CN205891147U - 一种助力自行车中轴式扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种助力自行车中轴式扭矩传感器，包括中轴本体，所述中轴上同轴心转动连接有传感器敏感元件，所述传感器敏感元件包括钢套和固定于其表面的多个富铁(铁基)非晶态合金标贴，所述钢套上固定有所述富铁(铁基)非晶态合金标贴的部分分别轴向缠绕有励磁线圈和测量线圈。本实用新型所述的一种助力自行车中轴式扭矩传感器,采用双边采集扭矩信号，输出信号稳定，动态范围宽，适合智能助力自行车在各种路况下的智能控制。

Description

一种助力自行车中轴式扭矩传感器

技术领域

本实用新型属于电助力自行车智能控制领域，尤其是涉及一种助力自行车中轴式扭矩传感器。

背景技术

目前，公知的智能、电助力自行车的扭矩传感器普遍采用两大类型，一类是，将机械、电子、软件及磁学结合的部件,采用双磁路(主动磁路与被动磁路),检测人脚踩时产生的动态力,将动态的力信号转变为数字信号,再转为模拟信号输出给控制器,采用测量轴的加速度、角加速度，依据牛顿第二定律计算出力矩(扭矩)，加以修正模拟出真实的力矩(扭矩)作为传感器的输出信号(助力信号)，这样的传感器应用在助力自行车时，自行车高速时“电机追人”自行车低速时(尤其是爬坡时)助力不足，人很累；另一类是公称“模拟力矩传感器”，是依据作用力与反作用力原理,在蹬踏力矩作用于自行车传动系统的任意环节上，诸如链论、链条、飞轮、轴承以至车架、轮辋、曲柄、脚蹬等处，利用检测到的、相应产生传递的作用力、反作用力或弹性变、位移等方式，采用各种传感器间接测量蹬踏转矩的大小，即“纯力矩(扭矩)传感器”这类传感器所采集到的不是真实的脚蹬踏产生的力矩，而是打了折扣的，动态范围很窄的一部分力矩信号，不符合智能、助力自行车的需求，不能依据骑行者脚蹬踏力(中轴扭矩)信号，实现智能控制，针对此种情况，本实用新型提出了一种助力自行车中轴式扭矩传感器，克服了现有的智能、电助力自行车的扭矩(力矩)传感器“不足”之处,采用基于材料的逆维捷曼效应的非接触式测量，双边采集扭矩信号，输出信号稳定，动态范围宽，适合智能助力自行车在各种路况下的智能控制。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种助力自行车中轴式扭矩传感器，以依据骑行者脚蹬踏力(中轴扭矩)信号，实现智能控制。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种助力自行车中轴式扭矩传感器，包括中轴本体，所述中轴上同轴心转动连接有传感器敏感元件，所述传感器敏感元件包括钢套和固定于其表面的多个富铁(铁基)非晶态合金标贴，所述钢套上固定有所述富铁(铁基)非晶态合金标贴的部分分别轴向缠绕有励磁线圈和测量线圈。

进一步的，所述富铁(铁基)非晶态标贴与所述钢套轴线成45°八字标贴固结。

进一步的，所述中轴和所述传感器敏感元件通过轴承转动连接，所述中轴上还固定有同轴心的外齿轮，所述钢套上固定有与所述中轴上的外齿轮同轴心且啮合的内齿轮，进而使所述中轴带动所述钢套转动。

进一步的，所述钢套一端的侧面固定有轮盘，所述轮盘与所述中轴的轴线垂直，通过所述轮盘与所述钢套固定连接以驱动链条。

进一步的，所述传感器敏感元件上轴向缠绕的励磁线圈和测量线圈同轴缠绕，所述励磁线圈在内侧，而所述测量线圈在外侧。

进一步的，所述测量线圈包括串联的第一测量线圈和第二测量线圈，所述第一测量线圈和所述第二测量线圈一个同名端相连为中点。

进一步的，所述钢套的材料采用Gr40合金钢。

进一步的，所述中轴还设有控制单元，所述传感器敏感元件与所述控制单元电连接。

相对于现有技术，本实用新型所述的一种助力自行车中轴式扭矩传感器具有以下优势：

(1)本实用新型所述的一种助力自行车中轴式扭矩传感器，该智能、电助力自行车的中轴扭矩传感器采用富铁(铁基)非晶态合金标贴与钢套固结为传感器敏感元件，直接采集骑行者由脚蹬踏作用于中轴上的动态扭矩，采用基于材料的逆维捷曼效应的非接触式测量，双边采集扭矩信号，输出信号稳定，动态范围宽，适合智能电助力自行车在各种路况下的智能控制。

