CN109506815B - 一种悬挂式电动自行车力矩传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种悬挂式电动自行车力矩传感器，包括竖向设置的悬挂梁，悬挂梁的一端构成车架紧固连接端，悬挂梁的另一端设置有水平且中空的中轴安装管，中轴安装管中空内腔构成自行车中轴安装腔，中轴安装管内设置有轴承安装结构，还包括设置在悬挂梁上的弹性应变感测装置。轴承安装结构用于固定限位安装竖向的轴承，中轴可转动安装在轴承中，中轴两端各自连接有左曲柄组件和右曲柄组件，右曲柄组件上还设置有竖向的链轮。上述装置骑行者在踩踏时，通过脚踏将力传递到中轴实现悬挂梁的弹性变形，通过弹性形变检测获取合力值，对应换算得到骑行者踩踏所输出的力矩，这样线性度好，测量准确，可为电机智能调控反馈数据。
Description
技术领域
本发明涉及电动自行车技术领域，具体涉及一种悬挂式电动自行车力矩传感器。
背景技术
普通电动自行车采用转把进行调速，这类电动自行车不符合日本、欧盟的电动助力自行车相关技术标准，也不符合我国电动自行车“新国标”中对于“非机动车”的要求。现有部分电动自行车采用踏频或链轮速度传感器控制电机的输出功率，这类电动自行车的特点是平地骑行轻松，但起步和上坡却十分费力，不能满足骑行者实时加减力的助力需求。理想的电动自行车以采用力矩传感器为优，通过实时检测骑行者施加于脚踏板上力的大小反应骑行者的“意愿”，控制器根据这种骑行“意愿”实时控制电机的输出功率。
现有中轴式测量力矩的传感器主要有以下几种方式：一是通过检测曲轴销或者踏板轴的剪切变形分别测量左右两条腿的力矩，此类方法需要将旋转的曲轴销或者踏板轴的变形信号通过接触方式(如：触头滑环)或者通过非接触方式(如：通过——无线信号的发射和接收，磁致伸缩的电磁感应，隔离式旋转变压器，隔离光信号或磁电信号)传输到与自行车车架固定连接的接收器中，该类方法结构复杂、可靠性较低。
此外，公告号为“CN 201901236 U”的实用新型专利，公开了一种中轴式力矩传感器，该传感器利用自行车脚踏中轴与力矩输出轴之间有一偏心距，骑行者脚踏力通过链轮曲柄施力于自行车中轴，使自行车中轴在力矩输出轴的孔内旋转。根据骑行者施力的力矩变化，使力矩输出轴在车架中轴接头内产生不同角度的转动，再通过霍尔测量输出。该实用新型由于骑行者施力与偏心距的夹角随着链轮旋转而变化，造成测量的线性度较差。
此外，还有安装于中轴位置的链轮上或者后轮轴上的力矩传感器，把骑行者脚踏的力矩采用行星齿轮结构传递至链轮或后轮，通过检测行星齿轮组、太阳齿轮或者外齿圈的相互作用力测量力矩。该类方法测量线性度较好，但结构复杂。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明公开了一种结构简单，方便在骑行时对骑行者的输出力矩进行测量，且线性度好的悬挂式电动自行车力矩传感器。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种悬挂式电动自行车力矩传感器，其特征在于，包括竖向设置的悬挂梁，悬挂梁的一端构成车架紧固连接端，悬挂梁的另一端设置有水平且中空的中轴安装管，中轴安装管中空内腔构成自行车中轴安装腔，中轴安装管内设置有轴承安装结构，还包括设置在悬挂梁上的弹性应变感测装置。
