专利名称：位相比较式脚蹬转矩及转速检测装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电助动自行车技术领域，特别涉及智能型电助动自行车脚蹬转矩检测机构及转速检测机构的设计。
电助动自行车是一种人力驱动和电力驱动并用的轻便型交通工具，一般的电助动自行车人力驱动与电力驱动之间无关联。而较先进的智能型电助动自行车将首先测出骑行者脚蹬力的转矩(或称脚蹬力矩)及转速的大小，并以此转矩值及转速值作为控制信号来控制调节电动机的输出功率及电流的大小，以达到既减轻人力又省电的效果。目前微电脑控制技术已作为较成熟的技术在各个技术领域广泛采用，故该智能型控制方式的关键技术是如何适时测出每一时刻脚蹬转矩的大小及转速的大小，以便根据这两个数值进行智能控制。而测量脚蹬转矩的难点在于当骑行者脚蹬施力时，传递该脚蹬转矩的各个部件都在不停地转动之中。若直接使用各种传感器测脚蹬力，则这些传感器也势必在不停地转动，把信号从传感器传出的引线也将在不停的转动缠绕之中而成为一个难处理的问题。同时，该转矩检测系统要在长年的骑行过程中保持稳定、可靠和高重复性。为解决电助动自行车脚蹬转矩测量中这些特殊的技术难点，出现了不同的检测机构。
例如，本申请人申请的一项中国专利(申请号为9620018231)，是在自行车中轴上加装偏心机构。该偏心机构由具有一定偏心量的两层滚动轴承支承。自行车脚蹬中轴在内层滚动轴承中旋转。由于有偏心，当骑行者施加脚蹬力时，外层偏心机构将克服弹簧力而发生偏转。由于外层只发生偏转而不是像内层一样在不停地转动，故易将此偏转量转换成直线位移的变化。测出这个变化信号，即可测出脚蹬转矩。但采用此方案的自行车，其中轴比普通自行车中轴结构要粗大、复杂得多。同时，转速也需由另外的一套转速检测传感器系统单独检出。
另一个现有技术的例子，也是将脚踏转矩测量机构放在自行车中轴上。在中轴上布置棒状弹性体。当施加脚蹬力时，弹性体发生变形，同轴的凸轮将使滑块克服弹簧弹性而发生轴向的位移。由于滑块在随中轴不停地转动，滑块的端面需再推动一个不随中轴转动的摆杆。测量出摆杆沿轴向的直线位移的变化，并以此信号作为脚蹬转矩的信号。这种结构也非常复杂，并且转速同样需由另外单独设置的转速检测传感器系统检出。
现有技术中的另外一个例子申请号为95103616.5，是在后轮轴上，将弹性体拨叉和螺旋斜面凸轮做在同一个园盘上。施加脚蹬力时，螺旋倾斜楔面推动一个可沿着轴向方向滑动的尼龙滑动件。在旋转的尼龙件的端部有一园环状导电体，而在它的外部布置有一个不动的线圈，当尼龙件发生轴向直线位移时，线圈的电感发生变化。此轴向位移变化信号即代表了脚蹬转矩的变化。但此种结构也太复杂。同样，该机构也必须另外设置单独的转速检测传感器系统。
综上所述，现有技术的一个共同点是，均需将旋转件上承受的脚蹬转矩转换成不旋转的直线位移信号。而为完成这种转化，结构均很复杂，另一个共同点是均需另外设置单独的转速检测传感器系统。这就使结构更加复杂化。
本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，研创出一种原理完全不同的电助动车辆用的脚蹬转矩及转速检测装置，该装置能够由唯一的一个传感器系统同时担任转矩检测、转速检测，从而可用简单的结构直接精确地检测出脚蹬转矩和转速。
本发明所述的一种电助动车脚踏转矩测量装置，包括检测传感器，其特征在于还包括设置在承受或传递脚蹬转矩的任何一个转轴上的一组旋转部件，该旋转部件分别支承在弹性体的两端，分别附于该旋转部件上的一组相对转角检测环，所说的每个检测环的同一园周上有两个以上呈已知间隔排列的角度标记构件，所说的检测传感器设置在相对于角度标记构件的位置的不动体上，传感器检测出转矩信号，并可同时检测转速。
本发明所说的传感器可为透射式或反射式光电传感器之一种，所说的角度标记构件则可是一定角度的透射区、反射区或光栅之一种。
采用上述的脚蹬转矩测量装置的工作原理为当脚蹬受力后，这组旋转部件也将受转矩，支承在旋转部件的两半部分间的弹性体将发生变形。由于弹性体的变形，同轴的两部分旋转部件间将发生相对转动。分别附在这两半部分上的检测环上的两组角度标记构件，例如透射区相互间也转过一个角度。不受力时，两半部上的透射区互相遮盖不透光，由于错开角度，两透射区将部分重叠而透光。脚蹬力大，两检测环错开角度大，两透射区重叠部分越大，透光时间越长。但由于转速快慢在时刻变化着，所以透光的时间并不真正代表相对转角的大小，还需和周期分布相隔已知角度的透射区的透光时间进行比较，才能真正得出精确的相互转角的大小，从而精确地测量出脚蹬转矩。这就是位相比较的原理。