自行车底部支架力传感器的制作方法

专利名称：自行车底部支架力传感器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于自行车的力传感器。更具体地，本发明涉及安装在自行车底部支架(bottom bracket)外侧的力传感器，其用于计算施加到自行车踏板上的功率和施 加到曲柄轴上的扭矩中的至少一种。
背景技术：
骑自行车正在成为一种越来越流行的娱乐方式和运输手段。而且，对于业余爱好 者和职业运动员而言，骑自行车都已成为一种非常流行的竞技运动。无论自行车用于娱乐、 运输还是竞技运动，自行车产业都在不断地改进自行车的各种部件。近来，自行车已经设置 有自行车计算机(cycle computer)以便告知骑车人关于自行车的各种行驶状况。有时自行车装配有力传感器(如，扭矩检测装置)，用于检测作用在自行车曲柄轴 上的力。在2009年4月14日授予的美国专利No. 7，516，677 (受让给Shimano公司)中， 在曲柄轴上设置有圆柱形扭矩检测套管构件(力传感器单元)，用于检测施加到曲柄轴上 的扭矩。在这种装置中，一个或多个传感器安装至套管构件，且套管构件安装在底部支架管 内。然而，这种装置复杂，并且为了安装力传感器需要完全拆卸前曲柄组件。在EP 1,361,822中，传感器位于底部支架管的径向内表面与环形构件径向延伸 的外表面之间，该环形构件围绕多个曲柄轴轴承中的一个轴承。这种装置的一个问题是传 感器在安装之前暴露于环形构件的径向延伸的外表面上，并且在将环形构件安装到底部支 架管的过程中传感器可能被损坏。考虑到上述问题，对于本领域技术人员来说，从本公开将显然看出，需要一种改进 的曲柄轴力传感器装置，该装置能够容易地安装到自行车的底部支架管上。本领域技术人 员从本公开中可显然看出，本发明致力于本领域中这样的需要和其他需要。

发明内容
本发明的一个目的是提供一种力传感器组件，该力传感器组件可容易地安装到自 行车上并从自行车上移除。本发明的另一个目的是提供具有力传感器的力传感器组件，这些力传感器被保护 在凹槽(recess)中并在安装到自行车上之前被力传感器组件的盖子保护。前述目的基本可通过为自行车提供自行车底部支架力传感器而实现。自行车底部 支架力传感器包括外部部分(outer portion)、内部部分(inner portion)、至少一个传感 器安装表面和应变仪(straingauge)。内部部分的尺寸适于接收并支撑曲柄轴轴承，该曲柄 轴轴承可旋转地支撑曲柄轴。上述至少一个传感器安装表面在外部部分和内部部分之间延 伸，并具有固定至其上的应变仪。当力传感器接合到自行车底部支架时，传感器安装表面沿 基本垂至于曲柄轴旋转轴线的方向延伸。从下面详细描述中，对于本领域技术人员而言，本发明的这些和其他目的、特征、 方面和优点将变得显而易见，下面的详细描述结合附图公开了本发明的优选实施例。
附图描述 现在参照构成本原始公开一部分的附图

图1是自行车侧视图，其示出了具有根据本发明的底部支架管的框架；图2是自行车的底部支架管的沿图1中的线2-2截取的横截面图，其示出根据本 发明的前曲柄组件和力传感器的细节；图3是根据本发明的前曲柄组件的分解图，其示出了力传感器的细节，如适配器 构件(adaptor member)、力传感器的主体和盖子；图4是根据本发明的力传感器的适配器构件的侧视图，其中示出的是主体和盖子 被移除的适配器构件；图5是根据本发明的力传感器的适配器构件的端视图，其中示出的是主体和盖子 被移除的适配器构件；图6是根据本发明的力传感器的适配器构件的横截面视图，其中示出的是主体和 盖子被移除的适配器构件；图7是根据本发明的力传感器的主体的内端视图，其中示出的是该主体从适配器 构件上移除，并且示出了一对应变仪中的一个，还示出了外环、内环、第一结合部和第二结 合部；图8是根据本发明的力传感器的主体的侧视图，其中示出的是该主体从适配器构 件被移除；图9是根据本发明的力传感器的主体的外端视图，其中示出的是该主体从适配器 构件被移除，并且盖子被移除以暴露出一对应变仪中的另一个；图10是根据本发明的力传感器的主体的沿图9中线10-10截取的横截面视图；图11是根据本发明的力传感器的主体的沿图9中线11-11截取的另一横截面视 图；图12是根据本发明的力传感器的主体的放大外端视图，其示出了该主体的第一 结合部的细节；图13是根据本发明的力传感器的外端视图，其示出的是完全组装的力传感器，其 中紧固件将主体固定至适配器构件；图14是根据本发明的力传感器的沿图13中线14-14截取的横截面视图，其示出 的是完全组装的力传感器，其中盖子固定于主体而主体安装在适配器构件中；图15是根据本发明的力传感器的沿图13中线14-14截取的分解横截面视图，其 示出了适配器构件、主体、应变仪和盖子；图16是根据本发明的力传感器主体的另一个放大的外端视图，其示出主体第二 结合部和应变仪布置的细节；图17是根据本发明应变仪的力图，其中箭头指示应变检测方向；图18是根据本发明的彼此电通信的力传感器、控制单元和其他自行车装备的示 意图；图19是根据本发明的曲柄轴以及当曲柄和曲柄轴旋转时一个自行车曲柄的角度 位置的示意图；图20是示出了测量的应变的图表，该应变对应于从根据本发明的应变仪收集的数据，其中曲柄和曲柄轴处于图19中表示的角度位置；图21是示出了应变的图表，该应变从根据本发明的两个应变仪中的每个应变仪 测得，其示出了两个应变仪具有不同水平的应变；以及图22是示出了根据本发明的实际链条张力和计算链条张力的图表，实际链条张 力对应于施加到曲柄轴上的扭矩，而计算链条张力由来自两个应变仪的应变测量值以及预 定常数来确定，从而考虑了图21的表中所示 的滞后现象(hysteresis)。