这样，轴承安装结构用于固定限位安装竖向的轴承，中轴可转动安装在轴承中，中轴两端各自连接有左曲柄组件和右曲柄组件，右曲柄组件上还设置有竖向的链轮。这样骑行者在踩踏时，通过脚踏将力传递到中轴实现悬挂梁的弹性变形。通过应变片检测变形换算得到链条的张力，对应换算得到骑行者的踩踏输出力矩，为电机智能控制提供反馈数据。
作为优选，所述弹性应变感测装置为应变片，应变片贴合在悬挂梁的外周面上。
这样，应变片粘贴在悬臂梁上，通过应变桥测量出该悬臂梁受弯曲程度的电信号即可得脚踏力数据。同时应变片较小，安装方便，不占用空间。
作为优选，所述悬挂梁沿自身轴向向内设置有环形凹槽，弹性应变片贴合在环形凹槽的底面上。
这样，环形凹槽的设置安装应变片处的对应的壁厚更薄，这样在同样受力的情况下，变形的更大，更方便精准测量。
作为优选，所述悬挂梁和所述中轴安装管整体构成T形，悬挂梁设置在中轴安装管沿长度方向的中部，所述应变片数量为四，四个应变片阻值相同，四个应变片中第一应变片和第三应变片设置在悬挂梁的直径的一端，所述直径与过悬挂梁的轴线和中轴安装管的轴线的竖直平面相互垂直，第一应变片和第三应变片相互垂直且开口向下设置，第一应变片和第三应变片关于过所述直径的竖直平面对称设置；第二应变片和第四应变片设置在所述直径的另一端，第二应变片和第四应变片相互垂直且开口向上设置，第二应变片和第四应变片关于过所述直径的竖直平面对称设置。
这样，以右脚为例：设脚踏力为F，脚踏臂长为L，链条张力为f，链轮半径为r，脚踏臂的水平夹角为
中轴安装管端部距中心的距离为H。为更好的检测，应变片靠近车架一侧设置。
脚踏力F可平移至中轴轴心上形成力F和转动力矩:
链条张力f可平移至中轴轴心上形成力f和拖动力矩:n＝f×r,两个力矩相等。对此可计算得到链条张力f。
悬挂梁受到脚踏力F作用形成：向下的拉力F，顺时针方向扭矩NF＝F×H；悬挂梁受到链条张力f作用形成：向正后方的拉力f,水平右旋方向扭矩nf＝f×H。其中第一应变片对应R1、第二应变片对应R2、第三应变片对应R3、第四应变片对应R4。
应变桥检测原理——
ΔRf、ΔRF、
分别表示：扭矩nf、链条张力f、脚踏力F、扭矩NF引起应变片变形所产生的电阻值变化,ΔRT是温度变化产生的电阻值变化。
应变桥测得右脚脚踏力为F，链条张力为f时产生的应变信号：
由此可知：右脚脚踏时应变桥信号只与扭矩nf引起应变片变形,即与链条张力为f有关。同理左脚脚踏时亦如此。
作为优选，悬挂梁的上端构成车架紧固连接端，中轴安装管设置在所述悬挂梁的下端。
这样，上述具体方式跟方便安装，不占用车架内部的空间。
作为优选，还包括用于与车架连接的悬挂安装套，悬挂安装套中设置有竖向的安装孔，悬挂梁竖向设置在安装孔中，悬挂梁上端与悬挂安装套连接固定，悬挂梁的外周面与安装孔的内周面间隔设置，间隔的宽度大于所述应变片的厚度，悬挂梁下端与中轴安装管间隙设置。
这样，具体的处理器也可以设置在悬挂安装套内，这样悬挂安装套可以起到保护壳体的作用，将处理器和应变片包覆在其中，更加适应各种地面路况，避免泥水污染。具体悬挂安装套的外周面可与车架焊接固定。
作为优选，所述悬挂安装套还包括设置在安装孔上端的盖板，盖板上设置有竖向的插孔，悬挂梁上端向上伸出设置有定位柱，定位柱外周面与插孔内周面贴合，定位柱上端盖板上端齐平设置，定位柱上端竖向设置有螺孔，螺钉通过垫圈与所述螺孔连接紧固，所述垫圈的外径大于所述定位柱的外径。
