CN208979048U - 牙盘式力矩传感器及助力车 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种牙盘式力矩传感器以及具备该力矩传感器的助力车，该力矩传感器采用牙盘结构结合行星齿轮结构的差速原理，采用行星齿轮组作为力矩输入端，齿圈与牙盘固定，牙盘上的链条带来的牵引阻力会阻止齿圈转动，此时中心齿轮克服弹簧阻力专利，力矩传感模块检测到角度信号，并且采用限位与弹簧复位矫正的方式，使得当输入力矩和阻力矩存在一定差值的时候，就立刻可以输出力矩信号，结构稳定、反应灵敏，减少能源损耗；元器件也更多的是传动结构，故障率和成本都比较低。

Description

牙盘式力矩传感器及助力车

技术领域

本实用新型涉及一种交通工具及其配件，尤其涉及一种牙盘式力矩传感器及助力车。

背景技术

目前国内的出现的助力车，如各种品牌的共享电动车，实际上是以纯电动车为主。这种车在国外有严格上路限制，在日本、欧盟等国家将纯电动自行车归类为机动车管理。而电动助力自行车既是一种绿色环保型交通工具，又是一种十分方便的健身器材。其原理是通过力矩传感器将人脚踏力的大小传给控制器，控制器控制电机输出相应大小的力矩助力，人力与助力呈一定的比例，一般情况下，人力越大，助力越大；并且在特殊状态下，如上坡、启动的时候，若助力无法及时提供，膝盖在踩踏的过程中会保持较长时间的压迫力，膝盖关节部分会产生一定的磨损。因此能及时感知脚踏力大小的助力传感器是人们研究的重点。

为此国内外开发了各种各样的力矩传感器来感知判断是否需要提供助力及输出助力的大小，比如判断骑行时脚踏力的大小、踏频等条件。目前主要的方式有以下几类：

1、简易应变片传感器：该传感器使用应变片或弹簧等来感知骑行者骑行时脚踏力的大小，但受自然环境因素(温度、泥水、灰尘等)影响较大，特别是道路颠簸引起的误动作难于克服，同时机械结构部件加工复杂，加工成本高，容易产生金属疲劳与磨损，寿命短。

2、霍尔速度传感器：该方案使用永久性磁铁与霍尔传感器，霍尔传感器输出给控制器脉冲信号的频率与骑行者脚踏的速度成正比，由于脚踏速度的变化与脚踏力矩的变化是具有相关性的，能一定程度反映脚踏力矩的变化，但传统使用时一般设置5-6个磁极，间隔幅度较大，只有当位于磁钢盘上的永久性磁铁通过霍尔感应器时，转动信号才能被霍尔感应器捕获，这样就致使霍尔感应器不能在脚踏的瞬间感应到磁铁，因此现有的感应方式在时间上具有一定的延迟，不能及时感应变化。

3、光电速度传感器：巧妙设计的环形光栅可以做到非常密集，模拟力矩及输出相应助力的效果相比霍尔速度传感器要自然很多，虽然成本低，功耗电流小，无吸收铁杂质效应，但其作为分立式产品，使用时需要配合控制器一起安装在车身，体积较大。

4、内置力矩传感器电机：通过在电机中嵌入传感器感知力矩变化，使电机直接反馈脚踏力矩的大小，此方式电机结构复杂，价格昂贵，电机维修难度大。

因此，现有的传感器存在的问题不是实现的助力体验差，就是结构复杂，安装体积大，价格昂贵，工作可靠性差，难以大规模使用；另外，现有电动车控制器及传感器一般为分开的两个部件，普遍存在体积大的问题，安装在车上非常丑陋，且暴露在外需要定期维护，难以达到简约美观的效果。

