CN109263783B - 电助力自行车中轴力矩传感器和踏频传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电助力自行车中轴力矩传感器和踏频传感器系统，通过此系统可以准确灵敏的测出中轴的力矩、转速以及方向，此系统中，传递扭矩的行星轮装置，行星轮的太阳轮外圈在中轴踩踏受力时，按照减速比承受力矩，此力矩作用于贴有应变片的弹性元件，此弹性元件上贴有四个应变片形成全桥电路，应变片的位置通过有限元分析来确定，当中轴受力时，弹性元件发生形变，应变片阻值改变，输出电压改变，据电压输出即可判断实时力矩。此系统的转速和方向通过霍尔效应来实现霍尔元器件内部为双霍尔，故可通过判断相邻齿轮的波形的相位差判断正反转。本发明的传感器灵敏度高，信号稳定，过程耗损少，精度更高。

Description

电助力自行车中轴力矩传感器和踏频传感器系统

技术领域

本发明涉及电助力自行车，尤其涉及电助力自行车中轴力矩传感器和踏频传感器系统。

背景技术

目前，自行车上加装轮毂电机和电池后，由手控制电子转把调节电机的功率输出。而电助力自行车是指人力脚踏才启动电机助力，当脚踏停止时，电机输出也立即停止，并且电机的助力功率一般随踩踏的力矩的变化而变化，以实现智能控制电机的助力程度，高端电助力车一般需要配备力矩传感器和踏频传感器。

助力自行车主要分为两类，一类是采用中置电机，其已成国际市场主流，如日本的松下和普利斯通，博世，禧玛诺，其电机设置在车架五通位置，里面集成了力矩传感器和电机驱动器，优点是重心布局最好，缺点为体积大，车架复杂，电机减速比大。另一类采用轮毂电机外加力矩传感器，如日本三洋，电机体积小可前置后置，与车架无关，适用各种车型。轮毂电机在我国产业成熟，厂家众多，但缺乏稳定可靠的力矩传感器，阻碍市场占有率。

同盛车业有限公司的两项专利CN201410047113和CN103879506A，八方电机科技有限公司的两项专利CN201310048472和CN103085932B，都是在中轴轴套上安装力矩传感器，这种设计带来的问题是中轴结构复杂化，疲劳强度的保证有风险等。

发明内容

发明目的：针对现有技术中的不足之处，本发明的目的是提供一种电助力自行车中轴力矩传感器和踏频传感器系统。

技术方案：一种电助力自行车中轴力矩传感器和踏频传感器系统，采用中轴力矩传感器测试中轴力矩和中轴处的转速以及方向，包括中轴、位于中轴上的感应齿轮、通过弹性元件保持架固定的弹性元件、置于弹性元件上的多个应变片、位于中轴上的太阳轮、通过弹性元件保持架固定的双向霍尔磁钢、位于中轴上并与太阳轮配合的行星齿轮组；感应齿轮在随中轴转动时与双向霍尔磁钢产生霍尔效应以测量转速和方向，弹性元件置于太阳轮上，应变片形成全桥电路并随着弹性元件的形变而发生形变以改变阻值，太阳轮传递中轴产生的扭矩，并将扭矩传递给弹性元件。

弹性元件包括调零电阻和电容滤波元件，调零电阻和电容滤波元件均置于弹性元件上。

工作原理：本发明中传递扭矩的行星轮装置，行星轮的太阳轮外圈在中轴踩踏受力时，按照减速比承受一定的力矩，此力矩作用于贴有应变片的弹性元件，此弹性元件上贴有四个应变片形成全桥电路，应变片的位置通过有限元分析来确定，当中轴受力时，弹性元件发生形变，应变片阻值改变，输出电压改变，根据电压输出即可判断实时力矩。此系统的转速和方向通过霍尔效应来实现。霍尔元器件内部为双霍尔，故可通过判断相邻齿轮的波形的相位差判断正反转。本发明的力矩传感器灵敏度高，信号稳定，过程耗损少，精度更高。

力矩传感器的力矩传递具体过程为：通过行星齿轮组来传递中轴处人的脚踏力，当脚踏力通过中轴传递到行星齿轮组，再传递到太阳轮，太阳轮的力矩作用在弹性元件上，当弹性元件发生形变时应变片的阻值发生改变，贴在弹性元件上的四个应变片行成全桥电路，当应变片的阻值发生变化时，全桥电路的电压相应的发生变化，通过以上传递就可以把中轴力矩的变化转换成电压的变化。

速度和速度方向的传递过程为：通过固定在弹性元件保持架上的双向霍尔磁钢与固定在中轴上的感应齿轮产生霍尔效应，当人骑行过程中轴转动，感应齿轮随着中轴一起转动，双向霍尔磁钢与感应齿轮产生霍尔效应，从而准确测量速度大小和方向。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)力矩传感器灵敏度高；(2)踏频传感器输出信号更稳定；(3)力矩转换过程损耗小，精度更高；(4)结构紧凑，体积较小，并将踏频和力矩传感器整合在较小空间内；(5)本发明的应变片均为定制的温度自补偿应变片，即能不受到电机内部温升影响情况下正常工作；(6)本发明将力矩传感器的位置设计在行星系固定太阳轮的支反座上，目前采取的是应变片的方式，也可以采用将力传感器直接接入的方式。

