CN203902776U

CN203902776U - 一种扭矩分解传递机构

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Publication number: CN203902776U
Application number: CN201420154190.8U
Authority: CN
Inventors: 钟德斌
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-04-01
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2024-04-01

Abstract

本实用新型涉及助力自行车配件，具体的说是涉及一种扭矩分解传递机构，扭矩分解传递机构包括：扭力输入的主动齿轮、传递扭矩的数个钢珠、扭力输出的叉齿、护圈、压缩碟簧组的滑套、与滑套一同移动的磁环、位移传感器，钢珠沿叉齿的斜面滑动，在碟簧组的弹力下传递扭矩，其扭力与测出的碟簧弹力成正切函数关系。中轴力矩传感器分解的轴向力使滑套压缩碟簧组，带动磁环支架使磁环移动，再由位移传感器测出磁环的绝对位置，计算出碟簧组的轴向力，其与扭矩的切向力成正切函数关系。径向多极磁环及其支架随中轴一同转动，由磁环转速传感器输出中轴的转速和方向。左端方轴与右端培林轴采用螺钉、平面轴承连接。

Description

一种扭矩分解传递机构

技术领域

本实用新型涉及助力自行车配件，具体的说是涉及一种扭矩分解传递机构。

背景技术

智能助力自行车是指脚踩启动,脚停断电的电助力自行车。此种车不具机动功能,属非机动车，在欧美日本可合法的在人行道上骑行。

智能助力自行车的核心部件是力矩传感器,即要测出人的脚踏力。有几种方法:1.在牙盘上安装力矩传感器,简单经济,已大批使用,缺点是只能应用于单牙盘而且力矩信号为开关量。2.在链条上安装压链式力矩传感器,有专利,CITYBUG已量产。3.在飞轮,厉轴,轮毂上安装，统称后置式力矩传感器,YAMAHA的PAS系统。4.装在自行车中轴上。

中轴力矩传感器需装在标准五通内,受空间限制（五通长68mm,螺纹外径34.798mm）和恶劣的使用状态（中轴冲击扭矩可达160n.m,测量范围60n.m），能在市场上批量使用的很少见。1.常采用应变片测扭矩,在中轴上贴应变片,用耦合的方式输入电源和输出信号,很多厂家已做出样品, 贴应变片工艺差,弯矩扭矩混在一起且信号处理难。2.采用磁致伸缩原理做出的磁弹性扭矩传感器,德国的舍弗勒已成功(THUN使用其专利)，在中轴表面整一层易磁致伸缩的材料,扭矩变化会使材料的磁强度变化,再由传感器换算扭矩大小。我国90年代起有科研院所已再研究,还在试验阶段。3.采用机械方式，将扭矩转换成易测量的角度或位移，测量的角度范围越大则踩踏的滞后越大，骑行感不好。

现有技术中的中轴缺点:培林轴端叉齿槽加工成本高;零件多;左端轴与右培林轴或牙盘有一个相对的转动角度，含加工误差后，最大近七度，会使左踩踏力延后，感觉力矩传递不直接。

实用新型内容

针对上述技术中的不足，本实用新型提供了一种扭矩分解传递机构，中轴力矩传感器在标准五通内安装并能测出左端或两端扭矩和转速及方向的中轴。

为解决上述技术问题，本实用新型通过以下方案来实现。

一种扭矩分解传递机构，它包括：扭力输入的齿轮、传递扭矩的数个钢珠、扭力输出的叉齿、护圈、压缩碟簧组的滑套、与滑套一同移动的磁环、位移传感器、中轴左端力矩传感器,钢珠沿叉齿的斜面滑动,在碟簧组的弹力下传递扭矩,其扭力与测出的碟簧弹力成正切函数关系。

