一种用于电动自行车中轴力矩传感系统的采用两级花键连接的踩踏力输出装置

摘要

一种用于电动自行车中轴力矩传感系统的采用两级花键连接的踩踏力输出装置，包括中轴、应变套筒、踩踏力输出部：所述应变套筒套装在中轴上，一端与踩踏力输出部通过第一花键相连接，另一端与中轴固定连接，所述应变套筒的内表面贴合所述中轴的外表面；所述踩踏力输出部分为两部分，一部分与所述应变套筒通过第一花键连接，另一部分与中轴通过第二花键连接，并且第二花键连接具有行程间隙配合。采用本发明的结构，使踩踏力输出部与应变套筒之间采用两级花键连接的结构，建立踩踏力直通通道，有效保护应变套筒不受暴力踩踏的破坏，提高中轴力矩传动系统的灵敏性、可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电动自行车的助力传感系统，特别是涉及一种用于 电动自行车中轴力矩传感系统的采用两级花键连接的踩踏力输出装置。

背景技术

电动自行车助力传感器应用于智能型电动助力自行车上，是智能型电 动自行车核心部件之一。现在常用的电动自行车助力传感器有下列几种方 案：(一)数电机脉冲或中轴脉冲的速度型假助力传感器，利用检测自行 车的实际速度来相应增加电机的输出。(二)在中轴与牙盘间或电机与飞 轮间装上一套弹性元件，利用弹性元件受力变形后的转差位移，推动相应 机械动作，与某静态传感器件间产生磁场、光量等物理量变化，并转换为 电量，检测出骑车人的脚蹬力。(三)在中轴与牙盘间或电机与飞轮间装 上一套弹性元件，并在弹性元件两端，分别装上脉冲发生装置，利用弹性 元件受力变形后的转差位移，使两个脉冲串间产生相位差，经鉴相电路转 换，检测出骑车蹬力。(四)在转动的中轴与链轮支架间设变形体，直接 粘贴应变片，并设置放大电路，与外界用滑环、电刷连接。(五)在转动 的中轴与链轮支架间设变形体，在其上粘贴特殊材料，使其在受力后产生 磁导变化，引起与其配套、不跟其转动的线圈组电感变化，通过检测电感 或藕合系数转换为相应电量。(六)在链条主回路上有意装上一活动压轮， 检测压轮在链条张力下产生的位移，与某静态传感器件间产生磁场、光量 等物理量变化，并转换为电量，经线性化换算检测出骑车人的蹬力。上述 六大类中，第一种简单、便宜，但不反映真实，在重载、顶风、上坡时， 就不好用了。其它五种，优点是：都能满足使用要求，但各有各的难处， 共同点是：体积大、价格高、结构复杂、精度不高、可靠性不够、制造与 装配难。

综上所述，人们迫切需要一种用于电动自行车中轴力矩传感系统的 采用两级花键连接的踩踏力输出装置，应变套筒传递从中轴上接受到的踩 踏力。踩踏力输出部与应变套筒之间采用两级花键连接的结构，有效保护 应变套筒不受暴力踩踏的破坏，提高中轴力矩传动系统的灵敏性、可靠性， 从而保证了骑行的流畅感，增加骑行的舒适度。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种用于电动自行车中轴 力矩传感系统的采用两级花键连接的踩踏力输出装置，踩踏力输出部与应 变套筒通过两级花键连接，形成踩踏力直通通道，防止踩踏力过大时应变 套筒损坏。

为实现上述发明目的，本发明所提供的技术方案是：一种用于电动自 行车中轴力矩传感系统的采用两级花键连接的踩踏力输出装置，包括中 轴、应变套筒、踩踏力输出部：

所述应变套筒套装在中轴上，一端与踩踏力输出部通过第一花键相连 接，另一端与中轴固定连接，所述应变套筒的内表面贴合所述中轴的外表 面；

所述踩踏力输出部分为两部分，一部分与所述应变套筒通过第一花键 连接，另一部分与中轴通过第二花键连接，并且第二花键连接具有行程间 隙配合。

进一步地，所述应变套筒的外表面粘贴扭矩传感器，扭矩传感器将信 号传输至控制器，控制器控制电机输出。

进一步地，所述踩踏力输出部为双向超越离合器的内圈部分，双向超 越离合器的中圈与电动自行车的链轮支架固定连接，双向超越离合器外圈 与电机输出部相连。

进一步地，所述踩踏力输出部为链轮支架结构。

进一步地，所述双向超越离合器为双棘轮离合器。

进一步地，所述电机包括主壳体、线圈定子、转子、电机输出齿轮轴 和行星减速机构，所述电机输出齿轮轴套设于所述中轴上与电机转子为一 体结构，所述线圈定子固定于所述主壳体上，所述转子包裹于所述线圈定 子外侧且与所述电机输出齿轮轴固定连接，所述行星减速机构设于所述主 壳体内，所述电机输出齿轮轴与所述行星减速机构通过齿轮啮合。

