一种电动助力自行车中轴力矩传感器的制作方法

本实用新型涉及电动车辆技术领域，具体是一种电动助力自行车中轴力矩传感器。

背景技术：

电动助力自行车属于人力和电力驱动的混合型电动车辆，其特点是电机与人力按一定比例同时提供驱动力矩，这一比例由计算机程序控制，根据自行车的行驶速度变化，随着速度的升高，电力驱动系统所提供的力矩比将逐渐减小、直到系统限制的最高车速。与其他的电动车辆驱动系统的显著差别是：电动助力自行车控制系统的参考输入是骑车人作用在脚踏上的力矩、踏频、车速等实时跟踪信号，通过智能化的控制程序，确定电机的输出功率，达到人机合一的骑行效果，更加环保、健康。

电动助力自行车采用“人力+电力”的混合动力模式，既有自行车的轻巧和便捷性，又能够有效弥补自行车上坡、逆风、载物时的负担，电力提供的助力不但解决了骑自行车费力的问题，同时配合人力的驱动，续航里程大，实现远距离的骑行，使传统的自行车技术得以彻底变革。

从组成结构上，电动助力自行车是以传统自行车为基础，搭载以力矩传感器和控制器为核心的动力系统，以力矩传感器去感知骑行者踩脚踏的力度，结合踏频、车速信号进行判断，控制动力系统为骑行者提供相应的助力支持，因此，电动助力自行车结构复杂，技术含量高，同时力矩传感器是电动助力自行车的核心。

现有技术的电动助力自行车力矩传感器有后轴钩爪压力传感器、牙盘扭簧传感器、压链式传感器和中轴力矩传感器等类型。其中后轴钩爪压力传感器存在弹性滞后的效应，牙盘扭簧传感器精度差，压链式传感器会由于链条的抖动产生误差信号，因此三者骑行的体验都比较差。目前综合性能比较好的还是中轴式力矩传感器，其通过直接测量骑车人通过踏板作用在中轴上的扭矩，信号误差小、反应灵敏。

对于中轴力矩传感器来说，在电动助力自行车的中轴两边安装有曲柄和踏板，在骑行过程中，人的两脚交替蹬踏，通过中轴将力矩传递到中轴右侧的链轮上，带动自行车前进，中轴上的力矩是双边交替的。中轴力矩传感器安装在五通轴的位置，与中轴机械联接，由于中轴力矩传感器所能够占用的尺寸空间很小，对于中轴力矩传感器内部的电子元件和机械元件的结构布置非常困难。

现有技术的电动助力自行车中轴力矩传感器都是整体式结构，通过采用中轴上的长套管实现双边力矩测定，信号线从固定外壳引出，整体式的中轴力矩传感器使得测力系统的径向尺寸大，不利于测力系统内部的部件布局。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种电动助力自行车中轴力矩传感器，以解决现有技术中因中轴力矩传感器内的元件布局导致中轴力矩传感器在径向方向上的尺寸很大的问题。

本实用新型的技术方案为：

本实用新型提供了一种电动助力自行车中轴力矩传感器，包括：中轴；

链轮盘，其通过第一轴承安装于所述中轴的一端；

测力套筒，其套设于所述中轴上，所述测力套筒与所述中轴一体转动，且所述测力套筒与所述链轮盘通过第一离合器连接；

应力应变感应元件，其安装于所述测力套筒上；

中空轴套，其套设于所述中轴的另一端，所述中空轴套与所述中轴一体转动，所述测力套筒位于所述中空轴套和所述链轮盘之间；

中轴信号处理单元，其安装在所述中空轴套上，所述应力应变感应元件与所述中轴信号处理单元之间通过中轴导线连通，且所述中轴导线沿所述中轴的轴线方向贴设于所述中轴上；

传感器罩壳，其套设于所述中轴的另一端，所述中空轴套位于所述传感器罩壳和所述测力套筒之间；

主处理单元，其安装在所述传感器罩壳上，所述主处理单元和所述中轴信号处理单元之间通过一对感应线圈电磁连接，且所述中轴信号处理单元可相对于所述主处理单元旋转。

优选地，在所述测力套筒远离所述中轴的一侧的端面上开设有第一安装槽，所述应力应变感应元件置于所述第一安装槽内；

所述中空轴套朝向所述传感器罩壳的一侧的端面开设有第二安装槽，所述中轴信号处理单元和一对感应线圈中的第二感应线圈置于所述第二安装槽内，且所述中轴信号处理单元和所述第二感应线圈通过导线连接；

