CN112078718A - 自行车及用于自行车的光电感应力矩传感器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种自行车及用于自行车的光电感应力矩传感器，光电感应力矩传感器包括：中轴，套于中轴外、左端与中轴紧固连接、右端用于连接牙盘的扭转变形套，与扭转变形套相连的变形放大机构；变形放大机构的末端设有透光孔，透光孔的轴向两侧分别布置恒光发光灯和光感片，光感片与信号处理电路板电路连接，恒光发光灯发出的平直光线的一部分透过透光孔射向光感片，另一部分被变形放大机构遮挡，透光孔具有使得光感片接收的光线面积与扭转变形套受到的周向扭转力矩呈线性正比关系的形状。本申请的力矩传感器检测精度高、寿命长、稳定性好、价格适中，改变了力矩传感器对材料和处理工艺的苛刻要求。

Description

自行车及用于自行车的光电感应力矩传感器

技术领域

本申请涉及一种自行车及用于自行车的光电感应力矩传感器。

背景技术

随着绿色发展理念越来越深入人心，绿色出行成为趋势。自行车因其方便省力、零排放无污染而被大众所喜爱。骑单车健身也成了越来越多人的选择，骑行过程中人们想知道能量消耗，单车骑行功率计成为健身爱好者的必备工具；目前传统的自行车逐渐被采用助力传感器的的电动助力车所取代。力矩传感器通过把踩踏力转换成电信号输出，经控制器处理后控制电机的转速和输出扭矩，因而使骑行者获得最佳的骑行体验，相对于自行车也更加的节能目前市场上电动助力车多是采用霍尔转速传感器，通过在中轴或者飞轮等旋转部件的表面安装磁钢或者磁环，让霍尔元件能够检测到中轴或者飞轮等旋转部件的转动，从而输出电信号，通过控制器的处理后控制电机的转速和输出扭矩。这类助力传感器的缺点很明显：

1.不能检测瞬时扭矩，无法做到零启动。踏空感明显，骑行者输出和电机的输出协同性差，骑行体验较差。

2.节能性较差，骑行者输入的功率无法和电机输出功率相叠加驱动整车前行，骑行者输入的功率相当一部分浪费掉了。

市场上高端的电动助力车采用力矩传感器，此类传感器能够检测静态和动态的扭矩，灵敏度高。通过采集变形部件(扭转变形套)的变形并转换成电信号，通过控制器处理后控制电机的转速和输出扭矩。此类力矩传感器分为两种：

1.一种是采用弹簧构件，通过把弹簧在受力变形产生的位移转换成电信号，此类力矩传感器精度差、寿命短、稳定性差；

2.另一种通过采集扭转变形套的微变形，此类力矩传感器精度高、寿命长、稳定性好。此类力矩传感器因缺乏合适线性弹性材料，只能选择相对接近线性弹性的材料制作扭转变形套，然后经过要求极为苛刻的处理使扭转变形套在受力情况下的形变近似于线性，对扭转变形套的材料和处理工艺要求很高，价格昂贵。

发明内容

本申请目的是：针对上述问题，本申请提出一种自行车及用于自行车的光电感应力矩传感器，该力矩传感器精度高、寿命长、稳定性好、价格适中，改变了力矩传感器对材料和处理工艺的苛刻要求。

本申请的技术方案是：

一种自行车用光电感应力矩传感器，包括：

左右延伸的中轴，以及

套于所述中轴外、左端与所述中轴紧固连接、右端用于连接牙盘的扭转变形套；

还包括与所述扭转变形套相连的变形放大机构，所述变形放大机构的末端设有透光孔，所述透光孔的轴向两侧分别布置有与所述扭转变形套固定的恒光发光灯和光感片，所述光感片与信号处理电路板电路连接，所述恒光发光灯发出的平直光线的一部分透过所述透光孔射向所述光感片，另一部分被所述变形放大机构遮挡，并且所述透光孔具有使得所述光感片接收的光线面积与所述扭转变形套受到的周向扭转力矩呈线性正比关系的形状。

