CN115092296A - 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

本发明适用于助力领域，提供一种力矩传感器、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，其上固设有第一传动件；第二传动件，套设于中轴上并可相对中轴转动，第二传动件与第一传动件间隔设置；第三传动件，套设于第一传动件、第二传动件的外部并同时与第一传动件、第二传动件的相同一侧啮合传动；轴承座，套设于第三传动件外，第三传动件可相对于轴承座转动，应变片，设于轴承座外壁上，应变片用于检测轴承座在第三传动件的电压变化值。通过扭矩的传动结构设计，将现有结构中中轴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)上贴应变片采集扭矩应变(扭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，从而采集动态扭矩，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。

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，其上固设有第一传动件；

第二传动件，套设于所述中轴上并可相对所述中轴转动，所述第二传动件与第一传动件间隔设置，所述第二传动件用于连接负载；

第三传动件，套设于所述第一传动件、所述第二传动件的外部并同时与所述第一传动件、所述第二传动件的相同一侧啮合传动；

轴承座，套设于第三传动件外，所述第三传动件可相对于所述轴承座转动，所述轴承座的一端用于车体固定；

应变片，设于所述轴承座外壁上，所述应变片用于检测所述轴承座在所述第三传动件与所述第一传动件、所述第二传动件传动时产生的电压变化值。

进一步地，所述第一传动件一体成型于所述中轴上。

进一步地，所述轴承座包括套设于所述第三传动件外的承力部、与所述车体固定的受力部以及连接所述受力部与所述承力部的过渡部，所述受力部的内径小于所述承力部，所述应变片设于所述受力部上。

进一步地，所述过渡部为圆锥结构。

本发明还提供了一种助力装置，包括前述的力矩传感器以及第四传动件，所述第四传动件可转动地套设于所述中轴外并且与所述第二传动件连接固定，所述第二传动件可单向带动所述第四传动件转动，所述第四传动件上用于连接负载。

进一步地，所述第二传动件远离所述第一传动件的一端延伸出所述轴承座外形成固定部，所述固定部上套设有第一单向联动件，所述第四传动件套设于所述第一单向联动件上。

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五传动件；以及

前述的助力装置，所述第五传动件与所述第四传动件啮合传动并可单向带动所述第四传动件转动。

进一步地，所述中置电机的驱动端设有第二单向联动件，所述第五传动件与所述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驱动所述第五传动件带动所述第四传动件转动。

本发明还提供了一种力矩检测方法，包括以下步骤：

获取轴承座的弯矩；

根据所述轴承座的弯矩、所述轴承座的受力力臂，获取所述轴承座的径向力，其中，所述轴承座的径向力等于第三传动件的径向力；

根据所述轴承座的径向力、第一传动件的压力角、第二传动件的压力角，获取所述第一传动件的周向力和所述第二传动件的周向力；

根据所述所述第一传动件的周向力、半径以及所述第二传动件的周向力、半径，获取中轴的扭矩。

进一步地，所述获取所述轴承座的弯矩的步骤具体包括：

获取所述轴承座的应变力，根据所述应变力获取所述轴承座的弯矩。

本发明所达到的有益效果：通过在中轴上设置间隔设置第一传动件和第二传动件，并在第一传动件和第二传动件外同时与第三传动件配合传动，中轴输入扭力转动过程中，第一传动件可以通过第三传动件带动第二传动件转动，而第二传动件用于与车轮联动，如此能够实现脚踏输入扭矩带动车轮转动，同时，由于轴承座的一端固定在车体上，因此形成悬臂梁结构，在另一端通过第一传动件、第二传动件对轴承座施加径向的力，从而能够通过应变片检测轴承座上的弯矩来测量轴承座的径向力，从而能够获取到中轴扭矩的大小，即中轴输入力的大小。

附图说明

图1是本发明提供的一种助力装置的结构示意图；

图2是图1中A-A处的截面图；

图3是图1中B-B处的截面图；

图4是图1中B-B处的截面图。

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。

本发明实施例通过在中轴上设置间隔设置第一传动件和第二传动件，并在第一传动件和第二传动件外同时与第三传动件配合传动，中轴输入扭力转动过程中，第一传动件可以通过第三传动件带动第二传动件转动，而第二传动件用于与车轮联动，如此能够实现脚踏输入扭矩带动车轮转动，同时，由于轴承座的一端固定在车体上，因此形成悬臂梁结构，在另一端通过第一传动件、第二传动件对轴承座施加径向的力，从而能够通过应变片检测轴承座上的弯矩来测量轴承座的径向力，从而能够获取到中轴扭矩的大小，即中轴输入力的大小。

