移换算出扭矩的大小。前一种方案位移测量成本高抗干扰弱和驱动位移的钢珠以滑动摩擦为主，后一种方案驱动位移的产生为平面滑动,静摩擦力造成回滞大。本发明是对两个专利的改进与完善，更简单的结构生成弹性位移，一个霍尔IC线性测量磁环位移，输出与电子转把一样的直接可用的模拟电压信号，即将手动的电子转把功能做在脚上，使电动车变成电踏车。与磁弹性和应变计扭矩传感器相比,存在误差大一致性差,扭矩传递不直接,碟簧组会延缓爆发力,和摩擦造成功率损耗诸多缺点, 但材料成本相近, 制作容易,最简电路,高可靠抗干扰,扭矩可不标定,易批量生产，可用软件优化弥补扭矩一个变量的误差。

在国内,应用于锂电自行车的轮毂电机，多采用行星减速，绝大部分将滚柱式离合器设置在行星支架上，行星齿圈直接与电机壳挤压过盈连接传递扭矩，结构最简单，当电机不工作时，轮毂会带动整个行星轮转动，造成滑行阻力大，并且滚柱式离合器阻力也大,也重。本发明将离合器设置在行星齿圈与电机壳间，采用三棘爪离合器,与自行车花鼓结构类似,阻力降到最低。滑行时与飞轮或塔基的三棘爪离合器组成更密集的棘爪碰撞声,通过响声能判断棘爪离合器是否被锁死。

发明内容

为实现通勤车既有电动助力,也可在室内室外作有强度的健身运动，本发明要解决的问题在于提供一种中轴扭矩传感器和后置的轮毂电机,轮毂电机作电动机助力时, 内部须设置单向离合器，轮毂不能带动电机外转子转动,驱动器根据扭矩和人的功率分段控制轮毂电机输出功率；作发电机或磁阻制动时, 轮毂必须带动电机外传子转动，电机的三相线作相应的切换。

为解决上述技术问题，本发明通过以下方案实现。

第一，中轴扭矩传感器置于车架五通内，检测中轴两端扭矩和转速，所述中轴扭矩传感器包括：轴碗端盖、中轴导线、轴挡圈、中轴左轴承、左轴碗、PCB支架、位移霍尔IC、转速霍尔IC、PCB、磁环护圈、单极磁环、多极磁环、磁环支架、调节螺母、碟簧组、滑环、中轴、位移钢珠、定位钢珠、半轴 、半轴O令、滚针轴承、中轴O令、右轴碗、中轴右轴承、牙盘爪、半轴螺钉；

所述中轴扭矩传感器特征在于，定位钢珠将中轴与半轴连接成能互相转动的整体,在中轴和半轴上分别设置外半环槽和内半环槽, 中轴插入半轴后,外半环槽和内半环槽的槽心重合,拼成截面呈圆形的圆环滚道，定位钢珠在圆环滚道内滚动并传递中轴和半轴之间的轴向力, 进一步的, 外半环槽(17b)和内半环槽(20f)的半圆形截面可以改成圆弧与直线相切或者梯形,定位钢珠的直径优选公制2.50mm或英制3/32″；

所述中轴扭矩传感器特征在于，在中轴与半轴之间设置滚针轴承,降低两者相互转动的摩擦力,滚针轴承由数条长滚针和保持架组成或者由两组数条短滚针与保持架构成;

所述位移钢珠用来传递中轴和半轴之间的扭矩, 位移钢珠置于中轴的钢珠槽和半轴的半圆齿槽内，采用二硫化钼极压锂基润滑脂来润滑,中轴上的齿工作斜面挤压位移钢珠，位移钢珠将压力传递给半轴上的工作齿面和滑环的圆锥面，传递出扭矩,同时使滑环产生轴向分力压缩碟簧组,位移钢珠的直径优选公制6.00mm或英制15/64″;

