CN114008430A - 用于曲柄组的力测量传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旨在安装在自行车上的曲柄组组件，所述组件具有用于安装曲柄组轴(4)的至少一个右侧轴承(28)和围绕所述轴承(28)的外圈安放的力传感器(3)；所述力传感器包括周边部分(34)、中央部分(35)和将周边部分(34)的顶部区段(342)连结到中央部分(35)的顶部部分(352)的顶部框架(33)；所述框架(33)定位在沿着轴线(Y’)定向的直径上，其特征在于，所述轴线(Y’)与竖直轴线(Y)形成介于10°与30°之间的夹角(φ)，并且顶部框架(33)定位在竖直轴线(Y)后面。

Description

用于曲柄组的力测量传感器
技术领域
本发明涉及一种用于测量施加在被旋转驱动的轴上的力的装置。具体而言，本发明涉及一种用于测量旋转轴上的力的验证体。在自行车领域，曲柄组(脚踏组件)主轴是一个旋转轴，该旋转轴由踏板驱动而旋转，本发明的测量装置可以应用于该旋转轴。然而，本发明不限于在曲柄组主轴上进行力测量的简单应用。尽管如此，在下文的描述中，将针对测量自行车曲柄组主轴、特别是电动辅助自行车的曲柄组主轴的扭矩的应用来描述本发明。
背景技术
测量施加在旋转轴上的扭矩比测量施加在固定元件上的扭矩或力更难执行。事实上，如果针对力测量将引伸应变片粘在旋转轴上，则需要将在轴上完成的测量传输到外部单元，以便处理和/或显示信号。然后需要增加一个回转滑环，这会产生摩擦和干扰，或者布置与轴一起旋转的处理电子设备，该处理电子设备有自己的电源和用于检索信息的无线数据传输系统，这很复杂，成本高，不可靠并且可能在信号处理中造成延迟。
为了避免需要回转滑环或无线传输设备，已考虑重新定位测量，使得测量不直接在旋转轴上进行，而是在轴承外圈上进行。后一种可能性特别是在专利US2010/282001中被使用。该文献描述了一种传感器，该传感器可以测量脚踏组件外壳轴承的力，特别是可以测量分量Fx(链条张力)。该传感器包括成+/-45°定位在支承轴承力的大致一半(上半部/下半部)的臂上的两个引伸应变片。然而，这种传感器确实有许多缺点。首先，由于应变片安装在小臂的外壁上，因此它们对小臂所承受的弯矩和扭转力矩高度敏感。现在，好的传感器应当只对要进行测量的分量—这里是Fx—敏感，而对其他分量Fy/Fz/Mx/My/Mz尽可能不敏感。为了减弱对力矩Mx/My/Mz的敏感性，在臂的两个相对面上放置了两对应变片，这使得其粘合复杂并且显著增加了成本。此外，臂在应变片粘合区域中的变形梯度非常显著，因此应变片粘合的任何不准确都会对测量的灵敏度产生很大影响。
文献US2010/282001中描述的传感器具有三个宽的孔洞，这不仅使脚踏组件外壳的密封变得复杂，而且使应变片本身的保护变得复杂。事实上，测量通过μ电阻变化反映的μ变形的变形应变片需要非常好的保护以防止潮湿以及化学和机械攻击。在现有技术解决方案中，特别是在US2010/282001中，应变片是可见的并且需要使用漆或凝胶来保护它们。所有这些产品都有许多缺点。它们通常很昂贵，而且它们的实施也很昂贵，因为它们需要相当长的聚合时间。随着时间的推移，它们会因环境(紫外线、臭氧、油脂、潮湿、酸/碱等)而劣化。由于它们的机械强度较弱，它们极易受到外部攻击(螺丝刀的撞击、扔出的石头、自行车掉落、运输、维护等)。此外，尽管所用凝胶的模量较低，但它们的特性会随温度和老化而变化，并且会引起粘性摩擦，从而破坏传感器的偏离和校准。
最后，文献US2010/282001描述了一种传感器，其目的是测量链条张力，该传感器实际上测量施加在滚珠轴承上的水平合力。现在，虽然该合力受链条张力的影响最大，特别是当链环很小时，但这并非是唯一的情况。事实上，该水平合力也受到骑车人产生的水平分量影响。因此，右踏板上指向前方的水平作用力会削弱信号，而左踏板上的相同作用力会增强信号。这就是为什么该文献中描述的传感器所提供的测量对左踏板的作用力会比对右踏板的作用力更敏感的原因。在可能希望将这种传感器用于自行车辅助马达的伺服控制回路中的情况下，这种对左右踏板作用力的敏感性变化将导致马达控制设定点在曲柄组旋转期间变化。
文献US 2012/282264提出了对链条张力的测量精度的改进。然而，为此，有必要布置第二测量通道，这些测量通道是用于检测方向D1和D2上的平移的两个结构，其中增设了取向检测器。这种装置特别昂贵且难以开发。事实上，由于需要大量应变片才能获得这些大量测量通道，因此需要复杂的仪器和极其繁琐的校准来正确地实现这种改进。此外，文献US2012/282264描述了一种用于确定传递的扭矩的方法，该方法基于通过假设不存在来自右踏板或来自左踏板的水平分量来确定链条张力。现在，这种类型的计算给出了夸大的左踏板的值和非常低估的右踏板的值。
传感器一般具有各种缺陷，主要缺陷之一是由于偏离的稳定性不足，所述偏离经常随温度和传感器的热稳定性而漂移。为了使偏离漂移相对最小，希望传感器的满量程信号较高，以使相对偏离尽可能低，换言之，传感器必须确定尺寸为尽可能接近要测量的最大满量程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种配备有传感器的曲柄组组件，该传感器使得可以测量曲柄组所承受的力，而没有现有技术的缺点。
本发明的目的还在于提供一种传感器，当其安装在自行车的脚踏组件外壳上时，该传感器可以确定骑车人传递到自行车驱动轮的扭矩。
本发明的目的还在于提供一种可以以最准确、有效、可靠和便宜的方式测量骑车人传递到自行车驱动轮的扭矩的传感器和方法。
特别地，在电动辅助自行车的情况下，本发明的目的在于优化骑车人提供的力的确定，以便有效地驱动电动辅助马达。
本发明的目的通过提供一种设计成安装在自行车上的曲柄组组件来实现，所述组件包括用于安装曲柄组主轴的至少一个轴承和围绕所述轴承的外圈安放的力传感器，所述传感器包括顶部框架，所述框架安放在所述传感器的周边部分和中央部分之间并且被置于所述传感器的定向在轴线Y'上的直径上，所述轴线Y'与竖直轴线Y形成介于10°与30°之间、优选介于20°与25°之间的角
Figure BDA0003412459080000031
；并且顶部框架33置于竖直轴线Y的后面。传感器的该特定角度部分优化了由传感器传送的信号S值。它们尤其可以最大限度地减小下列两个阶段之间的信号趋势中存在的差异：使右踏板下降和使左踏板下降。
与某些可以测量施加在旋转轴上的扭矩的现有技术解决方案相比，根据本发明的力传感器提供的优点之一是传感器本身不是旋转部件，并且它因此更容易使用应变片进行测量。
