CN109572914A - 一种悬臂中轴电动自行车力矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬臂中轴电动自行车力矩传感器，包括水平设置呈中空的悬臂梁套，悬壁梁套沿轴向的左端为紧固连接端，紧固连接端到右端之间的部分的外径小于自行车五通管的内径，悬臂梁的右端沿自身轴向向内同轴设置有轴承安装孔；还包括与悬臂梁套右端可拆卸连接的呈水平的锁紧套，锁紧套至少包括伸入悬臂梁套内与悬臂梁套右端内壁可拆卸连接固定的连接部，连接部靠近悬臂梁套的紧固连接端的一端构成轴承抵接端；还包括设置在悬臂梁套上的弹性应变感测装置，弹性应变感测装置位于悬臂梁套的紧固连接端和悬臂梁套另一端之间。上述装置安装在五通管内，一端固定，另一端悬空设置，通过检测悬臂梁套的受力变形换算得到骑行者输出力矩。

Description

一种悬臂中轴电动自行车力矩传感器

技术领域

本发明涉及触感器技术领域，具体涉及一种悬臂中轴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，方便对现有的悬臂中轴式电动自行车进行改装，且测量直接，线性度好的悬臂中轴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：

一种悬臂中轴电动自行车力矩传感器，其特征在于，包括水平设置呈中空的悬臂梁套，悬臂梁套的中空内腔构成自行车中轴安装腔，悬壁梁套的左端为与自行车的五通管左端内壁紧固连接的紧固连接端，所述紧固连接端到悬臂梁套的右端之间的部分的外径小于五通管的内径，悬臂梁套的右端同轴向左设置有轴承安装孔；还包括与悬臂梁套右端可拆卸连接的呈水平的锁紧套，锁紧套沿自身轴向同轴设置有自行车中轴让位孔，锁紧套至少包括伸入悬臂梁套内与悬臂梁套右端内壁可拆卸连接固定的连接部，连接部左端构成轴承抵接端；还包括设置在悬臂梁套上的弹性应变感测装置，弹性应变感测装置位于悬臂梁套的紧固连接端和悬臂梁套右端之间。

这样，上述装置针对悬臂中轴式电动自行车使用。使用时，将上述装置安装在电动自行车五通管内，悬壁梁套一端与五通管一端固连，具体可以是焊接或螺纹连接。另一端悬空设置在五通管内，中轴穿过悬壁梁套，并通过轴承与悬壁梁套转动配合，中轴两端设置分别设置有自行车的左曲柄组合和右曲柄组合。悬臂梁套设置在通管内，构成悬臂梁结构。具体的以骑行者踩踏右曲柄组合为例进行说明，骑行者施加的脚踏力F产生驱动链轮转动的转矩,进而产生链条的张力f作用于链轮，脚踏力F与链条的张力f形成作用自行车右曲柄组合的合力T，合力T作用于中轴右端，中轴右端将合力T施加于悬臂梁套右端引起悬臂梁套的弹性变形。其中

f＝(L*cosσ*F)/r；n＝f*r；

其中脚踏力F处于竖直向下，链条的张力f沿链条呈直线的部分向后，右曲柄组件的脚踏臂长为L，脚踏臂与水平夹角为σ，链轮半径为r,链条垂直夹角为n为链条的拖动力矩。

作为优选，弹性应变感测装置为应变片，应变片贴合在悬臂梁套的外周面上，应变片的厚度小于应变片安装处所对应的五通管内径与悬臂梁套外径的差值。

这样，应变片粘贴在悬臂梁套上，通过应变桥测量出该悬臂梁套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，占用空间小，适合安装在五通管与悬臂梁套之间的缝隙空间中。

作为优选，悬臂梁套的紧固连接端包括沿悬臂梁套轴向设置的一段与五通管一端内壁上设置的内螺孔连接配合的连接外螺纹，紧固连接端还包括在悬臂梁套端部沿径向向外延伸构成的限位盘，限位盘的外径大于所述连接外螺纹的大径，限位盘的右侧面构成五通管端部抵接面，连接外螺纹位于限位盘的右侧。

这样，螺纹连接的方式方便安装更换，限位盘的设置方便手动旋接操作，限位盘上的五通管端部抵接面方便实现连接定位。限位盘还具有遮挡杂物的功能。

作为优选，锁紧套部分伸入悬臂梁套，锁紧套远离悬臂梁套的一端沿锁紧套径向向外延伸构成挡盘，挡盘的左侧同轴设置有凸台并形成两个竖向的台阶面，凸台整体呈柱状，凸台的外径小于自行车的五通管的内径，两个台阶面中靠近悬臂梁套的一个台阶面构成悬臂梁套端部抵接面，两个台阶面中另一台阶面与限位盘上的五通管端部抵接面之间的间距大于五通管的长度。

