一种方便安装的助力脚踏车扭矩检测机构论文和设计-王凯

全文摘要

本实用新型公开了一种方便安装的助力脚踏车扭矩检测机构，包括用于固定左右踏脚的中轴，在中轴上套设有管状的弹性体，所述弹性体靠近中轴中部的内端与中轴固定连接，弹性体靠近中轴端部的外端为可与牙盘连接并传递扭矩的连接端，所述弹性体的外侧壁上设有形变传感器，所述形变传感器通过滑环集电器与一个信号输出端电连接，所述弹性体的内端设有径向地贯通中轴的径向通孔，在径向通孔内设有固定销，所述弹性体的内端设有向外延伸的法兰边，所述径向通孔设置在法兰边的圆周面上。本实用新型使控制器可稳定地控制轮毂电机的输出扭矩和转速，方便车辆的组装和后续维护、并且使用寿命长。

主设计要求

1.一种方便安装的助力脚踏车扭矩检测机构，包括用于固定左右踏脚的中轴，其特征是，在中轴上套设有管状的弹性体，所述弹性体靠近中轴中部的内端与中轴固定连接，弹性体靠近中轴端部的外端为可与牙盘连接并传递扭矩的连接端，所述弹性体的外侧壁上设有形变传感器，所述形变传感器通过滑环集电器与一个信号输出端电连接。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种方便安装的助力脚踏车扭矩检测机构，其特征是，所述弹性体的内端设有径向地贯通中轴的径向通孔，在径向通孔内设有固定销。

3.根据权利要求2所述的一种方便安装的助力脚踏车扭矩检测机构，其特征是，所述弹性体的内端设有向外延伸的法兰边，所述径向通孔设置在法兰边的圆周面上。

4.根据权利要求1所述的一种方便安装的助力脚踏车扭矩检测机构，其特征是，所述弹性体的连接端设有可与牙盘连接的外花键，在弹性体的连接端端部螺纹连接有可锁紧牙盘的锁紧螺母。

5.根据权利要求3所述的一种方便安装的助力脚踏车扭矩检测机构，其特征是，在中轴远离弹性体的左端设有可适配在五通内的左轴承套，在左轴承套和中轴之间设有支承轴承，在法兰边与连接端之间的弹性体的圆周面上设有支承凸环，在弹性体外侧设有可适配在五通内的右轴承套，在右轴承套和支承凸环之间设有支承轴承，所述形变传感器为设置在所述法兰边与支承凸环之间的弹性体外侧面上的电阻应变片。

6.根据权利要求5所述的一种方便安装的助力脚踏车扭矩检测机构，其特征是，在所述法兰边外侧套设有中轴护套，所述中轴护套左端适配在左轴承套内，右端适配在右轴承套内，所述中轴护套上设有容许信号输出端向外穿出的输出过孔。

7.根据权利要求6所述的一种方便安装的助力脚踏车扭矩检测机构，其特征是，所述中轴上套设有绝缘套，所述绝缘套外侧壁上设有环形槽，滑环集电器包括嵌设在环形槽内的滑环、设置在中轴护套内侧壁上具有所述信号输出端的电路板，所述滑环与形变传感器电连接，所述电路板上设有弹性抵压滑环且与信号输出端电连接的导电滑片。

8.根据权利要求7所述的一种方便安装的助力脚踏车扭矩检测机构，其特征是，所述电路板上设有霍尔元件，所述绝缘套内嵌设有与霍尔元件对应的磁钢。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及电动助力脚踏车技术领域，尤其是涉及一种方便安装的助力脚踏车扭矩检测机构。

背景技术

目前，电动自行车因为其省力、方便等优点在国内得到了普及，电动自行车是在现有的自行车的基础上设置蓄电池、轮毂电机以及用于控制轮毂电机的控制器。当骑车人转动设置在车辆把手上的调速车把时，即可直接控制轮毂电机的输出扭矩和转速，以实现电力驱动。

