CN208453189U - 一种带速度传感检测的力矩传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带速度传感检测的力矩传感器，包括沿车身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，传感器弹性体的一端连接在助力脚踏车的车身上，传感器弹性体的另一端设有传感压轮，传感压轮贴靠并挤压助力脚踏车的传动链的张紧段上侧，张紧段在传感压轮处形成V形弯折，所述传感压轮侧面设有若干在圆周方向均匀分布的磁铁块，所述传感器弹性体上设有与磁铁块相对应的霍尔元件。本实用新型可使轮毂电机的助力作用与骑车人的骑行状态相匹配，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。

Description

一种带速度传感检测的力矩传感器

技术领域

本实用新型涉及电动助力脚踏车技术领域，尤其是涉及一种可根据骑行状态控制助力脚踏车的电力辅助输出扭矩的传感装置。

背景技术

随着人们环保意识的不断增强，以人力骑行为主、电动助力为辅的电动助力自行车得以逐渐普及和推广，电动助力自行车的电力辅助驱动是通过蓄电池驱动轮毂电机实现的，与电动自行车不同的是，其轮毂电机的转速不是由骑车人通过控制设置在把手上的调速开关控制的，电动助力自行车的轮毂电机的转速是由一个控制器控制的。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。

上述发明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。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有电动助力车难以根据骑车人的骑行状态精确控制电动助力的输出扭矩和速度的问题，提供一种带速度传感检测的力矩传感器，可使轮毂电机的助力作用与骑车人的骑行状态相匹配，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：

一种带速度传感检测的力矩传感器，包括沿车身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，传感器弹性体的一端连接在助力脚踏车的车身上，传感器弹性体的另一端设有传感压轮，传感压轮贴靠并挤压助力脚踏车的传动链的张紧段上侧，张紧段在传感压轮处形成V形弯折，所述传感压轮侧面设有若干在圆周方向均匀分布的磁铁块，所述传感器弹性体上设有与磁铁块相对应的霍尔元件。

我们知道，现有的助力脚踏车是通过扭矩传感器直接感测踏脚、牙盘处的扭矩以控制轮毂电机的输出扭矩的，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，其输出的电信号强度很小、精度有限，因此，只能通过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和速度。本实用新型则在传动链的张紧段上侧设置一个导向压轮，从而使张紧段在传感压轮处形成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，从而向上顶推处于V形弯折处的传感压轮，进而使传感器弹性体产生弯曲形变，传感器弹性体上的形变传感器即可向控制器输出相应的电信号，控制器则使轮毂电机输出与形变传感器输出的电信号相匹配的扭矩。特别是，当助力脚踏车开始前行时，传动链的张紧段向前移动，从而带动与其贴靠的传感压轮转动，此时传感压轮侧面的各磁铁块依次接近传感器弹性体上的霍尔元件，使霍尔元件连续产生脉冲信号，控制器即可根据霍尔元件的脉冲信号的频率计算出传动链的移动速度，控制器通过对形变传感器输出的与传动链的张紧力相对应的电信号、以及由霍尔元件输出的与传动链的移动速度相对应的电信号进行分析计算，可方便地判断出助力脚踏车的骑行状态、骑车人的输出扭矩等参数，从而更好地控制轮毂电机的输出扭矩和速度，使骑车人可根据自身的需要自如地控制助力脚踏车的骑行，既达到良好的骑行锻炼效果，又可在上坡、加速等场合通过电力辅助骑行达到省力的目的，同时使助力脚踏车以骑车人需要的速度行驶。

由于本实用新型中的传感器弹性体为一段固定的悬臂梁结构，因此，在车辆开始骑行时传感器弹性体可产生足够大的形变，并且使形变与骑车人的输出扭矩成正比。

作为优选，所述传感器弹性体包括沿车身纵向延伸并设有所述形变传感器的形变本体，形变本体的一端向下弯折形成与车身连接的连接部，所述传感压轮设置在形变本体上远离连接部的一端，所述形变本体与连接部的交界处设有导向压轮，导向压轮贴靠传动链张紧段的下侧。