实施例一

参见图1-2，本发明实施例提供了一种力矩传感器，用于助力自行车的中置电机，包括中轴1、第一传动件2、第二传动件3、第三传动件4、轴承座5以及应变片7。其中，中轴1用于连接脚踏以使中轴1转动，第一传动件2固设于中轴1，第二传动件3套设于中轴1上并可相对中轴1转动，第二传动件3与第一传动件2间隔设置，第二传动件3用于连接负载，即第二传动件3用于与车轮联动，以在中轴1转动时能够带动车轮转动，第三传动件4套设于第一传动件2、第二传动件3的外部并同时与第一传动件2、第二传动件3的相同一侧啮合，即第一传动件2和第二传动件3与第三传动件4偏心设置，也就是说，第一传动件2转动时，只可以通过第三传动件4带动第二传动件3转动，而同时能够保证第一传动件2和第二传动件3的径向力能够同步传递到第三传动件4上，轴承座5套设在第三传动件4外，第三传动件4可相对于轴承座5转动，轴承座5的一端用于与车体固定，应变片7设于轴承座5外壁上，应变片7用于检测轴承座5在第三传动件4与第一传动件2、第二传动件3传动时产生的电压变化值。

在中轴1上设置间隔设置第一传动件2和第二传动件3，并在第一传动件2和第二传动件3外同时与第三传动件4配合传动，中轴1输入扭力转动过程中，第一传动件2可以通过第三传动件4带动第二传动件3转动，而第二传动件3用于与车轮联动，如此能够实现脚踏输入扭矩带动车轮转动，同时，由于轴承座5的一端固定在车体上，因此形成悬臂梁结构，在另一端通过第一传动件2、第二传动件3对轴承座5施加径向的力，从而能够通过应变片7检测轴承座5上的弯矩来测量轴承座5的径向力，从而能够获取到中轴1扭矩的大小，即中轴1输入力的大小。

本发明提供的力矩传感器，通过扭矩的传动结构设计，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。

具体的，第三传动件4和轴承座5之间，中轴1和第二传动件3之间均可以采用轴承6连接。。

进一步地，第一传动件2一体成型于中轴1上，如此能够提高第一传动件2和中周结构的紧凑性以及可靠性。

在本实施例中，第一传动件2、第二传动件3均外齿轮，第三传动件4为内齿轮。

实施例二

参见图2，在实施例一的基础上，进一步地，轴承座5包括套设于第三传动件4上的承力部51(即承力部51套设于第三传动件4外部的轴承6上)、与车体固定的受力部52以及连接受力部52与承力部51的过渡部53，受力部52的内径小于承力部51，应变片7设于受力部52上，如此，一方面能够减小轴承座5的空间占用，另一方面在承力部51受到径向力时，能够增大受力部52的形变程度，从而能够使得应变片7能够获取数值变化更加明显，以提高获取轴承座5弯矩的精度。

具体的，受力部52上可以设置法兰盘521，如此便于轴承座5与车体的连接固定。

进一步地，过渡部53为圆锥结构，即过渡部53的外壁为弧面结构，既能避免过渡部53凹陷使得承力部51被施加径向力时传到受力部52时力产生衰减现象，又能避免过渡部53凸出使得承力部51被施加径向力时受力部52难以产生形变现象而影响应变片7数值变化不明显的问题。

此外，可以理解的是，过渡部也63可以是圆锥结构的基本变形，例如垂直的直角结构或者其他夹角的结构。

实施例三

参见图2，本发明还提供了一种助力装置，包括前述的力矩传感器以及第四传动件8，第四传动件8可转动地套设于中轴1外并且与第二传动件3连接固定，第二传动件3可单向带动第四传动件8转动，第四传动件8用于连接负载，负载为车轮。

如此，通过第三传动件4单向带动第四传动件8转动，当用户踩脚踏时，脚踏对中轴1输入的扭矩由第三传动件4传递第二传动件3上，再由第二传动件3单向传递到第四传动件8，从而带动负载，即车轮转动。而车轮被助力时，第四传动件8不会向带动第三传动件4转动，从而不会将负载传递给中轴1。

本发明提供的助力装置，通过扭矩的传动结构设计，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。

进一步地，第四传动件8设有用于连接负载的负载连接件20。

在本实施中，负载连接件20可以是牙盘。

实施例四

参见图2，在实施例三的基础上，进一步地，第二传动件3远离第一传动件2的一端延伸出轴承座5外形成固定部31，固定部31上套设有第一单向联动件30，第四传动件8套设于第一单向联动件30外。如此第二传动件3和第四传动件8通过固定部31采用嵌套的方式固定，便于第四传动件8的与第二传动件2的可转动固定，即使第四传动件8在第二传动件3上可相对第二传动件3转动，同时连接更加稳固可靠；设置第一单向联动件30，能够保证第二传动件3能够带动第四传动件8转动，而不会使第四传动件8带动第二传动件3转动。

在本实施例中，第一单向传动件30可以采用单向轴承。

实施例五

本发明提供了一种助力自行车，包括车体(图中未示出)、中置电机(图中未示出)以及前述的助力装置。其中，中置电机设于车体上，中置电机的输出端设有第五传动件10，第五传动件10与第四传动件8啮合并可单向带动第四传动件8转动。

如此，在中轴1输入扭矩时，第四传动件8不会带动第五传动件10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五传动件10带动第四传动件8运转，从而能够对负载连接件20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，通过扭矩的传动结构设计，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。

