专利名称：电动自行车中轴力矩传感装置的制作方法
技术领域：
本发明属于力矩传感器技术领域，具体涉及一种电动自行车中轴力矩传感装置。
背景技术：
电动自行车由于其轻快省力及无污染等特点，正日益在我国推广运用。传统的电动自行车都用手把来调速，即用手把来控制电机的输出功率，而目前越来越多的电动自行车则主要采用力矩传感器将人骑行时脚的蹬力转换成相应的电压信号输出，经电机控制电路板放大处理后控制电机的运转功率，这样可以大大节省能源。目前用于电动自行车中的力矩传感器多为霍尔转速传感器，这种传感器使用磁钢粘贴在电动自行车的中轴或飞轮等旋转部件表面，而在车架主轴等非转动部件上安装霍尔元件，当人踏脚蹬时，中轴或飞轮旋转产生对应于扭力矩的变化电位，并输出相应的电压信号，经放大处理后即可控制电机的输出功率。然而这类电动自行车传感器存在下述问题:1、不能检测静态和动态扭矩，测量精度差，在骑行中不能零启动，在平路和下坡骑行中会出现电动助力过大而使电池产生不必要的放电。2、由于磁钢并未安装在中轴有效的受力部位，其因扭力而产生的位移变化并不明显，往往在低转速时明显，而高转速时则不明显，故使得感应电位信号的输出不准确，传感器的工作稳定性和可靠性均大大下降。
发明内容
本发明目的是:提供一种感应灵敏度和准确性高、能够检测静态和动态扭矩的电动自行车中轴力矩传感装置，该力矩传感装置还可以确保电动自行车在骑行中零启动并保持行驶性能的稳定。本发明的技术方案是:一种电动自行车中轴力矩传感装置，包括通过轴承装配于五通管内的中轴、固定在中轴上的曲柄和套设于中轴上的牙盘；其特征在于还包括力矩感应霍尔组件，该组件包括一连接中轴和牙盘的弹性扭转构件，该弹性扭转构件上固定有藉由其扭转而产生圆周位移的力矩传感磁钢，还包括固定于中轴上并与力矩传感磁钢对应的力矩传感霍尔元件，所述力矩传感霍尔元件经一安装于中轴和五通管内壁间的集电环出线装置与电机控制电路板电连接，而电机控制电路板则与电机电连接。进一步的，本发明中所述集电环出线装置包括集电环支架、集电环、出线线路板及导电刷或导电弹簧；所述中轴上固定有集电环支架，所述集电环支架上固定有若干集电环，而所述五通管内壁上固定有出线线路板，所述出线线路板上固定有与所述集电环对应配合的若干导电刷或导电弹簧，所述出线线路板经引出线与电机控制电路板电连接，而电机控制电路板则与电机电连接。更进一步的，本发明中所述力矩传感霍尔元件由力矩传感线路板和固定其上的力矩传感霍尔本体构成，所述力矩传感线路板固定在集电环支架上，并藉由导线与所述集电环一一对应相连。更进一步的，本发明中所述五通管内装有出线线路板定位衬套，所述五通管两端通过压入左、右护碗而轴向锁紧所述出线线路板定位衬套；所述出线线路板定位衬套一端内壁上设有内阶槽，所述出线线路板嵌入所述内阶槽内，出线线路板外端则通过套置于中轴上的调整弹簧轴向固定。进一步的，本发明中所述弹性扭转构件优选由拨盘和与拨盘一体相连且带有开口的环套构成，所述拨盘和环套均套设于中轴上，并且拨盘与牙盘固定，而所述环套上从开口处沿圆周开有非闭合切口，所述环套上与拨盘因非闭合切口而脱开的部分固定于所述中轴上，而余下的部分则固定所述力矩传感磁钢。实际操作时，环套与中轴间的固定方式可以借助螺钉、铆钉等紧固件固定，或者藉由键槽固定，或者也可焊接固定，本发明对此不作限定。更进一步的，本发明中所述力矩传感磁钢位于环套端部，并固定于环套上的开口一侧端壁上。进一步的，本发明中所述弹性扭转构件也可以采用常规的弹簧。更进一步的，本发明中所述出线线路板上集成有速度感应霍尔本体，而中轴上则固定有与速度感应霍尔本体对应的速度感应磁钢。本发明中涉及的曲柄在实际使用时同常规技术一样与自行车脚踏装配固定，并由人踩踏而带动旋转。本发明的具体工作原理是:在电动自行车启动和骑行过程中，人踩脚踏带动曲柄和中轴旋转，中轴则将扭力传递给弹性扭转构件。