CN203186537U - 一种助力自行车的扭矩检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种助力自行车的扭矩检测装置，属于机械技术领域。它解决了现有的助力自行车的扭矩检测装置系统结构复杂、装配困难、测量精度低的问题。本助力自行车的扭矩检测装置包括两端与曲柄相连接的输入轴、套设在所述的输入轴上且同轴心设置的输出轴、以及设置在输入轴与输出轴之间且能够检测输入轴扭转变形角度的角度传感器；所述的输出轴的输入端与输入轴之间通过花键相啮合；所述的输出轴的输出端与所述的链轮通过花键相啮合。本助力自行车的扭矩检测装置的结构简单、紧凑，容易装配，零部件易于加工，所需的成本较低，占用的空间小，测量的精度高。

Description

一种助力自行车的扭矩检测装置

技术领域

本实用新型属于机械技术领域，涉及一种助力自行车的扭矩检测装置。

背景技术

助力自行车是指在由人力驱动的自行车上并列地附加电气驱动系统，通过检测作用在于踏板相连的曲柄轴上的踩踏扭矩，并根据所检测的踩踏扭矩的变化，控制电气驱动系统的输出，从而辅助人力进行的踏板踏力。

现有的用于助力自行车轴或一般旋转轴扭矩检测的装置，如中国专利申请（公开号：CN1217058A）公开的装有扭矩测量装置的旋转轴，包括两个磁场检测件和两个磁场发生器，两个磁场检测件相对于轴对称布置，安装在固定与轴轴线的第一点A的第一支承件上，两个磁场发生器相对于轴对称分布，安装在固定于轴轴线的第二点B的第二支承件上，第一点A和第二点B轴向错开，第二点B采用滚动轴承支撑，且滚动轴承内圈由轴上凸肩加工而成，磁场发生器和检测器分别固定在轴上相距一定距离的A、B点的支撑件上，使磁场发生器和检测器距离在磁场可以检测到的距离内，同时通过增大A、B点支承件的长度扩大扭转变形，增加测量的精度。上述的这种检测装置的结构复杂，轴的加工难度大，特别是滚动轴承内圈要在轴肩上加工，而且当轴较高速旋转时对磁场发生器和检测器固定的支撑件的刚度需有一定要求，支撑件的固定困难。

又如中国专利申请（公开号：CN102401708A）公开的一种基于磁致伸缩效应的非接触式扭矩传感器，该装置是由扭转轴、励磁线圈、感应线圈和信号发生处理部分组成，所述励磁线圈和感应线圈缠绕在扭转轴上，励磁线圈通过信号激发驱动电路与单片机连接，所述感应线圈通过信号放大电路和数模转换电路与单片机连接，在轴未受扭力作用时，单片机通过信号激发驱动电路提供给缠绕在扭转部分上的励磁线圈一个稳定的交变信号，根据电磁感应原理，缠绕扭转部分的感应线圈感应到一个稳定的交变信号，交变信号被信号放大电路放大后通过数模转换电路处理将数字信号传给单片机，单片机记录初始信号值，当轴受扭力作用时，依据铁磁学原理使所述轴受扭力作用部分的磁导率发生变化，缠绕在扭转部分轴上的感应线圈接收到变化后的信号，信号同样被放大和转换后发送给单片机，单片机接收并记录下变化后的信号值，通过前后信号值的差与预先输入信号发生处理部分的扭矩与差值的对应关系，实时计算扭矩的值。上述的检测装置虽然实现了结构简单，零件易于加工的优点，在测量轴静态扭矩时非常方便，但是当轴发生扭转的同时还发生轴的旋转时，其不能很好的将旋转体上的应变桥的桥压输入或励磁线圈的激励信号输入与检测到的应变信号输出可靠地在旋转部分与静止部分之间实现传递，通常都需将感应线圈的信号经圆环天线发射，再通过固定在旋转轴以外的接收装置接收到感应信号并经软件采集处理转化为扭矩信号给控制器，这虽然也可以实现对旋转轴扭矩的测量，但是这样会因信号受到外界的干扰产生误差，而且整个装置会变得复杂。