本申请在上述技术方案的基础上，还包括以下优选方案：

所述变形放大装置包括：

第一弧形齿圈，所述第一弧形齿圈同轴固定于所述扭转变形套的右端部；

转轴，所述转轴布置于所述扭转变形套外部，并且所述转轴的右端部同轴固定有与所述第一弧形齿圈啮合连接的第一齿轮，所述转轴的左端部与所述扭转变形套的左端部枢转连接；

一级变形放大臂，所述一级变形放大臂的一端与所述转轴垂直固定，另一端设置有第二弧形齿圈；

二级变形放大臂，该二级变形放大臂的一端固定有与所述第二弧形齿圈啮合连接的第二齿轮，另一端开设有所述透光孔,所述第二齿轮与所述扭转变形套枢转连接。

所述一级变形放大臂固定于所述转轴的左端部。

所述转轴与所述第一弧形齿圈之间连接有第一拉簧，所述第二变形放大臂与所述扭转变形套之间连接有第二拉簧。

所述第一齿轮的半径小于所述第一弧形齿圈的半径，所述第二齿轮的半径小于所述第二弧形齿圈的半径。

所述中轴和所述扭转变形套均旋转穿设于自行车的五通管中，且所述五通管的两端分别紧固连接左锁紧套环和右锁紧套环，所述中轴与所述左锁紧套环之间以及所述中轴与所述右锁紧套环之间均设有支撑轴承，所述左锁紧套环上设置有发电定子，所述中轴上设置有与所述发电定子对应的发电转子，所述发电转子与所述恒光发光灯电路连接。

所述扭转变形套上安装有连接于所述发电转子与所述恒光发光灯之间的备用电池。

所述扭转变形套外通过螺丝锁紧固定一塑料安装座，所述恒光发光灯、所述光感片以及所述备用电池均固定于所述塑料安装座上。

所述信号处理电路板固定于所述塑料安装座上，并且所述信号处理电路板上集成有无线发送模块。

所述信号处理电路板上集成有功率计算单元。

一种自行车，包括：

车架，

与所述车架固定的五通管，

与所述车架枢转连接的车轮，以及

安装于所述车架上且与所述车轮传动连接的驱动电机；

还包括上述结构的光电感应力矩传感器，所述扭转变形套旋转穿设于所述五通管中，所述中轴的两端均固定有带踏板的曲柄。

本申请具有以下有益效果：本申请这种光电感应力矩传感器，可根据扭转变形套自身的力学变形特征设计透光孔的形状，从而使得光感片接收的光照面积与扭转变形套受到的力矩大小成线性正比关系，对扭转变形套的材料和处理工艺要求低，无需扭转变形套自身具有线性弹性性质。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步介绍：

图1为本申请实施例中自行车的局部结构示意图；

图2为本申请实施例中自行车局部结构的分解图；

图3为本申请实施例中光电感应力矩传感器的结构示意图之一：

图4为本申请实施例中光电感应力矩传感器的结构示意图之二：

图5为本申请实施例中光电感应力矩传感器的结构示意图之三：

其中：1-中轴，2-牙盘，3-扭转变形套，4-第一弧形齿圈，5-转轴，6-第一齿轮，7-一级变形放大臂，8-第二弧形齿圈，9-第二齿轮，10-二级变形放大臂，11-牙盘连接套，12-五通管，13-左锁紧套环，14-右锁紧套环，15-备用电池，16-踏板，17-曲柄，18-车架，19-第一拉簧，20-第二拉簧，21-支撑轴承，22-发电定子，23-发电转子，24-塑料安装座，25-螺丝，26-信号处理电路板，27-恒光发光灯，28-光感片。

具体实施方式

参照图1所示，图1中的附图标记18为自行车的车架，车架18上固定有五通管12和驱动电机(图中未画出)，五通管12中旋转安装自由延伸(即中轴的长度左右延伸布置)的中轴1，中轴1的左右两端均伸出五通管外部、并连接有带踏板16的曲柄17。中轴1外套设有同样处于五通管12内的扭转变形套3，扭转变形套3的左端通过其上的内花键与中轴1的左端紧固连接，扭转变形套3的右端通过其上的外花键与牙盘转接套11紧固连接，牙盘转接套11与牙盘2连接。

上述的驱动电机可以是安装在五通管部位的中置电机，也可以是安装在后轮位置的轮毂电机。电动模式下，驱动电机通电运行而带动车轮转动，使自行车前行；骑行模式下，使用者踩踏左右踏板16而通过曲柄17带动中轴1转动，中轴1通过扭转变形套3带动牙盘2转动，牙盘2再通过链条带动后轮转动，使自行车前行。

