TWM562263U - 一種可檢測扭矩的助力腳踏車用牙盤元件 - Google Patents

Abstract

本創作為一種可檢測扭矩的助力腳踏車用牙盤元件，包括具有可與傳動鏈條嚙合的傳動齒的齒圈、可安裝踏腳的曲柄元件，所述曲柄元件包括曲柄，曲柄的一端為連接端，另一端為安裝端，曲柄的連接端設有可與踏腳相連接的連接孔，曲柄的安裝端設有可與腳踏車的中軸相連接的安裝孔，在曲柄安裝端還設有一體的若干輻條，所述輻條的外端與齒圈的內側可拆卸連接，在所述輻條的內側設有可感測輻條形變的形變感測器，當人力騎行時，所述輻條產生形變，此時的形變感測器即可輸出與輻條的形變量相對應的電信號。本實用新型可準確檢測人力騎行的輸出扭矩，使電動助力的輸出扭矩與人力輸出的扭矩大小相匹配，避免騎行時出現速度突變。

Description

一種可檢測扭矩的助力腳踏車用牙盤元件

本創作係有關電動助力腳踏車技術，尤指一種可檢測扭矩的助力腳踏車用牙盤元件，其可準確感測助力腳踏車在人力騎行時的輸出扭矩。

目前，安裝有蓄電池、輪轂電機的電動自行車因為其省力、方便等優點在國內得到了普及，然而現有的電動自行車存在如下問題：雖然電動自行車保留了踏腳，以便騎車人用人力騎行，但是作為動力源的踏腳和輪轂電機可分開控制，也就是說，騎車人可通過設置在車輛把手上的電門直接控制輪轂電機的轉速，從而可完全依靠電力驅動車輛行進。這樣，在電動騎行狀態時，由於騎車人很難控制好電門的大小，從而無法使電力輔助驅動和腳踩驅動良好配合，造成只能採用純電力驅動模式，而腳踏騎行只有在蓄電池電量耗盡時才會採用。該行駛方式雖然具有快捷、省力的好處，但是容易產生超速行駛，進而造成騎行的不安全。另外，它也無法滿足部分人群的人力騎行以鍛煉身體的要求。也就是說，現有的電動自行車很難達到人力為主，電力輔助的效果。

為此，人們發明了電動助力自行車，電動助力自行車的基本構造和工作原理與電動自行車類似，其也是通過蓄電池驅動輪轂電機，從而驅動車輛行駛，但是，其控制輪轂電機轉速是由相應的感測器所感應到的信號控制的，當控制器接收到感測器輸出的踏腳的速度、扭矩、或者車輛的狀態等信號時，即可自動控制輪轂電機的工作狀態和輸出扭矩。也就是說，騎車人在不採用腳踏騎行的狀態下無法實現純電力驅動，電力驅動只能用於輔助驅動，從而可有效地限制車輛的行駛速度，同時可實現省力的目的。

例如，在中國專利文獻上公開的“一種電動助力車控制方法及系統”，公佈號為CN106828758A，該方法利用速度感測器感測電動助力車的行進速度，利用水平儀感測電動助力車的行駛狀態，當電動助力車開始騎行時，其行進速度大於零，此時如果電動助力車的行駛狀態為水準行駛狀態時，則單純通過人力作用於踏腳的扭力驅動電動助力車，並記錄車輛在水準行駛狀態下踏腳的轉動速度或扭力值；如果電動助力車的行駛狀態為上坡行駛狀態時，則啟動驅動馬達正向轉動，形成輔助動力，以便使踏腳達到水準行駛狀態下的轉動速度或扭力值。也就是說，車輛在上坡時，騎車人腳踩踏腳所輸出的扭力值以及車輛的行駛速度和水準行駛時保持一致；如果電動助力車的行駛狀態為下坡行駛狀態時，則依靠車輛的慣性反向帶動驅動馬達轉動發電，以便為移動電源充電。

雖然此類電動助力車可根據實際行駛狀態自動控制車輛的行駛模式，但是其仍然存在如下缺陷：首先，當車輛在處於水準行駛狀態時無法實現電動助力，助力效果不明顯。其次，此類助力車在電動助力時控制的並非是電機輸出的扭矩的大小，而是車輛的行駛速度，其雖然有利於簡化控制方式，但是容易造成電動助力時輸出扭矩過大的問題，特別是，當上坡的坡度很大、或者車輛的負載較大時，會造成蓄電池和輪轂電機的超載運行，從而嚴重影響其使用壽命。

