CN114894357B - 助力车用位移式功率传感器及其信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种助力车用位移式功率传感器及其信号处理方法，包括中轴、弹性件组件、左凸轮套、右凸轮套、扭力连接套、半月键、滚珠、磁环，和条形磁体，以及信号检测处理线路板，采用凸轮传动力，和压缩具有特定结构特征的弹性件微小变形，通过高精度低成本的磁传感器检测位移变换，并通过标定查表方式得到实时扭矩，同时通过旋转磁环检测实时速度。

Description

助力车用位移式功率传感器及其信号处理方法

技术领域

本发明涉及助力车技术领域，尤其是一种助力车用位移式功率传感器及其信号处理方法。

背景技术

随着生活水平的提高，助力自行车出行作为一种有氧运动的健身方式，越来越受到广大人们群众的喜爱。

功率传感器作为助力自行车扭矩和转速的反馈元件，是助力自行车系统的关键性零部件之一，其灵敏度和精度直接影响着骑乘者的骑行体检，是提升助力自行车舒适感的关键性零部件。

目前市场上已有的助力自行车中轴传感器有踏频转速传感器、模拟扭矩传感器、扭矩传感器和感应式扭矩传感器四种。踏频转速传感器只能反馈转速信号，不能有效的感知骑乘者的意图，骑行体验差；模拟扭矩传感器是在转速传感器的基础上，通过软件处理转速信号来模拟扭矩信息，仍然不能有效的反应使用者的意图；扭矩传感器采用应变片测量扭矩变化，应变片随使用时间的延长，会有严重的疲劳损耗，后期检测精度较难把控，而且制造成本高，普及应用困难；磁场感应式扭矩传感器，感应线圈内穿过感应套，脚踏时感应套收到扭曲微变形，使感性线圈磁场产生变化。但此感应套加工成本极高，对材料要求也极为严格，制造精度和产品一致性很难把控，制造成本比应变片式更高。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的助力车用位移式功率传感器及其信号处理方法，能同时满足检测扭矩和转速信号的助力自行车功率传感器，同时成本合理，应用前景广泛。

本发明所采用的技术方案如下：

一种助力车用位移式功率传感器及其信号处理方法，包括中轴，所述中轴上套设有传动组件，传动组件包括：

弹性件，套设在中轴上，被中轴的轴肩限位；

凸轮组件，套设在中轴上，一端与弹性件相抵触；

导向件，轴向落在中轴外圆表面上，凸轮组件遮盖在导向件上；

扭力连接套，套设在中轴上，与凸轮组件背离弹性件的一端相接，扭力连接套、凸轮组件之间设有连接键；

信号检测处理线路板，套设在凸轮组件外；

条形磁铁，嵌设在信号检测处理线路板上；

直线磁敏组件，分布在条形磁铁上；

磁环，套设在中轴上，且与信号检测处理线路板相连；

圆周磁敏组件，分布在磁环上；

直线磁敏组件和圆周磁敏组件所发出的信号由外界编码器接收存储。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述凸轮组件包括：