在一个优选实施例中，力传感器仅包括单个测量通道，从而可以确定传感器承受的力在与轴线Y'成直角的方向X'上的分量。有利地，仅具有直接提供代表曲柄组的传递扭矩的信号的单个测量通道的事实和验证体倾斜10°至30°的事实使得可以在不使用其他技巧的情况下使右腿和左腿的贡献相等。
在本发明的一个实施例中，所述框架包括由基本上彼此平行的两个臂支撑的腹板，使得周边部分的所述顶部区段、中央部分的所述顶部部分和两个臂构成平行四边形。腹板在轴线Z上的厚度比所述臂的厚度的50％小。因此，臂是实心的并且对沿着其最大长度(轴线Y’)定向的应力提供良好的抵抗。另一方面，框架结构的平行四边形结构有利于其响应于与臂(轴线X’)成直角定向的应力而变形。最后，腹板的相对薄弱对框架结构的变形仅提供很小的阻力。
优选地，所述腹板与所述两个臂、所述周边部分的顶部区段和所述中央部分的顶部部分接触，它们一起形成由相同的材料制成的同一个部件。
优选地，腹板是平面的(平坦的)，与轴线Z成直角在径向平面上定向，并且相对于所述臂占据中心位置。
腹板用于放置应变片。优选地，四个应变片被粘在腹板上。
在一优选实施例中，与第一框架基本上相同的第二框架将周边部分连结(连接)到中央部分，所述第一框架和所述第二框架在直径上相对。
优选地，除了由框架占据的区域之外，波纹管式结构(折箱状结构，折棚状结构，多重折叠部)在整个圆周上将周边部分连接到中央部分。该波纹管式结构保证了传感器的密封，而不会妨碍框架在X’方向上的变形。
在一优选实施例中，波纹管式结构包括与中央部分接触的内壁、与周边部分接触的外壁和将内壁连结到外壁的中央壁。内壁和外壁基本上是平面的并且与轴线Z成直角定向在径向平面上，中央壁是基本上柱形的。
优选地，波纹管式结构的壁的厚度相对较薄，特别是在0.5mm与0.8mm之间。
在一优选实施例中，例如通过从块体机加工或通过3D打印将所有传感器制造成同一个部件。
本发明还通过实施一种用于控制自行车的电动辅助马达的方法来实现，所述自行车配备有如上所述的曲柄组组件，该曲柄组组件本身配备有根据以上段落的传感器。在该方法中：
–由力传感器生成的信号S对应于施加在曲柄组组件的右侧轴承上的作用力Rright在与Y’和Z成直角的轴线X’上的分量，该分量记为：RRx’Total。
-分量RRx’Total的由骑车人产生的部分RRx’Cyclist等于：RRx’Cyclist＝RRx’Total-K1.K2.I；(I为电动辅助马达消耗的电流；K1为电动辅助马达的扭矩的常数，K2为取决于与传动链啮合的链环齿数的系数)。
-踏板每转一圈，分量RRx’min的最小值就被存储在存储器中；在每个时刻，从该分量的由骑车人产生的部分RRx’Cyclist中减去该最小值；并且其中在成倍的曲柄组半圈旋转上执行取平均(求平均数)操作：
[公式1]
Figure BDA0003412459080000051
(n是采样值的数目)
根据本发明的方法特别是可以克服卸载的链条张力和骑车人产生的扭矩的测量中的温差的影响。
附图说明
根据以下描述将更好地理解本发明。附图包括：
[图1]图1是自行车的中央部分的透视图。
[图2]图2是脚踏组件外壳的横截面图。
[图3]图3是脚踏组件外壳的局部正视图。
[图4]图4是传感器的正视图。
[图5]图5是传感器的后视图。
[图6]图6是传感器的横截面A-A的视图。
[图7]图7是传感器的横截面C-C的视图。
[图8]图8是传感器的横截面B-B的视图。
[图9]图9是传感器的横截面E-E的视图。
[图10]图10是传感器变形时的后视图。
[图11]图11是变形的传感器的横截面C-C的视图。
[图12]图12是变形的传感器的横截面B-B的视图。
[图13]图13是显示传感器后部的详细视图。
[图14]图14是应变片接线的示意图。
[图15]图15是曲柄组的示意图。
[图16]图16是根据后链轮盒的链轮齿数并针对五十齿的链环(虚线)和三十四齿的小链环表示链条卸载张力T0的典型趋势的曲线图。
[图17]图17是示出了骑车人在右踏板上的作用力所施加的分量的趋势的曲线图。
[图18]图18是示出了骑车人在左、右踏板上施加的蹬踏扭矩的曲线图。
[图19]图19是示出了在曲柄组旋转时来自传感器的信号的趋势的视图，传感器被放置在四个不同的角位置
Figure BDA0003412459080000061
和30°。
[图20]图20是根据曲柄组角度β表示骑车人的蹬踏扭矩的整体增大趋势以说明辅助扭矩伺服控制程序的曲线图。
[图21]图21是说明了根据本发明的用于测量力和控制马达的装置的伺服控制原理的框图。
[图22]图22是表示施加在传感器上的水平分量的变化的曲线图。
具体实施方式
图1示出结合有根据本发明的曲柄组组件的具有电力辅助的自行车1。众所周知，这种自行车包括车架，两个车轮固定在车架上。图1是自行车的局部视图，在该自行车上仅可见位于这些不同框架元件的交叉处的长圆管13、座管12、后底座14和脚踏组件外壳2。
后轮(未示出)是驱动轮并由曲柄组15通过传动链19驱动，该曲柄组15包括主轴4，曲柄16、16’和两个踏板17、17’固定到该主轴4上。右曲柄16包括星形件161，其端部用作有齿链环18的固定件。
图2以横截面示出脚踏组件外壳2的内部。在所描述的示例中，这是具有中央马达—也就是放置在曲柄组15附近的马达—的电动辅助自行车。更具体地，如将在下文中可见，电动辅助马达不仅位于脚踏组件外壳2内，而且与曲柄组15的主轴4同轴并直接驱动后者。然而，应当注意，这些特征不是限制性的，并且根据本发明的力传感器可以用于其他类型的电动辅助自行车(前马达、后马达、摩擦滚轮、平行中央马达等)、没有电动辅助的自行车，或甚至更一般而言，用于测量旋转轴可以承受的力。
脚踏组件外壳2—其为结合在自行车1的车架中的元件—用于收纳壳体21，该壳体21内放置有马达23、齿轮25、测量和控制装置，并且曲柄组15的主轴穿过该壳体21。由马达3产生的机械动力传递到齿轮25，然后经由自由轮(飞轮)机构26传递到主轴4。在其右侧，也就是说在有齿链环18的这一侧，外壳由传感器3封闭。在它的左侧，它由罩盖22封闭。罩盖22通过螺钉221固定到壳体21上。罩盖22和传感器3在它们的中心处具有圆形孔洞，在该圆形孔洞的周边处形成有用于滚珠轴承的外圈的座。放置在传感器3中的右轴承28和放置在罩盖22中的左轴承28’确保曲柄组15的主轴4绕轴线Z的旋转安装。
在组装自行车时，将壳体21和它包含的所有各种元件在脚踏组件外壳的右侧插入其中，直到罩盖22抵靠轴环291，轴环291在其左侧封闭外壳2的内部。螺钉(在图2的横截面中不可见)固定轴环291和壳体21，从而确保壳体被保持在脚踏组件外壳中。
脚踏组件外壳2包括角度传感器(未示出)，该角度传感器可以确定通过图13所示的角度β测量的曲柄的绝对角位置。这种类型的传感器可以通过与固定到外壳上的霍尔效应磁传感器相对地随曲柄轴旋转的磁化冠环制造。
