助力与健身一体自行车之中轴扭矩传感器和轮毂电机制造技术

本发明专利技术公开了一种中轴扭矩传感器和置于后轮的轮毂电机,使电动助力的通勤车也具有功率自行车的健身功能。该中轴扭矩传感器将扭矩的输入端与输出端分离，在两者间设置钢珠传递扭矩，钢珠径向滚动挤压滑环锥面使滑环轴向压缩碟簧组，滑环带动对斥的磁环位移，磁环间的霍尔IC检测位移输出电压信号。该轮毂电机采用行星减速和棘爪式离合器,棘爪离合器设置于行星齿圈与电机壳间，通过外置的旋钮可手动将棘爪离合器锁死。作通勤车，棘爪离合器工作，轮毂电机根据扭矩大小输出功率,进行电动助力。作室内或室外的健身车，棘爪离合器被锁死，轮毂带动电机外转子转动，作发电机给电池充电，也可以使电机外转子变成磁阻制动器,设置不同的运动强度。

【技术实现步骤摘要】
助力与健身一体自行车之中轴扭矩传感器和轮毂电机
本专利技术涉及自行车与健身车
，具体的说是涉及一种中轴扭矩传感器与轮毂电机,该车即作电动助力的通勤车也可以作发电的骑行台或移动的动感单车。
技术介绍
电动助力的通勤车分两种,一种采用中置电机,里面集成了扭矩传感器和踏频传感器,内置两套单向离合器不适合改动增加健身功能,另一种多采用轮毂电机和中轴踏频传感器,因功率为扭矩与转速的积,存在两个变量，只用一个变量控制电机输出功率不可靠不安全。健身车通常放在室内,如骑行台,动感单车等,常采用阻尼飞轮或磁滞制动器设置运动强度,基于电动机也能做发电机与电机制动的原理,对轮毂电机作结构上的小改动和改变驱动器电路,可变成发电机或磁阻制动器,如将电机的三相线切换到与水泥电阻短接,电机制动就作为负载使通勤车成为室内外的健身车；在共享电动助力车领域，可采用有偿方式让健身爱好者踩单车为电池充电。为达成电动助力的通勤车可以健身可以发电，须将轮毂电机置于后轮和采用中轴扭矩传感器提供扭矩与踏频信号。自行车领域用于五通内的扭矩传感器有三种方式:一种磁弹性扭矩传感器,利用磁性材料的磁致伸缩效应,采用激磁线圈和测量线圈来检测；一种用应变片方式,直接贴在旋转轴套上面临电源耦合进去与信号耦合出来的难题，或设置一套行星加速，应变片贴在行星支架或齿圈的固定端；最后一种采用机械方式,用扭簧传递扭矩产生相位差,而扭簧为自制非标件，其扭力与寿命难保证，四度以内角度线性测量困难。第一种方式最理想,冶金工业部在87年申请的专利871047241就有详细的制作方法,国外的专利更早,技术难度大与材料要求高,并且与应变片一样需要进行标定和调零调满，自动化生产困难。基于骑行平顺性要求,电动助力不能有顿挫感，而曲柄力臂是变化的正弦曲线,只有穿上锁鞋的运动员以画圆的方式踩踏脚蹬骑行,扭矩输出才近似恒定值，普通人间歇性发力,扭矩输出近似正弦非线性，所以电机控制算法中会在曲柄的上下死点人为加一个扭矩信号，以平滑采样信号曲线。当中轴转速超出每秒一圈时,即踏频信号超出60，扭矩信号通常只取一圈中的最大值。另外,助力车还配多个档位选择助力的大小。基于以上几点，助力自行车对扭矩传感器的精度并不同于在2﹪以内的功率计，也不同于运动竞技自行车对传动组件刚性的要求，而是安全与舒适,所以寻找一种能简单满足功能，电路和结构简单及生产容易的扭矩传感器仍是各单车厂的目标。公知的扭矩限制器结构中，采用钢珠传递扭矩滑环压缩碟簧，调整碟簧组的压缩量来设置扭矩大小，当扭矩超出设定值，钢珠从齿槽内跳出，使扭矩输入与输出端脱离，这只是开关量。得益于中轴只是单向传递扭矩,可以使钢珠在齿槽内径向滚动，使滑环压缩碟簧组作一个连续的位移,作为标准工业件的碟簧，压缩量在0.5h。