进一步地，中置电机的驱动端设有第二单向联动件9，第五传动件10套与第二单向联动件9连接，具体的，第二单向联动件9可以为单向轴承，第五传动件10套设于第二单向联动件9外，中置电机可通过第二单向联动件9驱动第五传动件10带动第四传动件8转动。通过第二单向联动件9，能够实现中置电机对第四传动件8的单向传动，从而实现中置电机的单向助力。

实施例六

参见图2-4，本发明还提供了一种力矩检测方法，包括以下步骤：

S1：获取轴承座5的弯矩Mr,具体的，获取轴承座5的应变力，根据应变力获取轴承座5的弯矩Mr；

根据应变片7通用测量方法，由轴承座5上的应变片7可以测量标定出轴承座5所受到的弯矩Mr。

S2：根据轴承座5的弯矩、轴承座5的受力力臂L，获取轴承座5的径向力，其中，轴承座5的径向力等于第三传动件4的径向力；

轴承座5的弯矩是由第三传动件4的径向力Fr产生的，而轴承座5的受力力臂L为第三传动件4受力中心到轴承座5与车体连接处的距离，因此，则有计算公式：Mr＝Fr*L。

S3：根据轴承座5的径向力Fr、第一传动件2的压力角α、第二传动件3的压力角α，获取第一传动件2的周向力Ft1和第二传动件3的周向力Ft2；

轴承座5的径向力Fr和第三传动件4的径向力Fr’大小相同，方向相反，而第三传动件4的径向力为第一传动件2的径向力Fr1和第二传动件3的径向力Fr2之和，因此，有计算公式Fr＝Fr1+Fr2；

又因：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3、第三传动件4的压力角相同，均为α；

S4：根据第一传动件2的周向力、半径以及第二传动件3的周向力、半径，获取中轴1的扭炬。

根据中轴1受力分析可得第一齿轮齿轮和第二齿轮的扭矩都为中轴1的扭矩M，则：

M＝Ft1*R1

M＝Ft2*R2

则有：M/R1+M/R2＝Fr/tanα

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

实施例七

在实施例六的基础上，进一步地，获取轴承座5的弯矩的步骤具体包括：

S11：获取轴承座5的应变力，根据应变力获取轴承座5的弯矩。

通过设置在轴承座5上的应变片7检测轴承座5在受力时的电阻变化，从而获取产生的弯矩Mr。

以上所述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，其上固设有第一传动件；

第二传动件，套设于所述中轴上并可相对所述中轴转动，所述第二传动件与第一传动件间隔设置，所述第二传动件用于连接负载；

第三传动件，套设于所述第一传动件、所述第二传动件的外部并同时与所述第一传动件、所述第二传动件的相同一侧啮合传动；

轴承座，套设于第三传动件外，所述第三传动件可相对于所述轴承座转动，所述轴承座的一端用于车体固定；

应变片，设于所述轴承座外壁上，所述应变片用于检测所述轴承座在所述第三传动件与所述第一传动件、所述第二传动件传动时产生的电压变化值。

2.如权利要求1所述的力矩传感器，其特征在于，所述第一传动件一体成型于所述中轴上。

3.如权利要求1所述的力矩传感器，其特征在于，所述轴承座包括套设于所述第三传动件外的承力部、与所述车体固定的受力部以及连接所述受力部与所述承力部的过渡部，所述受力部的内径小于所述承力部，所述应变片设于所述受力部上。

4.如权利要求3所述的力矩传感器，其特征在于，所述过渡部为圆锥结构。

5.一种助力装置，其特征在于，包括如权利要求1-4任一项所述的力矩传感器以及第四传动件，所述第四传动件可转动地套设于所述中轴外并且与所述第二传动件连接固定，所述第二传动件可单向带动所述第四传动件转动，所述第四传动件上用于连接负载。

6.如权利要求5所述的助力装置，其特征在于，所述第二传动件远离所述第一传动件的一端延伸出所述轴承座外形成固定部，所述固定部上套设有第一单向联动件，所述第四传动件套设于所述第一单向联动件上。

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五传动件；以及

如权利要求5或6所述的助力装置，所述第五传动件与所述第四传动件啮合传动并可单向带动所述第四传动件转动。

8.如权利要求7所述的助力自行车，其特征在于，所述中置电机的驱动端设有第二单向联动件，所述第五传动件与所述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驱动所述第五传动件带动所述第四传动件转动。

9.一种力矩检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取轴承座的弯矩；

根据所述轴承座的弯矩、所述轴承座的受力力臂，获取所述轴承座的径向力，其中，所述轴承座的径向力等于第三传动件的径向力；

根据所述轴承座的径向力、第一传动件的压力角、第二传动件的压力角，获取所述第一传动件的周向力和所述第二传动件的周向力；

根据所述所述第一传动件的周向力、半径以及所述第二传动件的周向力、半径，获取中轴的扭矩。

10.如权利要求9所述的力矩检测方法，其特征在于，所述获取所述轴承座的弯矩的步骤具体包括：

获取所述轴承座的应变力，根据所述应变力获取所述轴承座的弯矩。

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