CN207450148U - 一种助力脚踏车用扭矩检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种助力脚踏车用扭矩检测装置，包括可固定在助力脚踏车的车身上的安装部件、设置在安装部件上的扭矩传感装置，所述扭矩传感装置包括设置在安装部件上并纵向布置的传感器弹性体，所述传感器弹性体上设有可感测传感器弹性体形变的形变传感器，传感器弹性体上设有传感链轮，传感链轮与助力脚踏车的传动链的张紧段相啮合，驱动链的张紧段在传感链轮处形成V形弯折，当传动链的张紧段张紧而顶推传感链轮时，传感器弹性体产生形变，此时的形变传感器即可输出与传感器弹性体的形变量相对应的电信号。本实用新型可准确地检测助力脚踏车在骑行时的人力输出扭矩的大小，从而准确地控制电动助力的输出扭矩与人力输出的扭矩大小相匹配。

Description

一种助力脚踏车用扭矩检测装置

技术领域

本实用新型涉及电动助力脚踏车技术领域，尤其是涉及一种可准确感测助力脚踏车在人力骑行时的输出扭矩的检测装置。

背景技术

目前，安装有蓄电池、轮毂电机的电动自行车因为其省力、方便等优点在国内得到了普及，然而现有的电动自行车存在如下问题：虽然电动自行车保留了踏脚，以便骑车人用人力骑行，但是作为动力源的踏脚和轮毂电机可分开控制，也就是说，骑车人可通过设置在车辆把手上的电门直接控制轮毂电机的转速，从而可完全依靠电力驱动车辆行进。这样，在电动骑行状态时，由于骑车人很难控制好电门的大小，从而无法使电力辅助驱动和脚踩驱动良好配合，造成只能采用纯电力驱动模式，而脚踏骑行只有在蓄电池电量耗尽时才会采用。该行驶方式虽然具有快捷、省力的好处，但是容易产生超速行驶，进而造成骑行的不安全。另外，它也无法满足部分人群的人力骑行以锻炼身体的要求。

为此，人们实用新型了电动助力自行车，电动助力自行车的基本构造和工作原理与电动自行车类似，其也是通过蓄电池驱动轮毂电机，从而驱动车辆行驶，但是，其控制轮毂电机转速是由相应的传感器所感应到的信号控制的，当控制器接收到传感器输出的踏脚的速度、扭矩、或者车辆的状态等信号时，即可自动控制轮毂电机的工作状态和输出扭矩。也就是说，骑车人在不采用脚踏骑行的状态下无法实现纯电力驱动，电力驱动只能用于辅助驱动，从而可有效地限制车辆的行驶速度，同时可实现省力的目的。

例如，在中国专利文献上公开的“一种电动助力车控制方法及系统”，公布号为CN106828758A，该方法利用速度传感器感测电动助力车的行进速度，利用水平仪感测电动助力车的行驶状态，当电动助力车开始骑行时，其行进速度大于零，此时如果电动助力车的行驶状态为水平行驶状态时，则单纯通过人力作用于踏脚的扭力驱动电动助力车，并记录车辆在水平行驶状态下踏脚的转动速度或扭力值；如果电动助力车的行驶状态为上坡行驶状态时，则启动驱动马达正向转动，形成辅助动力，以便使踏脚达到水平行驶状态下的转动速度或扭力值。也就是说，车辆在上坡时，骑车人脚踩踏脚所输出的扭力值以及车辆的行驶速度和水平行驶时保持一致；如果电动助力车的行驶状态为下坡行驶状态时，则依靠车辆的惯性反向带动驱动马达转动发电，以便为移动电源充电。

上述实用新型虽然具有根据实际行驶状态自动控制车辆行驶模式的优点，但是其仍然存在如下缺陷：首先，当车辆在大部分时间里处于水平行驶状态时无法实现电动助力，也就是说，其判断是否需要助力的主要依据是根据水平仪得到的车辆行驶状态信号，因此，其助力效果不明显。其次，在通常情况下，人们希望在水平行驶时具有较高的行驶速度，而在上坡时则相应地降低行驶速度，以避免给移动电源和轮毂电机造成过大的负载而影响其使用寿命。但是上述实用新型在电动助力时的输出扭矩的控制方式不合理，其控制的并非是输出的扭矩的大小，而是车辆的行驶速度，其虽然有利于简化控制方式，到容易造成电动助力时输出扭矩过大的问题，特别是，当上坡的坡度很大、或者车辆的负载较大时，会造成移动电源和轮毂电机的过载运行，从而严重影响其使用寿命。