所述传感器罩壳朝向所述中空轴套的一侧的端面开设有第三安装槽，所述主处理单元和一对感应线圈中的第一感应线圈置于所述第三安装槽内，且所述主处理单元和所述第一感应线圈通过导线连接；

所述第二感应线圈可相对于所述第一感应线圈旋转，在所述第二感应线圈旋转至于所述第一感应线圈相对的位置处时，所述第一感应线圈和所述第二感应线圈之间具有预定距离。

优选地，所述测力套筒与所述中轴之间间隙配合，且所述测力套筒和所述中轴通过键连接。

优选地，所述中空轴套与所述中轴通过第一螺钉进行螺接，所述第一螺钉穿过所述中空轴套并螺接于所述中轴中。

优选地，所述中轴导线贴设于所述中轴的外表面上；或，

所述中轴导线卡设于所述中轴的外表面上开设的第四安装槽中；或，

所述中轴导线穿设于所述中轴沿轴线方向设置的安装孔中，所述安装孔的两端分别连通至所述中轴的外表面。

优选地，还包括：电机输入轴和电机输出轴，所述电机输入轴通过齿轮传动装置带动所述电机输出轴转动；

所述电机输入轴套设在所述中轴上，所述电机输入轴与所述中轴间隙配合，所述电机输入轴位于所述中空轴套和所述测力套筒之间；

所述电机输出轴通过第二轴承支撑在所述电机输入轴上，所述电机输出轴套设于所述测力套筒上，并与所述测力套筒间隙配合；所述电机输出轴通过第二离合器与所述链轮盘连接。

优选地，还包括：传感器盖、电机端盖、壳体和轴承盖，

所述传感器盖的一端与所述传感器罩壳通过第二螺钉连接，所述传感器盖的另一端、所述电机端盖的一端和所述壳体的一端通过第三螺钉螺接；所述电机端盖的另一端通过第三轴承套设于所述电机输入轴上，并通过第四轴承套设于所述中空轴套上；所述壳体的另一端和所述轴承盖的一端通过第四螺钉螺接，所述壳体通过第五轴承支撑在所述电机输入轴上；所述轴承盖的另一端通过第六轴承支撑在所述链轮盘上。

优选地，所述中轴上套设有与所述中轴形成过盈配合的第一弹簧挡圈和第二弹簧挡圈，所述第一弹簧挡圈贴合于所述第一轴承远离所述测力套筒的一侧，所述第二弹簧挡圈贴合于所述中空轴套远离所述测力套筒的一侧；

所述链轮盘上套设有与所述链轮盘形成过盈配合的轴承卡簧，所述轴承卡簧与所述第六轴承贴合设置。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型提供的电动助力自行车中轴力矩传感器利用安装在中轴上的测力套筒测量力矩信号，使得力矩测力系统的结构紧凑，可以精确测定电动助力自行车骑行过程中的双边蹬踏踏力矩。整个力矩测力系统采用分体式结构，使得力矩测力系统内的中间部分的径向尺寸小，满足齿轮传动装置的结构要求。同时，力矩测力系统内的电气元件之间通过有线及无线传感方式连接，布局灵活，安装维修方便。

附图说明

图1为本实用新型的结构图；

图2为中轴的三维结构图；

图3为测力套筒的三维结构图；1—传感器盖；2—第三螺钉；3—电机端盖；4—第三轴承；5—中轴导线；6—壳体；7—电机输出轴；8—第五轴承；9—轴承卡簧；10—第六轴承；11—应力应变感应元件；12—测力套筒；121—第一安装槽；13—第一轴承；14—第一弹簧挡圈；15—中轴；151—第四安装槽；16—链轮盘；17—轴承盖；181—第一离合器； 182—第二离合器；19—第四螺钉；20—键；21—第二轴承；22—电机输入轴；23—第四左轴承；24—中空轴套；25—中轴信号处理单元；26—传感器线缆；27—传感器罩壳；28—主处理单元；29—第二弹簧挡圈；30—第一螺钉；31—第一感应线圈；32—第二感应线圈； 33—第二螺钉。

