CN201697737U - 曲柄扭力感应装置 - Google Patents
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Abstract
一种曲柄扭力感应装置，设于助力型电动车的五通轴位置，主要藉由踩踏踏板时大齿盘带动链条所受到的反作用力，于五通轴支点产生一个向后的拉力，藉由量测此向后的拉力大小，即可得知踩踏踏板所产生的扭力值，而该五通轴所受的向后拉力大小乃透过一个类似弹簧磅秤的原理，测量五通轴的位移量，并根据附设的弹簧弹力系数及形变量计算而得。而该五通轴因受力产生的位移将使感测器产生一电压或电流讯号，将该电气讯号作为感应的控制讯号，且该控制讯号可决定驱动电力大小，以达到助力驱动目的。
Description
技术领域
本实用新型关于一种曲柄扭力感应装置，尤其是一种可检知助力型电动车在骑乘中的踏力所产生的扭力大小或量测运动时所踩踏的扭力大小的装置，藉此检知可控制电动马达输出适当的辅助动力或计算运动时所消耗的能量。
背景技术
目前助力型电动车的传动系统大多会包含了一提供辅助动力的电动马达，马达动力与骑乘者的踏力会被整合在一起，并驱动助力型电动车前行，如此可达到节省骑乘者体力的目的，并能够配合路面的状况使马达调整输出动力。为达此一目的，故可在踏力传递路径上设一踏力感测机构以感测骑乘者施加于踏板上力量是否增大，根据感测结果可控制马达的输出动力以减轻骑乘者的施力。
而习知具扭力感测功能的助力型电动车主要区分为两种型式，第一种为单纯的开关控制，当踏力所产生的扭力超过或低于某一大小时，即启动或关闭马达的动力输出；而另一种型式系以扭力感测机构感测踏力所产生扭力的大小，以扭力的大小来控制电动马达的输出动力。若仅以开关控制马达的动力输出，往往无法满足骑乘者需要弹性助力的需求；
然而目前的扭力感测机构往往需要利用复杂的行星伞齿轮组产生差动的效果，再将差动的相对角位移转换为扭力的感测值，而上述的扭力感测机构，如中国TW新型专利第092205249号(自行车扭力侦测装置)即是利用行星伞齿轮组配合一位移量测元件，在行星齿轮单元的齿环承受较大的扭力时，可挚动一连杆产生微量摆动，并使磁性单元与位移量测元件产生相对位移，而该位移量测元件所产生的相对位移，会使该位移量测元件的感应端部感应一电动势，而该电动势系可作为感应的控制讯号，进一步控制讯号可启动电力，以达到电力驱动目的。
然而上述的行星伞齿轮组机构的造价不低，并需使用很多的传动件而形成相当复杂的机构，例如中国TW创作专利第88114867号(自行车用转矩察觉器及自行车用曲柄轴连结部组合体)中所述，虽然已将此扭力侦测功能整合至五通轴相关机构内，但此创作需利用四组压力侦测器来感应踩踏脚踏车踏板时所产生的扭力大小，加上相关零组件加工精密而复杂，且组装工序仍有改善空间。
因此，若能提供一种构造简单的扭力感测装置，除了可大幅降低助力型电动车的生产成本外，亦能降低组装工序的困难度，应为符合目前产业界的最佳解决方案。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种曲柄扭力感应装置，其可大幅降低助力型电动车的生产成本，也能降低组装工序的困难，提供一种简单实用的感应装置。
为实现上述目的，本实用新型公开了一种曲柄扭力感应装置，其中该设于五通轴上的曲柄扭力感应装置安装于车架内，而该五通轴的中轴与第一曲柄轴连结部之间设置一环状凹部，而与第二曲柄轴连结部之间设置了一延伸部，其特征在于该曲柄扭力感应装置包含：
一环状凹部套设装置，套设于环状凹部上，该环状凹部套设装置包含一轴承元件及一扣环；
多个通过与感测器的搭配以测得五通轴旋转产生的磁场变化频率来检知踩踏扭力及转速大小的磁环，套设于中轴上；
一延伸部套设装置，套设于延伸部上，该延伸部套设装置包含一第一轴承套件、一具有磁石的第二轴承套件及一第三轴承套件，其中该第一轴承套件及第三轴承套件插入第二轴承套件的左右两侧以完成密合定位于延伸部上，而该第二轴承套件外缘上套设一弹性元件及一磁石；
