CN119408639A - 力矩传感器装置和助力自行车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种力矩传感器装置和助力自行车，包括：五通组件，包括轴承套，所述轴承套具有第一套设部；第一轴承和中轴，第一轴承套设于所述第一套设部内，所述中轴穿设于所述第一轴承的内圈内，所述中轴能够通过所述第一轴承绕一轴线相对于所述第一套设部转动；应变片，在所述中轴的径向上，所述第一套设部的部分外周面削切形成削切面，所述应变片安装于所述削切面；所述中轴绕所述轴线转动时能够通过所述第一轴承向所述第一套设部具有所述削切面的削切部施加径向压力，所述削切部能够在与径向相垂直的切线方向产生变形，所述应变片能够跟随所述削切部变形而发生形变。

Description

力矩传感器装置和助力自行车

技术领域

本发明涉及自行车技术领域，特别是涉及一种力矩传感器装置和助力自行车。

背景技术

助力自行车是一种新型的车辆，以电池作为辅助动力来源，安装有电机，并具备动力辅助系统，能够实现人力骑行和电机助力一体化。

力矩传感器作为助力自行车的核心部件，能够实时感应自行车的踩踏力矩和踏频，以此作为电助力系统的输入信号，使系统极速输出与骑行者踩踏功率成严格正比的电助力功率，达到轻松省力、“车随心动”的骑行体验。

传统技术中，力矩传感器需要将感应器件安装于中轴上，而由于中轴是旋转部件，因此感应器件需要通过无线方式与主控电路连接，导致结构复杂，成本高。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种能够改善上述问题的力矩传感器装置和助力自行车。

一种力矩传感器装置，包括：

五通组件，包括轴承套，所述轴承套具有第一套设部；

第一轴承和中轴，第一轴承套设于所述第一套设部内，所述中轴穿设于所述第一轴承的内圈内，所述中轴能够通过所述第一轴承绕一轴线相对于所述第一套设部转动；

应变片，在所述中轴的径向上，所述第一套设部的部分外周面削切形成削切面，所述应变片安装于所述削切面；

所述中轴绕所述轴线转动时能够通过所述第一轴承向所述第一套设部具有所述削切面的削切部施加径向压力，所述削切部能够在与径向相垂直的切线方向产生变形，所述应变片能够跟随所述削切部变形而发生形变。

在其中一个实施例中，所述削切面的形状与所述应变片仿形适配。

在其中一个实施例中，所述力矩传感器装置还包括粘结件，所述应变片通过所述粘结件粘结于所述削切面。

在其中一个实施例中，所述轴承套还包括与所述第一套设部在所述中轴的轴向相连的第二套设部，所述中轴套设于所述第二套设部内；

所述力矩传感器装置还包括电路板，所述电路板安装于所述第二套设部的外周面上，所述应变片通过导线与所述电路板电连接。

在其中一个实施例中，所述应变片具有焊接凸柱，所述导线与所述焊接凸柱焊接。

在其中一个实施例中，所述轴承套还包括第三套设部，所述第三套设部在所述中轴的轴向设于所述第一套设部与所述第二套设部之间，所述第三套设部的外径小于所述第一套设部和所述第二套设部的外径；

所述第一套设部、所述第三套设部和所述第二套设部共同形成收容槽，所述导线收容于所述收容槽中。

在其中一个实施例中，所述力矩传感器还包括霍尔器件和磁环，所述霍尔器件安装于所述电路板上，所述磁环套设于所述中轴上，所述霍尔器件与所述磁环配合以检测所述中轴的踩踏频率。

在其中一个实施例中，所述五通组件还包括第一碗组和五通管，所述第一碗组设于所述五通管内；

所述第一套设部支撑设于所述第一碗组内，所述应变片位于所述第一碗组内，并与所述第一碗组的内壁具有间隙。

在其中一个实施例中，所述五通组件还包括第二碗组和第二轴承，所述第二碗组设于所述五通管内并与所述第一碗组在所述中轴的轴向上间隔设置，所述第二轴承支撑设于所述第二碗组内，所述中轴穿设于所述第二轴承的内圈内；

