CN2374854Y - 一种电动助力车脚踏力矩检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种电动助力车的脚踏力矩检测装置,具有固定在车体上的机械结构D,其内同轴地设有同齿数同模数的主动齿盘和从动齿盘,两齿盘通过弹簧配合并在脚踏力作用下产生相位变化;一组传感器检测主动齿盘、从动齿盘的相位变化及转动状态并传输给控制单元P,从而控制电机出力大小。该装置解决了采用接触式传感器探测力矩的诸多问题,而且结构简单,制造容易,寿命长,性能稳定,通用性好。

Description

一种电动助力车脚踏力矩检测装置

本实用新型涉及一种带有电机助力的电动车脚踏力矩检测装置。它是把机械结构、传感器装在将脚踏踏力传递给车轮的动力传递系统上，依靠力矩检测装置取得对应于踏脚踏力的输出值来控制电机出力的。

这种类似功能的力矩检测装置由中国专利局CN1118434A号，CN1113048A号和CN1148559A号公开。上述CN1118434A号专利所记载的电动助力车力矩检测装置，虽然它是把由脚踏力和助推马达的输出的差面拧扭变形的杆同轴地装在曲轴内部，使其一端与曲轴结合。把沿轴向能滑动的嵌装在曲轴外周上的滑动件上形成的凸状凸轮面与扭杆的另一端上所结合的驱动构件上形成的凹状凸轮面相结合，当使扭杆拧扭变形时，被推压在驱动构件上的滑块沿轴的轴向滑动，推压行程传感器的检测杆。但由于这装置的结构对曲轴、扭杆的强度要求很大，加工处理比较麻烦，传感器采用接触式行程传感器，接触磨损比较严重，寿命比较短。

又由于CN1113048A号专利所记载的装置，虽然是根据装在把动力从曲轴传递到后轮的动力传递系统上的，行星齿轮机构中的太阳轮的反作用力来检测脚踏的踏力，但由于这种装置的结构复杂，重量大，而且即使在不使用助推马达的情况下也必需用人力驱动行星齿轮机构，因而有机械能损失较大的问题，而且其传感器也是采用了接触式传感器，寿命与非接触式相比较短。

由于CN1148559A专利所记载的装置是装在后轮毂内的，装在旋转壳体内的弹性件位于变速器和轮子之间，弹性件的伸缩可转换成轴向移动而使磁性件或导电件移动，并使绕组的电感量变动，从而测得人力转矩。这种结构使后轮轴部分变得相当复杂，失去了电机的通用性。

另外，有资料介绍根据连接曲轴和后轮的驱动轴的扭拧角度来检测踏脚的踏力，但这种结构不适于一般的用链传动式的自行车。还有记载根据连接曲轴和后轮的链条的张力检测脚踏的力矩的，但随着装置的长期使用所产生的链条的延伸和张力的初始设定引起的检测误差问题比较严重。

本实用新型是为了解决上述问题而作出的，其目的是提供一种结构简单，成本低，机械能损耗小，系统寿命长，运行可靠，能准确地检测出踏力的力矩检测装置。

本实用新型是通过以下措施实现的：设置一反映人力脚踏力的机械结构D，其壳体与车架中轴连接管为一体；其内同轴地设有相同齿数的主动齿盘、从动齿盘，两齿盘通过弹性元件配合；主动齿盘在扭转力作用下与从动齿盘可产生相位变化；一组传感器固定在壳体上并测这种相位变化和主动齿盘或从动齿盘转动状态的信息，且将这种信息传输给控制单元P，从而控制电机的输出。

本实用新型进一步的方案是：在所述的机械结构D内与主动齿盘、从动齿盘同轴地设有一与主动齿盘相配合的超越离合器，该超越离合器与主轴固定连接，主动齿盘、从动齿盘可绕主轴转动。

本实用新型进一步的方案是：在所述的主动齿盘上与从动齿盘相对的一侧设有固定弹性元件的肋柱及齿盘限位块；在从动齿盘上相应地设有肋柱及齿盘限位块，在肋柱之间构成等距离的空间内放置弹性元件，另有辅助装置限制弹性元件的径向位置，主动齿盘与从动齿盘模数相等，在弹性元件自然状态下两齿盘的齿是一一对齐的，齿盘限位块使两齿盘的最大相位变化不超过一个齿的周期。