一将多个磁环、延伸部套设装置以及当骑乘者踩踏踏板时使该延伸部套设装置反弹产生固定方向的微小位移并藉由该延伸部套设装置的磁石与感测器的搭配来测得磁场的变化的弹性元件套设其中的外套筒；
两个轴套，包含了第一轴套及一第二轴套，其中该第一轴套直接套设于环状凹部套设装置及外套筒一端上，而该第二轴套则套设于外套筒另一端上；
一感测器，设置于车架或外套筒上，与磁石设置位置相对应。
其中，该轴承元件套设于环状凹部上，并于该轴承元件与第一曲柄轴连结部之间套设一扣环。
其中，该弹性元件设置有一将弹性元件箍紧该延伸部套设装置的第二轴承套件的调整拉环。
其中，该中轴的外径大于该环状凹部的外径，而该环状凹部为一由中轴向第一曲柄轴连结部逐渐放大的斜向结构。
其中，该中轴的外径大于该环状凹部的外径，而该环状凹部为一由中轴向第一曲柄轴连结部逐渐缩小的斜向结构。
其中，该车架上设置了四个开口，其中之一为提供弹性元件的调整拉环放置的开口，而另一个开口位置则与该外套筒的开口位置相对应以便设置于车架上的感测器穿过该车架及外套筒的开口从而与磁环及磁石所设置位置相对应。
其中，该第二轴套与车架各自对应设置有至少一个定位孔，而该定位孔再藉由一定位栓穿入车架及第二轴套中。
其中，该第二轴套内放置一油封元件，该油封元件穿过第二曲柄轴连结部，并该第二轴套藉由穿入第二轴套与车架的定位栓进行定位。
其中，该感测器设置至少有一个能藉由感应磁石及磁环的位移变化进而改变所感应到的电气讯号的霍尔元件。
其中，该延伸部套设装置包含了多条环状钢珠元件、一轴承套及一弹性元件，其中该弹性元件套设于轴承套上，而该轴承套上设置有一磁石。
通过上述结构，本实用新型的扭力感应装置能实现以下技术效果：
1、仅需利用助力型电动车原有机构组件及组件间自然存在的力矩条件，即可建构踩踏力矩侦测的机械结构。
2、必要时并可搭配曲柄的位置，以取得曲柄扭力的单纯读值，并可避免双脚踩踏时的无效扭力所可能造成的干扰。
3、只需读取一非移动且非旋转侦测元件的电压值即可完成扭力计算，故可避免回转式连续电极所可能产生的不可靠性。
4、将侦测元件及电路封装于扭力感应模组外壳内，藉此达到防污防水的功能。
5、利用弹性元件所设置的调整拉环可将弹性元件箍紧该轴承套，以便踏板踩动力量向前时，该弹性元件会使该轴承套反弹产生固定方向之微小位移，并藉由轴承套的磁石与感测器搭配，可测得磁场的变化，来检知踩踏扭力的大小。
6、通过踩踏踏板使五通轴旋转时，该中轴上所套设的原点磁环及角度磁环，其中该原点磁环设置了两个磁区(开始与结束两个磁区)，而该角度磁环设置了四十八个磁区，藉由对照原点磁环及角度磁环的磁区，再与感测器的搭配，可测得磁场的变化频率，来检知转速的大小及曲柄轴角度位置。
有关于本实用新型的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。
附图说明
图1为本实用新型曲柄扭力感应装置的工作原理示意图；
图2为本实用新型曲柄扭力感应装置的操作示意图；
图3A为本实用新型曲柄扭力感应装置的第一实施例的立体架构图；
图3B为本实用新型曲柄扭力感应装置的第一实施例的组合示意图；
图3C为本实用新型曲柄扭力感应装置的第一实施例的感测器与车架仰视示意图；
图3D为本实用新型曲柄扭力感应装置的第一实施例的感测器另一实施例图；
图3E为本实用新型曲柄扭力感应装置的第一实施例的第二轴套与轴承套组合示意图；
图4A为本实用新型曲柄扭力感应装置的第一实施例的垂直剖面分解图；
图4B为本实用新型曲柄扭力感应装置的第一实施例的垂直剖面图；
图5A为本实用新型曲柄扭力感应装置的第一实施例的组装示意图；
图5B为本实用新型曲柄扭力感应装置的第一实施例的组装示意图；
图6A为本实用新型曲柄扭力感应装置的第二实施例的立体架构图；
图6B为本实用新型曲柄扭力感应装置的第二实施例的垂直剖面图；
图6C为本实用新型曲柄扭力感应装置的第二实施例的垂直剖面分解图；以及
图6D为本实用新型曲柄扭力感应装置的第二实施例的第二轴承元件与第二轴套组合示意图。
具体实施方式