由于在弹性扭转构件瞬时受力时，其中与牙盘固定的拨盘在惯性作用下保持相对静止，也即环套上与拨盘相连的部分也保持相对静止，而环套上与拨盘因非闭合切口而隔断的部分由于与中轴固定，故产生相对扭转(转动角度不大，通常2度左右)。这一扭转也即使得相对静止的力矩传感磁钢和随同中轴转动的力矩传感霍尔元件之间产生相对位移，从而由力矩传感霍尔元件感应获得磁场变化信号，并将该信号转换成电压信号经集电环和导电刷或导电弹簧的作用输出给电机控制电路板。所述电机控制电路板根据电压信号的强弱分别输出相应的控制信号，驱动电机降低或者提高运转功率以起到很好的助力效果，大大节省能源。当然，本发明进一步的技术方案中引入了速度感应霍尔本体和速度感应磁钢，它们的工作原理同常规技术一样，速度感应磁钢随中轴旋转而相对速度感应霍尔本体产生磁场变化信号，再由出线线路板将速度感应霍尔本体感应得到的磁场变化信号转换成速度信号，进而输出给电机控制电路板，由其处理后控制电机运转功率。本发明中所述电机控制电路板的作用即接收出线线路板输出的力矩和速度感应信号，并根据接收到的力矩和速度感应信号输出相应的控制信号给电机，驱动电机改变输出功率，其实现方式为本领域技术人员所熟知。本发明的优点是:
1.本发明借助专门安装于中轴和牙盘间的弹性扭转构件来受力，并产生力矩传感磁钢的扭矩位移，相比现有的霍尔力矩传感装置，力矩传递到位，不会存在低转速时力矩感应信号微弱的缺陷，而是始终能确保感应信号的高灵敏度和高精度。2.本发明中只需中轴受力扭转即可通过霍尔元件获得力矩感应信号，故能够检测静态和动态扭矩，相比现有的霍尔力矩传感装置，工作性能更加稳定可靠，而且还可以确保电动自打车在骑打中零启动并保持打驶性能的稳定。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述:
图1为本发明的结构剖视 图2为本发明中力矩感应原理示意图。其中:1、五通管；2、牙盘；3、牙盘固定螺钉；4、曲柄；5、螺栓；6、中轴；7、弹性扭转构件；7a、拨盘；7b、环套；7c、开口 ；8、防尘护圈；9、右护腕；10、深沟球轴承；11、轴用卡簧；12、中轴固定螺钉；13、出线线路板定位衬套；14、力矩传感磁钢；15、出线线路板；16、集电环支架；17、集电环；18、导电刷；19、速度感应霍尔本体；20、调整弹簧；21、左护腕；22、出线衬套；23、引出线；24、出线护圈；A、力矩传感霍尔元件；25、力矩传感线路板；26、力矩传感霍尔本体；27、左滚针轴承；28、速度感应磁钢；29、右滚针轴承；30、密封圈；31、切口。
具体实施例方式实施例:结合图1 图2所示，为本发明提供的这种电动自行车中轴力矩传感装置的具体实施方式
，其具体由五通管1、牙盘2、牙盘固定螺钉3、曲柄4、螺栓5、中轴6、弹性扭转构件7、防尘护圈8、右护腕9、深沟球轴承10、轴用卡簧11、中轴固定螺钉12、出线线路板定位衬套13、力矩传感磁钢14、出线线路板15、集电环支架16、集电环17、导电刷18、速度感应霍尔本体19、调整弹簧20、左护腕21、出线衬套22、引出线23、出线护圈24、力矩传感霍尔元件A、左滚针轴承27、速度感应磁钢28、右滚针轴承29和密封圈30这些部件所组成。同常规技术一样，所述五通管I内穿设中轴6，中轴6的两端均通过螺栓5固定有曲柄4，同时所述中轴6上套设牙盘2，该牙盘2位于五通管I右侧。本发明的关键改进在于力矩感应霍尔组件，这套组件的核心是一连接中轴6和牙盘2的弹性扭转构件7，该弹性扭转构件7上固定有藉由其扭转而产生圆周位移的力矩传感磁钢14。具体结合图1和图2所示，本实施例中的弹性扭转构件7由拨盘7a和与拨盘7a—体相连且带有开口 7c的环套7b构成，所述拨盘7a和环套7b均套设于中轴6上，并且牙盘2通过若干牙盘固定螺钉3固定至拨盘7a上。而所述环套7b上从开口 7c处沿圆周开有非闭合切口 31，所述环套7b上与拨盘7a因非闭合切口 31而脱开的部分藉由两枚中轴固定螺钉12固定于所述中轴6上，而余下的部分则固定所述力矩传感磁钢14。