图3通过局部正视图示出了脚踏组件外壳。在该视图中，右曲柄16和链环18的中央部分已被切掉以便显示传感器3及其角度定位。
图4至9详细示出了传感器3。图4是外表面的视图，图5是内表面的视图。图6、图9分别是在轴线Y’上的A-A横截面视图、E-E横截面视图，而图7、图8分别是在轴线X’上的C-C横截面视图、B-B横截面视图。
传感器确保多种不同的功能。首先，它封闭壳体21并确保其右侧的密封。接下来，它参与曲柄组的主轴4的旋转安装。为此，在其中心形成座351。座351是柱形表面，其在轴线Z上的高度h351等于轴承的高度。最后，传感器的至少一个区域构成了应变片粘合到其上的验证体。
传感器3具有大致环形的形式。它包括通过螺钉固定到壳体21和/或脚踏组件外壳2上的周边部分34。在传感器的整个圆周上延伸的该周边部分34是相对刚性的并且基本上不可变形。该传感器还包括环形形状的中央部分35，其是相对刚性的并且基本上不可变形。右轴承28的座351形成在该中央部分35中。
周边部分34和中央部分35由两个径向相对的框架33、33’连结。顶部框架33或底部框架33’分别连接顶部、底部、周边部分34和中央部分33。每个框架33、33’由基本上彼此平行的两个臂331、332和放置在两个臂之间的腹板333组成。在轴线Z、也就是说曲柄组的旋转轴线上，臂331、332面向轴承的座351放置并且具有基本上等于其高度h351的高度h331。
右臂331、左臂332、周边部分34的顶部区段342和中央部分35的顶部部分352共同构成基本矩形形状的框架，其在定向在X’轴上的力的作用下可以变形以呈现平行四边形的形式。腹板333的厚度h333远小于臂331、332的高度h331。
框架33和33’是传感器的两个可能的验证体、也就是应变片将被放置的点。在一个优选实施例中，两个框架33、33’中的仅一个框架将装备有应变片，后者以惠斯通电桥构型安装以便为单个测量通道供电。在一个替换实施例中，单个惠斯通电桥的一些应变片将被放置在顶部框架33上，而其它应变片将被放置在底部框架33’上。
传感器3还包括将周边部分34连结到两个框架33、33’之间的中央部分的两个波纹管式结构36、36’。这两个波纹管式结构具有比框架小得多的机械刚度。图7(横截面C-C)示出了波纹管式结构36的轮廓。波纹管式结构36包括与中央部分35接触的内壁361、与周边部分34接触的外壁362和将上述两个壁连结的中央壁363。内壁361和外壁362基本上是平面的并且彼此平行，但彼此分开基本上对应于传感器3的高度h3的值。中央壁363呈大致柱形。构成波纹管式结构的传感器的不同部分—即内壁、外壁和中央壁—的厚度相对于臂的厚度较小。
图8(横截面B-B截)示出了波纹管式结构36与臂331接触时的轮廓。在该区域中，可以看出波纹管式结构包括使臂331延伸的附加壁369。这种构型允许波纹管式结构36甚至在其靠着顶部框架或底部框架放置的顶端或底端中变形。
传感器3优选是整体式的，并且由单一材料制成。例如，它可以从具有高屈服强度和良好疲劳性能的7075铝合金制成棒材开始由立方体加工而成。在这种情况下，它可以直接在双刀轴车床上加工，无需后续再加工。然后，一方面通过从传感器的外表面铣削两个外腔364、364’，另一方面通过从传感器3的内表面铣削内腔365、365’来生产波纹管式结构36。外腔364、364’中的每一个具有环的一部分的形式并且其端部分别沿着臂331、331’延伸。内腔365、365’也具有环的一部分的形式。考虑到外腔364或内腔365的底部分别限定内壁361或外壁362，并且中央壁363将外腔364与内腔365分开，必须以非常高的精度完成各腔的铣削。壁越薄，它们就越能变形，但是，另一方面，加工执行起来越复杂，实际上，波纹管式结构的不同壁的厚度在0.5mm与0.8mm之间，优选地大约等于0.7mm。
对称地定位在轴承28的两侧并将轴承的外圈连结到外壳的壳体上的两个框架33、33’可以非常刚性地承受不同的力矩和除框架33的将被中央腹板333承受的剪切分量之外的所有分量，中央腹板333以类似于在其框架中喷涂的帆布的方式连结框架的内部。
利用这种布置，当剪切力在框架的两个对向边缘之间传递时，主变形将在+/-45°处产生。通过想象承受定向在这些对向的边中的两条边上的两种对向的剪切力的正方形，可以很容易地理解这一点。正方形将变形为菱形，并且其中一条对角线将被拉长，而另一条对角线将被缩短，这样在+/-45°处产生在正方形的整个表面上几乎均匀的对向的牵引和压缩变形，从而可以承受更大的应变片定位公差，因为框架中央部分中的变形梯度不明显。
图10、11和12以分别类似于图5、7和8的视图示出了变形的传感器。这些图对应于轴承上通过在轴线X上施加4500N幅度的力F而产生的变形。为了使变形更明显，在这些图中，将它们的幅度乘以70。可以明显看出，顶部和底部框架在保持平行四边形的同时变形，使得被束缚在框架的四个构件331、332、342、352之间的腹板33将承受剪切应力，为此稍后将看到它们是通过应变片测量的。
还应注意，波纹管式结构36具有足够的柔性以使其能够大幅变形。在传感器的设计中，波纹管式结构的尺寸确定是针对与代表工作时最大的力不超过250MPa、优选不超过160MPa的各种负载相关的应力进行的，以便传感器具有无限的交替疲劳耐力。
由于传感器3是上下对称的(水平面对称)，由中央轴承28传递的水平力将由通过顶部框33的剪切力和通过底部框架33’的剪切力均匀传递，因此，波纹管式结构36的刚性几乎可以忽略不计，可以认为大约一半的剪切力将由各个框架33、33’传递。
在本发明的第一实施例中，仅顶部框架33用作验证体并装备有应变片，以便提供单个测量通道的信号。图13示出被胶合(粘合)到腹板333的内表面上的四个应变片J1、J2、J3、J4的安装。应变片也可以固定到底部框架33’上。在这种情况下，收集到的信号将是相同的，但符号相反。
应变片以完整的惠斯通电桥构型安装。完整的电桥由终端P+和P-供电，并且包括两个信号终端S+和S-，它们直接提供测量信号的差分电压基准(在偏离范围内)。四个应变片优选包括具有+45°/-45°/+45°/-45°的交替取向的中间对称平面，然后两个端部应变片彼此连接。
事实证明，这种类型的传感器在牵引/压缩方面几乎是对称的，因此除了信号符号的反转外，整个电桥在顶部框架或底部框架中的定位没有显著差异，信号符号的反转只是相当于交换S+/S-或P+/P-以取得相同的符号。
根据本发明的具有两个径向相对的框架的传感器3的特定形式使得可以具有仅对“水平”力(与两个框架33所在的对角线成直角的力)敏感的传感器。还应注意，在传感器3上进行的测量揭示了0.3％的相对竖直/水平灵敏度和0.5％的相对轴向灵敏度，并且对三个力矩MX、MY和MZ的敏感性也很低。这种对力矩的低敏感性也是以下事实的结果：传感器3安装在轴承的外圈上，并且滚珠轴承在其轴线上的摩擦扭矩(MZ)极低，而另外两个力矩(MX，MY)仍然很低，因为它们只允许很小的屈曲力矩。
