用于自行车的中轴单元的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种中轴单元，其包括中轴（1）、至少一个能转动地容纳中轴（1）的轴承（2、3）以及能检测中轴（1）的转速的光学检测单元（11），其中，光学检测单元（11）测量至少一个与中轴（1）抗相对转动的信号发生器（12）。如下任务，即，说明一种中轴单元，该中轴单元除转速外还可以检测中轴的转动方向，根据本发明以如下方式来解决，即，光学检测单元（11）包括两个光学传感器（17），其中，两个传感器中的一个（17）提供了相对另一传感器（24）有相移的具有固定的相位差，尤其是具有90°的相位差的信号。
【专利说明】用于自行车的中轴单元
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的中轴单元，以及一种根据权利要求16的带有这种中轴单元的自行车，尤其是电动自行车(E-Bike)、电助力脚踏车(Pedelec)或尔格计(Ergometer)0
【背景技术】
[0002]由现有技术公知有多种自行车，尤其是电动自行车、电助力脚踏车或尔格计，它们允许检测由操作者通过曲柄引入到中轴内的扭矩。为了确定操作者的功率，例如也为了可以驱控用于自行车的电辅助驱动装置，除了检测扭矩外对中轴转速的检测也是必需的。
[0003]DE 10 2009 021 541 Al描述了一种带有中轴的中轴单元，该中轴借助两个轴承可转动地支承，其中，轴承保持架抗相对转动地(dr ehf e st)紧固在中轴的轴体的表面上,并且其中，由光学传感器检测轴承保持架的接片以确定中轴的转速。在这里，轴承保持架构造为传感器的信号发生器。
[0004]DE 10 2008 050 235 Al描述了一种带有中轴的中轴单元，该中轴借助两个轴承可转动地容纳，其中，在中轴的轴体的磁场区段内以如下方式置入永久磁场，即，使得在中轴内存在扭矩的情况下，基于磁致伸缩效应产生可在轴体外部检测到的磁场。在这里，在中轴内无扭矩的状态下，磁场的磁力线基本上与中轴的转动轴线同中心。如果中轴内出现扭矩，那么基于磁致伸缩效应会产生磁场分量，该磁场分量不再沿切向指向，从而可探测到在中轴外部出现的磁场。另外，中轴单元还包括磁传感器，它检测在存在扭矩的情况下出现的磁场。中轴单元同样包括可检测中轴转速的光学检测单元，其中，光学检测单元测量至少一个在中轴上抗相对转动的信号发生器，其中，中轴表面的结构化部设置为信号发生器。在这里不利的是，虽然可以检测到中轴的转速，但检测不到转动方向。
【发明内容】
[0005]本发明的任务是，说明一种中轴单元，它除了转速外也可以检测出中轴的转动方向。
[0006]针对本文开头提到的中轴，根据本发明该任务以如下方式来解决，S卩，光学检测单元包括两个光学传感器，其中，两个传感器中的一个提供了相对另一传感器有相移的具有固定的相位差，尤其是具有90°的相位差的信号。
[0007]由相位差可以确定两个光学传感器中的哪一个提供了在时间上较早的信号，从而检测出转动方向。若在即将进入停车状态之前将两个传感器的信号保存，那么即使在中轴静止的情况下也可确定出停车前中轴的转动方向。
[0008]优选规定，两个光学传感器测量唯一且共同的信号发生器。信号发生器可以包括例如布置在中轴上的标识部，其中，传感器在中轴的周向上错开地布置。作为对此的备选或补充，信号发生器还可以包括与中轴抗相对转动的圆盘，其中，在圆盘的周向上错开的两个光学传感器可以布置在圆盘的两侧。在这两个示例性说明的情况下，可节省在轴向方向上的结构空间，即在中轴延伸的方向上或在中轴的转动轴线的方向上的结构空间。
[0009]优选规定，第一光学传感器测量第一信号发生器，而第二光学传感器测量第二信号发生器，其中，这两个信号发生器相对彼此以固定的相位差偏转地布置。在该情况下，这两个光学传感器不必强制性地在周向上相间隔地布置，但例如必须在轴向方向上相间隔，从而可以节省关于中轴的转动轴线在径向方向上的结构空间。
[0010]优选规定，信号发生器包括标识部。标识部在中轴的转动方向上环绕地构造，并且在两个光学传感器的情况下提供了有规律的，例如周期性的信号序列。
