CN201201674Y - 电动自行车的扭力侦测器 - Google Patents

Abstract

一种电动自行车的扭力侦测器，其包括有曲柄轴、齿盘、变速齿轮组，以将曲柄轴扭力传递到齿盘上，此变速齿轮组至少包括：固定于曲柄轴上的曲柄轴齿轮、固定于齿盘上的齿盘齿轮，以及啮合在曲柄轴齿轮与齿盘齿轮之间的感应齿轮；并设置有传感器以量测该感应齿轮轴支承力。

Description

电动自行车的扭力侦测器

【技术领域】

本实用新型为一种扭力侦测器，尤指一种侦测助力型电动车的踩踏扭力大小的装置，可用来控制电动马达以输出适当的辅助动力。

【背景技术】

电动自行车是近年来相当热门的产品，由于采取电动驱驶，符合环保，故成为很多人心目中最佳的代步工具。而目前的电动自行车大都采用摩托车的骑乘方式，由手动握把来控制车速，但因电动自行车的操控与骑乘方式与传统的自行车不同，而且控制不像传统的自行车那样灵活，使其行驶在一般道路时会对自己、旁人皆造成一定的危险性。故电动自行车的发展仍有限制，也难以大量普及。

为此，有人着手开发新一代的电动自行车模式，形成所谓的助力型电动自行车，骑乘者仍按传统自行车的方式踩踏骑车，但在该助力型电动自行车上设置有感测装置，配合骑乘者的踩踏施力状况，驱使电动马达(电动机)辅助该助力型电动自行车的行驶。由于骑乘方式与传统自行车一样，操作灵活安全，适应于目前城市交通现状。且该助力型电动自行车的骑乘极其轻便，骑乘者可花费较少体力而到达较远目标，尤其在逆风或荷重情况下，藉由马达产生的助力效果更为明显。

另外，相较于传统电动自行车，由于助力型电动自行车的马达仅提供助力，蓄电池负载电流小，避免过放电现象，即大幅延长了蓄电池的寿命，使用成本亦较为低廉。

因此，简单来说，助力型电动车是利用马达辅助脚踏踏力，提供较舒适轻便的骑乘，为了让骑乘者在行驶操作过程中，不会有辅助动力太小，踩踏辛苦，或是辅助动力太大，造成电力能源耗损及危害骑乘操作安全，要依不同的路面状况下，调整马达的输出动力，所以需在踏力传递的路径上设踏力感测机构，以感测骑乘者施加于踏板的力量是否增大，并根据感测结果控制马达的输出动力来减轻骑乘者的施力。

而现有具踩踏扭力感测功能的辅助型电动车主要可区分为两种型式：一种为单纯的开关控制，当踩踏扭力超过或低于某一大小时，即启动或关闭马达的动力输出；另一种是以踩踏扭力感应机构感测踩踏扭力大小，以扭力大小来控制马达的输出动力。第一种仅以开关控制马达输出的动力，往往无法满足骑乘者需要弹性助力的需求，故良好的设计必须使用踩踏扭力感测机构。

现有的踩踏扭力感测机构一部份是采用复杂的行星齿轮机构连接弹性体将扭力值转换为偏摆位移，不仅结构复杂、零件制作成本与组装成本高，且会有弹性体弹性疲乏以及偏摆位移可能产生的碰撞影响使用寿命或是对零件材料的性能要求较高而增加成本。

另一种现有的踩踏扭力感测机构如中国发明专利第03108225.4号的「电动辅助自行车的踏力检测装置」，如图7所示，在曲柄单元50中，曲柄轴23的一端由轴承51可以自由旋转地进行轴支承。有一筒状的扭力杆53贯通穿过该曲柄轴23的外周，其一端以花键结合到该轴承51附近的该曲柄轴23的外周面上，另一端利用轴承52相对于该曲柄单元50可自由旋转的轴支承。踏板链轮25啮合到该扭力杆53的另外一端侧的外周面上。

在该扭力杆53的一端附近及另一端附近的外侧面上，沿圆周方向安装有一对磁环55(55a，55b)，该磁环55通过沿圆周方向以微小的间距磁化构成。在与前述磁环55对向的位置上，配置一对MR传感器501(501a，501b)。在各MR传感器501a、501b的输出信号V1、V2上，如果该扭力杆53上不产生扭转时，只产生因制造组装时的偏差所引起的一些初始相位差θref。与此相对，当在扭力杆53上产生扭转时，各输出信号V1、V2上除前述初始相位差θref之外，还进一步产生与扭力杆53的扭转量、即踏力有关的相位差θF。

