CN109665051B - 一种高精度中轴踏力感测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度中轴踏力感测装置，其主要针对已有中轴踏力感测装置的中轴装配结构实施改进，采用单侧轴向定位结构来定位中轴，这种结构包括成型于中轴上且位于牙盘一侧轴承外侧的中轴定位台阶和通过嵌槽设于中轴上并位于该轴承内侧的中轴轴向挡圈，中轴定位台阶向内抵紧轴承，而中轴轴向挡圈则与第一轴承间隔设置，并通过一弹簧垫片与第一轴承抵紧。当中轴牙盘侧曲柄受力时，因单侧轴向定位的关系，非牙盘侧中轴由于取消定位台阶，故在轴向上不会受到轴承反作用力干扰，能够相对自由形变，从而使得弯矩应变片感应到的中轴的弯矩精度大大提高，进而更加准确的计算获取中轴受到的踏力，达到提升骑乘质量的目的，同时确保骑行安全性。

Description

一种高精度中轴踏力感测装置

技术领域

本发明涉及一种高精度中轴踏力感测装置。

背景技术

目前电动自行车的中轴上通常都安装有踏力检测装置用于实时检测踏力信号，并根据踏力信号来准确判定骑乘人员的骑乘状态（轻蹬还是重蹬），以此（通过电动自行车电机控制器）驱动电机启动及功率输出调整。

众所周知，由于自动车的踏板安装在曲柄上，而曲柄又与中轴相连，因此测定踏力最直接的方法就是测定中轴扭矩，而采用的传感元件为扭矩应变片。故较常见的踏力检测现行方案通常都是在中轴上贴附对应检测左右扭矩的两个扭矩应变片，然而在长期的使用实践中这种测定方式的检测精度不高，究其原因在于：

已有的电动自行车上中轴一端曲柄往往与牙盘是一体结构，而牙盘又是通过链条与电动自行车的电机减速驱动机构相连的，这样导致中轴上与牙盘一侧的曲柄对应的扭矩应变片的扭矩测定不准确，因为检测到的这部分扭矩中包含有由链条经牙盘施加至中轴上的扭矩。所以上述测定方案和机构中，因中轴两端的力量传递方式存在差异，即便对两扭矩应变片的相对角位置或轴向位置实施调整，也无法准确判断出该中轴两端的踏力信号，也就无法维持信号的连续性，骑乘质量也就会随之降低。

为了解决上述问题，现有技术中亦有改进措施，例如授权公告号为CN202807025U的中国专利提供的一种“电动自行车的踏力感测机构”，其方案中采用扭矩应变片和弯矩应变片相结合的方式来测定中轴两端踏力信号，具体原理是通过扭矩应变片来直接检测非牙盘侧曲柄上的踏力，而弯矩应变片则主要是检测当牙盘侧的曲柄受踏时中轴上受到的弯矩，进而通过处理器内部的公式模拟运算获得牙盘侧曲柄上的踏力。应该说目前业内很多电动自行车都是采用这种或相似的踏力感测机构进行踏力感测。该方案虽然从理论上可行并且能够获得相对更高的检测精度，但在实践中我们发现其存在如下问题：

对于踏力感测机构中的弯矩应变片而言，其贴附在中轴上，感应的是中轴受力后的变形情况，因此其感应精度与中轴的实际受力和变形情况是相关的，而中轴的受力和变形情况又主要受其实际的装配结构或装配形式影响。

已有的电动自行车中对于中轴的惯用装配形式通常是采用两个轴承将中轴安装在五通管内，而为了在轴向上定位中轴，中轴上一般都铣有两个台阶，分别向外与两个轴承相抵靠，每个轴承外侧再采用与五通管螺纹配合的锁紧套对轴承进行顶紧，即采用双侧轴向定位结构。在人骑行踩踏并由弯矩应变片感应中轴弯矩的过程中，这种中轴装配形式暴露的缺陷在于：

当中轴牙盘侧曲柄受力导致中轴形变时，中轴上非牙盘端的台阶对于轴承会施加相应的轴向力，同样轴承也会施加给中轴反作用力，而由于反作用力的存在，抵消了中轴上应踩踏而受到的实际的力，导致其无法自由准确的产生形变，结果显然使得弯矩应变片的感应精度受到非常大的影响。已有的电动自行车踏力感测机构在采用弯矩应变片进行弯矩检测时都存在上述问题，最终由控制器接收到的踏力的感测数据准确性都不高。