為此，有人在助力自行車的傳動鏈條的張緊一側安裝了可檢測鏈條張緊力的感測器，傳動鏈條的張緊側被感測器折彎，當人力騎行時，傳動鏈條被張緊，感測器即可感受到傳動鏈條的張緊力而輸出一個電信號。並且當需要上坡或快速騎行時，人力騎行的輸出扭矩越大，傳動鏈條的張緊力越大，相應地感測器輸出的電信號越大。這樣，控制輪轂電機工作的控制器即可根據感測器輸出的電信號相應地控制輪轂電機的輸出扭矩，使人力騎行的輸出扭矩和輪轂電機的輸出扭矩相匹配，正真地實現人力為主電力輔助的效果。

然而此類感測器存在如下缺陷：由於感測器正真感受到的是傳動鏈條在折彎處恢復平直的作用力，也就是說，感測器所感測到的並非是傳動鏈條的張緊力，因此，最終騎車人的輸出扭矩與感測器所輸出的電信號之間無法形成線性關係。相應地，控制輪轂電機工作的控制器需要對接收到的感測器的電信號 先進行複雜的計算，然後才能控制輪轂電機輸出與人力騎行相匹配的輸出扭矩，既造成控制的複雜，同時不利於實現電力輔助輸出扭矩與人力騎行的扭矩相匹配。

本創作之目的是為了解決現有採用電動助力車難以根據人力輸出的扭矩大小精確控制電動助力的輸出扭矩的問題，提供一種可檢測扭矩的助力腳踏車用牙盤元件，可準確檢測人力騎行的輸出扭矩，使電動助力的輸出扭矩與人力輸出的扭矩大小相匹配，確保騎車人可根據自己的主觀意願方便地控制車輛的騎行速度，避免騎行時出現速度突變。

為達上述目的，本創作係提供一種可檢測扭矩的助力腳踏車用牙盤元件，包括具有可與傳動鏈條嚙合的傳動齒的齒圈、可安裝踏腳的曲柄元件，所述曲柄元件包括曲柄，曲柄的一端為連接端，另一端為安裝端，曲柄的連接端設有可與踏腳相連接的連接孔，曲柄的安裝端設有可與腳踏車的中軸相連接的安裝孔，在曲柄安裝端還設有一體的若干輻條，所述輻條的外端與齒圈的內側可拆卸連接，在所述輻條的內側設有可感測輻條形變的形變感測器，當人力騎行時，所述輻條產生形變，此時的形變感測器即可輸出與輻條的形變量相對應的電信號。

首先，本創作在輻條的內側設置電阻感應片一類可感測輻條形變的形變感測器，這樣，當開始人力騎行時，騎行者踩踏設置在曲柄連接端的踏腳，使曲柄圍繞中軸正向轉動，從而 對輻條的內端形成一個向前的作用力；相應地，與齒圈嚙合的傳動鏈條則對齒圈形成一個向後的阻力，從而對輻條的外端形成一個向後的作用力，此時輻條內外端的作用力對輻條形成一個扭矩，使輻條產生扭曲形變，設置在輻條內側的形變感測器即可產生一個電信號，助力腳踏車的控制器即可根據上述電信號相應地控制輪轂電機的輸出扭矩，以實現電力輔助驅動。可以理解的是，輻條所承受的扭矩是和騎行者對踏腳的作用力成正比的，相應地，形變感測器所產生的電信號是和輻條的形變成正比的，因此，騎行者騎行時所輸出的扭矩和形變感測器所產生的電信號是成正比的。這樣，當遇到上坡、或者騎行者想要加速騎行時，騎行者對曲柄所作用的扭矩會相應地增大，此時形變感測器所輸出的電信號也同步地成正比增加，繼而控制器可控制輪轂電機以相同的比例增大輸出的扭矩，使電動助力的輸出扭矩與人力輸出的扭矩大小相匹配，即達到省力的目的，又可確保騎行者方便準確地控制騎行速度，避免出現速度的突變。