请参阅图1，为本实用新型曲柄扭力感应装置的工作原理示意图，由图1中可知，当施加向下的力量Fp(踩踏力量)于踏板101上时，会于五通轴心上产生大小为Fp*CosΘ1*l1的扭力τ1(τ1代表五通轴扭力，而Θ1代表曲柄102与水平的夹角)，此扭力将于链条104施加T1的张力(链条张力)。此张力大小为τ1/r，此处的r代表大齿盘103半径。由力学分析可知五通轴心将受到一向后拉力FB(五通轴所受的向后拉力)，此FB大小为T1*CosΘ2，当上端链条104几乎水平时代表Θ2(Θ2代表链条与水平的夹角)很小，此时FB可近似为T1，因此测量FB即可得知链条104张力，进一步反推踩踏该踏板101的扭力大小，本实用新型即利用此原理，让原本只能做旋转运动的五通轴，能够以踩蹋所产生的扭力使五通轴产生一正比于向后拉力FB的向后位移，并藉由一弹性装置使五通轴产生一正比于踩踏所产生的扭力的向后位移，再侦测此位移大小后，将此向后位移量转化成电气讯号，即可完成扭力侦测的任务，进一步达成助力型电动车的辅助力道控制。
请参阅图3A及图3B为本实用新型曲柄扭力感应装置的第一实施例的立体结构图及组合示意图，由图3A及图3B中可知，该五通轴20的中轴201可与第一曲柄轴连结部202之间设置一环状凹部204，而与第二曲柄轴连结部203之间设置了一延伸部205，该曲柄扭力感应装置主要包括：
一环状凹部套设装置30，包含了一轴承元件301及一扣环302，其中该环状凹部上会套设该轴承元件301，并于该轴承元件301与第一曲柄轴连结部202之间套设一扣环302；
两个磁环，分别为原点磁环401及角度磁环402，各自套设于该五通轴20的中轴201上，其中该原点磁环401设置了两个磁区(开始与结束两个磁区)，而该角度磁环402设置了四十八个磁区，藉由对照原点磁环401及角度磁环402的磁区，即可判断出转速的大小及曲柄轴角度位置；
一延伸部套设装置50，套设于该五通轴20的延伸部205上，其中该延伸部套设装置50包含了一第一轴承套件501、一具有磁石5023的第二轴承套件502及一第三轴承套件503，该第一轴承套件501及第三轴承套件503各自有设置一环状凸出部5011，5031，而该第二轴承元件502内部有一环状内缘5021(请参考图4B)，因此该环状凸出部5011，5031可插入左右两侧的环状内缘5021，以进行完成密合定位于延伸部205上，而该第二轴承元件502外缘上可套设一弹性元件5022及一磁石5023，其中该弹性元件5022上设置一调整拉环50221；
一外套筒70，会将该两个磁环401，402及延伸部套设装置50套设其中，而该外套筒70对应该弹性元件5022的调整拉环50221及该第二轴承元件502的磁石5023，各自设置了一开口701，702(请参考图4A)，而该外套筒70朝向轴承元件301的连结套筒703可直接抵持于轴承元件30上，另外该外套筒70朝向第二曲柄轴连结部203之间套设一第二轴套802；
一第一轴套801，套设于轴承元件30及外套筒70的连结套筒703上，而该轴承元件30会抵持于第一轴套801内缘所设置的环状定位部8011上；
一第二轴套802，该第二轴套802朝向外套筒70的外缘有凸出一环状凸条8021，而该第二轴套802与该延伸部套设装置50的第三轴承套件503相互结合，而该第二轴套802的内径大于该第三轴承套件503外侧的外径，另外该弹性元件5022的调整拉环50221将弹性元件5022箍紧该第二轴承元件502时，该第二轴承元件502与第二轴套802的间会产生一半弧形缝隙8027(请参考图3E)；另外该第二轴套802朝向第二曲柄轴连结部203的内缘，系将一油封元件90穿过第二曲柄轴连结部203，套设于第二轴套203内。
值得一提的是，该五通轴20的中轴201的外径大于该环状凹部204的外径，而该环状凹部204为一由中轴201向第一曲柄202轴逐渐放大的斜向结构(亦可设计成该中轴201向第一曲柄202轴逐渐缩小的斜向结构)，另外该延伸部205的外径小于中轴201的外径，并与第二曲柄轴连结部203的外径大小相同(请参考图4A及图4B)。
