一种电动自行车测力机构的制作方法

文档序号:10469999阅读:191来源:国知局
一种电动自行车测力机构的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种电动自行车测力机构,包括外筒、偏心套筒、中轴;所述偏心套筒通过偏心套筒轴承安装于外筒内,中轴通过中轴轴承安装于偏心套筒内,能够转动,外筒与自行车架固定;所述偏心套筒的外圆轴线方向,有与轴线相平行的接触平面A,所述偏心套筒外圆轴线与其内孔轴线不重合,即两者在所述中轴所受径向力的垂直方向存在偏心距;在偏心套筒一端固定有П形传感器头,П形传感器旁边安装有预挡板,П形传感器中部放置霍尔传感器,另在偏心套筒的轴向接触面A处,安装有可调的径向预置力装置,该预置力使传感器头与预挡板接触,霍尔传感器处于П形传感器头中部,霍尔传感器输出信号为零,人力作用于自行车脚踏板上时,传感器头随偏心套筒转动,霍尔传感器偏移П形传感器头中部,输出变化的电压信号。
【专利说明】
-种电动自行车测力机构
技术领域
[0001] 本发明设及电动自行车技术领域。具体设及一种电动自行车测力机构。
【背景技术】
[0002] 电动自行车是绿色节能的交通工具,在城市化的发展进程中,电动自行车能够满 足了消费者日常出行的需求。经过十余年的快速发展,电动自行车产业已经有了很大的规 模,产品质量不断提高,技术创新度也不断加强。随着国内电动自行车产量近年急剧膨胀, 市场开始细分,比例助力系统也越来越得到市场的青睐。
[0003] 国际市场上的电动自行车均要求有比例助力系统,而电动自行车最理想的状态也 是实现人力电力的合理分配,W保证消费者最舒适的骑行状态。为了实现对驱动电机的有 效控制,助力传感系统在电动自行车车上起到了关键作用,其工作原理就是将人施加在脚 踏板上的力信号转化成电压信号传给控制器,控制器分析比较后合理控制电机的工作。助 力传感系统的核屯、是测力传感器,然而现有的测力传感器普遍存在结构复杂,制造成本高、 线性度差等问题。

【发明内容】

[0004] 为解决测力传感器普遍存在结构复杂,制造成本高、线性度差等问题,本发明提供 一种电动自行车测力机构,包括外筒、偏屯、套筒、中轴;所述偏屯、套筒通过偏屯、套筒轴承安 装于外筒内,中轴通过中轴轴承安装于偏屯、套筒内,能够转动,外筒与自行车架固定;所述 偏屯、套筒的外圆轴线方向,有与轴线相平行的接触平面A,所述偏屯、套筒外圆轴线与其内孔 轴线不重合,即两者在所述中轴所受径向力的垂直方向存在偏屯、距;在偏屯、套筒一端固定 有形状为Π 形传感器头,Π 形传感器头旁边安装有预挡板,Π 形传感器头中部放置霍尔传 感器,另在偏屯、套筒的轴向接触面A处,安装有可调的径向预置力装置,该预置力使传感器 头与预挡板接触,霍尔传感器处于Π 形传感器头中部,霍尔传感器输出信号为Uo,人力作用 于自行车脚踏板上时,传感器头随偏屯、套筒转动,霍尔传感器偏移Π 形传感器头中部,输出 变化的电压信号U,则作用于自行车脚踏板上的人力Fn为: Fn=K(U-U〇); 式中:巧为霍尔传感器的输出初始电压 U为霍尔传感器输出的适时电压
e为偏屯、套筒轴线与其内孔轴线之间的偏屯、距, 为霍尔比例系数, J为霍尔传感器到偏屯、套筒轴屯、均的距离, 为碟形弹黃的弹性系数。
[0005] 所述可调的径向预置力装置,是在偏屯、套筒一端的传感器固定板上固定有圆筒, 圆筒内放置钢球,钢球与偏屯、套筒的接触面A接触,钢球另一面通过碟形弹黃受调节螺栓顶 压,旋动调节螺栓,能调整对偏屯、套筒的径向压力。
