CN114954755A - 力矩传感器、助力装置、助力自行车以及力矩检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于自行车领域，提供了一种力矩传感器、助力装置、助力自行车以及力矩检测方法。力矩传感器包括中轴；第一传动件和第四传动件，第一传动件固设于中轴，第四传动件可转动地套设于中轴，第一传动件和第四传动件沿中轴的轴线方向间隔排列设置；支撑悬臂，一端固定在车体上，另一端可转动地设有第二传动件和第五传动件，第二传动件和第五传动件共轴一设置，第二传动件与第一传动件啮合，第五传动件与第四传动件啮合；应变片，设于支撑悬臂上。通过弯矩的传动结构设计，将现有结构中中轴1上动态扭矩转换为关系稳定的弯矩进行测量，相比现有技术，无需采用无线传输扭矩，没有无线供电和无线通讯存在的风险，扭矩获取可靠性强，成本低。

Description

力矩传感器、助力装置、助力自行车以及力矩检测方法

技术领域

本发明属于自行车领域，尤其涉及一种力矩传感器、助力装置、助力自行车以及力矩检测方法。

背景技术

助力自行车，是一种新型二轮车辆，属于自行车的一种，以电池作为辅助动力来源，安有电机,并具备动力辅助系统，能实现人力骑行和电机助动一体化的新型交通工具。在助力自行车领域，电机安装位置主要分为两种，一种是中置，即电机安装在车身的中间位置即五通位置的电机，称为中置电机。中置电机与车架连接，并通过链条与后轮进行连接而传递动力，同时电机的两侧安装有脚踏，在电机没有电源的情况下，骑行者可以通过脚踏实现人力骑行，阻力和正常的自行车没有差别。另外一种则是安装在自行车的轮毂中，称为轮毂电机。

中置助力单车其力矩传感器是单车中的核心技术，是骑行过程中采集骑行力矩的检测端，现有中置助力单车检测骑行力矩，通用的方法是通过旋转变形轴(旋转中轴/中轴上变形体)上贴应变片采集弯矩应变(弯矩应变引起的应变片阻值变化)，经过半桥/全桥采集形变后应变片的电压信号，通过放大、A/D处理，经由无线通讯方式将信号传输给静止的信号接收端，从而采集动态弯矩，时旋转轴上应变片的供电通过电磁感应(主副线圈变压器形式)进行供电。此种方式需要处理无线供电和无线通信问题，导致信号处理麻烦，存在外部电磁信号干扰风险，需要做电磁屏蔽处理。

发明内容

本发明实施例提供的力矩传感器，旨在解决现有技术中需要处理无线供电和无线通信问题，导致信号处理麻烦，存在外部电磁信号干扰风险，需要做电磁屏蔽处理的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种力矩传感器，用于助力自行车的中置电机，包括：

中轴，用于连接脚踏；

第一传动件和第四传动件，所述第一传动件固设于所述中轴，所述第四传动件可转动地套设于所述中轴，所述第一传动件和所述第四传动件沿所述中轴的轴线方向间隔排列设置；

支撑悬臂，一端固定在车体上，另一端可转动地设有第二传动件和第五传动件，所述第二传动件和所述第五传动件共轴且一体设置，所述第二传动件与所述第一传动件啮合，所述第五传动件与所述第四传动件啮合；

应变片，设于所述支撑悬臂上，用以获取应变片当所述支撑悬臂在所述第一传动件与所述第二传动件传动时所产生的电压变化值。

进一步地，所述支撑悬臂包括间隔设置的第一固定板和第二固定板，以及连接所述第一固定板和所述第二固定板的连接轴，所述第二传动件、所述第五传动件可转动地固定于所述连接轴上。

进一步地，支撑悬臂还包括固定件，所述固定件连接所述第一固定板和所述第二固定板并用于与车体固定。

进一步地，所述应变片设于所述第一固定板和/或所述第二固定板的垂直于所述连接轴轴线方向的相对两侧。

本发明还提供了一种助力装置，包括第三传动件以及前述的助力传感器，所述第三传动件可相对所述中轴转动地设于所述中轴上并且位于所述第四传动件的背离所述第一传动件的一侧，所述第四传动件可单向带动所述第三传动件转动，所述第三传动件用于连接负载。

