力矩检测传动装置及其应用该装置的电动自行车中置电机的制作方法

本发明属于助力电动自行车中置电机，尤其涉及一种力矩检测传动装置及其应用该装置的电动自行车中置电机。

背景技术：

目前，电动自行车中置电机按助力信号方式可分为两种。一种是采用速度传感器的速度型助力中置电机，根据骑行者踩踏的速度间接地估算骑行者做功功率，进而控制电机助力功率。速度助力方式结构简单、成本低，但助力效果较差。另一种是采用力矩传感器的力矩型助力中置电机，由于力矩传感器直接感应出骑行者踩踏力矩，因此可准确地计算骑行者做功功率及骑行意图，很好地匹配电机助力功率，实现最佳助力骑行效果。公知的力矩型中置电机，所采用的力矩检测机构为，力矩传感器弹性套筒一端与主轴固接，另一端与牙盘固接，骑行者脚踏的所有力矩将通过力矩传感器传递到牙盘，上述结构中力矩传感器弹性套筒不仅要作为力矩传感器的弹性体，而且还要充当主轴及牙盘的支撑结构件。力矩传感器的弹性套筒本是精密且对冲击敏感的零件，但是由于主轴及牙盘是暴露在电机外部的结构件，经常会受到外部碰撞及冲击，因此公知的结构中力矩传感器极易受损。而且弹性套筒与主轴同步旋转，因此给弹性套筒上力矩应变检测电路供电及检测信号传出，均须通过无线方式供电及信号传出，增加了装置的体积及复杂程度，降低了可靠性。总体上，力矩助力传感器存在体积较大，容易发生故障且价格昂贵等三大缺点。因此市场上的力矩型助力中置电机都是体积庞大、重量重且价格贵，不利于普及。专利文献cn201180022732公开了一种电动自行车的用于转矩检测的传动装置及电动自行车的用于转矩检测的所属方法以及专利文献cn201210564402公开了一种用于自行车的曲柄传动装置，包括：一个踏板轴，用于将两个踏板安设在踏板轴的自由端上；一个用于将力传递到自行车的一个轮上的从动轮；一个具有一个太阳轮、一个齿圈、至少一个行星轮和一个行星支架的行星齿轮传动装置，其中，该行星支架抗旋转地固定在踏板轴上；和一个设置在齿圈上的、用于求出齿圈的支撑力矩的传感器。上述技术方案实现了提高可靠性、降低成本的目的，但是电机体积及尺寸增大了，电机大致尺寸为长×宽×厚＝230×140×100mm，(体积3.2x10⁶mm³)比较笨重，不能满足小型化、轻量化的市场需求。能够设计出小型化且可靠性高的力矩型中置电机是业内亟待解决的一个难题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种力矩检测传动装置及其应用该装置的电动自行车中置电机，采用力矩型助力方式，可以准确地计算骑行者做功功率及骑行意图，很好地匹配电机助力功率，实现最佳助力骑行效果，不但传感器可靠性提高、成本降低且大幅减小中置电机的整体尺寸。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种力矩检测传动装置，其特征是：包括超越离合器、行星架、左右侧行星轮、左、右侧太阳轮和力矩信号转换器，所述行星架由左右侧行星架扣合呈整体行星架，右行星架内侧端面设有第一超越离合器；左右侧行星轮呈同轴齿轮结构，右侧太阳轮内侧设有第二超越离合器，右侧太阳轮与右侧行星轮啮合，左侧太阳轮与左侧行星轮啮合，左右侧行星轮通过行星轮轴与行星架支撑，所述左侧太阳轮通过止转环固定不转，所述行星架、左右侧行星轮和左、右侧太阳轮构成行星轮公转与自传方向相同的行星架输出力矩传动机构，所述力矩信号转换器套装在弹性套管上构成整体力矩传感器，弹性套管一端与左侧太阳轮键接，弹性套管另一端键接有止转环，整体力矩传感器固定不转。