值得一提的是，该车架60上可设置四个开口601，602，603，604，其中之一为提供该弹性元件5022的调整拉环50221放置的开口603(对应该外套筒70的开口701位置相对应)，而该弹性元件5022的调整拉环50221可将该弹性簧元件5022箍紧该第二轴承元件502调整使用，以便骑乘者9踩踏踏板101使五通轴20产生一向后力量FB时，一并驱动套设于该第二曲柄轴连结部203的齿盘10，该弹性元件5022会反弹产生一向前力量FF，以使该延伸部套设装置50产生固定方向的微小位移；
另一个车架上的开口604位置则与该外套筒70底部的开口702位置相对应，以便设置于车架60上的感测器605(该感测器605设置至少有一个能藉由感应磁石5023、原点磁环401及角度磁环402的位移变化，进而改变所感应到的电气讯号的霍尔元件)可穿过该车架60及外套筒70的开口702，与中轴201的磁环(原点磁环401及角度磁环402)以及第二轴承元件502的磁石5023所设置位置相对应，以便藉由该第二轴承元件502的磁石5023与感测器605的搭配，可测得磁场的变化，来检知踩踏扭力的大小；另外当踩踏踏板101使五通轴20旋转时，该中轴201上所套设的两个磁环401，402，藉由磁环401，402与感测器605的搭配，可测得磁场的变化频率，来检知转速的大小(请参考图2、图3C、图4A、图5A及图5B)。
值得一提的是，该外套筒70外缘上能够直接装设一感测器704(请参考图3D)，故可不必于该车架6外缘打洞来设置一感测器元件，故能够增加其装设便利性。
值得一提的是，该第二轴套802的定位孔8022以及车架60的定位孔601，602位置相对应，而该定位孔8022，601，602可藉由一定位栓8023，进而穿入车架60及第二轴套802，以便防止骑乘者9踩踏踏板使该五通轴20旋转时，可防止第二轴套802连带旋转，进而影响五通轴20上的延伸部套设装置50向后移动的自由空间，而导致检测的结果不准确的情况发生(请参考图2、图3A、图3C及图4A)。
请参阅图6A及图6B为本实用新型曲柄扭力感应装置的第二实施例的立体结构图及组合示意图，由图6A及图6B中可知，与第一实施例差异最大的部份即为该延伸部套设装置50及其搭配的第二轴套802，而第二实施例中延伸部套设装置50套设于该五通轴20的延伸部206上，其中该延伸部套设装置50包含了两条环状钢珠元件504、一轴承套505及一弹性元件506，其中该两条环状钢珠元件504套设于该五通轴20的延伸部206上，而该两条环状钢珠元件504外再套设一具有磁石509的轴承套505，另外该轴承套505的外缘设置有一环状凹部507(请参考图6B)及两个定位凸部508，而该环状凹部507上套设有一弹性元件506，并于该弹性元件506上设置一调整拉环5061。
值得一提的是，该外套筒70会将该两个磁环401，402、轴承套505及弹性元件506套设其中，而该外套筒70对应该弹性元件506的调整拉环5061及该轴承套505的磁石509，各自设置了一开口701，702。
值得一提的是，该第二轴套802朝向外套筒70的外缘有凸出两条环状凸条8024，同时形成两个定位凹部8025，因此该延伸部套设装置50的两个定位凸部508与第二轴套802的两个定位凹部8025相互结合，而该第二轴套802的内径大于该延伸部套设装置50的外径，会产生一半弧形缝隙8027(请参考图6D)。
值得一提的是，该第二轴套802朝向第二曲柄轴连结部203的内缘，设置了一环状定位部8026(请参考图6C)，并再将一油封元件90穿过第二曲柄轴连结部203，套设于第二轴套203的环状定位部8026上。
创作所提供的曲柄扭力感应装置，与其他习用技术相互比较时，更具备下列优点：
1.本实用新型的曲柄扭力感应装置，利用助力型电动车原有机构组件及组件间自然存在的力矩条件，建构力矩侦测的机械结构，构造简单化。
