CN204758187U - 中轴式力矩传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种中轴式力矩传感器，包括中轴、齿盘、套设于中轴上的双螺旋弹性连接器、套设于双螺旋弹性连接器上的轴套、套设于中轴左侧且与轴套配合的左端盖及套设于中轴右侧且与中轴转动配合的法兰，弹性连接器的左端与中轴固定连接，右端与法兰配合固定，齿盘与法兰配合固定，弹性连接器变形部位的两端分别套设有磁环，轴套一侧具有两组与两磁环相对应的霍尔元件，当对左和/或右踏脚组件加力时，中轴转动，弹性连接器受力发生扭曲后带动法兰及齿盘相对中轴产生角位移，同时两组霍尔元件通过采集弹性连接器变形后的两磁环间角度差信号的大小，计算出人脚踩的力矩信号值，以控制电机的输出功率，提供相应的助力。

Description

中轴式力矩传感器

技术领域

本实用新型涉及一种中轴式力矩传感器。

背景技术

目前市场上的电动自行车一般安装有力矩传感器，用于将骑行者施加到脚踏上的力转换成电动自行车控制器能够识别的电信号，以控制电机的输出功率，实现助力效果。

目前常见力矩传感器最关键的两部分为磁组件和能够对磁组件感应的霍尔元件，其中磁组件一般包括主动磁组件和被动磁组件，主动磁组件与被动磁组件能够相对转动，当主、被动磁组件相对转动从而使二者之间形成的磁场发生变化后，则施加到霍尔元件上的磁场大小就会发生变化，从而使霍尔元件产生的力矩电信号发生变化，控制器根据随脚踏转动发生改变的力矩电信号控制电机输出功率的大小。

现有力矩传感器中一般都通过弹性连接器(或叫联轴器)将主动端与被动端之间弹性连接，达到减小冲击载荷对传动系统的破坏。现有弹性连接器主要有两种：螺旋槽弹性连接器(见图1和图2)与平行槽弹性连接器(见图3和图4)，相关的论文在网上随处可见，但是这两种连接器各有各的优点和缺点：螺旋槽的优点是线性好而且线性变形范围大，弹性材料可以得到充分的伸展，受力截面相对固定，因此应力分散性好、线性好，但缺点是在使用相当长时间后，由于材料的各种缺陷，其簧丝易断裂，进而产生颠覆性损坏；平行槽的优点是加工方便，由于各槽平行，用铣床或线切割都可以加工，后期调整弹性模量也方便，但是由于平行槽采用两点固定的封闭环形结构的受矩变形，两固定点为输入和输出端，这种结构在受到扭矩情况下的变形使得两段弧形受压与受拉变形，而金属材料的弹性变形特性主要是依靠其弯曲特性来实现的，而金属材料自身本体的拉伸变形和压缩变形的变形率则是很小的，不像橡胶和聚氨酯材料具有的自身本体变形，因此有效变形长度较小，导致角度的变化量无法更多的释放，因此变形角度很小。另外平行槽弹性连接器截面各处不同，是阶跃状截面，也就是说相当于复合弹性模量的弹簧(一根弹性模量小的弹簧与一根弹性模量大的弹簧串联结构)因此在承受的扭矩不断加大时，弹性模量呈现出非线性特征。

发明内容

本发明目的是：提供一种结构简单、可双脚加力的中轴式力矩传感器，其采用了双螺旋的结构，具有承受大扭矩、高疲劳强度、小空间、大角度变形、超负荷自动角度限位、双重保险的特点。

本实用新型的技术方案是：一种中轴式力矩传感器，包括中轴、齿盘、套设于中轴上的弹性连接器、套设于弹性连接器上且可与中轴及弹性连接器相对转动的轴套、套设于中轴左侧且与轴套配合固定的左端盖、以及套设于中轴右侧且与中轴转动配合的法兰，所述弹性连接器的左端与中轴固定连接，所述弹性连接器的右端与法兰配合固定，所述齿盘的中心孔与该法兰的外圈配合固定，所述两曲柄分别安装于中轴的两端且对应地连接有左、右踏脚组件，所述弹性连接器变形部位的两端分别套设有磁环，所述轴套一侧具有左、右两组与两磁环相对应的霍尔元件，当有负载情况下对左和/或右踏脚组件加力时，中轴转动，弹性连接器受力发生扭曲后带动法兰及齿盘相对中轴产生角位移，同时两组霍尔元件通过采集弹性连接器变形后两磁环间角度差信号的大小，计算出人脚踩的力矩信号值，以控制电机的输出功率，提供相应的助力；所述弹性连接器为双螺旋弹性连接器，其包括弹性变形段及设于弹性变形段左、右两侧的左固定段和右固定段，所述弹性变形段的管壁上开设有两个同旋向且错开的螺旋槽，所述弹性变形段管壁在两螺旋槽之间形成有两条螺旋状的簧丝。

