电动助力自行车用双边线性扭矩中轴传感器

摘要

本发明公开了电动助力自行车用双边线性扭矩中轴传感器，包括左端套装有左支撑碗组的中轴，中轴上套装有带有磁场的感应轴套，感应轴套的左端通过花键与中轴扭力传递相连接，感应轴套的右端成型有用于连接牙盘实现扭力传递输出的轴套花键齿，并且该感应轴套的右端设有右支撑碗组和牙盘锁母；左支撑碗组和右支撑碗组间设有与感应轴套非接触套装配合的中管，该中管中安装有PCB电板，PCB电板连接有用于测量感应轴套受力变形时由磁弹性原理产生的磁通量变化的感应线圈，中轴上位于左支撑碗组和感应轴套之间设置有磁环。本发明结构紧凑、设计合理，并能够连续准确地测量出中轴受力的变化。

说明书

技术领域

本发明涉及电助力自行车技术领域，特别是涉及电助力自行车的一种中轴式力矩传感器，具体地说是电动助力自行车用双边线性扭矩中轴传感器。

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和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的体验。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，而提供结构紧凑、设计合理，并反馈灵敏的电动助力自行车用双边线性扭矩中轴传感器。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

电动助力自行车用双边线性扭矩中轴传感器，包括左端转动套装有左支撑碗组的中轴，中轴上套装有带有磁场的感应轴套，该感应轴套的左端通过花键与中轴扭力传递相连接，感应轴套的右端成型有用于连接牙盘实现扭力传递输出的轴套花键齿，并且该感应轴套的右端设有起转动支撑作用的右支撑碗组和用于防止牙盘脱落的牙盘锁母；左支撑碗组和右支撑碗组间设有与感应轴套非接触套装配合的中管，该中管中安装有PCB电板，PCB电板连接有用于测量感应轴套受力变形时由磁弹性原理产生的磁通量变化的感应线圈，中轴上位于左支撑碗组和感应轴套之间设置有磁环。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述中轴的左右两端均加工有四方头和螺纹孔，并且中轴上成型有用于与感应轴套的左端面定位配合的定位凸台和用于与感应轴套花键配合的中轴花键齿，相应地感应轴套的左端孔内成型有用于与中轴的中轴花键齿花键相连的轴套花键槽；中轴的右端卡装有用于与感应轴套的右端面限位配合的轴用卡簧，感应轴套的右端孔内安装有与中轴密封相套配用于起防尘防水作用的密封圈。

上述的左支撑碗组由左牙碗和左支撑轴承组成；左支撑轴承的外圈定位卡装在左牙碗成型的碗腔内，该左支撑轴承的内圈紧配合套装固定在中轴成型的左轴承安装位上，左轴承安装位位于中轴定位凸台的左侧。

上述的磁环为带有24对至36对磁极的磁环，该磁环定位套装在中轴上，并且磁环的右端面与定位凸台的左侧面定位相配合，左支撑轴承安装在磁环的左侧。

上述的左牙碗的碗腔中设有用于抵消装配间隙的波形垫片，左支撑轴承的内圈与磁环间垫配有垫圈。

上述的中管的左端与左牙碗的碗腔定位插装相连接，左牙碗的碗腔中成型有用于定位卡紧中管的定位槽。

上述的PCB电板的两翼一体成型有用于安装感应线圈的线圈支架，感应线圈卡装固定在线圈支架上；PCB电板通过包胶连接固定在中管成型的电板安装位上，该PCB电板连接有用于输出测量信号的线缆。

上述的右支撑碗组由右牙碗和右支撑轴承组成；右支撑轴承的外圈定位卡装在右牙碗成型的碗腔内，该右支撑轴承的内圈紧配合套装固定在感应轴套上；感应轴套上成型有用于与右支撑轴承的内圈左侧限位配合的限位凸台，右牙碗的碗腔中卡装有与右支撑轴承的外圈右侧限位配合的孔用卡簧。

上述的感应轴套上在限位凸台与轴套花键齿之间成型有用于安装右支撑轴承的右轴承安装位，并且该感应轴套的右端头成型有用于螺旋安装牙盘锁母的牙盘螺纹，所述的感应轴套的中段设有两个方向相反的环形磁场。