这样，上述公开了具体的安装结构，可拆卸的安装方式，便于更换组装。
作为优选，所述轴承安装结构包括中轴安装管的左端内可拆卸的设置的左锁紧套，左锁紧套中设置有水平的中轴让位腔，左锁紧套的右端向左设置有第一轴承安装沉孔；还包括中轴安装管的右端内可拆卸的设置有与左锁紧套相对的右锁紧套，有锁紧套中设置有水平的中轴让位腔，右锁紧套的左端向右设置有第二轴承安装沉孔，第一轴承安装沉孔与第二轴承安装沉孔与中轴安装管同轴设置。
这样，上述方式方便实现中轴周向定位安装，且方便连接拆卸。
作为优选，所述左锁紧套的外周面上设置有外螺纹，中轴安装管的左端设置有内螺孔，左锁紧套与中轴安装管的左端通过螺纹连接；所述右锁紧套的外周面上设置有外螺纹，中轴安装管的右端设置有内螺孔，右锁紧套与中轴安装管的右端通过螺纹连接。
这样，上述公开来一种可拆卸连接的具体方式。螺纹连接的方式加工成型方便，连接操作简单，可靠。
作为优选，右锁紧套的右端沿径向向外延伸构成限位盘，限位盘的左端面构成中轴安装管端部抵接面。
这样，方便组装时各个部件的安装定位。
附图说明
图1为本发明公开的一种悬挂式电动自行车力矩测量装置的结构示意图；
图2为图1中悬挂梁、中轴安装管、左锁紧套和右锁紧套相互连接的结构示意图；
图3为是本发明公开的应变片安装分布以及中轴受力示意图；
图4悬挂梁所受力及扭矩示意图；
图5四个应变片组成的应变桥的电路示意图。
其中，1为中轴、2为左曲柄组合、3为右曲柄组合、4为链轮、5为悬挂梁、6为中轴安装管、7为应变片、8为悬挂安装套、9为左锁紧套、10为右锁紧套、11为衬套。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述说明。
请参阅图1至图5，图1为本发明公开的一种悬挂式电动自行车力矩测量装置的结构示意图，图2为图1中悬挂梁、中轴安装管、左锁紧套和右锁紧套相互连接的结构示意图，图3为是本发明公开的应变片安装分布以及中轴受力示意图，图4悬挂梁所受力及扭矩示意图，图5四个应变片组成的应变桥的电路示意图。
本发明公开了一种悬挂式电动自行车力矩传感器，包括竖向设置的悬挂梁，悬挂梁的一端构成车架紧固连接端，悬挂梁的另一端设置有水平且中空的中轴安装管，中轴安装管中空内腔构成自行车中轴安装腔，中轴安装管内设置有轴承安装结构，还包括设置在悬挂梁上的弹性应变感测装置。
这样，轴承安装结构用于固定限位安装竖向的轴承，中轴可转动安装在轴承中，中轴两端各自连接有左曲柄组件和右曲柄组件，右曲柄组件上还设置有竖向的链轮。这样骑行者在踩踏时，通过脚踏将力传递到中轴实现悬挂梁的弹性变形。通过应变片检测变形换算得到链条的张力，对应换算得到骑行者的踩踏输出力矩，为电机智能控制提供反馈数据。
在本实施例中，所述弹性应变感测装置为应变片，应变片贴合在悬挂梁的外周面上。
这样，应变片粘贴在悬臂梁上，通过应变桥测量出该悬臂梁受弯曲程度的电信号即可得脚踏力数据。同时应变片较小，安装方便，不占用空间。
在本实施例中，所述悬挂梁沿自身轴向向内设置有环形凹槽，弹性应变片贴合在环形凹槽的底面上。
这样，环形凹槽的设置安装应变片处的对应的壁厚更薄，这样在同样受力的情况下，变形的更大，更方便精准测量。
