[发明专利]助力与健身一体自行车之中轴扭矩传感器和轮毂电机

权利要求书

1.一种采用中轴扭矩传感器和后置轮毂电机的助力与健身一体自行车, 当作助力的通勤车时, 轮毂电机内的单向离合器工作, 中轴扭矩传感器测出扭矩和踏频信号,电机驱动器以扭矩和人的功率分段控制电机输出功率;

当作室内或室外的健身车即功率自行车时,通过外置的旋钮(30)或手柄, 驱动插入电机轴(48)的拉杆(31)或钢绳,使轮毂电机内的单向离合器被锁死, 轮毂带动电机外转子(52)转动,电机可以发电为电池充电,或在室外低速骑行时,电机外转子(52)可以作为磁阻将制动力作用在轮毂上, 可调节回路电流改变磁阻大小,设置不同的运动强度。

2.根据权利要求1, 所述助力与健身一体自行车在通勤时，采用分段控制电机的助力强度，低踏频时，电机助力与扭矩成比例线性，高踏频时，电机助力与人的功率成比例线性；

当作定速巡航时，车速低于预设值，电机助力与扭矩成比例线性，车速超过预设值后，则采用PID控制电机输出，与扭矩大小和人的功率无关，作纯电机驱动，使车速维持在限速值内，而人力只须保持踏频不低于预设的值。

3.根据权利要求1, 所述的中轴扭矩传感器特征在于,置于车架五通内，检测中轴两端扭矩和踏频，其包括：轴碗端盖(1)、中轴导线(2)、轴挡圈(3)、中轴左轴承(4)、左轴碗(5)、PCB支架(6)、位移霍尔IC(7)、转速霍尔IC(8)、PCB (9)、磁环护圈(10)、单极磁环(11)、多极磁环(12)、磁环支架(13)、调节螺母(14)、碟簧组(15)、滑环(16)、中轴(17)、位移钢珠(18)、定位钢珠(19)、半轴(20)、半轴O令(21)、滚针轴承(22)、中轴O令(23)、右轴碗(24)、中轴右轴承(25)、牙盘爪(26)、半轴螺钉(27)；

所述中轴扭矩传感器特征在于，在中轴(17)与半轴(20)之间设置定位钢珠(19)传递两者的轴向力, 定位钢珠(19)在碟簧组(15)的预压力下使中轴(17)与半轴(20)连接成互相转动的整体,在中轴(17)和半轴(20)上分别设置外半环槽(17b)和内半环槽(20f), 中轴(17)插入半轴(20)后,外半环槽(17b)和内半环槽(20f)的槽心重合,拼成截面呈圆形的圆环滚道，定位钢珠(19)在圆环滚道内滚动传递中轴(17)和半轴(20)之间的轴向力,进一步的, 外半环槽(17b)和内半环槽(20f)的半圆形截面可以改成圆弧与直线相切或者梯形；

所述定位钢珠(19)的直径优选公制2.50mm或英制3/32″；

所述中轴扭矩传感器特征在于，在中轴(17)与半轴(20)之间设置滚针轴承(22), 降低两者互相转动的摩擦力;

所述中轴扭矩传感器特征在于，在中轴(17)和半轴(20)之间设置位移钢珠(18), 传递两者间的扭矩, 位移钢珠(18)置于中轴(17)的钢珠槽(17c)和半轴(20)的半圆齿槽(20a)内，采用二硫化钼极压锂基润滑脂润滑,中轴(17)上的齿工作斜面(17cb)挤压位移钢珠(18)，位移钢珠(18)径向滚动将压力传递给半轴(20)上的工作齿面(20aa)和滑环(16)的圆锥面(16a)，同时使滑环(16)产生轴向分力压缩碟簧组(15)；

所述位移钢珠(18)的直径优选公制6.00mm或英制15/64″;

所述中轴扭矩传感器特征在于，牙盘爪(26)顶住中轴右轴承(25)的内圈，未锁入半轴螺钉(27)时，圆弧内花键(26a)与圆弧外花键(20e)存在配合间隙，半锥孔(26b)的中心与内牙槽(20d)中心有角度错位，锁入半轴螺钉(27)后，错位中心变同心，也使圆弧内花键(26a)与圆弧外花键(20e) 间隙变零, 使传递扭矩的接触面带预压力；