然而现有的电动自行车存在如下问题：虽然电动自行车保留了踏脚，以便骑车人用人力骑行，但是作为动力源的踏脚和轮毂电机是分开控制的，由于骑车人很难通过调速车把准确控制轮毂电机输出扭矩大小以及转速的高低，因而无法使电力驱动和脚踩驱动良好配合，造成大量的电动自行车实际上完全采用纯电力驱动模式的现状，而脚踏骑行只有在蓄电池电量耗尽时才会采用。该驱动方式虽然具有快捷、省力的好处，但是其背离了电力辅助驱动的初衷，使电动自行车成为纯粹的电力机动车，进而容易产生超速行驶，造成骑行的不安全。特别是，对于一部分既希望通过人力骑行达到锻炼身体目的、又希望实现电力辅助驱动以节省体力的骑行者而言，现有的电动自行车很难达到人力骑行为主、电力辅助驱动的效果。

为此，人们实用新型了电动助力自行车，电动助力自行车的基本构造和工作原理与电动自行车类似，其也是通过蓄电池驱动轮毂电机，从而驱动车辆行驶，但是，其轮毂电机的转动是由相应的传感器所感应到的信号控制的，当控制器接收到传感器输出的踏脚的速度、扭矩、或者车辆的状态等信号时，即可自动控制轮毂电机的工作状态和输出扭矩。也就是说，骑车人在不采用脚踏骑行的状态下无法实现纯电力驱动，电力驱动只能用于辅助驱动，并且骑车人无法随意地控制轮毂电机的输出扭矩和转速，从而可实现人力为主、电力为辅的骑行方式，在锻炼身体的同时确保骑行者可长距离地骑行，并在诸如需要加速等情况下节省体力。

现有的助力车的传感器通常是设置在传动链条上的，通过检测传动链的张紧度判断出助力车的骑行状态，进而控制轮毂电机的输出扭矩和转速。例如，在中国专利文献上公开的“一种电动助力车的扭矩检测装置”，其公告号为CN207328734U，包括可固定在车身上的安装部件、设置在安装部件上的扭矩传感装置，所述扭矩传感装置包括设置在安装部件上并纵向布置的传感器弹性体，所述传感器弹性体上设有可感测传感器弹性体形变的形变传感器，传感器弹性体的一端设有传感链轮，传感器弹性体的另一端设有导向链轮，传感链轮和导向链轮分别位于助力车传动链的张紧段两侧，传感链轮和导向链轮分别与张紧段相啮合，传动链的张紧段在依次绕过导向链轮和传感链轮后形成Z形弯折，在传动链的松弛段上还设有可使传动链具有一个初始张紧力的张紧机构，当传动链的张紧段张紧而顶推导向链轮和传感链轮时，传感器弹性体产生形变，此时的形变传感器即可输出与传感器弹性体的形变量相对应的电信号。

然而现有的电动助力车上的扭矩检测机构存在如下缺陷：首先，由于被弯曲成Z自行的传动链的张紧力经过转换最终形成纵向布置的弹性体的弯曲形变，而传感器检测的是弹性体的弯曲形变量。也就是说，传动链的张紧力不是直接作用在弹性体上，传感器检测的并不是传动链的张紧力大小。因此，传动链和弹性体的安装精度、传动链安装时的长度和松紧度等都会对传感器的输出产生影响，从而影响控制精度的稳定性。其次，不利于传动链的装配和维修，并且弹性体、传感器外露，容易因恶劣的环境使传感器失效、或降低精度。特别是，当遇到路面不平、车辆剧烈震动时，传动链也会产生剧烈的上下晃动，使传动链产生一个附加的张紧力，进而使传感器输出错误的干扰信号。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有电动助力车的扭矩检测机构所存在的控制精度容易受安装条件等影响、控制精度的稳定性较差，以及不方便安装维护、容易失效的问题，提供一种方便安装的助力脚踏车扭矩检测机构，具有稳定的控制精度，方便车辆的组装和后续维护、并且使用寿命长。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种方便安装的助力脚踏车扭矩检测机构，包括用于固定左右踏脚的中轴，在中轴上套设有管状的弹性体，所述弹性体靠近中轴中部的内端与中轴固定连接，弹性体靠近中轴端部的外端为可与牙盘连接并传递扭矩的连接端，所述弹性体的外侧壁上设有形变传感器，所述形变传感器通过滑环集电器与一个信号输出端电连接。

