CN1049630C

CN1049630C - 智能型电助动轮毂

Info

Publication number: CN1049630C
Application number: CN96109332A
Authority: CN
Inventors: 贾维溥
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 2000-02-23
Anticipated expiration: 2016-09-20
Also published as: CN1148013A

Abstract

本发明属于电助动自行车技术领域，包括脚蹬转矩检测装置及电驱动装置，所说的脚蹬转矩检测装置为可同时检测转速的转动位相比较式转矩检测装置，所说的检测装置与电驱动装置均安装在可旋转的轮毂外壳中呈一整体。采用新构想的转动位相比较的原理，由简单的机构直接精确测出正在旋转着的部件上的脚蹬转矩，在电动轮毂总体结构设计上，由于转矩和转速检测机构的结构上的精化，可以使电驱动机构的结构布置上有更大的优化设计自主性。

Description

智能型电助动轮毂

本发明属于电助动自行车技术领域，特别涉及智能型电助动轮毂中脚蹬转矩、转速检测装置与轮毂整体结构设计的改革。

电助动自行车是一种人力驱动和电力驱动并用的轻便型交通工具。一般的电助动自行车人力驱动与电力驱动之间无关联。而先进的智能型电助动自行车将首先测出骑行者脚蹬力的转矩(或称脚蹬力矩)的大小及转速的大小，并以此转矩值及转速值作为控制信号来控制调节电动机的输出功率及电流的大小，以达到既减轻人力又省电的效果。目前微电脑控制技术已作为较成熟的技术在各个技术领域广泛采用，故该智能型控制方式的关键技术是如何适时测出每一时刻脚蹬转矩的大小及转速的大小，以便根据这两个数值进行智能控制。而测量脚蹬转矩的难点在于当骑行者脚蹬施力时，传递该脚蹬转矩的各个部件都在不停地转动之中。若直接使用各种传感器测脚蹬力，则这些传感器也势必在不停地转动，把信号从传感器传出的引线也将在不停的转动缠绕之中而成为一个难处理的问题。同时，该转矩检测系统要在长年的骑行过程中保持稳定、可靠和高重复性。为解决电助动自行车脚蹬转矩测量中这些特殊的技术难点，出现了不同的检测机构。其中一种方案是将脚蹬转矩测量机构与电驱动机构结合为一体构成智能型电助动轮毂。

现有技术中的一个例子，是在后轮轴上，将弹性体拨叉和螺旋斜面凸轮做在同一个园盘上。施加脚蹬力时，螺旋倾斜楔面推动一个可沿着轴向方向滑动的尼龙滑动件。在旋转的尼龙件的端部有一园环状导电体，而在它的外部布置有一个不动的线圈，当尼龙件发生轴向直线位移时，线圈的电感发生变化，此轴向位移变化信号即代表了脚蹬转矩的变化。但此种结构由于要由螺旋斜面凸轮等将脚蹬转矩转换成轴向的直线位移，然后再由轴向的传感器测出轴向位移，故这一连串的轴向机构将占用较大的轴向结构尺寸，致使电动轮毂的轴向尺寸变大。同时，由于中心轴位置上要布置上述的一连串的转矩测量机构，所以电驱动机构必须躲开中心轴位置，故电动轮毂总体径向尺寸也只能变大，而使电动轮毂成为一个很大的盘状物。并且智能控制所需的转速值也必需由另外单独设置的转速检测系统和转速传感器来完成。

本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，研创出一种原理完全不同的智能型电动轮毂，该智能型电动轮毂的检测系统将不采用将脚蹬转矩转换成直线位移的原理，而采用新构想的转动位相比较的原理，由简单的机构直接精确测出正在旋转着的部件上的脚蹬转矩，同时把上述例子中必须分别设置的转矩检测系统和转速检测系统由唯一的一个传感器系统同时担任。而且，在电动轮毂总体结构设计上，由于转矩和转速检测机构的结构上的精化，可以使电驱动机构的结构布置上有更大的优化设计自主性。