所述半轴螺钉将牙盘爪锁紧在半轴上，并且充当半轴上圆弧外花键与牙盘爪上圆弧内花键的定位螺钉，使圆弧内外花键接触面预压，间隙为零；

所述牙盘爪顶在中轴右轴承的内圈上,中轴与牙盘爪受到向左的轴向力通过中轴右轴承传递给右轴碗;

所述中轴设置两处相邻的轴挡圈槽, 安装轴挡圈,轴向左右限制两个中轴左轴承；

所述中轴设置有调节螺纹，其上设置调节螺母调整碟簧的尺寸误差与预压力和组件加工误差；

所述中轴在圆周上设置均布的钢珠槽，钢珠槽由齿工作斜面和齿根圆弧面构成,两者相切, 齿根圆弧面的弧半径与位移钢珠半径相同，钢珠槽采用金属塑性成形；

所述半轴在左端面设置均布的半圆齿槽,半圆齿槽由两个四分之一圆弧的工作齿面与非工作齿面构成, 工作齿面的宽度超过非工作齿面的宽度，半圆齿槽采用金属塑性成形;

所述半轴在右端圆周上设置对称的三组圆弧外花键与三个超过半边的内牙槽，内牙槽的中心半径小于半轴右端外圆半径，使半轴螺钉能锁紧在内牙槽内；

所述半轴在内孔壁上设置内半环槽容纳定位钢珠，外圆周上设置一个安装孔与内半环槽贯通；

所述半轴在内孔壁右端和左端外圆周上分别设置内外O令槽；

所述位移转速测量组件由位移霍尔IC、转速霍尔IC、两个单极磁环、多极磁环、磁环支架、PCB组成，两个单极磁环轴向充磁，优选钕铁硼强磁，两个单极磁环互相排斥同心的套在磁环支架的弹性爪上，位移霍尔IC固定不动并插在两个单极磁环之间且与一端磁环近靠，旋转的两个单极磁环轴向位移优选2.00mm, 位移霍尔IC输出电压线性变化,从1.00伏至4.00伏或0.50伏至3.50伏，多极磁环径向多极充磁，转速霍尔IC置于其上方；

所述位移霍尔IC和转速霍尔IC均采用SIP封装，位移霍尔IC为线性霍尔且垂直焊接在PCB板上，转速霍尔IC为线性或开关型霍尔且水平焊接在PCB板上；

所述磁环护圈采用金属片冲压,套在单极磁环上,承担磁环支架上的弹力;

所述磁环支架为塑胶件，一端为套筒罩住碟簧组，内腔壁上的环形筋扣在滑套的支架连接槽内，另一端套筒开槽使其成八个有弹性的弹性爪，弹性爪外端设置磁环挡边，四组相邻的弹性爪外端设置互相连接的弹性桥，弹性桥与中轴弹性过盈接触，使套在弹性爪上的单极磁环与中轴保持同心和垂直；

所述碟簧组由三片碟簧反向叠合而成，外径大端面顶住滑套朝向负荷来源，内径小端面顶住调节螺母,碟簧优选规格为内径16.30mm外径31.50mm厚1.25mm；

所述牙盘爪采用铝合金，其上设置三组对称圆弧内花键和三个有锥度的半锥孔，圆弧内花键与配合的圆弧外花键的圆弧半径相同，半锥孔的圆周小于180度,半锥孔的中心与半轴的内牙槽中心存在一个错位角度，强行锁入半轴螺钉后错位中心变同心，使内外花键的工作圆弧接触面带预压间隙为零传递扭矩；

所述滑环在外圆周上设置支架连接槽，圆锥面锥度优选30度，即位移钢珠径向滚动1mm，滑环轴向移动1.732mm；

所述调节螺母在外圆周上设置有注胶孔和O令槽，经注胶孔向螺纹灌注固化胶水;

所述右轴碗采用铝合金材质并设计成两种结构,一种为通用的带反牙外挂轴碗,应用于全封闭的五通管,而多数五通管带有销水孔,为防止雨水从座管经销水孔流入,导致五通内积水,所以在中轴传感器与五通管之间再加设一个防水套筒封闭中轴传感器,又因五通管空间限制,所以另一种结构的右轴碗要取消螺纹,五通管右端也取消螺纹而左端保留正牙螺纹,安装时, 防水套筒与右轴碗一同从五通右端挤入,中轴传感器组件再从五通左端旋入。