上述的左牙碗的外周和右牙碗的外周均成型有用于与自行车五通管螺旋装配的牙碗螺纹和用于方便采用工具旋转装配的扳手槽，牙碗螺纹上涂有用于防止牙纹松脱的耐落胶。

与现有技术相比，本发明在中轴上套装有带有磁场的感应轴套，利用磁弹性原理来测量力矩。感应轴套的左端通过花键与中轴相连接，感应轴套的右端则通过花键相连有牙盘，这样中轴受到的扭转力矩就能通过感应轴套传递给牙盘，感应轴套在受到扭转力矩时能产生微量变形，感应轴套上设有的磁场就会由于磁弹性效应发生相应的变化，与PCB板相连的感应线圈可以检测到磁通量的变化，PCB板再将检测的信号进行处理后通过线缆输出。本发明扭转力矩的传递仅有中轴和感应轴套两个部件，中间环节少，因此信号反馈灵敏度高，并且其结构简单、合理，能够连续准确地测量出中轴受力的变化。

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是本发明的立体分解结构示意图；

图5是本发明感应轴套的磁场分布示意图；

图6是本发明中轴的立体结构示意图；

图7是本发明左牙碗的立体结构示意图；

图8是本发明与自行车五通管的装配结构示意图之一；

图9是本发明与自行车五通管的装配结构示意图之二。

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9是本发明的结构及装配示意图。

其中的附图标记为：波形垫片D1、垫圈D2、密封圈F、感应线圈G、磁环H、轴用卡簧K1、孔用卡簧K2、牙碗螺纹L1、扳手槽L2、自行车五通管W、牙盘Y、牙盘锁母Y1、中轴1、四方头11、螺纹孔12、定位凸台13、中轴花键齿14、左轴承安装位15、感应轴套2、轴套花键齿21、限位凸台22、右轴承安装位23、牙盘螺纹24、中管3、PCB电板4、线圈支架41、线缆42、左牙碗5、定位槽51、左支撑轴承6、包胶7、右牙碗8、右支撑轴承9。

如图1至图9所示，本发明公开了电动助力自行车用双边线性扭矩中轴传感器，该中轴式力矩传感器通过磁弹性原理来测量力矩，它包括中轴1以及转动套装在中轴1左端用于起支撑作用的左支撑碗组。中轴1上位于左支撑碗组的右侧还套装有带有磁场的感应轴套2，感应轴套2上设有左右两个充磁区，使感应轴套2的中段形成有两个方向相反的环形磁场。感应轴套2的左端通过花键与中轴1扭力传递相连接，感应轴套2的右端则成型有轴套花键齿21，感应轴套2通过轴套花键齿21与牙盘Y的齿套孔花键套装相连接，从而能将中轴1受到的扭转力矩经感应轴套2直接传递给牙盘Y。感应轴套2的右端还套装有配合左支撑碗组共同起转动支撑作用的右支撑碗组。为了防止牙盘Y轴向串动从感应轴套2上脱出，感应轴套2上还螺旋设置有牙盘锁母Y1，以利用牙盘锁母Y1将牙盘Y锁紧固定在感应轴套2上。左支撑碗组和右支撑碗组间设有中管3，中管3与感应轴套2间为非接触套装设置，中管3中安装有PCB电板4，PCB电板4上设有与其线路相连的感应线圈G。当中轴1受到的扭转力矩通过感应轴套2传递到牙盘Y上时，感应轴套2受力会产生微量变形，感应轴套2上的磁场由于磁弹性效应发生相应的变化，设置在PCB板4上的感应线圈G可以检测到磁通量的变化，PCB板4则能将检测到的信号进行处理后输出。中轴1上位于左支撑碗组和感应轴套2之间还设置有磁环H，磁环H为带有24对至36对磁极的磁环。