具体实施例方式现在参照附图解释本发明的所选实施例。本领域技术人员从本公开中可显然看出 下面的对于本发明实施例的描述仅是为说明而提供的，而非为了限制本发明的目的，本发 明的范围由所附权利要求及其等同物所限定。首先参照图1，根据本发明第一实施例示出了一辆自行车10。如图2和图3所示， 自行车10包括力传感器组件12，该力传感器组件被构造成当骑车人(未示出)在一对自 行车踏板16(图1中示出)上施加力时，其感测由骑车人施加在曲柄轴14(图2中示出)上 的力，这对自行车踏板接合至曲柄轴14。自行车踏板16包括传统的约束装置，该约束装置 被构造成以传统方式可释放地将夹板保持在自行车运动鞋(cycling shoes，未示出)上。 具体地，当配对的自行车运动车鞋被自行车踏板16保持时，在向下的脚踏骑车运动和向上 的脚踏骑车运动中，由骑车人(未示出)发出的旋转力从自行车运动鞋传递至自行车踏板 16。具体参照图1、图2和图3，提供了对自行车10的简单描述。自行车10具有框架 18和自行车控制装置20。框架18包括下管22 (仅图1和图3示出)、座管24 (仅图1和图3示出)，一对后 下叉26 (仅图1和图3中示出)和底部支架管28 (仅图2和图3示出)。下管22、座管24 和一对后下叉26都以传统方式固定在底部支架管28上。例如，框架18可由焊接到一起的 金属管部件制成，或可替换地，可以由复合材料制成，以便框架18的管子由树脂和/或碳纤 维材料彼此固定。因为框架18是自行车10的传统特征，为了简洁，略去对框架18的进一 步描述。底部支架管28是具有开口端的中空元件。底部支架管28有时简单称为底部支架 或吊架。底部支架管28被构造成支撑曲柄轴14以及与曲柄轴14关联的元件，如下面更详 细地描述。底部支架管28的每个开口端均优选地包括内加工螺纹，其以下面更详细描述的 方式支撑力传感器组件12。可替换地，底部支架管28的每个开口端的尺寸可以设置成不需 要加工螺纹，从而通过压配合布置来接收曲柄轴14支撑元件。如图1所示，自行车控制装置20包括(还存在其他方面)控制单元32、前变速器 34、一组链环35、后变速器36、后链轮组37、在链环35和后链轮组37之间延伸的链条38、 后齿轮换档装置39、前齿轮换档装置(图1中隐藏在后齿轮换档装置39后方)、和力传感 器组件12(图2和图3中示出)。控制单元32联接(attached，附接)到框架18的前部， 如把手。如下文中所详细描述，控制单元32被构造成利用由力传感器组件12提供的应变 测量信号判断施加到曲柄轴14上的扭矩。下面在描述了力传感器组件12之后给出对控制 单元32的描述。
前变速器34联接至座管24，恰在底部支架管28上方，而后变速器36联接至一个 后下叉26。前变速器34和后变速器36分别由前齿轮换档装置和后齿轮换档装置39中相 应的一个以传统方式操作。前变速器34、后变速器36、后齿轮换档装置39和前齿轮换档装 置是传统的自行车部件。因此，这里为了简洁，略去对这些部件的描述。
如图2中最佳示出的，底部支架管28被构造成接收并支撑前曲柄组件40。前曲柄 组件40被构造并且尺寸被设置，从而可旋转地支撑曲柄轴14。如图1、图2和图3所示，前 曲柄组件40包括曲柄轴14 (图1和图2)；右曲柄44 (仅图1和图2示出)，可拆卸地固定 到曲柄轴14的右端；左曲柄46 (仅图1和图2示出)，固定到曲柄轴14的左端；适配器48 ； 轴承环50和52 ；轴承54和56 ；密封圈58和60 ；密封圈护套(seal guard) 62和64 ；0形密 封圈66和68 ；间隔件70和72 ；以及防尘管(dust tube) 74。间隔件70和72是前曲柄组 件40的可选元件，并均用于调整曲柄轴14相对前曲柄组件40的位置。传统的前曲柄组件 类似于前曲柄组件40，如2003年5月29日公布的美国专利申请公开No. 2003/0097900所 披露的那样，通常包括一对带螺纹的适配器，如带螺纹的适配器48。然而，在本发明中，移除 了一个带螺纹的适配器并且取而代之的是力传感器组件12。曲柄轴14是中空圆柱形构件，其可旋转地安装成延伸穿过底部支架管28，如图2 所示。曲柄轴14被构造成绕旋转轴线A旋转，该旋转轴线A延伸穿过曲柄轴14、轴承54和 56以及力传感器组件12的中心，其中，力传感器组件12安装于底部支架管28，轴承54安 装于适配器48，而轴承56安装于力传感器组件12。右曲柄44以传统方式固定到曲柄轴14 的右侧端。左曲柄46以传统方式可移除地固定到曲柄 轴14的左侧端。踏板16以传统方 式联接至右曲柄44和左曲柄46中相应一个的远端。适配器48的尺寸设置成以传统方式螺纹联接至底部支架管28的左侧。适配器48 被构造成接收并支撑轴承环50、轴承54、密封圈58、密封圈护套62和0形密封圈66。