第二，轮毂电机既作电动机也可以作发电机或磁阻制动，在内部结构上，采用棘爪离合器传递电机转子的扭力,棘爪碰出的响声可判断离合器是否被锁死，所述轮毂电机包括：旋钮、拉杆、碟刹螺钉、电机壳、电机左轴承、固定环、锯齿环、弹簧线、棘爪 、棘爪座、复位弹簧、离合器轴承、孔挡圈、离合器轴承座、拉杆销、行星支架固定销、齿圈爪、行星齿圈、电机轴、行星支架、太阳轮、行星轮、电机外转子、电机内定子、电机右轴承、电机盖、电机导线；

所述棘爪离合器设置在行星齿圈与电机壳间，由三个棘爪、弹簧线、锯齿环、棘爪座、复位弹簧、离合器轴承、孔挡圈、离合器轴承座、齿圈爪组成，棘爪座与离合器轴承紧配并用孔挡圈固定构成一个整体，棘爪座的锯齿外圈与齿圈爪挤压过盈连接成整体，齿圈爪再与行星齿圈挤压过盈连接成整体，锯齿环与固定环螺纹连接构成一个整体，碟刹螺钉再将固定环锁紧在电机壳上，复位弹簧一端顶住电机左轴承内圈，另一端同时顶住离合器轴承座和离合器轴承的内圈，离合器轴承座与拉杆用拉杆销连接成整体,旋钮与拉杆用螺纹连接;

所述轮毂电机作为电动机是在棘爪离合器位于初始位置,锯齿环与棘爪座上的锯齿外圈分离轴向有间隙，锯齿环只与棘爪接触,只有行星齿圈的转速超越电机壳转速时,棘爪才顶住锯齿环驱动其转动,使行星齿圈的转速与电机壳转速同步, 否则锯齿环转速超过棘爪座，棘爪退缩在棘爪槽内并在弹簧线的弹力作用下与锯齿环碰出响声，棘爪离合器工作，行星齿圈空转或不转;

所述轮毂电机作发电机或磁阻制动时,转动旋钮,拉杆向外拉,带动拉杆销、离合器轴承座和离合器轴承、孔挡圈、棘爪座、棘爪、弹簧线、齿圈爪、行星齿圈整体向外移,离合器轴承座和离合器轴承的内圈同时压缩复位弹簧,棘爪座上的锯齿外圈移入锯齿环,锯齿啮合,锯齿环与棘爪座成一体,离合器被锁死,电机壳就能带动电机外转子转动;

电机高转速,作发电机为电池充电,电机低转速,作磁阻制动,电机的三相线切换到水泥电阻上,水泥电阻发热消耗电能;

所述棘爪座在左端圆周上设置三个棘爪槽,右端圆周上设置与锯齿环啮合的锯齿外圈,右端还设置孔挡圈槽,安装孔档圈固定离合器轴承;

所述电机轴在其右端轴心设置导线孔,左端轴心设置拉杆孔,左端圆周设置销限位槽并贯穿电机轴，行星支架固定销置于槽右端固定行星支架，槽左端限制拉杆销的最大位移;

所述离合器轴承座在圆周上设置一个贯穿的销孔, 安装拉杆销;

所述齿圈爪为铝合金,分别与棘爪座和行星齿圈挤压过盈连接,使三者成为一个整体;

所述固定环为铝合金,使锯齿环与电机壳连成一个整体;

所述复位弹簧优选波形弹簧, 减小轴向长度。

第三，所述中轴扭矩传感器为机械式间接测量扭矩，为弥补扭矩测量误差，驱动器分段控制，低踏频时，电机助力与扭矩大小成比例线性，高踏频时，电机助力与人的功率大小成比例线性，增设一个定速巡航助力功能；

