CN213008604U - 一种助力脚踏车扭矩检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种助力脚踏车扭矩检测装置，其包括弹性体、形变传感器和信号电路板。弹性体套装在中轴上，随中轴同步转动，并且弹性体的一端通过离合机构与牙盘连接从而进行扭矩传递或者与牙盘脱离从而切断传递扭矩；形变传感器设置在弹性体外侧壁上，用于感应扭矩；信号电路板用于接收形变传感器感应到的扭矩信号，并将扭矩信号传输至助力脚踏车的控制器；形变传感器通过有线传输模块或者无线传输模块将扭矩信号传输至信号电路板。本检测装置的形变传感器与信号电路板之间的传输方式采用有线传输或者无线传输均可实现，在不改变本检测装置的整体结构的情况下，两种传输方式可相互更换，以适应不同的车型需求。

Description

一种助力脚踏车扭矩检测装置

技术领域

本实用新型涉及助力脚踏车技术领域，具体地讲，涉及一种助力脚踏车扭矩检测装置。

背景技术

目前，现有的电动助力自行车的基本构造和工作原理分为两大类：一类是轮毂式电机助力驱动，另一类是中置式电机助力驱动。不论是轮毂式还是中置式，电机助力驱动结构存在差异，但其电机的助力大小都是由相应的力矩传感器对脚踏中轴转动所产生的转矩大小感知检测然后将检测到的电信号给车载控制器去控制调节电机助力驱动工作状态。

鉴此，力矩传感器的物理量-电量的效应机理的运用对中轴转动产生的力矩感知检测数据的可靠性、稳定性以及信号的灵敏度反应等性能指标都有相当密切的关系，另外，其结构上的实用性以及材质的成熟程度也将影响产品的应用范围和适用性。

目前，中置式电机助力驱动的力矩信号感知是采用磁感应原理，即在中轴与中轴外套壳二者各安装一个磁性元件，当中轴受外力转动与中轴外套壳产生相对运动时，会产生与外力作用大小成正比的磁场强度变化，内部感应电路将磁场强度变化转换为电信号输出。这种通过磁感应原理制造的力矩传感器最大的优点是应用于圆周旋转运动而产生的转矩力的感知检测，这是因为要将转动体内的检测信号可靠、稳定地传输出来，其加工技术还是有一定的难度的。而磁感应原理正好规避了转动体内信号传输的困境，以磁场感应的方式即无线传输的方式触决了转动体内力矩检测信号传输的难题。根据磁感应原理制造的力矩传感器在实际应用中反映的问题分析存在着三种方面的技术性能缺陷：其一是由于磁性材料特性的原因，受环境使用温度的影响而造成力矩传感器内部磁场强度的强弱变化，即影响到输出电信的准确性；其二是磁感应原理的力矩传感器负载输出特性不能产生良好的输入输出线性关系，即输出电信号的非线性误差较大；其三是磁感应原理的力矩传感器综合性能指标一致性不太理想，磁性材料体受环境应用场合的干扰存在稳定性结果的差异。

因此，提高转动体的力矩传感器综合性能指标对人-车智能助力互动、高敏感度快速助力反应控制系统的建立、提高人-车智能助力比的线性化程度具有重要的意义，有鉴于此，急需一种除磁感应原理之外的其他具备更优良综合指标的物理量-电量效应机理的助力脚踏车扭矩检测装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理、综合性能良好的基于物理量-电量效应机理的助力脚踏车扭矩检测装置，该装置极大提高了力矩传感器对外部施加力的感知灵敏度，提高物理量-电量转换线性度，提高产品在不同环境、不同使用条件下的输出信号的稳定性和可靠性，且该装置内部扭矩信号的传输可在有线传输与无线传输两者之间进行更换，不管是采用有线传输还是采用无线传输都能使本助力脚踏车扭矩检测装置的稳定性、可靠性等综合性能良好。

本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是：一种助力脚踏车扭矩检测装置，其安装在中置电机式的助力脚踏车中轴上，用于检测中轴的转矩，中轴的两端用于安装左、右脚踏。

本助力脚踏车扭矩检测装置包括：弹性体、形变传感器和信号电路板。弹性体套装在中轴上，随中轴同步转动，并且所述弹性体的一端通过离合机构与牙盘连接从而进行扭矩传递或者与牙盘脱离从而切断传递扭矩；形变传感器设置在弹性体外侧壁上，用于感应扭矩；信号电路板用于接收形变传感器感应到的扭矩信号，并将扭矩信号传输至助力脚踏车的控制器；所述形变传感器通过有线传输模块或者无线传输模块将扭矩信号传输至信号电路板。