又如中国专利申请（公开号：CN1361737A）公开了一种带有扭矩检测机构系统的助力自行车，该助力自行车扭矩检测机构是由链轮、单向器、自行车驱动轴、盘形弹簧组成的，其中单向器是由棘轮结构组成的，将棘轮块（由金属制成细长、扁平且弹性弯曲的平板的一种挡板形零件）一端刚性固定在链轮上，使另一弯曲翘起端部相对于上述链轮的刚性体部分倾斜一个预先确定的角度，并且三个棘轮块到链轮中心的距离相等，与棘轮块啮合的棘轮齿部分由一个圆盘组成，圆盘周边为棘轮齿，每一个棘轮齿由一个逐渐倾斜的表面和一个陡的倾斜表面组成，棘轮齿部分与驱动轴在径向通过槽固定使棘轮齿随驱动轴的周向转动而转动，在轴向，棘轮齿可以相对驱动轴滑动，盘形弹簧一端与棘轮齿相连，一端固定在驱动轴上，当驱动轴受到来自曲轴的扭矩时，驱动轴作为动力轴提供一个正向的扭矩，链轮作为负载提供一个反向的扭矩，驱动轴自身发生一定的扭转后开始与链轮一起旋转，驱动轴相对链轮的扭转使棘轮块相对棘轮齿发生转动，棘轮块在棘轮齿的倾斜表面上滑动将周向的转动转变为轴向的移动，带动盘形弹簧发生一定的变形，再通过检测盘形弹簧表面上位移量的位置传感器或在盘形弹簧上安装的应变仪（随应力的改变电阻值改变）来间接得出驱动轴上所加扭矩的值。上述的检测装置实现了将周向的扭转变形的测量转化为轴向位移的测量，而且部件主要集中在轴上链轮的单向器上，大大节省了空间和重量。但是，其仍然存在着以下缺陷：1、系统结构复杂，尤其是棘轮块需要加工成特殊的形状，各个倾斜表面的倾斜角度也要一致且需要预先安装时与链轮保持一定的角度，装配困难。2、由于棘轮齿与棘轮块之间的啮合是摩擦接触，随着摩损的发生，当驱动轴发生同样角度的扭转时，棘轮齿与链轮之间轴向位移值会减小，这会引起盘形弹簧应变的改变从而使传感器感受到信号不一致，测量精度低，这会影响到助力电机提供助力的准确性。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种助力自行车的扭矩检测装置，其所要解决的技术问题是：现有的助力自行车的扭矩检测装置系统结构复杂、装配困难、测量精度低。

本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：一种助力自行车的扭矩检测装置，助力自行车包括曲柄和链轮；其特征在于，本扭矩检测装置包括两端与曲柄相连接的输入轴、套设在所述的输入轴上且同轴心设置的输出轴、以及设置在输入轴与输出轴之间且能够检测输入轴扭转变形角度的角度传感器；所述的输出轴的输入端与输入轴之间通过花键相啮合；所述的输出轴的输出端与所述的链轮通过花键相啮合。

本扭矩检测装置安装在助力自行车上时，首先脚踏受到力的作用，通过曲柄将扭矩传给输入轴，输入轴通过花键啮合将输入扭矩传递给输出轴，然后输出轴再将输入扭矩传递给链轮，链轮作为负载产生一反向扭矩，同时反作用在输入轴上，输入轴采用特殊的弹簧钢制成，当受到两个互为反向的扭矩作用时发生扭转变形，通过角度传感器检测到输入轴扭转变形的角度差，并通过以下扭矩和扭转变形角度的关系即可得出对应的扭矩大小：

$\mathrm{\ψ}=\frac{\mathrm{TL}}{\mathrm{GIp}};$ 式中：

ψ---扭转角（rad/m）；

T---传动轴受到的扭矩（N·m）；

L---发生扭转段的长度（m）；

G---材料的切变模量（Pa），当材料确定时即为一定值；

I_p---材料的截面极惯性矩（m⁴），对于实心轴Ιp=πD⁴/32，D为发生扭转段轴的直径。

当材料和结构确定时，L、G、Ιp为定值，这时扭转角度和扭矩成正比关系，因此，根据测量的角度的变化可以很方便的反应出扭矩的大小变化。助力自行车上还设有能够自行根据角度差值计算扭矩的专用芯片，通过专用芯片的作用，角度传感器将检测到的输入轴扭转变形的角度差值反馈到专用芯片上，专用芯片通过计算再将结果反馈给电气驱动系统上，电气驱动系统则根据反馈过来的信息控制扭矩的输出，从而起到辅助人力进行的踏板踏力的作用。

在上述的助力自行车的扭矩检测装置中，所述的扭矩检测装置还包括箱体；所述的输入轴与输出轴均定位在箱体内；所述的输入轴的两端穿出箱体与曲柄相连接；所述的输出轴的输出端穿出箱体与链轮相连接。通过箱体的作用，本扭矩检测装置能够很好的配合安装在助力自行车上，较为方便。同时，必要时，本扭矩检测装置还可没有箱体结构，可直接加工在其他集成系统内，比如电气驱动系统，很好的减小了所需的安装空间。