因此已有的上述踏力感测装置亟待改进，以便其能够更加准确的获取中轴受到的踏力的精度，达到提升骑乘质量的目的，同时确保骑行安全性。

发明内容

本发明目的是：提供一种高精度中轴踏力感测装置，其能够进一步提高中轴上的弯矩感应精度，以便更加准确的获取中轴受到的踏力的精度，达到提升骑乘质量的目的，同时确保骑行安全性。

本发明的技术方案是：一种高精度中轴踏力感测装置，包括设于五通管内的中轴、安装在中轴两端的曲柄及固定在中轴上并位于五通管与一端曲柄之间的牙盘，五通管两端螺纹连接有锁紧套，每个锁紧套内均轴向定位安装有套设在中轴上的轴承，其中靠近牙盘一侧的锁紧套为第一锁紧套，其上的轴承为第一轴承，而非牙盘一侧的锁紧套为第二锁紧套，其上轴承为第二轴承；还包括贴设于中轴上的扭矩应变片和弯矩应变片，这两个应变片均经一安装在五通管和中轴之间的应变传感装置同外部的电动自行车电机控制器电连接；其特征在于中轴采用单侧轴向定位结构，该结构包括成型于中轴上且位于第一轴承外侧的中轴定位台阶和通过嵌槽设于中轴上并位于第一轴承内侧的中轴轴向挡圈，其中的中轴定位台阶向内抵紧第一轴承，而中轴轴向挡圈则与第一轴承间隔设置，并通过一弹簧垫片与第一轴承抵紧。

进一步的，所述第一锁紧套上设有位于第一轴承内侧的第一锁紧套定位台阶和通过嵌槽设置并位于第一轴承外侧的第一锁紧套轴向挡圈，第一锁紧套定位台阶和第一锁紧套轴向挡圈从两侧抵紧所述第一轴承以轴向定位所述第一轴承；所述第二锁紧套上设有位于第二轴承外侧的第二锁紧套定位台阶和通过嵌槽设置并位于第二轴承内侧的第二锁紧套轴向挡圈，第二锁紧套轴向挡圈和第二锁紧套定位台阶从两侧抵紧所述第二轴承以轴向定位第二轴承。

进一步的，本发明中所述应变传感装置包括外支架、外PCB板、固定线圈、内支架、内PCB板和旋转线圈；外支架固定在五通管内壁上，外PCB板和固定线圈均固定在外支架上，并且固定线圈与外PCB板电连接；而内支架固定在中轴上，内PCB板和旋转线圈均固定在内支架上，并且旋转线圈与内PCB板电连接；所述扭矩应变片和弯矩应变片均与内PCB板电连接，而外PCB板上接有引出线穿过五通管壁上开孔与所述电动自行车电机控制器相连。

更进一步的，本发明中所述中轴上设有测踏频磁环，该测踏频磁环位于内PCB板和第二轴承之间，而外PCB板上设有与测踏频磁环配合的测踏频传感器。

更进一步的，本发明中所述内、外PCB板均与中轴平行布置。

进一步的，本发明中所述弯矩应变片在中轴上的位置靠近牙盘，并位于扭矩应变片和牙盘之间。

进一步的，本发明中所述中轴轴向挡圈与第一轴承之间的轴向间距为3~6mm。

本发明的优点是：

1．本发明针对中轴的装配结构实施了改进，将原先的双侧轴向定位结构改为现有的牙盘侧的单侧轴向定位结构，消除了中轴非牙盘侧上的定位台阶，使得中轴直接是“光杆”状态穿过第二轴承形成自由端。因此当中轴牙盘侧曲柄受力导致中轴形变时，相比现有技术，非牙盘侧的中轴自由端上无轴承施加而来的轴向反作用力，能够相对自由形变，从而使得弯矩应变片感应到的中轴的弯矩精度大大提高，进而更加准确的计算获取中轴受到的踏力，达到提升骑乘质量的目的，同时确保骑行安全性。

2. 本发明中的中轴轴向挡圈与第一轴承间隔一定距离设置并采用弹簧垫片抵紧的设计，目的是防止中轴应力集中。由于第一轴承本身与中轴之间有力的作用，假如将中轴轴向挡圈及其嵌槽贴近第一轴承设置，那么势必造成中轴这一部位的应力集中较大，容易造成轴断裂。因此本发明中对于中轴的单侧轴向定位结构还进一步提高了中轴运转的可靠性和稳定性。

