一种助力自行车非接触式力矩速度传感系统的制作方法

本实用新型涉及一种助力自行车的力矩传感器，更具体地说，涉及一种助力自行车非接触式力矩速度传感系统。

背景技术：

随着中国经济生活水平的提高，人们对骑行运动重燃兴趣，中国市场在经历了自行车向电动自行车的转型后，电动助力自行车以其耗电量小和充电一次的续行里程长等优点正在成为新的发展方向。电动助力自行车在平地骑行时电机的输出功率很小，既能让人感觉到骑行轻松又很省电，而上坡时却可输出较大的扭矩使爬坡变得很省力。

为了让电动助力自行车的驱动电机能够根据自行车中轴所受扭转力大小而调整输出功率，几乎所有的电动助力自行车上都设有中轴力矩传感装置。目前国内外主要采用的力矩传感器有逆磁致伸缩效应、转矩位移转换方案、应变片检测方案、转矩磁阻转换方案等，虽各有其特点，但在使用时都存在许多不足之处，例如转矩位移转换方案成本低、技术难度低，但此方案对安装尺寸要求高，初次安装时需要严格对准信号的初相位，不利于生产，且在后期使用过程中易产生扭矩检测的漂移；应变片检测方案因其供电及信号的传输方式问题导致可靠性一般，且不适合在高速条件下、干扰较强或用来长期监控扭矩的环境下工作；转矩磁阻转换方案虽可靠性高，但是机械结构复杂、技术难度高；逆磁致伸缩效应机械结构简单、可靠性高，但是成本高、技术难度高。

中国专利号zl201810163683.0，申请公布日为2018年6月15日，发明创造名称为：一种基于逆磁致伸缩效应的助力自行车双边中轴扭矩传感器，该申请案涉及一种基于逆磁致伸缩效应的助力自行车双边中轴扭矩传感器，包括通轴、弹性套、中轴外套、线圈组件、磁致伸缩涂层、电路板、霍尔传感器、中轴端盖和多级磁环，通轴与弹性套通过键连接，弹性套转动连接在中轴外套内，通轴的右端转动连接在中轴端盖内，弹性套的外表面涂覆有磁致伸缩涂层，中轴外套与弹性套之间的空腔内设置有线圈组件和电路板，通轴上固定连接有多级磁环，霍尔传感器设置在多级磁环与中轴外套之间，线圈组件和霍尔传感器的输出端分别通过导线与电路板的输入端连接。该申请案在一定程度上解决了现有逆磁致伸缩效应力矩传感器中机械结构复杂、可靠性低、成本高、技术难度高的问题。但该申请案仅仅是针对“逆磁致伸缩效应”部分进行改进，没有将力矩传感器与整个助力机构结合考虑，即在自行车助力机构的结构紧凑性、力矩传递结构等方面还有待进一步提高。

技术实现要素：

1.实用新型要解决的技术问题

本实用新型的目的在于克服现有助力自行车力矩传感装置存在力矩传递结构不合理导致信号传输滞后、助力机构结构复杂臃肿等不足，提供一种助力自行车非接触式力矩速度传感系统，采用本实用新型的技术方案，将非接触式力矩传感器和链轮齿盘有机整合在齿轮的齿轮轴套上，利用单向器将齿轮安装于中轴上，中轴与链轮齿盘之间产生的力矩能够直接反应在齿轮轴套上，并由非接触式力矩传感器检测，减少了力矩传输滞后，配合霍尔速度传感器能够对助力自行车进行快速助力响应，并且结构更加紧凑，组件数量少，便于整体机壳的加工制作。

2.技术方案

为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

本实用新型的一种助力自行车非接触式力矩速度传感系统，包括中轴、齿轮、链轮齿盘、导磁合金膜、线圈组件、霍尔传感器、多级磁环和控制系统，所述的齿轮通过向两端外伸的齿轮轴套套设于中轴上，所述的齿轮轴套的一端通过轴承与中轴同轴配合，齿轮轴套的另一端通过单向器与中轴同轴配合，所述的链轮齿盘安装于齿轮轴套上，且位于靠近轴承的一端，所述的导磁合金膜设于齿轮轴套靠近单向器的一端外侧壁上，所述的线圈组件套设于导磁合金膜的外周，且线圈组件安装于线圈保持架上，所述的霍尔传感器安装于线圈保持架上，并与设于中轴上的多级磁环位置相对应；所述的线圈组件和霍尔传感器分别与控制系统通信连接。