左凸轮套，套设在中轴上，一端抵触在弹性件背离轴肩一侧的端面上；

右凸轮套，套设在中轴上，与左凸轮套之间曲面相接。

所述左凸轮套、右凸轮套均设置为中空筒体，左凸轮套、右凸轮套相对的端面设置为相互配合的波浪面；波浪面的弧线弯折角度范围为30°～60°。

所述导向件设有多组，环形阵列在中轴的外圆表面上。

扭力连接套、凸轮组件之间的键连接具体结构为：右凸轮套背离左凸轮套的一端设有花键，花键环形阵列在右凸轮套端部的外表面上。

所述弹性件设有多组，每一组弹性件包括两片夹角设置的簧片，两簧片相接处、簧片相背的顶角处均设置为垂直于中轴的平面。

传动组件的两端面封有铝碗；两端铝碗内壁安装有轴承，通过轴承与中轴、扭力连接套相连。

一种安装助力车用位移式功率传感器的方法，包括如下步骤：

以中轴为基准，在中轴的轴肩处套设弹性件，

在中轴上的凹槽中嵌入滚珠，套上左凸轮套、右凸轮套，左凸轮套和右凸轮套的端面曲面相互贴合，

在中轴上套设连接键，在右凸轮套上套设扭力连接套，

在信号检测处理线路板上预安装磁环和条形磁铁，并对应安装圆周磁敏组件和直线磁敏组件，再将信号检测处理线路板套在弹性件、凸轮组件外，

在上述半成品的两端扣合铝碗，铝碗内壁预安装轴承，得到位移式功率传感器成品，成品垂直安装在两侧脚踏之间。

一种利用权利要求1所述的助理车用位移式功率传感器的信号处理方法，包括如下步骤：

通过脚踏施力，脚踏上的力传递至中轴两端，

中轴通过连接键带动右凸轮套转动，右凸轮套带动左凸轮套转动，

左凸轮套带动扭力连接套转动，扭力连接套上安装牙盘，牙盘作用于外界助力车的轮毂上，

调整作用在右凸轮套上的外力，引起右凸轮套与左凸轮套之间的接触面的相对位移，此时左凸轮套轴向运动，压缩弹性件，将脚踏上的外力扭矩转化为弹性件的轴向形变量，

中轴保持转动，带动磁环产生旋转磁场信号，传输至外界编码器处。

作为上述技术方案的进一步改进：

磁场信号的生成过程具体如下：

圆周磁敏组件检测磁环旋转的磁场变化，直线磁敏组件检测条形磁铁的直线位移磁场变化，

圆周磁环采用若干个磁条拼接形成，对圆周磁环径向NS充磁，圆周磁敏组件在磁环径向侧面分布，

当磁环旋转时，产生若干个正弦磁场，信号检测处理线路板上的角度传感器检测到磁场变化，生成采样电压信号，经由信号检测处理线路板上的AD转换输出角度信号，输出形式包括SPI或AB正交脉冲，

直线磁条产生正弦磁场信号，直线磁敏组件，具体可以包括离轴式角度传感器等芯片，在磁条上方，检测磁场变化，通过AD转换输出角度信号，输出形式包括SPI或AB正交脉冲，

信号检测处理线路板上设有微处理器，通过实时输入圆周磁芯片输出的角度信号和直线磁敏元件输出的角度信号、通过实时输入圆周角度传感器的角度变化速率和方向，获得功率传感器的转速Sp和方向信号，通过直线角度传感器的角度变化，获得弹性件的水平位移，

通过标定数据查表得到实时扭矩T，根据上述所得出的角度，以及角度变化率，计算旋转速度n，基于P＝η﹒T﹒n/9.55计算出实时脚踏功率，

式中，P为串口协议实时输出功率，T为所测得的扭矩，n为转速。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过左右两个凸轮套的受力传递和压缩弹性件运动产生相对位移，通过设置在左凸轮套上的条形磁体轴向直线移动产生磁场变化，设置在信号检测处理线路板上直线磁敏组件检测变化磁场输出电压信号，根据模拟转换和角度计算，以及查表得出当前实时扭矩；中轴带动磁环旋转，设置在信号检测处理线路板上的圆周磁敏组件检测变化磁场输出电压信号，根据模拟转换和角度计算，得出当前实时速度；通过速度和扭矩计算当前实时功率。

本发明结构简洁，生产工艺简单可靠，采用低成本高精度磁位移传感器测量直线和旋转位移变化输出扭矩和速度，以及实时功率，有效反馈骑行意图，提高助力骑行舒适性。

本发明的助力自行车用功率传感器采用凸轮传动力，和压缩具有特定结构特征的弹性件微小变形，通过高精度低成本的磁传感器检测位移变换，并通过标定查表方式得到实时扭矩，同时通过旋转磁环检测实时速度。具有测量精度高，实时性好，成本低的特点。