3. 本发明中在中轴轴向挡圈和第一轴承之间引入的弹簧垫片，一方面配合中轴定位台阶起到轴向定位中轴的作用，另一方面相比刚性机构，弹簧垫片本身给予中轴一定活动量，也利于牙盘侧曲柄受踏力后中轴整体内部应力的释放及自由形变。并且我们进一步将中轴轴向挡圈与第一轴承之间的轴向间距优化控制在3~6mm，这样既能很好的防止中轴部位应力集中问题，又能确保中轴获得最佳受力形变效果。

4. 本发明中两个锁紧套上的定位台阶都是从同一方向抵紧对应的轴承，该优化设计便利于中轴的装配，同时已有的单侧轴向定位结构相比现有技术还具有零件少，零件易于加工，装配步骤少、节约装配工时，提高生产效率的优点。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构剖视图（曲柄上半部分省略）。

其中：1、五通管；1a、开孔；2、中轴；2a、中轴定位台阶；3、曲柄；4、牙盘；5、第一锁紧套；5a、第一锁紧套定位台阶；6、第一轴承；7、第二锁紧套；7a、第二锁紧套定位台阶；8、第二轴承；9、扭矩应变片；10、弯矩应变片；11、中轴轴向挡圈；12、弹簧垫片；13、第一锁紧套轴向挡圈；14、第二锁紧套轴向挡圈；15、外支架；16、外PCB板；17、固定线圈；18、内支架；19、内PCB板；20、旋转线圈；21、引出线；22、测踏频磁环；23、测踏频传感器。

具体实施方式

实施例：结合图1所示，对本发明提供的这种高精度中轴踏力感测装置的具体实施方式进行详细描述如下：

同常规技术一样，其具有设于五通管1内的中轴2、安装在中轴2两端的曲柄3及固定在中轴2上并位于五通管1与一端曲柄3之间的牙盘4，五通管1两端螺纹连接有锁紧套，每个锁紧套内均轴向定位安装有套设在中轴2上的轴承，其中靠近牙盘4一侧的锁紧套为第一锁紧套5，其上的轴承为第一轴承6，而非牙盘一侧的锁紧套为第二锁紧套7，其上轴承为第二轴承8；还包括贴设于中轴2上的扭矩应变片9和弯矩应变片10，这两个应变片均经一安装在五通管1和中轴2之间的应变传感装置同外部的电动自行车电机控制器电连接。本发明的核心改进在于：

所述中轴2采用单侧轴向定位结构，该结构由成型于中轴2上且位于第一轴承6外侧的中轴定位台阶2a和通过嵌槽设于中轴2上并位于第一轴承6内侧的中轴轴向挡圈11以及弹簧垫片12共同构成，其中的中轴定位台阶2a向内抵紧第一轴承6，而中轴轴向挡圈11则与第一轴承6间隔设置，并通过所述弹簧垫片12与第一轴承6抵紧。本实施例中所述中轴轴向挡圈11与第一轴承6之间的轴向间距为4mm。

所述第一锁紧套5上设有位于第一轴承6内侧的第一锁紧套定位台阶5a和通过嵌槽设置并位于第一轴承6外侧的第一锁紧套轴向挡圈13，第一锁紧套定位台阶5a和第一锁紧套轴向挡圈13从两侧抵紧所述第一轴承6以轴向定位所述第一轴承6；所述第二锁紧套7上设有位于第二轴承8外侧的第二锁紧套定位台阶7a和通过嵌槽设置并位于第二轴承8内侧的第二锁紧套轴向挡圈14，第二锁紧套轴向挡圈14和第二锁紧套定位台阶7a从两侧抵紧所述第二轴承8以轴向定位第二轴承8。

依旧结合图1所示，本实施例中所述应变传感装置的构成为：具有外支架15、外PCB板16、固定线圈17、内支架18、内PCB板19和旋转线圈20；外支架15固定在五通管1内壁上，外PCB板16和固定线圈17均固定在外支架15上，并且固定线圈17与外PCB板16电连接；而内支架18固定在中轴2上，内PCB板19和旋转线圈20均固定在内支架18上，并且旋转线圈20与内PCB板19电连接；所述扭矩应变片9和弯矩应变片10均与内PCB板19电连接，而外PCB板16上接有引出线21穿过五通管1壁上开孔1a与所述电动自行车电机控制器相连。

并且本实施例中在所述中轴2上设有测踏频磁环22，该测踏频磁环22位于内PCB板19和第二轴承8之间，而外PCB板16上设有与测踏频磁环22配合的测踏频传感器23。