详细地讲，当骑行者脚踏踏板开始骑行时，中轴顺时针转动，弹性体的一端受到中轴顺时针转动而产生的正向作用力，而弹性体的另一端与牙盘连接后会受到通过车轮、链条和牙盘传递过来的反向的阻力，两端方向相反的作用力使得弹性体上会产生一个扭矩，使弹性体产生扭曲变形，该扭曲变形量被形变传感器检测到并传输至信号电路板。

优选的，该助力脚踏车扭矩检测装置还包括：一个筒形的外罩壳；所述外罩壳套装在弹性体的外围，相对于动态转动的弹性体而言，外罩壳采用固定安装。所述信号电路板安装在外罩壳上。外罩壳的两端分别设置有端盖，所述端盖套装在弹性体上，弹性体与外罩壳之间通过滚动轴承转动连接。

我们可将中轴、弹性体、信号电路板、有线传输模块或者无线传输模块等各部件装配在外罩壳中从而形成一个独立的构件，方便厂家进行整车装配。由于弹性体与外罩壳之间通过滚动轴承转动连接，一方面保证弹性体与外罩壳的同轴度，另一方面使弹性体相对于外罩壳能顺畅转动。

优选的，所述有线传输模块包括：滑针和具有导电金属环的滑环集电器，滑环集电器固定套装在弹性体外围，与形变传感器通过导线电性连接，并随弹性体同步转动；滑针安装在外罩壳内侧，其一端与信号电路板电性连接，另一端抵靠在所述滑环集电器的导电金属环上。

有线传输模块可以理解为：形变传感器的输入输出电信号均连接到滑环集电器，两者均随弹性体同步转动，相对于转动的弹性体而言，外罩壳是静止固定不动的，滑针安装在外罩壳内侧，其一端与信号电路板电性连接，另一端抵靠在所述滑环集电器的导电金属环上，以此保持滑环集电器与滑针之间的可靠连接性。当中轴带动弹性体转动时，形变传感器检测到的扭矩信号会通过滑环集电器和滑针传输至信号电路板上。

优选的，所述无线传输模块包括：无线信号发射模块、无线信号接收模块、电源接收线圈和电源发射线圈。无线信号发射模块安装在弹性体外侧壁处，用于接收形变传感器感应到的扭矩信号并将该扭矩信号向外发出；无线信号接收模块集成在信号电路板上，用于接收所述无线信号发射模块发出的扭矩信号；电源接收线圈安装在弹性体外侧壁处；电源发射线圈安装在外罩壳内侧，用于与所述电源接收线圈相互感应，从而在电源接收线圈上形成为无线信号发射模块和形变传感器工作所需的电流。

无线传输模块可以理解为：弹性体上同时安装有形变传感器、无线信号发射模块和电源接收线圈，四者同步转动；信号电路板上集成有无线信号接收模块，外罩壳内侧安装有电源发射线圈，无线信号接收模块和电源发射线圈无论是静止状态还是运动状态，都能稳定可靠地传输电信号。当外罩壳被固定静止而中轴转动时，中轴转动带动弹性体转动，电源发射线圈与电源接收线圈相互感应，从而为形变传感器、无线信号发射模块提供工作所需用电，无线信号发射模块将形变传感器检测到的扭矩信号向外传输至无线信号接收模块。

优选的，在弹性体的一端外周侧壁处套装有磁环，在外罩壳内侧安装有霍尔元件，所述霍尔元件与信号电路板电性连接，磁环与霍尔元件发生感应形成踏频速度传感器。

踏频速度传感器可以理解为：磁环随弹性体同步转动，霍尔元件静止不动，当中轴带动弹性体转动时，磁环与霍尔元件形成相对转动，霍尔元件电路会产生输出脉冲信号，此踏频速度传感器可专门用于检测骑行中脚踏的转动频率即脚踏的转动速度。

优选的，所述弹性体通过花键的方式套装固定装配在中轴上；在安装时，将弹性体从一端沿着中轴的轴线方向套装在中轴上，通过花键配合使得中轴和弹性体咬合在一起，安装方便、简单。