本实用新型进一步的方案是：设置在机械结构壳体上的一组传感器分别探测主动齿盘与从动齿盘的相对位置，所述的传感器的顶端与主动齿盘、从动齿盘的齿顶有一间隙；其中一个传感器装有两片敏感元件输出两路信号，另一个传感器装有一片敏感元件输出一路信号。所述的传感器的顶端连线与中轴中心线平行。

同已有的技术相比，本实用新型结构简单，制造容易，成本地；采用非接触式检测，无磨损，运行可靠，系统寿命长；此外，力矩检测装置在中轴，电机不论是放在前轮或后轮都能使用，使电机的配套非常方便，提高了整车设计的灵活性。

下面是对附图的简单说明：

图1是本实用新型一种实施例的电动自行车整体侧视图；

图2是本实用新型力矩检测装置的水平剖视图；

图3是本实用新型的主动齿盘的主视图；

图4是本实用新型的主动齿盘的左视图；

图5是本实用新型的从动齿盘的主视图；

图6是本实用新型的从动齿盘的右视图；

图7是本实用新型一种实施例电机助力比与车速的关系曲线。

现在参照附图对本实用新型的实施例说明如下：

如图1所示，自行车B具有从侧面看做V字型的主架，在主架的前端设有前管1，前管1上有能自由回转地支撑着前叉2，前叉2上端有把手3，下端有前轮Wf。从主架的下端附近向后方延伸的由一对撑杆5增强的后叉6上支撑着后轮Wb。在主架的下端中轴11上紧固有一对轴臂7L、7R，在这对轴臂的端部分别设置着脚踏。驱动链轮14和设置在后轮轴上的从动链轮由链条连接着，当脚踏的踏力通过轴臂使中轴11转动时，通过驱动链轮14、链条和从动链轮传递到后轮Wb上。

在主架上设置电池盒M，其内装有用于驱动电机的电池组；在主架靠近前管1处设置电量显示器G，其上有电源主开关；在主架的底部设有检测脚踏力矩的机械结构D。在主架与后叉6之间设有接收从机械结构D上传来的检测信号并控制电机输出的控制单元P；电机F设置在后轮Wb轮彀内用于产生助推力。

下面参照图2-图6对机械结构D进行详细说明。

该机械结构D装配在自行车B原车架中轴连接管的位置上，连接管既作为主架的一部分，又作为机械结构D的外壳28。在外壳28的两端设有内螺纹，端盖15、24通过螺纹使所述机械结构D固定在车架上。

在图2中，中轴11可旋转地置于所述机械结构D内，其上同轴地设有主动齿盘19、从动齿轮17。主动齿盘19完全位于机械结构D内部，而从动齿盘17有一端突出于端盖15之外，在从动齿盘17突出于端盖15之外的部分加工有驱动链轮14，换言之，驱动链轮14与从动齿盘17为一体，故可实现完全同步转动。在主动齿盘19靠近端盖24的一侧有一园形空腔，固定在中轴11上的超越离合器21，其与主动齿盘19配合部分位于上述园形空腔内，棘爪设置在园形空腔内表面，在超越离合器21配合部分园柱体上有一圈棘齿。当正向脚踏时，棘爪卡在棘齿中，脚踏力由超越离合器传递到主动齿盘上，当反向脚踏时，棘爪打滑，脚踏力不能传递到主动齿盘上，即实现主动齿盘19单向传递动力，这对保证主动齿盘19、从动齿盘17的配合关系起积极作用，其实这也正是设置超越离合器的目的。如果不设置超越离合器，则必将主动齿盘紧固于中轴11上，当遇到反向脚踏时，主动齿盘19、从动齿盘17也必将反向转动，这时要保证主动齿盘、从动齿盘的配合关系，只有靠设置在后轮轴上的小链轮(飞轮)，其实小链轮的原理同超越离合器是相同的。主动齿盘19与从盘齿盘17之间通过弹簧27连接配合，当然也可以是其它弹性元件，如橡胶等。弹簧27与主动齿盘19、从动齿盘17的配合方式是这样的：如图3、图4在主动齿盘19与从动齿盘17相对的一侧面上，环形布置有结构相同且用来固定弹簧27的肋柱a、b、c、d，它们与弹簧27接触的一面为斜面，在斜面的中部均设有柱状凸起31、32、33、34，柱状凸起结构相同，其外径小于弹簧27内腔直径。同理，在从动齿盘17上也相应地设有结构相同的肋柱a′、b′、c′、d′及柱状凸起31′、32′、33′、34′。在主动齿盘19、从动齿盘17安装配合后，由肋柱a～a′、b～b′、c～c′、d～d′之间构成等距离的空间，其内放置弹簧27。上述每个空间内均有一个弹簧，共4个。各柱状凸起置于弹簧27内，防止弹簧27沿径向脱落，即辅助定位。为达此目的，也可以采取其它方式，如设置里外两个套筒，各弹簧依次位于里外两套筒之间，里面的套筒防止弹簧向内脱落，外面的套筒防止弹簧向外脱落。