带螺 纹的适配器48也包括内表面48a，该内表面的尺寸设置成与防尘管74 一端形成密封并支撑 防尘管的所述一端，如图2所示。可替换地，带螺纹的适配器48上的加工螺纹可以被省去， 且带螺纹的适配器48可压配合至底部支架管28。下面具体参照图2-图17描述力传感器组件12。力传感器组件12基本包括适配器构件80、主体82、第一侧应变仪84、第二侧应变 仪86和盖子88。如下面更详细地描述，第一侧应变仪84是外侧应变仪，因为当力传感器组 件12的适配器48安装于底部支架管28时，第一侧应变仪84布置在主体82的外侧，面朝 自行车10的外侧。第二侧应变仪86是内侧应变仪，因为当力传感器组件12的适配器48 安装于底部支架管28时，第二侧应变仪86布置在主体82的内侧，并且面朝自行车10的底 部支架管28。下面具体参照图4、图5和图6描述适配器构件80。适配器构件80在相对于旋转 轴线A的径向上和平行于旋转轴线A的方向上支撑主体82。如图3所示，适配器构件80安 装至底部支架管28，以便将力传感器组件12布置在底部支架管28和链环35之间。然而， 本发明的适配器构件80不同于传统适配器48，如下面所述。适配器构件80基本包括联接部90、环形法兰92和传感器安装部94。适配器构件 80优选由金属材料制成，如钢、铝、钛或具有适当硬度和强度的合适合金。联接部90是管状的，并包括在其外表面上的加工螺纹98和在远端的密封唇100。加工螺纹98为联接部90提供了用于可拆卸联接至底部支架管28的外侧的联接方式。可 替换地，加工螺纹98可略去且联接部90可压配合至底部支架管28的外侧。密封唇100被 构造成接收防尘管74的一端并与其匹配，因而在防尘管74和适配器构件80之间形成防水 密封，如图2和图3所示。管状部98是中空的，以便曲柄轴14在其中延伸，如图2所示。环形法兰92从联接部90的管状部98径向向外延伸，将联接部90结合到传感器安装部94。传感器安装部94是适配器构件80的环形部分，其具有沿圆周延伸的外表面102、 沿圆周延伸的内表面104和轴向端面106。传感器安装部94远离适配器构件80的联接部 90向外延伸，并且远离底部支架管28，其中适配器构件80安装于底部支架管28。此外，传 感器安装部94的尺寸被设置成可拆卸地接收并保持主体82，如下面更详细地描述。传感器安装部94的外表面102包括多个凹口 108，这些凹口被构造成用于辅助将 适配器构件80安装到底部支架管28上和从其上拆卸。如图15所示，沿圆周延伸的内表面 104的尺寸被设置成接收主体82，以使主体82部分地被环形法兰92和传感器安装部94覆 盖于适配器构件80的内部空间中，该内部空间由环形法兰92和内表面104所限定。轴向 端面106包括沿圆周彼此隔开的多个螺纹孔110。螺纹孔110的尺寸被设置成接收紧固件 F，紧固件F可释放地将主体82固定到适配器构件80。下面具体参照图7-图15描述主体82。主体82包括外环120 (外部部分)、同心 地布置在外环120中的内环122、第一结合部124和第二结合部126。主体82优选由金属 材料，如钢、铝、钛或具有适当硬度和强度的合适合金制成。主体82的厚度和总尺寸由将作 用在曲柄轴14上的预期作用力、所用的材料和要装配力传感器组件12的自行车的尺寸和 类型来确定。如图7-图15所示，外环120是主体82的环形部，该环形部以下述方式可拆卸地 联接至适配器构件80。因为适配器构件80能够可拆卸地联接至底部支架管28的外侧，所 以外环120能够可拆卸地联接至底部支架管28的外侧。外环120包括多个凹口 127、第一轴向端面128和第二轴向端面129。多个凹口 127的尺寸被设置成对应于适配器构件80的多个凹口 108的尺寸。多个弓形狭长开口 130 形成在外环120中，这些开口在第一轴向端面128和第二轴向端面129之间延伸。开口 130 位于与适配器构件80的传感器安装部94中多个孔110 —致的直径位置处。如图2、图3、 图14和图15所示，紧固件F延伸穿过对应的各个弓形狭长开口 130中并进入孔110中，以 便可释放地将主体82固定到适配器构件80。弓形狭长开口 130具有一定弓形长度，该弓形 长度的尺寸被设置成提供外环120相对于适配器构件80的位置的角度调整。具体地，外环 120相对于适配器构件80的位置可在绕旋转轴线A约35度的整个范围内进行角度调整。 每个弓形狭长开口 130被倒角(chamfered)以便凹口 132包围每个弓形狭长开口 130。外环120的一个部分134是其中没有形成开口的实体。相反，此部分134设置有 沿外环120的表面径向向外延伸的凹口 136。内环122是曲柄轴轴承安装部，其同心地布置在外环120内。内环122的尺寸被 设置成接收并支撑轴承56(曲柄轴轴承中的一个)，该轴承可旋转地支撑曲柄轴14。更具 体地，内环122具有沿圆周延伸的内表面140。内环122的尺寸被设置成以传统方式接收 并保持轴承56，例如，以压配合接合方式。因此，内环122与外环120 (外部部分)径向地隔开，其中，在内环122的内径向表面上限定一个曲柄轴轴承安装部。此外，如图7、图9和 图10所示，外环120环绕内环122，因此沿圆周包围内环122。换句话说，内环122同心地 布置在外环120内。 