所述定速巡航为车速低于某个设定值时，电机驱动与扭矩大小成比例助力，车速超过设定值后，只须维持一个设定的低踏频值，采用PID控制，与扭矩大小无关，作纯电机驱动，将车速维持在一个限速的范围内。

附图说明

图1是中轴扭矩传感器剖视图；

图2是中轴示意图与钢珠槽剖视图；

图3是中轴扭矩传感器立体爆炸图；

图4是中轴扭矩传感器位移钢珠定位钢珠装配结构示意图；

图5是中轴扭矩传感器位移钢珠径向滚动剖视图；

图6是中轴扭矩传感器位移转速测量组件剖视图；

图7是磁环支架结构示意图；

图8是半轴结构示意图与三视图；

图9是牙盘爪安装在半轴上未锁与锁紧后剖面图；

图10是牙盘爪的圆弧内花键和半锥孔截面图；

图11是滑环剖面图和调节螺母示意图；

图12是采用车铣加工的中轴示意图与钢珠槽剖视图；

图13是位移霍尔IC输出电压与扭矩特性曲线图；

图14是轮毂电机剖视图；

图15是轮毂电机立体爆炸图；

图16是棘爪离合器组件剖视图；

图17是锁死棘爪离合器组件剖视图；

图18是电机轴剖视图与离合器轴承座示意图;

图19是棘爪座结构示意图与三视图;

图20是锯齿环与棘爪座的锯齿外圈啮合剖视图;

图21是定速巡航流程图;

附图中标记：

1 轴碗端盖、 2 中轴导线、 3 轴挡圈、 4 中轴左轴承、 5左轴碗、

6PCB支架、 7 位移霍尔IC、 8 转速霍尔IC、 9 PCB、 10磁环护圈、

11 单极磁环、 12 多极磁环、 13 磁环支架、 13a 弹性爪、 13b 磁环挡边、

13c 弹性桥、 13d 环形筋、 14调节螺母、 14a 注胶孔、 14b O令槽、

15碟簧组、 16 滑环、 16a 圆锥面、 16b 限位面、 16c 支架连接槽、

17 中轴、 17a 轴挡圈槽、 17b 外半环槽、 17c 钢珠槽、 17ca 齿根圆弧面、

17cb齿工作斜面、 17d 调节螺纹、 18 位移钢珠、 19 定位钢珠、 20 半轴 、

20a 半圆齿槽、 20aa工作齿面、 20ab非工作齿面 20b外O令槽、 20c安装孔、

20d 内牙槽、 20e 圆弧外花键、 20f内半环槽、 20g 内O令槽、 21 半轴O令、

22 滚针轴承、 23中轴O令、 24 右轴碗、 25 中轴右轴承、 26 牙盘爪、

26a圆弧内花键、 26b 半锥孔、 27 半轴螺钉、

30 旋钮、 31 拉杆、 32 碟刹螺钉、 33 电机壳、 34 左轴承、

35固定环、 36 锯齿环、 37 弹簧线、 38 棘爪、 39 棘爪座、

39a 锯齿外圈、 39b 孔挡圈槽、 39c 棘爪槽、 40 复位弹簧、 41 离合器轴承、42孔挡圈、 43 离合器轴承座、 43a 销孔、 44 拉杆销、 45 行星支架固定销、46 齿圈爪、 47行星齿圈、 48 电机轴、 48a 拉杆孔、 48b销限位槽、

48c 导线孔、 49 行星支架、 50 太阳轮、 51行星轮、 52 电机外转子、

53 电机内定子、 54 电机右轴承、 55 电机盖、 56 电机导线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1和图3所示,中轴扭矩传感器包括：轴碗端盖1、中轴导线2、轴挡圈3、中轴左轴承4、左轴碗5、PCB支架6、位移霍尔IC 7、转速霍尔IC 8、PCB 9、磁环护圈10、单极磁环11、多极磁环12、磁环支架13、调节螺母14、碟簧组15、滑环16、中轴17、位移钢珠18、定位钢珠19、半轴20、半轴O令21、滚针轴承22、中轴O令23、右轴碗24、中轴右轴承25、牙盘爪26、半轴螺钉27。