为了定量地检测代表踏力的相位差θF，各MR传感器501a(501b)的输出信号V1(V2)，需经由高通滤波器、限幅放大器以及波形整形用比较器，输入到CPU中，对输出信号V2相对于输出信号V1的延迟时间n，以及输出信号V1的周期N进行计数，求得相位差θF。

上述现有技术的踩踏扭力感测机构，虽然结构简单，但是需要高通滤波器、限幅放大器以及波形整形用比较器，对信号进行处理，再输入到CPU中进行计数、比较、运算，制作成本不低，而且要有足够多的信号才能运算得出踩踏扭力，会延迟而无法实时反应路况。

因此，提供一种成本低、结构简单、感测精确的用于电动自行车的扭力侦测器实为必要。

【发明内容】

本实用新型的目的在于提供一种电动自行车的扭力侦测器，其成本较低、结构简单、感测精确，且采用直接侦测的助力型电动车踩踏式扭力传感器。

为达到上述目的，本实用新型所述的电动自行车的扭力侦测器包括有曲柄轴、齿盘、变速齿轮组，以便将曲柄轴扭力传递到齿盘上，此变速齿轮组至少包含：固定于曲柄轴上的曲柄轴齿轮、固定于齿盘上的齿盘齿轮，以及啮合在曲柄轴齿轮与齿盘齿轮之间的感应齿轮；并设置有传感器以量测该感应齿轮轴支承力。该传感器可以是压电式压力传感器(Piezoelectric PressureTransducer)、负荷计(Load Cell)或是应变计(Strain Gage)，并装置在该感应齿轮轴上以量测感应齿轮轴支承力。

本实用新型对比现有技术具有以下优点：

1.其感应齿轮与曲柄轴与齿盘以齿轮啮合，骑乘者站立于踏板上的重力与链条过紧的张力不会造成量测误差；

2.本实用新型仅使用简单的齿轮结构，不需复杂的行星齿轮，而且量测简单，不需复杂的电路，生产成本较低；

3.本实用新型不需弹簧，组装简单，并且不会因弹簧的弹性疲乏而造成量测误差；

4.本实用新型侦测使用上并非利用偏摆侦测，因此可以有较佳的使用寿命。

【附图说明】

图1为本实用新型的结构立体图；

图2为本实用新型的结构示意图；

图3为本实用新型曲柄轴端的应力变化示意图；

图4为本实用新型感应齿轮端的应力变化示意图；

图5为本实用新型实施例的传感器架设示意图；

图6为本实用新型电动自行车的扭力侦测器的另一实施例的立体图；

图7为现有技术的结构示意图。

【具体实施方式】

以下结合附图对本实用新型做进一步说明：

如图1、图2所示，本实用新型包括曲柄轴10、齿盘11、变速齿轮组12，以将曲柄轴10扭力传递到齿盘11上，此变速齿轮组12至少包含：曲柄轴齿轮121固定于曲柄轴10上、齿盘齿轮122固定于齿盘11上，以及感应齿轮123啮合在曲柄轴齿轮121与齿盘齿轮122之间；并设置有传感器13量测后述感应齿轮轴支承力F3。

经由前述结构，其揭示有该曲柄轴10的曲柄长度L1，该曲柄轴齿轮121的齿轮半径R1，该感应齿轮123的齿轮半径R2，该齿盘齿轮122的齿轮半径R3，以及齿盘11的齿盘半径R4，当骑乘者进行踩踏时，产生脚踏扭力Fp由曲柄轴齿轮121经感应齿轮123传动到齿盘齿轮123带动齿盘11抵抗链条张力T而转动。

如图3、图4所示，当骑乘者进行踩踏而开始转动瞬间，其脚踏扭力Fp因受到曲柄轴齿轮121与感应齿轮123作用而产生感应齿轮反作用力F1，而该感应齿轮123与齿盘齿轮123同样交互作用而产生齿盘齿轮反作用力F2。因此，该感应齿轮123受到曲柄轴齿轮作用力F1及齿盘齿轮反作用力F2，以及该感应齿轮123轴心本身产生的感应齿轮轴支承力F3，则得到如下公式(I)：