如图7和图9中最佳示出的，主体82的外环120和内环122在径向方向上彼此隔 开，并通过第一结合部124和第二结合部126彼此固定。第一结合部124沿径向方向在内环 122和外环120之间延伸。第二结合部126沿从平面P (参见图9和图12)成角度偏移的方 向在内环122和外环120之间延伸，该平面P与曲柄轴14的旋转轴线A重合并沿其延伸， 其中，适配器构件80安装于底部支架管28。平面P也优选是竖直平面(垂至于水平面)。 此外，在安装力传感器组件12的过程中，适配器构件80安装于底部支架管28，以便第一应 变仪84和第二应变仪86相对于平面P而定向，如图9、图16和图17所示。具体地，第一结合部124和第二结合部126沿圆周彼此隔开约180度。如图9所 示，第一结合部124位于内环122的顶部(相对图9所示)，而第二结合部126位于内环122 的底部(相对图9所示)。狭长的弓形开口 142和144限定在内环122、外环120、第一结 合部124和第二结合部126之间，如图7和图9最佳示出。外环120的部分134中的凹口 136在狭长的弓形开口 144和外环120的径向外边缘之间延伸。如图12中以放大比例示出的，第一结合部124具有第一周向侧146和第二周向侧 148。第一周向侧146和第二周向侧148相对彼此不对称，并且相对于延伸穿过旋转轴线 A(图9)的平面P (图9和图12)不对称。具体地，相对于平面P，第二周向侧148比第一周 向侧146大。在图12和图15中示出了表示链条张力方向C的箭头。链条张力方向C表示 骑车时链条38上的张力。表示链条张力方向C的箭头从前曲柄组件40的上部区域指向后 变速器36。因此，图12中所示的第一结合部124的定向和总体形状对优化由第二结合部 126上的第一应变仪84和第二应变仪86检测的力是重要的(下面更详细地描述)。更具 体地，第一结合部124的总体形状被设置成抵消链条38上的在链条张力方向C上作用的张 力。如图16最佳示出的，第二结合部126具有关于平面P彼此对称的第一周向侧和第 二周向侧，如图11所示。第二结合部126包括图9和图16中所示的第一轴向端侧和图7 中所示第二轴向端侧。第二结合部126的第一轴向端侧包括第一传感器安装表面150，而第 二结合部126的第二轴向端侧包括第二传感器安装表面152。第一传感器安装表面150和 第二传感器安装表面152均在外环120和内环122之间延伸。如图2和图3所示，力传感器组件12的尺寸被设置成螺纹联接至底部支架管28 的右侧，并被构造成接收和支撑轴承环52、轴承56、密封圈60、密封圈护套64和0形密封 圈68。力传感器组件12也包括密封唇100，该密封唇的尺寸被设置成与防尘管74的一端 形成密封并支撑防尘管的所述一端。在所示实施例中，第一传感器安装表面150和第二传感器安装表面152被定向成 使得它们基本垂直于平面P和旋转轴线A。第一传感器安装表面150和第二传感器安装表 面152也被定向成使得它们平行于外环120的第一轴向端面128和第二轴向端面129。此 夕卜，第一传感器安装表面150和第二传感器安装表面152基本彼此平行。在可替换实施例 中，第一传感器安装表面150和第二传感器安装表面152可从外环120的第一轴向端面128 和第二轴向端面129成角度地偏移达15度。
从附图和说明书中应该理解的是，第一传感器安装表面150和第二传感器安装表面152沿垂直于曲柄轴14的旋转轴线A的方向延伸，其中力传感器组件12接合至底部支 架管28。如图16和图17最佳示出的，第一侧应变仪84包括第一应变仪(gauge) 84a和第 二应变仪84b。类似地，第二侧应变仪86包括第三应变仪86a和第四应变仪86b。除了安 装在第二结合部126的相反两侧以外，第一侧应变仪84和第二侧应变仪86优选是相同的。 更具体地，第一侧应变仪84固定到第一传感器安装表面150，而第二侧应变仪86固定到第 二传感器安装表面152，如图2、图11、图14和图15所示。因为第一侧应变仪84和第二侧应变仪86是相同的，所以对其中一个的描述可适 用于两者。因此，在下面的描述中，参照图16和图17仅详细描述第一侧应变仪84的第一应 变仪84a和第二应变仪84b。然而，该描述同样应用于第二侧应变仪86的第三应变仪86a 和第四应变仪86b。第一侧应变仪84的第一应变仪84a和第二应变仪84b固定到第一传感器安装表 面150。然而，第一应变仪84a和第二应变仪84b均从平面P成角度地偏移，该平面P与旋 转轴线A重合。因为平面P也沿曲柄轴14的旋转轴线A延伸，其中适配器构件安装于底部 支架管28，所以第一应变仪84a和第二应变仪84b也从旋转轴线A成角度地偏移。类似地， 第二侧应变仪86固定到第二传感器安装表面152，并且第三应变仪86a和第四应变仪86b 从平面P成角度地偏移，该平面P与旋转轴线A重合。应进一步指出的是，第一应变仪84a 和第二应变仪84b (和第三应变仪86a和第四应变仪86b)都沿从内环122和外环120的径 向方向成角度偏移的方向延伸。这里，上述径向方向与平面P重合，如图7和图9所示。如图17所示，第一应变仪84a具有第一应变测量方向D1和仏。第一应变测量方 向D1和D2彼此基本平行，因为传统应变仪通常仅对一个方向上的应变响应。第一应变测量 方向D1表示第一应变仪84a响应施加到主体82上的力而轻微延长。