電動腳踏車中軸力矩感測裝置

《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》是蘇州八方電機科技有限公司於2013年2月7日申請的專利，該專利的公布號為CN103085932A，申請號為201310048472X，授權公布日為2013年5月8日，發明人是王清華、賀先兵、丁俊。

《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》公開了一種電動腳踏車中軸力矩感測裝置，包括通過軸承裝配於五通管內的中軸、固定在中軸上的曲柄和套設於中軸上的牙盤；其特徵在於還包括力矩感應霍爾組件，該組件包括一連線中軸和牙盤的彈性扭轉構件，該彈性扭轉構件上固定有藉由其扭轉而產生圓周位移的力矩感測磁鋼，還包括固定於中軸上並與力矩感測磁鋼對應的力矩感測霍爾元件，所述力矩感測霍爾元件經一安裝於中軸和五通管內壁間的集電環出線裝置與電機控制電路板電連線，而電機控制電路板則與電機電連線。該發明的感應靈敏度和準確性高、能夠檢測靜態和動態扭矩，還可以確保電動腳踏車在騎行中零啟動並保持行駛性能的穩定。

2018年12月20日，《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》獲得第二十屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：電動腳踏車中軸力矩感測裝置
• 公布號：CN103085932A
• 授權日：2013年5月8日
• 申請號：201310048472X
• 申請日：2013年2月7日
• 申請人：蘇州八方電機科技有限公司
• 地址：江蘇省蘇州市工業園區婁葑鎮和順路9號
• 發明人：王清華、賀先兵、丁俊
• Int.Cl.：B62M6/50(2010.01)I
• 代理機構：蘇州創元專利商標事務所有限公司
• 代理人：范晴
• 類別：發明專利

專利背景

截至2013年2月，電動腳踏車由於其輕快省力及無污染等特點，正日益在中國推廣運用。傳統的電動腳踏車都用手把來調速，即用手把來控制電機的輸出功率，而越來越多的電動腳踏車則主要採用力矩感測器將人騎行時腳的蹬力轉換成相應的電壓信號輸出，經電機控制電路板放大處理後控制電機的運轉功率，這樣可以大大節省能源。

截至2013年2月，用於電動腳踏車中的力矩感測器多為霍爾轉速感測器，這種感測器使用磁鋼貼上在電動腳踏車的中軸或飛輪等旋轉部件表面，而在車架主軸等非轉動部件上安裝霍爾元件，當人踏腳蹬時，中軸或飛輪旋轉產生對應於扭力矩的變化電位，並輸出相應的電壓信號，經放大處理後即可控制電機的輸出功率。然而這類電動腳踏車感測器存在下述問題：1、不能檢測靜態和動態扭矩，測量精度差，在騎行中不能零啟動，在平路和下坡騎行中會出現電動助力過大而使電池產生不必要的放電。2、由於磁鋼並未安裝在中軸有效的受力部位，其因扭力而產生的位移變化並不明顯，往往在低轉速時明顯，而高轉速時則不明顯，故使得感應電位信號的輸出不準確，感測器的工作穩定性和可靠性均大大下降。

發明內容

專利目的

《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》目的是：提供一種感應靈敏度和準確性高、能夠檢測靜態和動態扭矩的電動腳踏車中軸力矩感測裝置，該力矩感測裝置還可以確保電動腳踏車在騎行中零啟動並保持行駛性能的穩定。

技術方案

《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》的技術方案是：一種電動腳踏車中軸力矩感測裝置，包括通過軸承裝配於五通管內的中軸、固定在中軸上的曲柄和套設於中軸上的牙盤；其特徵在於還包括力矩感應霍爾組件，該組件包括一連線中軸和牙盤的彈性扭轉構件，該彈性扭轉構件上固定有藉由其扭轉而產生圓周位移的力矩感測磁鋼，還包括固定於中軸上並與力矩感測磁鋼對應的力矩感測霍爾元件，所述力矩感測霍爾元件經一安裝於中軸和五通管內壁間的集電環出線裝置與電機控制電路板電連線，而電機控制電路板則與電機電連線。