进一步的，所述叉齿左端均匀分布数个U型叉齿槽，包括产生扭矩分解的斜线面,与其相连的限制钢珠最大位移的限位直线面。

进一步的，碟簧组由三片标准的碟簧对合而成，形成接触面一端小一端大。

进一步的，所述中轴左端力矩传感器安装在标准五通内，它包括:左轴碗、壳体支撑轮、左端轴承、多极磁环、多极磁环支架、左方轴、位移磁环、位移磁环支架、碟簧组、滑套、PCB底壳、PCB壳体、导线、PCB板、磁环位移传感器、磁环转速传感器、齿轮、护圈、钢珠、螺钉位钢珠、钢珠隔离器、右培林轴、右端轴承、平垫片、弹性垫片、螺钉、防水圈、挡板、右轴碗、轴碗挡圈；扭力输入的左方轴与扭力输出的右培林轴用螺钉和弹性垫片紧固连接，螺钉位钢珠和钢珠隔离器及平垫片组成平面轴承；磁环转速传感器和磁环位移传感器贴片焊接在PCB板上, 位移传感器采用BGA封装, 转速传感器采用SOIC封装,且共用3伏电源；磁环支架是铝合金，外牙用于调节位移磁环与位移传感器的初始位置,消除加工组装误差；凸筋是阻止PCB壳体组件从轴上脱落；凸爪折弯后扣紧磁环；PCB底壳和PCB壳体都是塑胶件，靠挡边与壳体支撑轮连接定位,卡钩与扣位相扣；所述导线设置有六根，两根为3伏的电源线，两根是力矩信号线，另两根是转速方向信号线，经壳体支撑轮从左端出，或设置在轴的中间，从五通与立管的排气孔中引出。

进一步的，所述中轴力矩传感器还包括：角接触钢珠、钢珠隔离器、叉齿、滚针轴承、橡胶套管、牙盘轮毂、轮毂球轴承、弹性卡环；所述叉齿内部设置有圆锥面，所述圆锥面压住数个角接触钢珠，所述角接触钢珠一侧设置有提供轴向反作用力的滚珠槽。

进一步的，所述叉齿与牙盘轮毂采用凹凸齿啮合连接，其与右轴碗之间设置有滚针轴承，所述牙盘轮毂一侧设置有球轴承，球轴承一侧设置有弹性卡环作轴向固定。

本实用新型与现有力矩中轴相比，其优点如下：

1.首次成功采用机械方式在中轴内加入力矩传感器,可在恶劣环境中使用,没有应变片和磁弹性力矩传感器复杂的信号处理,没有苛刻的电源要求,没严格的装配工艺。

2.结构简单,所需磁环,传感器,机械配件都是成熟工艺,可低成本批量生产, 普及智能助力自行车，此机构也可代替应变片应用于普通扭矩传感器内。

3.所述中轴左端标准方孔轴,右端标准培林花键轴,只改变右端花键轴长度就可适合不同尺寸的CHAIN LINE。数据连接线从左端出,可用于后装市场，显示踏频、力矩、功率。

4.所述中轴只须改变碟簧厚度就可改变力矩测量范围,磁环位移传感器精度0.002mm，对应五百分之一的力矩测量范围。

以下是结合具体实施方式与附图说明对本实用新型做进一步的描述。

附图说明

图1是本实用新型的第一种方案只测左端力矩的结构剖视图。

图2是本实用新型的第一种方案立体爆炸图。

图3是本实用新型的第一种方案叉齿立体和剖视图。

图4是本实用新型碟簧组件剖视图。

图5是本实用新型磁环转速、位移传感器立体图。

图6是本实用新型主动圆弧齿轮立体图。

图7是本实用新型多极磁环支架立体图。

图8是本实用新型PCB上下壳体立体图;

图9是本实用新型位移磁环支架立体图;

图10是本实用新型之钢珠与叉齿斜面机构产生轴向力示意图;

图11是本实用新型左方轴立体图与滑套剖面图;

图12是本实用新型壳体支撑轮立体图;

图13是本实用新型扭矩分解机构示意图。

图14是本实用新型的第二种方案测两端扭矩之剖面图。

图15是本实用新型的第二种方案立体爆炸图。

图16是本实用新型的第二种方案中轴立体图。

图17是本实用新型的第二种方案叉齿立体和剖面图。

图18是本实用新型的第二种方案牙盘轮毂立体图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作详细说明。

如图1和图2所示，第一种方案的中轴力矩传感器包括：左轴碗1,壳体支撑轮2,左端球轴承3,多极磁环4,多极磁环支架5,左方轴6,位移磁环7,位移磁环支架8,碟簧组9,滑套10,PCB底壳11,PCB壳体12,导线13,PCB板14,位移传感器15,转速传感器16,主动齿轮17,护圈18,钢珠19,螺钉位钢珠20,钢珠隔离器21,右培林轴22,右端球轴承23,平垫片24,弹性垫片25,螺钉26,防水圈27,挡板28,右轴碗29,轴碗挡圈30。

如图3所示，右培林轴22的叉齿槽由三面构成, 钢珠19分别作用在这三个面上时：直线面31则牙盘反转,斜线面32则牙盘正转且产生轴向力,限位直线面33则牙盘正转不产生轴向力。