在上述的助力自行车的扭矩检测装置中，所述的角度传感器包括定子、第一转子和第二转子；所述的定子定位在箱体内；所述的第一转子封装在定子内且与所述的定子轴向固定；所述的第一转子刚性连接在输入轴上；所述的第二转子刚性连接在输出轴上。第一转子与定子轴向固定，在周向能够转动，定子上具有励磁线圈和感应线圈，检测时，输入轴受到两个互为反向的扭矩作用时发生扭转变形，励磁线圈接通电源产生电磁场，感应线圈感应的电压幅值大小随第一转子和第二转子转动的相对位置而改变，感应线圈的电信号经软件采集处理转变为数字信号输出，即可获得第一转子相对第二转子转动的角度差。本扭矩检测装置所用的角度传感器常用的角度传感器，比如可以为应用于汽车电子助力转向系统中的角度传感器（型号：GC03-SP3000、M319535等）。

在上述的助力自行车的扭矩检测装置中，所述的输入轴上开设有用于安装定位第一转子的环形轴肩一；所述的第一转子通过激光焊接在所述的环形轴肩一上；所述的输出轴上开设有用于安装定位第二转子环形轴肩二；所述的第二转子激光焊接在所述的环形轴肩二上。第一转子通过轴向套装在输入轴的环形轴肩一上并与其通过激光焊接在一起；第二转子通过轴向套装在输入轴的环形轴肩二上并与其通过激光焊接在一起。

在上述的助力自行车的扭矩检测装置中，所述的输入轴上还开设有环形凹槽；所述的环形凹槽位于环形轴肩一与环形轴肩二之间。通过环形凹槽的设计，使得输入轴位于该处的轴径小于其他部位的轴径，从而有效提高了输入轴扭转变形时的变形量，提高了所能检测的角度差的测量范围。环形凹槽的深度可根据输入轴的材料、轴径等具体情况而定，保证其在轴径最大扭矩允许的范围内减小环形凹槽处的输入轴轴径以提高测量范围。

在上述的助力自行车的扭矩检测装置中，所述的输出轴靠近输出端的外侧壁上还开设有环形凹肩；所述的环形凹肩上设有花键；所述的链轮设置在环形凹肩上且通过花键啮合。链轮设置在环形凹肩上并抵靠在环形凹肩的侧壁上定位。

在上述的助力自行车的扭矩检测装置中，所述的输出轴上还设有能够将所述的链轮与输出轴锁紧的锁紧螺母。

在上述的助力自行车的扭矩检测装置中，所述的输入轴与输出轴分别通过轴承一和轴承二定位在箱体内。输入轴与输出轴分别通过轴承一和轴承二的作用定位在箱体上，轴承一和轴承二可以为滚动轴承或滑动轴承。

在上述的助力自行车的扭矩检测装置中，所述的箱体包括左箱体、右箱体和端盖；所述的左箱体上开设有螺纹安装孔；所述的右箱体和端盖上均开设有相对应的通孔；所述的左箱体、右箱体和端盖依次相连接且通过固定螺栓固定；所述的轴承一位于左箱体内；所述的轴承二位于右箱体内。左箱体内和右箱体内分别具有用于安装轴承一和轴承二的安装结构。左箱体和右箱体内还分别具有能够防止定子周向和轴向运动的定位结构。端盖用以封盖右箱体，固定螺栓依次穿过右箱体和端盖上的通孔与左箱体的螺纹安装孔相连接。左箱体与右箱体的上部呈圆弧形以节约安装空间，下部呈方形，在底面上设有若干安装孔，方便安装在助力自行车上。

在上述的助力自行车的扭矩检测装置中，所述的左箱体螺纹安装孔的边缘部上还设有定位销；所述的定位销能够穿入右箱体的通孔内抵靠在通孔的侧壁上。通过定位销的设计，方便了安装时左箱体与右箱体的对正。