时，寿命上百万次且弹力误差在15﹪以内。在专利2014101280438和2016102405228中提到压缩碟簧组产生位移，霍尔元件测出位移换算出扭矩的大小。前一种方案位移测量成本高抗干扰弱和驱动位移的钢珠以滑动摩擦为主，后一种方案驱动位移的产生为平面滑动,静摩擦力造成回滞大。本专利技术是对两个专利的改进与完善，更简单的结构生成弹性位移，一个霍尔IC线性测量磁环位移，输出与电子转把一样的直接可用的模拟电压信号，即将手动的电子转把功能做在脚上，使电动车变成电踏车。与磁弹性和应变计扭矩传感器相比,存在误差大一致性差,扭矩传递不直接,碟簧组会延缓爆发力,和摩擦造成功率损耗诸多缺点,但材料成本相近,制作容易,最简电路,高可靠抗干扰,扭矩可不标定,易批量生产，可用软件优化弥补扭矩一个变量的误差。在国内,应用于锂电自行车的轮毂电机，多采用行星减速，绝大部分将滚柱式离合器设置在行星支架上，行星齿圈直接与电机壳挤压过盈连接传递扭矩，结构最简单，当电机不工作时，轮毂会带动整个行星轮转动，造成滑行阻力大，并且滚柱式离合器阻力也大,也重。本专利技术将离合器设置在行星齿圈与电机壳间，采用三棘爪离合器,与自行车花鼓结构类似,阻力降到最低。滑行时与飞轮或塔基的三棘爪离合器组成更密集的棘爪碰撞声,通过响声能判断棘爪离合器是否被锁死。
技术实现思路
为实现通勤车既有电动助力,也可在室内室外作有强度的健身运动，本专利技术要解决的问题在于提供一种中轴扭矩传感器和后置的轮毂电机,轮毂电机作电动机助力时,内部须设置单向离合器，轮毂不能带动电机外转子转动,驱动器根据扭矩和人的功率分段控制轮毂电机输出功率；作发电机或磁阻制动时,轮毂必须带动电机外传子转动，电机的三相线作相应的切换。为解决上述技术问题，本专利技术通过以下方案实现。第一，中轴扭矩传感器置于车架五通内，检测中轴两端扭矩和转速，所述中轴扭矩传感器包括：轴碗端盖、中轴导线、轴挡圈、中轴左轴承、左轴碗、PCB支架、位移霍尔IC、转速霍尔IC、PCB、磁环护圈、单极磁环、多极磁环、磁环支架、调节螺母、碟簧组、滑环、中轴、位移钢珠、定位钢珠、半轴、半轴O令、滚针轴承、中轴O令、右轴碗、中轴右轴承、牙盘爪、半轴螺钉；所述中轴扭矩传感器特征在于，定位钢珠将中轴与半轴连接成能互相转动的整体,在中轴和半轴上分别设置外半环槽和内半环槽,中轴插入半轴后,外半环槽和内半环槽的槽心重合,拼成截面呈圆形的圆环滚道，定位钢珠在圆环滚道内滚动并传递中轴和半轴之间的轴向力,进一步的,外半环槽(17b)和内半环槽(20f)的半圆形截面可以改成圆弧与直线相切或者梯形,定位钢珠的直径优选公制2.50mm或英制3/32″；所述中轴扭矩传感器特征在于，在中轴与半轴之间设置滚针轴承,降低两者相互转动的摩擦力,滚针轴承由数条长滚针和保持架组成或者由两组数条短滚针与保持架构成;所述位移钢珠用来传递中轴和半轴之间的扭矩,位移钢珠置于中轴的钢珠槽和半轴的半圆齿槽内，采用二硫化钼极压锂基润滑脂来润滑,中轴上的齿工作斜面挤压位移钢珠，位移钢珠将压力传递给半轴上的工作齿面和滑环的圆锥面，传递出扭矩,同时使滑环产生轴向分力压缩碟簧组,位移钢珠的直径优选公制6.00mm或英制15/64″;所述半轴螺钉将牙盘爪锁紧在半轴上，并且充当半轴上圆弧外花键与牙盘爪上圆弧内花键的定位螺钉，使圆弧内外花键接触面预压，间隙为零；所述牙盘爪顶在中轴右轴承的内圈上,中轴与牙盘爪受到向左的轴向力通过中轴右轴承传递给右轴碗;所述中