图中描述的传感器在4500N的水平力下提供2.5mV/V的满量程测量信号，且其在作用力上升和作用力下降之间的滞后仅为约0.1％。
如上所述，传感器3由铝合金制成。它也可以由合金钢制成。在这种情况下，在尺寸相同的情况下，灵敏度将降低大约三倍(弹性模量的比率)，但整个水平力测量值规模将大幅增加三倍，于是可变形的波纹管式结构保持完美的工作性能。
利用由铝合金制成的传感器3，4500N的最大水平力会产生框架的约0.06mm的剪切位移，从而确保传感器具有非常好的刚性。
包括不同壁的波纹管式结构的可变形膜在该实施例中被设计为具有0.7mm的标称厚度，其周长足够长以具有非常高的柔性，因此在4500N的最大载荷下具有小于160MPa的最大应变水平，从而确保它在这种交替载荷下具有无限的疲劳寿命。
就设计而言，最关键的区域无疑是框架33的臂331、332与周边部分34的连接区域。这个相当集中的区域具有非常致密的投影到与轴线成直角的平面上的变形水平，并且有必要产生大致呈柱形且薄的膜区，从而使其能进行剪切变形而不会快速上升到高应变水平。因此，中央壁363的确保其与臂331或332之间的连接的终端部分3631呈柱形。该终端部分3631由腔366界定。该腔在此使用2.5mm直径的半球形铣削工具产生，从而确保足以防止应变变得过大的1.25mm的连接半径。机加工深度在这里是可变的，并且腔366的远侧部分3661(与内腔365并置的部分)中的机加工深度大于近侧部分3662、也就是直接邻近臂331放置的部分中的机加工深度。这种构型具有降低终端部分3631的横向刚度、从而降低柱体基部处的应变的效果。
图14描述了与本发明的传感器一起使用的测量链。如在下文中所述，四个应变片安装在惠斯通电桥构型中。这种安装通常用于引伸测量。四个电阻安装在用正方形示意性表示的串联回路中，一条对角线由DC(直流)电压E供电，另一条对角线测量与四个支路的电阻变化成比例的信号ΔE，根据公式：
[公式2]
Figure BDA0003412459080000121
施加到电桥的电压E通常是数伏(5V)的直流电压，但可以进行采样以减少焦耳效应引起的发热和电桥的消耗。电阻器由通常称为应变片的变形应变片组成，其电阻根据规律与该应变片网格的纵向变形ε(ε＝ΔL/L)成比例地变化：
[公式3]
Figure BDA0003412459080000122
该公式中，应变片系数K取决于应变片的材料，但通常为约2.1。
为了获得具有非常好的灵敏度的电桥，需要产生具有四个有源应变片的完整电桥，其中，例如，两个应变片J1和J3以拉伸状态工作，而另外两个应变片J2和J4以压缩状态工作。由于应变片的电阻变化也取决于其温度，因此非常希望将这些应变片安装在具有均匀温度的验证体上或将它们至少2×2地安装在温度均匀的支架上，这种安装类型使得可以制作理论上具有温度自补偿功能的电桥，这使得信号不会随温度发生变化。然而，如果自补偿被证实是不足的，则可以在应变片上另外加入温度探针以产生更高阶的补偿。
与应变片的制造公差或胶合过程中引起的残余应力相关的微小电阻变化意味着必须产生电桥的一定偏离，以便加上或减去一个常数来补偿测量信号，并产生与施加到传感器的验证体上的力严格成比例的信号。
希望使来自电桥的信号最大化以限制其调节所需的放大。这就是为什么希望使四个有源应变片所承受的变形最大化的原因。然而，变形不得超过与验证体材料的屈服强度和疲劳强度以及应变片的电阻材料的疲劳强度相关的三个极限。
事实上，验证体(此处为腹板333)的屈服强度应使其在显著加载循环期间不产生塑性变形或滞后。优选地，传感器将被选择为由具有良好弹性变形水平的材料制成。另外，在重复的加载循环下，不应存在因疲劳而导致验证体破裂的风险。为此，验证体必须适当地确定尺寸，以避免应力集中，这对疲劳来说可能是至关重要的。2000和7000系列的铝合金或热处理合金钢非常适合满足这两个要求。
另一方面，必须限制应变片的允许变形，以使其网格不会突破疲劳。普遍接受的是，利用用于生产应变片的最好的材料，在脉动应力的情况下有必要将变形限制为+/-1200μm/m，而在交替拉伸应力的情况下限制为+/-1300μm/m，以使传感器的寿命几乎不受限制。通常该第三个限制对应变片电桥的尺寸确定至关重要。在具有四个有源应变片的传感器的情况下，假设典型应变片系数为2.1，则获得的满量程最大信号为约2.5mV/V(2.1×1200.10-6)。
最后，可以在电源的一个分支(正极或负极)上串联增设一个低值的可调电阻器，以在校准过程中将传感器的灵敏度校准为非常精确的值，从而避免必须针对每个传感器对微控制器输入校准系数。电阻器的这种串联放置的缺点是稍微减弱了传感器的灵敏度。
从图14中可以看出，装备了四个有源应变片的惠斯通电桥由P+和P-之间的DC电压E供电，并且测量信号在S+和S-之间被拾取，然后使用差分放大器72放大该信号，然后在该模拟信号由模拟/数字转换器73转换为数字信号以供微控制器74处理之前减去电桥的偏离。
差分放大阶段可以直接结合到具有低电平差分输入和可编程增益的微控制器部件上。
偏离过程可以有利地由微控制器进行数字处理，但这种方法确实需要有限的放大，以便不使信号饱和，并且在包括全测量量程加上偏离幅度的更大范围内进行A/D转换、即11位到12位的转换可以获得出色的分辨率。
图15示意性地描述了脚踏组件外壳和各种元件所承受的所有力。点A和B分别对应于由轴承28和28’提供的枢轴连杆。通过隔离曲柄组，发现以下六个作用力：
-通过左踏板17’的轴线传递的左腿的作用力，其可以建模为通过左踏板的轴线和中间平面的力PLeft，该力可以分解为水平分量PLx和竖直分量PLy(不产生扭矩的轴向分量被忽略)；
–与左踏板类似的右踏板17的作用力，其被建模为通过右踏板的轴线和中间平面的力PRight，该力也可以分解为水平分量PRx和垂直分量Pry；
-链条19在链环18上的作用力。该作用力被分解为两个作用力：张力T0-Chain的链条19的下链192的作用力，其对应于链条在基本上向后的方向上的卸载张力(轴向分量被忽略)，和链条的上链191的作用力，其对应于卸载张力T0和链条的驱动张力TChain的叠加(轴向分量也被忽略)；
-右轴承的作用力RRight，其可以建模为可以根据水平方向RRx和竖直方向RRy分解的环形连杆，并且可以注意到，由于该轴承非常靠近链环，因此会受到链条张力的高度影响；
-左轴承的作用力RLeft，其可以建模为可以根据水平方向RLx和竖直方向RLy分解的环形连杆；和
-电动辅助马达的作用力，其可以建模为围绕旋转轴线Z的纯马达扭矩(图中表示为扭矩)，需要注意，根据图中使用的符号约定，此处马达扭矩将为负。