附图说明

图1为本发明的传感器结构与脚踏之间的位置关系示意图。

图2为本发明的传感器结构示意图。

图3为图2的剖视图用于体现传感器内部结构。

图4为图3的A部放大图用于体现磁环和圆周磁敏组件的位置关系。

图5为图3的B部放大图用于体现条形磁铁和直线磁敏组件的位置关系。

图6为本发明的左右凸轮套配合结构示意图。

其中：1、中轴；2、左铝碗；3、磁环；4、条形磁铁；5、信号检测处理线路板；6、弹性件；7、导向件；8、左凸轮套；9、右凸轮套；10、半月键；11、扭力连接套；12、右铝碗；13、圆周磁敏组件；14、直线磁敏组件；15、脚踏；16、轴承。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1-图6所示，本实施例的助力车用位移式功率传感器及其信号处理方法，包括中轴1，中轴1上套设有传动组件，传动组件包括：

弹性件6，套设在中轴1上，被中轴1的轴肩限位；

凸轮组件，套设在中轴1上，一端与弹性件6相抵触；

导向件7，轴向设置在中轴1的外圆表面上，凸轮组件遮盖在导向件7上；

扭力连接套11，套设在中轴1上，与凸轮组件背离弹性件6的一端相接，扭力连接套11、凸轮组件之间设有连接键；

信号检测处理线路板5，套设在凸轮组件外；

条形磁铁4，嵌设在信号检测处理线路板5上；

直线磁敏组件14，分布在条形磁铁4上；

磁环3，套设在中轴1上，且与信号检测处理线路板5相连；

圆周磁敏组件13，分布在磁环3上；

直线磁敏组件14和圆周磁敏组件13所发出的信号由外界编码器接收存储。

凸轮组件包括：

左凸轮套8，套设在中轴1上，一端抵触在弹性件6背离轴肩一侧的端面上；

右凸轮套9，套设在中轴1上，与左凸轮套8之间曲面相接。

左凸轮套8、右凸轮套9均设置为中空筒体，左凸轮套8、右凸轮套9相对的端面设置为相互配合的波浪面；波浪面的弧线弯折角度范围为30°～60°。

导向件7设有多组，环形阵列在中轴1的外圆表面上；每一组导向件7沿中轴1轴向排列。

扭力连接套11、凸轮组件之间的键连接具体结构为：右凸轮套9背离左凸轮套8的一端设有花键，花键环形阵列在右凸轮套9端部的外表面上。

本实施例中的弹性件6采用碟簧，弹性件6设有多组，每一组弹性件6包括两片夹角设置的簧片，两簧片相接处、簧片相背的顶角处均设置为垂直于中轴1的平面。

传动组件的两端面封有铝碗；两端铝碗内壁安装有轴承，通过轴承与中轴1、扭力连接套11相连。

本实施例的安装助力车用位移式功率传感器的方法，包括如下步骤：

以中轴1为基准，在中轴1的轴肩处套设弹性件6，

在中轴1上设置导向件7，套上左凸轮套8、右凸轮套9，左凸轮套8和右凸轮套9的端面曲面相互贴合，

在中轴1上套设连接键，在右凸轮套9上套设扭力连接套11，

在信号检测处理线路板5上预安装磁环3和条形磁铁4，并对应安装圆周磁敏组件13和直线磁敏组件14，再将信号检测处理线路板5套在弹性件6、凸轮组件外，

在上述半成品的两端扣合铝碗，铝碗内壁预安装轴承，得到位移式功率传感器成品，成品垂直安装在两侧脚踏之间。

本实施例的利用权利要求1的助理车用位移式功率传感器的信号处理方法，包括如下步骤：

通过脚踏施力，脚踏上的力传递至中轴1两端，

中轴1通过连接键带动右凸轮套9转动，右凸轮套9带动左凸轮套8转动，

左凸轮套8带动扭力连接套11转动，扭力连接套11上安装牙盘，牙盘作用于外界助力车的轮毂上，

调整作用在右凸轮套9上的外力，引起右凸轮套9与左凸轮套8之间的接触面的相对位移，此时左凸轮套8轴向运动，压缩弹性件6，将脚踏上的外力扭矩转化为弹性件6的轴向形变量，