如图4所示，碟簧组9由三片碟簧34组合而成,碟簧34为标准件。

如图5所示, 转速传感器16和位移传感器15贴片焊接在PCB板14上, 位移传感器15采用BGA封装,减少空间。

如图6所示,主动齿轮17上的多个受力齿边35,储油槽47,均匀分布。

如图7所示,多极磁环支架5上的挡边36,屏蔽多极磁环4右边的磁力线,减少对右边位移磁环7和传感器15的干扰。

如图8所示, PCB底壳11的左挡边37是与壳体支撑轮2连接定位的,右挡边38 是卡在磁环支架8的凸筋43的右边,阻止左部零件脱落。卡钩39有四个,与PCB壳体12上的四个扣位40相扣,其左挡边41是与壳体支撑轮2连接定位的。

如图9所示,磁环支架8上的外牙42 与滑套10上的内牙连接,位移磁环7与位移传感器15的相对位置是靠外牙42 旋入滑套10的深浅调节的,以消除加工装配的位置误差。凸筋43是防止PCB壳体组件从左中轴上脱落。凸爪44有四个,磁环7装入支架8后,再折弯凸爪44,扣紧磁环7。

如图10所示,本实用新型机构在钢珠19作用于右轴22的叉齿上时，斜线面32使作用力分解成轴向力f 45和切向力F 46。

如图11所示，碟簧组9两端的压缩力分别作用在左轴6的轴肩48和滑套10的底面49上，钢珠19作用于滑套10的边50上。

如图12所示，壳体支撑轮2内有导线槽51，导线13嵌入其中，卡槽52同时为PCB底壳11和PCB壳体12提供定位和连接。

第一种方案如图1至图12所示,左方轴6将力矩传递齿轮17上，齿边35再将切向力作用在钢珠19上，在护圈18的限制下，左方轴6正转时，钢珠19的切向力作用在右培林轴22的叉齿斜线面32上，斜线面32与直线面31的夹角为θ，斜线面32分解出轴向力f 45和切向力F 46，轴向力f 45反作用于钢珠19上使滑套10压缩碟簧组9，且滑套10带动磁环支架8使磁环7产生位移，位移传感器15测出的位移值就可换算出碟簧组9的压缩力，此压缩力与轴向力f 45相等，根据公式f=tan(θ)F,T=F*R计算出扭矩T的大小，T越大，滑环10使碟簧组9的压缩量越大，钢珠19沿斜线面32作轴向滑动，伴随左方轴6相对右轴22转动一个角度，故螺钉位钢珠20和钢珠隔离器21组成一个平面轴承，减少两端轴相对转动时的摩擦力。

当轴向力f 45达到设定值时（扭矩T的测量限定值），钢珠19滑出斜线面32与限位直线面33接触，则轴向力f 45保持最大值，超出的切向力全部作用在直线面33上，起到碟簧限位作用。

当左方轴6反转或右培林轴22正转时，钢珠19与叉齿槽上的反转直线面31接触，没有轴向力f 45产生。

防水圈27和挡板28的作用：1.防尘防水保护平面轴承。2.防拆卸螺钉26。3.美观。

位移磁环支架8采用铝合金无磁性材质，不干扰位移传感器15。

如图13所示，扭矩传感器分解机构：正转或反转的主动齿轮54将扭矩传递给钢珠19，在护圈18的限制下，钢珠19作用在叉齿66的斜面32上，产生一个轴向力和切向力，前者通过钢珠19反作用于滑套10上压缩碟簧组9，钢珠19沿斜面滑动产生位移，切向力即为扭力,其与测出的碟簧弹力是正切函数关系，叉齿63顶端的直面33不产生轴向力，限制最大位移，不超出碟簧极限。

如图14和图15所示，第二种方案测中轴两端扭矩的传感器包括：左轴碗1,壳体支撑轮2,左端球轴承3,多极磁环4,多极磁环支架5,中轴53,位移磁环7,位移磁环支架8,碟簧组9,滑套10,PCB底壳11,PCB壳体12,导线13,PCB板14,位移传感器15,转速传感器16,主动齿轮54,护圈18,钢珠19,角接触钢珠56,钢珠隔离器57,叉齿55,滚针轴承58,橡胶套管59,牙盘轮毂60，轮毂球轴承61，弹性卡环62,右轴碗29,轴碗挡圈30。

