曲柄扭矩測量裝置及電動自行車和智能自行車的製作方法

2023-05-02 12:09:51 1

本實用新型涉及電動自行車和智能自行車領域，特別是涉及一種曲柄扭矩測量裝置及電動自行車和智能自行車。

背景技術：

電動自行車，是指以蓄電池作為輔助能源在普通自行車的基礎上，安裝了電機、控制器、蓄電池、轉把閘把等操縱部件和顯示儀表系統的機電一體化的廣泛使用的交通工具；其最重要的特徵是將電機動力與騎乘者的踏力整合在一起，作為驅動力；為達到人力和電力的有機結合，需要在電動自行車腳踏的曲柄扭矩傳遞路徑上設一個感測裝置，以感測曲柄的扭矩的大小，並根據感測結果控制電機輸出的動力，以減輕騎乘者施加的腳踏力，減輕騎乘者的累感。

在普通自行車上設置測力計等輔助測量工具後被稱為智能自行車，用作訓練器械或身體復健。

傳統的速度傳感器沒有對電動自行車或智能自行車的腳踏部位的曲柄扭矩進行測量，無法判斷騎行人踩踏腳踏時曲柄的扭矩，使人力和電力無法有機的結合，因而容易造成騎行時失去控制、推行時飛車等嚴重的安全隱患；而目前常用的力矩感應器是從電動自行車上旋轉的鏈盤上測量扭矩信號，這種方式的信號採集和傳輸的穩定性差，並且結構複雜、生產成本較高，因而無法真正在市場上推廣普及使用。

技術實現要素：

基於此，本實用新型提供一種結構簡單、設計合理的電動自行車的曲柄扭矩測量裝置及電動自行車和智能自行車，其使電動自行車的控制器可以根據採集的位移或壓力電信號來調節電機扭矩大小，從而實現電動自行車人力和電力的有機結合；或實現智能自行車準確的計算出騎行人的用力狀態。本實用新型實現上述目的所採用的技術方案是：

一種曲柄扭矩測量裝置，設置於電動自行車車架的底部或智能自行車車架的底部，並與設置於電動自行車上的控制器或智能自行車上的儀表連接，所述曲柄扭矩測量裝置包括圓形套筒、第一軸承、第一軸承座、第二軸承、承載模塊及傳感裝置，所述第一軸承、第一軸承座、第二軸承及承載模塊置於所述圓形套筒內；所述第一軸承和所述第二軸承用於設置在所述電動自行車的中軸上或所述智能自行車的中軸上，所述中軸的兩端分別外露於所述圓形套筒的兩側；

所述第一軸承座具有安裝孔，所述安裝孔為階梯孔，所述階梯孔包括孔徑與所述第一軸承的外徑相配合的第一孔部和孔徑小於所述第一軸承的外徑的第二孔部，所述第一軸承座的一端具有凸臺；

所述承載模塊靠近所述中軸的鏈盤端，所述承載模塊上設置有導向腔，所述凸臺置於所述導向腔中；所述承載模塊的外徑大於所述第一軸承座的最大外徑；所述傳感裝置設置在所述導向腔內，用於測量所述凸臺與承載模塊之間的相對位移值或壓力值。

在其中一個實施例中，所述導向腔的形狀為四邊形、六邊形或類六邊形，其中至少有兩側內壁平行；

所述凸臺的縱截面外圍形狀為四邊形、六邊形或類六邊形，其中至少有兩側外壁平行；

平行的所述兩側內壁分別與平行的所述兩側外壁相配合，使所述凸臺與導向腔相配合，所述凸臺能夠沿著平行的所述兩側內壁靠近或遠離所述傳感裝置移動。

在其中一個實施例中，所述傳感裝置包括彈片和設置在彈片上的電阻應變片；

所述導向腔的一側內壁上設置有凹槽，所述彈片鑲嵌在所述凹槽內，所述凹槽的遠離所述第一軸承座的一側設置有凹陷部，所述電阻應變片與所述凹陷部形成避位空間。

在其中一個實施例中，所述傳感裝置包括彈片和電子位移感應元件；

所述導向腔的一側內壁上設置有凹槽，所述彈片鑲嵌在所述凹槽內，所述凹槽的遠離所述凸臺的一側設置有凹陷部，所述彈片與所述凹陷部形成避位空 間；

所述電子位移感應元件包括第一霍爾組件和可與所述第一霍爾組件通過相對位移而產生電動勢的第一磁體；

所述第一霍爾組件設置於所述承載模塊上，所述第一磁體設置於所述凸臺上，所述第一霍爾組件和所述第一磁體相鄰設置，所述第一霍爾組件與所述第一磁體之間產生的電動勢把所述凸臺與所述承載模塊之間的相對位移量傳遞給所述控制器或所述儀表。