[0011 ] 关于标识部优选规定，标识部构造在圆盘上，该圆盘与中轴抗相对转动地连接，并且相对中轴的转动轴线基本上垂直地延伸。圆盘仅占用了很小的在中轴的轴向方向和径向方向上的结构空间，并且关于两个光学传感器的布置提供了更多的自由度。
[0012]例如可以优选规定，标识部布置在轴承的轴承圈上，尤其是在轴承的轴承圈的端面上。标识部可以直接布置在轴承圈的端面上，或设置在圆盘上，其中，圆盘布置在轴承圈上，例如在轴承圈的端面上。在这里，标识部以及光学传感器可以与中轴的轴体上的磁场区段相间隔地布置，从而可以利用轴承附近的结构空间来检测转速和转动方向。
[0013]关于标识部在中轴单元的轴承的轴承圈上的布置优选规定，标识部布置在密封件上，该密封件与轴承的轴承圈抗相对转动地连接。密封件具有相对中轴的轴体的表面的径向间距，从而使两个光学传感器可以安置在多数情况下中轴单元不用的部位上。
[0014]优选规定，标识部布置在中轴的轴体的表面上。尤其优选规定，在中轴的轴体的磁场区段内如下这样置入永久磁场，即，使得在中轴内存在扭矩的情况下产生可在轴体外部检测到的磁场，其中，中轴单元包括检测在存在扭矩的情况下出现的磁场的磁传感器，并且标识部布置在中轴的轴体的表面上，尤其在磁场区段上。在这里，标识部不额外占用关于中轴的转动轴线在轴向方向或径向方向上的结构空间。光学传感器可以布置在磁传感器附近，该磁传感器应检测到由中轴内的扭矩产生的磁场。尤其是如果在中轴上设置有两个轴向相间隔的磁场区段，它们由各一个磁传感器来检测，那么这两个光学传感器例如轴向布置在两个磁传感器之间，而至少四个传感器不会受到狭窄的空间的阻碍。
[0015]优选规定，标识部通过在周向上环绕的带有不同的覆层、颜色、涂漆或表面粗糙度的区段序列构成。
[0016]作为对此的备选或补充优选规定，标识部由软管件或薄膜件构成。软管件或薄膜件可以具有例如覆层、颜色或涂漆或者以区段形式不同的表面粗糙度，从而不必对中轴的轴体进行加工，并且通过施加软管件或薄膜件，例如通过热装收缩软管或通过紧固橡胶软管可以很容易地进行标识部的施加。软管件或薄膜件本身可以构成标识部，例如通过空出软管件或薄膜件的由光学传感器来测量和检测的区段。
[0017]优选规定，信号发生器包括在圆周上在周向上开齿的圆盘件，其中，齿部的齿构成标识部的一部分。在圆盘件的圆周上设置有材料留空部，在这些材料留空部之间分别构造出齿部的齿。齿构成标识部的一个部分，该标识部可以由例如在光栅系统中的一个或两个光学传感器来测量。尤其可以规定，标识部通过齿以及设置在两个相邻的齿之间的齿隙构成。
[0018]优选规定，圆盘件构造为推力滚针轴承保持架的切割件。在这里，齿部的齿由推力滚针轴承保持架的接片的区段构成，这些区段在切割保持架时被部分保留下来。[0019]优选规定，标识部的齿距比对于每个节圆而言是恒定的。在径向偏移时，也就是说在节圆的半径变化时，在中轴单元运行中，齿距比，即标识部的不同区段在周向上的延伸长度的比保持恒定，从而光学检测单元相对中轴的径向偏差仍使尤其是占空比，即相继跟随的信号的周期长度的商，对于两个光学传感器中的每一个而言都保持不变。
[0020]优选规定，两个光学传感器中的至少一个构造为反射传感器。在这里，传感器包括光源和光接收器，它们关于标识部布置在相同的侧上。特别优选规定，两个光学传感器都构造为反射传感器。
[0021]优选规定，两个光学传感器中的至少一个构造为透射传感器，尤其是构造为光栅。该情况中，传感器具有光源以及光接收器，它们布置在标识部的不同侧。在这里，标识部必须是以区段形式透光的，尤其至少是可透射的，从而标识部例如通过带有在周向上分布的齿和齿隙的序列的齿部构成。
[0022]其他优点和特征从属权利要求以及接下来对本发明的优选实施例描述得出。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]下面参照附图详细描述和解释本发明。
[0024]图1示出根据本发明的中轴单元的第一实施例的部分剖开的视图，
[0025]图1a示出图1中所示的第一实施例的组成部分的平面图，
[0026]图2示出根据本发明的中轴单元的第二实施例的部分剖开的视图，以及
[0027]图3示出根据本发明的中轴单元的第三实施例的部分剖开的视图。
具体实施例
[0028]图1示出包括中轴I的中轴单元，该中轴借助两个轴承2、3能绕转动轴线4转动地相对壳体5支承。