中轴17为扭矩输入端，半轴20为扭矩输出端，当输入端的扭矩不足以驱动输出端负载时，输出端相对输入端固定不动，输入端的力偶矩作用在位移钢珠18上,其受齿工作斜面17cb的压应力和工作齿面20aa与圆锥面16a的约束力,压应力分解成径向与切向分力和转动力矩，转动力矩使位移钢珠18径向滚动,切向分力与工作齿面20aa上的约束力相等,扭矩传出,径向分力作用在圆锥面16a上使滑环16生成一个轴向力压缩碟簧组15，滑环16轴向移动,至到输入的扭矩等于输出端负载需要的扭矩,相对转动和位移才停止。根据碟簧组15的轴向弹力可算出齿工作斜面17cb的压应力，乘力臂得出扭矩值。碟簧组弹力与位移特性呈抛物渐减曲线,加上滑动滚动摩擦以及接触变形，位移与扭矩测试的特性曲线位于一条呈线性的误差带内。如位移钢珠18采用氮化硅陶瓷球,钢珠槽17c和半圆齿槽20a热处理硬度在HRC60以上,齿面研磨,则位移与扭矩特性曲线近似线性,扭矩与位移霍尔IC 7输出的电压也近似线性。

如图2和图12所示，在圆周上有八个均布的钢珠槽17c，钢珠槽17c由齿工作斜面17cb和齿根圆弧面17ca构成,两者相切, 齿根圆弧面17ca的弧半径与位移钢珠半径18相同。图2 钢珠槽17c采用金属塑性挤压成形，齿工作斜面17cb为平面,接触压应力很大。图15中轴采用车铣复合机一次装夹车铣出来，保证钢珠槽17c与外半环槽17b的位置精度，齿工作斜面17cb与位移钢珠18接触面有半边为圆弧面，接触压应力更小。

设置两处相邻的轴挡圈槽17a, 安装轴挡圈3,轴向左右限制两个中轴左轴承4。设置调节螺纹17d，调节螺母14调整碟簧组5的尺寸误差和预压力。

如图4所示，中轴17插入半轴20，定位钢珠19从半轴20的安装孔20c装入内半环槽20f和外半环槽17b中，定位钢珠19直径优选公制2.50mm或英制3/32″。位移钢珠18直径优选公制6.00mm或英制15/64″。

如图5所示，左剖面图为初始位置，半轴20的工作齿面20aa内端须低于位移钢珠18的球心水平线，非工作齿面20ab内端须高出球心水平线。右剖面图为扭矩超出最大测量值时位移钢珠18被限制的位置。半轴20固定,力偶矩使位移钢珠18径向滚动与限位面16b顶死, 则压缩碟簧组15的距离最大,位移最大,能测量的扭矩值最大。

如图6所示，多极磁环12径向多极充磁，先套在磁环支架13上。两个单极磁环11为轴向充磁，优选钕铁硼强磁，磁环护圈10为冲压金属片,分别套在单极磁环11上,再分别套在磁环支架13的弹性爪13a上，两个单极磁环11同心互相排斥，磁环挡边13b限制两个单极磁环11互相排斥的距离，优选距离4.00mm。

位移霍尔IC 7和转速霍尔IC 8采用SIP封装，位移霍尔IC 7垂直焊接在PCB 9上，转速霍尔IC 8水平焊接在PCB 9上。位移霍尔IC 7插在两单极磁环11之间且与一端近靠。转速霍尔IC 8在多极磁环12上方。PCB 9由PCB支架6的四根柱子热压固定。磁环支架13的环形筋13d扣在滑环16的支架连接槽16c上成整体，与滑环16 一同旋转和轴向移动。

轴向移动的位移与位移霍尔IC 7输出的电压近似线性，位移最大值优选2.00mm,排斥的磁极方向和位移霍尔IC 7的正反面有两种组合,则扭矩的输出电压从1.00±0.10伏至4.00±0.10伏或0.50±0.10伏至3.50±0.10伏连续变化，电压与扭矩特性曲线近似线性。

