TWI628109B - 電助自行車之後車架扭矩感測裝置 - Google Patents

電助自行車之後車架扭矩感測裝置 Download PDF

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Abstract

本發明係由兩組位移檢知單元與一處理單元所組成的一種電助自行車之後車架扭矩感測裝置，該兩組位移檢知單元分別裝置在後輪後車架之上叉臂及下叉臂；此位移檢知單元所感測的位移，可被換算成力量；經力學分析，與適當的將由兩組位移檢知單元取得的訊號，經由一處理單元加以數學運算後，可消除所有與路面垂直方向的力量，進而取得騎乘者踩踏於腳踏曲柄組之踩踏扭矩；本發明之兩組位移檢知單元係直接固定於後輪後車架之上叉臂及下叉臂，而無需另行設置旋轉接頭，且兩組位移檢知單元的種類包含各種利用不同物理、化學方法所組成的位移檢知装置，如應變規、壓電感測器、電磁感測器、電容感測器，或光學感測器等；藉此，本發明整體之製造與裝置簡單，並具有可精確量測得騎乘者兩腳之踩踏扭力的優點。

Description

電助自行車之後車架扭矩感測裝置
本發明係提供一設置在電助自行車之後車架的扭矩感測裝置，尤指一種藉由兩組位移檢知單元分別裝置在後輪後車架之上叉臂及下叉臂，以經力學分析，與適當的將兩組位移檢知單元取得的訊號，經由一處理單元加以數學運算後，可消除所有與路面垂直方向的力量，進而取得騎乘者騎乘時兩腳之踩踏扭矩；且本發明於設置時無需另行裝設旋轉接頭，本發明製造與裝置簡單，並具有訊號量測精確，及可測得騎乘者之踩踏扭矩的優點。
基於環保與乘騎輕鬆、舒適的需求，市場上已有多種不同的電助腳踏車，而電助腳踏車的系統可依電助馬達的裝置位置分為前輪、後輪與中置系統，為了要讓馬達能隨時提供適確的輔助扭力，扭矩感測裝置對電助腳踏車則是一項非常重要的裝置。
現己有多種不同的扭矩感測裝置（torque sensor），它們大多是將感知單元（sensor）裝置在腳踏車上的腳踏曲柄軸、腳踏板、腳踏桿、後輪軸、前齒盤、鏈條或後車架。但這些扭矩感測裝置，多會有一些下列的缺失，如：僅能傳遞單腳的採踏扭力、須旋轉接頭或無線傳送的裝置（含電池）、扭力訊號不穩定與易受外力干擾。因此，在實際使用時往往會不方便，扭力控制不精確。
而將感知單元（sensor）裝置在腳踏車上的腳踏曲柄軸、腳踏板、腳踏桿的扭矩感測裝置，僅能傳遞單腳的採踏扭力，亦須旋轉接頭或無線傳送的裝置（含電池）。將感知單元（sensor）裝置在後輪軸、前齒盤的扭矩感測裝置，雖能傳遞双腳的採踏扭力，但亦須旋轉接頭或無線傳送的裝置（含電池），且扭力訊號不穩定，易受外力與振動的干擾。將感知單元（sensor）裝置經帶輥輪之連桿而架設在鏈條上的扭矩感測裝置，雖能傳遞双腳的採踏扭力，亦無須旋轉接頭或無線傳送的裝置（含電池），但扭力訊號極易受鏈條的不平滑、路面、載重與振動的干擾。
而習知另提供一種概如美國專利公開第2009/0120211號之「一種量測鏈條帶動力之方法與裝置（Method And Device For Measuring The Chain Force In A Bicycle）」，其係將兩組設計複雜的位移感測器，分别装置在後車架兩邊的後叉端與後輪軸耦合處（22、23）。在量出兩處因水平位移而産生的兩個作用力（F L，F R）後，進而相加，藉此量得鏈條的帶動力。但如第1圖所示，後車架的後叉端有兩隻不同方向的後車架。由於任何垂直於路面的力量N（如人車的重量、載重、路面的不平整、鏈條帶動力的垂直分力），均可被分解成沿著後叉端兩隻不同後車架方向的分力（F A，F B）。其中，沿下叉臂方向的水平分力F A、沿下叉臂方向的水平分力F B，與任何垂直於路面的力量N，分别存在如下式1、式2之數學關係：