由于导向压轮设置在传感器弹性体上形变本体与连接部的交界处，而传感压轮则设置在形变本体的悬空端，这样，助力脚踏车在骑行时，由于连接部的压缩变形量极小，因此导向压轮不会产生很大的位移，相反地，设置在形变本体悬空端端的传感压轮则可使传感器弹性体的形变本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。特别是，传感压轮和导向压轮是分别设置在传动链张紧段的上、下两侧的，因此可使传动链在传感压轮处方便地形成一个V形弯折，以便使形变传感器可检测出传动链较小的张紧力。

作为优选，在形变本体的上侧设有支撑体，所述支撑体的弹性系数与所述形变本体的弹性系数之比在4-6之间。

我们知道，当传感器弹性体产生形变时，设置在传感器弹性体侧面的形变传感器跟随形变，并产生一个电信号。当形变传感器被拉伸时，其产生的电信号与受力之间可形成良好的线性关系，相反地，当形变传感器被压缩时，其产生的电信号与受力之间则难以形成良好的线性关系。为此，本实用新型在形变本体的上侧设置支撑体，支撑体与形变本体连接成一体。当骑车人开始骑行、传动链的张紧段被张紧时，设有支撑体的形变本体向上弯曲变形。此时形变本体的上侧部分被压缩，而形变本体的下侧部分被拉伸。由于形变本体上侧的支撑体的刚性要比形变本体强很多，因此，位于形变本体上侧的支撑体此时受压后产生的压缩量较小，从而起到一个纵向的支撑作用，相反地，支撑体下侧的整个形变本体则被拉伸并弯曲，从而使设置在形变本体侧面的形变传感器可输出一个与应力成线性关系的电信号，有利于控制器对轮毂电机扭矩等参数的准确控制。也就是说，支撑体的设置，可使形变本体在弯曲变形时使形变传感器只是受到一个拉伸作用，以有利于其输出一个与张紧力成线性关系的电信号。

作为优选，所述传感压轮采用尼龙制成，所述磁铁块嵌设在传感压轮内。

尼龙制成的传感压轮不仅方便加工制造，并且有利于磁铁块通过注塑工艺与传感压轮形成一个整体。特别是，由于传动链和传感压轮之间并无动力需要传输，因此，本实用新型的传动链是通过摩擦传动使尼龙材质的传感压轮转动的，从而有利于降低和消除传动链与传感压轮之间的传动噪音，又可简化安装结构。

因此，本实用新型具有如下有益效果：可使轮毂电机的助力作用与骑车人的骑行状态相匹配，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是本实用新型的一种结构示意图。

图2是传感器弹性体的侧向视图。

图3是图2中A-A处的剖视图。

图4是形变传感器的一种结构示意图。

图中：1、车身 11、踏脚 12、牙盘 13、飞轮 14、摆动臂 15、张紧链轮 2、传动链21、张紧段 22、松弛段 3、传感器弹性体 31、形变本体 32、连接部 33、支撑体 34、形变槽35、霍尔元件 4、传感压轮 41、磁铁块 5、导向压轮 6、形变传感器 61、感应丝网 62、传保护层。

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，一种带速度传感检测的力矩传感器，其适用于检测骑车人在骑行助力脚踏车时的踏脚输出的扭矩、转速等参数，以便于控制器准确地控制轮毂电机的扭矩、转速等输出值，确保助力脚踏车按照骑车人的意愿以及道路的实际情况行驶。可以理解的是，其中的助力脚踏车包括车身1、设置在后车轮上的轮毂电机（图中未示出）、设置车身中轴上的踏脚11、牙盘12、绕设在牙盘和后车轮的飞轮13上的传动链2、以及可控制轮毂电机输出参数的控制器。具体包括沿车身纵向布置的传感器弹性体3，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6，传感器弹性体的一端连接在助力脚踏车的车身上，传感器弹性体的另一端设置一个可转动的传感压轮4，传感压轮贴靠并挤压助力脚踏车的传动链的张紧段21上侧，从而使张紧段在传感压轮处被下压而形成V形弯折。