第一应变测量方向D2 表示第一应变仪84a响应施加到主体82上的力而轻微压缩。第二应变仪84b具有第二应 变测量方向D3和D4。第二应变测量方向D3和D4彼此基本平行，因为传统应变仪通常仅对 一个方向上的应变响应。第二应变测量方向D3表示第二应变仪84b响应施加到主体82上 的力而轻微延长。第二应变测量方向D4表示第二应变仪84b响应施加到主体82上的力而 轻微压缩。第一应变仪84a和第二应变仪84b及其各自的第一和第二应变测量方向DpD2、D3 和D4沿从内环122和外环120 (和平面P)的径向方向成角度地偏移约45度的方向延伸。 此外，第二应变仪84b从第一应变仪84a成角度地偏移约90度。此外，第一应变测量方向 D1和D2与第二应变测量方向D3和D4相对于平面P对称。换句话说，从图17看，第一应变 测量方向D1和D2从平面P沿顺时针方向成角度地偏移45度，而从图17看，第二应变测量 方向D3和D4从平面P沿逆时针方向成角度地偏移45度。第一侧应变仪84包括从其中延伸出的电缆160，该电缆被构造成传送进出第一侧 应变仪84的电信号。第二侧应变仪86包括从其中延伸出的电缆162，以传送进出第二侧应 变仪86的电信号。电缆160和162均包括四根导线或电线。具体地如图16所示，电缆160 包括四根电线，以传统方式，其中的两根电线电连接至第一应变仪84a的相对侧，两根电线 连接至第二应变仪84b的相对侧。类似地，电缆162具有以传统方式连接至第三应变仪86a和第四应变仪86b的四根电线。电缆160和162铺设在外环120的凹口 132内。具体地，电 缆160和162从第一侧应变仪84和第二侧应变仪86延伸，经过凹口 132并在力传感器组 件12外部延伸。一旦第一应变仪84和第二侧应变仪86被安装好且电缆150和152置于 凹口 136内适当位置中，则向凹口填充树脂材料或其他类似粘结剂材料，该材料将电缆160 和162保持在凹口 136内适当位置中。盖子88是优选由电绝缘且防水的材料制成的环形构件。盖子88固定到主体82 上，以使盖子88覆盖第一应变仪84、狭长的弓形开口 142和144。因此，盖子88封闭并密 封力传感器组件12，从而防水和碎屑，因此保护第一应变仪84和第二应变仪86免遭异物 (灰尘、水、碎屑等)损害。如上所述，内环122是主体82的环形构件，其同心地布置在外环120内。对于设 计的预期用途，内环122是刚性的。然而，第一结合部124和第二结合部126的尺寸和形状 被设置成经受可由第一侧应变仪84和第二侧应变仪86测量的有限弹性变形。如本领域已知的，传统应变仪的与导电率相关的特性响应于应变仪的延长或压缩 而改变。第一侧应变仪84和第二侧应变仪86固定到力传感器组件12的主体82的第二结 合部126。主体82的内环122支撑轴承56，而曲柄轴14由轴承56支撑。因此，在骑车过 程中施加到曲柄轴14上的力从曲柄轴14经轴承56传递到主体82。第一结合部124和第 二结合部126的尺寸被设置成稍微弯曲，因而弹性变形。由 第一侧应变仪84和第二侧应变 仪86测量第二结合部126的弹性变形。因此，可以通过监控第一应变仪84和第二应变仪 86的电气特性变化而测量施加到曲柄轴14上的力，如下面进一步描述。第一侧应变仪84和第二侧应变仪86是传统应变仪，有时称为箔式应变仪，利用适 用于应变仪的传统粘结剂将应变仪固定到期望表面上。然而，从这里的附图和说明书中应 该理解的是，任何类型的应变测量装置都可与本发明一起使用。具体地，第一侧应变仪84 和第二侧应变仪86可以由其他类型应变测量装置所取代。由第一应变仪84和第二侧应变仪86所测量的应变数据被控制单元32用来计算 和显示扭矩信息。具体地，控制单元32计算下列中的至少一种链条38上的张力、曲柄轴 14上的扭矩、和自行车踏板16上的功率。下面具体参照图18描述自行车10上的与控制单 元32电通信并用来计算链条38上的张力、曲柄轴14上的扭矩和/或自行车踏板16上的 功率的那些元件。具体地，下列元件与控制单元32电通信第一侧应变仪84和第二侧应变 仪86、踏频传感器(cadence sensor) 200、放大器204和齿轮定位传感器206。踏频传感器200是通常安装于下管22、座管24或一个后下叉26的传统装置。踏 频传感器200是检测右曲柄44和/或左曲柄46之一的角度位置和曲柄轴14的每分钟转数 (RPM)的装置。踏频传感器200可包括，例如磁场检测装置，在骑车过程中当曲柄经过踏频 传感器200时，该磁场检测装置检测右曲柄44和左曲柄46中临近的一个曲柄的磁场。此 夕卜，右曲柄44和左曲柄46之一设置有磁体(未示出)，在曲柄轴14旋转时，该磁体被踏频 传感器200检测。可替换地，踏频传感器200是多种RPM测量装置中任何一种。踏频传感 器200电连接至放大器204。放大器204与第一侧应变仪84和第二侧应变仪86以及踏频传感器200电通信。 具体地，第一侧应变仪84的电缆160和第二侧应变仪86的电缆162均电连接至放大器204。 放大器204是传统电气部件，其检测第一侧应变仪84和第二侧应变仪86的电气特性的变化，并检测由踏频传感器200测量的曲柄轴14的RPM。放大器204可安装在控制单元32内 或可以是位于力传感器组件12附近或其内的独立模块单元。放大器204优选安装至框架 18且临近底部支架管28。可替换地，放大器204可以安装在主体82内，处于狭长的弓形开 口 142和144之一内。