所述轴承套远离所述第一轴承的一端伸入所述第二碗组内。

一种助力自行车，包括牙盘、曲柄、飞轮、链条及如上述的力矩传感器装置，所述牙盘及所述曲柄均与所述中轴相连，所述链条设于所述牙盘与所述飞轮上。

上述力矩传感器装置和助力自行车，应变片设于轴承套的削切面上，而非直接附着于中轴上，中轴的运动通过第一轴承及削切部传递至应变片，如此，力矩传感器装置能够采用有线方式与主控电路连接，在保证力矩传感器装置结构简单的同时，相比于无线方式还降低了生产成本。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的力矩传感器装置的轴测图；

图2为图1中所示的力矩传感器装置的部分结构的轴测图；

图3为图1中所示的力矩传感器装置的侧视图；

图4为图3中所示的力矩传感器装置的A-A面剖视图；

图5为图4中所示的力矩传感器装置的B-B面剖视图；

图6为图1中所示的力矩传感器装置的部分结构的轴测图；

图7为图4中所示的力矩传感器装置的C-C面剖视图。

附图标记说明：

100、力矩传感器装置；10、五通组件；11、轴承套；111、第一套设部；112、削切面；113、削切部；114、第二套设部；115、第三套设部；116、收容槽；117、第四套设部；12、第一碗组；13、五通管；14、第二碗组；20、第一轴承；30、中轴；40、应变片；41、焊接凸柱；50、电路板；60、霍尔器件；70、磁环；80、第二轴承；90、导线。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

参阅图1及图2，本申请一实施例提供一种助力自行车，包括力矩传感器装置100、牙盘、曲柄、飞轮及链条。力矩传感器装置100包括五通组件10、第一轴承20和中轴30。五通组件10包括轴承套11，轴承套11具有第一套设部111，第一轴承20套设于第一套设部111内，中轴30穿设于第一轴承20的内圈内，中轴30能够通过第一轴线绕一轴线相对于第一套设部111转动。牙盘及曲柄均与中轴30相连，链条设于牙盘与飞轮上。

上述设置，骑行者的踩踏力矩通过曲柄让牙盘与飞轮之间的链条张紧，并能够使得中轴30在第一方向(中轴30的其中一个径向，大致与中轴与后轴的连线方向平行)上形成受力分量及位移，助力自行车的力矩检测部件(下述)检测到踩踏频率和踏频，以作为电助力系统的输入信号，使系统极速输出与骑行者踩踏功率成严格正比的电助力功率，达到轻松省力的目的。

继续参阅图2，力矩传感器装置100还包括应变片40，在中轴30的径向上，第一套设部111的部分外周面被削切形成削切面112，应变片40安装于削切面112。参阅图3-图5，中轴30绕轴线转动时，由于具有第一方向的受力分量和位移，中轴30能够通过第一轴承20向第一套设部111具有削切面112的削切部113施加径向压力，削切部113能够在与径向相垂直的切线方向产生变形，应变片40能够跟随削切部113变形而发生形变。可选地，应变片40为桥式应变片，桥式应变片利用金属片在外力作用下的微小变形改变电阻值，通过桥接电路转换为电压变化来测量应变。可以理解，其他一些实施例中，对于应变片40的种类不作限定，只要能够产生形变并能够传导信号至电路板50以测得踩踏频率和踏频即可。

在此需要说明的是，第一套设部111具有削切面112的部分形成削切部113。在此还需要说明的是，径向压力即为法向压力(径向压力沿图5中向左箭头方向)，当削切部113受到径向压力时，由于削切部113较薄，能够在轴承套11的周向上向两侧延展变形(削切部113沿图5中上下箭头方向延伸变形)。由于应变片40安装于削切面112上，应变片40能够跟随削切部113的变形而发生形变。

本申请实施例提供的力矩传感器装置100，应变片40设于轴承套11的削切面112上，而非直接附着于中轴30上，中轴30的运动通过第一轴承20及削切部113传递至应变片40，如此，力矩传感器装置100能够采用有线方式与主控电路连接，在保证力矩传感器装置100结构简单的同时，相比于无线方式还降低了生产成本。