进一步地，采用两级花键连接的踩踏力输出装置应用于中置电机驱动 的电动自行车、前置电机驱动的电动自行车或后置电机驱动的电动自行车 上。

采用上述技术方案，本发明的有益效果有：

1.采用本发明的设计，应变套筒之间反应中轴上的踩踏扭力，避免了 目前普遍存在的力矩传感系统在测量时发生的左右脚检测不平衡的现象， 不仅测量的径向扭力准确地反应了踩踏力，而且无论是左脚还是右脚踩 踏，都经由应变套筒驱动链轮支架，从而保证了骑行的流畅感，增加骑行 的舒适度。

2.在本发明中，踩踏力输出部与应变套筒通过两级花键连接，形成踩 踏力直通通道，防止踩踏力过大时应变套筒损坏，延长应变套筒使用寿命。 同时，两级花键的设计可以把超过应变套筒形变量的扭力直接中断，中轴 通过第二花键进行过大踩踏力的输出，这样本发明的应变套筒可以采用较 轻薄的材质，从而提高传感器的信号采集灵密度。

附图说明

图1为本发明的一级花键连接的踩踏力输出装置的结构示意图；

图2为本发明中两级花键连接的踩踏力输出装置的结构示意图；

图3为本发明中一实施例中一级花键的结构示意图；

图4为本发明中一实施例中两级花键的结构示意图；

图5为本发明另一实施例的两级花键的结构示意图；

图6为本发明另一实施例的截面结构示意图。

附图标记说明

1为中轴；2为轴承；3为导电滑环转子部；4为导电滑环定子部；5 为霍尔传感器；6为磁环；7为力矩传感器；8为应变套筒；9为轴承；10 为链轮支架；11左端盖；12左隔层；13电机控制器；14导电滑环；15 放大电路板；17为定子线圈；18为磁钢；19为齿轮轴；20为双向超越离 合器；21为右端盖；22为行星减速机构；23电机主壳体；24电机转子； 25为左曲柄；26为右曲柄；27为齿盘；28为第一花键；29为第二花键； 281为扭矩行程间隙。

具体实施方式

实施例1

参考图1和3，本发明提供一种用于电动自行车中轴力矩传感系统的 采用一级花键连接的踩踏力输出装置，其包含中轴1、应变套筒8、双向 超越离合器20、链轮支架10和五通。应变套筒8套装在中轴外侧，一端 通过轴承2固定在五通上并与双向超越离合器20相连，另一端套装在中 轴1上，与中轴固定连接。应变套筒的内表面贴合中轴的外表面，套筒和 中轴只会发生相对的微量旋转，而不会上下左右晃动。系统还包括脚踏曲 柄结构，脚踏曲柄结构由左脚踏曲柄25和右脚踏曲柄26组成，左脚踏曲 柄和右脚踏曲柄安装在中轴两侧。当脚踩脚踏板时，不管是左脚还是右脚， 发生的踩踏力都通过中轴和套筒的连接处传递给应变套筒8。

双向超越离合器分为内圈、中圈和外圈：中圈与链轮支架固定连接， 驱动电动自行车前进；内圈是踩踏力输出部与应变套筒相连，由于应变套 筒与中轴贴合固定，因此应变套筒可以直接反应当前踩踏力，用于踩踏力 的输出；外圈与电机输出部相连，作为电机电力输出部件。

在本发明中，如图3所示，图3中为一级花键结构，双棘轮离合器20 的内圈的一部分与套筒通过第一花键28连接，另一部分在中轴上滑动。 套筒上的扭矩通过第一花键28传递至双棘轮离合器20的内圈。通过一级 花键连接的方式，实现踩踏力的输出。

优选地，应变套筒的外表面粘贴力矩传感器7，力矩传感器7将信号传 输至控制器，所述控制器控制电机输出。力矩传感器7将信号传送至信号 传输装置，信号传输装置用于将信号传输至控制器，在本实施例中，信号 传输装置是连接控制器的导电滑环，力矩传感器连接用于信号传输的导电 滑环。对信号的传输方式不做特定限制，也可以采用非接触式传输，例如 松耦合变压器、无线传输系统。在这个过程中应变套筒受到踩踏力的力矩 发生轻微形变，都引起力矩传感器发生变形，产生脚踏力矩信号，力矩传 感器将信号传输至控制器，用来控制电机输出。