本发明所述的一种电助动车所用的智能型电动轮毂，包括脚蹬转矩检测装置及电驱动装置，其特征在于所说的脚蹬转矩检测装置为可同时检测转速的转动位相比较式转矩检测装置，所说的检测装置与电驱动装置均安装在可旋转的轮毂外壳中呈一整体。

本发明所说的脚蹬转矩检测装置包括检测传感器，还包括设置在承受或传递脚蹬转矩的任何一个转轴上的一组旋转部件，该旋转部件分别支承在弹性体的两端，分别附于该旋转部件上的一组相对转角检测环，所说的每个检测环的同一园周上有两个以上呈已知间隔排列的角度标记构件，所说的检测传感器设置在相对于角度标记构件的位置的不动体上。

采用上述的智能型电动轮毂，当脚蹬受力后，电动轮毂轴上的旋转部件也将受转矩，支承在旋转部件的两半部分间的弹性体将发生变形。由于弹性体的变形，同轴的两部分旋转部件间将发生相对转动。分别附在这两半部分上的检测环上的两组角度标记构件，例如透射区相互间也转过一个角度。不受力时，两半部上的透射区互相遮盖不透光，由于错开角度，两透射区将部分重叠而透光。脚蹬力大，两检测环错开角度大，两透射区重叠部分越大，透光时间越长。但由于转速快慢在时刻变化着，所以透光的时间并不真正代表相对转角的大小，还需和周期分布相隔已知角度的透射区的透光时间进行比较，才能真正得出精确的相互转角的大小，从而精确地测量出脚蹬转矩。这就是位相比较的原理。并且，用已测量到的周期分布的已知角的透光情况，通过分析周期信号或已知角信号还可同时准确地得出转速值。检测时，可以用一个传感器检测出两个检测环的综合信号，也可用两个传感器分别检测出每个检测环的信号。图1是在四种情况下，传感器接收到的信号图。(A)表示用一个传感器接受到的一组检测盘的综合信号，脚蹬转矩的值由相对转动量信号t₁(即一个重叠的透光区域的透光时间)和已知角信号T₁(经过相邻的两个重叠透光区域之间的时间)的比值确定，而转速值可由已知角信号T₁直接确定。(B)中，脚蹬转矩的大小与(A)一样，但转速不同。故t₂和T₂的数值与(A)中不同，但t₂和T₂的比值与t₁和T₁的比值相等。(C)中，表示当脚蹬转矩变大时信号的图形，此时t₃和T₃的比值增大。(D)表示当用两个传感器分别检测两片相对转角检测盘时，相对转动量信号t₄的提取法。而已知角信号既可使用T₄，也可使用T₄’，图中上下两信号为两个传感器分别检测出的信号。

本发明提出了利用转动位相比较的原理，直接测出承受转矩的一组旋转部件的相对转角的新技术方案，籍此直接测出正在旋转着的部件上的脚蹬转矩，而无须将其转换成不旋转的位移信号，同时还可同时测出智能控制所必须的转速数值。

上述本发明的传感器，也可以是电容式或电感式或电涡流式传感器，所说的角度标记构件则是介质或金属构成的一定角度的区域的平面、或一段角度栅纹、或角度齿之一种。所说的传感器还可以是磁传感器、所说的角度标记构件还可是磁性材料构成的一定角度区域的平面、或一段角度栅纹、角度齿。

本发明具有以下的优越性：

第一，由于在电动轮毂中设置了转动位相比较式检测装置来检测转矩及转速值，故可对电动轮毂进行智能化控制，具有既减轻人力又省电的特点，耗电量比非智能化电动轮毂大大降低。

第二，由于在电动轮毂中，不需要将脚蹬转矩转换成轴向的直线位置，所以轴向结构尺寸小，整个转矩及转速检测装置占用的结构空间也非常小。这就使电动轮毂总体设计上更加合理，同时使整个电动轮毂的总体体积大大减小。