[0029]第一永久磁场在第一磁场区段7的区域内而第二永久磁场在第二磁场区段8的区域内置入中轴I的金属轴体中。如果在中轴I内不存在扭矩，那么这两个永久磁场同中心但反向地环绕转动轴线4，从而在中轴I外部仅能探测到杂散磁场。如果例如由借助脚踏曲柄将力导入中轴I中的操作者将扭矩引入中轴I中，那么基于在两个磁场区段7、8中的磁致伸缩效应会产生外部磁场，它们的大小和方向可不同，并且它们是对于中轴I内存在的扭矩的度量。外部磁场由两个磁传感器9、10来检测，它们构造为霍尔传感器且间接地紧固在壳体5上，相对该壳体中轴I能转动地支承。
[0030]另外，中轴单元具有可检测中轴I的转速的光学检测单元11。在此，光学检测单元11测量与中轴I抗相对转动的信号发生器12，该信号发生器具有轴向区段13和垂直于中轴I的转动轴线4径向延伸的径向区段14。信号发生器12的轴向区段13由轴承3的内轴承圈15相对中轴I的轴体上的边缘16张紧地紧固，从而使信号发生器12与中轴I抗相对转动地连接。
[0031]光学检测单元11具有两个光学传感器，其中一个以附图标记“17”标注且布置在图1的图示中的剖面内。第二光学传感器在周向上相对第一光学传感器17错开地布置在图1的图示的纸平面之外。第一光学传感器17和第二光学传感器两者都测量作为唯一且共同的信号发生器的信号发生器12。这两个光学传感器在共同的板上间接地布置在壳体5上。
[0032]在图1a中以沿着转动轴线4的平面图示出信号发生器12。信号发生器12的径向区段14构造为在外圆周上在周向上开齿的圆盘件18，其中，齿部的齿构成标识部19的第一部分，而在相邻的齿之间围成的齿隙构成标识部19的另一部分。圆盘件18构造为推力滚针轴承保持架的切割件。第一光学传感器17在图1的图示中如下这样布置地示出，即，它测量以附图标记“20”标注的齿隙。第二光学传感器相对第一光学传感器17在周向上如下这样错开地布置，即，它测量齿中的一个，例如以附图标记“21”标注的齿。
[0033]两个光学传感器分别构造为反射传感器，其中，反射传感器包括光源，例如用于红外射线的光源，以及对红外射线敏感的光接收器，并且其中，光接收器检测来自光源在标识部19上反射的红外线。在标识部19的齿和齿隙上分别出现具有不同的反射系数的反射。因此，在信号发生器12与中轴I 一起转动时光学传感器17中的每一个都提供了基本上呈矩形的、周期性的信号，但两个传感器中的一个，例如第一传感器17提供了相对另一个传感器，即在图上未示出的第二传感器，有相移的、具有固定的相位差，即在示出的实施例中具有90°的相位差的信号。
[0034]从两个错开的光学传感器的两个有相移的测量值中可确定中轴I绕转动轴线4转动的转动方向。
[0035]为获得90°的相位偏差，两个光学传感器以半个齿距，即两个相邻的齿的中心在周向上测得的间距的一半，或者说这个齿距的(n+0.5)倍(η:整数)错开地布置就已经足够了。在图1中，一个完整的齿距(η=1)被标记为角22。
[0036]图1a的图示中的具有齿和齿隙的标识部19构造成使标识部19的齿距比对于每个节圆而言是恒定的。对于具有较大半径R的节圆而言，齿距比，即分别在周向上测得的齿的延伸长度除以齿隙的延伸长度的商，与对于具有较小半径r的节圆而言的齿距比是相等的。在此即使带有标识部19的信号发生器12应相对转动轴线4稍微偏心地布置，对于两个光学传感器中的每一个的基本上呈矩形的信号而言占空比仍保持恒定。
[0037]在下面对另外两个实施例的描述中，相同的附图标记标明相同的或在它们的技术作用上类似的特征。应尤其突出与在图1和图1a中示出的第一实施例的不同。
[0038]图2以截段形式示出了带有轴承3的中轴单元，该轴承具有密封件22，该密封件抗相对转动地紧固在内轴承圈15上并进而紧固在中轴单元I上。在密封件22上设置有标识部19’，它通过具有齿和相邻齿之间的齿隙的圆环状的圆盘件18形成。光学检测单元11’包括两个光学传感器，其中第一传感器用附图标识“17”标注，而其中第二传感器在中轴I的周向上错开地位于纸平面之外。
[0039]可以理解的是，在经修改的实施方案中，标识部19’也可以设置在轴承3的轴承圈中的一个上，例如在内轴承圈15的端面23上，尤其是圆环状的圆盘件18可以直接紧固在内轴承圈15的端面23上。