当骑车人开始骑行时，踏脚带动牙盘正向转动，此时传动链上部的张紧段受到张力而张紧，从而向上顶推处于V形弯折处的传感压轮，进而使悬臂梁状的传感器弹性体产生向上的弯曲形变，传感器弹性体上的形变传感器即可向控制器输出相应的电信号，控制器则使轮毂电机输出与形变传感器输出的电信号相匹配的扭矩。当遇到上坡、或者骑车人需要加速时，传动链的张紧力会随之增大，相应地，传感器弹性体的弯曲变形会随之增大，此时形变传感器输出的电信号呈线性递增，控制器即可根据形变传感器的电信号控制轮毂电机输出更大的扭矩，从而达到省力、加速的效果，使助力脚踏车的行驶状态与骑车人的意愿、路况相吻合。

此外，我们还需要在传感压轮的侧面设置6-8个在圆周方向均匀分布的圆柱形的磁铁块41，相应地，传感器弹性体上设置霍尔元件35。当助力脚踏车开始前行时，传动链的张紧段向前移动，从而带动与其贴靠的传感压轮转动，此时传感压轮侧面的各磁铁块依次接近传感器弹性体上的霍尔元件，使霍尔元件连续产生脉冲信号，控制器即可根据霍尔元件的脉冲信号的频率计算出传动链的移动速度，控制器通过对形变传感器输出的与传动链的张紧力相对应的电信号、以及由霍尔元件输出的与传动链的移动速度相对应的电信号进行分析计算，可方便地判断出助力脚踏车的骑行状态、骑车人的输出扭矩等参数，从而更好地控制轮毂电机的输出扭矩和速度，使骑车人可根据自身的需要自如地控制助力脚踏车的骑行，既达到良好的骑行锻炼效果，又可在上坡、加速等场合通过电力辅助骑行达到省力的目的，同时使助力脚踏车以骑车人需要的速度行驶。例如，我们可在助力脚踏车上设置相应的速度设定旋钮，然后骑车人可将速度设定旋钮转至需要的速度刻度。当控制器检测到的传动链的移动速度小于设定的速度值下对应的传动链的移动速度，则控制器可使轮毂电机增大扭矩以及相应的输出速度，直至助力脚踏车的速度达到设定的速度值。或者，在相同的形变传感器输出的电信号下，如果霍尔元件输出的传动链的速度信号较大，则意味着骑车人在加速骑行，此时控制器可增加轮毂电机的输出速度；如果霍尔元件输出的传动链的速度信号较小，则意味着骑车人在上坡骑行，此时控制器可增加轮毂电机的输出扭矩，以便达到省力的目的。

需要说明的是，本实施例中将车身的前后方向称为纵向。此外，我们可在车身上设置传动链张紧机构，其包括转动连接在车身上的摆动臂14，摆动臂的悬空端设置一个张紧链轮15，摆动臂与车身连接一端设置一个扭簧，扭簧驱动摆动臂转动，使张紧链轮弹性地抵靠在传动链下部的松弛段22上，从而使松弛段形成一个张紧力，避免因松弛段的过于松弛造成骑行时的脱链。

当然，霍尔元件应位于传感压轮转动时磁铁块的转动轨迹上，以便在传感压轮转动时，传感压轮上的各磁铁块随之沿着一个圆形的轨迹转动，从而依次靠近霍尔元件，使霍尔元件产生连续的脉冲信号。

作为一种优选方案，传感器弹性体包括沿车身纵向延伸的形变本体31，形变传感器设置在形变本体的侧面，形变本体的前端向下弯折形成与车身连接的连接部32，连接部可连接在中轴和后轮的轮轴之间的车身上，传感压轮则设置在形变本体上远离连接部的后端，在形变本体与连接部的交界处设置一个导向压轮5，导向压轮贴靠在传动链张紧段的下侧。也就是说，传动链的张紧段先绕设在导向压轮的上侧，然后向下倾斜折弯而绕设在传感压轮的下侧，从而使传动链在传感压轮处方便地形成一个较深的V形弯折，此时传动链较小的张紧力即可对传感压轮形成较大的顶推力，以有利于形变传感器检测到传感器弹性体的形变。