进一步的，两螺旋槽的螺距相同，且两螺旋槽的同侧端部在弹性变形段的同圆周方向间隔180度布置。

再进一步的，所述弹性连接器的左固定段及中轴是通过键连接实现相对固定的。所述弹性连接器的右固定段的右端周向间隔布置有若干个卡槽，所述法兰内孔周壁设有若干个与卡槽对应的卡块，右固定段的右端与法兰通过卡槽与卡块的卡接实现配合固定。

所述轴套左侧与中轴之间、轴套右侧与弹性连接器的右固定段之间分别设有第一轴承和第二轴承。

本实用新型的优点是：

1.本实用新型简单且可双脚加力，当左踏脚组件和/或右踏脚组件加力时，中轴转动，弹性连接器受力变形后带动法兰及齿盘转动，同时两组霍尔元件通过弹性连接器变形后两磁环间的角度差检测到人脚踩的力矩信号，以控制电机的输出功率，提供助力。

2、本实用新型具有承受大扭矩、短轴距、大角度变形、双重保险等特点，与普通螺旋弹性连接器相比可靠性更高，由于采用了双螺旋的结构，在使用相当时间过程后，由于材料的各种缺陷，当其中的一根簧丝断裂时，还有另一根簧丝依然可以正常工作，使用者不必担心产生颠覆性损坏。

3、本实用新型具有超负荷自动角度限位功能，由于弹性连接器为管状结构，在使用过程中其内穿设有一根轴，使用时，由于受力后弹性连接器扭曲直径减小，将对轴的外表面有一个抱紧力，当抱紧到两者簧丝与轴外表面贴合后将不会再转动，从而保证了簧丝不再产生进一步的变形，保护弹性连接器不会损坏，本实用新型与传统的连接器相比，无须特定的角度限位机构即可实现角度限位功能，省去了超负荷的限位机构，简化了设计和加工。

4、本实用新型由于材料变形的有效横截面积长度较长，所以弹性范围更大，与同等截面的单螺旋弹性连接器相比，其可以在不到一个导程的轴向距离内簧丝参与变形的范围加大，因此具有高疲劳强度和更大的变形范围。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

图1、图2为螺旋槽弹性连接器的立体示意图；

图3、图4为平行槽弹性连接器的立体示意图；

图5为本实用新型的剖面结构示意图

图6、图7为本实用新型中双螺旋弹性连接器的立体示意图；

图8为本实用新型的侧面示意图；

图9为本实用新型的剖面示意图；

图10为本实用新型中法兰的侧视图。

其中：1齿盘；2中轴；3弹性连接器；31弹性变形段；32左固定段；33右固定段；34螺旋槽；35簧丝；36卡槽；4轴套；5左端盖；6法兰；61卡块；7磁环；8PBC板；9霍尔元件；11第一轴承；12第二轴承。

具体实施方式

实施例：如图5至图10所示，一种中轴式力矩传感器，包括中轴2、齿盘1、套设于中轴2上的弹性连接器3、套设于弹性连接器3上且可与中轴2及弹性连接器3相对转动的轴套4、套设于中轴2左侧且与轴套4配合固定的左端盖5、以及套设于中轴2右侧且与中轴2转动配合的法兰6，所述弹性连接器3的左端与中轴2固定连接，所述弹性连接器3的右端与法兰6配合固定，所述齿盘1的中心孔与该法兰6的外圈配合固定，所述弹性连接器3变形部位的两端分别套设有磁环7，所述轴套4一侧具有轴向延伸的开口，该开口内设有PBC板8，PBC板8上具有左、右两组与两磁环7相对应的霍尔元件9。

进一步的来说，本发明中的弹性连接器3左侧是与中轴固定的，相当于输入端，弹性连接器3右侧与中轴2是不固定的且通过法兰连接齿盘，相当于输出端。

本实施例中，所述弹性连接器3为双螺旋弹性连接器，其包括弹性变形段31及设于弹性变形段31左、右两侧的左固定段32和右固定段33，所述弹性变形段31的管壁上开设有两个同旋向且错开的螺旋槽34，所述弹性变形段31管壁在两螺旋槽34之间形成有两条螺旋状的簧丝35。

本实施例中，两螺旋槽34的螺距相同，且两螺旋槽34的同侧端部在弹性变形段的同圆周方向间隔180度布置。如图7所示，两螺旋槽34的左端部分别位于弹性变形段的左侧管壁的正对位置，即圆周方向间隔180度布置；同理，两螺旋槽34的右端部分别位于弹性变形段的右侧管壁的正对位置，即圆周方向间隔180度布置。

所述弹性连接器3的右端与法兰6之间的具体连接方式为：所述右固定段33的右端周向间隔布置有若干个卡槽36，所述法兰6内孔周壁设有若干个与卡槽36对应的卡块61，右固定段33的右端与法兰6通过卡槽36与卡块61的卡接实现配合固定。