曲柄组的马达扭矩Cmotor通过以下关系与链条的张力TChain直接相关：
[公式4]
Figure BDA0003412459080000141
其中r＝链环的原始半径＝N.p/2π。
因此，以下关系适用：
[公式5]
Figure BDA0003412459080000151
其中N＝链环的齿数，p＝链条节距12.7mm。
图15中示出的链条的卸载张力T0可以在没有传递扭矩的情况下测量，它由后拨链器中的弹簧位置确保，并在两个拨链器导轮的轭上产生扭矩。图16根据轴线X上对于齿数在11和30齿之间的11个链轮的盒在后轮处啮合的链轮的齿数在轴线Y上示出了链条张力(以牛顿为单位)的典型趋势，该曲线图包括表示34齿小链环上的啮合状况的第一曲线(灰色实线)和表示50齿大链轮上的啮合状况的第二曲线(黑色虚线)。在阅读这些曲线图时可以注意到，链条的卸载张力在小链环上变化约3N，而在大链环上变化约20N，总张力变化约为22N，如位于曲线图左侧的方框箭头所示。
毋庸置疑，这种张力变化取决于所使用的拨链器的类型以及链轮的齿数和链条长度上的链环的数量。
从图1、3和15中可以看出，卸载张力施加到每个上、下链排，因此这两个基本水平的作用力产生反作用力，该反作用力基本上等于链条张力的两倍并因此等于大约2.T0的值在轴承A的中心在右轴承上的分量RRx中的叠加。当传感器产生偏离时，该分量叠加的效果将被撤销，但如果骑车人随后换档，则然后将出现链条张力差，并且将不再补偿相对于偏离中产生的值的差异。在单链环使用的情况下，这种效果不是很明显，因为张力变化可以小于3N，这对应于在34齿小链环的情况下0.4Nm的扭矩差，但另一方面，对于如图B所示的双链环使用，强烈建议校正齿轮变化的偏离以足够准确，实际上50齿大链环上22N的链条张力差通过传感器的轴承RRx上47N的差异反映，该差异对应于4.45Nm的等效扭矩差，即80rpm下37瓦的功率差，该功率差因此会导致过度的不准确性。
为了解决这种不准确性，这里提出了三种方法：
第一种方法在以下情况下适用：控制器可以访问骑车人使用的瞬时档位组合，尤其是在使用电子控制进行变速使得可以广播有关此档位组合的信息时，然后足以将根据当前支架给出基准张力的表的内容加载到存储器中并在偏离中考虑该内容以获得良好的校正。第一种方法需要根据支架组合将至少一个数值表或一种张力变化规律输入到存储器中并严格遵守链条长度建议。
第二种方法包括通过使用与随其中一个车轮旋转的一个或多个磁体的轨迹相对地定位的固定式传感器测量自行车的速度并使用位于壳体21中的角位置传感器测量蹬踏速度来计算支架，这两个转速之间的比率将使得可以确定传动比并因此在所使用的链环也已知的情况下以某种方式推导出传动比组合，因为在大、小链环范围之间存在重叠区域，这对于确定正确的组合可能有问题。
第三种更具创新性的方法依赖于对骑车人的蹬踏周期的分析。通过分析骑车人产生的扭矩变化，可以注意到瞬时扭矩是一个周期函数，其周期由右腿的推力然后由左腿的推力调节。通过进行差分测量可以有利地消除链条的卸载张力的作用，该差值测量包括在每个蹬踏周期中测量反作用力的最小值并记住它，然后从每个瞬时测量值中减去它，从而给出一个微分结果，该微分结果因此与链条的张力无关，因为它在减去最小值时被减去。然后可以通过将微分值乘以比例系数来估计绝对值，因为蹬踏力的幅度基本上与蹬踏力的平均值成比例。这种差值测量还可以消除与温度变化相关的偏离变化效应。
在下文的描述中，链条张力T0因此将被认为是可忽略不计的并且将不再被考虑。
现在将描述施加在图15中示意性地表示的曲柄组上的力的平衡。
在用角β表示的曲柄的每个角位置，曲柄组的静态平衡使得可以在可以施加马达扭矩的五个力分量(PRx，PRy，PLx，PLy，扭矩)和其他五个未知的平衡分量—即(RRX，RRy，RLx，RLy，Tchain)—之间建立一种关系。这种关系可以转化为矩阵(5×5)的形式，其中通过写出前面描述的六个作用力的静态平衡来计算取决于角β的25个系数aii。静态平衡的分辨率显示六个系数为零，并且系数a15、a35和a55与β无关。
[公式6]
Figure BDA0003412459080000171
电动辅助马达产生的马达扭矩Torque可以通过测量其消耗的电流强度来获知。因此，理论上有必要获知至少四个独立的测量值，以便能肯定地确定左、右踏板上的作用力的四个分量(PRx，PRy，PLx，PLy)并完全解析系统，以便能明确地推导出马达扭矩。
当链条按照图1啮合在50齿大链环上时，该矩阵的系数(对于本例)具有该值(力单位为N，扭矩单位为N.mm)。
[公式7]
Figure BDA0003412459080000172
这里可以检查系数a55实际上是分开的符号：a55＝2/(N.p)
还可以确认a12＝-a14，a52＝-a54，并且比率a12/a52＝1..83/1.71＝1.07是常数且与β无关，因此当骑车人的蹬踏力在纯竖直方向上时，链条张力TChain始终与水平分量RRx成比例，使得在这种情况下，RRx的测量可以轻松推断出链条张力，从而推断出传递的扭矩。
另一方面，当蹬踏分量在水平方向上时，测量值RRx和链条张力TChain之间不再有比例关系，因为系数比a11/a51与a13/a53一样不再与β无关，而对于β＝90°，这些比率甚至是不确定的，因此RRx的测量无法重新计算链条张力值。
可以发现，系数a11的平均值为-2.03，而系数a12的平均值为1.05，因此右踏板上的水平作用力PRx引起轴承处的反作用力RRx，其远低于左踏板上的作用力PLx(当曲柄组旋转180°时)，使得分量RRx的测量有利于左踏板上的水平作用力，而其劣势是几乎为右踏板上的作用力的两倍(2.03/1.05＝1.93)。
本发明的一个目的是提供一种解决方案，其使得可以通过测量在放置于曲柄组的由于链条张力而高度受压的一侧的轴承上测量的径向分量RRx来轻松确定骑车人传递的平均扭矩。
在以下参考图17、18、19和20的描述中，注意力将只集中在与骑车人的蹬踏相关的力上，因此不考虑电动辅助扭矩，在以上矩阵计算中引用的“扭矩”分量于是被认为是零。
骑车人的蹬踏周期在科技文献中是已知的，Frédéric Grappe博士发表了几篇关于骑行蹬踏分析的文献，并且以下描述基于在他的著作“Cycling and performanceoptimization(骑行和性能优化)”(2nd edition/Edition De Boeck Université2009)、特别是第8章“Pedaling biomechanics(蹬踏生物力学)”中描述的蹬踏力测量。
左右踏板的作用力非常相似并且相移180°。图17示出了由右踏板产生的两个力分量PRx(水平)和PRv(竖直)以及绕曲柄组产生的合成扭矩MRz随角β变化的趋势。可以注意到，对于介于190°和360°之间的角β，扭矩为负，因此具有轻微的阻力。