(2)本实用新型所述的富铁(铁基)非晶态标贴与所述钢套轴线成45°八字标贴固结。在外力作用下，此种标贴方法保证非晶态合金变形方向与最大正应力方向一致。

(3)本实用新型所述的中轴和所述传感器敏感元件通过轴承转动连接，所述中轴上还固定有同轴心的外齿轮，所述钢套上固定有与所述中轴上的外齿轮同轴心且啮合的内齿轮，进而使所述中轴带动所述钢套转动。此种连接方式保证左脚力矩、右脚力矩都能传递到传感器敏感元件上且传动较平稳，使数据采集的准确性提高。

(4)本实用新型所述的钢套一端的侧面固定有轮盘，所述轮盘与所述中轴的轴线垂直，通过所述轮盘与所述钢套固定连接以驱动链条。将脚踏所产生的力直接传到传感器敏感元件，使测量更加准确。

(5)本实用新型所述的传感器敏感元件上轴向缠绕的励磁线圈和测量线圈同轴缠绕，所述励磁线圈在内侧，而所述测量线圈在外侧，所述测量线圈包括串联的第一测量线圈和第二测量线圈，所述第一测量线圈和所述第二测量线圈一个同名端相连为中点。通过对其相对位置的限定，使其达到更好的效果。

(6)本实用新型所述的钢套的材料采用Gr40合金钢。此种材料作为传感器敏感元件效果好，数据采集较准确。

(7)本实用新型所述的中轴还设有控制单元，所述传感器敏感元件与所述控制单元电连接。实现控制的自动化，便于信号的采集和处理。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例所述的一种助力自行车中轴式扭矩传感器整体结构示意图；

图2为本实用新型实施例所述的敏感元件结构示意图；

图3为本实用新型实施例所述的扭矩传感器控制流程框图。

附图标记说明：

1-中轴；2-轴承；3-钢套；4-轮盘；5-第一测量线圈；；6-第二测量线圈；7-富铁(铁基)非晶态合金标贴；8-外齿轮；9-励磁线圈。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

如图1所示一种助力自行车中轴式扭矩传感器，包括中轴1本体，中轴1上同轴心转动连接有传感器敏感元件，传感器敏感元件包括钢套3和固定于其表面的多个富铁(铁基)非晶态合金标贴7，钢套3上固定有富铁(铁基)非晶态合金标贴7的部分分别轴向缠绕有励磁线圈9和测量线圈，该智能、电助力自行车的中轴扭矩传感器采用富铁(铁基)非晶态合金标贴7与钢套3固结为敏感元件，直接采集骑行者由脚蹬踏作用于中轴1上的动态扭矩，采用基于材料的逆维捷曼效应的非接触式测量，双边采集扭矩信号，输出信号稳定，动态范围宽，适合智能电助力自行车在各种路况下的智能控制。

其中，富铁(铁基)非晶态合金标贴7与钢套3轴线成45°八字标贴固结。在外力作用下，此种固定方式保证非晶态合金变形方向与最大正应力方向一致。

其中，中轴1和传感器敏感元件通过轴承2转动连接，中轴1上还固定有同轴心的外齿轮8，钢套3上固定有与中轴1上的外齿轮8同轴心且啮合的内齿轮，进而使中轴1带动钢套3转动。此种连接方式保证左脚力矩、右脚力矩都能传递到传感器敏感元件上且传动较平稳，使数据采集的准确性提高。

其中，钢套3一端的侧面固定有轮盘4，轮盘4与中轴1的轴线垂直，通过轮盘4与钢套3固定连接以驱动链条。将脚踏所产生的力直接传到传感器敏感元件，使测量更加准确。

其中，传感器敏感元件上轴向缠绕的励磁线圈9和测量线圈同轴缠绕，励磁线圈9在内侧，而测量线圈在外侧，测量线圈包括串联的第一测量线圈5和第二测量线圈6，第一测量线圈5和第二测量线圈6一个同名端相连为中点。通过对其相对位置的限定，使其达到更好的效果。