在本实施例中，所述悬挂梁和所述中轴安装管整体构成T形，悬挂梁设置在中轴安装管沿长度方向的中部，所述应变片数量为四，四个应变片阻值相同，四个应变片中第一应变片和第三应变片设置在悬挂梁的直径的一端，所述直径与过悬挂梁的轴线和中轴安装管的轴线的竖直平面相互垂直，第一应变片和第三应变片相互垂直且开口向下设置，第一应变片和第三应变片关于过所述直径的竖直平面对称设置；第二应变片和第四应变片设置在所述直径的另一端，第二应变片和第四应变片相互垂直且开口向上设置，第二应变片和第四应变片关于过所述直径的竖直平面对称设置。
这样，以右脚为例：设脚踏力为F，脚踏臂长为L，链条张力为f，链轮半径为r，脚踏臂的水平夹角为
中轴安装管端部距中心的距离为H。为更好的检测，应变片靠近车架一侧设置。
脚踏力F可平移至中轴轴心上形成力F和转动力矩:
链条张力f可平移至中轴轴心上形成力f和拖动力矩:n＝f×r,两个力矩相等。对此可计算得到链条张力f。
悬挂梁受到脚踏力F作用形成：向下的拉力F，顺时针方向扭矩NF＝F×H；悬挂梁受到链条张力f作用形成：向正后方的拉力f,水平右旋方向扭矩nf＝f×H。其中第一应变片对应R1、第二应变片对应R2、第三应变片对应R3、第四应变片对应R4。
应变桥检测原理——
ΔRf、ΔRF、
分别表示：扭矩nf、链条张力f、脚踏力F、扭矩NF引起应变片变形所产生的电阻值变化,ΔRT是温度变化产生的电阻值变化。
应变桥测得右脚脚踏力为F，链条张力为f时产生的应变信号：
由此可知：右脚脚踏时应变桥信号只与扭矩nf引起应变片变形,即与链条张力为f有关。同理左脚脚踏时亦如此。
在本实施例中，悬挂梁的上端构成车架紧固连接端，中轴安装管设置在所述悬挂梁的下端。
这样，上述具体方式跟方便安装，不占用车架内部的空间。
在本实施例中，还包括用于与车架连接的悬挂安装套，悬挂安装套中设置有竖向的安装孔，悬挂梁竖向设置在安装孔中，悬挂梁上端与悬挂安装套连接固定，悬挂梁的外周面与安装孔的内周面间隔设置，间隔的宽度大于所述应变片的厚度，悬挂梁下端与中轴安装管间隙设置。
这样，具体的处理器也可以设置在悬挂安装套内，这样悬挂安装套可以起到保护壳体的作用，将处理器和应变片包覆在其中，更加适应各种地面路况，避免泥水污染。具体悬挂安装套的外周面可与车架焊接固定。
在本实施例中，所述悬挂安装套还包括设置在安装孔上端的盖板，盖板上设置有竖向的插孔，悬挂梁上端向上伸出设置有定位柱，定位柱外周面与插孔内周面贴合，定位柱上端盖板上端齐平设置，定位柱上端竖向设置有螺孔，螺钉通过垫圈与所述螺孔连接紧固，所述垫圈的外径大于所述定位柱的外径。
这样，上述公开了具体的安装结构，可拆卸的安装方式，便于更换组装。
在本实施例中，所述轴承安装结构包括中轴安装管的左端内可拆卸的设置的左锁紧套，左锁紧套中设置有水平的中轴让位腔，左锁紧套的右端向左设置有第一轴承安装沉孔；还包括中轴安装管的右端内可拆卸的设置有与左锁紧套相对的右锁紧套，有锁紧套中设置有水平的中轴让位腔，右锁紧套的左端向右设置有第二轴承安装沉孔，第一轴承安装沉孔与第二轴承安装沉孔与中轴安装管同轴设置。
这样，上述方式方便实现中轴周向定位安装，且方便连接拆卸。
在本实施例中，所述左锁紧套的外周面上设置有外螺纹，中轴安装管的左端设置有内螺孔，左锁紧套与中轴安装管的左端通过螺纹连接；所述右锁紧套的外周面上设置有外螺纹，中轴安装管的右端设置有内螺孔，右锁紧套与中轴安装管的右端通过螺纹连接。
这样，上述公开来一种可拆卸连接的具体方式。螺纹连接的方式加工成型方便，连接操作简单，可靠。