对骑车人蹬踏的分析表明，左右踏板的作用力非常相似并且相移180°。
图18示出了已经在图17中示出的右踏板的扭矩(MRz)和基本上是半圈的简单相移的左踏板的扭矩(MLz)及其代表了总扭矩(Mtotal)的总和以及最后的平均蹬踏扭矩(Mavg)(此处为41N.m)随β变化的趋势。可以注意到总扭矩是一个函数，呈正弦曲线且始终为正值，其周期是蹬踏周期的一半。
从图17导出的四个力分量(PRx，PRy，PLx，PLy)的出现代表四个周期信号，它们在左右之间相移了半个周期。这就是为什么不一定需要执行四次测量才能准确评估链条传递的平均扭矩的原因。
当试图确定通过施加这些踩踏力而在轴承上产生的力时，将上述矩阵应用于作为β的函数的输入值(PRx，PRy，PLx，PLy)即可。
在本发明的第一实施例中，由于应变片的定位(见图13)，传感器提供的信号基本上代表了反作用力在方向X’—也就是说与连结两个框架33、33’的对角线Y’成直角的方向—上的反应分量Rright。通过图3中的角
Figure BDA0003412459080000192
标识的传感器3的角位置因此在完整循环期间对传感器提供的信号的幅度和变化有影响。角
Figure BDA0003412459080000193
的这种旋转意味着测量值RRX’可以很容易地从由前面的矩阵计算导出的RRX、RRY中计算出来：
[公式8]
Figure BDA0003412459080000191
图19示出了对于根据图1的50齿链环根据角β测量的力的变化以及在0°与30°之间的角
Figure BDA0003412459080000194
的不同值。当
Figure BDA0003412459080000195
为零、也就是轴线Y’与轴线Y重合时，传感器测得的力用曲线RRX0°表示，如图19的曲线图中用实线所示，通过零值并在相位100°<β<165°中变为负值，这在处理信号时已经造成问题，因为变化的符号和方向与β的其余过程相反，但其结果也是右踏板下降期间(0°<β<180°)测得的信号平均值将小于左踏板下降期间(180°<β<360°)测得的信号的平均值。这在图19中通过相位0°<β<180°和180°<β<360°中的信号的有符号的面积A1和A2的表示来说明，所述面积分别是曲线RRX0°下方的面积。面积A1表示通过由右踏板传递的扭矩的功的测量值RRx的图像，而面积A2表示左踏板的功的图像。为了使功的图像以及左右两条腿中每条腿的贡献的图像能很好地代表实际的功，需要A1＝A2，即A1/(A1+A2)＝0.5(＝50％)。还可以看出，，在β＝85°时获得了第一相位0°<β<180°的最大信号，且其明显低于在β＝85°时获得的第二相位180°<β<360°的最大信号，这也导致面积A1和A2的不平衡。
图19的曲线图还包括由虚线表示的另外三条曲线，，它们表示通过将传感器3依次倾斜10°、23°和30°的角
Figure BDA0003412459080000196
而测得的信号，，并且可以看出，当角
Figure BDA0003412459080000197
增大时，第一相位的最大值增大，而第二相位的最大值减小，并且只要
Figure BDA0003412459080000198
信号就不再变为负值，这使得可以简化其处理。因此，增大角
Figure BDA0003412459080000199
倾向于增大面积A1并减小面积A2，从而平衡和增大比率A1/(A1+A2)。
当然，被测信号及其趋势也取决于链条的传动比(不同的矩阵系数)。图19的测量是针对50/11的传动比—也就是具有50个齿的链环和具有11个齿的后链轮—进行的。其他传动比给出略有不同的信号曲线。
图20的曲线图简单地表示比率A1/(A1+A2)根据角
Figure BDA0003412459080000201
的变化，角
Figure BDA0003412459080000202
针对两种不同的传动比50/11和34/26在0°与35°之间变化。
可以看出，对于这两个传动比，角
Figure BDA0003412459080000203
对应于比率A1/(A1+A2)等于50％的角度，并且该最佳值与所使用的链环无关。
因此，骑车人在每个蹬踏周期中传递的平均扭矩显然与面积A1+A2成比例，比例系数取决于所用链环的齿数，并且能通过实验室中的事先校准来确立。
可以注意到，由于蹬踏的两个水平分量，左右测量的不对称是必不可少的，但可以注意到，骑车人的下肢由股骨、膝盖、胫骨、脚踝和脚底组成，结束于踏板轴的枢轴连杆，并且所有这些机械系统都可以比作髋关节与踏板轴线之间的机械膝关节系统，其产生通过踏板轴线的平均推力并靠近当踏板处于其真正运动阶段(右踏板30°<β<150°)时相对于竖直方向倾斜约20度的股骨轴线，因此可以理解，当传感器与该踏板轴线/股骨轴线大致成直角定向时，它变得对称，因为它不受已变得可忽略不计的直角分量的干扰。
从该观察结果可以推断出，如果希望将本发明适用于特定的自行车类型，例如斜倚式自行车，则适合的是观察通过踏板轴线和股骨轴线的平面的倾斜度并将其与链条的基准框架进行比较—该基准框架在本例中基本上是水平的，并调整传感器的倾角
Figure BDA0003412459080000204
以使A1和A2最佳地对称，最好执行事先在实验室进行的仪器测试以找到合适的
Figure BDA0003412459080000205
值。
在传统自行车上，当骑车人以所谓的舞者姿势开始蹬踏时，水平分量趋于消失，然后角
Figure BDA0003412459080000206
可以减小至10°或15°以免过度偏向右腿，如对于练习铁人三项自行车，标准做法是将座椅前移，这也会导致水平分量减小，因此角
Figure BDA0003412459080000207
在实践中必须介于10°于30°之间。
虽然在上面的段落中我们故意没有考虑辅助扭矩的叠加以便将注意力集中在骑车人产生的力上，但我们现在将重新考虑辅助扭矩的叠加，这将修改由传感器3测得的信号。
优选地，由电动辅助马达传递的马达扭矩的控制以这样的方式进行，即马达扭矩与骑车人传递的平均扭矩成比例，电动辅助系数K4可以由骑车人选择，例如，骑车人将能在三种辅助模式(低(Low)/中(Medium)/高(High))之间进行选择，每种模式对应于不同的系数，因此例如可以编程K4.Low＝30％、K4.Medium＝75％和K4.High＝120％。
为了最大限度地减少噪音并优化电动辅助马达的效率，从而优化系统的自主性，测试表明，优选马达提供尽可能恒定而不是跟随骑车人C的扭矩的瞬时趋势的电动辅助扭矩，因此希望将测量结果平均为更接近骑车人的平均扭矩的趋势，而不会在平均值的计算中引入太多延迟。