和自行车相类似地，电动的助力脚踏车的车架也包括一个管状的五通，而中轴就设置在五通内，中轴的两端分别设置曲柄以及踏脚，中轴的右段还设有牙盘，牙盘和后轮的链轮之间绕设有传动链。当骑行者两脚分别交替地踩踏左右两侧的踏脚时，机壳驱动中轴转动，进而带动牙盘正向转动，牙盘即通过传动链驱动后轮正向转动，实现助力脚踏车的人力骑行。可以理解的是，在人力骑行时，中轴上会形成一定的扭矩。为此，本实用新型创造性地在中轴上套设一个管状的弹性体，并且使弹性体的一端与中轴固定连接，弹性体的另一端为可与牙盘连接并传递扭矩的连接端。也就是说，助力脚踏车的牙盘是设置在弹性体的连接端上的。这样，当骑行者脚踩踏脚开始骑行时，弹性体的一端受到的是中轴传递过来的正向转动的作用力，弹性体的另一端受到的是通过后轮、传动链、牙盘传递过来的反向的阻力，从而在弹性体上形成一个扭矩，使弹性体产生一定程度的扭转形变，此时，弹性体上的形变传感器即可向控制器输出一个电信号，控制器则根据该电信号判断出骑行者人力骑行的扭矩大小。当车辆刚刚起步、车辆遇到上坡、或者骑行者需要加速骑行时，人力骑行的扭矩会自然地增大，由形变传感器所输出的电信号会相应地增大，此时控制器机壳时轮毂电机输出较大的扭矩和转速，以便使车辆快速启动，或者节省骑行者在车辆上坡和加速时的体力。

需要说明的是，车架的五通是一个相对封闭的空间，因此，将弹性体以及相应的形变传感器等设置在五通内，可有效地避免弹性体、形变传感器等受外部环境的影响，有利于提高其工作的稳定性和使用寿命。可以理解的是，车辆的剧烈震动不会使弹性体产生附加的扭矩，因而不会影响形变传感器的输出信号的稳定性。另外，车辆的中轴部分是整车上最不易损坏，最不需要后期维护的部分。因此，将弹性体、形变传感器等设置在中轴上，可有效地避免后续车辆维修时重新拆装的麻烦。更进一步地，形变传感器检测的是弹性体的扭转形变，而弹性体的扭转形变只与骑行者作用到中轴上的驱动力有关，和弹性体在中轴上的轴向以及周向安装位置精度无关，因此，可大大降低对安装精度的要求。特别是，当骑行者的左右脚依次踩踏而向中轴输出驱动扭矩时，弹性体均产生相应的扭转形变，而形变传感器则均可输出相应的电信号，从而有利于保持输出信号的连续性，使控制器可根据骑行状态随时调整轮毂电机的输出扭矩和转速。

作为优选，所述弹性体的内端设有径向地贯通中轴的径向通孔，在径向通孔内设有固定销。

通过固定销时弹性体的一端和中轴固定连接，既方便其加工和组装，又可使中轴向弹性体传递足够的扭矩。

作为优选，所述弹性体的内端设有向外延伸的法兰边，所述径向通孔设置在法兰边的圆周面上。

法兰边一方面可显著地提升管状的弹性体内端的强度，避免其出现裂口的现象，又可提高与固定销连接的强度，避免因中轴和弹性体之间传递的扭矩过大导致弹性体的径向通孔开裂，并且有利于降低弹性体的壁厚。

作为优选，所述弹性体的连接端设有可与牙盘连接的外花键，在弹性体的连接端端部螺纹连接有可锁紧牙盘的锁紧螺母。

弹性体的连接端设置外花键，从而与牙盘实现花键连接，可有效地传递扭矩，同时方便牙盘和弹性体之间的连接装配。而锁紧螺母则是牙盘可靠地固定在弹性体上，避免牙盘在弹性体上产生轴向位移。

