一种基于应变原理的电助力自行车中轴式力矩传感器

技术领域

本发明涉及电助力自行车中轴式力矩传感器的设计技术，特别是一种基于应变原理的电助力自行车中轴式力矩传感器。

背景技术

在如今这个全民健身，绿色出行的时代，自行车运动凭着其接近自然的运动场地，有氧运动的健身方式，已经在越来越多人之间普及开来，而因为我国的基建工作非常优秀，铺设路面总里程全世界第一，柏油公路条件优良，使得我国的自行车运动蓬勃发展。而电助力自行车作为自行车的一个新兴的种类，相比传统无助力的自行车与纯电动的两轮电动车，电助力自行车能够智能地根据使用者的发力提供动力，有效减少使用者的疲劳的同时保证骑行体验与安全性。电助力自行车用作代步、运动等方面的用途近年来越来越受到重视。

力矩传感器作为电助力自行车上感知使用者发力的元件，是整个电助力自行车系统当中至关重要的组成部分。作为输入端，力矩传感器的精度直接影响控制器的判断与使用者体验。目前市场上电助力自行车常用的传感器有速度传感器、伪力矩传感器、力矩传感器三类。速度传感器只能感知使用者踩踏的速度或者自行车运行的速度，不能有效地对使用者的意图做出反馈；伪力矩传感器通过对速度信号的处理模拟出使用者发力的信号，相对于速度传感器体验更好，但是仍然不能准确地反馈；力矩传感器通过测量使用者骑行时双脚施力的大小与踩踏速度(力矩传感器一般包含速度传感器)，能够准确地根据使用者的意图(发力大小)实时地反馈(控制器根据力矩信号调整电机输出功率)。力矩传感器正在越来越广泛的被电助力车系统所接受。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，而提供结构简单、测量准确，并且安装方便的一种基于应变原理的电助力自行车中轴式力矩传感器。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种基于应变原理的电助力自行车中轴式力矩传感器，包括有外管以及经左轴承和右轴承转动支撑穿设安装在该外管中的中轴，左轴承定位安装在外管的左端口中，外管的右端一体成型有应变部，右轴承紧配合安装在应变部成型的右轴承安装孔中；应变部上加工有两道面向电助力自行车后方的应力梁，两道应力梁包括前应力梁和后应力梁，前应力梁和后应力梁间形成有长条状的变形腔；前应力梁的中心成型与右轴承的外圆紧密顶接相配合的应力传递凸块，该应力传递凸块的上下对称加工有两个与右轴承的外圆非接触的悬空区；变形腔的中心安装有用于将前应力梁承受的推力传递给后应力梁的金属顶针，后应力梁上贴装有用于检测后应力梁受力变形的应变片，外管上安装有与应变片电信号相连的PBC电板。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述外管的周面上在紧邻应变部的应力梁处成型有内凹的电路板安装位， PBC电板采用粘结剂连接固定在外管的电路板安装位中； PBC电板引出有线缆接头，应变部上成型有与线缆接头固定卡装配合的线缆卡槽。