其中，钢套3的材料采用Gr40合金钢。此种材料作为传感器敏感元件效果好，数据采集较准确。

其中，中轴1还设有控制单元,传感器敏感元件与控制单元电连接。实现控制的自动化，便于信号的采集和处理。

本实用新型的具体实施方式：中轴1与传感器敏感元件通过齿轮内啮合传递扭矩，钢套3与轮盘4固结驱动链条，中轴1两端分别与左脚蹬和右脚蹬连接，骑行者在左脚蹬踏、右脚蹬踏时将两边输出的力矩均可通过中轴1传到传感器敏感元件，以此传感器敏感元件感应到双边的扭矩，从而进行双边的扭矩测量，由于富铁(铁基)非晶态合金标贴7与Gr40合金钢套轴线成45°八字表贴固结且钢套3与中轴1转动连接，其抗拉强度：250～400kg/mm2(弹性范围内)，使富铁(铁基)非晶态合金标贴7完成应力→电的转换，在脚蹬踏的外力的作用下，轴表面剪应力达到最大值τmax，且在轴线45°方向正应力最大σmax，σmax方向应变δ(位移)最大，即σ↑→δ↑→磁阻↓(或导磁率↑)，而在钢套3外层有富铁(铁基)非晶态合金标贴7的部分轴向缠绕励磁线圈9和测量线圈，线圈上的N1N2检测到感应电势ΔE＝∣E1-E2∣＝2A0Δμ，ΔE在扭矩的作用下输出的电压值Mn＝K 0ΔE，其中K 0是标定系数，这样完成了力→扭矩→磁→电转换过程，骑行者脚蹬踏作用于中轴1上的动态扭矩与ΔE成正比，ΔE信号为智能助力自行车提供骑行者脚蹬踏力及骑行者脚蹬踏产生的功率，进而指挥控制单元驱动电机、控制电机的输出功率，从而得到最佳助力效果。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种助力自行车中轴式扭矩传感器，其特征在于：包括中轴本体，所述中轴上同轴心转动连接有传感器敏感元件，所述传感器敏感元件包括钢套和固定于其表面的多个富铁(铁基)非晶态合金标贴，所述钢套上固定有所述富铁(铁基)非晶态合金标贴的部分分别轴向缠绕有励磁线圈和测量线圈。

2.根据权利要求1所述的一种助力自行车中轴式扭矩传感器，其特征在于：所述富铁(铁基)非晶态标贴与所述钢套轴线成45°八字标贴固结。

3.根据权利要求1所述的一种助力自行车中轴式扭矩传感器，其特征在于：所述中轴和所述传感器敏感元件通过轴承转动连接，所述中轴上还固定有同轴心的外齿轮，所述钢套上固定有与所述中轴上的外齿轮同轴心且啮合的内齿轮，进而使所述中轴带动所述钢套转动。

4.根据权利要求1所述的一种助力自行车中轴式扭矩传感器，其特征在于：所述钢套一端的侧面固定有轮盘，所述轮盘与所述中轴的轴线垂直，通过所述轮盘与所述钢套固定连接以驱动链条。

5.根据权利要求1所述的一种助力自行车中轴式扭矩传感器，其特征在于：所述传感器敏感元件上轴向缠绕的励磁线圈和测量线圈同轴缠绕，所述励磁线圈在内侧，而所述测量线圈在外侧。

6.根据权利要求5所述的一种助力自行车中轴式扭矩传感器，其特征在于：所述测量线圈包括串联的第一测量线圈和第二测量线圈，所述第一测量线圈和所述第二测量线圈一个同名端相连为中点。

7.根据权利要求1所述的一种助力自行车中轴式扭矩传感器，其特征在于：所述钢套的材料采用Gr40合金钢。

8.根据权利要求1所述的一种助力自行车中轴式扭矩传感器，其特征在于：所述中轴还设有控制单元，所述传感器敏感元件与所述控制单元电连接。