作为优选，在中轴远离弹性体的左端设有可适配在五通内的左轴承套，在左轴承套和中轴之间设有支承轴承，在法兰边与连接端之间的弹性体的圆周面上设有支承凸环，在弹性体外侧设有可适配在五通内的右轴承套，在右轴承套和支承凸环之间设有支承轴承，所述形变传感器为设置在所述法兰边与支承凸环之间的弹性体外侧面上的电阻应变片。

本实用新型在中轴的左右两端分别设置可适配的五通内的左、右轴承座，从而可将整个检测机构方便地安装并定位在五通内，而左、右轴承座内的支承轴承则可使中轴和五通之间通过轴承形成良好的转动连接，极大地减小摩擦阻力。特别是，弹性体上设有法兰边和支承凸环，因此，我们可充分地降低法兰边和支承凸环之间的弹性体的壁厚，从而尽量增大弹性体在工作时的扭转变形，进而有利于提高形变传感器输出的电信号精度。可以理解的是，弹性体在工作时承受的只是一个扭矩，并且弹性体是套设在中轴上的，因此，当弹性体受到一个扭矩而扭转变形时，中轴会对弹性体形成径向上的可靠支撑，即使弹性体的壁厚较薄，也不会产生向内凹陷变形，确保弹性体可正常工作，并且壁厚较薄的弹性体更有利于其产生扭转形变。

作为优选，在所述法兰边外侧套设有中轴护套，所述中轴护套左端适配在左轴承套内，右端适配在右轴承套内，所述中轴护套上设有容许信号输出端向外穿出的输出过孔。

中轴外套可使弹性体和形变传感器得到有效的遮护，并使整个检测机构形成一个完整的封闭式结构，既有利于在五通内的装配，又可加强对弹性体、形变传感器的防护，延长使用寿命。

作为优选，所述中轴上套设有绝缘套，所述绝缘套外侧壁上设有环形槽，滑环集电器包括嵌设在环形槽内的滑环、设置在中轴护套内侧壁上设有所述信号输出端的电路板，所述滑环与形变传感器电连接，所述电路板上设有弹性抵压滑环且与信号输出端电连接的导电滑片。

当中轴带动弹性体转动时，形变传感器产生相应的电信号，从而通过滑环、与滑环弹性抵压的导电滑片、信号输出端向外输出。可以理解的是，中轴护套是相对固定地设置在五通内的，而中轴、弹性体是会相对五通转动的。当中轴带动绝缘套转动时，导电滑片可始终紧密贴靠滑环，从而确保形变传感器与信号输出端之间的可靠电连接。

作为优选，所述电路板上设有霍尔元件，所述绝缘套内嵌设有与霍尔元件对应的磁钢。

当中轴带动绝缘套转动时，磁钢和霍尔元件之间形成相对转动，当磁钢转动至与霍尔元件相对时，霍尔元件即可向外输出一个电信号。控制器可根据接收到的电信号的间隔时间计算出中轴的转动速度，继而控制轮毂电机输出相应的扭矩和转速。例如，当车辆上坡时，控制器可根据形变传感器输出的电信号使轮毂电机输出一个较大的扭矩；而此时霍尔元件输出的中轴转速较低，因而，控制器可使轮毂电机输出一个较低的转速，在对骑行者充分助力的前提下，避免因速度过快而导致轮毂电机以及相应的蓄电池负载过大。

因此，本实用新型具有如下有益效果：使控制器可稳定地控制轮毂电机的输出扭矩和转速，方便车辆的组装和后续维护、并且使用寿命长。

附图说明

图1是本实用新型的一种结构示意图。

图中：1、中轴 2、弹性体 21、连接端 22、法兰边 23、锁紧螺母 24、支承凸环 3、形变传感器 4、信号输出端 5、固定销 6、左轴承套 61、端壁 62、侧壁 63、支承轴承 64、转动法兰边 65、霍尔元件 7、右轴承套 71、外侧壁 72、内侧壁 8、中轴护套 81、电路板 811、导电滑片 9、绝缘套 91、环形槽 92、滑环 93、磁钢。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型做进一步的描述。