图21是说明根据本发明的用于测量力和控制马达的装置的伺服控制原理的框图。
重要的是提供一种这里不会描述的安全装置，该安全装置可以在用户的安全一旦可能例如由于突然停止阶段、后蹬踏或制动而受到影响就立即停止马达传递的扭矩，该装置被表示为“Stop Assist(停车辅助)”，因为它可以命令马达的控制以立即停止。
方框“It(Amp)”表示将以电流方式驱动马达以根据强度设定点It控制其扭矩，该电流It将产生扭矩Cmot＝K1.I，K1是齿轮马达的扭矩常数，其可以在工厂中确定和编程并输入到存储器(用方框K1表示)。利用特别适用于电动辅助循环的无刷马达技术，控制器将不得不以非常高的频率重新计算每个相位中注入的电流，因此我们的扭矩设定点计算循环也将能够潜在地以高频率重新计算。
马达产生的扭矩Cmot将诱发一个力分量RRX’assit＝K2.Cmot＝K1.K2.I，系数K2(用方框“K2”表示)是啮合的链环(用方框Ni表示)的齿数的函数，因此与矩阵的系数a15和
Figure BDA0003412459080000211
(
Figure BDA0003412459080000212
表示传感器的倾角)成比例，并且乘积K1.K2也可以由微控制器在预先校准操作中确定。例如，这种预先校准操作将能使用以下协议来完成：后制动器被阻止以固定后轮的旋转，同时将电流设定点发送到马达并测量将由于链条在马达的作用下张紧而导致的来自传感器3的信号的变化，因此微控制器将能记忆乘积K1.K2。至于所使用的链环的齿数，将能通过任何已知的方式获得，特别是通过监测前拨链器的位置，这种监测对于电动拨链器系统来说相对容易。
以惠斯通电桥为代表的传感器3将受到框图中用虚线箭头表示的三种机械作用的应力，因此找到了电动辅助马达的马达扭矩的作用力，该作用力叠加在骑车人(用“Cyclist”框表示)的运动作用力上以将这些扭矩的总和传递给链条(用“Chain”框表示)的作用力，链条将马达力传递到后轮(用“Rear Wheel”圆圈表示)。
因此，由传感器3产生的信号S—RRx’Total—将是由马达产生的值、前面段落中描述的骑车人产生的值和前面也描述过的与链条的卸载张力T0相关的值的叠加。
微控制器从由传感器3导出的测量值RRx’Total中减去从由马达电流计算出的通过电动辅助马达导出的分量RRX’assist，因此得到的结果在相应的框中示出：RRX’Cyclist＝RRx’Total-RRX’assist；也就是说：RRx’Cyclist＝RRx’Total-K1.K2.I。
图22是示出该操作的曲线图，顶部的第一虚线曲线表示由传感器3确定的力RRx’Total的测量值，中间的第二虚线曲线表示使用马达电流的瞬时测量值乘以系数K1和K2计算出的分量RRX’assist，第三粗实线表示值RRX’Cyclist，它是通过从第一条曲线减去第二条曲线(在β＝135°处由两个长度相等的箭头示意性地表示的减法)获得的。
应当注意，在此阶段，由链条卸载张力引起的分量显然仍然会叠加，因此对测量值有影响。
为了抵消与链条的卸载张力T0相关的这个分量，并且还使测量独立于与温度变化相关的潜在偏离变化，然后将进行差值测量，测量事先获得的力RRX’Cyclist的变化幅度ΔRRx’，为此，如图21的框图所示，算法(由框RRx’min表示)检测值RRX’Cyclist的趋势，并在每转一圈时优选地在β＝0°附近确定RRX’Cyclist的最小值并将其暂时存储在存储器中。每转一圈时，新的最小值将取代存储器中的前一最小值。
值RRx’min可以通过图22的曲线图的水平底部虚线曲线可视化。
该值RRx’min然后将从先前获得的值RRX’Cyclist中被减去以如在相应的框中那样获得：ΔRRX’Cyclist＝RRX’Cyclist-RRx’min。
对于β＝180°，该值在图22中由双箭头ΔRRx’表示，它在每个计算循环中重新生成，它随着骑车人的蹬踏而显著并周期性地变化，但是，为了优化马达的效率以及它发出的噪声水平，优选通过注意不要过度降低系统的响应时间来平均和平滑其扭矩设定点，这就是图21的框图提供了在曲柄组的半圈的倍数时优先执行的平均操作的原因，该平均操作在平滑方面非常有效，因为它恰好对应于蹬踏循环引起的激励信号的周期，并且将此操作表示为：
[公式9]
Figure BDA0003412459080000231
其中n表示每转平均的采样值数量，例如每9°有40个采样值，如通过图22的曲线上的每个可见点可以看到的那样，因此上述计算产生了差值ΔRRX’Cyclist的前20个值的简单算术平均值，这提供了高反应性和非常稳定的平滑。
在图22的示例中，可以注意到RRX’assist的确定是从一个完整的模型导出的，其中电动辅助系数K4为75％和/或骑车人传递的平均扭矩稳定且为25N.m，上述完整算法在该值的平均值附近产生该值的小振荡，但该振荡相对于骑车人扭矩的振荡仍然非常低。
通过在整圈的n个值上—即上述示例中的40个前面的值—产生平均值可以显著提高平均值的稳定性，另一方面，响应时间将延长一倍，这种模式可以用于例如所谓的“软”或“经济”辅助模式下，以最大限度地提高马达效率并最大限度地降低噪音，在这种情况下，马达扭矩振荡于是变得难以察觉。
该平均值也可以通过以固定频率采样并通过连续计算前半圈或前一圈中记录的值的算术平均值来根据时间而不是角度计算，但是也能够注意到，元素功的理论定义是δW＝C.dβ或δW＝P.dt＝C.Ω.dt＝C.(dβ/dt).dt，换句话说，根据时间完成的算术平均值的计算从能量的角度来看，只有在旋转速度恒定的情况下才是精确的，理想情况下，它应该由旋转速度加权，但曲柄组旋转一圈的速度变化不是很明显(站立在踏板上骑车时除外)，并且如果所求平均值的精确度以及因此电动辅助比K4的精确度不是太苛刻，则可以容忍该近似值。
平均差值
Figure BDA0003412459080000241
与骑车人产生的平均扭矩成比例，因此将其乘以系数K3(由图21中的框“K3”表示)即可根据表示如下的操作获得骑车人的平均扭矩操作：
[公式10]
Figure BDA0003412459080000242
主要取决于链环18的齿数的系数K3是表示为长度单位的系数，其比链环的原始半径稍小，在具有50齿链环(原始半径为101mm)的图1所示的示例中，本例中获得的值K3为80.1mm(R原始的79％)，该值考虑了许多参数，例如传感器的角度
Figure BDA0003412459080000243
与差值计算有关的衰减(4％)，并且可能会略微取决于骑车人的力图。