所述右行星架内侧端面设有2-4个底面带有斜度的滚子槽，滚子槽中置有滚子。

所述止转环圆周均布有止转环凸起，止转环端面设有速度传感器霍尔过孔。

一种应用力矩检测传动装置的电动自行车中置电机，包括外壳、主轴、电机和牙盘，其特征是：所述主轴连接有力矩检测传动装置，所述力矩检测传动装置包括超越离合器、行星架、左右侧行星轮、左右侧太阳轮和力矩信号转换器，所述行星架由左右侧行星架扣合呈整体行星架，右行星架内侧端面设有第一超越离合器；左右侧行星轮呈同轴齿轮结构，右侧太阳轮内侧设有第二超越离合器，右侧太阳轮与右侧行星轮啮合，左侧太阳轮与左侧行星轮啮合，左右侧行星轮通过行星轮轴与行星架支撑，所述左右侧太阳轮通过轴承支撑在主轴上，所述行星架通过轴承分别支撑在外壳及中间隔板上，所述行星架、左右侧行星轮和左、右侧太阳轮构成行星轮公转与自传方向相同的行星架输出力矩传动机构；所述左侧太阳轮一端键接有弹性套管，弹性套管另一端键接有止转环，止转环与左侧外壳插接，力矩信号转换器套装在弹性套管上，构成固定不转的整体力矩传感器；所述电机输出轴的同轴齿轮与空心齿轮啮合，空心齿轮通过空心齿轮支撑轴承支撑在行星架上，空心齿轮通过第一超越离合器与行星架连接构成电机驱动输出机构，所述行星架与牙盘固接。

所述右行星架内侧端面每两个行星轮之间的空间设有2-4个底面带有斜度的滚子槽，滚子槽中置有滚子，与空心齿轮共同构成第一超越离合器。

所述止转环圆周均布有止转环凸起，止转环凸起与左侧外壳插接，止转环端面设有放置速度传感器霍尔的过孔，主轴上固接有磁环并与速度传感器霍尔构成速度传感器结构。

有益效果:与现有技术相比,本发明的力矩检测传动装置弹性套筒套在主轴上，且相对于外壳固定并阻止左侧太阳轮旋转，而生成与骑行者踩踏力矩具有线性比例关系且方向相同的力矩，将弹性套筒上的力矩变化信号提供给控制器作为与骑行者踩踏力矩相对应的输入信号，可以准确地测量骑行者踩踏力矩，迅速解读骑行者的骑行状态及意图，能够很好地匹配助力功率，实现最佳的助力效果。

在采用力矩型助力方式的前提下，不仅传感器的可靠性提高、同时电机成本大幅降低。力矩型中置电机整体尺寸大幅减小，相比于现有技术，力矩型中置电机尺寸做到长×宽×厚＝170×120×95mm。将为市场提供体积1.9x10⁶mm³，体积降低40％的小型化、轻量化的电动自行车中置电机，性能和外观方面实现最佳的组合。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的分解图示意图；

图3是本发明的爆炸图；

图4是本发明的齿轮与力矩传感器部分放大图；

图5是本发明的主轴与右侧太阳轮部分放大图；

图6是本发明的传动原理示意图；

图7是电动自行车助力中置电机实施例1的纵向剖视图；

图8是电动自行车助力中置电机实施例1的电机动力传递示意图；

图9是电动自行车助力中置电机实施例1的爆炸图；

图10是电动自行车助力中置电机实施例1的外观图。

图中：1、主轴，1-1、千斤槽，2、右侧太阳轮，2-1、棘齿，3、右侧行星轮，4、左侧行星轮，5、行星轮轴，6、左侧太阳轮，7、右侧行星架，7-1、滚子槽，8、左侧行星架，9、弹性套管，10、力矩信号转换器，11、止转环，11-1、止转环凸起，11-2、速度传感器霍尔过孔，12、速度传感器霍尔，13、速度传感器磁环，14，传感器引线，15、控制器，16、主轴支撑右侧轴承，16-1、主轴支撑左侧轴承，17、右侧行星架支撑轴承，17-1、左侧行星架支撑轴承，18、右侧太阳轮支撑轴承，19、左侧太阳轮支撑轴承，20、行星轮轴右侧支撑轴承，20-1、行星轮轴左侧支撑轴承，21、牙盘，22、定子，23、转子，24、转子支撑右侧轴承，24-1、转子支撑左侧轴承，25、左侧外壳，25-1、外壳凹槽，25-2、外壳过线孔，26、右侧外壳，27、中间隔板，28、转子齿轮，29、空心齿轮，30、空心齿轮支撑轴承，31、电机侧单向超越离合器，31-1、超越离合器滚子，32、控制器保护盖，33、电机固定环，34、行星架锁紧螺栓，35、牙盘锁紧螺栓，36、千斤。