如图1所示，一种方便安装的助力脚踏车扭矩检测机构，其用于检测骑行者在骑行电动的助力脚踏车时的人力输出扭矩大小，进而使控制器可控制轮毂电机输出相应的扭矩和转速，实现电力辅助驱动。当然，助力脚踏车上需要设有蓄电池、可驱动车轮的轮毂电机或者其它形式的驱动电机、用于控制轮毂电机的控制器。

具体包括中轴1，在中轴上套设有管状的弹性体2，弹性体优选地可采用不锈钢之类不易生锈、且具有足够弹性的材料制成。中轴的左右两端需设置方头以及相应的螺孔等，以便于和踏脚的曲柄相连接。弹性体靠近中轴中部的内端与中轴固定连接，弹性体靠近中轴右端部的外端为可与牙盘连接并传递扭矩的连接端21，在弹性体的外侧壁上设置形变传感器3，形变传感器通过滑环集电器与一个信号输出端4电连接。

可以理解的是，和自行车相类似地，电动的助力脚踏车的车架也包括一个管状的五通，而中轴就设置在五通内，中轴的两端分别设置曲柄以及踏脚，中轴的右段还设有牙盘，牙盘和后轮的链轮之间绕设有传动链。当骑行者两脚分别交替地踩踏左右两侧的踏脚时，机壳驱动中轴转动，进而带动牙盘正向转动，牙盘即通过传动链驱动后轮正向转动，实现助力脚踏车的人力骑行。

这样，当骑行者脚踩踏脚开始骑行时，弹性体的一端受到的是中轴传递过来的正向转动的作用力，弹性体的另一端受到的是通过后轮、传动链、牙盘传递过来的反向的阻力，从而在弹性体上形成一个扭矩，使弹性体产生一定程度的扭转形变，此时，弹性体上的形变传感器即可产生一个电信号，并通过滑环集电器由信号输出端向外输出。

当车辆刚刚起步、车辆遇到上坡、或者骑行者需要加速骑行时，人力骑行的扭矩会自然地增大，由形变传感器所输出的电信号会相应地增大，此时控制器机壳时轮毂电机输出较大的扭矩和转速，以便使车辆快速启动，或者节省骑行者在车辆上坡和加速时的体力。

为了方便弹性体与中轴的连接，我们可在弹性体的内端设置径向地贯通中轴的径向通孔，在径向通孔内设置固定销5，既方便加工和组装，又可使中轴向弹性体传递足够的扭矩。

优选地，我们可在弹性体的内端设置一体地向外延伸的法兰边22，以提升管状的弹性体内端的强度，避免弹性体出现裂口的现象。此外，径向通孔可设置在法兰边的圆周面上，从而延长固定销伸入弹性体的径向通孔部分的长度，有效地提升中轴和弹性体的连接强度，避免因中轴和弹性体之间传递的扭矩过大导致弹性体的径向通孔开裂，并且有利于降低弹性体的壁厚。

此外，弹性体的连接端设可设置用于和牙盘连接的外花键，当然，牙盘的中心应设置相应的花键孔，并在弹性体的连接端端部螺纹连接一个锁紧螺母23。当本实用新型装配到五通内时，可先将牙盘键连接到弹性体的连接端上的，然后拧紧锁紧螺母，即可使牙盘固定在弹性体上。

另外，我们可在中轴远离弹性体的左端外面设置一个左轴承套6，在弹性体外侧设置可适配在五通内的右轴承套7，左轴承套包括一个环形的端壁61、一体连接在端壁外边缘并向内轴向延伸的套筒状的侧壁62，右轴承套包括一个端壁、一体连接在端壁外边缘并向外轴向延伸的套筒状的外侧壁71、由端壁一体地向内轴向延伸的套筒状的内侧壁72。其中左轴承套的侧壁和右轴承套的内侧壁与五通内孔适配，从而可使本实用新型装配在五通内，而左、右轴承套则可适配并定位在五通的左右两端。还有，在法兰边与连接端之间的弹性体的圆周面上对应外侧壁位置可设置一个一体的支承凸环24。这样，我们可在左轴承套的侧壁和中轴之间设置由球轴承构成的支承轴承63，在右轴承套的外侧壁和支承凸环之间设置由球轴承构成的支承轴承，使中轴通过左轴承座内的支承轴承、右轴承座和弹性体之间的支承轴承和五通之间形成良好的转动连接，极大地减小摩擦阻力。