2.本实用新型的曲柄扭力感应装置，只需读取一非移动且非旋转侦测元件的电压值即可完成扭力计算，故可省却回转式连续电极所可能产生的不可靠性。
3.本实用新型的曲柄扭力感应装置，可使用线性霍尔元件(感测元件)，构建非接触式扭力检知系统。
4.本实用新型的曲柄扭力感应装置，具有一构件简单、组装容易、且体积小巧的优点，并无须修改车架几何结构即可安装本扭力感应器。
藉由以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本实用新型的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本实用新型的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本实用新型所欲申请的专利范围的范畴内。
Claims (10)
1.一种曲柄扭力感应装置，其中该设于五通轴上的曲柄扭力感应装置安装于车架内，而该五通轴的中轴与第一曲柄轴连结部之间设置一环状凹部，而与第二曲柄轴连结部之间设置了一延伸部，其特征在于该曲柄扭力感应装置包含：
一环状凹部套设装置，套设于环状凹部上，该环状凹部套设装置包含一轴承元件及一扣环；
多个通过与感测器的搭配以测得五通轴旋转产生的磁场变化频率来检知踩踏扭力及转速大小的磁环，套设于中轴上；
一延伸部套设装置，套设于延伸部上，该延伸部套设装置包含一第一轴承套件、一具有磁石的第二轴承套件及一第三轴承套件，其中该第一轴承套件及第三轴承套件插入第二轴承套件的左右两侧以完成密合定位于延伸部上，而该第二轴承套件外缘上套设一弹性元件及一磁石；
一将多个磁环、延伸部套设装置以及当骑乘者踩踏踏板时使该延伸部套设装置反弹产生固定方向的微小位移并藉由该延伸部套设装置的磁石与感测器的搭配来测得磁场的变化的弹性元件套设其中的外套筒；
两个轴套，包含了第一轴套及一第二轴套，其中该第一轴套直接套设于环状凹部套设装置及外套筒一端上，而该第二轴套则套设于外套筒另一端上；
一感测器，设置于车架或外套筒上，与磁石设置位置相对应。
2.如权利要求1项所述的曲柄扭力感应装置，其特征在于，该轴承元件套设于环状凹部上，并于该轴承元件与第一曲柄轴连结部之间套设一扣环。
3.如权利要求1所述的曲柄扭力感应装置，其特征在于，该弹性元件设置有一将弹性元件箍紧该延伸部套设装置的第二轴承套件的调整拉环。
4.如权利要求1所述的曲柄扭力感应装置，其特征在于，该中轴的外径大于该环状凹部的外径，而该环状凹部为一由中轴向第一曲柄轴连结部逐渐放大的斜向结构。
5.如权利要求1所述的曲柄扭力感应装置，其特征在于，该中轴的外径大于该环状凹部的外径，而该环状凹部为一由中轴向第一曲柄轴连结部逐渐缩小的斜向结构。
6.如权利要求1所述的曲柄扭力感应装置，其特征在于，该车架上设置了四个开口，其中之一为提供弹性元件的调整拉环放置的开口，而另一个开口位置则与该外套筒的开口位置相对应以便设置于车架上的感测器穿过该车架及外套筒的开口从而与磁环及磁石所设置位置相对应。
7.如权利要求1所述的曲柄扭力感应装置，其特征在于，该第二轴套与车架各自对应设置有至少一个定位孔，而该定位孔再藉由一定位栓穿入车架及第二轴套中。
8.如权利要求1所述的曲柄扭力感应装置，其特征在于，该第二轴套内放置一油封元件，该油封元件穿过第二曲柄轴连结部，并该第二轴套藉由穿入第二轴套与车架的定位栓进行定位。
9.如权利要求1所述的曲柄扭力感应装置，其特征在于，该感测器设置至少有一个能藉由感应磁石及磁环的位移变化进而改变所感应到的电气讯号的霍尔元件。
10.如权利要求1所述的曲柄扭力感应装置，其特征在于，该延伸部套设装置包含了多条环状钢珠元件、一轴承套及一弹性元件，其中该弹性元件套设于轴承套上，而该轴承套上设置有一磁石。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110105 Termination date: 20140622 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |