專利名稱：智能型電助動自行車的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電助動自行車技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及智能型電助動自行車中的腳蹬轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速檢測裝置與整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改革。
電助動自行車是一種人力驅(qū)動和電力驅(qū)動并用的輕便型交通工具，一般的電助動自行車人力驅(qū)動與電力驅(qū)動之間無關(guān)聯(lián)。而較先進(jìn)的智能型電助動自行車將首先測出騎行者腳蹬力的轉(zhuǎn)矩(或稱腳蹬力矩)及轉(zhuǎn)速的大小，并以此轉(zhuǎn)矩值及轉(zhuǎn)速值作為控制信號來控制調(diào)節(jié)電動機(jī)的輸出功率及電流的大小，以達(dá)到既減輕人力又省電的效果。目前微電腦控制技術(shù)已作為較成熟的技術(shù)在各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域廣泛采用，故該智能型控制方式的關(guān)鍵技術(shù)是如何適時(shí)測出每一時(shí)刻腳蹬轉(zhuǎn)矩的大小及轉(zhuǎn)速的大小，以便根據(jù)這兩個(gè)數(shù)值進(jìn)行智能控制。而測量腳蹬轉(zhuǎn)矩的難點(diǎn)在于當(dāng)騎行者腳蹬施力時(shí)，傳遞該腳蹬轉(zhuǎn)矩的各個(gè)部件都在不停地轉(zhuǎn)動之中。若直接使用各種傳感器測腳蹬力，則這些傳感器也勢必在不停地轉(zhuǎn)動，把信號從傳感器傳出的引線也將在不停的轉(zhuǎn)動纏繞之中而成為一個(gè)難處理的問題。同時(shí)，該轉(zhuǎn)矩檢測系統(tǒng)要在長年的騎行過程中保持穩(wěn)定、可靠和高重復(fù)性。為解決電助動自行車腳蹬轉(zhuǎn)矩測量中這些特殊的技術(shù)難點(diǎn)，出現(xiàn)了不同的檢測機(jī)構(gòu)。同時(shí)，圍繞著檢測機(jī)構(gòu)這個(gè)核心，還要從總體上考慮電助動自行車的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
例如，本申請人申請的一項(xiàng)中國專利(申請?zhí)枮?620018231)，是在自行車中軸上加裝偏心機(jī)構(gòu)。該偏心機(jī)構(gòu)由具有一定偏心量的兩層滾動軸承支承。自行車腳蹬中軸在內(nèi)層滾動軸承中旋轉(zhuǎn)。由于有偏心，當(dāng)騎行者施加腳蹬力時(shí)，外層偏心機(jī)構(gòu)將克服彈簧力而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。由于外層只發(fā)生偏轉(zhuǎn)而不是像內(nèi)層一樣在不停地轉(zhuǎn)動，故易將此偏轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)換成直線位移的變化。測出這個(gè)變化信號，即可測出腳蹬轉(zhuǎn)矩。但采用此方案的自行車，其中軸比普通自行車中軸結(jié)構(gòu)要粗大、復(fù)雜得多。同時(shí)，轉(zhuǎn)速也需由另外的一套轉(zhuǎn)速檢測傳感器系統(tǒng)單獨(dú)檢出。
另一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的例子，也是將腳踏轉(zhuǎn)矩測量機(jī)構(gòu)放在自行車中軸上。在中軸上布置棒狀彈性體。當(dāng)施加腳蹬力時(shí)，彈性體發(fā)生變形，同軸的凸輪將使滑塊克服彈簧彈性而發(fā)生軸向的位移。由于滑塊在隨中軸不停地轉(zhuǎn)動，滑塊的端面需再推動一個(gè)不隨中軸轉(zhuǎn)動的擺桿。測量出擺桿沿軸向的直線位移的變化，并以此信號作為腳蹬轉(zhuǎn)矩的信號。這種結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜，并且轉(zhuǎn)速同樣需由另外單獨(dú)設(shè)置的轉(zhuǎn)速檢測傳感器系統(tǒng)檢出。