如图7所示，磁环支架13为塑胶件，磁环装配端开槽成八个弹性爪13a，弹性爪13a外端设置磁环挡边13b，四组相邻的弹性爪13a外端设置互相连接的弹性桥13c，弹性桥13c与中轴17弹性过盈接触，使单极磁环11与中轴17保持同心和垂直，否则，初始电压值误差偏大。

如图8所示，半轴20在左端面均布八个半圆齿槽20a,每个由四分之一圆弧的工作齿面20aa和非工作齿面20ab构成, 工作齿面20aa的宽度大于非工作齿面20ab的宽度，既两者的内端圆弧半径不一致才能避开中轴17上的齿。半圆齿槽20a采用金属塑性成形。

半轴20的右端圆周上设置对称的三组圆弧外花键20e和三个超过半边的内牙槽20d，内牙槽20d的中心半径小于半轴20右端外圆半径，半轴螺钉27能锁紧在内牙槽20d内。每组圆弧外花键20e包含三个或两个半圆槽。

在内孔壁上设置内半环槽20f容纳定位钢珠19，外圆周上设置一个安装孔20c与内半环槽20f贯通。右端内孔上和左端外圆周上分别设置内O令槽20g和外O令槽20b分别固定中轴O令23和半轴O令21。

如图9所示，左图为牙盘爪26安装在半轴20上示意图，圆弧内花键26a与圆弧外花键20e之间有间隙，安装与拆卸容易，半锥孔26b与内牙槽20d存在一个错位的角度。铝合金的牙盘爪26与半轴20的硬度差别大，接触面在承受交变的冲击时，软的一方变形大，如接触面有间隙，间隙会越来越大，配合越来越松，所以两者的接触面必须带预压力无间隙，这与安装拆卸矛盾。右图为半轴螺钉27锁入内牙槽20d的示意图，半轴螺钉27过盈旋入半锥孔26b内，使错位的半锥孔26b与内牙槽20d同心，使牙盘爪26左旋超出一个间隙的角度，使得圆弧内花键26a与圆弧外花键20e接触面预压无间隙。得益于半轴20与牙盘爪26单向传递扭矩，解决上述矛盾。

如图10所示，左图为牙盘爪26采用拉刀加工出圆弧内花键26a和半锥孔26b。右图为采用CNC铣出圆弧内花键26a和半锥孔26b。圆弧内花键26a的两边圆弧半径相同，并且也与圆弧外花键20e的圆弧半径相同，使得两者的接触为圆弧面接触。半锥孔26b带锥度。

如图11所示,左图为滑环16剖面图,滑环16的左端顶住碟簧组5的大端面,圆锥面16a压住位移钢珠18在半圆齿槽20a内作径向滚动,限位面16b限制滚动最大距离。右图为调节螺母14示意图,其顶住碟簧组5的小端面预压,消除碟簧组5的尺寸误差和定位钢珠19在外半环槽17b与内半环槽20f中的间隙,厌氧胶水从注胶孔14a灌入调节螺纹17d中固化，杜绝松动。

如图13所示，位移霍尔IC 7输出电压与扭矩特性曲线，纵轴电压单位伏特，横轴扭矩单位牛米。两条曲线分别为齿工作斜面17cb两种斜度的实测曲线。因热处理的硬度影响接触变形，摩擦力偶系数为实验值与润滑方式及光洁度有关，和静摩擦到动摩擦造成扭矩越大测量误差越大。

改变碟簧组15的单片碟簧厚度,调整滑环16的圆锥面16a的锥度或齿工作斜面17cb的斜度,都可以改变扭矩值而电压值不变。

如图14和图15与图16所示，轮毂电机包括：旋钮30、拉杆31、碟刹螺钉32、电机壳33、电机左轴承34、固定环35、锯齿环36、弹簧线37、棘爪38 、棘爪座39、复位弹簧40、离合器轴承41、孔挡圈42、离合器轴承座43、拉杆销44、行星支架固定销45、齿圈爪46、行星齿圈47、电机轴48、行星支架49、太阳轮50、行星轮51、电机外转子52、电机内定子53、电机右轴承54、电机盖55、电机导线56。