与传统结构相同的是，在骑行模式下，扭转变形套3因受到使用者脚部施加的周向扭矩，会产生圆周方向的扭转形变。

本实施例的关键改进在于，还配置有与上述扭转变形套3相连的变形放大机构，变形放大机构的末端(即变形放大端)设有透光孔10a，透光孔10a的轴向两侧分别布置有恒光发光灯27和光感片28，恒光发光灯27和光感片28均与扭转变形套3固定(间接固定)。光感片28与一信号处理电路板26电路连接，实际应用时，将前述信号处理电路板26与自行车的驱动电机(具体为驱动电机的控制器)连接，以将相关力矩信号发送给驱动电机，控制驱动电机的运行参数。恒光发光灯27发射的光线为平直光线——粗细均匀一致的光线，且恒光发光灯27发射的平直光线的一部分透过透光孔10a射向光感片28，而另一部分被变形放大机构遮挡。前述透光孔10a为异性孔，并且透光孔10a被配置成这种形状：能够使得光感片28接收的光线面积(也即透光孔10a的透光面积)与扭转变形套3的周向扭转力矩呈线性正比关系——即光感片接收的光线面积与扭转变形套所受到的周向扭转力矩的比值为一常量。

在实际应用中，骑行人员踩踏自行车踏板时，扭转变形套3受到扭转力而产生(较小)的周向扭转形变，与扭转变形套3相连的变形放大机构将前述轴向扭转形变放大很多倍，而使得变形放大机构发生较大的位移，进而使得变形放大机构末端的透光孔10a产生位移，透光孔10a与恒光发光灯27产生了相对位移。这时穿过透光孔10a的光线面积发生了变化(变大)，射向光感片28的光线面积随之发生相同的变化，光感片根据其接收的光线面积大小输送对应大小的电信号至驱动电机，驱动电机根据该信号的大小强弱而对应地输出相应大小的扭矩。

本申请背景技术中已经介绍，即便对扭转变形套3进行非常严格的工艺处理，也不能够保证扭转变形套3具有标准的线性弹性特征，即扭转变形套3的周向扭转变形量与其受到的扭转力矩的大小并非线性正比关系。而本实施例中，并不需要扭转变形套3具有前述线性弹性特征，这是因为：我们可以通过实验获知扭转变形套3在受到各种大小的周向扭矩产生的周向扭转变形量，并根据前述数据绘制关于该扭转变形套3的周向扭矩-周向扭转变形量曲线，该曲线反应了扭转变形套3自身的扭转变形特性。以前述获知的扭转变形套扭转变形特征为基础，经几何计算确定透光孔10a采用何种形状，才能保证透光孔10a的透光面积(也即光感片28接收的光线面积)与扭转变形套3受到的周向扭转力矩呈线性正比关系，根据计算结果，在变形放大机构的末端开设对应形状的透光孔10a。

本实施例中，上述的恒光发光灯27和光感片28分别固定于扭转变形套3的左端部和右端部。透光孔10a左右贯通设置。在实际应用中，相对于透光孔10a的位移量，恒光发光灯27和光感片28的相对位移可忽略不计。

本实施例中，上述的变形放大装置包括：第一弧形齿圈4、转轴5、一级变形放大臂7、第二弧形齿圈8和二级变形放大臂10。其中

第一弧形齿圈4为外齿圈，其同轴固定于扭转变形套3的右端部；

转轴5布置于扭转变形套3外部，并且转轴5的右端部同轴固定有与上述第一弧形齿圈4啮合连接的微小的第一齿轮6，转轴5的左端部与扭转变形套3的左端部借助轴承枢转连接。

一级变形放大臂7的一端与转轴5垂直固定，另一端设置有第二弧形齿圈8，该第二弧形齿圈8为内齿圈。

二级变形放大臂10的一端固定有与上述第二弧形齿圈8啮合连接的微小的第二齿轮9，另一端开设上述的透光孔10a，即上述的透光孔10a具体设置于二级变形放大臂10的端部。为防止第二齿轮9与第二弧形齿圈8脱离，本实施例将第二齿轮9和扭转变形套3(的左端部)借助另一轴承枢转连接。

