一种中轴扭矩传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种中轴扭矩传感器，能测量中轴的扭矩和踏频、方向，能检测曲柄对应的磁铁位置可以计算曲柄角度，并能提供一个电机启动助力的开关信号。在中轴与半轴之间采用钢珠和滚柱组合传递扭矩，钢珠挤压滑环圆锥面，滑环轴向压缩复位弹簧和碟簧，滑环间接推动两个对斥的单极磁环轴向移动，单极磁环开设气隙，气隙内设置极性相反的磁铁，一个线性霍尔测量单极磁环位移和检测磁铁位置，两个开关霍尔测量多极磁环的方向和踏频。量多极磁环的方向和踏频。量多极磁环的方向和踏频。

【技术实现步骤摘要】
一种中轴扭矩传感器


[0001]本专利技术涉及扭矩传感器领域，尤其涉及在电动助力自行车的中轴扭矩传感器领域。

技术介绍

[0002]在电动助力自行车领域，采用中轴扭矩传感器配轮毂电机比采用中置电机方案成本低，车架工艺也更简单。要在车架五通内安装中轴扭矩传感器，传统五通螺纹内径只有
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33.70mm，并且连接线从五通管的底部中间位置引出，导致连接线安装不便和易被刮破。
[0003]在专利2018110464918和2022101157048的实践中出现的问题，做进一步的改进，钢珠与中轴斜齿面是点接触，压应力太大，热处理和加工工艺要求高，只能测量单向的扭矩。参照扭矩限制器结构，扭矩输出端的法兰盘上的端面齿和扭矩输入端的径向驱动齿都是V型斜面，端面齿和径向齿的齿顶都低于钢珠的球心，并且端面齿在径向齿的侧面（端面齿的内侧圆小于径向齿的齿顶），钢珠跳开在轴向和径向都有运动，根据限制扭矩的大小，不限空间，可以采用很多钢珠传递扭矩降低压应力，降低V型齿斜面的压应力。
[0004]在空间受限的情况下，如何降低径向驱动齿斜面的压应力？在电机助力控制时，如中轴扭矩传感器提供一个曲柄角度信号，可以优化控制逻辑；为防止曲柄晃动或空转误触发电机启动助力，在达到最低踩踏扭矩时，有一个明显跳变的电压值，作为电机可以启动的开关信号。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种简单可靠实用的中轴扭矩传感器，既能测量扭矩和踏频，也能提供曲柄角度和达到最低踩踏扭矩时，有一个跳变的电压变化值，作为启动电机的开关信号，以及对现有方案的工艺改进。
[0006]本实施例包括：牙盘螺帽、双列左轴承、波形垫圈、套筒、PCB板、位移霍尔、踏频霍尔、复位弹簧、单极磁环、磁铁、多极磁环、单极磁环支架、多极磁环支架、螺母、碟簧、滑环、钢珠、滚柱、定位钢珠、中轴、半轴、右轴碗、右轴承、内外弹性卡环等。
[0007]中轴作为扭矩输入，半轴作为扭矩输出，定位钢珠在轴向限制中轴，中轴与半轴在轴向和径向只有配合间隙，可相互转动。中轴驱动齿的斜齿面挤压钢珠，钢珠同时挤压滑环圆锥面和半轴的半圆齿槽，钢珠只有径向运动。滑环压缩复位弹簧并同时推动再压缩碟簧，带动多极磁环支架和单极磁环支架轴向移动。两个单极磁环同轴心对斥，并套在单极磁环支架上，位移霍尔插在两个单极磁环之间并靠近左端，两个踏频霍尔阵列位于多极磁环上方，PCB板固定在套筒的外侧圆上。
[0008]为降低中轴驱动齿的斜齿面压应力，采用钢珠和滚柱组合传递扭矩，优选滚柱对称布置，滚柱与钢珠相同外径，钢珠与中轴驱动齿的斜齿面点接触，滚柱与中轴驱动齿的斜齿面线接触，降低斜齿面的变形。
[0009]进一步，半轴的端面叉齿，相应修改，与钢珠配合为半圆齿槽，线接触；与滚柱配合
为矩形齿槽，线接触。
[0010]为简化加工工艺，中轴驱动齿的齿顶设为圆柱面，齿槽由两个对称的斜齿面和齿根圆构成，齿根圆半径小于钢珠半径，可以采用滚齿工艺对中轴驱动齿精滚，并能测量双向的扭矩。
[0011]进一步，半轴的端面叉齿的齿顶在轴向超出或平齐钢珠的球心，端面叉齿在径向的内侧半径大于中轴的齿顶并小于或等于钢珠的球心到中轴轴心的距离。
[0012]要标定曲柄的位置或计算曲柄角度，要有一个测量的基准点（零点），优选在中轴圆周上加一个磁铁和测量霍尔，曲柄与磁铁相对位置固定，结合踏频信号，标定计算出曲柄在车架上的角度。优选，测量磁铁的霍尔可以由线性的位移霍尔完成，即位移霍尔负责单极磁环的位移测量和磁铁的位置检测。
[0013]进一步，在单极磁环上开设气隙，磁铁固定在气隙内，磁铁是单极充磁，极性与单极磁环相反装配。单极磁环在初始位置时，磁铁转动到位移霍尔位置时，输出电压约4.8伏设为Vmax，在其他单极磁环区域约0.5伏设为V0；单极磁环在左边最大位移位置时，磁铁转动到位移霍尔位置，输出电压约3.0伏，在其他单极磁环区域约2.3伏设为V2。
[0014]进一步，单极磁环只需开一处气隙，不需要在气隙处加磁铁，位移霍尔也能检测气隙位置，即在气隙处，输出电压约2.5伏。