更进一步地，所述的线圈组件包括激励线圈和测量线圈，所述的激励线圈和测量线圈分别环绕于导磁合金膜的外周，所述的导磁合金膜至少具有两排沿周向分布的导磁合金膜列，且相邻两排导磁合金膜列的标贴与齿轮轴套轴线成45°八字形排列。

更进一步地，所述的控制系统包括差分电路、车速检测电路和处理器，所述的激励线圈和测量线圈分别通过差分电路与处理器电连接，所述的霍尔传感器通过车速检测电路与处理器电连接。

更进一步地，所述的导磁合金膜采用激光雕刻工艺固定粘贴于齿轮轴套的外表面上。

更进一步地，所述的齿轮与齿轮轴套为一体成型结构。

3.有益效果

采用本实用新型提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下有益效果：

(1)本实用新型的一种助力自行车非接触式力矩速度传感系统，其将非接触式力矩传感器和链轮齿盘有机整合在齿轮的齿轮轴套上，利用单向器将齿轮安装于中轴上，中轴与链轮齿盘之间产生的力矩能够直接反应在齿轮轴套上，并由非接触式力矩传感器检测，减少了力矩传输滞后，配合霍尔速度传感器能够对助力自行车进行快速助力响应；并且，与现有的力矩速度传感装置相比，结构更加紧凑，组件数量少，便于整体机壳的加工制作；

(2)本实用新型的一种助力自行车非接触式力矩速度传感系统，其线圈组件包括激励线圈和测量线圈，激励线圈和测量线圈分别环绕于导磁合金膜的外周，导磁合金膜至少具有两排沿周向分布的导磁合金膜列，且相邻两排导磁合金膜列的标贴与齿轮轴套轴线成45°八字形排列；采用该非接触式力矩传感器结构，输出力矩信号更加稳定，适应性强，能够适应助力自行车在各种路况下进行助力控制；

(3)本实用新型的一种助力自行车非接触式力矩速度传感系统，其控制系统包括差分电路、车速检测电路和处理器，激励线圈和测量线圈分别通过差分电路与处理器电连接，霍尔传感器通过车速检测电路与处理器电连接，利用控制系统实现了力矩信号和速度信号的采集和处理，实现了助力自行车的智能控制；

(4)本实用新型的一种助力自行车非接触式力矩速度传感系统，其导磁合金膜采用激光雕刻工艺固定粘贴于齿轮轴套的外表面上，导磁合金膜制作更加简单方便，加工精度高。

附图说明

图1为本实用新型的一种助力自行车非接触式力矩速度传感系统的结构设置示意图；

图2为本实用新型的一种助力自行车非接触式力矩速度传感系统的电路控制原理示意图。

示意图中的标号说明：

1、中轴；2、齿轮；2-1、齿轮轴套；3、链轮齿盘；4、导磁合金膜；5、线圈组件；5-1、激励线圈；5-2、测量线圈；6、霍尔传感器；7、多级磁环；8、单向器；9、轴承；10、差分电路；11、车速检测电路；12、处理器。

具体实施方式

为进一步了解本实用新型的内容，结合附图和实施例对本实用新型作详细描述。

实施例

结合图1和图2所示，本实施例的一种助力自行车非接触式力矩速度传感系统，包括中轴1、齿轮2、链轮齿盘3、导磁合金膜4、线圈组件5、霍尔传感器6、多级磁环7和控制系统，齿轮2通过向两端外伸的齿轮轴套2-1套设于中轴1上，齿轮2与齿轮轴套2-1优选为一体成型结构，齿轮轴套2-1的一端通过轴承9与中轴1同轴配合，齿轮轴套2-1的另一端通过单向器8与中轴1同轴配合，在单向器8的作用下，中轴1在一个方向上与齿轮轴套2-1能够相对旋转，在另一个方向上能够同步旋转运动，进而由中轴1带动链轮齿盘3转动；链轮齿盘3安装于齿轮轴套2-1上，且位于靠近轴承9的一端，导磁合金膜4设于齿轮轴套2-1靠近单向器8的一端外侧壁上，线圈组件5套设于导磁合金膜4的外周，且线圈组件5安装于线圈保持架上，该线圈保持架可以是助力装置的机壳壳体，导磁合金膜4和线圈组件5组成了力矩传感器，中轴1与链轮齿盘3之间的传动扭矩由该力矩传感器进行检测；霍尔传感器6安装于线圈保持架上，同样该霍尔传感器6也可设于助力装置的机壳壳体上，并与设于中轴1上的多级磁环7位置相对应，霍尔传感器6与多级磁环7组成了速度传感器，能够检测中轴旋转速度。线圈组件5和霍尔传感器6分别与控制系统通信连接，由控制系统对助力自行车进行助力控制，只有在霍尔传感器6检测到中轴1具有一定转速(即车速)，且产生的力矩达到设定范围，此时控制系统才会控制电机工作，通过齿轮2直接驱动链轮齿盘3工作，提供骑行助力，同时保证了助力系统的安全可靠。与现有的助力自行车力矩传感器结构相比，将导磁合金膜4和线圈组件5组成了力矩传感器与链轮齿盘3有机组合在齿轮轴套2-1上，不仅结构部件更少，结构更加紧凑，而且力矩传递更加直接，有效减少了扭矩信号传递的滞后，实现了电机助力的快速响应。