本实施例中的力矩传感磁钢14具体位于环套7b端部，并固定于环套7b上的开口 7c—侧端壁上，见图2。且再结合图1所示，本实施例中的环套7b与中轴6之间设置有右滚针轴承29，并且右滚针轴承29外侧藉由套设于中轴6上的密封圈30密封。所述力矩感应霍尔组件还具有固定于中轴6上并与力矩传感磁钢14对应的力矩传感霍尔元件A，所述力矩传感霍尔元件A经一安装于中轴6和五通管I内壁间的集电环出线装置与电机控制电路板(图中未画出)电连接，而电机控制电路板则与电机(图中未画出)电连接。结合图1所示，本实施例中所述的集电环出线装置由集电环支架16、集电环17、出线线路板15、导电刷18和引出线23组成。所述中轴6上固定有集电环支架16，所述集电环支架16上固定有三个集电环17，而所述所述五通管I内装有出线线路板定位衬套13，所述五通管I两端通过压入左、右护碗21、9而轴向锁紧所述出线线路板定位衬套13 ;所述出线线路板定位衬套13 —端内壁上设有内阶槽,所述出线线路板15嵌入所述内阶槽内，出线线路板15左侧外端则通过套置于中轴6上的调整弹簧20轴向固定。所述出线线路板15上固定有与所述集电环17对应配合的三个导电刷18，所述出线线路板15经引出线23与电机控制电路板(图中未画出)电连接,而电机控制电路板则与电机(图中未画出)电连接。本实施例中所述力矩传感霍尔元件A由力矩传感线路板25和固定其上的力矩传感霍尔本体26构成，所述力矩传感线路板25固定在集电环支架16上，并藉由三根导线(图中未标出)与所述集电环17 对应相连。依旧结合图1所示，本实施例中的右护腕9和环套7b之间设置有深沟球轴承10，并深沟球轴承10的左右两端分别通过套置于环套7b上的轴用卡簧11和防尘护圈8锁紧。同时本实施例中的左护腕21内于调整弹簧20向外依次设有出线衬套22和出线护圈24，所述出线线路板15上的引出线23依次穿过出线衬套22和出线护圈24上的开孔而引出。并且所述出线衬套22和中轴6之间设置有左滚针轴承27。本实施例中所述出线线路板15上集成有速度感应霍尔本体19，而中轴6上则固定有与速度感应霍尔本体19对应的速度感应磁钢28。本实施例中涉及的曲柄4在实际使用时同常规技术一样与自行车脚踏装配固定，并由人踩踏而带动旋转。结合图1 图2所示，本发明的具体工作原理是:在电动自行车启动和骑行过程中，人踩脚踏带动曲柄4和中轴6旋转，中轴6则将扭力传递给弹性扭转构件7。由于在弹性扭转构件7瞬时受力时，其中与牙盘2固定的拨盘7a在惯性作用下保持相对静止，也即环套7b上与拨盘7a相连的部分也保持相对静止，而环套7b上与拨盘7a因非闭合切口而隔断的部分由于与中轴6固定，故产生相对扭转(转动角度不大，通常2度左右)。这一扭转也即使得相对静止的力矩传感磁钢14和随同中轴6转动的力矩传感霍尔元件A之间产生相对位移，从而由力矩传感霍尔元件A感应获得磁场变化信号，并将该信号转换成电压信号经集电环17和导电刷18的作用输出给电机控制电路板。所述电机控制电路板根据电压信号的强弱分别输出相应的控制信号，驱动电机降低或者提高运转功率以起到很好的助力效果，大大节省能源。当然，本实施例中引入了速度感应霍尔本体19和速度感应磁钢28，它们的工作原理同常规技术一样，速度感应磁钢28随中轴6旋转而相对速度感应霍尔本体19产生磁场变化信号，再由出线线路板15将速度感应霍尔本体19感应得到的磁场变化信号转换成速度信号，进而输出给电机控制电路板，由其处理后控制电机运转功率。当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种电动自行车中轴力矩传感装置，包括通过轴承装配于五通管(I)内的中轴(6)、固定在中轴(6)上的曲柄(4)和套设于中轴(6)上的牙盘(2);其特征在于还包括力矩感应霍尔组件，该组件包括一连接中轴(6)和牙盘(2)的弹性扭转构件(7)，该弹性扭转构件(7)上固定有藉由其扭转而产生圆周位移的力矩传感磁钢(14)，还包括固定于中轴(6)上并与力矩传感磁钢(14)对应的力矩传感霍尔元件(A)，所述力矩传感霍尔元件(A)经一安装于中轴(6)和五通管(I)内壁间的集电环出线装置与电机控制电路板电连接，而电机控制电路板则与电机电连接。