优选的，所述离合机构包括：中介齿轮、轴瓦环和单向离合器；所述中介齿轮安装在中轴上，其用于与牙盘连接；所述轴瓦环安装在弹性体的一端；所述单向离合器安装在中介齿轮和轴瓦环之间形成的腔体中，通过单向离合器使得中介齿轮和轴瓦环咬合连接或者脱离。

优选的，所述中介齿轮通过定位轴承和滚针轴承与中轴转动连接。

优选的，所述形变传感器采用电阻应变片和应变测量电路，该电阻应变片粘贴在弹性体的中部位置。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、将形变传感器粘贴在弹性体的中部位置，不论是在中轴的左边施加转动力还是在右边施加转动力，或者左右两边交替施加转动力，其产生在弹性体端部的轴瓦环上的力矩信号是等同的，而且动态响应速度快、灵敏度高；

2、本检测装置不仅能输出中轴所受扭矩的大小电信号还能同步输出脚踏转动的转速；3、形变传感器与信号电路板之间的传输方式采用有线传输或者无线传输均可实现，在不改变本检测装置的整体结构的情况下，两种传输方式可相互更换，以适应不同的车型需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例1的结构示意图。

图2是本实用新型实施例2的结构示意图。

附图标记说明：中轴1、外罩壳2、弹性体3、形变传感器4、信号电路板5、端盖6、滚动轴承7、滑针8、滑环集电器9、磁环11、定位轴承100、滚针轴承101、霍尔元件12、中介齿轮13、轴瓦环14、单向离合器15、支撑轴承16、同心轴承17、无线信号发射模块18、无线信号接收模块19、电源接收线圈20、电源发射线圈21 。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。

实施例1。

参见图1，本实施例中公开了一种助力脚踏车扭矩检测装置，其安装在中置电机式的助力脚踏车中轴1上，用于检测助力脚踏车在骑行过程中人脚踏中轴1带动牙盘转动的力矩大小，以便智能化地根据人骑车时脚踏力的大小成比例地控制调整电机输出助力的大小，实现边骑行边助力的自动动态调整。本实施例中，中轴1的两端花键处用于安装左、右脚踏。

本助力脚踏车扭矩检测装置包括：筒形的外罩壳2、弹性体3、形变传感器4和信号电路板5。弹性体3套装在中轴1上，随中轴1同步转动，并且弹性体3的一端通过离合机构与牙盘连接从而进行扭矩传递或者与牙盘脱离从而切断传递扭矩；形变传感器4设置在弹性体3外侧壁上，用于感应扭矩；信号电路板5用于接收形变传感器4感应到的扭矩信号，并将扭矩信号传输至助力脚踏车的控制器；形变传感器4通过有线传输模块将扭矩信号传输至信号电路板5。

详细地讲，当骑行者脚踏踏板开始骑行时，中轴1顺时针转动，弹性体3的一端受到中轴1顺时针转动而产生的正向作用力，而弹性体3的另一端与牙盘连接后会受到通过车轮、链条和牙盘传递过来的反向的阻力，两端方向相反的作用力使得弹性体3上会产生一个扭矩，使弹性体3产生扭曲变形，该扭曲变形量被形变传感器4检测到并传输至信号电路板5。

本实施例中，形变传感器4包括电阻应变片和应变测量电路，电阻应变片粘贴在弹性体3的中部位置，弹性体3的中部位置为应变工作区，当弹性体3发生扭曲变形时，该变形量能被电阻应变片感知，应变测量电路将感知的弹性体3变形量转换为电量通过有线传输模块传输至信号电路板5。

本实施例中，将电阻应变片粘贴在弹性体3的中部位置，不论是在中轴1的左边施加转动力还是在右边施加转动力，或者左右两边交替施加转动力，其产生在弹性体3端部的轴瓦环上的力矩信号是等同的，而且动态响应速度快、灵敏度高。

本实施例中，外罩壳2套装在弹性体3的外围，相对于动态转动的弹性体3而言，外罩壳2采用固定安装。信号电路板5安装在外罩壳2上。外罩壳2的两端分别设置有端盖6，端盖6套装在弹性体3上，弹性体3与外罩壳2之间通过滚动轴承7转动连接。我们可将中轴1、弹性体3、信号电路板5、有线传输模块或者无线传输模块等各部件装配在外罩壳2中从而形成一个独立的构件，方便厂家进行整车装配。由于弹性体3与外罩壳2之间通过滚动轴承7转动连接，一方面保证弹性体3与外罩壳2的同轴度，另一方面使弹性体3相对于外罩壳2能顺畅转动。