其次，現有的腳踏車牙盤通常是由週邊與傳動鏈條嚙合的齒圈、中心套接在中軸上的的輪轂、連接在齒圈和輪轂之間的幅板一體構成的，而曲柄則與中軸的端部相連接。當曲柄帶動中軸轉動時，即可帶動牙盤轉動，繼而通過傳動鏈條驅動後輪轉動。當騎行者的右腳踩踏右側的踏板時，首先驅動右側的曲柄正向轉動，然後驅動中軸轉動，再通過中軸帶動牙盤轉動。也就是說，曲柄並非直接驅動牙盤轉動，由於曲柄和牙盤分別通過方 孔或花鍵等可以傳遞扭矩的連接方式與中軸相連接，因此等腳踏車經過一定時間的使用後，在曲柄和中軸之間、以及牙盤和中軸之間會因為受力而產生塑性變形或磨損，從而在曲柄和中軸之間、以及牙盤和中軸之間會產生一個配合間隙而形成一定的鬆動，從而影響騎行性能。本實用新型的曲柄和輻條採用一體結構，其可方便地通過鑄造成型等現有的工藝快速成型，而齒圈和輻條之間則採用可拆卸連接方式相連接。這樣，當我們通過螺釘連接一類的方式連接齒圈和輻條時，即可使齒圈和具有曲柄的輻條連接成一體結構，然後將曲柄的安裝孔套接在中軸上，即可方便地實現牙盤的安裝。此外，一體結構的輻條和曲柄可徹底避免長期使用後在牙盤和曲柄之間在轉動方向上產生間隙，而螺釘連接的輻條和齒圈之間在長期使用後也不會產生間隙，因而可確保腳踏車的正常使用。

作為優選，所述輻條的內側設有容置凹槽，形變感測器為粘貼在輻條內側的容置凹槽內的電阻應變片，以方便地感測輻條的扭曲形變，並且方便安裝，成本低。

作為優選，在輻條內側面設有可無線輸出控制信號的無線信號發射模組，所述形變感測器的輸出端與無線信號發射模組電連接，當人力騎行時，形變感測器向無線信號發射模組輸出與輻條的形變量相對應的電信號，無線信號發射模則無線發送相應的控制信號。

在現有技術中，通過無線方式傳輸電信號已經非常 成熟。由於牙盤組件在腳踏車的騎行時會一起旋轉，因此，本實用新型在輻條內側面設置可無線輸出控制信號的無線信號發射模組，從而可方便地將形變感測器的輸出信號以非接觸方式傳輸給腳踏車的控制器，避免有線傳輸存在的安裝複雜、容易因斷線而產生故障等問題，從而可提高腳踏車騎行的可靠性。

作為優選，在曲柄的安裝端設有滑環集電器，形變感測器的輸出端通過滑環集電器與腳踏車的控制器電連接，形變感測器的輸入端通過滑環集電器與腳踏車的蓄電池電連接。

旋轉裝置通過滑環集電器進行電連接可確保有線連接的可靠，並且避免連接導線形成扭曲纏繞。

作為優選，所述輻條的數量在3-16之間，輻條在圓周方向上均勻分佈，所述齒圈的內側一體地設有與輻條對應的搭接部，所述輻條的外端與齒圈對應的搭接部通過螺釘連接。

螺釘連接方便拆裝，同時有利於根據需要用同一個曲柄換裝不同規格型號的齒圈，有利於簡化生產、組裝等。

作為優選，所述搭接部在位於輻條正向轉動方向前側處設有貼靠輻條的擋塊，在擋塊遠離輻條一側設有與搭接部連接成一體的加強筋片。

由於在齒圈上設置貼靠輻條的擋塊，因此，可避免在曲柄向齒圈傳遞扭矩時對連接輻條和齒圈的螺釘形成過大的剪切力，既有利於提高輻條與齒圈連接後傳遞扭矩的能力，又可避免螺釘的損壞。