轴设置两处相邻的轴挡圈槽,安装轴挡圈,轴向左右限制两个中轴左轴承；所述中轴设置有调节螺纹，其上设置调节螺母调整碟簧的尺寸误差与预压力和组件加工误差；所述中轴在圆周上设置均布的钢珠槽，钢珠槽由齿工作斜面和齿根圆弧面构成,两者相切,齿根圆弧面的弧半径与位移钢珠半径相同，钢珠槽采用金属塑性成形；所述半轴在左端面设置均布的半圆齿槽,半圆齿槽由两个四分之一圆弧的工作齿面与非工作齿面构成,工作齿面的宽度超过非工作齿面的宽度，半圆齿槽采用金属塑性成形;所述半轴在右端圆周上设置对称的三组圆弧外花键与三个超过半边的内牙槽，内牙槽的中心半径小于半轴右端外圆半径，使半轴螺钉能锁紧在内牙槽内；所述半轴在内孔壁上设置内半环槽容纳定位钢珠，外圆周上设置一个安装孔与内半环槽贯通；所述半轴在内孔壁右端和左端外圆周上分别设置内外O令槽；所述位移转速测量组件由位移霍尔IC、转速霍尔IC、两个单极磁环、多极磁环、磁环支架、PC本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用中轴扭矩传感器和后置轮毂电机的助力与健身一体自行车, 当作助力的通勤车时, 轮毂电机内的单向离合器工作, 中轴扭矩传感器测出扭矩和踏频信号,电机驱动器以扭矩和人的功率分段控制电机输出功率;当作室内或室外的健身车即功率自行车时,通过外置的旋钮(30)或手柄, 驱动插入电机轴(48)的拉杆(31)或钢绳,使轮毂电机内的单向离合器被锁死, 轮毂带动电机外转子(52)转动,电机可以发电为电池充电,或在室外低速骑行时,电机外转子(52)可以作为磁阻将制动力作用在轮毂上, 可调节回路电流改变磁阻大小,设置不同的运动强度。

【技术特征摘要】
1.一种采用中轴扭矩传感器和后置轮毂电机的助力与健身一体自行车,当作助力的通勤车时,轮毂电机内的单向离合器工作,中轴扭矩传感器测出扭矩和踏频信号,电机驱动器以扭矩和人的功率分段控制电机输出功率;当作室内或室外的健身车即功率自行车时,通过外置的旋钮(30)或手柄,驱动插入电机轴(48)的拉杆(31)或钢绳,使轮毂电机内的单向离合器被锁死,轮毂带动电机外转子(52)转动,电机可以发电为电池充电,或在室外低速骑行时,电机外转子(52)可以作为磁阻将制动力作用在轮毂上,可调节回路电流改变磁阻大小,设置不同的运动强度。2.根据权利要求1,所述助力与健身一体自行车在通勤时，采用分段控制电机的助力强度，低踏频时，电机助力与扭矩成比例线性，高踏频时，电机助力与人的功率成比例线性；当作定速巡航时，车速低于预设值，电机助力与扭矩成比例线性，车速超过预设值后，则采用PID控制电机输出，与扭矩大小和人的功率无关，作纯电机驱动，使车速维持在限速值内，而人力只须保持踏频不低于预设的值。3.根据权利要求1,所述的中轴扭矩传感器特征在于,置于车架五通内，检测中轴两端扭矩和踏频，其包括：轴碗端盖(1)、中轴导线(2)、轴挡圈(3)、中轴左轴承(4)、左轴碗(5)、PCB支架(6)、位移霍尔IC(7)、转速霍尔IC(8)、PCB(9)、磁环护圈(10)、单极磁环(11)、多极磁环(12)、磁环支架(13)、调节螺母(14)、碟簧组(15)、滑环(16)、中轴(17)、位移钢珠(18)、定位钢珠(19)、半轴(20)、半轴O令(21)、滚针轴承(22)、中轴O令(23)、右轴碗(24)、中轴右轴承(25)、牙盘爪(26)、半轴螺钉(27)；所述中轴扭矩传感器特征在于，在中轴(17)与半轴(20)之间设置定位钢珠(19)传