本实施例中所述内PCB板19和外PCB板16均与中轴2平行布置。

本实施例中所述弯矩应变片10在中轴2上的位置靠近牙盘4，并位于扭矩应变片9和牙盘4之间。

本发明针对中轴2的装配结构实施了改进，将原先的双侧轴向定位结构改为现有的牙盘4侧的单侧轴向定位结构，消除了中轴2非牙盘4侧上的定位台阶，使得中轴2直接是“光杆”状态穿过第二轴承8形成自由端，如图1所示。因此当中轴2牙盘4侧曲柄3受力导致中轴2形变时，相比现有技术，非牙盘4侧的中轴2自由端上无轴承施加而来的轴向反作用力，能够相对自由形变，从而使得弯矩应变片10感应到的中轴2的弯矩精度大大提高，进而更加准确的计算获取中轴2受到的踏力，达到提升骑乘质量的目的，同时确保骑行安全性。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高精度中轴踏力感测装置，包括设于五通管（1）内的中轴（2）、安装在中轴（2）两端的曲柄（3）及固定在中轴（2）上并位于五通管（1）与一端曲柄（3）之间的牙盘（4），五通管（1）两端螺纹连接有锁紧套，每个锁紧套内均轴向定位安装有套设在中轴（2）上的轴承，其中靠近牙盘（4）一侧的锁紧套为第一锁紧套（5），其上的轴承为第一轴承（6），而非牙盘一侧的锁紧套为第二锁紧套（7），其上轴承为第二轴承（8）；还包括贴设于中轴（2）上的扭矩应变片（9）和弯矩应变片（10），这两个应变片均经一安装在五通管（1）和中轴（2）之间的应变传感装置同外部的电动自行车电机控制器电连接；其特征在于中轴（2）采用单侧轴向定位结构，该结构包括成型于中轴（2）上且位于第一轴承（6）外侧的中轴定位台阶（2a）和通过嵌槽设于中轴（2）上并位于第一轴承（6）内侧的中轴轴向挡圈（11），其中的中轴定位台阶（2a）向内抵紧第一轴承（6），而中轴轴向挡圈（11）则与第一轴承（6）间隔设置，并通过一弹簧垫片（12）与第一轴承（6）抵紧；

所述第一锁紧套（5）上设有位于第一轴承（6）内侧的第一锁紧套定位台阶（5a）和通过嵌槽设置并位于第一轴承（6）外侧的第一锁紧套轴向挡圈（13），第一锁紧套定位台阶（5a）和第一锁紧套轴向挡圈（13）从两侧抵紧所述第一轴承（6）以轴向定位所述第一轴承（6）；所述第二锁紧套（7）上设有位于第二轴承（8）外侧的第二锁紧套定位台阶（7a）和通过嵌槽设置并位于第二轴承（8）内侧的第二锁紧套轴向挡圈（14），第二锁紧套轴向挡圈（14）和第二锁紧套定位台阶（7a）从两侧抵紧所述第二轴承（8）以轴向定位第二轴承（8）。

2.根据权利要求1所述的一种高精度中轴踏力感测装置，其特征在于所述应变传感装置包括外支架（15）、外PCB板（16）、固定线圈（17）、内支架（18）、内PCB板（19）和旋转线圈（20）；外支架（15）固定在五通管（1）内壁上，外PCB板（16）和固定线圈（17）均固定在外支架（15）上，并且固定线圈（17）与外PCB板（16）电连接；而内支架（18）固定在中轴（2）上，内PCB板（19）和旋转线圈（20）均固定在内支架（18）上，并且旋转线圈（20）与内PCB板（19）电连接；所述扭矩应变片（9）和弯矩应变片（10）均与内PCB板（19）电连接，而外PCB板（16）上接有引出线（21）穿过五通管（1）壁上开孔（1a）与所述电动自行车电机控制器相连。

3.根据权利要求2所述的一种高精度中轴踏力感测装置，其特征在于所述中轴（2）上设有测踏频磁环（22），该测踏频磁环（22）位于内PCB板（19）和第二轴承（8）之间，而外PCB板（16）上设有与测踏频磁环（22）配合的测踏频传感器（23）。

4.根据权利要求2所述的一种高精度中轴踏力感测装置，其特征在于所述内PCB板（19）和外PCB板（16）均与中轴（2）平行布置。

5.根据权利要求1所述的一种高精度中轴踏力感测装置，其特征在于所述弯矩应变片（10）在中轴（2）上的位置靠近牙盘（4），并位于扭矩应变片（9）和牙盘（4）之间。

6.根据权利要求1所述的一种高精度中轴踏力感测装置，其特征在于所述中轴轴向挡圈（11）与第一轴承（6）之间的轴向间距为3~6mm。