[0006] 所述中轴通过中轴轴承安装于所述偏屯、套筒的内孔,两端通过卡黃进行轴向定 位,并通过防尘垫圈进行防尘处理,所述偏屯、套筒的轴线与其内孔轴线并不重合,两者在中 轴所受径向力的垂直方向存在偏屯、距6 ,中轴可在所述偏屯、套筒的内孔中转动。所述偏屯、 套筒通过偏屯、套筒轴承安装于外筒内,所述偏屯、套筒通过左端的传感器基板和右端的轴承 端盖进行轴向定位,偏屯、套筒左端面沿着偏屯、方向装有传感器头。外筒左端固接传感器基 板,右端通过垫圈与圆螺母固定在电动自行车车架上。外壳固接在传感器基板上。
[0007] 所述钢球的一端与所述偏屯、套筒外表的接触平面A相接触,另一端支承于碟形弹 黃的内圈,碟形弹黃外圈支承于螺栓端面,而所述螺栓通过螺纹联接固定于传感器基板。运 样,通过调节螺栓,可W调节碟形弹黃预紧力,即通过钢球作用于所述偏屯、套筒外表平面A 的接触预压力。霍尔传感器安装在传感器基板上,位置位于传感器头中间,预紧挡块固定在 传感器基板上。在碟形弹黃预紧力作用下所述偏屯、套筒及传感器头产生初始摆动角位移, 当它们与固定的预紧挡块相接触时,整个测力机构达到静平衡状态。
[000引电动自行车行驶时,人施加在脚踏板上的脚踏力为瑞,根据力的平移定理,将攝 平移作用到中轴轴屯、马上,中轴还将受到一驱动转矩使其转动,由于中轴轴屯、与偏屯、套筒 内孔轴屯、是重合的,且中轴是通过中轴轴承支撑在偏屯、套筒内孔,最终冷将作用到偏屯、套 筒上。
[0009] 在瑞作用力的反方向,偏屯、套筒还受到来自碟形弹黃和钢球的挤压力巧作用,巧 的大小与碟形弹黃的变形量ΔΧ有关,且为线性比例关系:
式中惠。为碟形弹黃的弹性系数。
[0010] 在巧/没有作用之前,碟形弹黃存在一定的初始变形用于机构的预紧,初始变形量 为Μα,预紧挡块作用给传感器头的压力馬用于平衡碟形弹黃对偏必套筒轴必的转矩,偏 屯、套筒的转矩平衡公式为:
式中取为预紧力專作用点到偏屯、套筒轴屯、瑪的垂直距离;e为偏屯、套筒轴屯、。:?与内 孔轴屯、即中轴轴屯辟的偏屯、距离。
[0011] 当谋作用之后,式(2)的转矩平衡被打破,新的平衡状态的转矩平衡公式为:
根据力学平衡可W判断当1?逆% ?进& ?及,传感器头将与预紧挡块脱离接触,碟形 弹黃将被进一步压缩,此时& = 0,偏屯、套筒将绕轴屯、α转动,转角为海,根据机构的几何 关系可W得到转角没与碟形弹黃变形量丑公之间的关系:
由于碟形弹黃的刚度很大,丑泣的变化将非常小,可w推算换是一非常小量。偏必套筒 发生转动将带动传感器头转动,转角即巧。由于传感器头是磁性材料,两端将会产生磁场, 霍尔传感器布置在磁场中,由于传感器头发生转动,将改变霍尔传感器在磁场中的相对位 置,导致霍尔传感器的输出电压信号发生变化,由于转角咨为一非常小量,可W将霍尔传感 器在磁场中的相对位置变化凸Z近似表示为:
式中沪为霍尔传感器到偏屯、套筒轴屯、句2前距离。
[0012] 霍尔传感器的输出电压信号变化量见U与霍尔传感器在磁场中的相对位置变化 .故为线性关系:
式中巧为霍尔比例系数。
[0013] 偏屯、套筒达到新的平衡状态,所受压力片虹与超大小相等、方向相反。
[0014] 由式(1)~(7)可W求得脚踏力靖与霍尔传感器输出电压巧的关系:
式中比例系避
,碍为霍尔传感器输出初始电压。
[001引综上所述,可W推断霍尔传感器输出电压打与脚踏力靖为线性关系,且比例系数 只与测力机构的几何设计尺寸和碟形弹黃的弹性系数有关,故可W根据输出电压巧推知脚 踏力而的大小并作为信号输出用于比例助力系统的控制。
[0016] 本发明的优越功效在于: 1. 该电动自行车测力机构将测力机构与电动自行车中轴进行一体化集成设计,结构紧 凑,测试简单,通用性广; 2. 该电动自行车测力机构巧妙地运用力学机理与传感器测量原理,将人的脚踏力转化 为电压信号输出,具有很好的线性度和很高的测量精度。
【附图说明】