所述中轴(17)设置两处相邻的轴挡圈槽(17a), 安装轴挡圈(3),轴向左右限制两个中轴左轴承(4)；

所述中轴(17)设置有调节螺纹(17d)，设置调节螺母(14)调整碟簧组(15)的尺寸误差与预压力和组件加工误差；

所述中轴(17)在圆周上设置均布的钢珠槽(17c)，钢珠槽(17c)由齿工作斜面(17cb)和齿根圆弧面(17ca)构成,两者相切, 齿根圆弧面(17ca)的弧半径与位移钢珠(18)半径相同；

所述半轴(20)在左端面设置均布的半圆齿槽(20a),半圆齿槽(20a)由两个四分之一圆弧的工作齿面(20aa)与非工作齿面(20ab)构成, 工作齿面(20aa)的宽度超过非工作齿面(20ab)的宽度;

所述半轴(20)在右端圆周上设置对称的三组圆弧外花键(20e)与三个超过半边的内牙槽(20d)，内牙槽(20d)的中心半径小于半轴(20)右端外圆半径；

所述半轴(20)在内孔壁上设置内半环槽(20f)容纳定位钢珠(19)，外圆周上设置一个安装孔(20c)与内半环槽(20f)贯通；

所述半轴(20)在内孔壁右端和左端外圆周上分别设置内O令槽(20g)和外O令槽(20b)；

所述中轴扭矩传感器的特征在于，位移霍尔IC(7)、转速霍尔IC(8)、两个单极磁环(11)、多极磁环(12)、磁环支架(13)、PCB(9)组成位移转速测量组件，两个单极磁环(11)轴向充磁，优选钕铁硼强磁，两个单极磁环(11)互相排斥同心的套在磁环支架(13)的弹性爪(13a)上，位移霍尔IC(7)固定不动并插在两单极磁环之间且与一端磁环近靠，旋转的两单极磁环(11)轴向位移优选2.00mm,多极磁环(12)径向多极充磁，转速霍尔IC(8)置于其上方；

所述位移霍尔IC(7)和转速霍尔IC(8)均采用SIP封装，位移霍尔IC(7) 为线性霍尔且垂直焊接在PCB(9)板上，转速霍尔IC(8)为线性或开关型霍尔且水平焊接在PCB(9)板上；

所述磁环护圈(10)采用金属片冲压,套在单极磁环(11)上,承担磁环支架(13)上的弹力;

所述磁环支架(13)为塑胶件，一端为套筒罩住碟簧组(15)，内腔壁上的环形筋(13d)扣在滑套(16)的支架连接槽(16c)内，另一端套筒开槽成八个弹性爪(13a)，弹性爪(13a)外端设置磁环挡边(13b)，四组相邻的弹性爪(13a)外端设置互相连接的弹性桥(13c)，弹性桥(13c)与中轴(17)弹性过盈接触，使套在弹性爪(13a)上的单极磁环(11)与中轴(17)保持同心和垂直；

所述碟簧组(15)由三片碟簧反向叠合而成，外径大端面顶住滑套(16)朝向负荷来源，内径小端面顶住调节螺母(14),碟簧规格优选内径16.30mm外径31.50mm厚1.25mm；

所述牙盘爪(26)为铝合金，其中心孔设置三组对称圆弧内花键(26a)和三个半锥孔(26b)，圆弧内花键(26a)与配合的圆弧外花键(20e)的圆弧半径相同，半锥孔(26b)的圆周小于180度；