所述弹性连接器3的左端与中轴2之间的具体固定方式为：所述弹性连接器3的左固定段32及中轴2是通过键连接实现相对固定的。本实施例中，上述键连接优选花键连接。

所述轴套4左侧与中轴2之间、轴套4右侧与弹性连接器3的右固定段33之间分别设有第一轴承11和第二轴承12。上述第一轴承11和第二轴承12的设置，使得轴套4在不动的状态下，中轴2、弹性连接器3右侧可相对轴套4转动。

本发明的工作原理为：当有负载情况下对左和/或右踏脚组件加力时，中轴2转动，弹性连接器3受力发生扭曲后带动法兰6及齿盘1相对中轴产生角位移，同时两组霍尔元件9通过采集弹性连接器3变形后两磁环7间角度差信号的大小，计算出人脚踩的力矩信号值，以控制电机的输出功率，提供相应的助力。

本发明替代现有的中轴组件并可以检测到人脚踩的力矩信号，达到采集人脚踩力矩信号后的助力作用。整体结构较为新颖，与传统的左脚踩踏时有输出的单边加力模式相比，其可双脚加力，实用性更强。

本实用新型的双螺旋弹性连接器具有承受大扭矩、短轴距、大角度变形、双重保险等特点，与普通螺旋弹性连接器相比可靠性更高，由于采用了双螺旋的结构，在使用相当时间过程后，由于材料的各种缺陷，当其中的一根簧丝5断裂时，还有另一根簧丝5依然可以正常工作，使用者不必担心产生颠覆性损坏。

本实用新型的双螺旋弹性连接器具有超负荷自动角度限位功能，由于弹性连接器为管状结构，在使用过程中其内穿设有一根轴，使用时，由于受力后弹性连接器扭曲直径减小，将对轴的外表面有一个抱紧力，当抱紧到两者簧丝5与轴外表面贴合后将不会再转动，从而保证了簧丝5不再产生进一步的变形，保护弹性连接器不会损坏，本实用新型与传统的连接器相比，无须特定的角度限位机构即可实现角度限位功能，省去了超负荷的限位机构，简化了设计和加工。

以上仅是本实用新型的具体应用范例，对本实用新型的保护范围不构成任何限制。除上述实施例外，本实用新型还可以有其它实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型所要求保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种中轴式力矩传感器，包括中轴(2)及齿盘(1)，其特征在于：所述力矩传感器还包括套设于中轴(2)上的弹性连接器(3)、套设于弹性连接器(3)上且可与中轴(2)及弹性连接器(3)相对转动的轴套(4)、套设于中轴(2)左侧且与轴套(4)配合固定的左端盖(5)、以及套设于中轴(2)右侧且与中轴(2)转动配合的法兰(6)，所述弹性连接器(3)的左端与中轴(2)固定连接，所述弹性连接器(3)的右端与法兰(6)配合固定，所述齿盘(1)的中心孔与该法兰(6)的外圈配合固定，所述弹性连接器(3)变形部位的两端分别套设有磁环(7)，所述轴套(4)一侧具有左、右两组与两磁环(7)相对应的霍尔元件(9)，当有负载情况下对左和/或右踏脚组件加力时，中轴(2)转动，弹性连接器(3)受力发生扭曲后带动法兰(6)及齿盘(1)相对中轴产生角位移，同时两组霍尔元件(9)通过采集弹性连接器(3)变形后两磁环(7)间角度差信号的大小，计算出人脚踩的力矩信号值，以控制电机的输出功率，提供相应的助力；所述弹性连接器(3)为双螺旋弹性连接器，其包括弹性变形段(31)及设于弹性变形段(31)左、右两侧的左固定段(32)和右固定段(33)，所述弹性变形段(31)的管壁上开设有两个同旋向且错开的螺旋槽(34)，所述弹性变形段(31)管壁在两螺旋槽(34)之间形成有两条螺旋状的簧丝(35)。

2.根据权利要求1所述的一种中轴式力矩传感器，其特征在于：两螺旋槽(34)的螺距相同，且两螺旋槽(34)的同侧端部在弹性变形段(31)的同圆周方向间隔180度布置。

3.根据权利要求1或2所述的一种中轴式力矩传感器，其特征在于：所述弹性连接器(3)的左固定段(32)及中轴(2)是通过键连接实现相对固定的。

4.根据权利要求1或2所述的一种中轴式力矩传感器，其特征在于：所述弹性连接器(3)的右固定段(33)的右端周向间隔布置有若干个卡槽(36)，所述法兰(6)内孔周壁设有若干个与卡槽(36)对应的卡块(61)，右固定段(33)的右端与法兰(6)通过卡槽(36)与卡块(61)的卡接实现配合固定。

5.根据权利要求1或2所述的一种中轴式力矩传感器，其特征在于：所述轴套(4)左侧与中轴(2)之间、轴套(4)右侧与弹性连接器(3)的右固定段(33)之间分别设有第一轴承(11)和第二轴承(12)。