这样，螺纹连接的方式方便安装，挡盘方便手持安装。挡盘还具有遮挡杂物的功能。

作为优选，所述限位盘外径与五通管外径相匹配，挡盘的外径与五通管外径相匹配。

这样，避免连接后外形突兀，同时不影响自行车其他部件的安装连接。

作为优选，锁紧套的连接部整体呈柱状，连接柱的外周面上设置有沿锁紧套轴向延伸的外螺纹，悬臂梁套的右端沿轴向向左设置有与连接部配合的内螺孔，内螺孔的小径大于轴承安装孔的直径，轴承安装孔位于内螺孔左侧。

这样，上述设置的方式方便轴承的安装固定。

作为优选，锁紧套的连接部的轴承抵接端沿轴向同轴向右设置有沉孔，沉孔的内径大于与轴承安装孔匹配的轴承的内径。

这样，实际使用中中轴上还通过螺纹连接有一个锁紧螺母，锁紧螺母位于沉孔中，并与轴承抵接，更好的定位轴承和中轴。

作为优选，悬臂梁套外周沿径向向内设置环形深槽，环形深槽设置在悬臂梁套紧固连接端和悬臂梁套右端之间，应变片设置在环形深槽的底面上。

这样，环形深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，所述应变片的数量为二，两个应变片阻值相同，两个应变片分别设置在悬臂梁套的水平直径的两端，两个应变片关于过悬臂梁套轴线的竖直平面对称设置。

这样，两个应变片的参数相同、阻值均为R，并与2个阻值为R的电阻组成应变桥。

悬臂梁套的所受力及所受扭矩分析——详见图3；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σ，中轴右端部距左端固定位置的距离为H。

脚踏力F可平移至中轴轴心上形成力F和转动力矩:N＝F×L×cosσ，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，对应可计算f。.

悬臂梁套受到脚踏力F形成的向下扭矩N_F＝F×H；悬臂梁套受到链条张力f形成的向后方向扭矩n_f＝f×H。其中两个应变片分别对应R₁、第二应变片对应R₂。

应变桥检测原理——分别表示：扭矩n_f、扭矩N_F引起应变片变形所产生的电阻值变化，ΔR_T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：

其中U₀对应变片组成的应变桥的输出电压，U_i对应输入电压。

由此可知：右脚脚踏时应变桥信号只与扭矩n_f引起应变片变形,即与链条张力为f相关，同理左脚踩踏也是如此。

作为优选，应变片靠近悬臂梁套的左端设置。

这样，测量更加精准。

附图说明

图1为本发明公开的一种悬臂中轴电动自行车力矩传感器的结构示意图；

图2为本发明公开的一种悬臂中轴电动自行车力矩传感器安装的在自行车上的结构示意图；

图3是本发明公开的一种悬臂中轴电动自行车受力分析及应变片安装方式示意图；

图4为应变桥电路示意图。

其中，1为悬臂梁套、101为限位盘、102为连接外螺纹、103为五通管端部抵接面、104为环形凹槽、105为轴承安装孔、2为锁紧套、201为连接部、202为挡盘、203为沉孔、204为悬臂梁套端部抵接面、3为应变片、4为五通管、5为中轴、6为左曲柄组合、7为右曲柄组合、8为链轮、9为锁紧螺母。

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4，图1为本发明公开的一种悬臂中轴电动自行车力矩传感器的结构示意图，图2为本发明公开的一种悬臂中轴电动自行车力矩传感器安装的在自行车上的结构示意图，图3是本发明公开的一种悬臂中轴电动自行车受力分析及应变片安装方式示意图，图4为应变桥电路示意图。

在发明实施例部分公开了一种悬臂中轴电动自行车力矩传感器，包括水平设置呈中空的悬臂梁套，悬臂梁套的中空内腔构成自行车中轴安装腔，悬壁梁套的左端为与自行车的五通管左端内壁紧固连接的紧固连接端，所述紧固连接端到悬臂梁套的右端之间的部分的外径小于五通管的内径，悬臂梁套的右端同轴向左设置有轴承安装孔；还包括与悬臂梁套右端可拆卸连接的呈水平的锁紧套，锁紧套沿自身轴向同轴设置有自行车中轴让位孔，锁紧套至少包括伸入悬臂梁套内与悬臂梁套右端内壁可拆卸连接固定的连接部，连接部左端构成轴承抵接端；还包括设置在悬臂梁套上的弹性应变感测装置，弹性应变感测装置位于悬臂梁套的紧固连接端和悬臂梁套右端之间。