如图16所示，第二种方案只采用一根方的中轴53,支撑碟簧组9的轴肩48,安装角接触钢珠56的滚珠槽63,安装弹性卡环62的卡槽64。

如图17所示，叉齿55的U型齿槽同样由三面构成：直线面31,斜线面32,限位直线面33，内部锥面65压住角接触钢珠56由滚珠槽63提供轴向固定。

如图18所示，牙盘轮毂60内装球轴承61，弹性卡环62轴向限位。

如图14至图18所示，第二种方案为:碟簧组9先套入中轴53后再一同冷缩, 主动齿轮54热胀,与中轴53过盈连接,左右端的扭矩都通过主动齿轮54传递到钢珠19上,钢珠19与叉齿55上的斜面32产生轴向力和切向力，前者使碟簧组9压缩，反作用力通过角接触钢珠56作用在中轴53的滚珠槽63上，并降低叉齿55与中轴53相对转动的摩擦力，叉齿55只传递切向扭矩给牙盘轮毂60。

Claims

1.一种扭矩分解传递机构，其特征在于，它包括：扭力输入的主动齿轮（54）、传递扭矩的数个钢珠（19）、扭力输出的叉齿（66）、护圈（18）、压缩碟簧组（9）的滑套（10）、与滑套一同移动的磁环（7）、位移传感器（15）、中轴力矩传感器,钢珠(19)沿叉齿（66）的斜面（32）滑动,在碟簧组（9）的弹力下传递扭矩,其扭力与测出的碟簧弹力成正切函数关系。

2.根据权利要求1所述的一种扭矩分解传递机构，其特征在于：所述叉齿（66）左端均匀分布数个U型叉齿槽，包括产生扭矩分解的斜线面（32）,与其相连的限制钢珠最大位移的限位直线面（33）。

3.根据权利要求1所述的一种扭矩分解传递机构，其特征在于：碟簧组（9）由三片标准的碟簧（34）对合而成，形成接触面一端小一端大。

4.根据权利要求1所述的一种扭矩分解传递机构，所述中轴力矩传感器安装在标准五通内，其特征在于，它包括:左轴碗（1）、壳体支撑轮（2）、左端轴承（3）、多极磁环（4）、多极磁环支架（5）、左方轴（6）、位移磁环（7）、位移磁环支架（8）、碟簧组（9）、滑套（10）、PCB底壳（11）、PCB壳体（12）、导线（13）、PCB板（14）、磁环位移传感器（15）、磁环转速传感器（16）、齿轮（17）、护圈（18）、钢珠（19）、螺钉位钢珠（20）、钢珠隔离器（21）、右培林轴（22）、右端轴承（23）、平垫片（24）、弹性垫片（25）、螺钉（26）、防水圈（27）、挡板（28）、右轴碗（29）、轴碗挡圈（30）；扭力输入的左方轴（6）与扭力输出的右培林轴（22）用螺钉（26）和弹性垫片（25）紧固连接，螺钉位钢珠（20）和钢珠隔离器（21）及平垫片（24）组成平面轴承；磁环转速传感器（16）和磁环位移传感器（15）贴片焊接在PCB板（14）上, 位移传感器（15）采用BGA封装, 转速传感器（16）采用SOIC封装,且共用3伏电源；磁环支架（8）是铝合金，外牙（42）用于调节位移磁环（7）与位移传感器(15)的初始位置,消除加工组装误差；凸筋(43)是阻止PCB壳体组件从轴上脱落；凸爪（44）折弯后扣紧磁环(7)；PCB底壳（11）和PCB壳体（12）都是塑胶件，靠挡边（37）和挡边（41）与壳体支撑轮（2）连接定位,卡钩（39）与扣位（40）相扣；所述导线（13）设置有六根，两根为3伏的电源线，两根是力矩信号线，另两根是转速方向信号线，经壳体支撑轮（2）从左端出，或设置在轴的中间，从五通立管中引出。

5.根据权利要求4所述的一种扭矩分解传递机构，其特征在于：所述中轴力矩传感器还包括：角接触钢珠（56）、钢珠隔离器（57）、叉齿（55）、滚针轴承（58）、橡胶套管（59）、牙盘轮毂（60）、轮毂球轴承（61）、弹性卡环（62）；所述叉齿（55）内部设置有圆锥面（65），所述圆锥面（65）压住数个角接触钢珠（56），所述角接触钢珠（56）一侧设置有提供轴向反作用力的滚珠槽（63）。

6.根据权利要求5所述的一种扭矩分解传递机构，其特征在于：所述叉齿（55）与牙盘轮毂（60）采用凹凸齿啮合连接，其与右轴碗（29）之间设置有滚针轴承（58），所述牙盘轮毂（60）一侧设置有球轴承（61），球轴承（61）一侧设置有弹性卡环（62）作轴向固定。