在上述的助力自行车的扭矩检测装置中，所述的输出轴靠近输出端的内侧壁上还开设有定位凹肩；所述的定位凹肩内固设有轴承三；所述的输入轴穿设在轴承三上。

在上述的助力自行车的扭矩检测装置中，所述的输出轴的输出端与输入轴之间还通过油封密封。

与现有技术相比，本助力自行车的扭矩检测装置具有以下优点：

1、结构简单、紧凑，容易装配，零部件易于加工，所需的成本较低，占用的空间小。

2、可以通过箱体结构安装在助力自行车的车架上，也可没有箱体，直接加工设置在助力自行车其他的集成系统内，可视具体情况而定，灵活性较好。

3、输入轴能够直接承受控制扭矩，无需增加其他扭转变形限制部件，通过角度传感器直接测量输入轴的扭转变形角度并将结果反馈给电气控制系统，测量的精度较高。

附图说明

图1是本助力自行车的扭矩检测装置具有箱体时的示意图。

图2是本助力自行车的扭矩检测装置左箱体的视图。

图3是本助力自行车的扭矩检测装置右箱体的视图。

图4是本助力自行车的扭矩检测装置不具有箱体时的示意图。

图中，1、输入轴；11、环形凹槽；2、输出轴；21、环形凹肩；3、角度传感器；31、定子；32、第一转子；33、第二转子；4、链轮；5、锁紧螺母；61、轴承一；62、轴承二；63、轴承三；7、左箱体；71、定位销；8、右箱体；9、端盖；10、固定螺栓。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

实施例一

如图1-3所示，助力自行车包括曲柄和链轮4。本扭矩检测装置包括箱体、两端与曲柄相连接的输入轴1、套设在输入轴1上且同轴心设置的输出轴2、以及设置在输入轴1与输出轴2之间且能够检测输入轴1扭转变形角度的角度传感器3。输入轴1与输出轴2分别通过轴承一61和轴承二62定位在箱体内。输入轴1的两端穿出箱体与曲柄相连接。输出轴2的输入端与输入轴1之间通过花键相啮合，输出轴2的输出端穿出箱体与链轮4相连接。输出轴2靠近输出端的外侧壁上还开设有环形凹肩21；环形凹肩21上设有花键；链轮4设置在环形凹肩21上且通过花键啮合。输出轴2上还设有能够将链轮4与输出轴2锁紧的锁紧螺母5。输出轴2靠近输出端的内侧壁上还开设有定位凹肩，定位凹肩内固设有轴承三63，输入轴1穿设在轴承三63上。输出轴2的输出端与输入轴1之间还通过油封密封。

更具体地说，角度传感器3包括定子31、第一转子32和第二转子33。定子31定位在箱体内，第一转子32封装在定子31内且与定子31轴向固定。定子31上具有励磁线圈和感应线圈。输入轴1上开设有用于安装定位第一转子32的环形轴肩一；第一转子32通过激光焊接在环形轴肩一上。输出轴2上开设有用于安装定位第二转子33环形轴肩二，第二转子33激光焊接在环形轴肩二上。输入轴1上还开设有环形凹槽11，环形凹槽11位于环形轴肩一与环形轴肩二之间。

箱体包括左箱体7、右箱体8和端盖9。左箱体7上开设有螺纹安装孔；右箱体8和端盖9上均开设有相对应的通孔，固定螺栓10依次穿过右箱体8和端盖9上的通孔与左箱体7的螺纹安装孔相连接。左箱体7与右箱体8的上部呈圆弧形以节约安装空间，下部呈方形，在底面上设有若干安装孔，方便安装在助力自行车上。左箱体7螺纹安装孔的边缘部上还设有定位销71，定位销71能够穿入右箱体8的通孔内抵靠在通孔的侧壁上。

本扭矩检测装置安装在助力自行车上时，首先脚踏受到力的作用，通过曲柄将扭矩传给输入轴1，输入轴1通过花键啮合将输入扭矩传递给输出轴2，然后输出轴2再将输入扭矩传递给链轮4，链轮4作为负载产生一反向扭矩，同时反作用在输入轴1上，输入轴1采用特殊的弹簧钢制成，当受到两个互为反向的扭矩作用时发生扭转变形，定子31内的励磁线圈接通电源产生电磁场，感应线圈感应的电压幅值大小随第一转子32和第二转子33转动的相对位置而改变，感应线圈的电信号经软件采集处理转变为数字信号输出，即可获得第一转子32相对第二转子33转动的角度差。角度传感器3将检测到的扭转变形的角度差值反馈到设置在助力自行车上的专用芯片上，专用芯片自行根据公式

计算扭矩。式中：ψ---扭转角（rad/m）；T---传动轴受到的扭矩（N·m）；L---发生扭转段的长度（m）；G---材料的切变模量（Pa），当材料确定时即为一定值；I_p---材料的截面极惯性矩（m⁴），对于实心轴Ιp=πD⁴/32，D为发生扭转段轴的直径。专用芯片再将计算结果反馈给电气驱动系统上，电气驱动系统则根据反馈过来的信息控制扭矩的输出，从而起到辅助人力进行的踏板踏力的作用。