在其中一個實施例中，所述曲柄扭矩測量裝置還包括支撐所述第二軸承的第二軸承座；

所述承載模塊與圓形套筒螺紋連接、鉚釘連接或螺釘連接；

所述第二軸承座與圓形套筒螺紋連接、鉚釘連接或螺釘連接。

在其中一個實施例中，所述承載模塊上還設置有用於對其緊固和定位的第一預緊螺母；

所述第二軸承座上設置有用於對其緊固的第二預緊螺母。

在其中一個實施例中，所述曲柄扭矩測量裝置還包括測量中軸轉速的測速裝置，所述測速裝置包括第二霍爾組件、套環和設置在所述套環上的若干磁鐵；

所述第二霍爾組件設置在所述第一軸承座上，所述套環用於套設在所述中軸上，置於所述圓形套筒內，所述若干磁鐵均勻分布在所述套環上；

在所述套環隨所述中軸同步轉動時，所述第二霍爾組件產生的電信號傳送至所述控制器或所述儀表。

還涉及一種電動自行車，包括車架、設置在車架上的控制器，以及中軸，所述中軸的一端裝載有電動自行車的鏈盤及一腳踏曲柄，另一端裝載有電動自行車的另一個腳踏曲柄，還包括上述任一技術方案所述的曲柄扭矩測量裝置，所述曲柄扭矩測量裝置設置於所述電動自行車車架的底部。

還涉及一種智能自行車，所述智能自行車不以蓄電池作為輔助能源，包括車架、測量儀表和中軸，所述中軸的一端裝載有自行車的鏈盤及一腳踏曲柄，另一端裝載有自行車的另一個腳踏曲柄，還包括上述任一技術方案所述的曲柄扭矩測量裝置，所述曲柄扭矩測量裝置設置於所述智能自行車車架的底部，與 所述測量儀表電連接。

本實用新型的有益效果是：

本實用新型的曲柄扭矩測量裝置及電動自行車和智能自行車，第一軸承座的一端具有凸臺，承載模塊設置在該凸臺處，增大了承載模塊的設計空間，電動自行車的控制器可以根據採集的位移或壓力電信號調節電機扭矩大小，從而實現電動自行車人力和電力的有機結合，協調工作；智能自行車的測量儀表可以實時計算和記錄曲柄扭矩；其結構簡單，組裝方便，對信號的採集和傳輸的穩定性高，降低了製造成本，便於普及。

附圖說明

圖1為本實用新型的曲柄扭矩測量裝置一實施例應用於電動自行車的原理圖；

圖2為本實用新型的曲柄扭矩測量裝置一實施例的剖視示意圖；

圖3為圖2中A-A向的剖視示意圖；

圖4為圖2所示承載模塊的主視示意圖；

圖5為圖4所示承載模塊的後視示意圖；

圖6為圖2所示彈片的主視圖；

圖7為圖6所示彈片的俯視圖；

圖8為圖6所示彈片的左視圖；

圖9為圖2所示第一預緊螺母的主視圖；

圖10為圖9所示第一預緊螺母的俯視圖；

圖11為圖2所示第一軸承座一實施例的主視示意圖；

圖12為圖11所示第一軸承座的左視示意圖；

圖13為圖12中B-B向的剖視示意圖；

其中，

100車架；101中軸；1011中軸鏈盤端；102腳踏；103腳踏曲柄；

104鏈條；105鏈盤；106後軸；107飛輪；108圓形套筒；109第一軸承座；

1091凸臺；1092第一磁體；110承載模塊；1101導向腔；1102凹槽；

1103限位槽；1104避位空間；1105第一霍爾組件；111彈片；

1111電阻應變片；112第一預緊螺母；113第一軸承；1131中軸安裝孔；

114磁鐵；116第二霍爾組件；117套圈；118第二軸承；

119第二軸承座；120第二預緊螺母。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例對本實用新型的曲柄扭矩測量裝置及電動自行車和智能自行車進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。