递两者的轴向力,定位钢珠(19)在碟簧组(15)的预压力下使中轴(17)与半轴(20)连接成互相转动的整体,在中轴(17)和半轴(20)上分别设置外半环槽(17b)和内半环槽(20f),中轴(17)插入半轴(20)后,外半环槽(17b)和内半环槽(20f)的槽心重合,拼成截面呈圆形的圆环滚道，定位钢珠(19)在圆环滚道内滚动传递中轴(17)和半轴(20)之间的轴向力,进一步的,外半环槽(17b)和内半环槽(20f)的半圆形截面可以改成圆弧与直线相切或者梯形；所述定位钢珠(19)的直径优选公制2.50mm或英制3/32″；所述中轴扭矩传感器特征在于，在中轴(17)与半轴(20)之间设置滚针轴承(22),降低两者互相转动的摩擦力;所述中轴扭矩传感器特征在于，在中轴(17)和半轴(20)之间设置位移钢珠(18),传递两者间的扭矩,位移钢珠(18)置于中轴(17)的钢珠槽(17c)和半轴(20)的半圆齿槽(20a)内，采用二硫化钼极压锂基润滑脂润滑,中轴(17)上的齿工作斜面(17cb)挤压位移钢珠(18)，位移钢珠(18)径向滚动将压力传递给半轴(20)上的工作齿面(20aa)和滑环(16)的圆锥面(16a)，同时使滑环(16)产生轴向分力压缩碟簧组(15)；所述位移钢珠(18)的直径优选公制6.00mm或英制15/64″;所述中轴扭矩传感器特征在于，牙盘爪(26)顶住中轴右轴承(25)的内圈，未锁入半轴螺钉(27)时，圆弧内花键(26a)与圆弧外花键(20e)存在配合间隙，半锥孔(26b)的中心与内牙槽(20d)中心有角度错位，锁入半轴螺钉(27)后，错位中心变同心，也使圆弧内花键(26a)与圆弧外花键(20e)间隙变零,使传递扭矩的接触面带预压力；所述中轴(17)设置两处相邻的轴挡圈槽(17a),安装轴挡圈(3),轴向左右限制两个中轴左轴承(4)；所述中轴(17)设置有调节螺纹(17d)，设置调节螺母(14)调整碟簧组(15)的尺寸误差与预压力和组件加工误差；所述中轴(17)在圆周上设置均布的钢珠槽(17c)，钢珠槽(17c)由齿工作斜面(17cb)和齿根圆弧面(17ca)构成,两者相切,齿根圆弧面(17ca)的弧半径与位移钢珠(18)半径相同；所述半轴(20)在左端面设置均布的半圆齿槽(20a),半圆齿槽(20a)由两个四分之一圆弧的工作齿面(20aa)与非工作齿面(20ab)构成,工作齿面(20aa)的宽度超过非工作齿面(20ab)的宽度;所述半轴(20)在右端圆周上设置对称的三组圆弧外花键(20e)与三个超过半边的内牙槽(20d)，内牙槽(20d)的中心半径小于半轴(20)右端外圆半径；所述半轴(20)在内孔壁上设置内半环槽(20f)容纳定位钢珠(19)，外圆周上设置一个安装孔(20c)与内半环槽(20f)贯通；所述半轴(20)在内孔壁右端和左端外圆周上分别设置内O令槽(20g)和外O令槽(20b)；所述中轴扭矩传感器的特征在于，位移霍尔IC(7)、转速霍尔IC(8)、两个单极磁环(11)、多极磁环(12)、磁环支架(13)、PCB(9)组成位移转速测量组件，两个单极磁环(11)轴向充磁，优选钕铁硼强磁，两个单极磁环(11)互相排斥同心的套在磁环支架(13)的弹性爪(13a)上，位移霍尔IC(7)固定不动并插在两单极磁环之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟德斌，
申请(专利权)人：钟德斌，
类型：发明
国别省市：广东,44