中轴1保持转动，带动磁环3产生旋转磁场信号，传输至外界编码器处。

磁场信号的生成过程具体如下：

圆周磁敏组件13检测磁环3旋转的磁场变化，直线磁敏组件14检测条形磁铁4的直线位移磁场变化，

圆周磁环3采用若干个磁条拼接形成，对圆周磁环3径向NS充磁，圆周磁敏组件13在磁环3径向侧面分布，

当磁环3旋转时，产生若干个正弦磁场，信号检测处理线路板5上的角度传感器检测到磁场变化，生成采样电压信号，经由信号检测处理线路板5上的AD转换输出角度信号，输出形式包括SPI或AB正交脉冲，

直线磁条产生正弦磁场信号，直线磁敏组件14，具体可以包括离轴式角度传感器等芯片，在磁条上方，检测磁场变化，通过AD转换输出角度信号，输出形式包括SPI或AB正交脉冲，

信号检测处理线路板5上设有微处理器，通过实时输入圆周磁芯片输出的角度信号和直线磁敏元件输出的角度信号、通过实时输入圆周角度传感器的角度变化速率和方向，获得功率传感器的转速Sp和方向信号，通过直线角度传感器的角度变化，获得弹性件6的水平位移，

通过标定数据查表得到实时扭矩T，根据上述所得出的角度，以及角度变化率，计算旋转速度n，基于P＝η﹒T﹒n/9.55计算出实时脚踏功率，

式中，P为串口协议实时输出功率，T为所测得的扭矩，n为转速。

本实施例的具体结构及工作过程如下：

一种助力自行车用位移式功率传感器，包括中轴1、弹性件6组件、左凸轮套8、右凸轮套9、扭力连接套11、半月键10、导向件7、磁环3，和条形磁体，以及信号检测处理线路板5。

本发明的一个实施例中，导向件7包括设置在中轴1的外圆表面上的槽，槽沿中轴1的轴线设置，槽内设置滚珠或滑块，滚珠或滑块高出中轴1的表面，在周向起到限位作用，但在轴向上能够往复运动，从而实现轴向推动弹性件6的目的。

如图3所示，弹性件6组件套在中轴1上，一端与中轴1上的轴阶定位限制轴向移动，另一端与套在中轴1上的左凸轮套8连接，左凸轮套8通过滚珠7能够在中轴1上左右移动；结合参考图6，套在中轴1上的右凸轮套9通过端面的弧形面与左凸轮套8连接，右凸轮套9通过半月键10与中轴1连接，套在中轴1上的扭力连接套11通过内侧键槽与左凸轮套8外侧的键槽连接；

扭力连接套11上的键槽与左凸轮套8外侧的键槽通过成型加工形成具有一定的表面光洁度，一个单对极或多极磁环3通过粘接套在中轴1上，一个单对极条形磁体通过粘接固定在左凸轮套8表面，左铝碗2和右铝碗12通过轴承16分别与中轴1和扭力连接套11连接，在左铝碗2和右铝碗12之间设有信号检测处理线路板5，信号检测处理线路板5上设有圆周磁敏组件13和直线磁敏组件14，圆周磁敏组件13分布在磁环3圆周上，直线磁敏组件14分布在条形磁体上。

本发明的一个实施例中，力传递和位移运动关系包括：

通过脚踏15施力在中轴1两端的踏板上，中轴1通过半月键10带动右凸轮套9旋转，右凸轮套9通过凸轮机构连接带动左凸轮套8转动，左凸轮套8通过外侧键槽带动扭力连接套11运动，通过固定在扭力连接套11上的牙盘和套在牙盘上的传动链条作用于助力自行车轮毂上，通过作用在右凸轮套9上的不同力的大小，引起与右凸轮套9连接的左凸轮套8的凸轮接触面相对位移，左凸轮套8压缩弹性件6组件产生与施力大小有对应关系的位移，中轴1带动磁环3产生旋转磁场信号。

本发明的一个实施例中：弹性件6组件为多组瓦状的弹性件6片构成，该瓦状结构可以随轴向受力的大小，产生相应的伸缩量，从而使左凸轮套8和右凸轮套9产生相对位移。

作为本发明的可替换实施方式，左凸轮套8与右凸轮套9配合面形状为螺旋形或弧面形。当左凸轮套8受力后，通过螺旋形或弧面形配合面，可有效引导左右凸轮套9产生相对位移，由于受到半月键10的限位，右凸轮套9无法向右移动，左凸轮套8只能向左压缩弹性件6组件产生与施力大小有对应关系的位移。