[0015]进一步，单极磁环采用粘接钕铁硼，气隙由模具成型出来。
[0016]进一步，单极磁环可以不开气隙，而是整个磁环，在轴向充磁时，在局部很小角度进行反向充磁，极性相反的区域就类似于在气隙内装反极性的磁铁。
[0017]在达到最低踩踏扭矩时，要有一个跳变电压变化值作为电机助力的启动开关信号，本例采用以下方案：复位弹簧与碟簧组合运用，复位弹簧优选普通螺旋弹簧，特性是弹力与压缩位移相比很小可忽略，碟簧的特性是弹力与压缩位移相比很大。
[0018]复位弹簧预压缩，其弹力可以换算出中轴的最低测量扭矩，只有超出最低测量扭矩，复位弹簧才会被压缩，单极磁环才有位移产生。
[0019]复位弹簧左端顶住左轴承内圈，左端与中轴紧配，右部与中轴悬空可以被压缩，右端顶住单极磁环支架，单极磁环支架右端顶住多极磁环支架左端，多极磁环支架右端顶住碟簧的外侧，碟簧外侧再顶住滑环。
[0020]碟簧与螺母之间预留一个间隙，优选0.1mm，即未装复位弹簧时，碟簧在滑环与螺母之间为松动状态。中轴的扭矩使滑环产生轴向位移，滑环先压缩复位弹簧并推动碟簧经过间隙才顶住螺母，碟簧被压缩的位移与其弹力近似线性，碟簧优选规格
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16.30*
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31.50*1.25，单片碟簧限制压缩最大位移0.675mm，弹力约1900牛。此间隙位移使位移霍尔输出的电压值就是最低扭矩的启动开关电压设为V1，即位移霍尔靠近单极磁环输出初始电压V0约为0.5伏，中轴上扭矩超出最低测量扭矩后，单极磁环移动间隙距离，输出电压V1约0.7伏，0.2伏的跳变值就是电机助力可以启动的开关信号。
[0021]中轴驱动齿和半轴的端面叉齿存在加工误差，钢珠位置和受力都不均匀，导致滑环带动碟簧和多极磁环支架偏心歪斜，多极磁环支架与单极磁环支架在径向解耦，只传递轴向力。
[0022]PCB板由套筒的卡扣固定，再用硅胶覆盖PCB板，全封闭防水。在套筒中部左端设置绕线槽，缠绕PCB板的连接线，方便组件旋入五通管和避免刮破连接线。
6.位移霍尔、 7.踏频霍尔、 8.复位弹簧、 9.单极磁环、 10.磁铁、 11.多极磁环、 12.单极磁环支架、 12a.裂缝、 12b.卡挡、 13.多极磁环支架、 14.螺母、 15.碟簧、 16.滑环、 17.钢珠、 18.滚柱、19.定位钢珠、 20.中轴、 20a.斜齿面、 20b.齿根圆、 20c.齿顶、 20d.外环槽、 20e.外螺纹、 21.半轴、 21a.半圆齿槽、 21b.矩形齿槽、 21c.叉齿内侧、 21d.内环槽、 21e.珠孔、 22.右轴碗、 23.右轴承。
实施方式
[0031]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种中轴扭矩传感器，由套筒、波形垫圈、PCB板、磁铁、单极磁环、多极磁环、位移霍尔、踏频霍尔、单极磁环支架、多极磁环支架、螺母、复位弹簧、碟簧、滑环、钢珠、滚柱、定位钢珠、中轴、半轴等零件构成，其特征在于，包括：能测量中轴的扭矩和踏频以及方向，检测曲柄对应的磁铁位置可以计算曲柄角度，位移霍尔测量单极磁环的位移和检测磁铁位置，踏频霍尔测量多极磁环的转速和方向；中轴的斜齿面挤压钢珠，钢珠径向运动，钢珠挤压半轴端面叉齿和滑环圆锥面传递出扭矩，滑环轴向移动，间接推动单极磁环轴向位移；位移霍尔输出的电压，作为扭矩的测量信号，在单极磁环区域的初始位置，电压设为V0，在磁铁处的初始位置，电压设为Vmax，当扭矩超过最低测量扭矩时，在单极磁环区域的输出电压为V1，当扭矩超过最大测量扭矩时，在单极磁环区域的输出电压为V2，V0到V1是一个跳变的电压值，V1视为电机启动助力的开关信号；电压与扭矩对应的特性曲线由两段组成，初段V0至V1为近似垂直的直线，后段V1至V2为近似线性的斜线，后段电压的变化值与扭矩近似比例关系。2.所述中轴扭矩传感器，其特征在于：采用钢珠与滚柱组合,将中轴上的扭矩传递到半轴上。3.所述中轴扭矩传感器，其特征在于，包括：中轴插在半轴内，中轴驱动齿位于半轴端面叉齿内；中轴作为扭矩输入，半轴作为扭矩输出，定位钢珠在内环槽(21d)和外环槽(20d)内轴向限制中轴，中轴与半轴在轴向和径向有配合间隙；半轴端面的叉齿齿顶在轴向超出或平齐钢珠的球心；半轴端面的叉齿内侧(21c)半径小于或等于钢珠的球心到中轴轴心的距离。4.所述中轴扭矩传感器，其特征在于：采用复位弹簧与碟簧组...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟德斌，
申请(专利权)人：深圳市凯伦特电子有限公司，
类型：发明
国别省市：