（式1）
（式2）
此沿下叉臂方向的水平分力F A，將會在後車架後叉端與後輪軸耦合處産生水平位移。因此，該專利除了扭矩感測裝置設計複雜外，該方法所擬量取的水平位移作用力，必然包含垂直於路面的力量N在水平位移方向的分力，亦即量取的水平位移作用力易受路面、載重與振動的干擾而不準確。
有鑑於此，吾等發明人乃潛心進一步研究電助自行車之扭矩感測，並著手進行研發及改良，期以一較佳發明以解決上述問題，且在經過不斷試驗及修改後而有本發明之問世。
爰是，本發明之目的係為解決上述問題，為達致以上目的，吾等發明人提供一種電助自行車之後車架扭矩感測裝置，其包含：
一般的後車架，其設置有一上叉臂及一下叉臂，該上叉臂及該下叉臂間形成一夾角θ，且末端係相互連結，並連結於後輪軸，該後輪軸設有一後鏈輪，後鏈輪藉由一傳動單元（如：鏈條）以連結並傳動於一前鏈輪，該下叉臂於相對該後鏈輪一端設有一腳踏曲柄組及該前鏈輪。
本發明係由兩組位移檢知單元與一處理單元所組成的一種電助自行車之後車架扭矩感測裝置，該兩組位移檢知單元分別裝置在後輪後車架之上叉臂及下叉臂；且其中，該第一位移檢知單元及第二位移檢知單元，可分別為應變規、壓電感測器、電磁感測器、電容感測器或光學感測器，或其組合。此位移檢知單元所感測的位移，經習知的理論與實驗分析後，可被換算成力量。
如第1圖所示，任何垂直於路面的力量（正向力N），均可被分解成沿著後叉端兩隻不同後車架方向的分力（F A、F B），其中F A代表沿後車架之下叉臂方向的水平分力，F B代表沿後車架之上叉臂方向的分力。而F A與F B間則存在如下式之數學關係：
當後輪軸受到前鏈輪經鏈條傳遞的張力（T）時，沿後車架之下叉臂方向的第二位移檢知單元量到的總力量（F） ，將會是垂直於路面的力量在沿後車架之下叉臂方向的水平分力（F A）與此張力（T） 的和力，即如下式所示：
但由於前鏈輪經鏈條傳遞的張力（T）方向，近乎於在後車架之下叉臂的水平分力（F A）同方向，此張力（T）在沿後車架之上叉臂方向不會有分量；因此，沿後輪後車架之上叉臂方向的分力（F B）將保持不變。
乘騎中，在量得此下叉臂方向的總力量（F）與上叉臂方向的分力（F B） 後，只要經一處理單元加以數學運算，將沿後輪後車架之下叉臂方向的位移檢知單元量到的力量（F），減去從第一位移檢知單元在後車架之上叉臂方向所量得的分力（F B）乘以cosθ的力量（F Bcosθ）後，即可求得此與垂直於路面之力量無關的鏈條張力（T），即如下式所示：
此張力（T）乘以前鏈輪的半徑R後，將可求得作用在固定前鏈輪的曲柄軸之踩踏扭矩τ。
而前所述者，係下叉臂之軸線係平行於水平線時；因此，當後輪後車架之下叉臂的方向非水平，而有與水平線有傾角δ時，只須將F A與F B間的數學關係修正参數即可，如下式所示：
一般此傾角δ之值都不大，其造成的影響多可乎略不計。
如有组裝、加工、材料、截面、量測或有其他物理因素造成誤差時，亦可在無鏈條張力（T）下，經由實驗量測取得一校正值c：
據上所述之電助自行車之後車架扭矩感測裝置，其中，該處理單元更耦接於一控制器，該控制器進一步耦接於驅動馬達，且該控制器將處理單元係依據該踩踏扭矩及其他控制條件，該驅動馬達提供適當之電助力者。
是由上述說明及設置，顯見本發明主要具有下列數項優點及功效，茲逐一詳述如下：
1.本發明藉由第一位移檢知單元及第二位移檢知單元分別量測上叉臂及下叉臂之變形量，進而可求得上叉臂及下叉臂分別之受力值，並且於垂直方向上，可藉由正向力N與上叉臂之受力值F B之關係以消除因路面顛簸而產生的雜訊；而於下叉臂所量測之受力值F，則可據以求得騎乘者之踩踏扭矩；藉此，本發明確實可予以濾除雜訊，並可精確求得騎乘者雙腳分別之踩踏扭矩。