进一步地，所述第三传动件设有连接部，所述连接部上设有第一单向联动件，所述第四传动件固设于所述第一单向联动件，所述第四传动件可通过所述第一单向联动件带动所述第三传动件联动。

本发明还提供了一种助力自行车，包括：

车体；

中置电机，设于所述车体上，所述中置电机的输出端设有第六传动件；以及

前述的助力装置，所述第三传动件与所述第六传动件啮合，所述第六传动件可单向带动所述第三传动件转动。

进一步地，所述中置电机的输出端固设有第二单向联动件，所述第六传动件与第二单向联动件连接，所述中置电机可通过所述第二单向联动件带动所述第三传动件转动。

本发明还提供了一种力矩检测方法，包括以下步骤：

获取支撑悬臂的弯矩；

根据所述支撑悬臂的弯矩、所述支撑悬臂与第一传动件和第二传动件连线的夹角、所述第二传动件的中心至所述支撑悬臂另一固定端的距离，获取第二传动件与第一传动件配合传动的径向力以及第五传动件和第四传动件配合传动的径向力；

根据所述第一传动件的径向力和所述第一传动件的压力角、所述第四传动件的径向力和所述第四传动件的压力角，分别获取所述第一传动件的周向力、所述第四传动件的周向力，其中，所述第一传动件与所述第一传动件传动位置的周向力相等，所述第四传动件与所述第五传动件传动位置的周向力相等；

根据所述第一传动件的径向力、周向力以及半径，所述第四传动件的径向力、周向力以及半径，获取中轴的弯矩。

进一步地，所述获取所述支撑悬臂的弯矩的步骤具体包括：

获取所述支撑悬臂的应变力，根据所述应变力获取所述支撑悬臂的弯矩。

本发明所达到的有益效果：在中轴上设置第一传动件和第四传动件，在车体上设置支撑悬臂，并在支撑悬臂上转动设置第二传动件与第一传动件啮合和第五传动件与第四传动件啮合形成传动，由于支撑悬臂的一端处于固定姿态，第二传动件径向力分力和第五传动件径向分力的合力能够对支撑悬臂产生一定的弯曲现象，进一步通过在支撑悬臂上设置应变片以检测支撑悬臂的电阻变化值，从而能够获取到中轴的输入弯矩，即中轴驱动负载时所需要的力。

附图说明

图1是本发明提供的助力装置的立体图；

图2是图1中A-A处的截面图；

图3是本发明提供的助力装置的侧视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明在中轴上设置第一传动件，在车体上设置支撑悬臂，并在支撑悬臂上转动设置第二传动件与第一传动件啮合和第五传动件与第四传动啮合形成传动，第二传动件径向力分力与第五传动件径向分力的合力能够对支撑悬臂产生一定的弯曲现象，进一步通过在支撑悬臂上设置应变片以检测支撑悬臂的电阻变化值，从而能够获取到中轴的输入弯矩，即中轴驱动负载时所需要的力。

实施例一

参见图1-3，本发明提供了一种力矩传感器，用于助力自行车的中置电机，其特征在于，包括中轴1、第一传动件2、第二传动件4、第三传动件61、第四传动件62、第五传动件63、支撑悬臂3以及应变片5。其中，中轴1用于连接脚踏；第一传动件2固设于中轴1以使能够随中轴1转动，第四传动件62可转动地套设于所述中轴1，第一传动件2和第四传动件62沿中轴的轴线方向间隔排列设置，以避免第一传动件2和第四传动件转动时相互干涉；支撑悬臂3的一端固定在车体上，另一端可转动地设置第二传动件4和第五传动件63，第二传动件4和第五传动件63共轴且一体设置，第二传动件4与第一传动件2啮合以使第一传动件2转动时能带动第二传动件4转动,与第二传动件4一体设置的第五传动件63与第四传动件62啮合能带动第四传动件62转动，第四传动件62和第五传动件63一体设置，能保证两者受到第一传动件2和第四传动件62的径向力保持一致的传递到支撑悬臂3上；应变片5设于支撑悬臂3上，用以获取应变片5当支撑悬臂3在第一传动件2与第二传动件4传动时所产生的电压变化值。