上述的中轴上固定套装有与中轴同步转动的磁环，磁环的一周含有24对至32对磁极； PBC电板上设有主控芯片和用于通过检测磁环的磁极变化检测中轴转速的霍尔元件。

上述变形腔的中心成型用于定位安装金属顶针的定位弧形槽。

上述应变部的右端面上加工有定位销孔，定位销孔中穿设有用于与电助力车的五通管开的槽进行定位配合的定位销。

上述的应变部配设有用于防止灰尘进入右轴承安装孔中的右端盖，右端盖经三颗十字螺钉固定安装有应变部上。

上述外管的左端口中加工有卡簧槽，卡簧槽中卡装有用于防止左轴承轴向串动的孔用挡圈。

上述外管左端的外周面上加工有外螺纹，该外管的左端通过外螺纹螺旋配装有用于将外管锁紧固定在电助力车五通管上的左牙碗。

上述中轴的两端成型有四方头，四方头内加工有内螺纹孔；中轴左端的四方头上安装有左曲柄，中轴右端的四方头上安装有一体式牙盘曲柄。

与现有技术相比，本发明外管的一体成型有应变部，应变部设有前后两道应力梁，两道应力梁间设置有金属顶针，前应力梁与右轴承相顶接，在电助力自行车骑行时，链条产生的拉力通过中轴转换成推力作用在右轴承上，右轴承将承受的推力传递给前应力梁，前应力梁变形挤压金属顶针，金属顶针再将承受的推力传递给后应力梁，后应力梁上设有应变片，应变片将感应后应力梁表面应力变化产生的电信号传递给PBC电板，PBC电板对信号进处理后通过线缆接头输出。本发明结构简单，只采集骑行时中轴瞬间的推力，减少了干扰，能连续准确地测量中轴受力的变化。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图之一；

图2是本发明的立体结构示意图之二；

图3是本发明的剖视结构图；

图4是本发明的爆炸图；

图5是本发明外管的立体结构示意图；

图6是本发明去除右端盖后的右视图；

图7是本发明与电助力自行车五通管的装配示意图之一；

图8是本发明与电助力自行车五通管的装配示意图之二。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

图1至8是本发明的结构及装配示意图。

其中的附图标记为：孔用挡圈D、五通管G、变形腔K、定位弧形槽K1、十字螺钉L、左曲柄P1、一体式牙盘曲柄P2、悬空区Q、外螺纹W、线缆接头X、左轴承Z1、右轴承Z2、外管1、电路板安装位1a、线缆卡槽1b、应变部11、右轴承安装孔11a、前应力梁12、后应力梁13、应力传递凸块121、中轴2、四方头21、内螺纹孔21a、金属顶针3、应变片4、PBC电板5、磁环6、定位销7、右端盖8、左牙碗9。

本发明公开了一种基于应变原理的电助力自行车中轴式力矩传感器，包括能防转动地插入电助力自行车的五通管G中的外管1，外管1中经左轴承Z1和右轴承Z2转动支撑地穿设有中轴2，左轴承Z1和右轴承Z2的内圆均与中轴2定位相套配，从而使中轴2能相对外管1自由的转动。外管1的左端口扩径形成有左轴承安装腔，左轴承Z1的外圆定位卡装在外管1左端口的左轴承安装腔中。如图3所示，为了防止左轴承Z1轴向串动，外管1左端口的左轴承安装腔中还加工有卡簧槽，卡簧槽中卡装有与左轴承Z1限位配合的孔用挡圈D。本发明的重点是：外管1的右端固定安装有或者是一体成型有应变部11，应变部11的直径大于电助力自行车五通管G的直径，使中轴式力矩传感器在安装到五通管G上后，应变部11的左侧面能与五通管G的右端口定位相配合。应变部11成型有右轴承安装孔11a，右轴承Z2的外圆紧配合地卡装在右轴承安装孔11a中。由图6可以清楚的看到，应变部11上共加工有两道应力梁，应力梁与电助力车链条呈相对垂直设置，其外端平面均朝向电助力自行车的后方。两道应力梁包括前应力梁12和后应力梁13，前应力梁12和后应力梁13间隔设置，其中间的间隔形成了长条状的变形腔K。为了保证右轴承Z2承受的推力能准确地传递给前应力梁12，前应力梁12的中心成型与右轴承Z2的外圆紧密顶接相配合的应力传递凸块121，应力传递凸块121的上下对称加工有两个与右轴承Z2的外圆非接触的悬空区Q，悬空区Q连通了右轴承安装孔11a，使前应力梁12与右轴承Z2的接触面除应力传递凸块121以外地方沿拉力方向避空，保证应力能通过前应力梁12向车辆运行后方传递。本发明变形腔K的中心采用紧配合的方式安装有用于实现应力两级传递的连接件，通过连接件前应力梁12承受的推力能够准确的传递给后应力梁13。在这里本发明的连接件优选为金属顶针3，金属顶针3为圆柱形，其与后应力梁13的接触面相对较小，因此金属顶针3在受到前应力梁12的变形挤压后，能将其承受的推力更好地传递给后应力梁13，使后应力梁13的平面发生变化，后应力梁13的平面上贴装有用于检测后应力梁13受力变形的应变片4。本发明的外管1上还安装有与应变片4电信号相连的PBC电板5，PBC电板5上至少安装有用于信号处理的主控芯片和霍尔元件。如图2和图3所示，本发明中轴2的两端成型有四方头21，四方头21内加工有内螺纹孔21a，由图7和图8可以看出，中轴2的左端通过四方头21能防转动地安装有左曲柄P1，中轴2的右端通过四方头21能防转动地安装有一体式牙盘曲柄P2。内螺纹孔21a中能安装螺钉，通过螺钉能将左曲柄P1和一体式牙盘曲柄P2防脱固定在中轴2上，一体式牙盘曲柄P2的牙盘能与链条相连接。当骑行者骑行时，骑行者的踩踏使链条张紧，链条通过牙盘将踩踏的力矩作用在中轴2上，使中轴2产生向后的推力，中轴2又将这种推力传递给右轴承Z2，依次前应力梁12、金属顶针3，最后作用在后应力梁13上。贴附在后应力梁13上的应变片4在感应到后应力梁13平面应力变化后，电信号传递给PBC电板5，PBC电板5上的主控芯片能对接收到的电信号经过运算处理后，将处理后的信号进行输出。