主动齿盘19、从动齿盘17通过滚针轴承安装在中轴11上。在两齿盘之间、主动齿盘19与超越离合器21之间以及超越离合器21与紧固在端盖24、中轴11之间的轴承23之间分别设有垫片18、20、22，为实现本机械结构D在中轴11上的轴向定位，档卡12、轴承13、轴承16及轴承23等可实现上述定位目的。如图4、图6设定主动齿盘19、从动盘17齿数相等、模数相同，两齿盘的齿在弹簧处于自然状态时是一一对齐的，当施加外力时弹簧27受压变形，导致主动齿盘19与从动齿盘17之间产生相位变化，由于设置了齿盘限位块41、42，使这种相位变化量最大为一个齿的周期。在壳体28上设有两个传感器安装孔，传感器25、26通过上述安装孔固定在壳体28上，并分别探测主动盘19、从动齿盘17的相对位置。传感器25、26的顶端与主动齿盘19、从动齿盘17有一间隙，同时传感器25、26的顶端连线与中轴中心线平行。这种非接触式检测方式将大大提高传感器的使用寿命。在传感器25上装有两片敏感元件，输出两路信号；在传感器26上装有一片敏感元件，输出一路信号。当然，也可以从传感器26上输出两路信号。作为传感器25、26的顶端，如果不对齐，也就是说顶端距主动齿盘19、从动齿盘17的间隙大小不等，仍然可以检测踏力，但应对控制单元P做必要的修正。

本实用新型的工作过程是这样的：当骑行时，人力施加在脚踏上，通过轴臂传递给中轴11，使中轴11转动，中轴的转矩通过超越离合器21传递给主动齿盘19，再通过弹簧27传递给从动齿盘17，然后再通过从动齿盘17上的驱动链轮14和链条传给后轮Wb，使后轮转动。当弹簧27传递力矩时，将受压变形，使本来一一对齐的主动齿轮19、从动齿轮17的齿错位，即发生相位变化，传感器检测所述相位变化，输出方波，比较从传感器25上任一路信号和传感器26上输出的方波前沿相位差就可以得出人力力矩值；对任一路信号上的方波进行计数得出齿盘转速；根据从传感器25上两个敏感元件传出的信号可以判断主动齿盘19的齿通过该传感器25两敏感元件的先后得出主动齿盘19的正反转状态。控制单元P根据检测到的人力力矩大小、转动方向、转动速度来控制电机F出力。

若控制单元P判断出齿盘反向转动，则停止电机出力；若施加在脚踏上的人力不足以使主动齿盘19，从动齿盘17之间产生相位变化时，或者说，骑行者不施力如滑行状态时，电机不出力。预先根据自行车正常脚踏行驶时的速度，设定相应的主动齿盘19或从动齿盘17的转速；根据这个转速设定在不同速度范围内的助力比(电机出力/脚踏力)。一般说来，齿盘转速越高，自行车速度越快。助力比与速度之间关系如图7所示，速度越高助力比越小，在同一速度范围内其助力比相同。如果将速度范围逐渐缩小，其助力可接近连续状态。在图7中M表示中等，H表示较高。