2.本發明於上叉臂及下叉臂之後度或截面積不同時，亦可藉由處理單元產生之校正值進行校正程序，以於傳動單元未傳遞張力時，令該下叉臂之受力值F均等於該上叉臂之受力值F B與該夾角之餘弦值之乘積；故顯見本發明確實可適用於各式後車架之電助自行車。
3.本發明可適用於各式現有之電助自行車，僅需於後車架之上叉臂及下叉臂分別裝設第一位移檢知單元及第二位移檢知單元，或藉由一設有所述位移檢知單元之固定架以將現有之後車架同軸組接於該固定架，亦可透過將設有位移檢知單元之固定架直接貼設於原後車架，藉可令處理單元藉由數學方法量測踩踏扭矩，故顯見本發明之構造精簡，且無須對電助自行車進行大規模改裝，藉可節省諸多人力及時間成本。
關於吾等發明人之技術手段，茲舉數種較佳實施例配合圖式於下文進行詳細說明，俾供 鈞上深入了解並認同本發明。
請先參閱第1圖所示，其係本發明之第一實施例，本發明係一種電助自行車之後車架扭矩感測裝置，其包含：
一後車架1，其設置有一上叉臂11及一下叉臂12，該上叉臂11之末端及該下叉臂12之末端係相互連結，並令該上叉臂11及該下叉臂12間形成一夾角θ，該上叉臂11及該下叉臂12之連結處組設有一後輪軸2，該後輪軸2設有一後鏈輪21；該上叉臂11設有一第一位移檢知單元3，而該下叉臂12設有一第二位移檢知單元4，且該下叉臂12於相對該後鏈輪21一端設有一腳踏曲柄組5及一前鏈輪6，該前鏈輪6係藉由一傳動單元61以連結並傳動於該後鏈輪21，其中，該傳動單元61為鏈條；以及
一處理單元7，其係連結於該第一位移檢知單元3及該第二位移檢知單元4；而該處理單元7可更進一步耦接一控制器（圖未繪示），該控制器進一步耦接於一驅動馬達8，該下叉臂12於相對該後鏈輪21一端更設有一多通管13，該多通管13係組設有該腳踏曲柄組5、該前鏈輪6及該驅動馬達8；
其中，第一位移檢知單元3及第二位移檢知單元4係用以分別檢測上叉臂11及下叉臂12之變形量，故在一實施例中，第一位移檢知單元3及第二位移檢知單元4可分別或可同時為利用不同物理、化學方法所組成的位移檢知装置，如：應變規、壓電感測器、電磁感測器、電容感測器或光學感測器。
對於變形量之量測而言，第一位移檢知單元3及第二位移檢知單元4，係可偵測變形所產生之位移；在一實施例中，欲將第一位移檢知單元3及第二位移檢知單元4所偵測之位移量換算為上叉臂11之受力值F B及下叉臂12之受力值F，所屬技術領域具通常知識者，可知悉藉由截面慣性矩與變形量位移之關係求得其受力，是以，本發明係可藉由於該處理單元7儲存有該上叉臂11及該下叉臂12分別之截面慣性矩，藉以令該處理單元7係依據該第一位移檢知單元3及該第二位移檢知單元4之感測結果，以藉由所述截面慣性矩求得該上叉臂11之受力值F B及下叉臂12之受力值F。
據此，如第1圖所示，因任何垂直於路面之正向力（N），即可被分解成於上叉臂11之分力F B及沿著下叉臂12之分力F A，其於力學必然滿足下數學式1所示： 【數學式1】 ；
而當騎乘者藉由踩踏腳踏曲柄組5，以驅動前鏈輪6，並藉由傳動單元61傳動於後鏈輪21，後輪軸2將受前鏈輪6經傳動單元61所傳遞之張力T，第二位移檢知單元4所測得之受力值F，係為前述正向力N於下叉臂12之分力F A與前述張力T之合力，如下數學式2所示： 【數學式2】F ；
此外，因前鏈輪6經傳動單元61傳遞之張力T方向，近乎於正向力N於下叉臂12之分力F A之方向，故張力T於上叉臂11方向不具有分量，因此，上叉臂方向之分力F B將維持不變。