实用新型内容

本实用新型的目的一是提供一种牙盘式力矩传感器及助力车，具有元器件少、产品成本低、功耗小、反应灵敏的优点。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种牙盘式力矩传感器，包括牙盘、穿设于牙盘的中心用于外接输入端的中心轴、与中心轴同轴的中心齿轮、与中心齿轮啮合的行星齿轮组、与所述行星齿轮组啮合的齿圈以及可转动的套接于中心轴并用于外接支撑的承接组件，所述中心齿轮与中心轴转动连接，所述行星齿轮组与中心轴固定连接，齿圈固定于牙盘，所述中心齿轮的非齿面部分和承接组件之间设置有将中心齿轮限制在一定转动角度范围内的限位组件、采集并传输中心齿轮转动角度的力矩传感模块以及阻止中心齿轮转动的弹簧。

通过采用上述技术方案，中心轴作为扭矩的输入端，在中心轴输入转矩的时候，中心轴带动行星齿轮组转动并传递力矩至齿圈和中心齿轮，而齿圈与牙盘固定，牙盘上的链条带来的牵引阻力会阻止齿圈转动，此时中心齿轮克服弹簧阻力专利，力矩传感模块检测到角度信号，也就是整体所产生的力矩信号并向外输出；在这个过程中弹簧提供复位力，使得必须施加一定程度的力才可以输出足够的力矩信号，排除了空转的状况；同时，行星齿轮组与中心齿轮之间为升速比，当输入力矩和阻力矩存在一定差值的时候，就立刻可以输出力矩信号，并且由于限位机构的作用，中心齿轮可以保持在一定的偏角，可以迅速复位并进入下一段的检测，结构稳定、反应灵敏，减少能源损耗；元器件也更多的是传动结构，故障率和成本都比较低。

本实用新型进一步设置为：所述行星齿轮组包括同轴的固定于中心轴的行星架以及至少一个可转动的连接于行星架的轴向端面的行星轮，所述行星轮分别与中心齿轮和齿圈啮合。

通过采用上述技术方案，行星架与转轴联动可以越过中心轮并且可以将行星齿轮组整体作为输入部件，并以其同时带动齿圈和中心齿轮转动。

本实用新型进一步设置为：所述行星轮至少有三个，所述行星齿轮组还包括固定于行星架的轴向端面并将每个行星轮所在位置沿周向分隔为独立的空间的安全环，所述行星轮中心的转轴部分的两端分别与安全环以及行星架连接。

通过采用上述技术方案，多个行星轮可以在传动过程中可以较好的稳定性，并且三个以上尤其是奇数个行星轮可以具有非常好的定心效果；但这意味着行星轮之间的间距会更加靠近，其中的安全环，可以加强稳定性，并避免某个行星轮脱落的时候与其他行星轮啮合并产生锁死破坏。

本实用新型进一步设置为：所述行星架呈法兰构造并以轴向延伸部分包裹于中心轴的部分周向面，所述中心齿轮可转动的套接于行星架的轴向延伸部分。

通过采用上述技术方案，行星架将自身与中心轴之间的间隙隔离，也就是将其中的执行、传动、检测的各组件隔离易进水区域，一形成结构上的防水防护。

本实用新型进一步设置为：所述承接组件包括设于牙盘内并用于固定弹簧的承接盘、沿承接盘轴向向外凸出设置有用于安装至自行车或助力车的五通管的承接轴套、沿承接盘轴向内凸出设置的轴承座，其中轴承座通过安装轴承抵接至行星架的轴向延伸部分，所述中心轴转动穿设于承接轴套。

通过采用上述技术方案，首先通过承接盘与行星架的结合产生一个连续的轴套，中心轴穿设于其中但不与内部结构接触，使得中心轴即便有水渗入也不易进入核心部件内；此外承接轴套可以有较长连接点供中心轴支撑固定，结构更加的稳定。

本实用新型进一步设置为：所述限位组件包括固定于中心齿轮的非齿面部分的摆架和至少一个固定于承接组件的凸柱，所述摆架上设置有供凸柱穿设并具备绕中心轴一定的相对转动空间的限位孔，所述弹簧一端固定至承接组件，另一端与摆架固定。