進一步的，《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》中所述集電環出線裝置包括集電環支架、集電環、出線線路板及導電刷或導電彈簧；所述中軸上固定有集電環支架，所述集電環支架上固定有若干集電環，而所述五通管內壁上固定有出線線路板，所述出線線路板上固定有與所述集電環對應配合的若干導電刷或導電彈簧，所述出線線路板經引出線與電機控制電路板電連線，而電機控制電路板則與電機電連線。

更進一步的，《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》中所述力矩感測霍爾元件由力矩感測線路板和固定其上的力矩感測霍爾本體構成，所述力矩感測線路板固定在集電環支架上，並藉由導線與所述集電環一一對應相連。

更進一步的，《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》中所述五通管內裝有出線線路板定位襯套，所述五通管兩端通過壓入左、右護碗而軸向鎖緊所述出線線路板定位襯套；所述出線線路板定位襯套一端內壁上設有內階槽，所述出線線路板嵌入所述內階槽內，出線線路板外端則通過套置於中軸上的調整彈簧軸向固定。

進一步的，《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》中所述彈性扭轉構件優選由撥盤和與撥盤一體相連且帶有開口的環套構成，所述撥盤和環套均套設於中軸上，並且撥盤與牙盤固定，而所述環套上從開口處沿圓周開有非閉合切口，所述環套上與撥盤因非閉合切口而脫開的部分固定於所述中軸上，而餘下的部分則固定所述力矩感測磁鋼。實際操作時，環套與中軸間的固定方式可以藉助螺釘、鉚釘等緊固件固定，或者藉由鍵槽固定，或者也可焊接固定，《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》對此不作限定。

更進一步的，《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》中所述力矩感測磁鋼位於環套端部，並固定於環套上的開口一側端壁上。

進一步的，《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》中所述彈性扭轉構件也可以採用常規的彈簧。

更進一步的，《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》中所述出線線路板上集成有速度感應霍爾本體，而中軸上則固定有與速度感應霍爾本體對應的速度感應磁鋼。

《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》中涉及的曲柄在實際使用時同常規技術一樣與腳踏車腳踏裝配固定，並由人踩踏而帶動旋轉。

《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》的具體工作原理是：在電動腳踏車啟動和騎行過程中，人踩腳踏帶動曲柄和中軸旋轉，中軸則將扭力傳遞給彈性扭轉構件。由於在彈性扭轉構件瞬時受力時，其中與牙盤固定的撥盤在慣性作用下保持相對靜止，也即環套上與撥盤相連的部分也保持相對靜止，而環套上與撥盤因非閉合切口而隔斷的部分由於與中軸固定，故產生相對扭轉（轉動角度不大，通常2度左右）。這一扭轉也即使得相對靜止的力矩感測磁鋼和隨同中軸轉動的力矩感測霍爾元件之間產生相對位移，從而由力矩感測霍爾元件感應獲得磁場變化信號，並將該信號轉換成電壓信號經集電環和導電刷或導電彈簧的作用輸出給電機控制電路板。所述電機控制電路板根據電壓信號的強弱分別輸出相應的控制信號，驅動電機降低或者提高運轉功率以起到很好的助力效果，大大節省能源。

當然，《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》進一步的技術方案中引入了速度感應霍爾本體和速度感應磁鋼，它們的工作原理同常規技術一樣，速度感應磁鋼隨中軸旋轉而相對速度感應霍爾本體產生磁場變化信號，再由出線線路板將速度感應霍爾本體感應得到的磁場變化信號轉換成速度信號，進而輸出給電機控制電路板，由其處理後控制電機運轉功率。

