[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

说明书

本发明公开了一种中轴扭矩传感器和置于后轮的轮毂电机,使电动助力的通勤车也具有功率自行车的健身功能。该中轴扭矩传感器将扭矩的输入端与输出端分离，在两者间设置钢珠传递扭矩，钢珠径向滚动挤压滑环锥面使滑环轴向压缩碟簧组，滑环带动对斥的磁环位移，磁环间的霍尔IC检测位移输出电压信号。该轮毂电机采用行星减速和棘爪式离合器,棘爪离合器设置于行星齿圈与电机壳间，通过外置的旋钮可手动将棘爪离合器锁死。作通勤车，棘爪离合器工作，轮毂电机根据扭矩大小输出功率,进行电动助力。作室内或室外的健身车，棘爪离合器被锁死，轮毂带动电机外转子转动，作发电机给电池充电，也可以使电机外转子变成磁阻制动器,设置不同的运动强度。

技术领域

本发明涉及自行车与健身车技术领域，具体的说是涉及一种中轴扭矩传感器与轮毂电机, 该车即作电动助力的通勤车也可以作发电的骑行台或移动的动感单车。

背景技术

电动助力的通勤车分两种, 一种采用中置电机, 里面集成了扭矩传感器和踏频传感器, 内置两套单向离合器不适合改动增加健身功能,另一种多采用轮毂电机和中轴踏频传感器, 因功率为扭矩与转速的积,存在两个变量，只用一个变量控制电机输出功率不可靠不安全。健身车通常放在室内,如骑行台,动感单车等,常采用阻尼飞轮或磁滞制动器设置运动强度,基于电动机也能做发电机与电机制动的原理, 对轮毂电机作结构上的小改动和改变驱动器电路,可变成发电机或磁阻制动器,如将电机的三相线切换到与水泥电阻短接,电机制动就作为负载使通勤车成为室内外的健身车；在共享电动助力车领域，可采用有偿方式让健身爱好者踩单车为电池充电。

为达成电动助力的通勤车可以健身可以发电，须将轮毂电机置于后轮和采用中轴扭矩传感器提供扭矩与踏频信号。

自行车领域用于五通内的扭矩传感器有三种方式:一种磁弹性扭矩传感器,利用磁性材料的磁致伸缩效应,采用激磁线圈和测量线圈来检测；一种用应变片方式,直接贴在旋转轴套上面临电源耦合进去与信号耦合出来的难题，或设置一套行星加速，应变片贴在行星支架或齿圈的固定端；最后一种采用机械方式,用扭簧传递扭矩产生相位差,而扭簧为自制非标件，其扭力与寿命难保证，四度以内角度线性测量困难。第一种方式最理想,冶金工业部在87年申请的专利871047241就有详细的制作方法,国外的专利更早 ,技术难度大与材料要求高,并且与应变片一样需要进行标定和调零调满，自动化生产困难。

基于骑行平顺性要求,电动助力不能有顿挫感，而曲柄力臂是变化的正弦曲线,只有穿上锁鞋的运动员以画圆的方式踩踏脚蹬骑行,扭矩输出才近似恒定值，普通人间歇性发力,扭矩输出近似正弦非线性，所以电机控制算法中会在曲柄的上下死点人为加一个扭矩信号，以平滑采样信号曲线。当中轴转速超出每秒一圈时, 即踏频信号超出60，扭矩信号通常只取一圈中的最大值。另外,助力车还配多个档位选择助力的大小。基于以上几点，助力自行车对扭矩传感器的精度并不同于在2﹪以内的功率计，也不同于运动竞技自行车对传动组件刚性的要求，而是安全与舒适,所以寻找一种能简单满足功能，电路和结构简单及生产容易的扭矩传感器仍是各单车厂的目标。

公知的扭矩限制器结构中，采用钢珠传递扭矩滑环压缩碟簧，调整碟簧组的压缩量来设置扭矩大小，当扭矩超出设定值，钢珠从齿槽内跳出，使扭矩输入与输出端脱离，这只是开关量。得益于中轴只是单向传递扭矩,可以使钢珠在齿槽内径向滚动，使滑环压缩碟簧组作一个连续的位移, 作为标准工业件的碟簧，压缩量在0.5h。时，寿命上百万次且弹力误差在15﹪以内。