通过采用上述技术方案，将摆架的固定位置与中心齿轮的齿部隔离避免产生干涉，凸柱与限位孔的配合可以起到限位作用，其中限位孔的空间余量可以提供一定的可转动空间。

本实用新型进一步设置为：所述摆架包括中心环和三个均匀分布于中心环的周向面的摆臂，所述摆臂沿中心轴周向并朝向承接件的一侧设置有固定台，所述弹簧为三个且一端固定于固定台。

通过采用上述技术方案，三点弹性复位，一方面可以放宽对弹簧弹性系数的要求，具备更多的选择，另一方面在三点相互受力平衡后产生的只有转矩，对于结构的稳定性和使用寿命的延长较好；其三这种形式具备定心的效果。

本实用新型进一步设置为：所述力矩传感模块包括固定于摆架上的霍尔元件以及固定于承接组件与霍尔元件配合感应的永磁体。

通过采用上述技术方案，霍尔元件可以随着摆架一起移动，以使其靠近或远离永磁体，可以非常快的产生感应信号，并且限位机构为信号的稳定性提供了保障。

本实用新型进一步设置为：所述牙盘包括可沿轴向拆分为两部分并分别遮挡于行星齿轮组件和承接组件的外侧的轴向端面的壳套以及固定于壳套外侧的牙轮，所述齿圈固定于壳套的内侧，所述壳套与中心轴转动连接或与行星齿轮组件和承接组件上设置的沿轴向凸出的凸台转动连接。

通过采用上述技术方案，首先壳体分为两部分便于生产和安装，其次壳套与行星齿轮组件以及承接组件的相对结构设置使得整体结构形成双重隔水防护。

本实用新型的目的一是提供一种助力车：该助理车具备上述的牙盘式力矩传感器。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：

1、采用牙盘结构结合行星齿轮结构的差速原理，采用行星齿轮组作为力矩输入端，齿圈与牙盘固定，牙盘上的链条带来的牵引阻力会阻止齿圈转动，此时中心齿轮克服弹簧阻力专利，力矩传感模块检测到角度信号，并且采用限位与弹簧复位矫正的方式，使得当输入力矩和阻力矩存在一定差值的时候，就立刻可以输出力矩信号，结构稳定、反应灵敏，减少能源损耗；元器件也更多的是传动结构，故障率和成本都比较低；

2、行星轮和摆臂都采用多组联动的方式，可以具备良好的定心、定向、矫正效果，使得结构保持良好的稳定性和精度；

3、采用隔离防水的方式，从结构上自然形成防水防护，有效的对执行组件形成方式，有效提高使用寿命。

附图说明

图1是实施例1的牙盘式力矩传感器的内部结构图；

图2是实施例1的牙盘式力矩传感器的结构爆炸图；

图3是实施例1的牙盘式力矩传感器另一方方向的结构爆炸图。

图中，1、牙盘；2、中心轴；3、中心齿轮；4、承接组件；5、行星齿轮组；6、限位组件；7、力矩传感模块；8、弹簧；9、五通管；11、壳套；12、牙轮；13、齿圈；41、承接轴套；42、轴承座；43、承接盘；51、行星架；52、行星轮；53、安全环；61、摆架；611、中心环；612、摆臂；613、限位孔；62、凸柱；63、固定台；71、霍尔元件；72、永磁体。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

实施例1：牙盘式力矩传感器，如图1和图2所示，包括用于外接链条的牙盘1、穿设于牙盘1的中心用于外接输入端的中心轴2、与中心轴2同轴的中心齿轮3、与中心齿轮3啮合的行星齿轮组5、与行星齿轮组5啮合的齿圈13、可转动的套接于中心轴2并用于外接支撑的承接组件4、将中心齿轮3限制在一定转动角度范围内的限位组件6、采集并传输中心齿轮3转动角度的力矩传感模块7以及阻止中心齿轮3转动的弹簧8。其中的中心轴2在使用过程中将外接自行车的踏板，在中心轴2输入转矩的时候，中心轴2带动行星齿轮组5转动并传递力矩至齿圈13和中心齿轮3，而齿圈13与牙盘1固定，牙盘1上的链条带来的牵引阻力会阻止齿圈13转动，此时中心齿轮3克服弹簧8阻力专利，力矩传感模块7检测到角度信号，也就是整体所产生的力矩信号并向外输出，以提供助力。