[0040]在上述的前两个实施例中分别规定，标识部19、19’构造在圆盘上，该圆盘与中轴
(I)抗相对转动地连接，且与中轴(I)的轴线基本上垂直地延伸。因此，在第一实施例(图1)中圆盘构造为圆盘件18，其实施为信号发生器12的径向区段14，而在第二实施例(图2)中圆盘构造为圆环状的圆盘件18，其直接布置在轴承3的密封件22上。在这两个实施例中，圆盘件18在圆周上在周向上都设有齿部。可以理解的是，分别都可以取消在圆周上的齿部，从而使圆盘具有圆形的圆周轮廓，其中，标识部施加到圆盘上，更确切地说以如下方式，即，该标识部通过在周向上环绕的带有不同的覆层、颜色、涂漆或表面粗糙度(例如通过有针对性的局部的侵蚀过程)的区段序列构成。
[0041]图3示出了中轴单元，其带有一个中轴1，两个可转动地容纳中轴I的轴承2、3，其中，在中轴I的轴体的两个磁场区段7、8内以如下方式置入永久磁场，即，在中轴I内存在扭矩的情况下产生可在轴体外部检测到的磁场。两个构造为霍尔传感器的磁传感器8、9检测在存在扭矩的情况下在中轴I外部出现的磁场。另外，中轴单元还包括光学检测单元11’’，利用它可检测出中轴I的转速，其中，光学检测单元11’’测量两个与中轴I抗相对转动的信号发生器12’、12’’。抗相对转动的信号发生器12’、12’’抗相对转动地布置在中轴I上，并且构造出用于两个光学传感器17’、24的标识部19’ ’、19’ ’ ’。光学检测单元11’的两个光学传感器17’、24在轴向上，也就是说在中轴I的转动轴线4的方向上相间隔，但在中轴I的周向上并没有间隔而是直接相邻地布置。
[0042]标识部19’布置在中轴I的轴体的表面上，即布置在磁场区段7、8上，特别是设置在磁场区段7、8的端部区段上，从而两个光学传感器17’、24也布置在两个磁传感器8、9之间。尤其规定，标识部19’’、19’’’通过在周向上环绕的带有不同的覆层、颜色、涂漆或表面粗糙度的区段序列构成；作为对此的备选可以规定，标识部19’’、19’’’通过软管件或薄膜件来构造，其中，软管件或薄膜件自身具有标识部的覆层、颜色、涂漆或表面粗糙度，且紧固在中轴I的轴体的表面上，例如作为在外表面上的带有标识部的收缩软管或橡胶软管。
[0043]在第三实施例中尤其规定，两个信号发生器12’、12’’相对彼此以固定相位差偏转地布置，从而使两个光 学传感器17’、24中的每一个都测量各自的信号发生器12’、12’ ’，其中，标识部19’’、19’’’布置成在中轴I的轴向上分布但以90°相位错开的等宽的浅色和深色的区段序列。
[0044]在上述的三个实施例中，光学传感器17、17’和17’’分别构造为反射传感器，其中，光源和光接收器关于所测量的信号发生器12、12’、12’’布置在相同的侧上。可以理解的是，特别是当开齿的圆盘件18作为信号发生器12时，这些信号发生器也可构造为透射传感器，尤其是光栅，其中，在该情况下光源布置在圆盘件18的一个侧上，而光接收器布置在圆盘件18的另一侧上。于是，齿21分别中断光源与光接收器之间的穿过齿隙22的光通量。
[0045]前面借助三个实施例描述和解释了本发明，其中，各自的第一光学传感器17、17’和17’’与第二光学传感器24具有自己的光源和自己的光接收器。可以理解的是，这两个光学传感器也可具有共同的光源，该光源借助分光器产生两个分光束，其中，这两个分光束对准信号发生器的不同区段或者两个不同信号发生器。同样可规定，第一传感器和第二传感器具有共同的光接收器，例如面式延伸的光学有源元件，它在不同的部位上测量两个分光束。
[0046]附图标记列表
[0047]I中轴
[0048]2轴承
[0049]3轴承
[0050]4转动轴线
[0051]5壳体[0052]7第一磁场区段
[0053]8第二磁场区段
[0054]9第一磁传感器
[0055]10第二磁传感器
[0056]11、11’、11’’光学检测单元
[0057]12、12’、12’’信号发生器
[0058]13轴向区段
[0059]14径向区段
[0060]15内轴承圈
[0061]16边缘
[0062]17、17’第一光学传感器
[0063]18、18’圆盘件
[0064]19、19，、19，，、19，，’标识部
[0065]20齿隙
[0066]21齿
[0067]22密封件
[0068]23端面