本发明的一个实施例中，如果右凸轮套9顺时针转动，则左右凸轮套9之间的接触面上产生轴向力，使凸轮组件向左运动，推动弹性件6；

如果右凸轮套9逆时针转动，则左右凸轮套9之间的接触面上产生轴向分力，使凸轮组件向左运动，压缩弹性件6。

左凸轮套8和右凸轮套9之间的曲面呈波浪线形，可选波浪线的夹角为30°、45°、60°，施加在脚踏15曲柄上的力以200N.m扭矩为例，则此扭矩通过扭矩连接套的花键传递到右凸轮套9上，右凸轮套9通过45°斜面，产生轴向分力26kN，轴向力传递到左凸轮套8上，使左凸轮套8产生向左移动的驱动力，压缩弹性件6。左凸轮套8上的条形磁铁4同步左移，直线磁敏组件14即检测到轴向移动位置。

本发明的一个实施例中，信号检测处理线路板5上设有集成AD转换器的微处理器，圆周磁敏组件13和直线磁敏组件14信号与微处理器连接，圆周磁敏组件13检测磁环3旋转磁场变化，直线磁敏组件14检测条形磁体直线位移磁场变化。

本发明还公开一种扭矩和速度检测方式，通过直线磁敏组件14平行于条形磁体上，在脚踏15施力下，当条形磁体随左凸轮套8受力压缩弹性件6组件左右运动时，作用于直线磁敏组件14上的磁场发生微小变化，感应输出电压信号，通过ADC转换，角度计算，得出直线位移变化量△S，通过标定数据查表得到实时扭矩T；圆周磁敏组件13沿磁环3圆周上分布，当磁环3随中轴1旋转时，产生变化的正弦磁场，圆周磁敏组件13感应变化磁场输出电压信号，通过ADC转换，角度计算，得出旋转速度n，基于P＝η﹒T﹒n/9.55计算出实时脚踏15功率。

本发明的一种实施例中，输出信号根据控制器要求，通过串口协议实时输出功率P、扭矩T和速度n。

本发明具有测量精度高，实时性好，成本低的特点，能有效反应骑行者的意图，提升骑行舒适性。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种助力车用位移式功率传感器，包括中轴(1)，其特征在于：所述中轴(1)上套设有传动组件，传动组件包括：

弹性件(6)，套设在中轴(1)上，被中轴(1)的轴肩限位；

凸轮组件，套设在中轴(1)上，一端与弹性件（6）相抵触；

导向件（7），轴向设置在中轴（1）的外圆表面上，凸轮组件遮盖在导向件（7）上；

扭力连接套(11)，套设在中轴(1)上，与凸轮组件背离弹性件(6)的一端相接，扭力连接套(11)、凸轮组件之间设有连接键；

信号检测处理线路板(5)，套设在凸轮组件外；

条形磁铁(4)，嵌设在信号检测处理线路板(5)上；

直线磁敏组件(14)，分布在条形磁铁(4)上；

磁环(3)，套设在中轴(1)上，且与信号检测处理线路板(5)相连；

圆周磁敏组件(13)，分布在磁环(3)上；

直线磁敏组件(14)和圆周磁敏组件(13)所发出的信号由外界编码器接收存储。

2.如权利要求1所述的助力车用位移式功率传感器，其特征在于：所述凸轮组件包括：

左凸轮套(8)，套设在中轴(1)上，一端抵触在弹性件(6)背离轴肩一侧的端面上；

右凸轮套(9)，套设在中轴(1)上，与左凸轮套(8)之间曲面相接。

3.如权利要求2所述的助力车用位移式功率传感器，其特征在于：所述左凸轮套(8)、右凸轮套(9)均设置为中空筒体，左凸轮套(8)、右凸轮套(9)相对的端面设置为相互配合的波浪面；波浪面的弧线弯折角度范围为30°~60°。