并且，用已测量到的周期分布的已知角的透光情况，通过分析周期信号或已知角信号还可同时准确地得出转速值。检测时，可以用一个传感器检测出两个检测环的综合信号，也可用两个传感器分别检测出每个检测环的信号。图1是在四种情况下，传感器接收到的信号图。(A)表示用一个传感器接受到的一组检测盘的综合信号，脚蹬转矩的值由相对转动量信号t1(即一个重叠的透光区域的透光时间)和已知角信号T1(经过相邻的两个重叠透光区域之间的时间)的比值确定，而转速值可由已知角信号T1直接确定。(B)中，脚蹬转矩的大小与(A)一样，但转速不同。故t2和T2的数值与(A)中不同，但t2和T2的比值与t1和T1的比值相等。(C)中，表示当脚蹬转矩变大时信号的图形，此时t3和T3的比值增大。(D)表示当用两个传感器分别检测两片相对转角检测盘时，相对转动量信号t4的提取法。而已知角信号既可使用T4，也可使用T4’，图中上下两信号为两个传感器分别检测出的信号。
本发明提出了利用转动位相比较的原理，直接测出承受转矩的一组旋转部件的相对转角的新技术方案，籍此直接测出正在旋转着的部件上的脚蹬转矩，而无须将其转换成不旋转的位移信号，同时还可同时测出智能控制所必须的转速数值。
上述本发明的传感器，也可以是电容式或电感式或电涡流式传感器，所说的角度标记构件则是介质或金属构成的一定角度区域的平面、或一段角度栅纹、或角度齿之一种。所说的传感器还可以是磁传感器、所说的角度标记构件还可是磁性材料构成的一定角度区域的平面、或一段角度栅纹、角度齿。
本发明具有以下的优越性第一、脚蹬转矩测量和转速测量，可以由同一个传感器系统同时担任，使整个测量装置总体上大大简化，这是现有技术不能做到的。
第二、结构非常简洁，由于采用位相比较的原理，所以测量精度高。由于部件少，可靠性、长期稳定性也得到提高。
第三、由于不需要将脚蹬转矩转换成轴向的直线位移，所以轴向结构尺寸小，整个测量装置占用的结构空间也非常小。
第四、装配、调整简单、方便。
第五、本测量装置可方便地设置在承受或传递脚蹬转矩的任何一个部位上，如中轴轮盘，后轮轴等。
图1是本发明中传感器接收的信号图。
图2是本发明的一种实施例总体结构示意图。
图3为图2的侧视图。
结合附图详细说明本发明的一种实施例。图2为本实施例的总体结构示意图。图2中，左右两半旋转部件1上承受脚蹬转矩。其中一半输入脚蹬转矩，另一半输出。均匀分布的四个弹簧2的两端分别支承在左、右两半旋转部件11、12上。由钢片制成的两片相对转角园盘3分别固定在两半旋转部件11、12上。在相对转角园盘3上沿园周开有六组等间距L、成α＝20°角的透光槽孔4，光电传感器5安装在一不动的冂形支架6上，使光电传感器5在园周方向恰对准透光槽孔4，如图3所示。当无受力时，两园盘上的槽孔将处于相互遮盖的位置，这时光电传感器无信号接收；当受力时，两园盘上的槽孔重叠部分41透光，这时光电传感器接收光信号。同时接收两个相邻的重叠槽孔(41，42)间的信号，则可得知脚蹬转矩值和转速值。
本实施例可单独安装在电助动车的中轴上，也可单独或与电动轮毂合为一体安装在车的后轮轴上。
权利要求
1.一种电助动车脚蹬转矩测量装置，包括检测传感器，其特征在于还包括设置在承受或传递脚蹬转矩的任何一组旋转部件上的一组相对转角检测环，该旋转部件分别支承在弹性体的两端，所说的每个检测环的同一园周上有两个以上呈已知间隔排列的角度标记构件，所说的检测传感器设置在相对于角度标记构件的位置的不动体上，传感器检测出转矩信号，并可同时检测转速。
2.如权利要求1所说的电助动车脚蹬转矩测量装置，其特征在于所说的传感器为透射式或反射式光电传感器之一种，所说的角度标记构件是一定角度的透射区、反射区或光栅之一种。
3.如权利要求1所说的电助动车脚蹬转矩测量装置，其特征在于所说的传感器为电容式、电感式或电涡流式传感器之一种，所说的角度标记构件是介质或金属构成的一定角度区域的平面，角度栅纹或角度齿。
4.如权利要求1所说的电助动车脚蹬转矩测量装置，其特征在于所说的传感器为磁传感器，所说的角度标记构件为磁性材料构成的一定角度区域的平面，角度栅纹或角度齿。
全文摘要
本发明属于电助动自行车技术领域，本发明包括检测传感器，还包括设置在承受或传递脚蹬转矩的任何一组旋转部件上的一组相对转角检测环，该旋转部件分别支承在弹性体的两端，每个检测环有两个以上呈已知间隔排列的角度标记构件。该装置能够由唯一的一个传感器系统同时担任转矩检测、转速检测，从而可用简单的结构直接精确地检测出脚蹬转矩和转速。
文档编号G01P3/36GK1156247SQ9610983
公开日1997年8月6日 申请日期1996年9月20日 优先权日1996年9月20日
发明者贾维溥 申请人:清华大学