作為優選，所述擋塊在靠近輻條一側設有口大裡小的楔形卡槽，輻條的側邊卡在楔形卡槽內。

由於輻條的側邊時卡在楔形卡槽內的，因此，當輻條與擋塊的連接尺寸有誤差時，各輻條側邊與對應的楔形卡槽之間無法全部同時緊密接觸，這時，我們可對曲柄先施加一個扭矩，輻條的側邊即會擠開楔形卡槽，從而使全部的輻條側邊均與對應的楔形卡槽緊密接觸，然後再緊固輻條與齒圈之間的螺釘。這樣，我們可有效地消除因形狀、尺寸等誤差造成的各輻條無法傳遞相同扭矩的缺陷，確保各輻條所承受的扭矩的均勻一致，進而有利於提高形變感測器所輸出的電信號的準確性。

作為優選，所述齒圈遠離曲柄的內側一體地設有內擋環，所述內擋環的外徑大於齒圈的外徑。

由於內擋環的外徑大於齒圈的外徑，因此，當我們安裝傳動鏈條時，只需使傳動鏈條貼靠內擋環，即可使傳動鏈條準確定位而與齒圈相嚙合，並且可避免長期騎行後傳動鏈條出現滑落齒圈內側的脫鏈情況。也就是說，傳動鏈條只會向齒圈外側滑落而脫鏈，從而方便脫鏈後的維護。

因此，本實用新型具有如下有益效果：可準確檢測人力騎行的輸出扭矩，使電動助力的輸出扭矩與人力輸出的扭矩大小相匹配，確保騎車人可根據自己的主觀意願方便地控制車輛的騎行速度，避免騎行時出現速度突變。

1‧‧‧齒圈

11‧‧‧搭接部

111‧‧‧加強筋片

112‧‧‧擋塊

113‧‧‧楔形卡槽

12‧‧‧內擋環

2‧‧‧曲柄組件

21‧‧‧曲柄

22‧‧‧輻條

221‧‧‧容置凹槽

23‧‧‧形變感測器

24‧‧‧保護罩

25‧‧‧無線信號發射模組

3‧‧‧傳動鏈條

4‧‧‧中軸

圖1為本創作的一種結構示意圖。

圖2為本創作的剖視圖。

圖3為輻條和齒圈的連接結構示意圖。

以下係藉由特定的具體實施例說明本創作之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本創作之其他優點與功效。

以下參照圖式說明本創作之實施例，應注意的是，以下圖式係為簡化之示意圖式，而僅以示意方式說明本創作之基本構想，遂圖式中僅例示與本創作有關之結構而非按照實際實施時之元件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各元件之型態、數量及比例並非以圖示為限，可依實際設計需要作變化，合先敘明。

如圖1、圖2所示，一種可檢測扭矩的助力腳踏車用牙盤元件，包括圓環形的齒圈1和曲柄組件2，該齒圈在外側邊緣可與腳踏車的傳動鏈條3嚙合的傳動齒，曲柄組件則包括沿腳踏車中軸4的徑向延伸的曲柄21，曲柄遠離中軸的外端為連接端，靠近中軸的內端為安裝端，曲柄的連接端設置可與腳踏車的踏腳相連接的連接孔，曲柄的安裝端設置可與腳踏車的中軸相連接的安裝孔。優選地，連接孔為螺紋孔，從而方便踏腳與曲柄快捷地螺紋連接；而安裝孔優選地採用方孔，當然，中軸的端部應相應地設置方形的連接頭，以便使曲柄的安裝孔可套接在中軸的連接頭 上，並且可在中軸和曲柄之間傳遞扭矩。當然，我們還可在方形的安裝孔外端設置一個沉孔，並在沉孔內設置內螺紋；相應地，在中軸方形的連接頭端部設置一個螺紋沉孔。這樣，當曲柄的安裝孔套接在中軸的連接頭上時，可用一個旋緊在連接頭端部螺紋孔內的緊固螺釘使曲柄和中軸可靠連接，然後在螺紋沉孔內螺紋連接一個裝飾封蓋。

此外，在曲柄安裝端還需設置一體的3-16條輻條22，輻條的數量優選地在4-6之間，輻條沿徑向延伸，並在圓周方向上均勻分佈，輻條的外端設置螺釘通孔。相應地，齒圈的內側一體地設置與輻條數量對應的搭接部11，在搭接部上同樣設置螺釘通孔，從而使輻條的外端與齒圈對應的搭接部可通過螺釘形成可拆卸連接，以便根據需要用同一個曲柄換裝不同規格型號的齒圈，有利於簡化生產、組裝等。