此外，上述实用新型中虽然也提到了直接在踏脚上设置扭矩传感器一检测踏脚扭矩的构思，但是，现有的扭矩传感器主要是通过在受到扭矩后的变形来产生相应的输出电信号的，由于踏脚在车辆骑行时所承受的扭矩有限，也就是说，其变形量非常微小，从而使扭矩传感器难以对其进行精确地检测，而如果采用较高精度的扭矩传感器，则很极大地提升整车的制造成本。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有采用链传动的电动助力车难以根据人力输出的扭矩大小精确控制电动助力的输出扭矩的问题，提供一种助力脚踏车用扭矩检测装置，可准确检测人力骑行的输出扭矩，从而使控制器被骗却控制电动助力的输出扭矩，使电动助力的输出扭矩与人力输出的扭矩大小相匹配，确保骑车人可根据自己的主观意愿方便地控制车辆的骑行速度，在省力的同时可达到良好的锻炼效果。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种助力脚踏车用扭矩检测装置，包括可固定在助力脚踏车的车身上的安装部件、设置在安装部件上的扭矩传感装置，所述扭矩传感装置包括设置在安装部件上并纵向布置的传感器弹性体，所述传感器弹性体上设有可感测传感器弹性体形变的形变传感器，传感器弹性体上设有传感链轮，传感链轮与助力脚踏车的传动链的张紧段相啮合，驱动链的张紧段在传感链轮处形成V形弯折，在传动链的松弛段上还设有可使传动链具有一个初始张紧力的张紧机构，当传动链的张紧段张紧而顶推传感链轮时，传感器弹性体产生形变，此时的形变传感器即可输出与传感器弹性体的形变量相对应的电信号。

在现有技术中，虽然也有通过感测踏脚、牙盘处的扭矩以控制驱动电机输出扭矩的方案，但是现有的用于感测扭矩的传感器都是通过测量元件的形变得到相应的电信号的，而由于踏脚、牙盘本身为刚性结构，因此，骑车人在骑行时踏脚和牙盘等的形变量极其微小，相应地，其输出的电信号精度有限，或者需要采用成本极高的高精度传感器，为此，人们通常只能通过上述传感器判断车辆是否处于行驶状态，但是却无法根据骑行时踏脚或牙盘的扭矩大小相应地控制驱动电机的输出扭矩。本实用新型在传动链的张紧段上设置抵压传动链的传感链轮，从而使张紧段在传感链轮处形成V形弯折。这样，当骑车人开始骑行时，踏脚带动牙盘正向转动，此时传动链的张紧段受到张力而张紧，从而顶推处于V形弯折处的传感链轮，进而使传感器弹性体产生形变，传感器弹性体上的形变传感器即可输出相应的电信号，驱动电机根据电信号的大小输出相应的扭矩。可以理解的是，我们可通过合理的选材以及结构设计，使传感器弹性体具有足够的弹性，以便在车辆开始骑行时传感器弹性体可产生足够大的形变。也就是说，本实用新型是通过感测传动链的张紧度而间接地得到人力骑行的输出扭矩的，从而可方便地实现驱动电机的输出扭矩和人力骑行的输出扭矩相匹配。特别是，设置在安装部件上的传感器弹性体可方便地形成类似悬臂梁的结构，从而当传感链轮在受到传动链的顶推时可产生较大的弯曲形变，有利于控制器精确控制驱动电机的输出扭矩。而张紧机构可使驱动链具有一个稳定的初始张紧力，从而可确保形变传感器输出的电信号的稳定性。

作为优选，所述传感器弹性体的一端固接在安装部件上，所述传感链轮设置在传感器弹性体的另一端，从而使传感器弹性体呈悬臂梁状，所述传感链轮与张紧段的上侧相啮合。

由于传感器弹性体呈悬臂梁状，而传感链轮则设置在传感器弹性体上悬空一端，这样，车辆在骑行时，设置在传感器弹性体悬空一端的传感链轮则可使传感器弹性体产生尽可能大的弯曲变形，从而使形变传感器输出的控制信号可精确地控制驱动电机的输出扭矩。

作为优选，所述安装部件包括竖直布置的支架座，所述传感器弹性体固接在支架座的上部，支架座的下部设有可连接在固定在助力脚踏车的牙盘和棘轮之间的横叉梁上的拆卸式抱箍。

拆卸式抱箍方便支架座与车身的横叉梁之间的连接安装，竖直设置的支架座既有利于减小安装空间，同时可使其在车辆骑行时主要承受沿轴向的拉力或压力，因而可显著地提高其强度和刚性。