本实施例中，有线传输模块包括：滑针8和具有导电金属环的滑环集电器9，滑环集电器9固定套装在弹性体3外围，与形变传感器4通过导线电性连接，并随弹性体3同步转动；滑针8安装在外罩壳2内侧，其一端与信号电路板5电性连接，另一端抵靠在滑环集电器9的导电金属环上。

有线传输模块可以理解为：形变传感器4的输入输出电信号均连接到滑环集电器9，两者均随弹性体3同步转动，相对于转动的弹性体3而言，外罩壳2是静止固定不动的，滑针8安装在外罩壳2内侧，其一端与信号电路板5电性连接，另一端抵靠在滑环集电器9的导电金属环上，以此保持滑环集电器9与滑针8之间的可靠连接性。当中轴1带动弹性体3转动时，形变传感器4检测到的扭矩信号会通过滑环集电器9和滑针8传输至信号电路板5上。

本实施例中，在弹性体3的一端外周侧壁处套装有磁环11，在外罩壳2内侧安装有霍尔元件12，霍尔元件12与信号电路板5电性连接，磁环11与霍尔元件12发生感应形成踏频速度传感器。踏频速度传感器可以理解为：磁环11随弹性体3同步转动，霍尔元件12静止不动，当中轴1带动弹性体3转动时，磁环11与霍尔元件12形成相对转动，霍尔元件12电路会产生输出脉冲信号，此踏频速度传感器可专门用于检测骑行中脚踏的转动频率即脚踏的转动速度。

本实施例中，弹性体3通过花键的方式套装固定装配在中轴1上，即在中轴1的外侧加工出花键齿，在弹性体3的内侧加工出与中轴1外侧花键齿相啮合的内花键齿，在安装时，将弹性体3从一端沿着中轴1的轴线方向套装在中轴1上，通过花键配合使得中轴1和弹性体3咬合在一起，安装方便、简单，能有效避免两者安装组合后的松动或产生间隙从而影响力矩产生的稳定性和骑行的舒适性。

本实施例中，离合机构包括：中介齿轮13、轴瓦环14和单向离合器15。中介齿轮13通过定位轴承100和滚针轴承101安装在中轴1上，其用于与牙盘连接。轴瓦环14安装在弹性体3的一端；单向离合器15安装在中介齿轮13和轴瓦环14之间形成的腔体中，通过单向离合器15使得中介齿轮13和轴瓦环14咬合连接或者脱离。

具体地讲，当骑行者脚踩踏板驱动中轴1转动时，弹性体3同步转动，此时中介齿轮13连接的牙盘受链条、后轮的牵拉作用，使得中介齿轮13与弹性体3的运动方向产生相对运动，两者之间的相对运动使得中介齿轮13和轴瓦环14通过单向离合器15咬合在一起，单向离合器15可选用单向轴承、棘轮棘爪等单向离合机构中的一种，只要能实现中介齿轮13与轴瓦环14的离合即可，具体地单向离合器15结构可参考现有技术。

本实施例中，为了使本助力脚踏车扭矩检测装置在自行车转动时能同时转动顺畅，故在中轴1的一端安装有支撑轴承16，在中介齿轮13上安装有同心轴承17，通过支撑轴承16和同心轴承17从而将整个助力脚踏车扭矩检测装置精准地安装在自行车上。

实施例2。

参见图2，本实施例2与实施例1的区别在于：形变传感器4通过无线传输模块将扭矩信号传输至信号电路板5。

无线传输模块包括：无线信号发射模块18、无线信号接收模块19、电源接收线圈20和电源发射线圈21。无线信号发射模块18安装在弹性体3外侧壁处，用于接收形变传感器4感应到的扭矩信号并将该扭矩信号向外发出；无线信号接收模块19集成在信号电路板5上，用于接收无线信号发射模块18发出的扭矩信号；电源接收线圈20安装在弹性体3外侧壁处；电源发射线圈21安装在外罩壳2内侧，用于与电源接收线圈20相互感应，从而在电源接收线圈20上形成为无线信号发射模块18和形变传感器4工作所需的电流。