需要说明的是，左轴承套的侧壁、以及右轴承套的内侧壁上可分别设置外螺纹，以便于左、右轴承套螺纹连接在五通的左右两端。当然，五通的左右两端应设置内螺纹，左、右轴承套的外端部可设置正六边形的转动法兰边64，以方便用扳手将左、右轴承套紧固在五通上。

优选地，形变传感器为设置在法兰边与支承凸环之间的弹性体外侧面上的电阻应变片。需要说明的是，弹性体在工作时承受的只是一个扭矩，并且弹性体是套设在中轴上的，因此，当弹性体受到一个扭矩而扭转变形时，中轴会对弹性体形成径向上的可靠支撑，弹性体不会产生向内凹陷变形。因此，我们可充分地降低法兰边和支承凸环之间的弹性体的壁厚，从而尽量增大弹性体在工作时的扭转变形，进而有利于提高形变传感器输出的电信号精度。

进一步地，我们可在法兰边外侧套设一个中轴护套8，中轴护套左端适配在左轴承套的侧壁内，右端适配在右轴承套的内侧壁内，使整个检测机构形成一个完整的封闭式结构，弹性体和形变传感器可得到有效的遮护，有利于延长使用寿命。当然，我们需要在中轴护套上设置一个输出过孔，信号输出端则设置在输出过孔内，并通过输出过孔向外穿出，以方便和控制器的电连接。

为了方便转动中的形变传感器通过信号输出端向外输出信号，我们可在中轴上套设一个由塑胶模塑成形的绝缘套9，绝缘套与弹性体并排布置，绝缘套外侧壁上设置三圈在轴向上等间距分布的环形槽91。绝缘套与中轴可采用紧配合，或者将中轴作为镶嵌件与绝缘套一起模塑成形，从而使绝缘套可跟随中轴一起同步转动。

作为一种优选方案，滑环集电器包括嵌设在环形槽内的滑环92、设置在中轴护套内侧壁上的电路板81，滑环与形变传感器电连接，电路板上设置弹性抵压滑环的导电滑片811。当然，信号输出端应设置在电路板上，从而使形变传感器通过滑环、导电滑片与信号输出端形成电连接。

当中轴带动弹性体转动时，形变传感器产生相应的电信号，从而通过滑环、与滑环弹性抵压的导电滑片、信号输出端向外输出。可以理解的是，当中轴带动绝缘套转动时，导电滑片可始终紧密贴靠滑环，从而确保形变传感器与信号输出端之间的可靠电连接。

需要说明的是，信号输出端一方面向形变传感器输入一个电压，以便于形变传感器的正常工作，另一方面向外输出形变传感器产生的电信号。

更进一步地，如图1所示，我们还可在电路板上设置霍尔元件65，在绝缘套内嵌设与霍尔元件对应的磁钢93。当然，磁钢和滑环均可作为镶嵌件与绝缘套一起成形。

当中轴带动绝缘套转动时，磁钢和霍尔元件之间形成相对转动，当磁钢转动至与霍尔元件相对时，霍尔元件即可向外输出一个电信号。控制器可根据接收到的电信号的间隔时间计算出中轴的转动速度，继而控制轮毂电机输出相应的扭矩和转速。例如，当车辆需要加速时，控制器可根据形变传感器输出的电信号使轮毂电机输出一个较大的扭矩；而此时霍尔元件输出的中轴转速较高，因而，控制器可使轮毂电机输出一个较高的转速，在对骑行者充分助力的前提下，确保车辆具有较高的速度。

设计图

一种方便安装的助力脚踏车扭矩检测机构论文和设计

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