[0017] 图1本发明结构剖视图; 图2是图1的A-A剖视图; 图3测力机构受力分析图; 图中标号说明: 1-外筒;2-外表具有接触平面A的偏屯、套筒;3-防尘垫圈;4-中轴;5-卡黃;6-中 轴轴承;7-轴承端盖;8-圆螺母;9-垫圈;10-偏屯、套筒轴承;11-传感器基板;12-外 壳;13-传感器头;14-螺栓;15-碟形弹黃;16-钢球;17-预紧挡块;18-霍尔传感器。
【具体实施方式】
[0018] 本发明包括外筒1、偏屯、套筒2、中轴4;所述偏屯、套筒2通过偏屯、套筒轴承10安装于 外筒1内,中轴4通过中轴轴承6安装于偏屯、套筒2内,能够转动,外筒1与自行车架固定;所述 偏屯、套筒2的外圆轴线方向,有与轴线相平行的接触平面A,所述偏屯、套筒2外圆轴线与其内 孔轴线不重合,即两者在所述中轴所受径向力的垂直方向存在偏屯、距;在偏屯、套筒2-端固 定有Π 形传感器头13, Π 形传感器头13旁边安装有预挡板17, Π 形传感器头子3中部放置霍 尔传感器18,另在偏屯、套筒2的轴向接触面A处,安装有可调的径向预置力装置,该预置力使 传感器头13与预挡板17接触,霍尔传感器18处于Π 形传感器头13中部,霍尔传感器18输出 信号为零,人力作用于自行车脚踏板上时,传感器头13随偏屯、套筒转动,霍尔传感器18偏移 Π 形传感器头中部,输出变化的电压信号。
[0019] 所述可调的径向预置力装置,是在偏屯、套筒2-端的传感器固定板11上固定有圆 筒,圆筒内放置钢球16,钢球16与偏屯、套筒2的接触面A接触,钢球16另一面通过碟形弹黃15 受调节螺栓14顶压,旋动调节螺栓14,能调整对偏屯、套筒2的径向压力。
[0020] W下结合附图对本发明作进一步的描述。
[0021 ]如图1所示,中轴4通过中轴轴承6安装于所述偏屯、套筒2的内孔,两端通过卡黃5进 行轴向定位,并通过防尘垫圈3进行防尘处理,所述偏屯、套筒2的轴线与其内孔轴线并不重 合,两者在中轴4所受径向力的垂直方向存在偏屯、距扛,中轴4可在所述偏屯、套筒2的内孔中 转动。所述偏屯、套筒2通过偏屯、套筒轴承10安装于外筒1内,所述偏屯、套筒2通过左端的传感 器基板11和右端的轴承端盖7进行轴向定位,所述偏屯、套筒2的左端面沿着偏屯、方向装有传 感器头13。外筒1的左端固接传感器基板11,右端通过垫圈9与圆螺母8固定在电动自行车车 架上。外壳12固接在传感器基板11上。
[0022] 如图2所示,钢球16的一端与所述偏屯、套筒2的外表接触平面A相接触,另一端支承 于碟形弹黃15的内圈,碟形弹黃15外圈支承于螺栓14端面,而所述螺栓14通过螺纹联接固 定于传感器基板11。运样,通过调节螺栓14,可W调节碟形弹黃15的预紧力,即通过钢球16 作用于所述偏屯、套筒2的外表平面A的接触预压力。霍尔传感器18安装在传感器基板11上, 位置位于传感器头13中间,预紧挡块17固定在传感器基板11上。在碟形弹黃15的预紧力作 用下所述偏屯、套筒2及传感器头13产生初始摆动角位移,当它们与固定的预紧挡块17相接 触时,整个测力机构达到静平衡状态。
[0023] 电动自行车行驶时,人施加在脚踏板上的脚踏力为骗,根据力的平移定理,将礙 平移作用到中轴4的轴屯V舜上,中轴4还将受到一驱动转矩使其转动,由于中轴4轴屯、与偏屯、 套筒2的内孔轴屯、是重合的,且中轴4是通过中轴轴承6支撑在偏屯、套筒2的内孔,最终瑞将 作用到偏屯、套筒2上。
[0024] 在式V作用力的反方向,偏屯、套筒2还受到来自碟形弹黃15和钢球16的挤压力馬作 用,抵的大小与碟形弹黃15的变形量立S·有关,且为线性比例关系:
式中乾为碟形弹黃15的弹性系数。