具体实施方式

下面结合较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

详见附图，本实施例提供了一种力矩检测传动装置，包括超越离合器、行星架、左右侧行星轮4、3、左、右侧太阳轮6、2和力矩信号转换器10，所述行星架由左右侧行星架8、7扣合呈整体行星架，右行星架内侧端面设有第一超越离合器；左右侧行星轮呈同轴齿轮结构，右侧太阳轮内侧设有第二超越离合器，右侧太阳轮与右侧行星轮啮合，左侧太阳轮与左侧行星轮啮合，左右侧行星轮通过行星轮轴5与行星架支撑，所述左侧太阳轮通过止转环固定不转，所述行星架、左右侧行星轮和左、右侧太阳轮构成行星轮公转与自传方向相同的行星架输出力矩传动机构，所述力矩信号转换器套装在弹性套管9上构成整体力矩传感器，弹性套管一端与左侧太阳轮键接，弹性套管另一端键接有止转环，整体力矩传感器固定不转。所述右行星架内侧端面每两个行星轮之间的空间设有2-4个底面带有斜度的滚子槽7-1，滚子槽中置有滚子31-1

所述止转环圆周均布有止转环凸起11-1，本实施例设为三个凸起，止转环端面设有速度传感器霍尔过孔11-2。

实施例1

详见附图7，一种应用力矩检测传动装置的电动自行车中置电机，包括左右侧外壳25、26、主轴1、定子22、转子23组成的电机和牙盘21，所述主轴连接有力矩检测传动装置，所述力矩检测传动装置包括超越离合器、行星架、左右侧行星轮、左右侧太阳轮6、2和力矩信号转换器，所述行星架由左右侧行星架8、7扣合通过行星架锁紧螺栓34紧固成整体行星架，左右侧行星轮4、3呈同轴齿轮结构，右侧太阳轮的右侧内端设有棘齿2-1，主轴上设有千斤槽1-1，千斤槽上置有千斤36构成第二超越离合器，右侧太阳轮与右侧行星轮啮合，左侧太阳轮与左侧行星轮啮合，行星架上依照行星轮的数量加工有可以包容行星轮的凹槽并设有轴孔，行星轮轴5通过行星轮轴右侧支撑轴承20、行星轮轴左侧支撑轴承20-1将左右侧行星轮与行星架支撑，所述左右侧太阳轮通过右侧太阳轮支撑轴承18及左侧太阳轮支撑轴承19支撑在主轴上，所述行星架通过右侧行星架支撑轴承17和左侧行星架支撑轴承17-1分别支撑在右侧外壳26及中间隔板27上，所述行星架、左右侧行星轮和左、右侧太阳轮构成行星轮公转与自传方向相同的行星架输出力矩传动机构；所述左侧太阳轮一端键接有弹性套管，弹性套管另一端键接有止转环11，所述止转环圆周均布有止转环凸起11-1，止转环凸起与左侧外壳25插接，力矩信号转换器10套装在弹性套管9上，构成固定不转的整体力矩传感器；从力矩信号转换器里引出传感器引线14，并与控制器15连接，止转环端面设有放置速度传感器霍尔的过孔，过孔里置有速度传感器霍尔12，主轴上对应速度传感器霍尔位置固接有速度传感器磁环13并与速度传感器霍尔12构成速度传感器结构。

所述电机输出轴的转子齿轮28与空心齿轮29啮合，空心齿轮通过空心齿轮支撑轴承30支撑在行星架上，空心齿轮通过电机侧单向超越离合器31与行星架连接构成电机驱动输出机构，所述行星架通过牙盘锁紧螺栓35与牙盘固接。所述右行星架内侧端面每两个行星轮之间的空间设有2-4个底面带有斜度的滚子槽，滚子槽中置有滚子，与空心齿轮共同构成第一超越离合器。滚子槽均布于右行星架内侧端面。滚子槽的数量与本实施例选用3个滚子槽，滚子直径为8mm。本实施例第一超越离合器结构采用了市售的电机侧单向超越离合器31。转子通过转子支撑右侧轴承24、转子支撑左侧轴承24-1分别支撑在左侧外壳和中间隔板上。