具体实施方式

参照图1至图3，本实用新型提供了一种电动助力自行车中轴力矩传感器，包括：中轴15；链轮盘16，其通过第一轴承13安装于中轴15的一端；测力套筒12，其套设于中轴15上，测力套筒12与中轴15一体转动，且测力套筒12与链轮盘16通过第一离合器 181连接；应力应变感应元件11，其安装于测力套筒12上；中空轴套24，其套设于中轴 15的另一端，中空轴套24与中轴15一体转动，测力套筒12位于中空轴套24和链轮盘16 之间；中轴信号处理单元25，其安装在中空轴套24上，应力应变感应元件11与中轴信号处理单元25之间通过中轴导线5连通，且中轴导线5沿中轴15的轴线方向贴设于中轴15 上；传感器罩壳27，其套设于中轴15的另一端，中空轴套24位于传感器罩壳27和测力套筒12之间；主处理单元28，其安装在传感器罩壳27上，主处理单元28和中轴信号处理单元25之间通过一对感应线圈电磁连接，且中轴信号处理单元25可相对于主处理单元28旋转。

由于将对中轴15转动产生的力矩进行采集的应力应变感应元件11和对其采集到的力矩信号进行处理的中轴信号处理单元25和主处理单元28分开设置，三者之间不再集成在同一部件上，这样，可以减少中轴力矩测力系统内进行力矩采集和处理的部件所占用的径向空间，进而可以缩小该测力系统在径向方向上的尺寸，同时，由于测力系统内被占用的径向空间减小，便于在测力系统内部的其它部件的布局设置。

在中轴15的两端带有固定脚踏板用的斜面及螺纹孔，脚踏板通过螺接的方式和中轴 15进行固定。在用户踩踏脚踏板时，中轴15随着脚踏板的转动而转动，与中轴15一体转动的测力套筒12通过第一离合器181带动链轮盘16转动，链轮盘16的转动带动链条和后轮转动，进而实现自行车的移动。为了实现中轴15和测力套筒12之间的一体转动，本申请中，中轴15和测力套筒12间隙配合，且二者通过键20连接实现传动。

安装在测力套筒12上的应力应变感应元件11具体为一应力应变传感器，在中轴15在脚踏板的带动下发生旋转时，中轴15上产生力矩，安装在测力套筒12上的应力应变感应元件11通过材料的变形产生力矩信号，通过中轴导线5将所产生的力矩信号传输至中轴信号处理单元25，中轴信号处理单元25对接收到的力矩信号进行处理获得力矩值，通过一对感应线圈之间的电磁感应，将经过处理后的力矩值传递至主处理单元28，主处理单元28 通过穿过传感器罩壳27的传感器线缆26将其传输至电动助力自行车的控制系统，控制系统根据测得的力矩值和预先存储的力矩值进行比较，判断是否需要电机进行驱动，若需要电机驱动，向电机输入对应的目标输出力矩值，使得电机以目标输出力矩值进行输出。

为了实现中空轴套24在中轴15上的固定，中空轴套24与中轴15通过第一螺钉30进行螺接，第一螺钉30穿过中空轴套24并螺接于中轴15中。

为了实现应力应变感应元件11的固定，本申请中，参照图3，在测力套筒12远离中轴15的一侧的端面上开设有第一安装槽121，应力应变感应元件11置于第一安装槽121 内，应力应变感应元件11卡设在该第一安装槽121内，中轴导线5的一端连接在应力应变感应元件11上，并通过贴合于该测力套筒12和中轴15设置的方式走线至安装在中空轴套 24上的中轴信号处理单元25。为了实现中轴信号处理单元25和主处理单元28的固定，参照图1，在中空轴套24朝向传感器罩壳27的一侧的端面开设有第二安装槽，中轴信号处理单元25和一对感应线圈中的第二感应线圈32置于第二安装槽内，且中轴信号处理单元 25和第二感应线圈32通过导线连接；传感器罩壳27朝向中空轴套24的一侧的端面开设有第三安装槽，主处理单元28和一对感应线圈中的第一感应线圈31置于第三安装槽内，且主处理单元28和第一感应线圈31通过导线连接；第二感应线圈32可相对于第一感应线圈31旋转，在第二感应线圈32旋转至于第一感应线圈31相对的位置处时，第一感应线圈 31和第二感应线圈32之间具有预定距离。中轴信号处理单元25和主处理单元28之间的信号通信，采用在一对感应线圈之间电磁感应的方式进行无线信号传输，减少了在测力系统内的线束设置。