[0069]24第二光学传感器
【权利要求】
1.一种中轴单元，所述中轴单元包括: 中轴(1)， 至少一个能转动地容纳所述中轴(I)的轴承(2、3)，以及 光学检测单元(11 ;11’借助所述光学检测单元能检测出所述中轴(I)的转速，其中，所述光学检测单元(11 ;11’测量至少一个与所述中轴(I)抗相对转动的信号发生器(12 ;12’、12’’)，其特征在于， 所述光学检测单元(11 ;11’)包括两个光学传感器(17 ;17’、24)，其中，这两个传感器中的一个(17 ;17’)提供了相对另一传感器(24)有相移的具有固定相位差，尤其是具有90°的相位差的信号。
2.根据权利要求1所述的中轴单元，其特征在于，所述两个光学传感器(17)测量唯一且共有的信号发生器(12)。
3.根据权利要求1所述的中轴单元，其特征在于，第一光学传感器(17’)测量第一信号发生器(12’)，而第二光学传感器(24)测量第二信号发生器(12’’)，其中，这两个信号发生器(12 ’、12 ’ ’)相对彼此以固定的相位差偏转地布置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的中轴单元，其特征在于，所述信号发生器(12；12’、12’’)包括标识部(19 ;19’ ；19’’)。
5.根据权利要求4所述的中轴单元，其特征在于，所述标识部(19、19’)构造在圆盘上，所述圆盘与所述中轴(I)抗相对转动地连接，并且相对于所述中轴(I)的轴线基本上垂直地延伸。
6.根据权利要求4或5所述的中轴单元，其特征在于，所述标识部(19’)布置在所述轴承(3)的轴承圈(15)上，尤其是布置在所述轴承(3)的轴承圈(15)的端面(23)上。
7.根据权利要求6所述的中轴单元，其特征在于，所述标识部(19’)布置在密封件(22)上，所述密封件与所述轴承(3)的轴承圈(15)抗相对转动地连接。
8.根据权利要求4所述的中轴单元，其特征在于，在所述中轴(I)的轴体的磁场区段(7、8)内以如下方式置入永久磁场，即，使得在所述中轴(I)内存在扭矩的情况下产生能在所述轴体外部检测到的磁场，其中，所述中轴单元包括磁传感器(9、10)，所述磁传感器检测在存在扭矩的情况下出现的磁场，并且所述标识部(19’ ’)布置在所述中轴(I)的轴体的表面上，尤其是布置在所述磁场区段(7、8)上。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的中轴单元，其特征在于，所述标识部(19’、19’’)通过在周向上环绕的带有不同的覆层、颜色、涂漆或表面粗糙度的区段序列构成。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的中轴单元，其特征在于，所述标识部由软管件或薄膜件构成。
11.根据权利要求1至7中任一项所述的中轴单元，其特征在于，所述信号发生器(12)包括在圆周上在周向上开齿的圆盘件(18)，其中，齿部的齿(21)构成所述标识部(19)的一部分。
12.根据权利要求11所述的中轴单元，其特征在于，所述圆盘件(18)构造为推力滚针轴承保持架的切割件。
13.根据权利要求3至12中任一项所述的中轴单元，其特征在于，所述标识部(19)的齿距比对于每一个节圆而言是恒定的。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的中轴单元，其特征在于，所述两个光学传感器中的至少一个构造为反射传感器(17 ;17’、24)。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的中轴单元，其特征在于，所述两个光学传感器中的至少一个构造为透射传感器，尤其是构造为光栅。
16.一种包括根据权利要求1至15中任一项所述的中轴单元的自行车，尤其是电动自行车、电助力脚踏 车或尔格计。
【文档编号】B62M1/36GK103648899SQ201280022868
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2012年4月17日 优先权日:2011年5月12日
【发明者】马库斯·诺伊鲍尔, 斯特凡·格吕克, 弗兰克·本克特 申请人:谢夫勒科技股份两合公司