棘爪座39与离合器轴承41紧配用孔挡圈42固定构成一个整体，棘爪座39的锯齿外圈39a与齿圈爪46挤压过盈连接成整体，齿圈爪46再与行星齿圈47挤压过盈连接成整体。拉杆31插入电机轴48的拉杆孔48a，拉杆销44从离合器轴承座43的销孔43a插入并贯穿拉杆31使三者成一个整体。复位弹簧40一端顶住电机左轴承34的内圈，另一端同时顶住离合器轴承座43和离合器轴承41的内圈。

锯齿环36与固定环35螺纹连接构成一个整体，固定环35由碟刹螺钉32锁紧在电机壳33上成整体。

在棘爪离合器初始位置,锯齿环36与棘爪座39上的锯齿外圈39a隔离轴向有间隙，锯齿环36只与棘爪38接触。

作为电动机，棘爪离合器工作,只有行星齿圈47的转速超越电机壳33转速时,棘爪38才顶住锯齿环36带动整个电机壳33转动,使行星齿圈47的转速与轮毂转速同步, 否则锯齿环36转速超过棘爪座39，棘爪38退缩在棘爪槽39c内并在弹簧线的弹力作用下与锯齿环碰出响声，棘爪离合器工作,行星齿圈47空转或不转。

如图17所示，旋紧旋钮30，螺纹驱动拉杆31，拉动离合器轴承座43和离合器轴承41的内圈压缩复位弹簧40，使棘爪座39与行星齿圈47整体轴向外移，棘爪座39上的锯齿外圈39a移入锯齿环36内,锯齿啮合,锯齿环36与棘爪座39成一体,离合器锁死。电机壳就会带动电机外转子转动，轮毂电机就可以成发电机或磁阻制动器。

旋松旋钮30，在复位弹簧40的反弹力驱动下，棘爪座39整体轴向内移，锯齿外圈39a从锯齿环36中脱离，棘爪离合器复位到初始位置。

如图18所示，上图为电机轴48的示意图和剖面图,在其右端轴心设置导线孔48c安装电机导线56,左端轴心设置拉杆孔48a,左端外圆周销限位槽48b贯穿轴体，槽左端限制拉杆31最大移动距离，槽右端固定行星支架固定销45。下图为离合器轴承座43示意图,在其圆周上设置一个贯穿的销孔43a, 安装拉杆销44。

如图19所示，在左端外圆周上铣三个棘爪槽39c,安装棘爪38，右端外圆周上设置与锯齿环36啮合的锯齿外圈39a,右端还设置孔挡圈槽39b,安装孔档圈42固定离合器轴承41。

如图20所示，锯齿环36的锯齿内圈与棘爪座39的锯齿外圈39a配合间隙。

如图21所示，定速巡航流程图，设置一个最低踏频ω1,优选25rpm。设置车速v1，优选15km/h。设置车速v2，优选22km/h。低于ω1，电机停止，只有超出ω1和扭矩大于零，电机才能启动。车速小于v1，电机根据扭矩大小线性比例助力，超过v1，PID 控制，纯电动与扭矩值无关，维持高于ω1即可。