这样，上述装置针对悬臂中轴式电动自行车使用。使用时，将上述装置安装在电动自行车五通管内，悬壁梁套一端与五通管一端固连，具体可以是焊接或螺纹连接。另一端悬空设置在五通管内，中轴穿过悬壁梁套，并通过轴承与悬壁梁套转动配合，中轴两端设置分别设置有自行车的左曲柄组合和右曲柄组合。悬臂梁套设置在通管内，构成悬臂梁结构。具体的以骑行者踩踏右曲柄组合为例进行说明，骑行者施加的脚踏力F产生驱动链轮转动的转矩,进而产生链条的张力f作用于链轮，脚踏力F与链条的张力f形成作用自行车右曲柄组合的合力T，合力T作用于中轴右端，中轴右端将合力T施加于悬臂梁套右端引起悬臂梁套的弹性变形。其中

f＝(L*cosσ*F)/r；n＝f*r；

其中脚踏力F处于竖直向下，链条的张力f沿链条呈直线的部分向后，右曲柄组件的脚踏臂长为L，脚踏臂与水平夹角为σ，链轮半径为r,链条垂直夹角为n为链条的拖动力矩。

在本实施例中，弹性应变感测装置为应变片，应变片贴合在悬臂梁套的外周面上，应变片的厚度小于应变片安装处所对应的五通管内径与悬臂梁套外径的差值。

这样，应变片粘贴在悬臂梁套上，通过应变桥测量出该悬臂梁套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，占用空间小，适合安装在五通管与悬臂梁套之间的缝隙空间中。

在本实施例中，悬臂梁套的紧固连接端包括沿悬臂梁套轴向设置的一段与五通管一端内壁上设置的内螺孔连接配合的连接外螺纹，紧固连接端还包括在悬臂梁套端部沿径向向外延伸构成的限位盘，限位盘的外径大于所述连接外螺纹的大径，限位盘的右侧面构成五通管端部抵接面，连接外螺纹位于限位盘的右侧。

这样，螺纹连接的方式方便安装更换，限位盘的设置方便手动旋接操作，限位盘上的五通管端部抵接面方便实现连接定位。限位盘还具有遮挡杂物的功能。

在本实施例中，锁紧套部分伸入悬臂梁套，锁紧套远离悬臂梁套的一端沿锁紧套径向向外延伸构成挡盘，挡盘的左侧同轴设置有凸台并形成两个竖向的台阶面，凸台整体呈柱状，凸台的外径小于自行车的五通管的内径，两个台阶面中靠近悬臂梁套的一个台阶面构成悬臂梁套端部抵接面，两个台阶面中另一台阶面与限位盘上的五通管端部抵接面之间的间距大于五通管的长度。

这样，螺纹连接的方式方便安装，挡盘方便手持安装。挡盘还具有遮挡杂物的功能。

在本实施例中，所述限位盘外径与五通管外径相匹配，挡盘的外径与五通管外径相匹配。

这样，避免连接后外形突兀，同时不影响自行车其他部件的安装连接。

在本实施例中，锁紧套的连接部整体呈柱状，连接柱的外周面上设置有沿锁紧套轴向延伸的外螺纹，悬臂梁套的右端沿轴向向左设置有与连接部配合的内螺孔，内螺孔的小径大于轴承安装孔的直径，轴承安装孔位于内螺孔左侧。

这样，上述设置的方式方便轴承的安装固定。

在本实施例中，锁紧套的连接部的轴承抵接端沿轴向同轴向右设置有沉孔，沉孔的内径大于与轴承安装孔匹配的轴承的内径。

这样，实际使用中中轴上还通过螺纹连接有一个锁紧螺母，锁紧螺母位于沉孔中，并与轴承抵接，更好的定位轴承和中轴。

在本实施例中，悬臂梁套外周沿径向向内设置环形深槽，环形深槽设置在悬臂梁套紧固连接端和悬臂梁套右端之间，应变片设置在环形深槽的底面上。

这样，环形深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，所述应变片的数量为二，两个应变片阻值相同，两个应变片分别设置在悬臂梁套的水平直径的两端，两个应变片关于过悬臂梁套轴线的竖直平面对称设置。

这样，两个应变片的参数相同、阻值均为R，并与2个阻值为R的电阻组成应变桥。

悬臂梁套的所受力及所受扭矩分析——详见图3；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σ，中轴右端部距左端固定位置的距离为H。

脚踏力F可平移至中轴轴心上形成力F和转动力矩:N＝F×L×cosσ，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，对应可计算f。.