2.根据权利要求1所述的电动自行车中轴力矩传感装置，其特征在于所述集电环出线装置包括集电环支架(16)、集电环(17)、出线线路板(15)及导电刷(18)或导电弹簧；所述中轴(6)上固定有集电环支架(16)，所述集电环支架(16)上固定有若干集电环(17)，而所述五通管(I)内壁上固定有出线线路板(15)，所述出线线路板(15)上固定有与所述集电环(17)对应配合的若干导电刷(18)或导电弹簧，所述出线线路板(15)经引出线(23)与电机控制电路板电连接，而电机控制电路板则与电机电连接。
3.根据权利要求2所述的电动自行车中轴力矩传感装置，其特征在于所述力矩传感霍尔元件(A)由力矩传感线路板(25)和固定其上的力矩传感霍尔本体(26)构成，所述力矩传感线路板(25)固定在集电环支架(16)上，并藉由导线与所述集电环(17) —一对应相连。
4.根据权利要求2所述的电动自行车中轴力矩传感装置，其特征在于所述五通管(I)内装有出线线路板定位衬套(13)，所述五通管(I)两端通过压入左、右护碗(21、9)而轴向锁紧所述出线线路板定位衬套(13);所述出线线路板定位衬套(13) —端内壁上设有内阶槽，所述出线线路板(15)嵌入所述内阶槽内，出线线路板(15)外端则通过套置于中轴(6)上的调整弹簧(20)轴向固定。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的电动自行车中轴力矩传感装置，其特征在于所述弹性扭转构件(7)由拨盘(7a)和与拨盘(7a)—体相连且带有开口(7c)的环套(7b)构成，所述拨盘(7a)和环套(7b)均套设于中轴(6)上，并且拨盘(7a)与牙盘(2)固定，而所述环套(7b)上从开口(7c)处沿圆周开有非闭合切口(31)，所述环套(7b)上与拨盘(7a)因非闭合切口(31)而脱开的部分固定于所述中轴(6)上，而余下的部分则固定所述力矩传感磁钢(14)。
6.根据权利要求5所述的电动自行车中轴力矩传感装置，其特征在于所述力矩传感磁钢(14)位于环套(7b)端部，并固定于环套(7b)上的开口(7c) —侧端壁上。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的电动自行车中轴力矩传感装置，其特征在于所述弹性扭转构件(7)为弹簧。
8.根据权利要求2所述的电动自行车中轴力矩传感装置，其特征在于所述出线线路板(15)上集成有速度感应霍尔本体(19)，而中轴(6)上则固定有与速度感应霍尔本体(19)对应的速度感应磁钢(28)。
全文摘要
本发明公开了一种电动自行车中轴力矩传感装置，包括通过轴承装配于五通管内的中轴、固定在中轴上的曲柄和套设于中轴上的牙盘；其特征在于还包括力矩感应霍尔组件，该组件包括一连接中轴和牙盘的弹性扭转构件，该弹性扭转构件上固定有藉由其扭转而产生圆周位移的力矩传感磁钢，还包括固定于中轴上并与力矩传感磁钢对应的力矩传感霍尔元件，所述力矩传感霍尔元件经一安装于中轴和五通管内壁间的集电环出线装置与电机控制电路板电连接，而电机控制电路板则与电机电连接。本发明的感应灵敏度和准确性高、能够检测静态和动态扭矩，还可以确保电动自行车在骑行中零启动并保持行驶性能的稳定。
文档编号B62M6/50GK103085932SQ20131004847
公开日2013年5月8日 申请日期2013年2月7日 优先权日2013年2月7日
发明者王清华, 贺先兵, 丁俊 申请人:苏州八方电机科技有限公司