現(xiàn)有技術(shù)中的另外一個(gè)例子申請?zhí)枮?5103616.5，是在后輪軸上，將彈性體撥叉和螺旋斜面凸輪做在同一個(gè)園盤上。施加腳蹬力時(shí)，螺旋傾斜楔面推動一個(gè)可沿著軸向方向滑動的尼龍滑動件。在旋轉(zhuǎn)的尼龍件的端部有一園環(huán)狀導(dǎo)電體，而在它的外部布置有一個(gè)不動的線圈，當(dāng)尼龍件發(fā)生軸向直線位移時(shí)，線圈的電感發(fā)生變化。此軸向位移變化信號即代表了腳蹬轉(zhuǎn)矩的變化。但此種結(jié)構(gòu)也太復(fù)雜。同樣，該機(jī)構(gòu)也必須另外設(shè)置單獨(dú)的轉(zhuǎn)速檢測傳感器系統(tǒng)。
綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)共同點(diǎn)是現(xiàn)有電助動自行車的腳蹬轉(zhuǎn)矩檢測機(jī)構(gòu)均需將旋轉(zhuǎn)件上承受的腳蹬轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成不旋轉(zhuǎn)的直線位移信號。而為完成這種轉(zhuǎn)化，結(jié)構(gòu)均很復(fù)雜，另一個(gè)共同點(diǎn)是均需另外設(shè)置單獨(dú)的轉(zhuǎn)速檢測傳感器系統(tǒng)。這就使結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜化。同時(shí)，為了設(shè)置這些結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，占用較大結(jié)構(gòu)尺寸的檢測機(jī)構(gòu)，使電助動自行車總體結(jié)構(gòu)顯得較龐大雜亂復(fù)雜和不盡合理。
本發(fā)明的目的在于為克服已有技術(shù)的不足之處設(shè)計(jì)出一種通過檢測腳蹬力的大小及車速來控制電力的智能型電助動自行車，其中，采用新型的位相比較式檢測裝置，能夠由唯一的一個(gè)傳感器系統(tǒng)同時(shí)完成轉(zhuǎn)矩檢測，轉(zhuǎn)速檢測并能與電驅(qū)動裝置結(jié)合成一體，使整機(jī)設(shè)計(jì)簡潔，緊湊，電力控制精確，可靠并使成本降低。
本發(fā)明所述的一種智能型電助動自行車，包括由車把、車架、車座中軸及腳蹬和車輪組成的自行車本體，腳蹬轉(zhuǎn)矩檢測裝置，電驅(qū)動裝置及電控制單元，所說的腳蹬轉(zhuǎn)矩檢測裝置采用可同時(shí)檢測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)動位相比較式轉(zhuǎn)矩檢測裝置。
所說的轉(zhuǎn)矩檢測裝置包括傳感器，還包括設(shè)置在承受或傳遞腳蹬轉(zhuǎn)矩的任何一個(gè)轉(zhuǎn)軸上的一組旋轉(zhuǎn)部件，該旋轉(zhuǎn)部件分別支承在彈性體的兩端，分別附于該旋轉(zhuǎn)部件上的一組相對轉(zhuǎn)角檢測環(huán)，所說的每個(gè)檢測環(huán)的同一園周上有兩個(gè)以上呈已知間隔排列的角度標(biāo)記構(gòu)件，所說的檢測傳感器設(shè)置在相對于角度標(biāo)記構(gòu)件的位置的不動體上。
所說的傳感器可為透射式或反射式光電傳感器之一種，所說的角度標(biāo)記構(gòu)件是一定角度的透射區(qū)、反射區(qū)或光柵之一種。
所說的傳感器也可為電容式、電感式或電渦流式傳感器之一種，所說的角度標(biāo)記構(gòu)件是介質(zhì)或金屬構(gòu)成的一角度度區(qū)域的平面，角度柵紋或角度齒。