作为优选，所述安装部件包括横向布置的安装板，所述传感器弹性体的一端固接在安装板的一侧，安装板的另一侧设有可连接在助力脚踏车的车身上的长圆形螺钉孔，传感器弹性体的另一端设有向下倾斜的弯折段，传感链轮设置在弯折段的端部，并且传感链轮与传动链的张紧段上侧相啮合。

横向布置的安装板有利于本实用新型在车身上的布置和安装，而向下倾斜的弯折段则有利于拉开传感器弹性体和传动链之间的间距，避免在车辆骑行时两者之间产生干涉和摩擦。

作为优选，所述安装部件包括前后两个间隔排列的竖直的支架座，所述传感器弹性体的前后两端分别固接在前后两个支架座上，所述传感链轮设置在传感器弹性体的中间位置，支架座的上部设有与驱动链的张紧段啮合的导向链轮，支架座的下部设有可连接并固定在助力脚踏车的牙盘和棘轮之间的横叉梁上的拆卸式抱箍，导向链轮和传感链轮分别位于驱动链的张紧段的两侧。

本方案中在驱动链上位于和传感链轮相对的一侧设置两个导向链轮，从而使三个链轮形成品字形布置。当传动链依次绕过导向链轮、传感链轮和导向链轮时可形成一个固定的V形弯折。我们可通过调整三个链轮的相对位置，使传动链形成一个较深的V形弯折，以便在相同的传动链张紧力下对传感链轮形成更大的顶推力，并且确保传感链轮所受到的顶推力只和传动链的张紧力——即牙盘的扭矩有关，避免牙盘和棘轮之间的相对距离等外在因素对角度传感器所输出的电信号的影响和干扰。

作为优选，所述形变传感器为粘贴在传感器弹性体表面的电阻应变片，以方便地感测传感器弹性体的弯曲形变。

作为优选，所述张紧机构包括一端可转动地设置在车身上的张紧摇杆，在张紧摇杆的另一端设有与松弛段啮合的张紧链轮，所述张紧摇杆上设有张紧弹簧，张紧弹簧驱动张紧摇杆摆动，从而使张紧链轮抵压松弛段。

张紧弹簧可以是一个扭簧，或者一个拉簧，张紧链轮则可与松弛段的内侧相啮合，从而使驱动链形成一个固有的张紧力，避免因传动链的长度等变化造成输出信号的变化。

因此，本实用新型具有如下有益效果：可准确地检测助力脚踏车在骑行时的人力输出扭矩的大小，从而准确地控制电动助力的输出扭矩与人力输出的扭矩大小相匹配，确保骑车人可根据自己的主观意愿方便地控制车辆的骑行速度，在省力的同时可达到良好的锻炼效果。

附图说明

图1是本实用新型的第一种结构示意图。

图2是支架座和车身的一种连接结构示意图。

图3是本实用新型的第二种结构示意图。

图4是传感器弹性体和安装板的连接结构示意图。

图5是本实用新型的第三种结构示意图。

图中：1、车身 11、张紧摇杆 2、牙盘 21、曲柄 22、踏脚 3、棘轮 4、传动链 41、张紧段 42、松弛段 50、支架座 51、拆卸式抱箍 511、夹紧板 52、安装板 521、长圆形螺钉孔6、传感器弹性体 61、弯折段 7、传动链轮 8、导向链轮 9、张紧链轮。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型做进一步的描述。

如图1所示，一种助力脚踏车用扭矩检测装置，其适用于检测电动助力脚踏车在骑车人脚踩踏板骑行时的人力输出扭矩，以便准确地控制电动助力的输出扭矩。其中的助力脚踏车包括车身1、设置在车身上的牙盘2和棘轮3、绕设在牙盘和棘轮上的传动链4，传动链中位于牙盘和棘轮之间上侧部分为张紧段41，下侧部分为松弛段42，牙盘通过曲柄21与踏脚22相连接。此外，助力脚踏车还包括可提供辅助动力的驱动电机、可控制驱动电机的工作状态以及输出扭矩的控制器、为驱动电机提供电力的蓄电池。

本实用新型则包括扭矩传感装置、用以安装扭矩传感装置的安装部件，安装部件可固定在助力脚踏车的车身上。为便于检测人力输出扭矩，扭矩传感装置包括设置在安装部件上杆状的传感器弹性体6，传感器弹性体沿前后纵向布置，并在传感器弹性体上设置可感测传感器弹性体形变的形变传感器。优选地，形变传感器为粘贴在传感器弹性体表面的电阻应变片。此外，传感器弹性体上还需设置一个传感链轮7，传感链轮抵压传动链的张紧段，并与传动链的张紧段相啮合，从而使驱动链的张紧段在传感链轮处形成V形弯折。