实际应用时，扭转变形套3在周向扭转力作用下发生周向的扭转变形，其左端部和右端部产生微小的周向错位。在前述周向错位的影响下，第一弧形齿圈4带动第一齿轮6转动一定角度(角度很小)，进而带动转轴5转动一定角度，转轴5带动与之固定的一级变形放大臂7摆动一定角度。一级变形放大臂7端部的第二弧形齿圈8带动与之啮合的第二齿轮9转动，第二齿轮9又带动与之啮合的二级变形放大臂10摆动一定角度，进而使得二级变形放大臂10外端不的透光孔10a移动一定距离。

显然，第一弧形齿圈4的转动角度基本等于扭转变形套3的扭转变形角度。因第一齿轮6的直径小于第一弧形齿圈4的直径，故转轴5的转动角度大于扭转变形套3的转动角度。一级变形放大臂7与转轴5的转动角度相同，因一级变形放大臂7的摆动半径远大于转轴5的转动半径，故一级变形放大臂7外端部的摆动行程很大，从而使得第二齿轮9的转动角度大于转轴5的转动角度。同理，二级变形放大臂10的转动半径远大于第二齿轮9的转动半径，故二级变形放大臂10外端部的摆动行程更大，透光孔10a的移动距离较大。

为保证上述转轴5端部的第一齿轮6与第一弧形齿圈4稳定可靠啮合连接，本实施例设置了连接转轴5和第一弧形齿圈4的第一拉簧19。同样，为了保证第二变形放大臂10端部的第二齿轮9与第二弧形齿圈8更加稳固而可靠的啮合连接，本实施例在第二变形放大臂10和扭转变形套3之间连接了第二拉簧20。

上述一级变形放大臂7具体固定于转轴5的左端部，如此使得扭转变形套恒光发光灯27更加靠近一级变形放大臂7端部的透光孔10a，一级变形放大臂7本体对发光灯光线的遮光效果以及透光孔对发光灯光线的透光效果更好。

中轴1和扭转变形套3均旋转穿设于自行车的五通管12中，且五通管12的两端分别紧固连接左锁紧套环13和右锁紧套环14。扭转变形套3与左锁紧套环13之间设有支撑轴承21，同时扭转变形套3与右锁紧套环14之间也设有支撑轴承，如此保证中轴1和扭转变形套3能够相对于左、右锁紧套环平顺的转动，左锁紧套环13和右锁紧套环14的作用在于对中轴1和扭转变形套3进行轴向限位。前述左锁紧套环14上设置有发电定子22，中轴1上设置有与发电定子对应的发电转子23，发电转子23与恒光发光灯27电路连接。

上述发电定子22与发电转子23相互配合而构成一发电机构，实际应用时，中轴1转动而使得发电转子23与发电定子22相对转动，从而在发电转子23中产生电流，该电流流向恒光发光灯27使恒光发光灯27被点亮，直接利用自行车发电，无需专门为恒光发光灯27额外配置工作电源。

进一步地，在扭转变形套3上还安装了连接于上述发电转子23与恒光发光灯27之间的备用电池15。工作时，上述发电机构产生的电能先存储于备用电池15中，再由备用电池15向恒光发光灯27提供工作用电。

上述二级变形放大臂10的外侧端为薄片结构，透光孔10a开设于该薄片结构上。

扭转变形套3外通过螺丝25锁紧固定有一塑料安装座24，上述的恒光发光灯27、光感片28和备用电池15具体固定在该塑料安装座24上。具体地：扭转变形套3的左端部一体成型有径向向外凸起的凸缘，前述螺丝25将前述塑料安装座24与前述凸缘锁紧固定。

本实施例中，上述信号处理电路板26固定于前述塑料安装座24上，并且该信号处理电路板26上集成有无线发送模块(如蓝牙模块、WIFI模块)。信号处理电路板26根据光感片28的受光面积而产生相应的电信号，并将该电信号转换成数字信号后以无线方式发送至外界的仪表、手机、电机控制器等信号接收装置，通过仪表或手机中的算法程序计算出骑行所消耗的功率，并显示在仪表或者手机的屏幕上，从而使该传感器还具有功率计的功能。前述信号传送至电机控制器，经过电机控制器的处理后可对应地调整自行车车驱动电机的输出参数块。

当然，上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡根据本申请主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自行车用光电感应力矩传感器，包括：