附图说明

图1为本发明的结构爆炸视图；

图2为本发明的结构装配视图；

图3为本发明的力矩传感部分主要零件视图；

图4为本发明踏频传感部分主要零件视图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明包括弹性元件保持架1、感应齿轮2、弹性元件3、应变片4、弹性元件限位销3-2、电容滤波元件3-3、太阳轮5、双向霍尔磁钢6、太阳轮保持架7、行星齿轮组8和中轴9。弹性元件保持架1的作用在于固定弹性元件3，主要固定方式是通过结构限位，在装配弹性元件3时，只需将弹性元件3用力压进弹性元件保持架1中，通过结构特征和弹簧卡扣进行位置固定，并通过弹性元件保持架1，保持弹性元件的位置准确度。感应齿轮2的作用主要在于配合双向霍尔磁钢6形成规律波形。弹性元件3的作用是作为应变片4的载体并产生形变。应变片4的作用在于形成全桥电路。太阳轮5的作用在于传递中轴产生的扭矩，并将扭矩传递给弹性元件3。双向霍尔磁钢6的作用主要在于配合感应齿轮2形成规律波形。行星齿轮组8主要进行力矩的传递。

弹性元件保持架1一端固定在电机的外壳处，来保持弹性元件保持架1的稳定性和准确度，另一端和太阳轮5上的缺口处进行限位，弹性元件保持架1作为静体在电机壳体内来保证弹性元件3的位置准确度。感应齿轮2一端在中轴9的轴肩进行轴向限位，另一端靠轴承进行轴向限位，感应齿轮2与中轴9是过盈配合，感应齿轮2随着中轴的转动而转动，来保证实现霍尔效应。弹性元件3一侧靠弹性元件保持架1限位固定，另一侧靠弹性元件保持架1上的卡扣限位。应变片4粘贴在弹性元件3上，行成全桥电路，应变片4随着弹性元件3的弹性变形也发生形变，从而改变阻值大小。太阳轮5外侧通过太阳轮保持架7进行固定，内侧与行星齿轮组8进行配合，太阳轮5上有缺口，来实现弹性元件3的镶嵌，镶嵌处有接触，实现力矩传递。双向霍尔磁钢6固定在弹性元件保持架1处，保持双向霍尔磁钢6与感应齿轮2的间距为1mm。太阳轮保持架7一端和电机外壳接触固定，另一端对太阳轮5的外圈进行限位。行星齿轮组8内侧通过轴承与中轴9装配在一起，外侧和太阳轮配合。中轴9两端通过轴承和电机的外壳进行配合。

图3中，力矩传感部分包括弹性元件3、应变片4、调零电阻3-1、弹性元件限位销3-2、电容滤波元件3-3；调零电阻3-1以焊接方式固定在弹性元件3上。弹性元件限位销3-2一端与弹性元件3上的两个孔进行配合装配，另一侧固定在电机的外壳上；弹性元件限位销3-2的作用在于将弹性元件3固定在电机机架上，弹性元件限位销3-2为弹性元件3受扭矩变形时的支撑受力点。电容滤波元件3-3以贴片的方式固定在弹性元件3上。应变片4通过有限元位置分析粘贴或焊接在弹性元件3上。本实施例中的结构将力矩和踏频整合在较小的空间内。

如图4所示，中轴力矩与踏频传感器主要零件还包括应变片4和双向霍尔磁钢6固定在弹性元件保持架1处，双向霍尔磁钢6与感应齿轮2的间距为1mm。电容滤波元件3-3主要作用是增强信号稳定性。

Claims (1)

1.一种电助力自行车中轴力矩传感器和踏频传感器系统，其特征在于：采用中轴力矩传感器测试中轴力矩和中轴处的转速以及方向，包括中轴(9)、位于中轴上的感应齿轮(2)、通过弹性元件保持架(1)固定的弹性元件(3)、置于弹性元件(3)上的多个应变片(4)、位于中轴上以传递扭矩的太阳轮(5)、通过弹性元件保持架(1)固定的双向霍尔磁钢(6)、位于中轴(9)上并与太阳轮(5)配合的行星齿轮组(8)；所述感应齿轮(2)在随中轴转动时与双向霍尔磁钢(6)产生霍尔效应以测量转速和方向，所述弹性元件(3)置于太阳轮(5)上，所述应变片(4)形成全桥电路并随弹性元件(3)的形变而发生形变以改变阻值；所述弹性元件(3)包括调零电阻(3-1)和电容滤波元件(3-3)，所述调零电阻(3-1)和电容滤波元件(3-3)均置于弹性元件(3)上；所述弹性元件(3)一侧通过弹性元件保持架(1)限位，另一侧通过弹性元件保持架(1)上的卡扣限位；所述的感应齿轮(2)一端在中轴(9)的轴肩进行轴向限位，另一端通过轴承进行轴向限位；所述太阳轮(5)外侧通过太阳轮保持架(7)固定，内侧与行星齿轮组(8)进行配合；所述双向霍尔磁钢(6)固定在弹性元件保持架(1)处。

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