主轴分别通过主轴支撑右侧轴承16和主轴支撑左侧轴承16-1支撑在左侧外壳25和右侧外壳26上，左侧外壳上设有外壳凹槽25-1和外壳过线孔25-2，左侧外壳固接有控制器保护盖32，内置控制器15，左右侧外壳通过电机固定环33及螺栓紧固。

工作过程及原理

如图6所示，本发明力矩检测传动装置基本结构为2k-h行星传动结构，左侧太阳轮通过力矩传感器弹性套筒固定，右侧太阳轮为输入，行星架为输出件，具体参数如下表所示：

减速比：

如上表所示，主轴到牙盘传动比为i＝0.3714，主轴旋转1周牙盘旋转1/0.3714＝2.69周，即增速输出。

如图5所示，主轴与右侧太阳轮之间具有棘轮棘齿式超越离合器，当骑行者向前蹬踏时主轴带动右侧太阳轮向前旋转，传递动力，当骑行者向后蹬踏时主轴与右侧太阳轮打滑不传递动力。

如图6所示，骑行者蹬踏踏板时，主轴旋转动力经右侧太阳轮输入到右侧行星轮，由于左侧太阳轮通过力矩传感器弹性套筒固定，左右行星轮为一体，且左侧行星轮小于右侧行星轮，行星轮将向右侧太阳轮旋转方向同向公转及自转，由于行星轮公转与自传方向相同，因此行星架转速将大于主轴转速，即增速输出，此时行星架输出力矩为主轴力矩的i倍，即0.3714倍；弹性套筒所受力矩为主轴力矩的(1-i)倍，即0.6286倍，主轴力矩与弹性套筒所受力矩之间存在线性相关关系，且方向相同。弹性套筒所受力矩的变化关系与骑行者踩踏力矩的变化关系是相同的，将弹性套筒上的力矩变化信号提供给控制器作为与骑行者踩踏力矩相对应的输入信号，可以准确地测量骑行者踩踏力矩，迅速解读骑行者的骑行状态及意图，能够很好地匹配助力功率，实现最佳的助力效果。

如图7所示，主轴旋转时带动速度传感器磁环同步旋转，力矩信号转换器左侧探出两个速度传感器霍尔面对磁环，两个霍尔输出正交信号，根据霍尔正交信号的变化速度测定主轴转速及旋转方向。

骑行者助力骑行时，人力与电机动力共同驱动自行车，即有人力与电机动力两路动力传递路径。电机动力传递路径为：转子齿轮→空心齿轮→电机侧单向超越离合器→行星架→牙盘。人力动力传递路径：主轴→右侧太阳轮→右侧行星轮→行星架→牙盘。

当单纯人力骑行时，行星架旋转而空心齿轮静止，因此行星架与空心齿轮之间的电机侧单向超越离合器打滑，不会带动电机旋转，互不干涉。

当单纯电力骑行时，行星架及右侧太阳轮旋转而主轴静止，因此右侧太阳轮棘齿与主轴上的千斤打滑，不会带动主轴旋转，互不干涉。

一般情况下骑行者蹬踏踏板的转速在60-70rpm，牙盘齿数在42-48齿之间，此时骑行速度在15-25km/h之间，能够满足大部分骑行者的骑行需求。本发明牙盘转速是主轴转速的2.69倍，牙盘齿数可选15-18齿，保证相同的骑行速度。

传统的中置电机在设计时按照牙盘输出转速60-70rpm为目标设计电机减速比，减速比按照经验最佳范围大致在25-30之间，一般采用两级或三级减速。如减速比过小，则需要将电机输出扭力提高，这样会增大电机尺寸，不利于小型化，相反减速比过大，则必然增大传动系统尺寸，这样也会增大电机尺寸，不利于小型化。本发明中牙盘输出转速是主轴转速的2.69倍，因此电机到牙盘之间的减速比可以减小到传统最佳减速比的1/2.69，即9.3-11.2，上述减速比范围可以用一级减速来实现，本发明中转子齿数7齿，空心齿轮齿数74齿，减速比10.6，不仅能够使电机尺寸做到最佳条件而且极大地简化电机侧减速结构，实现整体中置电机的小型化。

上述参照实施例对该一种力矩检测传动装置及其应用该装置的电动自行车中置电机进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。