悬臂梁套受到脚踏力F形成的向下扭矩N_F＝F×H；悬臂梁套受到链条张力f形成的向后方向扭矩n_f＝f×H。其中两个应变片分别对应R₁、第二应变片对应R₂。

应变桥检测原理——分别表示：扭矩n_f、扭矩N_F引起应变片变形所产生的电阻值变化，ΔR_T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：

其中U₀对应变片组成的应变桥的输出电压，U_i对应输入电压。

由此可知：右脚脚踏时应变桥信号只与扭矩n_f引起应变片变形,即与链条张力为f相关，同理左脚踩踏也是如此。

在本实施例中，应变片靠近悬臂梁套的左端设置。

这样，测量更加精准。

Claims (10)

1.一种悬臂中轴电动自行车力矩传感器，其特征在于，包括水平设置呈中空的悬臂梁套，悬臂梁套的中空内腔构成自行车中轴安装腔，悬壁梁套的左端为与自行车的五通管左端内壁紧固连接的紧固连接端，所述紧固连接端到悬臂梁套的右端之间的部分的外径小于五通管的内径，悬臂梁套的右端同轴向左设置有轴承安装孔；还包括与悬臂梁套右端可拆卸连接的呈水平的锁紧套，锁紧套沿自身轴向同轴设置有自行车中轴让位孔，锁紧套至少包括伸入悬臂梁套内与悬臂梁套右端内壁可拆卸连接固定的连接部，连接部左端构成轴承抵接端；还包括设置在悬臂梁套上的弹性应变感测装置，弹性应变感测装置位于悬臂梁套的紧固连接端和悬臂梁套右端之间。

2.如权利要求1所述的悬臂中轴电动自行车力矩传感器，其特征在于，弹性应变感测装置为应变片，应变片贴合在悬臂梁套的外周面上，应变片的厚度小于应变片安装处所对应的五通管内径与悬臂梁套外径的差值。

3.如权利要求1所述的悬臂中轴电动自行车力矩传感器，其特征在于，悬臂梁套的紧固连接端包括沿悬臂梁套轴向设置的一段与五通管一端内壁上设置的内螺孔连接配合的连接外螺纹，紧固连接端还包括在悬臂梁套端部沿径向向外延伸构成的限位盘，限位盘的外径大于所述连接外螺纹的大径，限位盘的右侧面构成五通管端部抵接面，连接外螺纹位于限位盘的右侧。

4.如权利要求2所述的悬臂中轴电动自行车力矩传感器，其特征在于，锁紧套部分伸入悬臂梁套，锁紧套远离悬臂梁套的一端沿锁紧套径向向外延伸构成挡盘，挡盘的左侧同轴设置有凸台并形成两个竖向的台阶面，凸台整体呈柱状，凸台的外径小于自行车的五通管的内径，两个台阶面中靠近悬臂梁套的一个台阶面构成悬臂梁套端部抵接面，两个台阶面中另一台阶面与限位盘上的五通管端部抵接面之间的间距大于五通管的长度。

5.如权利要求4所述的悬臂中轴电动自行车力矩传感器，其特征在于，所述限位盘外径与五通管外径相匹配，挡盘的外径与五通管外径相匹配。

6.如权利要求1所述的悬臂中轴电动自行车力矩传感器，其特征在于，锁紧套的连接部整体呈柱状，连接柱的外周面上设置有沿锁紧套轴向延伸的外螺纹，悬臂梁套的右端沿轴向向左设置有与连接部配合的内螺孔，内螺孔的小径大于轴承安装孔的直径，轴承安装孔位于内螺孔左侧。

7.如权利要求5所述的悬臂中轴电动自行车力矩传感器，其特征在于，锁紧套的连接部的轴承抵接端沿轴向同轴向右设置有沉孔，沉孔的内径大于与轴承安装孔匹配的轴承的内径。

8.如权利要求2所述的悬臂中轴电动自行车力矩传感器，其特征在于，悬臂梁套外周沿径向向内设置环形深槽，环形深槽设置在悬臂梁套紧固连接端和悬臂梁套右端之间，应变片设置在环形深槽的底面上。

9.如权利要求2所述的悬臂中轴电动自行车力矩传感器，其特征在于，所述应变片的数量为二，两个应变片阻值相同，两个应变片分别设置在悬臂梁套的水平直径的两端，两个应变片关于过悬臂梁套轴线的竖直平面对称设置。

10.如权利要求2所述的悬臂中轴电动自行车力矩传感器，其特征在于，应变片靠近悬臂梁套的左端设置。