这样，当牙盘通过传动链驱动棘轮正向转动时，传动链的张紧段张紧而顶推传感链轮，即可使传感器弹性体产生弯曲形变，此时的形变传感器即可输出相应的电信号，控制器在接收到形变传感器输出的信号后控制驱动电机工作，并输出相应的助力扭矩。可以理解的是，当遇到上坡或者骑车人想要提高骑行速度时，骑车人通过踏脚所输出的人力扭矩会相应地提高，此时传动链的张紧段的张紧力相应地提高，从而使传感链轮所受到的顶推力增加，相应地传感器弹性体的弯曲变形量增加，形变传感器所输出的电信号增大，控制器则控制驱动电机输出更大的助力扭矩。我们可通过合理的选择传感器弹性体的材料以及长度等结构参数，使传感器弹性体具有足够的弹性，以便在车辆开始骑行时传感器弹性体可产生足够大的形变。也就是说，本实用新型是通过感测传动链的张紧度而间接地得到人力骑行的输出扭矩的，并且可方便地实现驱动电机的输出扭矩和人力骑行的输出扭矩相匹配。

为了确保形变传感器所输出的电信号的稳定性，我们可在传动链的松弛段上设置一个张紧机构，具体地，张紧机构包括张紧摇杆11，在车身上设置转动轴，张紧摇杆一端可转动地设置在车身的转动轴上，张紧摇杆悬空的另一端设置一个与松弛段的内侧向啮合的张紧链轮9，张紧摇杆上则设置张紧弹簧，张紧弹簧驱动张紧摇杆摆动，从而使张紧链轮向外侧抵压松弛段，进而使整条传动链保持一个稳定的初始张紧力。当人力骑行时，人力扭矩使驱动链张紧段的张紧力上升，此时，形变传感器即可输出一个稳定的电信号。当然，张紧弹簧可以是一个套设在转动轴上的扭簧，该扭簧一端别住张紧摇杆，另一端别住车身；或者，张紧弹簧也可以是一个拉簧，拉簧的一端连接在张紧摇杆上，另一端连接在车身上。

为了有利于感测传感器弹性体的弯曲形变，我们可使传感器弹性体的一端固接在安装部件上，传感器弹性体的另一端悬空，从而使传感器弹性体呈悬臂梁状。传感链轮则设置在传感器弹性体悬空的一端，并且传感链轮与张紧段的上侧相啮合。这样，车辆在骑行时，设置在传感器弹性体悬空一端的传感链轮可使传感器弹性体产生尽可能大的弯曲变形，从而使形变传感器输出的控制信号可精确地控制驱动电机的输出扭矩。

为了有利于增加安装部件的强度和刚性，安装部件可以是竖直布置的支架座50，传感器弹性体通过螺钉固接在支架座的上部，支架座的下部则设置拆卸式抱箍51。具体地，如图2所示，拆卸式抱箍包括设置在支架座下部的半圆形凹槽，在支架座下部贴靠并螺钉连接一块夹紧板511，夹紧板上设置与支架座的半圆形凹槽相对应的半圆形凹槽。这样，我们可将车身中位于牙盘和棘轮之间圆柱形的横叉梁卡位在支架座下部的半圆形凹槽内，然后将夹紧板贴靠支架座的下部，此时横叉梁同时卡位在夹紧板上的半圆形凹槽内，接着用螺钉使夹紧板紧紧地固定在支架座上，即可时横叉梁可靠地夹紧并定位在半圆形凹槽内，从而将支架座竖直地固定在横叉梁上。在车辆骑行时，支架座主要承受沿轴向的拉力或压力，因而可显著地提高其强度和刚性。

当然，安装部件也可采用如图3、图4所示的横向地水平布置的安装板52，传感器弹性体的一端通过螺钉固接在安装板的一侧，安装板的另一侧则设置前后两个长圆形螺钉孔521。这样，而我们可通过设置在长圆形螺钉孔内的螺钉将安装板固定到助力脚踏车的车身上，而长圆形螺钉孔则便于安装板位置的调整。优选地，我们可在传感器弹性体的悬空端设置向下倾斜的弯折段61，并将传感链轮设置在弯折段的端部。这样，当传感链轮与传动链的张紧段上侧相啮合时，可使传感器弹性体和传动链之间形成足够的间距，避免在车辆骑行时两者之间产生干涉和摩擦。