所說的傳感器還可為磁傳感器，所說的角度標(biāo)記構(gòu)件為磁性材料構(gòu)成的一角度區(qū)域的平面，角度柵紋或角度齒。
本發(fā)明所說的轉(zhuǎn)矩檢測裝置也可以設(shè)置在所說的中軸上，并可將電驅(qū)動裝置設(shè)置在前輪或后輪輪轂中并與輪轂呈一整體。
所說的轉(zhuǎn)矩檢測裝置也可與驅(qū)動裝置一起設(shè)置在兩端轉(zhuǎn)動的輪轂殼體之內(nèi)構(gòu)成一智能型電動輪轂。
所說的電動輪轂可設(shè)置在后輪上。
本發(fā)明的主要特點(diǎn)是采用位相比較式腳蹬轉(zhuǎn)矩檢測機(jī)構(gòu)其工作原理為當(dāng)腳蹬受力后，這組旋轉(zhuǎn)部件也將受轉(zhuǎn)矩，支承在旋轉(zhuǎn)部件的兩半部分間的彈性體將發(fā)生變形。由于彈性體的變形，同軸的兩部分旋轉(zhuǎn)部件間將發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。分別附在這兩半部分上的檢測環(huán)上的兩組角度標(biāo)記構(gòu)件，例如透射區(qū)相互間也轉(zhuǎn)過一個(gè)角度。不受力時(shí)，兩半部上的透射區(qū)互相遮蓋不透光，由于錯(cuò)開角度，兩透射區(qū)將部分重疊而透光。腳蹬力大，兩檢測環(huán)錯(cuò)開角度大，兩透射區(qū)重疊部分越大，透光時(shí)間越長。但由于轉(zhuǎn)速快慢在時(shí)刻變化著，所以透光的時(shí)間并不真正代表相對轉(zhuǎn)角的大小，還需和周期分布相隔已知角度的透射區(qū)的透光時(shí)間進(jìn)行比較，才能真正得出精確的相互轉(zhuǎn)角的大小，從而精確地測量出腳蹬轉(zhuǎn)矩。這就是位相比較的原理。并且，用已測量到的周期分布的已知角的透光情況，通過分析周期信號或已知角信號還可同時(shí)準(zhǔn)確地得出轉(zhuǎn)速值。檢測時(shí)，可以用一個(gè)傳感器檢測出兩個(gè)檢測環(huán)的綜合信號，也可用兩個(gè)傳感器分別檢測出每個(gè)檢測環(huán)的信號。圖1是在四種情況下，傳感器接收到的信號圖。(A)表示用一個(gè)傳感器接受到的一組檢測盤的綜合信號，腳蹬轉(zhuǎn)矩的值由相對轉(zhuǎn)動量信號t1(即一個(gè)重疊的透光區(qū)域的透光時(shí)間)和已知角信號T1(經(jīng)過相鄰的兩個(gè)重疊透光區(qū)域之間的時(shí)間)的比值確定，而轉(zhuǎn)速值可由已知角信號T1直接確定。(B)中，腳蹬轉(zhuǎn)矩的大小與(A)一樣，但轉(zhuǎn)速不同。故t2和T2的數(shù)值與(A)中不同，但t2和T2的比值與t1和T1的比值相等。(C)中，表示當(dāng)腳蹬轉(zhuǎn)矩變大時(shí)信號的圖形，此時(shí)t3和T3的比值增大。(D)表示當(dāng)用兩個(gè)傳感器分別檢測兩片相對轉(zhuǎn)角檢測盤時(shí)，相對轉(zhuǎn)動量信號t4的提取法。而已知角信號既可使用T4，也可使用T4′，圖中上下兩信號為兩個(gè)傳感器分別檢測出的信號。
本發(fā)明提出了利用轉(zhuǎn)動位相比較的原理，直接測出承受轉(zhuǎn)矩的一組旋轉(zhuǎn)部件的相對轉(zhuǎn)角的新技術(shù)方案，籍此直接測出正在旋轉(zhuǎn)著的部件上的腳蹬轉(zhuǎn)矩，而無須將其轉(zhuǎn)換成不旋轉(zhuǎn)的位移信號，同時(shí)還可同時(shí)測出智能控制所必須的轉(zhuǎn)速數(shù)值。
上述本發(fā)明的傳感器，也可以是電容式或電感式或電渦流式傳感器，所說的角度標(biāo)記構(gòu)件則是介質(zhì)或金屬構(gòu)成的一定角度區(qū)域的平面、或一段角度柵紋、或角度齒之一種。所說的傳感器還可以是磁傳感器、所說的角度標(biāo)記構(gòu)件還可是磁性材料構(gòu)成的一定角度區(qū)域的平面、或一段角度柵紋、角度齒。