故當騎乘者騎乘時，可藉由第二位移檢知單元4所量測下叉臂12之受力值F，以及由第一位移檢知單元3所量測之上叉臂11受力值F B，處理單元7即可藉由於下叉臂12之受力值F中，扣除上叉臂方向之分力F B乘以 之值，即均等於扣除正向力N於下叉臂12之分力F A，而後即可求得前鏈輪6經傳動單元61所傳遞之與垂直於路面之力量無關的鏈條張力T，如下數學式3所示： 【數學式3】T ；
因此，處理單元即可據以運算踩踏扭矩τ，其即為張力T與前鏈輪6之半徑長度R之乘積，如下數學式4所示： 【數學式4】 ；
以上所述者，係下叉臂12之軸線係平行於水平線L之情形；然若如第2圖所示，當下叉臂12之軸線與水平線L呈一傾角δ，則須將F A及F B間之關係進行修正，如下數學式5所示： 【數學式5】
故依據數學式3至數學式5，此時之踩踏扭矩τ將須修正為下數學式6所示： 【數學式6】
值得注意的是，如上所述者，係假設當上叉臂11及下叉臂12之截面慣性矩為相同時之情形，當上叉臂11及下叉臂12之截面慣性矩不相同時，如：形狀或截面積不同，則須令該處理單元7進行一校正程序，該校正程序係傳動單元未傳遞張力5時，使張力T為0而不作用於前鏈輪6，使下叉臂12此時之受力值F僅具有正向力於下叉臂12之分力F A，且不等於該上叉臂11之受力值F B與該夾角θ之餘弦值之乘積，因此，該處理單元7係界定一校正值c，以於該分力F A，或該上叉臂11之受力值F B與該夾角之餘弦值之乘積，乘以該校正值c，令該下叉臂12之分力F A均等於該上叉臂11之受力值F B與該夾角之餘弦值之乘積，如下數學式7所示： 【數學式7】 或 ；
經校正後，即可同如前述，透過考量校正值c之情形下，予以計算張力T及踩踏扭矩τ，故於在此不予贅述。
另就於垂直方向之力學平衡而言，地面將給予電助自行車後輪之正向力N，其係可與上叉臂11之受力值F B於垂直方向上之力而相互抵銷以消除因路面顛簸而產生的雜訊，如下數學式8所示： 【數學式8】 ；
藉上所述，顯見本發明確實可消除雜訊，並精確求得騎乘者之踏力F及踩踏扭矩τ，使本發明之感測結果不受外界環境的影響，故該控制器將處理單元7係依據該踩踏扭矩τ及其他控制條件，使該驅動馬達8提供適當之電助力；以維持本發明運行時之平穩性；且本發明之構造精簡，於裝設時，僅需將第一位移檢知單元3及第二位移檢知單元4分別固設於上叉臂11及下叉臂12即可完成，而無須對後車架1進行大規模改裝，顯見本發明確實具有量測時之精確性，及於裝設時之便利性者。
且須特別說明的是，本實施例中之第一位移檢知單元3係可直接貼設於後車架1之上叉臂11處，而第二位移檢知單元4亦係直接貼於下叉臂12；而如第3圖所示者，其係本發明之第二實施例，其與第一實施例之差別在於，第二實施例中，更包含一獨立製作之固定架14，且該固定架14一端係設有一上連結臂141及一下連結臂142，另一端係裝設在後輪軸2上，而該上連結臂141係與後車架1之上叉臂11對接，該下連結臂142係與後車架1之下叉臂12對接，且該第一位移檢知單元3係設置於該上連結臂141，而該第二位移檢知單元4係設置於該下連結臂142，藉此，同樣可如前述計算求得踩踏扭矩，本實施例之實施方式與第一實施例近似，故在此不予贅述。
續請參閱第4圖所示，其係本發明之第三實施例，其與第二實施例之差別在於，第三實施例之獨立製作之固定架14’，一端係設有一上連結臂141’及一下連結臂142’，另一端係連接於一後輪軸2，該上連結臂141’係固設於該上叉臂11之側端，而該下連結臂142’係固設於該下叉臂12之側端，且該第一位移檢知單元3係設置於該上連結臂141’，而該第二位移檢知單元4係設置於該下連結臂142’；在一具體之實施例中，該固定架14’係可穿設有複數鎖掣孔143，以分別透過螺絲藉由鎖掣孔143，以將該固定架14’鎖固於後車架1之側端，是知，本實施例同樣可予求得踩踏扭矩，本實施例之實施方式與第二實施例近似，故在此不予贅述。