齿轮定位传感器206是安装在前变速器34内的传统装置，其为控制单元32提供 指示自行车链条38相对于一组链环35中多个链环的位置的信号(图1)。这组链环35的 每个链环具有其独有的直径。因为齿轮定位传感器206是传统装置，为了简单起见省略进 一步的描述。如图18中示出的，第一侧应变仪84的电缆160和第二侧应变仪86的电缆162以 及踏频传感器200均电连接至控制单元32，或者经放大器204与控制单元32电通信。此 夕卜，齿轮定位传感器206也电连接至控制单元32。然而，如图18所示，可替换地，自行车10 设置有无线通信装置210和212。具体地，无线通信装置210可提供放大器204与控制单 元32之间的无线通信线路。类似地，无线通信装置212可提供齿轮定位传感器206与控制 单元32之间的无线通信线路。无线通信装置212可设置在主体82内，位于狭长弓形开口 142和144之一内。控制单元32优选是包括显示器220的处理单元，该显示器被构造成显示功率数据 给骑行该自行车10的骑车人。控制单元32被构造和设置成接收来自踏频传感器200的 RPM数据、来自齿轮定位传感器206的齿轮位置数据、和来自第一侧应变仪84和第二侧应 变仪86的力数据。响应于所接收的来自踏频传感器200的RPM数据、来自齿轮定位传感器 206的齿轮位置数据、和来自第一侧应变仪84及第二侧应变仪和86的应变数据，控制单元 32计算下列之一链条38上的张力、曲柄轴14上的扭矩、和骑车人在踏板16上产生的每 转的功率。然后控制单元32在显示器220上显示计算的功率和RPM。在可替换实施例中，其中由单个链环取代一组链环35并省略了前变速器34，则可 通过省略齿轮定位传感器206而简化本发明。从这里的附图和说明书还可以理解的是，显示器220可以是控制单元32的一部分 或可以是电连接至控制单元32的独立部件。本发明人测试了力传感器组件12，从而验证了由控制单元32确定的计算链条张 力精确地表示经曲柄轴14施加到链条38的实际链条张力。图19-图22中描述的信息证明 了用于确定控制单元32的操作的逻辑。控制单元32从第一应变仪84a和第二应变仪84b 中一个应变仪的数值减去第一应变仪84a和第二应变仪84b中另一个应变仪的数值，然后 从第三应变仪86a和第四应变仪86b中一个应变仪的数值减去第三应变仪86a和第四应变 仪86b中另一个应变仪的数值。该组计算从总数据中消除了沿竖直方向作用的力并且提供 了沿链条张力方向C的应变值。第一应变仪84a和第二应变仪84b连接至传统的惠斯登电 桥(Wheatstone bridge)电路(未示出)。类似地，第三应变仪86a和第四应变仪86b连接 至另一个传统的惠斯登电桥电路(未示出)。得到的电压输出被提供至控制单元32，并为 沿链条张力方向C的应变值和链条张力水平提供基础。图19描绘四个曲柄位置区域和相应于右曲柄44的计算位置的计算曲柄位置。具 体地，数字一(1)表示曲柄轴14旋转的90度角度区域。换句话说，数字一(1)表示右曲柄 44的位置处于相对于旋转轴线A的相应角度位置中。数字二(2)表示曲柄轴14旋转一周中第二个90度角度区域。因此，数字二(2)表示右曲柄44的位置处于相对于旋转轴线A 的相应角度位置中。数字三(3)表示曲柄轴14旋转一周中第三个90度角度区域。因此， 数字三(3)表示右曲柄44的位置处于相对于旋转轴线A的相应角度位置中。最后数字四 (4)表示曲柄轴14旋转一周中第四个90度角度区域。因此，数字四(4)表示右曲柄44的 位置处于相对于旋转轴线A的相应角度位置中。通过第一侧应变仪84和第二侧应变仪86测量在四个曲柄位置区域中每个位置的 应变。曲柄轴14相对旋转轴线A的实际位置是通过来自踏频传感器200的信号确定的。 因为踏频传感器200也提供预定的曲柄位置数据和RPM数据，所以一些曲柄位置易于确定。 例如，借助以Hz (赫兹)为单位的采样频率F1以及曲柄轴14每转时间T1秒，通过F1除以 T1(F1A1)可获得曲柄位置。图20表示在曲柄轴14单次旋转中第一侧应变仪84和第二侧应变仪86 (外侧应 变仪和内侧应变仪)所测量的应变，其中四个曲柄位置是一(1)、二(2)、三(3)和四(4)。 如从图20中看到的那样，测量的应变根据曲柄位置改变。具体地，第一侧应变仪84和第二 侧应变仪86根据链条张力具有不同的响应。控制单元32利用来自踏频传感器200的信号 确定曲柄轴14和曲柄44(46)的实际旋转位置，并因此可校正四个曲柄位置区域中每个区 域的检测的平均应变。控制单元32被编程和/或配置成利用下面进一步讨论的补偿常数 将所有曲柄位置区域中应变的变化考虑在内。