為了避免長期騎行後傳動鏈條出現滑落齒圈內側的脫鏈情況，我們可在齒圈遠離曲柄的內側一體地設置內擋環12，並且內擋環的外徑大於齒圈的外徑。當我們安裝傳動鏈條時，只需使傳動鏈條貼靠內擋環，即可使傳動鏈條準確定位而與齒圈相嚙合，並且傳動鏈條只會向齒圈外側滑落而脫鏈，從而方便脫鏈後的維護。

另外，我們可在輻條的內側設置容置凹槽221，並在輻條內側的容置凹槽內粘貼可感測輻條形變的電阻應變片一類的形變感測器23，以方便地感測輻條的扭曲形變。這樣，當開始人 力騎行時，騎行者的右腳踩踏設置在右側的曲柄連接端的踏腳，使曲柄圍繞中軸正向轉動，從而對輻條的內端形成一個向前的作用力；相應地，與齒圈嚙合的傳動鏈條則對齒圈形成一個向後的阻力，從而對輻條的外端形成一個向後的作用力，此時輻條內外端的作用力對輻條形成一個扭矩，使輻條產生扭曲形變，設置在輻條內側的形變感測器即可產生一個電信號，助力腳踏車的控制器即可根據上述電信號相應地控制輪轂電機的輸出扭矩，以實現電力輔助驅動。當然，騎行者的左腳踩踏設置在中軸左端的踏腳時，左側的踏腳帶動中軸正向轉動，繼而帶動右側的曲柄、輻條帶動齒圈轉動，此時設置在輻條內側的形變感測器同樣可產生一個電信號。

可以理解的是，輻條所承受的扭矩是和騎行者對踏腳的作用力成正比的，相應地，形變感測器所產生的電信號是和輻條的形變成正比的，因此，騎行者騎行時所輸出的扭矩和形變感測器所產生的電信號是成正比的。這樣，當遇到上坡、或者騎行者想要加速騎行時，騎行者對曲柄所作用的扭矩會相應地增大，此時形變感測器所輸出的電信號也同步地成正比增加，繼而控制器可控制輪轂電機以相同的比例增大輸出的扭矩，使電動助力的輸出扭矩與人力輸出的扭矩大小相匹配，即達到省力的目的，又可確保騎行者方便準確地控制騎行速度，避免出現速度的突變。

為方便安裝，我們還可在輻條內側面設置一個保護 罩24，在保護罩內設置可無線輸出控制信號的無線信號發射模組25，形變感測器的輸出端與無線信號發射模組電連接。這樣，當人力騎行時，形變感測器向無線信號發射模組輸出與輻條的形變量相對應的電信號，無線信號發射模則無線發送相應的控制信號，從而可方便地將形變感測器的輸出信號以非接觸方式傳輸給腳踏車的控制器，避免有線傳輸存在的安裝複雜、容易因斷線而產生故障等問題，以提高腳踏車騎行的可靠性。

當然，我們也可在曲柄的安裝端設置滑環集電器，形變感測器的輸出端通過滑環集電器與助力腳踏車的控制器電連接，形變感測器的輸入端則通過滑環集電器與腳踏車的蓄電池電連接。這樣，蓄電池可為形變感測器提高電源，而形變感測器產生的輸出信號則可傳遞給助力腳踏車的控制器。需要說明的是，當我們採用非接觸方式輸出形變感測器的輸出信號時，我們可在保護罩內設置一個可充電的鋰電池，以便為形變感測器提高電源。或者，我們也可通過滑環集電器連接形變感測器與蓄電池，以便通過蓄電池為形變感測器供電。

進一步地，如圖3所示，我們還可在搭接部上位於輻條正向轉動方向前側處設置擋塊112。當齒圈安裝到輻條上時，輻條貼靠擋塊。因此，輻條可通過擋塊向齒圈船體扭矩，也就是說，連接輻條和齒圈的螺釘不會承受剪切力，有利於提高輻條與齒圈連接後傳遞扭矩的能力，又可避免螺釘的損壞。當然，我們還可在擋塊上遠離輻條一側設有與搭接部連接成一體的三角形的加強 筋片111。