綜上所述，本發明所揭露之技術手段確能有效解決習知等問題，並達致預期之目的與功效，且申請前未見諸於刊物、未曾公開使用且具長遠進步性，誠屬專利法所稱之發明無誤，爰依法提出申請，懇祈 鈞上惠予詳審並賜准發明專利，至感德馨。
惟以上所述者，僅為本發明之數種較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧後車架
11‧‧‧上叉臂
12‧‧‧下叉臂
13‧‧‧多通管
14、14’‧‧‧固定架
141、141’‧‧‧上連結臂
142、142’‧‧‧下連結臂
143‧‧‧鎖掣孔
2‧‧‧後輪軸
21‧‧‧後鏈輪
3‧‧‧第一位移檢知單元
4‧‧‧第二位移檢知單元
5‧‧‧腳踏曲柄組
6‧‧‧前鏈輪
61‧‧‧傳動單元
7‧‧‧處理單元
8‧‧‧驅動馬達
第1圖係本發明第一實施例之下叉臂與水平線平行時之結構暨力學示意圖。 第2圖係本發明第一實施例之下叉臂與水平線平行具有一傾角時之結構暨力學示意圖。 第3圖係本發明第二實施例之結構示意圖。 第4圖係本發明第三實施例之結構示意圖。

Claims (5)

  1. 一種電助自行車之後車架扭矩感測裝置，其包含：一後車架，其設置有一上叉臂及一下叉臂，該上叉臂之末端及該下叉臂之末端係相互連結，並令該上叉臂及該下叉臂間形成一夾角θ；該上叉臂及該下叉臂之連結處係用以組設一後輪軸，該後輪軸設有一後鏈輪；該下叉臂於相對該後鏈輪一端，係用以組設一腳踏曲柄組及一前鏈輪，該前鏈輪係藉由一傳動單元以連結並傳動於該後鏈輪；一第一位移檢知單元，其係裝置在後車架之上叉臂；一第二位移檢知單元，其係裝置在後車架之下叉臂；以及一處理單元，其係連結於該第一位移檢知單元及該第二位移檢知單元；藉之，於傳動單元傳遞張力時，該處理單元係藉由該第一位移檢知單元及該第二位移檢知單元之檢知結果分別換算上叉臂之受力值FB及下叉臂之受力值F，並藉由於下叉臂之受力值F中，扣除上叉臂方向之分力FB乘以cos θ之值，以消除所有與路面垂直方向的力量，並界定一騎乘者踩踏於該腳踏曲柄組之踩踏扭矩τ滿足下式1所示：τ=(F-F B cos θ)×R (式1)其中，R為該前鏈輪之半徑。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電助自行車之後車架扭矩感測裝置，其中，該第一位移檢知單元及該第二位移檢知單元可同時或分別為利用不同物理、化學方法所組成的位移檢知装置。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電助自行車之後車架扭矩感測裝置，其中，該第一位移檢知單元及該第二位移檢知單元可同時或分別為應變規、壓電感測器、電磁感測器、電容感測器或光學感測器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電助自行車之後車架扭矩感測裝置，其中，該第一位移檢知單元係直接裝置在後車架之上叉臂；而該第二位移檢知單元係直接裝置在後車架之下叉臂。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電助自行車之後車架扭矩感測裝置，更包含一固定架，一端係設有一上連結臂及一下連結臂，另一端係連接於一後輪軸，該上連結臂係固設於該上叉臂之側端，而該下連結臂係固設於該下叉臂之側端，且該第一位移檢知單元係設置於該上連結臂，而該第二位移檢知單元係設置於該下連結臂。
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