如图21所示，与第一侧应变仪84和第二侧应变仪86检测的应变无关且独立地测 量链条张力(N)。具体地，已知量的链条张力(N)施加到曲柄轴14，而应变是用第一侧应变 仪84和第二侧应变仪86测量的。在链条张力的量较大时，第一侧应变仪84(第一应变仪 84a和第二应变仪84b)的外侧应变读数大于第二侧应变仪86 (第三应变仪86a和第四应变 仪86b)的内侧应变读数。在图21中示出了这些测量结果。在不同水平的链条张力(N)和 检测应变时可观察到滞后效果，部分原因在于在图20中所示所有曲柄位置处测量应变的 效果。通过数学组合(或平均)来自第一侧应变仪84和第二侧应变仪86的信号，控制单 元32可补偿该滞后效果。图22示出了所测量链条张力(N)和利用来自第一侧应变仪84和第二侧应变仪86 及齿轮定位传感器206的信号和补偿常数计算的计算链条张力。如图22中看到的那样，计 算链条张力与实际或独立测量的链条张力(N)成线性。因此，控制单元32可使用来自第一 侧应变仪84和第二侧应变仪86以及齿轮定位传感器206 (34)的信号精确计算并显示骑车 人脚踏自行车10时施加到链条上的扭矩。当控制单元32计算功率时，齿轮定位传感器206提供了相对于前链轮的链条位置 的信息。这组链环35中每个链环的相应直径均存储在控制单元32内的存储器中。因此， 易于通过控制单元32来确定旋转轴线A与这组链环35中每个链环的齿之间的距离。控制单元32被编程为利用下式来包含上述补偿常数 其中Fc是计算链条张力；^2、&和&是第一侧应变仪84在四个曲柄位置区域一(1)、二(2)、三(3)和四 (4)处的平均应变测量值；^6、&和&是第二侧应变仪86在四个曲柄位置区域一(1)，二(2)、三(3)和四 (4)处的平均应变测量值；1包括在上面的矩阵中用于补偿应变值； 、 、 和 是为四个曲柄位置区域一(1)、二(2)、三(3)和四(4)各自确定的 补偿常数，用于来自第一侧应变仪84的测量值；及 、 、街和彻是为四个曲柄位置区域一(1)、二(2)、三(3)和四(4)各自确定的 补偿常数，用于来自第二侧应变仪86的测量值；以及a9为每转确定的补偿常数。第一侧应变仪84和第二侧应变仪86的灵敏度在四个曲柄位置区域一(1)、二 (2)、三(3)和四(4)不同。通过处理在四个曲柄位置区域一(1)、二(2)、三(3)和四(4)中 每个区域处的相应应变数据，控制单元32可提供更一致和更可靠的计算链条张力。此外， 使用补偿常数^到a8可消除第一侧应变仪84和第二侧应变仪86之间在不同曲柄角度的 灵敏度的不同水平。而且，使用来自第一侧应变仪84的平均应变测量值X” X2> &和&和 来自第二侧应变仪86的平均应变测量值X5、X6、X7和X8可消除图21图表中展示的滞后效果。当链条上无张力(无扭矩)时，即使在该情形中测量到应变，上式中常数％和1补 偿旋转。本发明人通过实验确定了补偿常数ai a9。控制单元32可用下式计算功率P = Fc · Vc其中Vc是链条速度Vc = ω · Gr其中ω是转速(基于来自踏频传感器200的信号计算的)Gr是这组链环35中活动链环的半径(基于来自齿轮定位传感器206的信号)控制单元32可用下面公式计算扭矩ρ = τ · ω其中
T是每转的平均扭矩。 借助上述构造的力传感器组件12，第一结合部124和第二结合部126的弹性变形 允许得到精确的应变测量值。力传感器组件12的构造允许易于安装到新的和以前使用的 自行车上。力传感器组件12的构造允许增加应变测量灵敏度并允许得到精确的计算链条 张力、脚踏功率和曲柄轴扭矩。此外，力传感器组件12的构造允许调整主体82的竖直定位。因此，第一结合部124 和第二结合部126可以被竖直定向成一个在另一个上方。因此，可以沿竖直方向(图17中 y方向)消除力，以便仅获得在链条张力方向C(图18中χ方向)上的力。因此，优选具有一个在另一个上方竖直定向的第一结合部124和第二结合部126。 通过在主体82的外环120中包括弓形狭长的开口 130，关于力传感器组件12的第一结合 部124和第二结合部126的竖直对准是可能的。松开紧固件F允许主体82相对于适配器 构件80和自行车10的框架18的角度定位。从这里的附图和说明书中可以理解的是，在相对适配器构件80调整主体82的角 度位置时，多个凹口 127可相应于适配器构件80的多个凹口 108的位置对准。然而，不要 求主体82的多个凹口 127相应于适配器构件80的多个凹口 108的位置对准。可替换实施例在上面描述的实施例中，前变速器34和后变速器36是骑车人以传统方式在不同 链环之间手动变速的。然而，从这里的附图和说明书中可以理解的是，力传感器组件12也 可用于具有自动换档系统的自行车。此外，可由改进的控制单元利用计算的链条张力(曲 柄轴扭矩)和功率并基于链条张力和当前齿轮速度来确定最优换档速度。术语的一般解释在理解本发明范围时，如这里使用的术语“包括”及其衍生词旨在为开放式术语， 其指明所述特征、元件、部件、组、整体、和/或步骤的存在，但不排除其他未指出的特征、元 件、部件、组、整体、和/或步骤的存在。上述说明也适用于具有类似意义的词，如“包含”、 “具有”及其衍生词。而且，术语“零件”、“部分”、“部”、“构件”或“元件”是以单数形式使用 的时，也可具有单个零件或多个零件的双重意义。这里为描述本发明而使用的下列方向性 术语“向前、向后、上方、向下、竖直、水平、下方和横向”以及任何其他类似方向性术语，表示 装配有本发明的自行车的那些方向。因此，这些用来描述本发明的术语应根据正常骑车位 置时使用的装配有本发明的自行车来解释。最后，程度术语，如这里所用的“基本上”，“约” 和“近似”表示被修饰的术语的合理偏差量，以便最终结果没有显著改变。 