本發(fā)明具有以下的優(yōu)越性第一、由于本發(fā)明采用的轉(zhuǎn)動位相比較式轉(zhuǎn)矩檢測裝置幾乎不占用結(jié)構(gòu)尺寸，并且同時(shí)還可測出所需的轉(zhuǎn)速值，所以從總體上可設(shè)計(jì)出更加合理精巧的智能型電助動自行車，使整個(gè)電動自行車具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡潔的優(yōu)點(diǎn)。
第二、由于本發(fā)明采用的轉(zhuǎn)動位相比較式檢測裝置可以更精確地測出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速值，從而使智能化控制更加完善精致。在同樣條件下，電池一次充電后的總行駛里程可以比普通電動自行車大大增加。
第三、由于檢測裝置所用部件少、穩(wěn)定性好。所以使電動自行車整機(jī)在長期使用過程中更加可靠、穩(wěn)定。
第四、該智能型電助動自行車總機(jī)的裝配與調(diào)整非常簡單、方便。


圖1是本發(fā)明中檢測裝置的信號圖。
圖2是本發(fā)明的一種實(shí)施例的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的實(shí)施例中所采用的電動輪轂的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明的檢測裝置的原理示意圖。
結(jié)合附圖詳細(xì)說明如下圖2是本發(fā)明的一種實(shí)施例的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2中自行車本體1保留普通自行車的功能，可充電電池4提供電能源。電控制部分2固定在本體1上，在后輪安裝有電驅(qū)動裝置和位相比較式轉(zhuǎn)矩檢測裝置合為一體的智能型電動輪轂3。
本實(shí)施例中的智能型電動輪轂的結(jié)構(gòu)如圖3所示，它包括由可轉(zhuǎn)動的左右兩側(cè)端蓋6、8與輪轂體7組合成整體轉(zhuǎn)動的輪轂外殼，以及設(shè)置其中的電驅(qū)動機(jī)構(gòu)9和檢測機(jī)構(gòu)三大部分組成。其中電驅(qū)動機(jī)構(gòu)由安裝在一不動的鋁底座中的電機(jī)和齒輪減速機(jī)構(gòu)組成。其具體結(jié)構(gòu)圖中未示出，可采用已有的各種電助動車的電動輪轂中的任何一種電驅(qū)動機(jī)構(gòu)。電驅(qū)動機(jī)構(gòu)的同一軸上一側(cè)安裝有檢測機(jī)構(gòu)的兩個(gè)盤狀旋轉(zhuǎn)部件5與6，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)部件相對的表面各開有四個(gè)半園槽，組成安置彈簧12的槽孔，兩旋轉(zhuǎn)部件的外園周分別固定有兩片相對轉(zhuǎn)角檢測環(huán)11，在每張檢測環(huán)的同一園周上等間距開有六組透光長孔，光電檢測器10安裝在一固定在鋁底座上的冂型支架的兩臂內(nèi)表面處，與檢測環(huán)的透光長孔位置相對應(yīng)。每個(gè)透光長孔角度為20°，如圖4所示。圖3中右旋轉(zhuǎn)部件5與飛輪通過螺紋相連。其工作過程如腳蹬受力時(shí)腳蹬轉(zhuǎn)矩通過飛輪傳遞給右旋轉(zhuǎn)部件，再由彈簧傳遞給左旋轉(zhuǎn)部件6，并使左右旋轉(zhuǎn)部件產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，分別固定在兩旋轉(zhuǎn)部件上的檢測環(huán)上透光長孔，在不受力時(shí)互相遮蓋，受力后相互間錯(cuò)開一個(gè)相對轉(zhuǎn)角而透光。這時(shí)光電傳感器接收到相對轉(zhuǎn)動量信息，和已知角信息，則可計(jì)算出轉(zhuǎn)矩值和傳速值，這些數(shù)據(jù)將是對電驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行智能化控制的依據(jù)，在控制部件的控制下，電驅(qū)動機(jī)構(gòu)的電機(jī)經(jīng)過兩級齒輪減速后，則可推動輪轂外殼整體轉(zhuǎn)動。