參照圖1和圖3，本實用新型的電動自行車的曲柄扭矩測量裝置一實施例設置於電動自行車或智能自行車車架100的底部，並與設置於電動自行車上的控制器或智能自行車上的儀表(未示出)電連接，電動自行車包括車架100，設置在車架100上的控制器(未示出)，以及中軸101。

曲柄扭矩測量裝置包括圓形套筒108、第一軸承113、第二軸承118、支撐第一軸承113的第一軸承座109，及設置在圓形套筒108內靠近中軸鏈盤端1011的承載模塊110。

電動自行車的中軸101從圓形套筒108、第一軸承113和第二軸承118內貫穿，其兩端分別外露於圓形套筒108的兩側，中軸101的一端裝載有電動自行車的鏈盤105及一腳踏曲柄103，另一端裝載有電動自行車的另一個腳踏曲柄103；

如圖11至圖13所示，第一軸承座109具有安裝孔，安裝孔為階梯孔。該階梯孔包括孔徑與第一軸承113的外徑相配合的第一孔部和孔徑小於第一軸承113的外徑的第二孔部，第一軸承座109的一端具有凸臺1091；第一軸承113安裝於第一孔部內。圖13中的右側孔為第一孔部，左側孔為第二孔部。

如圖3至圖5所示，承載模塊110上設置有導向腔1101，凸臺1091置於導向腔1101中。承載模塊110的外徑大於第一軸承座109的最大外徑。曲柄扭矩測量裝置還包括設置在導向腔1101內用於將凸臺1091與承載模塊110之間的相對位移值或壓力值傳遞給控制器的傳感裝置。

第一軸承座109的一端具有凸臺1091，承載模塊110設置在該凸臺1091處，增大了承載模塊1091的設計空間。

導向腔1101的形狀可為四邊形、六邊形或類六邊形，其中，導向腔1101至少有兩側內壁平行。凸臺1091縱截面外圍形狀可為四邊形、六邊形或類六邊形，其中凸臺1091至少有兩側外壁平行。平行的所述兩側內壁分別與平行的所述兩側外壁相配合，從而使凸臺1091與導向腔1101相配合。凸臺1091能夠沿著平行的所述兩側內壁靠近或遠離所述傳感裝置移動。

曲柄扭矩測量裝置安裝在電動自行車或智能自行車後，導向腔1101的上側內壁與導向腔1101的下側內壁平行，凸臺1091的上側外壁與下側外壁平行；導向腔1101的上側內壁與凸臺1091的上側外壁接觸，導向腔1101的下側內壁與凸臺1091的下側外壁接觸，使凸臺1091與導向腔1101相配合，凸臺1091在導向腔1101內可沿著導向腔1101的上側內壁和下側內壁與導向腔1101產生相對位移，導向腔1101對第一軸承座109起導向作用。

如圖2和圖3所示，傳感裝置包括彈片111和設置在彈片111上的電阻應變片1111。彈片111的形狀參見圖6至圖8。導向腔1101的一側內壁上設置有凹槽1102，彈片111鑲嵌在凹槽1102內。凹槽1102的遠離凸臺1091的一側設置有凹陷部，電阻應變片1111與凹槽1102的所述凹陷部之間形成避位空間1104，避位空間1104用於為彈片111受力變形避位，同時用於電阻應變片1111與控制器之間的連接導線通過。

作為一種可優選方式，如圖3和圖4所示，傳感裝置包括彈片111和電子位移感應元件。導向腔1101的一側內壁上設置有凹槽1102，彈片111鑲嵌在凹槽1102內，凹槽1102的遠離凸臺1091的一側設置有凹陷部，彈片111與凹槽1102的該凹陷部之間形成避位空間1104。

電子位移感應元件包括第一霍爾組件1105和可與其通過相對位移而產生電動勢的第一磁體1092。第一霍爾組件1105設置於承載模塊110上，第一磁體1092設置於凸臺1091上，且第一霍爾組件1105和第一磁體1092分別位於承載模塊110上和凸臺1091上的兩個相鄰的位置。

第一霍爾組件1105與第一磁體1092之間產生的電動勢把凸臺1091與承載 模塊110之間的相對位移量傳遞給所述控制器或儀表。其中，第一磁體1092包括兩塊永久磁鐵，兩塊永久磁鐵的N極和S極相對應，即第一塊永久磁鐵的N極與第二塊永久磁鐵的S相接觸，通過兩者接觸處的磁通量最小。