在正常脚踏行驶状态中，控制单元P首先确定齿盘转速，该转对应一设定车速，根据车速确定助力比，再由测得脚踏力矩值按上述助力比确定电机出力值并控制电机按此值输出。也就是说，电机辅助出力至少应满足两个条件：一是必须施加脚踏力并足以使齿盘产生相位变化；二是齿盘转速(正常行驶车速)必须低于最大车速设定值。此外，控制单元P还设定电池电压、电池温度及过载的检测控制，电池电量输出显示，以提高用户注意。

当然，本实用新型的实施例并不局限于此：作为本实用新型的另一种结构是在主动齿盘19、从动齿盘17相对应的侧面上分别加工出稍大于弹簧外径的半圆槽，弹簧便置于上述槽内。同样使弹簧在自然状态下，主动齿盘、从动齿盘的齿是一一对齐的；同样设置齿盘限位块使主动齿盘、从动齿盘的相位变化最大不超过一个齿的周期，其余相同，也可以达到检测的目的。

就主动齿盘、从动齿盘而言，其卤数必须相等，但模数可以不同；其齿在弹簧自然状态时也可以是不一一对齐；以及两齿盘的最大错位量不超过一个齿的周期也是可以变的。但是，由此带来的问题是其它相应的部分也必须变更，同时对控制单元P也必须修正。

还有一种情况是两传感器的顶端连线与中轴中心线平行也不是绝对的，当不平行时，同样需要进行修正。

以本实用新型为基础的电动助力车经试验证明是完全可行的，并达到了预期目的。

Claims (8)

1一种电动助力车的脚踏力矩检测装置，具有一反映人力脚踏力的机械结构D，其壳体与车架中轴连接管为一体；一组传感器(25)、(26)固定在壳体(28)上并检测从机械结构D上传来的信息且将这种信息传输给控制单元P，其特征是所述的机械结构D内同轴地设有相同齿数的主动齿盘(19)、从动齿盘(17)，两齿盘通过弹性元件配合；主动齿盘(19)在扭转力作用下与从动齿盘(17)可产生相位变化；传感器(25)、(26)是用来检测这种相位变化和主动齿盘或从动齿盘转动状态的。

2根据权利要求1所述的力矩检测装置，其特征在于所述的机械结构D内与主动齿盘(19)、从动齿盘(17)同轴地设有一与主动齿盘相配合的超越离合器(21)，该超越离合器与中轴(11)固定连接，主动齿盘(19)、从动齿盘(17)可绕中轴(11)转动。

3根据权利要求1或2所述的力矩检测装置，其特征在于所述的主动齿盘(19)上与从动齿盘(17)相对的一侧设有固定弹性元件的肋柱a、b、c、d及齿盘限位块(41)；在从动齿盘(17)上相应地设有肋柱a′、b′、c′、d′及齿盘限位块(42)，在肋柱a～a′、b～b′、c～c′、d～d′之间构成等距离的空间内放置弹性元件，另有辅助装置限制弹性元件的径向位置，主动齿盘(19)与从动齿盘(17)模数相等，在弹性元件自然状态下两齿盘的齿是一一对齐的，齿盘限位块(41)、(42)使两齿盘的最大相位变化不超过一个齿的周期。

4根据权利要求3所述的力矩检测装置，其特征在于所述的弹性元件为弹簧(27)。

5根据权利要求4所述的力矩检测装置，其特征在于所述的辅助装置是在每个肋柱与弹簧的接触面上均对应设有一凸起(31)、(32)、(33)、(34)、(31′)、(32′)、(33′)、(34′)所述的凸起位于弹簧(27)的内腔。

6根据权利要求3所述的力矩检测装置，其特征在于所述的辅助装置为里外两个套筒，弹簧位于两个套筒之间的空间内。

7根据权利要求5所述的力矩检测装置，其特征是设置在机械结构壳体(28)上的一组传感器(25)、(26)分别探测主动齿盘与从动齿盘的相对位置，所述的传感器(25)、(26)的顶端与主动齿盘、从动齿盘的齿顶有一间隙：其中一个传感器(25)装有两片敏感元件输出两路信号，另一个传感器(26)装有一片敏感元件输出一路信号。

8根据权利要求7所述的力矩检测装置，其特征是所述的传感器(25)、(26)的顶端连线与中轴(11)中心线平行。

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