[发明专利]中轴力矩传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种带传感器的自行车中轴, 为智能助力自行车提供骑行者脚踏力矩、踏频及方向信号。

背景技术

     智能助力自行车是指脚踩启动,脚停断电的电助力自行车。此种车不具机动功能,属非机动车，在欧美日本可合法的在人行道上骑行。

    智能助力自行车的核心部件是力矩传感器,即要测出人的脚踏力。有几种方法:1.在牙盘上安装力矩传感器,简单经济,已大批使用,缺点是只能应用于单牙盘而且力矩信号为开关量。2.在链条上安装压链式力矩传感器,有专利,CITYBUG已量产。3.在飞轮,厉轴,轮毂上安装，统称后置式力矩传感器,YAMAHA的PAS系统。4.装在自行车中轴上。

   中轴力矩传感器需装在标准五通内,受空间限制（五通长68mm,螺纹外径34.798mm）和恶劣的使用状态（中轴冲击扭矩可达160n.m,测量范围60n.m），能在市场上批量使用的很少见。1.常采用应变片测扭矩,在中轴上贴应变片,用耦合的方式输入电源和输出信号,很多厂家已做出样品, 贴应变片工艺差,弯矩扭矩混在一起且信号处理难。2.采用磁致伸缩原理做出的磁弹性扭矩传感器,德国的舍弗勒已成功(THUN使用其专利)，在中轴表面整一层易磁致伸缩的材料,扭矩变化会使材料的磁强度变化,再由传感器换算扭矩大小。我国90年代起有科研院所已再研究,还在试验阶段。3.采用机械方式，将扭矩转换成易测量的角度或位移，测量的角度范围越大则踩踏的滞后越大，骑行感不好。

发明内容

本发明要解决的问题是在标准五通内安装并能测出左端或两端扭矩和转速及方向的中轴 。

   为解决上述问题，本发明采用一种U型叉齿斜面与钢珠配合的机构将扭矩转换成可测量的位移。中轴的左端扭矩或两端扭矩的测量分两种方案来实现,第一种方案只能测出左端扭矩：将中轴传感器分成左右两部份，左端标准方孔轴,右端标准培林花键轴,中间用M8 螺钉加平面轴承锁紧,左中轴将扭矩传递到右培林轴的过程中,靠钢珠与右轴上的叉齿斜面产生一个轴向力,此力压缩蝶形弹簧产生一个位移,再用位移传感器测出磁环位移值,即可精确的换算出扭矩值。径向充磁的磁环与中轴一同转动,用一个磁旋转传感器就能测出中轴的转速和方向。

    如何产生一个轴向力:左方轴与有数个圆弧齿的主动齿轮静连接(采用方孔或花键,视工艺而定),在右培林轴的左端加工出相应个数的 U  型的叉齿斜面槽,叉齿槽与圆弧齿间装入钢珠,滑套与护圈再与钢珠形成一封闭机构,左中轴的扭矩在齿轮的齿边产生一个切向力作用到钢珠上,钢珠在护圈的限制下再作用于培林轴的叉齿斜边上,则产生一个轴向力和叉齿上的切向力,前者通过滑套压缩碟簧产生位移,后者就是培林轴上的扭力,且轴向力等于碟簧的弹力。

    所述中轴包含左方轴,右培林轴,连接的螺钉,平面轴承,齿轮,钢珠,滑套,护圈,多级磁环,位移磁环,两个磁环的支架,磁环旋转位移的传感器及PCB板,固定PCB的上下壳体,两根电源线四根信号线,左右端的球轴承,左右标准轴碗。

第二种方案测两端扭矩的原理与第一种方案相同,大部分零件共用,区别:只用一根方的中轴,主动齿轮与中轴采用过盈连接传递扭矩, U 型的叉齿通过钢珠与中轴角接触作轴向固定,叉齿上套滚针轴承与右轴碗接触,叉齿另一端与牙盘轮毂采用凹凸齿啮合传递中轴扭矩至牙盘上, 牙盘轮毂与中轴之间加一球轴承支撑,靠中轴上的弹性卡环轴向固定。

    本发明与现有力矩中轴相比，其优点如下：

        1.首次成功采用机械方式在中轴内加入力矩传感器,可在恶劣环境中使用,没有应变片和磁弹性力矩传感器复杂的信号处理,没有苛刻的电源要求,没严格的装配工艺。

  2.结构简单,所需磁环,传感器,机械配件都是成熟工艺,可低成本批量生产, 普及智能助力自行车，此机构也可代替应变片应用于普通扭矩传感器内。

     3.所述中轴左端标准方孔轴,右端标准培林花键轴,只改变右端花键轴长度就可适合不同尺寸的CHAIN  LINE。数据连接线从左端出,可用于后装市场，显示踏频、力矩、功率。

    4.所述中轴只须改变碟簧厚度就可改变力矩测量范围,磁环位移传感器精度0.002mm，对应五百分之一的力矩测量范围。

    所述中轴缺点:培林轴端叉齿槽加工成本高;零件多;左端轴与右培林轴或牙盘有一个相对的转动角度，含加工误差后，最大近七度，会使左踩踏力延后，感觉力矩传递不直接。

  以下是结合具体实施方式与附图说明对本发明做进一步的描述。

附图说明