一些实施例中，削切面112的形状与应变片40仿形适配。当削切部113受到径向压力时，其能够在轴承套11的周向上向两侧延展变形，由于削切面112的形状与应变片40仿形适配，则削切部113的变形能够通过削切面112充分传递至应变片40，以便于应变片40跟随削切部113的变形而产生形变。

一些具体实施方式中，应变片40为平板状结构，此时削切面112为平面。另一些具体实施方式中，应变片40为弧形弯曲结构，则削切面112为与应变片40形状相适配的曲面。

进一步，力矩传感器装置100还包括粘结件，应变片40通过粘结件粘结于削切面112。通过粘结件将应变片40粘结于削切面112的方式，灵活方便，并且牢固可靠。当然，其他一些实施例中，应变片40还可以通过其他方式固定于削切面112上，在此不作限定。

一些实施例中，参阅图6，轴承套11还包括第二套设部114，第二套设部114在中轴30的轴向上设于第一套设部111的一端，且第二套设部114与第一套设部111相连，中轴30套设于第二套设部114内。继续参阅图2，力矩传感器装置100还包括电路板50，电路板50安装于第二套设部114的外周面上，应变片40通过导线90与电路板50电连接。应变片40能够形变自身电阻值发生变化，并通过导线90发送信号于电路板50，电路板50将上述信号处理转化成电压信号给控制器，助力自行车的电机再输出相应的功率，与踩踏力矩成比例助力。第二套设部114的设置便于电路板50的安装固定。

进一步,应变片40具有焊接凸柱41，导线90与焊接凸柱41焊接，以便于导线90与应变片40的电连接。

更进一步，参阅图6，轴承套11还包括第三套设部115，第三套设部115在中轴30的轴向上设于第一套设部111与第二套设部114之间，第三套设部115的外径小于第一套设部111和第二套设部114的外径。第一套设部111、第二套设部114和第三套设部115共同形成收容槽116，导线90收容至收容槽116中。具体地，导线90具有第一连接部、中间部和第二连接部，第一连接部与电路板50相连，第二连接部与应变片40相连，中间部收容至收容槽116中。这样设置，使得导线90排布规整。

参阅图7，力矩传感器装置100还包括霍尔器件60和磁环70，霍尔器件60安装于电路板50上，磁环70套设于中轴30上，霍尔器件60与磁环70配合以检测中轴30的踩踏频率。具体地，第二套设部114上设有穿设孔，霍尔器件60经穿设孔穿设于轴承套11的内部，以与磁环70配合检测中轴30的踩踏频率。霍尔器件60是一种基于霍尔效应的磁感应器，它能够检测磁环70的磁场的变化并将其转化为电信号，以便于检测中轴30的踩踏频率，以发送信号于电路板50，经电路板50处理后发送给控制器，助力自行车的电机能够输出相应的频率，与踩踏频率成正比助力。

继续参阅图4，五通组件10还包括第一碗组12和五通管13，第一碗组12设于五通管13内。第一套设部111支撑设于第一碗组12内，应变片40位于第一碗组12内，并与第一碗组12的内壁具有间隙。如此，第一碗组12起到了支撑轴承套11的作用，且第一碗组12的设置不会妨碍应变片40产生应变。

进一步，五通组件10还包括第二碗组14和第二轴承80，第二碗组14设于五通管13内并与第一碗组12在中轴30的轴向上间隔设置，第二轴承80支撑设于第二碗组14内，中轴30穿设于第二轴承80的内圈内。轴承套11远离第一轴承20的一端伸入第二碗组14内，具体地，轴承套11包括第四套设部117，第四套设部117与第二套设部114远离第三套设部115的一端相连，第四套设部117的部分伸入第二碗组14内。如此，中轴30通过第一轴承20与第二轴承80相对于五通组件10转动，第一轴承20与第二轴承80共同支撑中轴30，保证了中轴30转动的平稳性。同时，由于第四套设部117的部分伸入第二碗组14内，降低了灰尘经第二碗组14进入第二轴承80内的概率。