《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》中所述電機控制電路板的作用即接收出線線路板輸出的力矩和速度感應信號，並根據接收到的力矩和速度感應信號輸出相應的控制信號給電機，驅動電機改變輸出功率，其實現方式為該領域技術人員所熟知。

專利優點

1．《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》藉助專門安裝於中軸和牙盤間的彈性扭轉構件來受力，並產生力矩感測磁鋼的扭矩位移，相比現有的霍爾力矩感測裝置，力矩傳遞到位，不會存在低轉速時力矩感應信號微弱的缺陷，而是始終能確保感應信號的高靈敏度和高精度。

2．《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》中只需中軸受力扭轉即可通過霍爾元件獲得力矩感應信號，故能夠檢測靜態和動態扭矩，相比現有的霍爾力矩感測裝置，工作性能更加穩定可靠，而且還可以確保電動腳踏車在騎行中零啟動並保持行駛性能的穩定。

附圖說明

圖1為《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》的結構剖視圖；

圖2為《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》中力矩感應原理示意圖。

其中：1、五通管；2、牙盤；3、牙盤固定螺釘；4、曲柄；5、螺栓；6、中軸；7、彈性扭轉構件；7a、撥盤；7b、環套；7c、開口；8、防塵護圈；9、右護腕；10、深溝球軸承；11、軸用卡簧；12、中軸固定螺釘；13、出線線路板定位襯套；14、力矩感測磁鋼；15、出線線路板；16、集電環支架；17、集電環；18、導電刷；19、速度感應霍爾本體；20、調整彈簧；21、左護腕；22、出線襯套；23、引出線；24、出線護圈；A、力矩感測霍爾元件；25、力矩感測線路板；26、力矩感測霍爾本體；27、左滾針軸承；28、速度感應磁鋼；29、右滾針軸承；30、密封圈；31、切口。

技術領域

《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》屬於力矩感測器技術領域，具體涉及一種電動腳踏車中軸力矩感測裝置。

權利要求

1.一種電動腳踏車中軸力矩感測裝置，包括通過軸承裝配於五通管（1）內的中軸（6）、固定在中軸（6）上的曲柄（4）和套設於中軸（6）上的牙盤（2）；其特徵在於還包括力矩感應霍爾組件，該組件包括一連線中軸（6）和牙盤（2）的彈性扭轉構件（7），該彈性扭轉構件（7）上固定有藉由其扭轉而產生圓周位移的力矩感測磁鋼（14），還包括固定於中軸（6）上並與力矩感測磁鋼（14）對應的力矩感測霍爾元件（A），所述力矩感測霍爾元件（A）經一安裝於中軸（6）和五通管（1）內壁間的集電環出線裝置與電機控制電路板電連線，而電機控制電路板則與電機電連線；所述彈性扭轉構件（7）由撥盤（7a）和與撥盤（7a）一體相連且帶有開口（7c）的環套（7b）構成，所述撥盤（7a）和環套（7b）均套設於中軸（6）上，並且撥盤（7a）與牙盤（2）固定，而所述環套（7b）上從開口（7c）處沿圓周開有非閉合切口（31），所述環套（7b）上與撥盤（7a）因非閉合切口（31）而脫開的部分固定於所述中軸（6）上，而餘下的部分則固定所述力矩感測磁鋼（14）。

2.根據權利要求1所述的電動腳踏車中軸力矩感測裝置，其特徵在於所述集電環出線裝置包括集電環支架（16）、集電環（17）、出線線路板（15）及導電刷（18）或導電彈簧；所述中軸（6）上固定有集電環支架（16），所述集電環支架（16）上固定有若干集電環（17），而所述五通管（1）內壁上固定有出線線路板（15），所述出線線路板（15）上固定有與所述集電環（17）對應配合的若干導電刷（18）或導電彈簧，所述出線線路板（15）經引出線（23）與電機控制電路板電連線，而電機控制電路板則與電機電連線。