该系数K3可以有利地通过在实验室中对典型的骑车人进行的预先校准来确定。将装备有无电动辅助的系统的自行车定位在测力计上，该测力计具有制动和仪表化的后轮，从而可以确定需要其典型蹬踏力的骑车人施加在曲柄组上的平均扭矩。来自传感器的信号RRx，通过差值测量和算术平均算法记录和处理，然后计算这两个值之间的比率以获得K3即可，注意为每个使用的链环计算它。
对于所使用的每个链环值，将该系数K3输入到存储器中，以便微控制器能根据所使用的链环选择正确的系数。
在已确定平均骑车人扭矩
Figure BDA0003412459080000244
并获知使用者选择的电力辅助K4的水平后，可以计算马达的新扭矩设定点应当是多少：
[公式11]
Figure BDA0003412459080000245
因此推导出必须由控制器在马达上注入的新强度设定点：
[公式12]
Figure BDA0003412459080000251
该辅助扭矩控制循环可以例如以每转至少10至100次的速率重新生成。如果根据时间对其进行管理，则希望重新生成频率足够高，尤其是在蹬踏速度高时，以便其继续正确地跟随骑车人的快速变化。
已经在测量由骑车人在电动辅助下蹬踏自行车时产生的扭矩的特定背景下描述了根据本发明的传感器。容易理解的是，这种用途并不是这种传感器的唯一用途。
首先，在普通自行车的情况下，也就是说在没有电力辅助的情况下，可以使用该传感器来测量骑车人产生的扭矩。传感器的角定位将与上面已经描述的相同。传感器和惠斯通电桥的操作也将相同。只有对通过惠斯通电桥测量到的信号进行处理以最终计算出骑车人的马达扭矩不同，因为不再需要减去马达提供的扭矩。
也可以使用相同的传感器来测量任何旋转轴所承受的力。
此外，可以设想为相同的旋转组件使用多个相同的传感器。例如，自行车曲柄组件将能够在脚踏组件外壳的每个轴承周围包括根据本发明的传感器。

Claims (20)

1.一种设计成安装在自行车上的曲柄组组件，所述组件包括用于安装曲柄组主轴(4)的至少一个右侧轴承(28)和围绕所述轴承(28)的外圈安放的力传感器(3)；所述力传感器包括周边部分(34)、中央部分(35)和将所述周边部分(34)的顶部区段(342)连结到所述中央部分(35)的顶部部分(352)的顶部框架(33)；所述框架(33)被放置在沿着一轴线(Y’)定向的直径上，其特征在于，所述轴线(Y’)与竖直轴线(Y)形成介于10°与30°之间的夹角
Figure FDA0003412459070000011
所述顶部框架(33)放置在所述竖直轴线(Y)的后面。
2.如前一权利要求所述的组件，其特征在于，所述夹角
Figure FDA0003412459070000012
在20°与25°之间。
3.如前述权利要求中任一项所述的组件，其特征在于，所述传感器配备有单个测量通道。
4.如前述权利要求中任一项所述的组件，其特征在于，四个应变片(J1，J2，J3，J4)安放在所述顶部框架(33)上，所述四个应变片以惠斯通电桥构型安装以便向所述单个测量通道提供信号。
5.如前述权利要求中任一项所述的组件，其特征在于，所述中央部分(35)包括座(351)，所述座被设置为接纳轴承的外圈以安装绕一轴线(Z)旋转的轴。
6.如前述权利要求中任一项所述的组件，其特征在于，所述框架(33)包括由基本上彼此平行的两个臂(331、332)支承的腹板(333)，使得所述周边部分(34)的所述顶部区段(342)、所述中央部分(35)的所述顶部部分(352)和所述两个臂(331，332)形成平行四边形。
7.如前一权利要求所述的组件，其特征在于，所述腹板在所述轴线(Z)上的厚度(H333)小于所述臂的厚度(H331)的50％。
8.如权利要求5或6所述的组件，其特征在于，所述腹板(333)与所述两个臂(331，332)、所述顶部区段(342)和所述顶部部分(352)接触。
9.如权利要求5至7中任一项所述的组件，其特征在于，所述腹板(333)、所述两个臂(331，332)、所述顶部区段(342)和所述顶部部分(352)形成由单一材料制成的同一个部件的一部分。
10.如权利要求5至8中任一项所述的组件，其特征在于，所述腹板(333)是平面的并且其定向在与所述轴线(Z)成直角的径向平面上。
11.如权利要求5至9中任一项所述的组件，其特征在于，在所述轴线(Z)上，所述腹板(333)相对于所述臂(331，332)占据中心位置。
12.如前述权利要求中任一项所述的组件，其特征在于，与所述第一框架(33)基本相同的第二框架(33’)将所述周边部分连结到所述中央部分；以及，所述第一框架(33)和所述第二框架(33’)在直径上相对。
13.如前述权利要求中任一项所述的组件，其特征在于，波纹管式结构(36，36’)在除被所述框架(33，33’)占据的区域外的整个圆周上将所述周边部分(34)连结到所述中央部分(35)。
14.如前一权利要求所述的组件，其特征在于，所述波纹管式结构(36，36’)包括与所述中央部分(35)接触的内壁(361)、与所述周边部分(35)接触的外壁(362)和将所述内壁(361)连结到所述外壁(362)的中央壁(363)。
15.如前一权利要求所述的组件，其特征在于，所述内壁(361)和所述外壁(362)基本上是平面的并且与所述轴线(Z)成直角地定向在径向平面上；所述中央壁(363)基本上为柱形。
16.如权利要求11至14中任一项所述的组件，其特征在于，所述波纹管式结构的壁的厚度在0.5mm与0.8mm之间。
17.如前述权利要求中任一项所述的组件，其特征在于，与所述第一验证体基本相同的第二框架(33’)将所述周边部分连结到所述中央部分；所述第一框架(33)和所述第二框架(33’)沿一轴线(Y’)在直径上相对。
18.一种用于控制用于自行车的电动辅助马达的方法，所述自行车配备有如前述权利要求中任一项所述的曲柄组组件，其特征在于，由力传感器生成的信号(S)对应于施加在所述右侧轴承(28)上的作用力Rright的在与轴线(Y’)和轴线(Z)成直角的轴线(X’，X’)上的分量，该分量被表示为：RRx’Total。
19.如前一权利要求所述的方法，其特征在于，所述分量RRx’Total的由骑车人产生的部分RRX’Cyclist等于：
RRX’Cyclist＝RRx’Total-K1.K2.I，
其中，I为辅助马达所消耗的电流；K1为辅助马达的扭矩常数，K2为取决于与传动链啮合的链环的齿数的系数。
20.如前一权利要求所述的方法，其特征在于，在踏板每转一圈时，将所述分量的最小值RRx’min存储在存储器中；在每个时刻，从所述分量的由骑车人产生的部分RRX’Cyclist中减去该最小值；在多倍的曲柄组半圈转动上执行取平均操作：
Figure FDA0003412459070000041
其中n是采样值的数量。
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