在本实施例中，右锁紧套的右端沿径向向外延伸构成限位盘，限位盘的左端面构成中轴安装管端部抵接面。
这样，方便组装时各个部件的安装定位。
Claims (7)
1.一种悬挂式电动自行车力矩传感器，其特征在于，包括竖向设置的悬挂梁，悬挂梁的一端构成车架紧固连接端，悬挂梁的另一端设置有水平且中空的中轴安装管，中轴安装管中空内腔构成自行车中轴安装腔，中轴安装管内设置有轴承安装结构，还包括设置在悬挂梁上的弹性应变感测装置；
所述弹性应变感测装置为应变片，应变片贴合在悬挂梁的外周面上；
所述悬挂梁沿自身轴向向内设置有环形凹槽，弹性应变片贴合在环形凹槽的底面上；
所述悬挂梁和所述中轴安装管整体构成T形，悬挂梁设置在中轴安装管沿长度方向的中部，所述应变片数量为四，四个应变片阻值相同，四个应变片中第一应变片和第三应变片设置在悬挂梁的直径的一端，所述直径与过悬挂梁的轴线和中轴安装管的轴线的竖直平面相互垂直，第一应变片和第三应变片相互垂直且开口向下设置，第一应变片和第三应变片关于过所述直径的竖直平面对称设置；第二应变片和第四应变片设置在所述直径的另一端，第二应变片和第四应变片相互垂直且开口向上设置，第二应变片和第四应变片关于过所述直径的竖直平面对称设置；
应变片检测变形换算得到链条的张力，换算得到骑行者的踩踏输出力矩；应变片测量悬臂梁受弯曲程度的电信号即可得脚踏力数据。
2.如权利要求1所述的悬挂式电动自行车力矩传感器，其特征在于，悬挂梁的上端构成车架紧固连接端，中轴安装管设置在所述悬挂梁的下端。
3.如权利要求2所述的悬挂式电动自行车力矩传感器，其特征在于，还包括用于与车架连接的悬挂安装套，悬挂安装套中设置有竖向的安装孔，悬挂梁竖向设置在安装孔中，悬挂梁上端与悬挂安装套连接固定，悬挂梁的外周面与安装孔的内周面间隔设置，间隔的宽度大于所述应变片的厚度，悬挂梁下端与中轴安装管间隙设置。
4.如权利要求3所述的悬挂式电动自行车力矩传感器，其特征在于，所述悬挂安装套还包括设置在安装孔上端的盖板，盖板上设置有竖向的插孔，悬挂梁上端向上伸出设置有定位柱，定位柱外周面与插孔内周面贴合，定位柱上端盖板上端齐平设置，定位柱上端竖向设置有螺孔，螺钉通过垫圈与所述螺孔连接紧固，所述垫圈的外径大于所述定位柱的外径。
5.如权利要求1所述的悬挂式电动自行车力矩传感器，其特征在于，所述轴承安装结构包括中轴安装管的左端内可拆卸的设置的左锁紧套，左锁紧套中设置有水平的中轴让位腔，左锁紧套的右端向左设置有第一轴承安装沉孔；还包括中轴安装管的右端内可拆卸的设置有与左锁紧套相对的右锁紧套，有锁紧套中设置有水平的中轴让位腔，右锁紧套的左端向右设置有第二轴承安装沉孔，第一轴承安装沉孔与第二轴承安装沉孔与中轴安装管同轴设置。
6.如权利要求5所述的悬挂式电动自行车力矩传感器，其特征在于，所述左锁紧套的外周面上设置有外螺纹，中轴安装管的左端设置有内螺孔，左锁紧套与中轴安装管的左端通过螺纹连接；所述右锁紧套的外周面上设置有外螺纹，中轴安装管的右端设置有内螺孔，右锁紧套与中轴安装管的右端通过螺纹连接。
7.如权利要求5所述的悬挂式电动自行车力矩传感器，其特征在于，右锁紧套的右端沿径向向外延伸构成限位盘，限位盘的左端面构成中轴安装管端部抵接面。
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