所述滑环(16)在外圆周上设置支架连接槽(16c)，圆锥面(16a)锥度优选30度，即位移钢珠(18)径向滚动1mm，滑环(16)轴向移动1.732mm；

所述调节螺母(14)在外圆周上设置有注胶孔(14a)和O令槽(14b)，经注胶孔(14a)向螺纹灌注固化胶水。

4.根据权利要求1, 所述轮毂电机的特征在于，采用棘爪式单向离合器传递电机转子的扭矩,作电动机助力时,轮毂不带动电机外传子(52)转动, 滑行时棘爪(38)碰出响声,棘爪离合器工作,作发电机或磁阻制动器时, 手动或电驱动旋钮(30),棘爪离合器被锁死,轮毂带动电机外传子(52)转动，所述轮毂电机包括：旋钮(30)、拉杆(31)、碟刹螺钉(32)、电机壳(33)、电机左轴承(34)、固定环(35)、锯齿环(36)、弹簧线(37)、棘爪(38)、棘爪座(39)、复位弹簧(40)、离合器轴承(41)、孔挡圈(42)、离合器轴承座(43)、拉杆销(44)、行星支架固定销(45)、齿圈爪(46)、行星齿圈(47)、电机轴(48)、行星支架(49)、太阳轮(50)、行星轮(51)、电机外转子(52)、电机内定子(53)、电机右轴承(54)、电机盖(55)、电机导线(56)；

所述轮毂电机的特征在于，棘爪离合器设置在行星齿圈(47)与电机壳(33)间，棘爪座(39)与离合器轴承(41)紧配并用孔挡圈(42)固定构成一个整体，棘爪座(39)的锯齿外圈(39a)与齿圈爪(46)挤压过盈连接成整体，齿圈爪(46)再与行星齿圈(47)挤压过盈连接成整体，锯齿环(36)与固定环(35)螺纹连接构成一个整体，固定环(35)由碟刹螺钉(32)锁紧在电机壳(33)上成整体，复位弹簧(40)一端顶住电机左轴承(34)的内圈，另一端同时顶住离合器轴承座(43)和离合器轴承(41)的内圈，离合器轴承座(43)与拉杆(31)用拉杆销(44)连接成整体,旋钮(30)与拉杆(31)用螺纹连接;

所述轮毂电机的特征在于，拉杆(31)或钢绳从电机轴(48)的轴心穿出,棘爪离合器处于初始位置,锯齿环(36)与棘爪座(39)上的锯齿外圈(39a)分离轴向有间隙，锯齿环(36)只与棘爪(38)接触，棘爪(38)退缩在棘爪槽(39c)内并在弹簧线(37)的弹力作用下与锯齿环(36)碰出响声，棘爪离合器工作，行星齿圈(47)空转或不转;

所述轮毂电机需要作为发电机或磁阻制动器时, 手旋旋钮(30)，螺纹驱动拉杆(31)，拉动离合器轴承座(43)和离合器轴承(41)的内圈压缩复位弹簧(40)，同时棘爪座(39)与行星齿圈(47)整体轴向外移，棘爪座(39)上的锯齿外圈(39a)移入锯齿环(36)内,锯齿啮合,锯齿环(36)与棘爪座(39)成一体,离合器锁死失效,轮毂带动电机外转子(52)转动, 旋松旋钮(30)，在复位弹簧(40)的反弹力驱动下，棘爪座(39)整体轴向内移，锯齿外圈(39a)从锯齿环(36)中脱离，棘爪离合器复位到初始位置;

所述棘爪座(39)在左端圆周上设置三个棘爪槽(39c),右端圆周上设置与锯齿环(36)啮合的锯齿外圈(39a),右端设置孔挡圈槽(39b),安装孔档圈(42)固定离合器轴承(41);

所述电机轴(48)在其右端轴心设置导线孔(48c),左端轴心设置拉杆孔(48a),左端外圆周上设置销限位槽(48b)并贯穿轴，行星支架固定销(45)置于槽右端固定行星支架(49)，槽左端限制拉杆销(44)的最大位移;

所述离合器轴承座(43)在圆周上设置一个贯穿的销孔(43a), 安装拉杆销(44);

所述齿圈爪(46)为铝合金,分别与棘爪座(39)和行星齿圈(47)挤压过盈连接,使三者成为一个整体;

所述固定环(35)为铝合金；

所述复位弹簧(40)优选波形弹簧,减小轴向长度。