实施例中如图6所示，本发明中轴1的左右两端均加工有四方头11和螺纹孔12，四方头11用于防转动地安装自行车曲柄，而螺纹孔12用于安装螺栓以防止曲柄从中轴1上掉落。中轴1上成型有定位凸台13，定位凸台13的右侧环形面与感应轴套2的左端面定位配合，以限定感应轴套2的安装位置。中轴1上在紧邻定位凸台13右侧的外周面上成型有中轴花键齿14，感应轴套2的左端孔内则成型有轴套花键槽，中轴1和感应轴套2利用中轴花键齿14和轴套花键槽的配合实现花键相连接。为了防止感应轴套2向中轴1的右侧串动，中轴1的右端卡装有轴用卡簧K1，轴用卡簧K1与感应轴套2的右端面限位相配合。同时，为了防止外界的灰尘或水进入到感应轴套2中，感应轴套2的右端孔内安装有与中轴1密封相套配用于起密封作用的密封圈F。

实施例中，本发明的左支撑碗组由左牙碗5和左支撑轴承6组成。左牙碗5成型有碗腔，左支撑轴承6设置在碗腔中，并且左支撑轴承6的外圈与左牙碗5的碗腔定位相配合。左支撑轴承6的内圈则紧配合地套装固定在中轴1成型的左轴承安装位15上，左轴承安装位15位于中轴1定位凸台13的左侧。

实施例中如图3所示，本发明的磁环H定位套装在中轴1上，磁环H的右端面与定位凸台13的左侧环形面定位相配合，左支撑轴承6安装在磁环H的左侧。左牙碗5的碗腔中设有用于抵消装配间隙的波形垫片D1，左支撑轴承6的内圈与磁环H间垫配有垫圈D2。

本发明的右支撑碗组则由右牙碗8和右支撑轴承9组成。右支撑轴承9的外圈定位卡装在右牙碗8成型的碗腔内，该右支撑轴承9的内圈紧配合套装固定在感应轴套2上。感应轴套2上成型有限位凸台22，限位凸台22与右支撑轴承9内圈的左侧面限位相配合，从而限定了右支撑轴承9在感应轴套2上的安装位置。右牙碗8的碗腔中还卡装有孔用卡簧K2，孔用卡簧K2用于与右支撑轴承9外圈的右侧面限位相配合，从而能够右支撑轴承9在右牙碗8中轴向串动。

实施例中如图3和图7所示，本发明中管3的左端与左牙碗5的碗腔定位插装相连接，左牙碗5的碗腔中成型有用于卡紧中管3的定位槽51，中管3的左端则成型有与定位槽51相配合的定位键。中管3的右端外周成型有用于与右牙碗8定位顶接配合的环形凸台。中管3通过定位键和定位槽51的配合与左牙碗5定位相连接，可以有效地防止在安装时中管3发生周向转动，而右牙碗8和左牙碗5的相互配合则能够将中管3定位夹紧，从而防止其轴向串动。

为了便于感应线圈G安装位置的固定，实施例中，PCB电板4的两翼一体成型有用于安装感应线圈G的线圈支架41，感应线圈G卡装固定在线圈支架41上。PCB电板4通过包胶7连接固定在中管3成型的电板安装位上，该PCB电板4连接有用于输出测量信号的线缆42。

如图5所示，本发明的感应轴套2上在限位凸台22与轴套花键齿21之间成型有用于安装右支撑轴承9的右轴承安装位23，并且该感应轴套2的右端头成型有用于螺旋安装牙盘锁母Y1的牙盘螺纹24。

左牙碗5的外周和右牙碗8的外周均成型有用于与自行车五通管W螺旋装配的牙碗螺纹L1和用于方便采用工具旋转装配的扳手槽L2，牙碗螺纹L1上涂有用于防止牙纹松脱的耐落胶。

本发明在安装时，左牙碗5通过扳手先锁紧到自行车五通管W的左端，然后将再线缆42从自行车五通管W的中部出线孔穿过，其余部分则从自行车五通管W的右端插入，然后用扳手旋紧右牙碗8，中管3在定位键和定位槽51的配合下能够防止右牙碗8在旋紧时带动中管3转动剪断线缆42。

本发明结构简单、合理，在结构设计上对承力部件做了大幅度的简化，传递扭力的部件仅有中轴与感应轴套，减少了干扰。使用了磁弹性的原理，通过在感应轴套上充磁，使其产生两个方向相反的磁场，以设置在PCB板上的感应线圈G非接触地检测磁场的磁通量变化，能够连续准确地测量出中轴受力的变化。

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。