最後，我們還可在擋塊上靠近輻條一側設置口大裡小的楔形卡槽113，輻條的側邊卡在楔形卡槽內。這樣，當輻條與擋塊的連接尺寸有誤差時，各輻條側邊與對應的楔形卡槽之間無法全部同時緊密接觸，這時，我們可對曲柄先施加一個扭矩，部分側邊與楔形卡槽緊密接觸的輻條即會擠開楔形卡槽，從而使曲柄相對齒圈轉動一個微小的角度，直至全部的輻條側邊均與對應的楔形卡槽緊密接觸，然後再緊固輻條與齒圈之間的螺釘。這樣，我們可有效地消除因形狀、尺寸等誤差造成的各輻條無法傳遞相同扭矩的缺陷，確保各輻條所承受的扭矩的均勻一致，進而有利於提高形變感測器所輸出的電信號的準確性。可以理解的是，螺釘和輻條以及搭接部的螺釘通孔之間需設置一定間隙，以便於曲柄可相對齒圈轉動一個微小的角度。

雖然前述的描述及圖式已揭示本創作之較佳實施例，必須瞭解到各種增添、許多修改和取代可能使用於本創作較佳實施例，而不會脫離如所附申請專利範圍所界定的本創作原理之精神及範圍。熟悉本創作所屬技術領域之一般技藝者將可體會，本創作可使用於許多形式、結構、佈置、比例、材料、元件和組件的修改。因此，本文於此所揭示的實施例應被視為用以說明本創作，而非用以限制本創作。本創作的範圍應由後附申請專利範圍所界定，並涵蓋其合法均等物，並不限於先前的描述。

Claims (8)

1. 一種可檢測扭矩的助力腳踏車用牙盤元件，包括具有可與傳動鏈條嚙合的傳動齒的齒圈、可安裝踏腳的曲柄元件，其特徵是，所述曲柄元件包括曲柄，曲柄的一端為連接端，另一端為安裝端，曲柄的連接端設有可與踏腳相連接的連接孔，曲柄的安裝端設有可與腳踏車的中軸相連接的安裝孔，在曲柄安裝端還設有一體的若干輻條，所述輻條的外端與齒圈的內側可拆卸連接，在所述輻條的內側設有可感測輻條形變的形變感測器，當人力騎行時，所述輻條產生形變，此時的形變感測器即可輸出與輻條的形變量相對應的電信號。
2. 如請求項1所述的一種可檢測扭矩的助力腳踏車用牙盤元件，其特徵是，所述輻條的內側設有容置凹槽，形變感測器為粘貼在輻條內側的容置凹槽內的電阻應變片。
3. 如請求項1所述的一種可檢測扭矩的助力腳踏車用牙盤元件，其特徵是，在輻條內側面設有可無線輸出控制信號的無線信號發射模組，所述形變感測器的輸出端與無線信號發射模組電連接，當人力騎行時，形變感測器向無線信號發射模組輸出與輻條的形變量相對應的電信號，無線信號發射模則無線發送相應的控制信號。
4. 如請求項1所述的一種可檢測扭矩的助力腳踏車用牙盤元件，其特徵是，在曲柄的安裝端設有滑環集電器，形變感測器的輸出端通過滑環集電器與腳踏車的控制器電連接，形變感測器的輸入端通過滑環集電器與腳踏車的蓄電池電連接。
5. 如請求項1所述的一種可檢測扭矩的助力腳踏車用牙盤元件，其特徵是，所述輻條的數量在3-16之間，輻條在圓周方向上均勻分佈，所述齒圈的內側一體地設有與輻條對應的搭接部，所述輻條的外端與齒圈對應的搭接部通過螺釘連接。
6. 如請求項4所述的一種可檢測扭矩的助力腳踏車用牙盤元件，其特徵是，所述搭接部在位於輻條正向轉動方向前側處設有貼靠輻條的擋塊，在擋塊遠離輻條一側設有與搭接部連接成一體的加強筋片。
7. 如請求項5所述的一種可檢測扭矩的助力腳踏車用牙盤元件，其特徵是，所述擋塊在靠近輻條一側設有口大裡小的楔形卡槽，輻條的側邊卡在楔形卡槽內。
8. 如請求項1或2或3或4或5或6所述的一種可檢測扭矩的助力腳踏車用牙盤元件，其特徵是，所述齒圈遠離曲柄的內側一體地設有內擋環，所述內擋環的外徑大於齒圈的外徑。