对于中轴导线5来说，由于其需要从中轴15的一端走线至中轴15的另一端，其在中轴15上的布线方式有多种，例如，将中轴导线5贴设于中轴15的外表面上，在测力套筒 12的外表面上开设对中轴导线5进行限位的限位槽，这样，可以防止中轴导线5在中轴15 上发生窜动；或，将中轴导线5卡设于中轴15的外表面上开设的第四安装槽151中，对中轴导线5在中轴15上的位置进行限位，同时，不会对套设在中轴15上的其它部件的布置位置造成干涉；或，将中轴导线5穿设于中轴15沿轴线方向设置的安装孔中，安装孔的两端分别连通至中轴15的外表面，同样也可以实现对中轴导线15进行限位，以及避免对安装在中轴15上的其它部件造成干涉。

优选地，参照图1，对于本申请中的电动助力自行车中轴力矩传感器来说，其还包括：电机输入轴22和电机输出轴7，电机输入轴22通过齿轮传动装置带动电机输出轴7转动；电机输入轴22套设在中轴15上，电机输入轴22与中轴15间隙配合，电机输入轴22位于中空轴套24和测力套筒12之间；电机输出轴7通过第二轴承21支撑在电机输入轴22上，电机输出轴7套设于测力套筒12上，并与测力套筒12间隙配合；电机输出轴7通过第二离合器182与链轮盘16连接。

其中，在电动助力自行车的控制系统确定出需要电机驱动，其向电机发出信号，使得电机进行驱动力矩输出，这样，电机输入轴22转动，通过齿轮传动装置进行转速转换，使得电机输出轴7进行转动，电机输出轴7通过第二离合器182带动链轮盘16转动，进而带动链条和车轮转动，实现自行车的移动。

优选地，参照图1，该电动助力自行车中轴力矩传感器还包括：传感器盖1、电机端盖 3、壳体6和轴承盖17，传感器盖1的一端与传感器罩壳27通过第二螺钉33连接，传感器盖1的另一端、电机端盖3的一端和壳体6的一端通过第三螺钉2螺接；电机端盖3的另一端通过第三轴承4套设于电机输入轴22上，并通过第四轴承23套设于中空轴套24上；壳体6的另一端和轴承盖17的一端通过第四螺钉19螺接，壳体6通过第五轴承8支撑在电机输入轴22上；轴承盖17的另一端通过第六轴承10支撑在链轮盘16上。

参照图1，中轴15上套设有与中轴15形成过盈配合的第一弹簧挡圈14和第二弹簧挡圈29，第一弹簧挡圈14贴合于第一轴承13远离测力套筒12的一侧，第二弹簧挡圈29贴合于中空轴套24远离测力套筒12的一侧；链轮盘16上套设有与链轮盘16形成过盈配合的轴承卡簧9，轴承卡簧9与第六轴承10贴合设置。

上述的第一弹簧挡圈14、第二弹簧挡圈29和轴承卡簧9的设置目的在于，对与各自贴合的轴承的位置进行限位，防止轴承发生移动。

另外，本实用新型中，对于电机输入轴22和电机输出轴7之间的齿轮传动装置，可以采用行星齿轮传动方式来实现电机输入轴22和电机输出轴7之间的传动。

本实用新型提供的电动助力自行车中轴力矩传感器利用安装在中轴15上的测力套筒 12测量力矩信号，使得力矩测力系统的结构紧凑，可以精确测定电动助力自行车骑行过程中的双边蹬踏踏力矩。整个力矩测力系统采用分体式结构，使得力矩测力系统内的中间部分的径向尺寸小，满足齿轮传动装置的结构要求。同时，力矩测力系统内的电气元件之间通过有线及无线传感方式连接，布局灵活，安装维修方便。