4.如权利要求1所述的助力车用位移式功率传感器，其特征在于：所述导向件(7)设有多组，环形阵列在中轴(1)的外圆表面上。

5.如权利要求2所述的助力车用位移式功率传感器，其特征在于：扭力连接套(11)、凸轮组件之间的键连接具体结构为：右凸轮套(9)背离左凸轮套(8)的一端设有花键，花键环形阵列在右凸轮套(9)端部的外表面上。

6.如权利要求1所述的助力车用位移式功率传感器，其特征在于：所述弹性件(6)设有多组，每一组弹性件(6)包括两片夹角设置的簧片，两簧片相接处、簧片相背的顶角处均设置为垂直于中轴(1)的平面。

7.如权利要求1所述的助力车用位移式功率传感器，其特征在于：传动组件的两端面封有铝碗；两端铝碗内壁安装有轴承，通过轴承与中轴(1)、扭力连接套(11)相连。

8.一种安装权利要求1所述的助力车用位移式功率传感器的方法，其特征在于，包括如下步骤：

以中轴(1)为基准，在中轴(1)的轴肩处套设弹性件(6)，

在中轴(1)上设置导向件(7)，套上左凸轮套(8)、右凸轮套(9)，左凸轮套(8)和右凸轮套(9)的端面曲面相互贴合，

在中轴(1)上套设连接键，在右凸轮套(9)上套设扭力连接套(11)，

在信号检测处理线路板(5)上预安装磁环(3)和条形磁铁(4)，并对应安装圆周磁敏组件(13)和直线磁敏组件(14)，再将信号检测处理线路板(5)套在弹性件(6)、凸轮组件外，形成半成品，

在上述半成品的两端扣合铝碗，铝碗内壁预安装轴承，得到位移式功率传感器成品，成品垂直安装在两侧脚踏之间。

9.一种利用权利要求1所述的助力车用位移式功率传感器的信号处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

通过脚踏施力，脚踏上的力传递至中轴(1)两端，

中轴(1)通过连接键带动右凸轮套(9)转动，右凸轮套(9)带动左凸轮套(8)转动，

左凸轮套(8)带动扭力连接套(11)转动，扭力连接套(11)上安装牙盘，牙盘作用于外界助力车的轮毂上，

调整作用在右凸轮套(9)上的外力，引起右凸轮套(9)与左凸轮套(8)之间的接触面的相对位移，此时左凸轮套(8)轴向运动，压缩弹性件(6)，将脚踏上的外力扭矩转化为弹性件(6)的轴向形变量，

中轴(1)保持转动，带动磁环(3)产生旋转磁场信号，传输至外界编码器处。

10.如权利要求9所述的信号处理方法，其特征在于，磁场信号的生成过程具体如下：

圆周磁敏组件(13)检测磁环(3)旋转的磁场变化，直线磁敏组件(14)检测条形磁铁(4)的直线位移磁场变化，

圆周磁环(3)采用若干个磁条拼接形成，对圆周磁环(3)径向NS充磁，圆周磁敏组件(13)在磁环(3)径向侧面分布，

当磁环(3)旋转时，产生若干个正弦磁场，信号检测处理线路板(5)上的圆周磁敏组件(13)和直线磁敏组件(14)检测到磁场变化，生成采样电压信号，经由信号检测处理线路板(5)上的AD转换输出角度信号，输出形式包括SPI或AB正交脉冲，

直线磁条产生正弦磁场信号，直线磁敏组件(14)，具体包括离轴式角度传感器芯片，在磁条上方，检测磁场变化，通过AD转换输出角度信号，输出形式包括SPI或AB正交脉冲，

信号检测处理线路板(5)上设有微处理器，通过实时输入圆周磁敏组件(13)输出的角度信号和直线磁敏元件输出的角度信号、通过实时输入圆周磁敏组件(13)的角度变化速率和方向，获得功率传感器的转速Sp和方向信号，通过直线磁敏组件(14)的角度变化，获得弹性件(6)的水平位移，

通过标定数据查表得到实时扭矩T，根据上述所得出的角度，以及角度变化率，计算旋转速度n，基于P = η﹒T﹒n/9.55计算出实时脚踏功率，

式中，P为串口协议实时输出功率，T为所测得的扭矩，n为转速，η为机械效率。