$F3=F1+F2=2\mathrm{Fp}\×\frac{L1}{R1}..........\left(I\right)$

换言之，只要能测得感应齿轮轴支承力F3，即可因此推导而得到踩踏扭力Fp(踩踏力)。故该传感器13如何取得感应齿轮轴支承力F3，即成为该传感器13架设的主要考虑。

如图5所示，为一较佳的传感器13架设的实施例，所述传感器13可以是压电式压力传感器(Piezoelectric Pressure Transducer)、负荷计(Load Cell)或是应变计(Strain Gage)，其主要是架设在该感应齿轮123轴心位置，可以取得感应齿轮轴支承力F3，该传感器13暂不考虑偏摆位移或位移量小到可勿略不计。在该感应齿轮123轴心延伸具有固定端1231与量测端1232，该传感器13则设置在量测端1232位置，藉此得到该感应齿轮123与固定端1231轴支承距离L2，感应齿轮123与量测端1232轴支承距离L3；以及感应齿轮固定端1231上的固定端轴支承力F4，感应齿轮量测端1232上的量测端轴支承力F5，经运算后得到以下公式(II)：

$F3=F5\×\frac{L1+L3}{L2}..............\left(\mathrm{II}\right)$

如此，只要得知量测端轴支承力F5，即可轻易推导出感应齿轮轴支承力F3，故该传感器13可设置在该感应齿轮123的量测端1232，以直接测得量测端轴支承力F5，并进而推导至踩踏扭力Fp。因此，通过简单的传感器13设计，即可随时反应踩踏扭力Fp，并以外接马达实时补偿输出动力。

如图6为本实用新型的另一实施例，其具有变速齿轮组14，包括有曲柄轴斜齿轮141与曲柄轴10固定，感应斜齿轮142与曲柄轴斜齿轮141相啮合并以轴承枢设于感应斜齿轮轴143上，该传感器13架设于该感应斜齿轮轴143上以取得量测端轴支承力F5，传动斜齿轮144与感应斜齿轮142相啮合并固定传动正齿轮145同步转动，前述各斜齿轮141、142、144与传动正齿轮145以适当的轴承及轴支承架设，齿盘正齿轮146固定于齿盘11上与上述传动正齿轮145相啮合并且以轴承枢设于曲柄轴上。因此，该实施例利用齿轮组变化使曲柄轴10与齿盘11同轴，而得到相同的感应功能。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施实例，本实用新型的保护范围并不局限于此，本领域中的技术人员任何基于本实用新型技术方案上非实质性变更均包括在本实用新型保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电动自行车的扭力侦测器，其特征在于，其包括:

曲柄轴；

齿盘；

变速齿轮组，其包含有曲柄轴齿轮、齿盘齿轮及感应齿轮；以及

传感器；

该变速齿轮组设置在曲柄轴与齿盘之间，该曲柄轴齿轮固定于曲柄轴上，该齿盘齿轮固定于齿盘上，该感应齿轮则啮合在曲柄轴齿轮与齿盘齿轮之间，而该传感器设置在感应齿轮的轴心位置。

2.如权利要求1所述的电动自行车的扭力侦测器，其特征在于，该传感器可以是压电式压力传感器、负荷计或是应变计。

3.如权利要求1所述的电动自行车的扭力侦测器，其特征在于，该感应齿轮轴心延伸具有固定端与量测端，该传感器设置在量测端位置。

4.一种电动自行车的扭力侦测器，其特征在于，其包括:

曲柄轴；

齿盘；

变速齿轮组，其包括有曲柄轴斜齿轮、感应斜齿轮、传动斜齿轮、传动正齿轮及齿盘正齿轮，以及；

传感器；

该变速齿轮组设置在曲柄轴与齿盘之间，该曲柄轴斜齿轮与曲柄轴固定，该感应斜齿轮与曲柄轴斜齿轮相啮合并以轴承枢设于感应斜齿轮轴上，该传感器架设于该感应斜齿轮轴上，该传动斜齿轮与感应斜齿轮相啮合并固定该传动正齿轮同步转动，该齿盘正齿轮固定于齿盘上与传动正齿轮相啮合并且以轴承枢设于曲柄轴上；前述各斜齿轮与各正齿轮均以适当的轴承及轴支承架设。

5.如权利要求1所述的电动自行车的扭力侦测器，其特征在于，该传感器可以是压电式压力传感器、负荷计或是应变计。

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