通过在中轴1上设置第一传动件2和第四传动件62，在车体上设置支撑悬臂3，并在支撑悬臂3上转动设置第二传动件4和第五传动件63，第二传动件4与第一传动件2形成传动，第五传动件63与第四传动62件形成传动，第四传动件再单向带动第三传动件转动转动，从而形成完整的扭矩传递，而在中轴带动第一传动件2转动以将力传递到第二传动件4上时，支撑悬臂的一端处于固定姿态，第二传动件4和第五传动件63的径向力分力能够对支撑悬臂3产生一定的弯曲现象，进一步通过在支撑悬臂3上设置应变片5以获取应变片5当支撑悬臂3在受到第二传动件和第一传动件的径向分力的合力时所产生的电阻变化值，从而能够获取到中轴1的输入弯矩，即中轴1驱动负载时所需要的力。

本发明提供的力矩传感器，通过弯矩的传动结构设计，将现有结构中中轴1上动态扭矩扭矩转换为关系稳定的弯矩进行测量，相比现有技术，无需采用无线传输扭矩，没有无线供电和无线通讯存在的风险，扭矩获取可靠性强，成本低。

具体的，第一传动件2和第二传动件4均为齿轮，第一传动件2和第二传动件4啮合传动。如此传动精度高，同时能够提高结构紧凑性以及弯矩传递的稳定性。

具体的，支撑悬臂的一端设有用于与车体固定的方形孔35，即方形孔35可依次穿透下述的第一固定板31、固定件34以及第二固定板32，可以采用方形件(图中未示出)与方形孔35配合使得支撑悬臂3固定于车体上，如此能够避免第一传动件2和第二传动件4运转过程中支撑悬臂3绕方形件发生转动，从而提高应变片测量数据的精确度。

具体的，第一传动件2可以通过花键、平键或者其他固定方式固定在中轴1上。

在本实施中，第一传动件2、第二传动件4、第四传动件62以及第五传动件63均可以采用齿轮。

实施例二

参见图1，在实施例一的基础上，进一步地，支撑悬臂3包括间隔设置的第一固定板31和第二固定板32，以及连接第一固定板31和第二固定板32的连接轴33，第二传动件4和第五传动件63可转动地固定于连接轴33上。如此，第一固定板31和第二固定板32可以能够提高第二传动件4和第五传动件63的受力稳固度，同时提高支撑悬臂3的强度，从而提高使用寿命。

进一步地，支撑悬臂3还包括固定件34，固定件34连接第一固定板31和第二固定板32，第一固定板31、固定件34以及第二固定板32用于与车体固定。如此，固定板和连接轴33的共同配合，能够将第一固定板31、第二固定板32形成结构可靠、稳定的整体，以提高支撑悬臂3的整体强度性能，同时还便于支撑悬臂3在车体上的固定。

进一步地，应变片5设于第一固定板31和/或第二固定板32的垂直于连接轴33轴线方向的相对两侧，当应变片5设置于第一固定板31和第二固定板32上时，能够加强应变片5数值测量的准确性，提高产品的可靠性。

实施例三

参见图1，本发明还提供了一种助力装置，包括第三传动件61以及上述的助力传感器，第三传动件61可相对中轴1转动地设于中轴1上并且位于第四传动件62的背离第一传动件2的一侧，第四传动件62可单向带动第三传动件61转动，第三传动件61用于连接负载，负载为车轮。

如此，通过第四传动件62单向带动第三传动件61转动，当用户踩脚踏时，脚踏对中轴1输入的扭矩由第四传动件62传递到第三传动件61，从而带动负载，即车轮转动。而车轮被助力时，第三传动件61不会向带动第四传动件62转动，从而不会将负载传递给中轴1。

具体的，第三传动件61通过第二轴承30、第三轴承40与中轴1连接，其中，第二轴承30、第三轴承40位于第三传动件61的两端，即第二轴承30或者第三轴承40设于连接部上，以便于第三传动件61在中轴1上的安装。

进一步地，第三传动件61设有用于连接负载的负载连接件7。

在本实施例中，负载连接件7可以是牙盘。

具体的，第三传动件61设有连接部，连接部上设有第一单向联动件8，第四传动件62固设于第一单向联动件8，第四传动件62可通过第一单向联动件8带动第三传动件61联动。如此，中轴转动带动第四传动件62转动，第四传动件62能够通过第一单向联动件8带动第三传动件61转动，而当中置电机对中轴输入动力时，第三传动件61无法带动第四传动件62转动，从而能够避免负载向中轴1传递。