我们知道，车辆骑行时，传感链轮的前后两侧的传动链张紧段分别具有一个倾斜的张紧力，前后二个张紧力对传感链轮形成一个顶推的合力。由于传感链轮两侧的张紧段的倾斜角度会随着传感链轮的安装位置变化而有所变化，从而在相同的人力输出扭矩下，电阻应变片所输出的电信号会有所变化，进而不利于控制器对驱动电机输出扭矩的控制。为此，如图5所示，安装部件也可以是前后两个间隔排列的支架座，并且两个支架座竖直布置。传感器弹性体的前端固接在前面一个支架座上，传感器弹性体的后端固接在后面一个支架座上，而传感链轮则设置在传感器弹性体的中间位置，并且传感链轮与张紧段的下侧相啮合。此外，在每个支架座的上部设置与驱动链的张紧段上侧啮合的导向链轮8，并在支架座的下部设置可连接并固定在助力脚踏车的牙盘和棘轮之间的横叉梁上的拆卸式抱箍，两个导向链轮和传感链轮分别位于驱动链的张紧段的上下两侧，从而构成倒品字形排列。

当传动链依次绕过第一个导向链轮、传感链轮和第二个导向链轮时，传动链在传感链轮处形成上凸的V形弯折，并且该V形弯折具有一个固定的夹角。我们可通过调整三个链轮的相对位置，使传动链形成一个较深的V形弯折，此时V形弯折定的夹角较小，以便在相同的传动链张紧力下对传感链轮形成更大的向下的顶推力，从而使传感器弹性体产生变形，电阻应变片即可输出相应的电信号，并且可确保传感链轮所受到的顶推力只和传动链的张紧力——即牙盘的扭矩有关，避免牙盘和棘轮之间的相对距离等外在因素对角度传感器所输出的电信号的影响和干扰。

Claims (7)

1.一种助力脚踏车用扭矩检测装置，包括可固定在助力脚踏车的车身上的安装部件、设置在安装部件上的扭矩传感装置，其特征是，所述扭矩传感装置包括设置在安装部件上并纵向布置的传感器弹性体，所述传感器弹性体上设有可感测传感器弹性体形变的形变传感器，传感器弹性体上设有传感链轮，传感链轮与助力脚踏车的传动链的张紧段相啮合，驱动链的张紧段在传感链轮处形成V形弯折，在传动链的松弛段上还设有可使传动链具有一个初始张紧力的张紧机构，当传动链的张紧段张紧而顶推传感链轮时，传感器弹性体产生形变，此时的形变传感器即可输出与传感器弹性体的形变量相对应的电信号。

2.根据权利要求1所述的一种助力脚踏车用扭矩检测装置，其特征是，所述传感器弹性体的一端固接在安装部件上，所述传感链轮设置在传感器弹性体的另一端，从而使传感器弹性体呈悬臂梁状，所述传感链轮与张紧段的上侧相啮合。

3.根据权利要求1或2所述的一种助力脚踏车用扭矩检测装置，其特征是，所述安装部件包括竖直布置的支架座，所述传感器弹性体固接在支架座的上部，支架座的下部设有可连接在固定在助力脚踏车的牙盘和棘轮之间的横叉梁上的拆卸式抱箍。

4.根据权利要求1或2所述的一种助力脚踏车用扭矩检测装置，其特征是，所述安装部件包括横向布置的安装板，所述传感器弹性体的一端固接在安装板的一侧，安装板的另一侧设有可连接在助力脚踏车的车身上的长圆形螺钉孔，传感器弹性体的另一端设有向下倾斜的弯折段，传感链轮设置在弯折段的端部，并且传感链轮与传动链的张紧段上侧相啮合。

5.根据权利要求1所述的一种助力脚踏车用扭矩检测装置，其特征是，所述安装部件包括前后两个间隔排列的竖直的支架座，所述传感器弹性体的前后两端分别固接在前后两个支架座上，所述传感链轮设置在传感器弹性体的中间位置，支架座的上部设有与驱动链的张紧段啮合的导向链轮，支架座的下部设有可连接并固定在助力脚踏车的牙盘和棘轮之间的横叉梁上的拆卸式抱箍，导向链轮和传感链轮分别位于驱动链的张紧段的两侧。

6.根据权利要求1或2所述的一种助力脚踏车用扭矩检测装置，其特征是，所述形变传感器为粘贴在传感器弹性体表面的电阻应变片。

7.根据权利要求1或2所述的一种助力脚踏车用扭矩检测装置，其特征是，所述张紧机构包括一端可转动地设置在车身上的张紧摇杆，在张紧摇杆的另一端设有与松弛段啮合的张紧链轮，所述张紧摇杆上设有张紧弹簧，张紧弹簧驱动张紧摇杆摆动，从而使张紧链轮抵压松弛段。