为了使传感器弹性体在弯曲变形时受单一的拉力而伸长，以有利于形变传感器准确地输出与张紧力成线性关系的电信号，如图2、图3所示，我们还可在形变本体的上侧设置支撑体33，支撑体的弹性系数与形变本体的弹性系数之比在4-6之间。也就是说，支撑体的刚性要比形变本体大很多。例如，支撑体可采用不锈钢制成，而形变本体则可采用尼龙等塑胶制成。我们知道，一根悬臂梁在弯曲变形时，悬臂梁的一侧被压缩，另一侧则被拉伸。当骑车人开始骑行、传动链的张紧段被张紧时，设有支撑体的形变本体向上弯曲变形，此时支撑体承受的是压力。由于支撑体的刚性要比形变本体强很多，因此，位于形变本体上侧的支撑体受压后产生的压缩量较小，从而起到一个纵向的支撑作用，相反地，支撑体下侧的整个形变本体则被拉伸并弯曲，从而使设置在形变本体侧面的形变传感器可输出一个与应力成线性关系的电信号，有利于控制器对轮毂电机扭矩等参数的准确控制。也就是说，支撑体的设置，可使形变本体在弯曲变形时使形变传感器只是受到一个拉伸作用，以有利于其输出一个与张紧力成线性关系的电信号。

为便于组装，传感器弹性体可由左右两个拼接体拼接构成，在两个拼接体相互贴靠的一侧分别设置矩形的容置凹槽，两个拼接体的容置凹槽在传感器弹性体内拼接形成安装空腔。如图4所示，形变传感器包括由康铜丝左右往复弯折成蛇形的感应丝网61、包覆在感应丝网外侧由聚丙烯制成的保护层62，形变传感器紧配合在安装空腔内。当传感器弹性体弯曲变形时，即可使位于安装空腔内的形变传感器弯曲变形，此时由康铜丝制成的感应丝网即受到拉伸而变长，相应地，其线径则变细，进而使其阻抗发生变化，以输出一个与阻抗相关联的电信号。当然，为了使形变传感器可靠地固定在安装空腔内，我们可使用胶水、粘结剂等将形变传感器粘接在安装空腔内，以便形变传感器能与传感器弹性体实现同步变形。需要说明的是，由康铜丝制成的感应丝网与聚丙烯制成的保护层可通过诸如淋膜工艺等方式结合成一体结构。

进一步地，我们还可在传感器弹性体的下侧边上设置若干等间距分布的形变槽34，形变槽向上延伸而贯通安装空腔，从而使设置在安装空腔内的形变传感器在形变槽处外露。由于传感器弹性体被形变槽分割成梳子状，因而可通过合理地设计形变槽的宽度、深度、相邻形变槽的间距等参数，准确地控制传感器弹性体的抗弯强度和刚性，确保形变传感器在传感器弹性体弯曲形变时只承受拉力。

最后，传感压轮可采用尼龙制成，磁铁块作为传感压轮注塑成型时的镶嵌件嵌设在传感压轮内，传动链则通过摩擦力带动传感压轮转动，从而有利于降低和消除传动链与传感压轮之间的传动噪音。当然，导向压轮也可采用尼龙制成。

Claims (4)

1.一种带速度传感检测的力矩传感器，包括沿车身纵向布置的传感器弹性体，其特征是，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，传感器弹性体的一端连接在助力脚踏车的车身上，传感器弹性体的另一端设有传感压轮，传感压轮贴靠并挤压助力脚踏车的传动链的张紧段上侧，张紧段在传感压轮处形成V形弯折，所述传感压轮侧面设有若干在圆周方向均匀分布的磁铁块，所述传感器弹性体上设有与磁铁块相对应的霍尔元件。

2.根据权利要求1所述的一种带速度传感检测的力矩传感器，其特征是，所述传感器弹性体包括沿车身纵向延伸并设有所述形变传感器的形变本体，形变本体的一端向下弯折形成与车身连接的连接部，所述传感压轮设置在形变本体上远离连接部的一端，所述形变本体与连接部的交界处设有导向压轮，导向压轮贴靠传动链张紧段的下侧。

3.根据权利要求2所述的一种带速度传感检测的力矩传感器，其特征是，在形变本体的上侧设有支撑体，所述支撑体的弹性系数与所述形变本体的弹性系数之比在4-6之间。

4.根据权利要求1所述的一种带速度传感检测的力矩传感器，其特征是，所述传感压轮采用尼龙制成，所述磁铁块嵌设在传感压轮内。