本发明提供的助力装置，通过弯矩的传动结构设计，将中轴1上动态扭矩转换为关系稳定的弯矩进行测量，相比现有技术，无需采用无线传输扭矩，没有无线供电和无线通讯存在的风险，扭矩获取可靠性强，成本低。

在本实施中，第一单向联动件8可以采用单向轴承。

实施例四

参见图1，本发明还提供了一种助力自行车，包括车体、中置电机(图中未示出)以及上述的助力装置。中置电机设于车体上，中置电机的输出端设有第六传动件9，第三传动件61与第六传动件9啮合，第六传动件9可单向带动第三传动件61转动。

如此，在中轴1输入弯矩时，第三传动件61不会带动第六传动件9转动而不会带动中置电机的输出端转动，以避免因为拖动电机从而增加人力端的负载，而中置电机转动时能够驱动第六传动件9带动第三传动件61运转，从而能够对负载连接件7进行驱动，进而减少中轴1输入端的负载，产生助力效果。。

本发明提供的助力自行车，通过弯矩的传动结构设计，将中轴1上动态扭矩转换为关系稳定的弯矩进行测量，相比现有技术，无需采用无线传输扭矩，没有无线供电和无线通讯存在的风险，扭矩获取可靠性强，成本低。

参见图2，具体的，中置电机的输出端固设有第二单向联动件10，第六传动件9与第二单向联动件10连接，中置电机可通过第二单向联动件10带动第三传动件61转动。如此，第六传动件9通过第二单向联动件10与中置电机连接，在第三传动件61转动时，第六传动件9被第三传动件61带动处于空转状态，即第六传动件9不会带动中置电机的输出端转动，而中置电机的输出端输出的驱动力能够通过第二单向联动件10带动第六传动件9运转，从而带动第三传动件61运转，以带动负载端转动，从而实现对中轴1的助力。

在本实施中，第二单向联动件10可以采用单向轴承。

实施例五

参见图3，本发明还提供了一种力矩检测方法，包括以下步骤：

S1：获取支撑悬臂3的弯矩Mr，具体的，获取支撑悬臂3的应变力，根据应变力获取支撑悬臂3的弯矩Mr。

根据应变片5通用测量方法，由支撑悬臂3上的应变片5可以测量标定出支撑悬臂3所收到的弯矩Mr。

S2：根据支撑悬臂3的弯矩Mr、支撑悬臂3与第一传动件2和第二传动件4连线的夹角β、第二传动件4的中心至支撑悬臂3固定端的距离L，获取第二传动件4与第一传动件2配合传动的径向力以及第五传动件63和第四传动件62配合传动的径向力；

支撑悬臂3上的弯矩Mr是由第二传动件4与第五传动件63的径向力一起作用产生，即设第一传动件2对第二传动件4的径向力为Fr1，则第二传动件4对第一传动件2的径向力为反向力，设为Fr1”，设第四传动件62对第五传动件63的径向力为Fr2，则第五传动件63对第四传动件的径向力为反向力，设为Fr1”，则径向力Fr1的分力(Fr12))和径向力Fr2(图中未示出)分力的合力对支撑悬臂3的作用力产生弯矩Mr，由于第一传动件和第四传动件共轴，第二传动件和第五传动件共轴，因此支撑悬臂与第四传动件和第五传动件连线的夹角也为β，其中，β是支撑悬臂3与传动件啮合中心线的所夹锐角；

根据计算公式：Mr＝(Fr1+Fr2)*sinβ*L，可计算得到Fr2的值。

S3：根据第一传动件2的径向力Fr1和第一传动件2的压力角α，获取第一传动件2的周向力Ft1，其中，第一传动件2与第二传动件4传动位置的周向力相等；

根据第四传动件62的径向力Fr2和第四传动件62的压力角α，获取第四传动件62的周向力Ft2，其中，第四传动件62与第五传动件63传动位置的周向力相等；

根据计算公式：

Fr＝Fr1+Fr2；

Ft1＝Fr1/tanα；

Ft2＝Fr2/tanα；

可得：Ft1+Ft2＝Fr/tanα

其中，压力角α为传动件的机械参数固定值，相互配合的第一传动件2、第二传动件4、第四传动件62、第五传动件63的压力角相同，均为α；

S4：根据第一传动件2的径向力Fr1、周向力Ft1以及半径R1，第四传动件62的径向力Fr2、周向力Ft2以及半径R2，获取中轴1弯矩。

根据中轴1受力分析可知，固定在中轴1的第一传动件2和第四传动件62的弯矩均为中轴1的弯矩，

根据计算公式：

M＝Ft1*R1

M＝Ft2*R2

可得：M/R1+M/R2＝Fr/tanα

从而得到:M＝Fr*R1*R2/[(R1+R2)*tanα]＝Mr*R1*R2/[(R1+R2)*tanα*sinβ*L]