控制单元32优选包括具有自行车控制程序的微型计算机，其控制显示器220并基 于输入的数据执行计算。控制单元32也可包括其他传统部件，如输入接口电路、输出接口 电路、和存储装置，如ROM(只读存储器)装置和RAM(随机存取存储器)装置。控制单元32 的微型计算机被编程为控制显示器220，但可替换地，也可被编程为控制链条位置的自动换 档。存储器电路存储处理结果和控制程序，如由处理器电路运行的变速器定位操作程序。控 制单元32的内部RAM存储操作标记(operational flag)的状态和各种控制数据。本领域 技术人员从本公开可显然看出，控制单元32的精确结构和算法可以是执行本发明功能的 硬件和软件的任何组合。 虽然仅选择了所选的实施例来描述本发明，但对于本领域技术人员从本公开中显而易见的是，在不偏离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，在此可以做出各种变 化和修改。此外，以上对根据本发明实施例的描述仅是为了说明而提供，而非限制本发明的 目的，本发明由所附权利 要求及其等同物所限定。
权利要求
一种自行车底部支架力传感器，包括外部部分；内部部分，其尺寸被设置成接收并支撑曲柄轴轴承，所述曲柄轴轴承可旋转地支撑曲柄轴；以及至少一个传感器安装表面，所述传感器安装表面在所述外部部分与所述内部部分之间延伸并且具有固定至其上的应变仪，当所述力传感器接合至所述自行车底部支架时，所述传感器安装表面沿基本垂直于所述曲柄轴的旋转轴线的方向延伸。
2.根据权利要求1所述的自行车底部支架力传感器，进一步包括适配器构件，其可拆卸地安装至所述自行车底部支架的外侧并接合至所述外部部分。
3.根据权利要求2所述的自行车底部支架力传感器，其中，所述外部部分成角度可调 整地接合至所述适配器构件。
4.根据权利要求1所述的自行车底部支架力传感器，其中，所述外部部分包括环形外 环，而所述内部部分包括与所述外部部分径向间隔的环形内环，其中所述内环的内径向表 面被构造且尺寸被设置成支撑所述曲柄轴轴承。
5.根据权利要求4所述的自行车底部支架力传感器，其中，所述外环和所述内环通过 沿圆周彼此隔开的第一结合部和第二结合部而彼此结合。
6.根据权利要求5所述的自行车底部支架力传感器，其中，所述传感器安装表面被限 定在所述第二结合部上。
7.根据权利要求1所述的自行车底部支架力传感器，其中，所述应变仪具有应变测量 方向，所述应变测量方向从沿所述曲柄轴的旋转轴线延伸的平面成角度地偏移，所述平面 与所述旋转轴线重合并延伸穿过所述应变仪。
8.根据权利要求1所述的自行车底部支架力传感器，其中，所述应变仪包括具有第一 应变测量方向的第一应变仪和具有第二应变测量方向的第二应变仪，并且所述第一应变测 量方向和第二应变测量方向中的至少一个方向从沿所述曲柄轴的旋转轴线延伸的平面成 角度地偏移，所述平面与所述曲柄轴的旋转轴线重合并延伸穿过所述第一应变和第二应变 仪。
9.根据权利要求8所述的自行车底部支架力传感器，其中，所述第一应变测量方向和 第二应变测量方向中的一个方向从所述平面成角度地偏移基本45度的角。
10.根据权利要求8所述的自行车底部支架力传感器，其中，所述第一应变测量方向和 第二应变测量方向中的另一个方向从所述第一应变测量方向和第二应变测量方向中的所 述一个方向成角度地偏移基本90度的角。
11.根据权利要求1所述的自行车底部支架力传感器，其中，所述应变仪包括具有第一 应变测量方向的第一应变仪和具有第二应变测量方向的第二应变仪，当从所述旋转轴线的 方向观看时，所述第一应变测量方向和第二应变测量方向彼此成角度地偏移而限定了X形 状。
12.根据权利要求11所述的自行车底部支架力传感器，其中，所述第一应变测量方向 和第二应变测量方向彼此成角度地偏移基本90度的角。
13.根据权利要求6所述的自行车底部支架力传感器，其中，所述应变仪包括第一侧应 变仪和第二侧应变仪，所述第一侧应变仪设置在所述第二结合部的第一轴向侧，而所述第二侧应变仪设置在所述第二结合部的第二轴向侧。
14.根据权利要求13所述的自行车底部支架力传感器，其中，所述第一侧应变仪和所 述第二侧应变仪各自均包括具有第一应变测量方向的第一应变仪和具有第二应变测量方 向的第二应变仪，并且所述第一应变测量方向和第二应变测量方向中的至少一个方向从沿 所述曲柄轴的旋转轴线延伸的平面成角度地偏移，所述平面与所述曲柄轴的旋转轴线重合 并延伸穿过所述第一应变仪和第二应变仪。
15.根据权利要求14所述的自行车底部支架力传感器，其中，所述第一应变测量方向 和第二应变测量方向中的一个方向相对于与所述曲柄轴的旋转轴线重合并沿该旋转轴线 延伸的平面成角度地偏移基本45度的角。
全文摘要
一种自行车底部支架力传感器，包括外部部分、内部部分、至少一个传感器安装表面和应变仪。内部部分的尺寸被设置成接收并支撑可旋转地支撑曲柄轴的曲柄轴轴承。至少一个传感器安装表面在外部部分与内部部分之间延伸，并具有固定至其上的应变仪。当力传感器接合到自行车底部支架时，该传感器安装表面在基本垂直于曲柄轴的旋转轴线的方向上延伸。
文档编号G01L1/00GK101881674SQ20091017168
公开日2010年11月10日 申请日期2009年9月7日 优先权日2009年5月8日
发明者佐佐木文吾 申请人:株式会社岛野