本助力自行车的扭矩检测装置的输入轴1能够直接承受控制扭矩，无需增加其他扭转变形限制部件，通过角度传感器3直接测量输入轴1的扭转变形角度并将结果反馈给电气控制系统，测量的精度较高，结构简单、紧凑，容易装配，零部件易于加工，所需的成本较低，占用的空间小。

实施例二

如图4所示，本实施例的扭矩检测装置的结构和原理基本与实施例一相同。其不同住处在于：本实施例的扭矩检测装置不具有箱体结构，可直接加工设置在助力自行车其他的集成系统内，比如设置在电气驱动系统内，可视具体情况而定，灵活性较好。

文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了输入轴1、环形凹槽11、输出轴2、环形凹肩21、角度传感器3、定子31、第一转子32、、第二转子33、链轮4、锁紧螺母5、轴承一61、轴承二62、轴承三63、左箱体7、定位销71、右箱体8、端盖9、固定螺栓10等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

Claims (10)

1.一种助力自行车的扭矩检测装置，助力自行车包括曲柄和链轮（4）；其特征在于，本扭矩检测装置包括两端与曲柄相连接的输入轴（1）、套设在所述的输入轴（1）上且同轴心设置的输出轴（2）、以及设置在输入轴（1）与输出轴（2）之间且能够检测输入轴（1）扭转变形角度的角度传感器（3）；所述的输出轴（2）的输入端与输入轴（1）之间通过花键相啮合；所述的输出轴（2）的输出端与所述的链轮（4）通过花键相啮合。

2.根据权利要求1所述的助力自行车的扭矩检测装置，其特征在于，所述的扭矩检测装置还包括箱体；所述的输入轴（1）与输出轴（2）均定位在箱体内；所述的输入轴（1）的两端穿出箱体与曲柄相连接；所述的输出轴（2）的输出端穿出箱体与链轮（4）相连接。

3.根据权利要求2所述的助力自行车的扭矩检测装置，其特征在于，所述的角度传感器（3）包括定子（31）、第一转子（32）和第二转子（33）；所述的定子（31）定位在箱体内；所述的第一转子（32）封装在定子（31）内且与所述的定子（31）轴向固定；所述的第一转子（32）刚性连接在输入轴（1）上；所述的第二转子（33）刚性连接在输出轴（2）上。

4.根据权利要求3所述的助力自行车的扭矩检测装置，其特征在于，所述的输入轴（1）上开设有用于安装定位第一转子（32）的环形轴肩一；所述的第一转子（32）通过激光焊接在所述的环形轴肩一上；所述的输出轴（2）上开设有用于安装定位第二转子（33）环形轴肩二；所述的第二转子（33）激光焊接在所述的环形轴肩二上。

5.根据权利要求4所述的助力自行车的扭矩检测装置，其特征在于，所述的输入轴（1）上还开设有环形凹槽（11）；所述的环形凹槽（11）位于环形轴肩一与环形轴肩二之间。

6.根据权利要求1-5中的任意一项所述的助力自行车的扭矩检测装置，其特征在于，所述的输出轴（2）靠近输出端的外侧壁上还开设有环形凹肩（21）；所述的环形凹肩（21）上设有花键；所述的链轮（4）设置在环形凹肩（21）上且通过花键啮合。

7.根据权利要求6所述的助力自行车的扭矩检测装置，其特征在于，所述的输出轴（2）上还设有能够将所述的链轮（4）与输出轴（2）锁紧的锁紧螺母（5）。

8.根据权利要求2或3或4或5的任意一项所述的助力自行车的扭矩检测装置，其特征在于，所述的输入轴（1）与输出轴（2）分别通过轴承一（61）和轴承二（62）定位在箱体内。

9.根据权利要求8所述的助力自行车的扭矩检测装置，其特征在于，所述的箱体包括左箱体（7）、右箱体（8）和端盖（9）；所述的左箱体（7）上开设有螺纹安装孔；所述的右箱体（8）和端盖（9）上均开设有相对应的通孔；所述的左箱体（7）、右箱体（8）和端盖（9）依次相连接且通过固定螺栓（10）固定；所述的轴承一（61）位于左箱体（7）内；所述的轴承二（62）位于右箱体（8）内。

10.根据权利要求9所述的助力自行车的扭矩检测装置，其特征在于，所述的左箱体（7）螺纹安装孔的边缘部上还设有定位销（71）；所述的定位销（71）能够穿入右箱体（8）的通孔内抵靠在通孔的侧壁上。

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