本申请另一实施例还提供一种上述助力自行车所包括的力矩传感器装置100。由于上述助力自行车具有有益效果，则力矩传感器装置100具有相同的有益效果，在此不再详细赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种力矩传感器装置，其特征在于，包括：

五通组件(10)，包括轴承套(11)，所述轴承套(11)具有第一套设部(111)；

第一轴承(20)和中轴(30)，第一轴承(20)套设于所述第一套设部(111)内，所述中轴(30)穿设于所述第一轴承(20)的内圈内，所述中轴(30)能够通过所述第一轴承(20)绕一轴线相对于所述第一套设部(111)转动；

应变片(40)，在所述中轴(30)的径向上，所述第一套设部(111)的部分外周面削切形成削切面(112)，所述应变片(40)安装于所述削切面(112)；

所述中轴(30)绕所述轴线转动时能够通过所述第一轴承(20)向所述第一套设部(111)具有所述削切面(112)的削切部(113)施加径向压力，所述削切部(113)能够在与径向相垂直的切线方向产生变形，所述应变片(40)能够跟随所述削切部(113)变形而发生形变。

2.根据权利要求1所述的力矩传感器装置，其特征在于，所述削切面(112)的形状与所述应变片(40)仿形适配。

3.根据权利要求1所述的力矩传感器装置，其特征在于，所述力矩传感器装置还包括粘结件，所述应变片(40)通过所述粘结件粘结于所述削切面(112)。

4.根据权利要求1所述的力矩传感器装置，其特征在于，所述轴承套(11)还包括与所述第一套设部(111)在所述中轴(30)的轴向相连的第二套设部(114)，所述中轴(30)套设于所述第二套设部(114)内；

所述力矩传感器装置还包括电路板(50)，所述电路板(50)安装于所述第二套设部(114)的外周面上，所述应变片(40)通过导线(90)与所述电路板(50)电连接。

5.根据权利要求4所述的力矩传感器装置，其特征在于，所述应变片(40)具有焊接凸柱(41)，所述导线(90)与所述焊接凸柱(41)焊接。

6.根据权利要求4所述的力矩传感器装置，其特征在于，所述轴承套(11)还包括第三套设部(115)，所述第三套设部(115)在所述中轴(30)的轴向设于所述第一套设部(111)与所述第二套设部(114)之间，所述第三套设部(115)的外径小于所述第一套设部(111)和所述第二套设部(114)的外径；

所述第一套设部(111)、所述第三套设部(115)和所述第二套设部(114)共同形成收容槽(116)，所述导线(90)收容于所述收容槽(116)中。

7.根据权利要求4所述的力矩传感器装置，其特征在于，所述力矩传感器还包括霍尔器件(60)和磁环(70)，所述霍尔器件(60)安装于所述电路板(50)上，所述磁环(70)套设于所述中轴(30)上，所述霍尔器件(60)与所述磁环(70)配合以检测所述中轴(30)的踩踏频率。

8.根据权利要求1所述的力矩传感器装置，其特征在于，所述五通组件(10)还包括第一碗组(12)和五通管(13)，所述第一碗组(12)设于所述五通管(13)内；

所述第一套设部(111)支撑设于所述第一碗组(12)内，所述应变片(40)位于所述第一碗组(12)内，并与所述第一碗组(12)的内壁具有间隙。

9.根据权利要求8所述的力矩传感器装置，其特征在于，所述五通组件(10)还包括第二碗组(14)和第二轴承(80)，所述第二碗组(14)设于所述五通管(13)内并与所述第一碗组(12)在所述中轴(30)的轴向上间隔设置，所述第二轴承(80)支撑设于所述第二碗组(14)内，所述中轴(30)穿设于所述第二轴承(80)的内圈内；

所述轴承套(11)远离所述第一轴承(20)的一端伸入所述第二碗组(14)内。

10.一种助力自行车，其特征在于，包括牙盘、曲柄、飞轮、链条及如权利要求1-9任一项所述的力矩传感器装置，所述牙盘及所述曲柄均与所述中轴(30)相连，所述链条设于所述牙盘与所述飞轮上。