本实施例可以用在中置电机的电动自行车上。图3中的电机为同心同 轴的电机，包括电机主壳体23，定子线圈17、电机转子24、中轴1、齿轮 轴19、双向超越离合器20，磁钢18嵌入电机转子24中，电机输出齿轮轴19 套设在中轴上，与电机转子24为一体结构的齿轮轴套设于中轴1上，并与 行星减速机构相啮合。双向离合器20可以是双棘轮离合器，由两个止动方 向相反的棘轮轴向叠加而成，分为内圈、中圈和外圈，中圈与链轮支架10 固定连接，驱动电动自行车前进；内圈与电动自行车的应变套筒或中轴相 连，是踩踏力的输出部件；所述外圈与行星减速机构22的输出端相连，通 过轴承与右端盖21连接，作为电机电力输出部件。

控制器控制所述定子线圈得失电以及得电量，当定子线圈得电，转子 旋转，带动齿轮轴19旋转，通过齿轮轴与行星减速机构的啮合关系，使得 减速箱按比例输出旋转。如果套筒或中轴正转，则通过双棘轮离合器20带 动链轮支架正向旋转。同时，控制器根据传感器检测的信号，控制定子线 圈的得点量，进而控制双棘轮离合器20带动链轮支架正向旋转。也就是说， 当踩踏速度较快时，中轴作为链轮支架的驱动部件，当电机输出的速度较 快时，电机所为链轮支架的驱动部件。

实施例2

如图2、4和6所示，踩踏力输出部通过两级花键与应变套筒连接。双 棘轮离合器20内圈一部分与应变套筒通过第一花键28连接，另一部分通过 第二花键29与中轴连接，第二花键29与中轴的花键连接有行程间隙配合。 正常人力驱动踩踏时，中轴通过套筒的第一花键28将力传递给双棘轮离合 器20内圈，此时双棘轮离合器20内圈的第二花键29与中轴在行程间隙内自 由转动，不起作用。当踩踏力超过一定上限后，第二花键29与中轴超过了 行程间隙，踩踏力通过中轴与双棘轮离合器20内圈的第二花键29的啮合， 直接将力传递给双棘轮离合器20的内圈，应变套筒8不再继续变形，从而 达到延长套筒使用寿命的效果。

踩踏力完全通过套筒传递，如碰到暴力踩踏，很可能会发生不可逆的 变形，尽管材质可以选择刚性更强的，但同时也会导致正常使用中套筒变 形不够，传感器采集的信号太低，导致检测精度下降。

实施例3

如图5和6所示，优选地，二级花键在链轮上的应用，踩踏力输出部 为链轮支架结构，如果踩踏力完全通过套筒传递，在碰到暴力踩踏时，很 可能会发生不可逆的变形，尽管材质可以选择刚性更强的，但同时也会导 致正常使用中套筒变形不够，传感器采集的信号太低，导致检测精度下降。 因此本发明优选地设计了踩踏力直通通道，当踩踏力超过上限后，中轴通 过第二花键29将踩踏力传递给链轮支架10，此时应变套筒8不再继续变 形，从而达到延长套筒使用寿命的效果。链轮支架10通过两级花键套接 在应变套筒8和中轴1上，其中第一花键28与应变套筒8固定连接，第 二花键29与中轴1虽然也是花键连接，但健齿和键槽呈扭矩行程间隙281 配合。

当脚不踩踏的时候，中轴不动，此时套筒没有受到扭力变形，套筒和 中轴也没发生相对旋转，固定在套筒上的链轮支架也就没有相对中轴转 动，所以此时的第二花键的健齿和键槽留有最多的扭矩行程间隙281。

当脚正常用力踩脚踏板时，中轴受力，扭力传送到套筒一端，套筒再 通过另一端的第一花键28把扭力传送给链轮支架10，驱动自行车前行。 套筒受到的扭力将发生微量变形，引起上面粘贴的扭矩传感器7产生信号， 最终传递给控制器用来控制电机的助力输出。在这个过程中，由于是正常 踩踏力，套筒相对中轴的扭转变形在一定范围内，所以第二花键的键齿和 键槽还在扭矩行程间隙内运动，不发生传动作用。这个过程是电动自行车 的正常工作过程。

当脚踏力继续增加，上述套筒受到扭力超过正常工作过程后，第二花 键的键齿和键槽转动量超过了扭矩行程间隙，发生接触，此时第二花键开 始直接传导脚踏力，把超过套筒设计变形量的扭力直接中断，中轴通过第 二花键把过量的脚踏力直接传递给链轮支架。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详 细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对 于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做 出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。