[0025]在额没有作用之前,碟形弹黃15存在一定的初始变形用于机构的预紧,初始变形 量为山;7d,预紧挡块17作用给传感器头13的压力錢用于平衡碟形弹黃15对偏屯、套筒巧由屯、的 转矩,偏屯、套筒2的转矩平衡公式为:
式中护为预紧力襄作用点到偏屯、套筒2的轴屯、锋的垂直距离;6为偏屯、套筒2的轴屯、键 与内孔轴屯、即中轴4轴屯、马的偏屯、距离。
[00%]当巧^乍用之后,式(2)的转矩平衡被打破,新的平衡状态的转矩平衡公式为:
根据力学平衡可W判断当
传感器头13将与预紧挡块17脱离接 触,碟形弹黃15将被进一步压缩,此时與=日,偏必套筒2将绕轴必锦转动,转角为廷,根据 机构的几何关系可W得到转角舟与碟形弹黃15变形量应原之间的关系:
由于碟形弹黃15的刚度很大,迫公的变化将非常小,可W推算巧是一非常小量。偏屯、套 筒2发生转动将带动传感器头13转动,转角即廷。由于传感器头13是磁性材料,两端将会产 生磁场,霍尔传感器18布置在磁场中,由于传感器头13发生转动,将改变霍尔传感器18在磁 场中的相对位置,导致霍尔传感器18的输出电压信号发生变化,由于转角揉为一非常小量, 可W将霍尔传感器18在磁场中的相对位置变化Μ近似表示为:
式中I为霍尔传感器18到偏屯、套筒巧自屯、:α的距离。
[0027] 霍尔传感器18的输出电压信号变化量Δυ与霍尔传感器18在磁场中的相对位置 变化姐为线性关系:
式中《为霍尔比例系数。
[0028] 偏屯、套筒2达到新的平衡状态,所受压力窗Γ与瑶大小相等、方向相反。
[0029] 由式(1)~(7)可W求得脚踏力雖与霍尔传感器18输出电压巧的关系:
式中比例系I
为霍尔传感器18的输出初始电压。
[0030] 综上所述,可W推断霍尔传感器18的输出电压U与脚踏力瑞为线性关系,且比例 系数只与测力机构的几何设计尺寸和碟形弹黃15的弹性系数有关,故可W根据输出电压巧 推知脚踏力雜的大小并作为信号输出用于比例助力系统的控制。
【主权项】
1. 一种电动自行车测力机构,包括外筒、偏心套筒、中轴,其特征在于:所述偏心套筒通 过偏心套筒轴承安装于外筒内,中轴通过中轴轴承安装于偏心套筒内,能够转动,外筒与自 行车架固定;所述偏心套筒的外圆轴线方向,有与轴线相平行的接触平面A,所述偏心套筒 外圆轴线与其内孔轴线不重合,即两者在所述中轴所受径向力的垂直方向存在偏心距;在 偏心套筒一端固定有传感器头,传感器头旁边安装有预挡板,传感器头中部放置霍尔传感 器,另在偏心套筒的轴向接触面A处,安装有可调的径向预置力装置,该预置力使传感器头 与预挡板接触,霍尔传感器处于Π 形传感器头中部,人力作用于自行车脚踏板上时,传感器 头随偏心套筒转动,霍尔传感器偏移Π 形传感器头中部,输出变化的电压信号,则作用于自 行车脚踏板上的人力Fn为: Fn=K(U-Uo); 式中为霍尔传感器的输出初始电压 U为霍尔传感器输出的适时电压e为偏心套筒轴线与其内孔轴线之间的偏心距, ?为霍尔比例系数, 7为霍尔传感器到偏心套筒轴心·^的距离, t为碟形弹簧的弹性系数。2. 根据权利要求1所述的一种电动自行车测力机构,其特征在于:所述可调的径向预置 力装置,是在偏心套筒一端的传感器固定板上固定有圆筒,圆筒内放置钢球,钢球与偏心套 筒的接触面A接触,钢球另一面通过碟形弹簧受调节螺栓顶压,旋动调节螺栓,能调整对偏 心套筒的径向压力;为霍尔传感器的输出初始电压。
【文档编号】G01L1/04GK105823579SQ201610156004
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月18日
【发明人】陈辛波, 杭鹏, 罗杰, 王叶枫, 王威
【申请人】同济大学
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1