第三，电动轮毂中的转矩检测装置及转速检测装置，可以由同一个传感器检测系统同时担任，这是现有技术不能做到的。

第四，结构非常简洁，由于采用位相比较的原理，所以测量精度高。由于部件少，可靠性、长期稳定性也得到提高。

第五，装配、调整简单、方便。

第六，电动轮毂中的转矩、转速检测装置可方便地设置在承受或传递脚蹬转矩的任何一个部件上。还可将电控制部分也布置在电动轮毂中。

附图说明：

图1是本发明中检测机构的信号图。

图2是本发明的一种实施例的总体结构示意图。

图3是本实施例检测机构原理示意图。

本发明提出一种智能型电助动轮毂实施例如图2-3所示，结合附图详细描述本实施例的结构及工作过程。

本实施例的总体结构如图2所示，它包括由可转动的左右两侧端盖6、8与轮毂体7组合成整体转动的轮毂外壳，以及设置其中的电驱动机构9和检测机构三大部分组成。其中电驱动机构由安装在一不动的铝底座中的电机和齿轮减速机构组成。其具体结构图中未示出，可采用已有的各种电助动车的电动轮毂中的任何一种电驱动机构。电驱动机构的同一轴上一侧安装有检测机构的两个盘状旋转部件4与5，两个旋转部件相对的表面各开有四个半园槽，组成安置弹簧3的槽孔，两旋转部件的外园周分别固定有两片相对转角检测环2，在每张检测环的同一园周上等间距开有六组透光长孔，光电检测器1安装在一固定在铝底座上的型支架的两臂内表面处，与检测环的透光长孔位置相对应。每个透光长孔角度为20°，如图3所示。图2中右旋转部件4与飞轮通过螺纹相连。其工作过程如：脚蹬受力时脚蹬转矩通过飞轮传递给右旋转部件，再由弹簧传递给左旋转部件5，并使左右旋转部件产生相对转动，分别固定在两旋转部件上的检测环上透光长孔，在不受力时互相遮盖，受力后相互间错开一个相对转角而透光。这时光电传感器接收到相对转动量信息，和已知角信息，则可计算出转矩值和传速值，这些数据将是对电驱动机构进行智能化控制的依据，在控制部件的控制下，电驱动机构的电机经过两级齿轮减速后，则可推动轮毂外壳整体转动。

图3是检测机构原理示意图。左右两半旋转部件11上承受脚蹬转矩。其中一半输入脚蹬转矩，另一半输出。弹性体12的两端分别支承在左、右两半旋转部件11上。两片相对转角检测环13分别固定在两半旋转部件11上。在相对转角检测环13上沿园周开有六组等间距成30°角的透光孔14，光电传感器10接受两检测环重叠透光部分15的光信号。

Claims

1、一种电助动车所用的智能型电动轮毂，包括脚蹬转矩检测装置及电驱动装置，其特征在于所说的脚蹬转矩检测装置为可同时检测转速的转动位相比较式转矩检测装置，所说的检测装置与电驱动装置均安装在可旋转的轮毂外壳中呈一整体。

2、如权利要求1所说的智能型电动轮毂，其特征在于所说的脚蹬转矩检测装置包括检测传感器，还包括设置在承受或传递脚蹬转矩的任何一个转轴上的一组旋转部件，该旋转部件分别支承在弹性体的两端，分别附于该旋转部件上的一组相对转角检测环，所说的每个检测环的同一园周上有两个以上呈已知间隔排列的角度标记构件，所说的检测传感器设置在相对于角度标记构件的位置的不动体上。

3、如权利要求2所说的智能型电动轮毂，其特征在于所说的传感器为透射式或反射式光电传感器之一种，所说的角度标记构件是一定角度的透射区、反射区或光栅之一种。

4、如权利要求2所说的智能型电动轮毂，其特征在于所说的传感器为电容式、电感式或电涡流式传感器之一种，所说的角度标记构件是介质或金属构成的一定角度区域的平面，或一段角度栅纹或角度齿。

5、如权利要求2所说的智能型电动轮毂，其特征在于所说的传感器为磁传感器，所说的角度标记构件为磁性材料构成的一定角度区域的平面，角度栅纹或角度齿。

6、如权利要求1、2、3、4或5所述的智能型电动轮毂，其特征在于还包括设置在所说的轮毂外壳中的电控制部件。