参照图1和图3，行星齿轮组5包括同轴的固定于中心轴2的行星架51、三个可转动的连接于行星架51的轴向端面的行星轮52以及固定于行星架51的轴向端面安全环53，安全环53将每个行星轮52所在位置沿周向分隔为独立的空间，行星轮52中心的转轴部分的两端分别与安全环53以及行星架51连接。以加强稳定性，并避免某个行星轮52脱落的时候与其他行星轮52啮合并产生锁死破坏。参照图1和图3，行星架51呈法兰构造并以轴向延伸部分包裹于中心轴2的部分周向面，而中心齿轮3可转动的套接于行星架51的轴向延伸部分，即行星架51将自身与中心轴2之间的间隙与各部件发生联动的内腔产生隔离，从结构上具备一定的防水效果。联动部分，行星轮52分别与中心齿轮3和齿圈13啮合。

参照图1和图2，中心齿轮3具备轴向延伸的非齿面部分，并与限位组件6关联。

限位组件6包括固定于中心齿轮3的非齿面部分的摆架61和至少一个固定于承接组件4的凸柱62。摆架61包括中心环611和三个均匀分布于中心环611的周向面的摆臂612，其中一个摆臂612上设置有限位孔613，凸柱62穿设于限位孔613，并且具备一定的相对转动空间，使得摆臂612可以有一定程度转动。力矩传感模块7包括固定于摆架61上的霍尔元件71以及固定于承接组件4与霍尔元件71配合感应的永磁体72。在摆臂612转动的时候，霍尔元件71与永磁体72之间的相对位置也发生变化，并以此产生力矩信号。摆臂612沿中心轴2周向并朝向承接件的一侧设置有固定台63，弹簧8为三个且两端分别固定至承接组件4和固定台63，弹簧8使得中心齿轮3具备一定的转动阻力，以使得中心轴2只有在真正输入力矩的时候，力矩传感模块7才会产生足够的信号，以避免假信号出现。

承接组件4包括设于牙盘1内承接盘43、沿承接盘43轴向向外凸出设置有用于安装至自行车或助力车的五通管9的承接轴套41、沿承接盘43轴向内凸出设置的轴承座42。弹簧8和凸柱62均固定于承接盘43的内侧的轴向表面。内侧轴承座42通过安装轴承抵接至行星架51的轴向延伸部分，与行星架51共同构成连续的轴套结构，中心轴2穿设其中并以轴承提供固定和转动。

牙盘1包括可沿轴向拆分为两部分的壳套11以及固定于壳套11外侧的牙轮12；两壳套11分别遮挡于行星架51和承接盘43的外侧的轴向端面，并且行星架51和承接盘43均沿轴向凸出设置有凸台供壳套11转动连接，其中承接盘43的凸台即为承接轴套41。齿圈13固定于壳套11的内侧并与其中一个壳套11一体成型。