3.根據權利要求2所述的電動腳踏車中軸力矩感測裝置，其特徵在於所述力矩感測霍爾元件（A）由力矩感測線路板（25）和固定其上的力矩感測霍爾本體（26）構成，所述力矩感測線路板（25）固定在集電環支架（16）上，並藉由導線與所述集電環（17）一一對應相連。

4.根據權利要求2所述的電動腳踏車中軸力矩感測裝置，其特徵在於所述五通管（1）內裝有出線線路板定位襯套（13），所述五通管（1）兩端通過壓入左、右護碗（21、9）而軸向鎖緊所述出線線路板定位襯套（13）；所述出線線路板定位襯套（13）一端內壁上設有內階槽，所述出線線路板（15）嵌入所述內階槽內，出線線路板（15）外端則通過套置於中軸（6）上的調整彈簧（20）軸向固定。

5.根據權利要求1所述的電動腳踏車中軸力矩感測裝置，其特徵在於所述力矩感測磁鋼（14）位於環套（7b）端部，並固定於環套（7b）上的開口（7c）一側端壁上。

6.根據權利要求1或2或3或4所述的電動腳踏車中軸力矩感測裝置，其特徵在於所述彈性扭轉構件（7）為彈簧。

7.根據權利要求2所述的電動腳踏車中軸力矩感測裝置，其特徵在於所述出線線路板（15）上集成有速度感應霍爾本體（19），而中軸（6）上則固定有與速度感應霍爾本體（19）對應的速度感應磁鋼（28）。

實施方式

實施例：結合圖1～圖2所示，為《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》提供的這種電動腳踏車中軸力矩感測裝置的具體實施方式，其具體由五通管1、牙盤2、牙盤固定螺釘3、曲柄4、螺栓5、中軸6、彈性扭轉構件7、防塵護圈8、右護腕9、深溝球軸承10、軸用卡簧11、中軸固定螺釘12、出線線路板定位襯套13、力矩感測磁鋼14、出線線路板15、集電環支架16、集電環17、導電刷18、速度感應霍爾本體19、調整彈簧20、左護腕21、出線襯套22、引出線23、出線護圈24、力矩感測霍爾元件A、左滾針軸承27、速度感應磁鋼28、右滾針軸承29和密封圈30這些部件所組成。

同常規技術一樣，所述五通管1內穿設中軸6，中軸6的兩端均通過螺栓5固定有曲柄4，同時所述中軸6上套設牙盤2，該牙盤2位於五通管1右側。《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》的關鍵改進在於力矩感應霍爾組件，這套組件的核心是一連線中軸6和牙盤2的彈性扭轉構件7，該彈性扭轉構件7上固定有藉由其扭轉而產生圓周位移的力矩感測磁鋼14。具體結合圖1和圖2所示，該實施例中的彈性扭轉構件7由撥盤7a和與撥盤7a一體相連且帶有開口7c的環套7b構成，所述撥盤7a和環套7b均套設於中軸6上，並且牙盤2通過若干牙盤固定螺釘3固定至撥盤7a上。而所述環套7b上從開口7c處沿圓周開有非閉合切口31，所述環套7b上與撥盤7a因非閉合切口31而脫開的部分藉由兩枚中軸固定螺釘12固定於所述中軸6上，而餘下的部分則固定所述力矩感測磁鋼14。該實施例中的力矩感測磁鋼14具體位於環套7b端部，並固定於環套7b上的開口7c一側端壁上，見圖2。且再結合圖1所示，該實施例中的環套7b與中軸6之間設定有右滾針軸承29，並且右滾針軸承29外側藉由套設於中軸6上的密封圈30密封。

所述力矩感應霍爾組件還具有固定於中軸6上並與力矩感測磁鋼14對應的力矩感測霍爾元件A，所述力矩感測霍爾元件A經一安裝於中軸6和五通管1內壁間的集電環出線裝置與電機控制電路板（圖中未畫出）電連線，而電機控制電路板則與電機（圖中未畫出）電連線。