实施例中，由图5可以看出，外管1的周面上在紧邻应变部11的应力梁处成型有内凹的电路板安装位1a，PBC电板5采用粘结剂连接固定在外管1的电路板安装位1a中。PBC电板5引出有线缆接头X，线缆接头X用于方便处理后的信号输出。为了方便线缆接头X固定，防止拉坏PBC电板5，应变部11上成型有与线缆接头X固定卡装配合的线缆卡槽1b。

实施例中如图3所示，本发明的中轴2上固定套装有磁环6，磁环6能随中轴2同步旋转，磁环6的一周包含有多对磁极，最佳是设置24对至32对。在磁环6随中轴2旋转时，PBC电板5上的霍尔元件能通过磁环6旋转时S/N极的变化检测中轴2的转速，从而测量出骑行者的踩踏速度。霍尔元件同样将测量的数据信号传递给PBC电板5上的主控芯片，由主控芯片对接收到的信号进行运算处理后输出。

实施例中，为了防止金属顶针3在变形腔K中位移，变形腔K的中心成型用于定位安装金属顶针3的定位弧形槽K1。

实施例中，本发明的应变部11的右端面上加工有定位销孔，定位销孔中穿设有定位销7，电助力车的五通管G上开有槽，定位销7能插入五通管G的槽中，对中轴式力矩传感器的安装方向进行定位，并防止中轴式力矩传感器在五通管G中旋转。

实施例中，从图1和图2中都可以看，应变部11盖配有右端盖8，右端盖8能够防止灰尘进入到右轴承安装孔11a中，从而保证右轴承Z2的使用环境。应变部11上成型有三个螺纹孔，右端盖8经三颗十字螺钉L固定安装有应变部11上

实施例中，外管1左端的外周面上加工有外螺纹W，该外管1的左端通过外螺纹W螺旋配装有左牙碗9。利用左牙碗9能将外管1即整个中轴式力矩传感器锁紧固定在电助力车的五通管G上。本发明的中轴式力矩传感器在与电助力车架五通管G装配时，无需向传统力矩传感器一样必需在五通管G上车制螺纹，五通管G直接是圆管即可以安装。

本发明在安装时，先看好应力梁的朝向，然后将外管1的左端从五通管G的右端口插入，并使应变部11的定位销孔对准电助力车五通管G开的槽，再将定位销7插入定位销孔和五通管G的槽，将外管1定位。外管1定位后，应力梁与电助力车链条呈相对垂直方向，最后再用扳手旋紧左牙碗9，固定中轴式力矩传感器。

本发明通过应变式原理测量力矩，当中轴2受到脚踏的扭转力矩时，中轴2将受到的扭转力矩通过右轴承Z2、金属顶针3以推力的方式传递到应变片4，应变片4感应到应力梁表面应力的变化，通过PCB电板5对信号进处理后输出。

本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。