实施例2：与实施例1的不同之处在于，行星架51的一侧无凸台，壳套11直接与中心轴2转动连接。

实施例3：与实施例1的不同之处在于，每个摆臂612上均设置有限位槽，凸柱62也为三个。如此，摆臂612的抗弯折性能会更加且能相互补偿。

实施例4：一种助力车，具备上述任意实施例的力矩传感器，并且提供助力的结构如轮毂电机安装于助力车的后轮。

本具体实施例仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本实用新型的保护范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种牙盘式力矩传感器，包括牙盘(1)、穿设于牙盘(1)的中心用于外接输入端的中心轴(2)、与中心轴(2)同轴的中心齿轮(3)、与中心齿轮(3)啮合的行星齿轮组(5)、与所述行星齿轮组(5)啮合的齿圈(13)以及可转动的套接于中心轴(2)并用于外接支撑的承接组件(4)，其特征是：所述中心齿轮(3)与中心轴(2)转动连接，所述行星齿轮组(5)与中心轴(2)固定连接，齿圈(13)固定于牙盘(1)，所述中心齿轮(3)的非齿面部分和承接组件(4)之间设置有将中心齿轮(3)限制在一定转动角度范围内的限位组件(6)、采集并传输中心齿轮(3)转动角度的力矩传感模块(7)以及阻止中心齿轮(3)转动的弹簧(8)。

2.根据权利要求1所述的牙盘式力矩传感器，其特征是：所述行星齿轮组(5)包括同轴的固定于中心轴(2)的行星架(51)以及至少一个可转动的连接于行星架(51)的轴向端面的行星轮(52)，所述行星轮(52)分别与中心齿轮(3)和齿圈(13)啮合。

3.根据权利要求2所述的牙盘式力矩传感器，其特征是：所述行星轮(52)至少有三个，所述行星齿轮组(5)还包括固定于行星架(51)的轴向端面并将每个行星轮(52)所在位置沿周向分隔为独立的空间的安全环(53)，所述行星轮(52)中心的转轴部分的两端分别与安全环(53)以及行星架(51)连接。

4.根据权利要求2或3所述的牙盘式力矩传感器，其特征是：所述行星架(51)呈法兰构造并以轴向延伸部分包裹于中心轴(2)的部分周向面，所述中心齿轮(3)可转动的套接于行星架(51)的轴向延伸部分。

5.根据权利要求4所述的牙盘式力矩传感器，其特征是：所述承接组件(4)包括设于牙盘(1)内并用于固定弹簧(8)的承接盘(43)、沿承接盘(43)轴向向外凸出设置有用于安装至自行车或助力车的五通管(9)的承接轴套(41)、沿承接盘(43)轴向内凸出设置的轴承座(42)，其中轴承座(42)通过安装轴承抵接至行星架(51)的轴向延伸部分，所述中心轴(2)转动穿设于承接轴套(41)。

6.根据权利要求1所述的牙盘式力矩传感器，其特征是： 所述限位组件(6)包括固定于中心齿轮(3)的非齿面部分的摆架(61)和至少一个固定于承接组件(4)的凸柱(62)，所述摆架(61)上设置有供凸柱(62)穿设并具备绕中心轴(2)一定的相对转动空间的限位孔(613)，所述弹簧(8)一端固定至承接组件(4)，另一端与摆架(61)固定。

7.根据权利要求6所述的牙盘式力矩传感器，其特征是：所述摆架(61)包括中心环(611)和三个均匀分布于中心环(611)的周向面的摆臂(612)，所述摆臂(612)沿中心轴(2)周向并朝向承接件的一侧设置有固定台(63)，所述弹簧(8)为三个且一端固定于固定台(63)。

8.根据权利要求6或7所述的牙盘式力矩传感器，其特征是：所述力矩传感模块(7)包括固定于摆架(61)上的霍尔元件(71)以及固定于承接组件(4)与霍尔元件(71)配合感应的永磁体(72)。

9.根据权利要求1所述的牙盘式力矩传感器，其特征是：所述牙盘(1)包括可沿轴向拆分为两部分并分别遮挡于行星齿轮组(5)件和承接组件(4)的外侧的轴向端面的壳套(11)以及固定于壳套(11)外侧的牙轮(12)，所述齿圈(13)固定于壳套(11)的内侧，所述壳套(11)与中心轴(2)转动连接或与行星齿轮组(5)件和承接组件(4)上设置的沿轴向凸出的凸台转动连接。

10.一种助力车，其特征是：包括权利要求1-9任意一项所述的牙盘式力矩传感器。