齿圈爪46为铝合金,分别与棘爪座39和行星齿圈47挤压过盈连接,使三者成为一个整体。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种采用中轴扭矩传感器和后置轮毂电机的助力与健身一体自行车, 中轴扭矩传感器测出扭矩和踏频信号，中轴扭矩传感器包括：位移霍尔IC(7)、转速霍尔IC(8)、单极磁环(11)、多极磁环(12)、碟簧组(15)、滑环(16)、中轴(17)、位移钢珠(18)、半轴(20)；其特征在于，所述中轴(17)和所述半轴(20)之间设置所述位移钢珠(18), 传递两者间的扭矩；所述中轴(17)上的齿工作斜面(17cb)挤压所述位移钢珠(18)；所述位移钢珠(18)径向滚动将压力传递给所述半轴(20)上的工作齿面(20aa)和所述滑环(16)的圆锥面(16a)，同时所述滑环(16)压缩所述碟簧组(15)；且所述位移钢珠(18)径向滚动1mm，则所述滑环(16)轴向移动1.732mm；所述位移钢珠（18）采用氮化硅陶瓷球；所述位移钢珠（18）置于所述中轴(17)的钢珠槽和半轴的半圆齿槽内，采用二硫化钼极压锂基润滑脂来润滑，钢珠槽（17c）和半圆齿槽（20a）热处理硬度在HRC60以上；所述位移钢珠（18）直径为6mm;所述后置轮毂电机还包括旋钮(30)、螺纹驱动拉杆(31)，当旋紧所述旋钮(30)时，所述螺纹驱动拉杆(31)拉动离合器轴承座(43)和离合器轴承(41)的内圈压缩复位弹簧(40)，使棘爪座(39)与行星齿圈(47)整体轴向外移，棘爪座（39）上的锯齿外圈（39a）移入锯齿环（36）内，锯齿环（36）与棘爪座（39）成一体，离合器锁死，电机壳（33）带动电机外转子（52）转动，轮毂电机为发电机状态或磁阻制动器状态；旋松旋钮（30），在复位弹簧（40）的反弹力驱动下，棘爪座（39）整体轴向内移，锯齿外圈（39a）从锯齿环（36）中脱离，棘爪离合器复位到初始位置。

2.根据权利要求1所述的一种采用中轴扭矩传感器和后置轮毂电机的助力与健身一体自行车, 所述中轴扭矩传感器的特征在于，在中轴(17)与半轴(20)之间有定位钢珠(19)；中轴(17)与半轴(20)只能互相转动。

3.根据权利要求1所述的一种采用中轴扭矩传感器和后置轮毂电机的助力与健身一体自行车, 所述中轴扭矩传感器的特征在于，中轴(17)上有调节螺纹(17d)，设置调节螺母(14)调整碟簧组(15)的尺寸误差与预压力和组件加工误差。

4.根据权利要求1所述的一种采用中轴扭矩传感器和后置轮毂电机的助力与健身一体自行车, 所述中轴扭矩传感器的特征在于， 中轴(17)的圆周上设置钢珠槽(17c)，钢珠槽(17c)由齿工作斜面(17cb)和齿根圆弧面(17ca)构成。

5.根据权利要求1所述的一种采用中轴扭矩传感器和后置轮毂电机的助力与健身一体自行车, 所述中轴扭矩传感器的特征在于，半轴(20)的左端面设置半圆齿槽(20a),半圆齿槽(20a)由工作齿面(20aa)与非工作齿面(20ab)构成。

6.根据权利要求1所述的一种采用中轴扭矩传感器和后置轮毂电机的助力与健身一体自行车, 所述中轴扭矩传感器的特征在于， 半轴(20)的内孔壁上设置内半环槽(20f)容纳定位钢珠(19)；半轴(20)的外圆周上设置一个安装孔(20c)与内半环槽(20f)贯通。

7.根据权利要求1所述的一种采用中轴扭矩传感器和后置轮毂电机的助力与健身一体自行车, 所述中轴扭矩传感器的特征在于，位移霍尔IC(7)、单极磁环(11)组成位移测量组件，单极磁环(11)轴向充磁，位移霍尔IC(7)固定不动，单极磁环(11)轴向位移。

8.根据权利要求1所述的一种采用中轴扭矩传感器和后置轮毂电机的助力与健身一体自行车, 所述中轴扭矩传感器的特征在于， 所述位移霍尔IC(7)采用SIP封装，位移霍尔IC(7) 为线性霍尔且垂直焊接在PCB(9)上。

9.根据权利要求1所述的一种采用中轴扭矩传感器和后置轮毂电机的助力与健身一体自行车, 所述中轴扭矩传感器的特征在于，在中轴(17)与半轴(20)之间设置滚针轴承(22)，降低两者互相转动的摩擦力。

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