本實施例中，曲柄扭矩測量裝置還包括支撐第二軸承118的第二軸承座119。承載模塊110的外圍設置外螺紋，圓形套筒108內側設置內螺紋，承載模塊110與圓形套筒108螺紋連接，承載模塊110與圓形套筒108也可採用螺釘連接或鉚釘接連接。

第二軸承座119的外圍也設置有外螺紋，第二軸承座119與圓形套筒108螺紋連接。在其它實施例中，第二軸承座119與圓形套筒108也可採用螺釘連接或鉚釘接連接。

作為一種可優選方式，如圖2、圖9和圖10所示，承載模塊110上設置有用於對其緊固和定位的第一預緊螺母112；第二軸承座118上設置有用於對其緊固的第二預緊螺母120；第一預緊螺母112與承載模塊110螺紋連接，載模塊110安裝在圓形套筒108上後，第一預緊螺母112將承載模塊110緊固，使其定位固定在圓形套筒108上，優選的，曲柄扭矩測量裝置安裝在電動自行車或智能自行車後，導向腔1101的上側內壁保持水平，彈片111的中部與凸臺1091接觸，並使彈片111的受力F4方向朝向後軸106；第二預緊螺母120與第二軸承座118螺紋連接，第二軸承座118安裝在圓形套筒108後，第二預緊螺母120安裝在第二軸承座118上，使第二軸承座118緊固在圓形套筒108上。

優選的，第一軸承113為滾針軸承或球軸承，第二軸承118為球軸承。

作為另一種可優選方式，如圖2所示，曲柄扭矩測量裝置還包括測量中軸轉速的測速裝置，所述測速裝置包括第二霍爾組件116、套環117和設置在套環117上的若干磁鐵114；

第二霍爾組件116設置在第一軸承座109上，套環117套設在中軸101上，套環117置於圓形套筒108內，若干磁鐵114均勻分布在套環117上。

套環117由塑料製成，也可採用兩個半圓形的塑料件對接而成，磁鐵114設置在套環117上；磁鐵114為永久磁鐵或磁鋼片，鑲嵌在套環117中，在磁鐵隨中軸101同步轉動時，第二霍爾組件116產生電信號並傳送至控制器或儀 表。

以上實施例中的曲柄扭矩測量裝置的工作原理是：如圖1至圖3所示，當騎行人踩踏腳踏102時，產生一個向下的壓力F1，相應的扭矩為T1＝F1×L1(L1為踩踏力F1的力臂),此時鏈條104拉緊，產生一個反作用力F2,相應的扭矩T2＝F2×L2(L2為反作用力F2的力臂，由於鏈條104在鏈盤105的邊緣圓周上，故L2為鏈盤105的半徑)，由於T1＝T2，鏈盤105把力F2傳導給中軸101，中軸101產生一個和F2相等的壓力F3,中軸101把此壓力傳導給凸臺1091，由於凸臺1091受力F3後與彈片111接觸，彈片111受力F4產生變形，其中F4＝F3，貼在彈片111上的電阻應變片1111便測出壓力F4的大小，因此就可得出曲柄扭矩的函數關係為：T1＝F4xL2；當電阻應變片1111把代表壓力F4大小的電信號傳遞給電機控制器時，電機控制器也可以反推出的曲柄103的扭矩T1的大小，並自動調節電動自行車電機的輸出扭矩大小，從而也可以實現電動自行車人力和電力的有機結合。

上述實施例中的曲柄扭矩測量裝置，第一軸承座的一端具有凸臺，承載模塊設置在該凸臺處，增大了承載模塊的設計空間，其結構簡單，設計巧妙，根據彈片的變形很準確的測出彈片受力的大小，從而計算出腳踏扭矩的大小，電動自行車電機根據彈片受力大小或腳踏扭矩大小來調節電動自行車電機的輸出扭矩，協調工作。以上實施例中，由於電動自行車的除曲柄扭矩測量裝置以外的其它部件為現有技術，智能自行車的除曲柄扭矩測量裝置以外的其它部件也為現有技術，此處不再對電動自行車和智能自行車一一贅述。

以上所述實施例僅表達了本實用新型的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本實用新型專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本實用新型的保護範圍。因此，本實用新型專利的保護範圍應以所附權利要求為準。