圖4是檢測機(jī)構(gòu)原理示意圖。左右兩半旋轉(zhuǎn)部件17上承受腳蹬轉(zhuǎn)矩。其中一半輸入腳蹬轉(zhuǎn)矩，另一半輸出。彈性體18的兩端分別支承在左、右兩半旋轉(zhuǎn)部件17上。兩片相對轉(zhuǎn)角檢測環(huán)13分別固定在兩半旋轉(zhuǎn)部件17上。在相對轉(zhuǎn)角檢測環(huán)13上沿園周開有六組等間距成20°角的透光孔14，光電傳感器16接受兩檢測環(huán)重疊透光部分15的光信號。
權(quán)利要求
1.一種智能型電助動自行車，包括由車把、車架、車座中軸及腳蹬和車輪組成的自行車本體，腳蹬轉(zhuǎn)矩檢測裝置，電驅(qū)動裝置及電控制單元，其特征在于所說的腳蹬轉(zhuǎn)矩檢測裝置采用轉(zhuǎn)動位相比較式轉(zhuǎn)矩檢測裝置。
2.如權(quán)利要求1所述智能型電助動自行車，其特征在于還包括設(shè)置在承受或傳遞腳蹬轉(zhuǎn)矩的任何一個(gè)轉(zhuǎn)軸上的一組旋轉(zhuǎn)部件，該旋轉(zhuǎn)部件分別支承在彈性體的兩端，分別附于該旋轉(zhuǎn)部件上的一組相對轉(zhuǎn)角檢測環(huán)，所說的每個(gè)檢測環(huán)的同一園周上有兩個(gè)以上呈已知間隔排列的角度標(biāo)記構(gòu)件，所說的檢測傳感器設(shè)置在相對于角度標(biāo)記構(gòu)件的位置的不動體上。
3.如權(quán)利要求1所說的智能型電助動自行車，其特征在于所說的傳感器為透射式或反射式光電傳感器之一種，所說的角度標(biāo)記構(gòu)件是一定角度的透射區(qū)、反射區(qū)或光柵之一種。
4.如權(quán)利要求1所說的智能型電助動自行車，其特征在于所說的傳感器為電容式、電感式或電渦流式傳感器之一種，所說的角度標(biāo)記構(gòu)件是介質(zhì)或金屬構(gòu)成的一定角度區(qū)域的平面，角度柵紋或角度齒。
5.如權(quán)利要求1所說的智能型電助動自行車，其特征在于所說的傳感器為磁傳感器，所說的角度標(biāo)記構(gòu)件為磁性材料構(gòu)成的一定角度區(qū)域的平面，角度柵紋或角度齒。
6.如權(quán)利要求1-5所說的智能型電助動自行車，其特征在于所說的轉(zhuǎn)矩檢測裝置設(shè)置在所說的中軸上。
7.如權(quán)利要求1-5所說的智能型電助動自行車，其特征在于所說的轉(zhuǎn)矩檢測裝置與驅(qū)動裝置設(shè)置在兩端轉(zhuǎn)動的輪轂殼體之內(nèi)構(gòu)成一智能型電動輪轂
8.如權(quán)利要求7所說的智能型電助動自行車，其特征在于所說的電動輪轂設(shè)置在后輪上。
9.如權(quán)利要求6所說的智能型電助動自行車，其特征在于所說的電驅(qū)動裝置設(shè)置在前輪或后輪輪轂中，并與輪轂呈一整體。
全文摘要
本發(fā)明屬于電助動自行車技術(shù)領(lǐng)域，包括由車把、車架、車座中軸及腳蹬和車輪組成的自行車本體，腳蹬轉(zhuǎn)矩檢測裝置，電驅(qū)動裝置及電控制單元，所說的腳蹬轉(zhuǎn)矩檢測裝置采用可同時(shí)檢測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)動位相比較式轉(zhuǎn)矩檢測裝置。能夠由唯一的一個(gè)傳感器系統(tǒng)同時(shí)完成轉(zhuǎn)矩檢測，轉(zhuǎn)速檢測并能與電驅(qū)動裝置結(jié)合成一體，使整機(jī)設(shè)計(jì)簡潔，緊湊，電力控制精確，可靠，節(jié)省電池電能，并使成本降低。
文檔編號B62K23/08GK1149025SQ9610983
公開日1997年5月7日 申請日期1996年9月20日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月20日
發(fā)明者賈維溥 申請人:清華大學(xué)