实施例八

在实施例七的基础上，进一步地，获取支撑悬臂3的弯矩的步骤具体包括：

S11:获取支撑悬臂3的应变力，根据应变力获取支撑悬臂3的弯矩Mr。通过设置在支撑悬臂3上的应变片5以获取应变片5当支撑悬臂3在受力时所产生的电阻变化，从而获取产生的弯矩Mr。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种力矩传感器，用于助力自行车的中置电机，其特征在于，包括：

中轴，用于连接脚踏；

第一传动件和第四传动件，所述第一传动件固设于所述中轴，所述第四传动件可转动地套设于所述中轴，所述第一传动件和所述第四传动件沿所述中轴的轴线方向间隔排列设置；

支撑悬臂，一端固定在车体上，另一端可转动地设有第二传动件和第五传动件，所述第二传动件和所述第五传动件共轴且一体设置，所述第二传动件与所述第一传动件啮合，所述第五传动件与所述第四传动件啮合；

应变片，设于所述支撑悬臂上，用以获取所述应变片当所述支撑悬臂在所述第一传动件与所述第二传动件传动时所产生的电压变化值。

2.如权利要求1所述的力矩传感器，其特征在于，所述支撑悬臂包括间隔设置的第一固定板和第二固定板，以及连接所述第一固定板和所述第二固定板的连接轴，所述第二传动件、所述第五传动件可转动地固定于所述连接轴上。

3.如权利要求2所述的力矩传感器，其特征在于，支撑悬臂还包括固定件，所述固定件连接所述第一固定板和所述第二固定板并用于与车体固定。

4.如权利要求2所述的力矩传感器，其特征在于，所述应变片设于所述第一固定板和/或所述第二固定板的垂直于所述连接轴轴线方向的相对两侧。

5.一种助力装置，其特征在于，包括第三传动件以及如权利要求1-4任一项所述的助力传感器，所述第三传动件可相对所述中轴转动地设于所述中轴上并且位于所述第四传动件的背离所述第一传动件的一侧，所述第四传动件可单向带动所述第三传动件转动，所述第三传动件用于连接负载。

6.如权利要求5所述的助力装置，其特征在于，所述第三传动件设有连接部，所述连接部上设有第一单向联动件，所述第四传动件固设于所述第一单向联动件，所述第四传动件可通过所述第一单向联动件带动所述第三传动件联动。

7.一种助力自行车，其特征在于，包括：

车体；

中置电机，设于所述车体上，所述中置电机的输出端设有第六传动件；以及

如权利要求5或6所述的助力装置，所述第三传动件与所述第六传动件啮合，所述第六传动件可单向带动所述第三传动件转动。

8.如权利要求7所述的助力自行车，其特征在于，所述中置电机的输出端固设有第二单向联动件，所述第六传动件与第二单向联动件连接，所述中置电机可通过所述第二单向联动件带动所述第三传动件转动。

9.一种力矩检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取支撑悬臂的弯矩；

根据所述支撑悬臂的弯矩、所述支撑悬臂与第一传动件和第二传动件连线的夹角、所述第二传动件的中心至所述支撑悬臂另一固定端的距离，获取第二传动件与第一传动件配合传动的径向力以及第五传动件和第四传动件配合传动的径向力；

根据所述第一传动件的径向力和所述第一传动件的压力角、所述第四传动件的径向力和所述第四传动件的压力角，分别获取所述第一传动件的周向力、所述第四传动件的周向力，其中，所述第一传动件与所述第一传动件传动位置的周向力相等，所述第四传动件与所述第五传动件传动位置的周向力相等；

根据所述第一传动件的径向力、周向力以及半径，所述第四传动件的径向力、周向力以及半径，获取中轴的弯矩。

10.如权利要求9所述的力矩检测方法，其特征在于，所述获取所述支撑悬臂的弯矩的步骤具体包括：

获取所述支撑悬臂的应变力，根据所述应变力获取所述支撑悬臂的弯矩。

Images