如图1和图2所示，在本实施例中，上述的线圈组件5包括激励线圈5-1和测量线圈5-2，激励线圈5-1和测量线圈5-2分别环绕于导磁合金膜4的外周，导磁合金膜4至少具有两排沿周向分布的导磁合金膜列，且相邻两排导磁合金膜列的标贴与齿轮轴套2-1轴线成45°八字形排列。以导磁合金膜4具有两排导磁合金膜列为例，激励线圈5-1环绕在导磁合金膜4的外周，用于使得导磁合金膜4产生励磁效应，每排导磁合金膜列的外围均环绕一圈测量线圈5-2，在齿轮轴套2-1上产生扭矩作用时，根据材料力学，两排导磁合金膜列中的标贴会分别产生拉、压作用力，进而发生拉伸或压缩变形，导致产生的磁场发生变化，而这种变化由测量线圈5-2检测到，形成力矩大小信号。采用上述的非接触式力矩传感器结构，输出力矩信号更加稳定，适应性强，能够适应助力自行车在各种路况下进行助力控制。在本实施例中，导磁合金膜4优选采用激光雕刻工艺固定粘贴于齿轮轴套2-1的外表面上，具体制作时，可在齿轮轴套2-1的外周设置一层导磁合金材料，然后利用激光雕刻设备雕刻出所需的形状，可以仅留有图2所示的黑色矩形块，其余材料被剥离，也可以将黑色矩形块部分通过激光雕刻剥离，形成镂空图形。

如图2所示，控制系统包括差分电路10、车速检测电路11和处理器12，激励线圈5-1和测量线圈5-2分别通过差分电路10与处理器12电连接，将导磁合金膜4的变形信号转换为电信号反馈给处理器，霍尔传感器6通过车速检测电路11与处理器12电连接，将霍尔传感器6检测的脉冲信号转换为车速信号反馈给处理器，由处理器对整个系统进行控制，实现了力矩信号和速度信号的采集和处理，实现了助力自行车的智能控制。对于控制系统的控制原理，其与现有技术相同，在此就不再详述。

本实施例的一种助力自行车非接触式力矩速度传感系统，当中轴1运转时，一般是骑行者的骑行运动，通过单向器8带动齿轮2及其齿轮轴套2-1一起旋转，齿轮轴套2-1通过链轮齿盘3带动链条从而驱动自行车行驶，此时霍尔传感器6会检测到随中轴1一起旋转的多级磁环7的脉冲信号，并将信号反馈给控制系统，由控制系统处理计算出车辆的速度状态。与此同时，如果骑行受到阻力较大(如上坡)，此时齿轮轴套2-1上的导磁合金膜4会产生拉伸或压缩变形，从而会使测量线圈5-2感应到变形信号，并传送给控制系统进行分析处理，根据扭力大小来控制电机的功率输出，对自行车进行助力。

本实用新型的一种助力自行车非接触式力矩速度传感系统，将非接触式力矩传感器和链轮齿盘有机整合在齿轮的齿轮轴套上，利用单向器将齿轮安装于中轴上，中轴与链轮齿盘之间产生的力矩能够直接反应在齿轮轴套上，并由非接触式力矩传感器检测，减少了力矩传输滞后，配合霍尔速度传感器能够对助力自行车进行快速助力响应，并且结构更加紧凑，组件数量少，便于整体机壳的加工制作。

以上示意性地对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。