左右延伸的中轴(1)，以及

套于所述中轴(1)外、左端与所述中轴(1)紧固连接、右端用于连接牙盘(2)的扭转变形套(3)；

其特征在于，还包括与所述扭转变形套(3)相连的变形放大机构，所述变形放大机构的末端设有透光孔(10a)，所述透光孔的轴向两侧分别布置有与所述扭转变形套(3)固定的恒光发光灯(27)和光感片(28)，所述光感片(28)与信号处理电路板(26)电路连接，所述恒光发光灯(27)发出的平直光线的一部分透过所述透光孔(10a)射向所述光感片(28)，另一部分被所述变形放大机构遮挡，并且所述透光孔(10a)具有使得所述光感片(28)接收的光线面积与所述扭转变形套(3)受到的周向扭转力矩呈线性正比关系的形状。

2.根据权利要求1所述的自行车用光电感应力矩传感器，其特征在于，所述变形放大装置包括：

第一弧形齿圈(4)，所述第一弧形齿圈(4)同轴固定于所述扭转变形套(3)的右端部；

转轴(5)，所述转轴(5)布置于所述扭转变形套(3)外部，并且所述转轴(5)的右端部同轴固定有与所述第一弧形齿圈(4)啮合连接的第一齿轮(6)，所述转轴(5)的左端部与所述扭转变形套(3)的左端部枢转连接；

一级变形放大臂(7)，所述一级变形放大臂(7)的一端与所述转轴(5)垂直固定，另一端设置有第二弧形齿圈(8)；

二级变形放大臂(10)，该二级变形放大臂(10)的一端固定有与所述第二弧形齿圈(8)啮合连接的第二齿轮(9)，另一端开设有所述透光孔(10a),所述第二齿轮(9)与所述扭转变形套(3)枢转连接。

3.根据权利要求2所述的自行车用光电感应力矩传感器，其特征在于，所述转轴(5)与所述第一弧形齿圈(4)之间连接有第一拉簧(19)，所述第二变形放大臂(10)与所述扭转变形套(3)之间连接有第二拉簧(20)。

4.根据权利要求2所述的自行车用光电感应力矩传感器，其特征在于，所述第一齿轮(6)的半径小于所述第一弧形齿圈(4)的半径，所述第二齿轮(9)的半径小于所述第二弧形齿圈(8)的半径。

5.根据权利要求2所述的自行车用光电感应力矩传感器，其特征在于，所述中轴(1)和所述扭转变形套(3)均旋转穿设于自行车的五通管(12)中，且所述五通管(12)的两端分别紧固连接左锁紧套环(13)和右锁紧套环(14)，所述中轴(1)与所述左锁紧套环(13)之间以及所述中轴(1)与所述右锁紧套环(14)之间均设有支撑轴承(21)，所述左锁紧套环(14)上设置有发电定子(22)，所述中轴(1)上设置有与所述发电定子对应的发电转子(23)，所述发电转子(23)与所述恒光发光灯(27)电路连接。

6.根据权利要求5所述的自行车用光电感应力矩传感器，其特征在于，所述扭转变形套(3)上安装有连接于所述发电转子与所述恒光发光灯(27)之间的备用电池(15)。

7.根据权利要求5所述的自行车用光电感应力矩传感器，其特征在于，所述扭转变形套(3)外通过螺丝(25)锁紧固定一塑料安装座(24)，所述恒光发光灯(27)、所述光感片(28)以及所述备用电池(15)均固定于所述塑料安装座(24)上。

8.根据权利要求7所述的自行车用光电感应力矩传感器，其特征在于，所述信号处理电路板(26)固定于所述塑料安装座(24)上，并且所述信号处理电路板(26)上集成有无线发送模块。

9.根据权利要求8所述的自行车用光电感应力矩传感器，其特征在于，所述信号处理电路板(26)上还集成有功率计算模块。

10.一种自行车，包括：

车架(18)，

与所述车架固定的五通管(12)，

与所述车架枢转连接的车轮，以及

安装于所述车架上且与所述车轮传动连接的驱动电机；

其特征在于，还包括如权利要求1至9中任一所述的自行车用光电感应力矩传感器，所述扭转变形套(3)旋转穿设于所述五通管(12)中，所述中轴(1)的两端均固定有带踏板(16)的曲柄(17)。

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