无线传输模块可以理解为：弹性体3上同时安装有形变传感器4、无线信号发射模块18和电源接收线圈20，四者同步转动；信号电路板5上集成有无线信号接收模块19，外罩壳2内侧安装有电源发射线圈21，无线信号接收模块19和电源发射线圈21无论是静止状态还是运动状态，都能稳定可靠地传输电信号。当外罩壳2被固定静止而中轴1转动时，中轴1转动带动弹性体3转动，电源发射线圈21与电源接收线圈20相互感应，从而为形变传感器4、无线信号发射模块18提供工作所需用电，无线信号发射模块18将形变传感器4检测到的扭矩信号向外传输至无线信号接收模块19。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型结构所作的举例说明。凡依据本实用新型专利构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本实用新型专利的保护范围内。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种助力脚踏车扭矩检测装置，其安装在中置电机式的助力脚踏车中轴上，用于检测中轴的转矩；该助力脚踏车扭矩检测装置包括：

弹性体，其套装在中轴上，随中轴同步转动，并且所述弹性体的一端通过离合机构与牙盘连接从而进行扭矩传递或者与牙盘脱离从而切断传递扭矩；

形变传感器，其设置在弹性体外侧壁上，用于感应扭矩；以及

信号电路板，其用于接收形变传感器感应到的扭矩信号，并将扭矩信号传输至助力脚踏车的控制器；

其特征在于：所述形变传感器通过有线传输模块或者无线传输模块将扭矩信号传输至信号电路板。

2.根据权利要求1所述的助力脚踏车扭矩检测装置，其特征在于：该助力脚踏车扭矩检测装置还包括：一个筒形的外罩壳；所述外罩壳套装在弹性体的外围，相对于动态转动的弹性体而言，外罩壳采用固定安装。

3.根据权利要求2所述的助力脚踏车扭矩检测装置，其特征在于：所述信号电路板安装在外罩壳上。

4.根据权利要求3所述的助力脚踏车扭矩检测装置，其特征在于：所述有线传输模块包括：

具有导电金属环的滑环集电器，其固定套装在弹性体外围，与形变传感器通过导线电性连接，并随弹性体同步转动；以及

滑针，其安装在外罩壳内侧，其一端与信号电路板电性连接，另一端抵靠在所述滑环集电器的导电金属环上。

5.根据权利要求3所述的助力脚踏车扭矩检测装置，其特征在于：所述无线传输模块包括：

无线信号发射模块，其安装在弹性体外侧壁处，用于接收形变传感器感应到的扭矩信号并将该扭矩信号向外发出；

无线信号接收模块，其集成在信号电路板上，用于接收所述无线信号发射模块发出的扭矩信号；

电源接收线圈，其安装在弹性体外侧壁处；以及

电源发射线圈，其安装在外罩壳内侧，用于与所述电源接收线圈相互感应，从而在电源接收线圈上形成为无线信号发射模块和形变传感器工作所需的电流。

6.根据权利要求2所述的助力脚踏车扭矩检测装置，其特征在于：在弹性体的一端外周侧壁处套装有磁环，在外罩壳内侧安装有霍尔元件，所述霍尔元件与信号电路板电性连接，磁环与霍尔元件发生感应形成踏频速度传感器。

7.根据权利要求1所述的助力脚踏车扭矩检测装置，其特征在于：所述弹性体通过花键的方式套装固定装配在中轴上；所述离合机构包括：中介齿轮、轴瓦环和单向离合器；所述中介齿轮安装在中轴上，其用于与牙盘连接；所述轴瓦环安装在弹性体的一端；所述单向离合器安装在中介齿轮和轴瓦环之间形成的腔体中，通过单向离合器使得中介齿轮和轴瓦环咬合连接或者脱离。

8.根据权利要求7所述的助力脚踏车扭矩检测装置，其特征在于：所述中介齿轮通过定位轴承和滚针轴承与中轴转动连接。

9.根据权利要求1所述的助力脚踏车扭矩检测装置，其特征在于：所述形变传感器采用电阻应变片和应变测量电路，该电阻应变片粘贴在弹性体的中部位置。

10.根据权利要求2所述的助力脚踏车扭矩检测装置，其特征在于：所述外罩壳的两端分别设置有端盖，所述端盖套装在弹性体上，弹性体与外罩壳之间通过滚动轴承转动连接。

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