結合圖1所示，該實施例中所述的集電環出線裝置由集電環支架16、集電環17、出線線路板15、導電刷18和引出線23組成。所述中軸6上固定有集電環支架16，所述集電環支架16上固定有三個集電環17，而所述所述五通管1內裝有出線線路板定位襯套13，所述五通管1兩端通過壓入左、右護碗21、9而軸向鎖緊所述出線線路板定位襯套13；所述出線線路板定位襯套13一端內壁上設有內階槽，所述出線線路板15嵌入所述內階槽內，出線線路板15左側外端則通過套置於中軸6上的調整彈簧20軸向固定。所述出線線路板15上固定有與所述集電環17對應配合的三個導電刷18，所述出線線路板15經引出線23與電機控制電路板（圖中未畫出）電連線，而電機控制電路板則與電機（圖中未畫出）電連線。該實施例中所述力矩感測霍爾元件A由力矩感測線路板25和固定其上的力矩感測霍爾本體26構成，所述力矩感測線路板25固定在集電環支架16上，並藉由三根導線（圖中未標出）與所述集電環17一一對應相連。

依舊結合圖1所示，該實施例中的右護腕9和環套7b之間設定有深溝球軸承10，並深溝球軸承10的左右兩端分別通過套置於環套7b上的軸用卡簧11和防塵護圈8鎖緊。同時該實施例中的左護腕21內於調整彈簧20向外依次設有出線襯套22和出線護圈24，所述出線線路板15上的引出線23依次穿過出線襯套22和出線護圈24上的開孔而引出。並且所述出線襯套22和中軸6之間設定有左滾針軸承27。

該實施例中所述出線線路板15上集成有速度感應霍爾本體19，而中軸6上則固定有與速度感應霍爾本體19對應的速度感應磁鋼28。

該實施例中涉及的曲柄4在實際使用時同常規技術一樣與腳踏車腳踏裝配固定，並由人踩踏而帶動旋轉。

結合圖1～圖2所示，《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》的具體工作原理是：在電動腳踏車啟動和騎行過程中，人踩腳踏帶動曲柄4和中軸6旋轉，中軸6則將扭力傳遞給彈性扭轉構件7。由於在彈性扭轉構件7瞬時受力時，其中與牙盤2固定的撥盤7a在慣性作用下保持相對靜止，也即環套7b上與撥盤7a相連的部分也保持相對靜止，而環套7b上與撥盤7a因非閉合切口而隔斷的部分由於與中軸6固定，故產生相對扭轉（轉動角度不大，通常2度左右）。這一扭轉也即使得相對靜止的力矩感測磁鋼14和隨同中軸6轉動的力矩感測霍爾元件A之間產生相對位移，從而由力矩感測霍爾元件A感應獲得磁場變化信號，並將該信號轉換成電壓信號經集電環17和導電刷18的作用輸出給電機控制電路板。所述電機控制電路板根據電壓信號的強弱分別輸出相應的控制信號，驅動電機降低或者提高運轉功率以起到很好的助力效果，大大節省能源。

該實施例中引入了速度感應霍爾本體19和速度感應磁鋼28，它們的工作原理同常規技術一樣，速度感應磁鋼28隨中軸6旋轉而相對速度感應霍爾本體19產生磁場變化信號，再由出線線路板15將速度感應霍爾本體19感應得到的磁場變化信號轉換成速度信號，進而輸出給電機控制電路板，由其處理後控制電機運轉功率。

上述實施例只為說明《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人能夠了解《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》的內容並據以實施，並不能以此限制《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》的保護範圍。凡根據《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》主要技術方案的精神實質所做的等效變換或修飾，都應涵蓋在《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》的保護範圍之內。

榮譽表彰

2018年12月20日，《電動腳踏車中軸力矩感測裝置》獲得第二十屆中國專利優秀獎。