專利名稱：位相比較式腳蹬轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電助動(dòng)自行車技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及智能型電助動(dòng)自行車腳蹬轉(zhuǎn)矩檢測機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)速檢測機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
電助動(dòng)自行車是一種人力驅(qū)動(dòng)和電力驅(qū)動(dòng)并用的輕便型交通工具，一般的電助動(dòng)自行車人力驅(qū)動(dòng)與電力驅(qū)動(dòng)之間無關(guān)聯(lián)。而較先進(jìn)的智能型電助動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)，把信號從傳感器傳出的引線也將在不停的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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)。
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(dòng)軸承支承。自行車腳蹬中軸在內(nèi)層滾動(dòng)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(dòng)，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(dòng)，滑塊的端面需再推動(dòng)一個(gè)不隨中軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)一個(gè)可沿著軸向方向滑動(dòng)的尼龍滑動(dòng)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(dòng)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，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。
本發(fā)明的目的在于為克服已有技術(shù)的不足之處，研創(chuàng)出一種原理完全不同的電助動(dòng)車輛用的腳蹬轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速檢測裝置，該裝置能夠由唯一的一個(gè)傳感器系統(tǒng)同時(shí)擔(dān)任轉(zhuǎn)矩檢測、轉(zhuǎn)速檢測，從而可用簡單的結(jié)構(gòu)直接精確地檢測出腳蹬轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。
本發(fā)明所述的一種電助動(dòng)車腳踏轉(zhuǎn)矩測量裝置，包括檢測傳感器，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(dòng)體上，傳感器檢測出轉(zhuǎn)矩信號，并可同時(shí)檢測轉(zhuǎn)速。
本發(fā)明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)件則可是一定角度的透射區(qū)、反射區(qū)或光柵之一種。
采用上述的腳蹬轉(zhuǎn)矩測量裝置的工作原理為當(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(dòng)。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(dòng)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(dòng)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(dòng)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、腳蹬轉(zhuǎn)矩測量和轉(zhuǎn)速測量，可以由同一個(gè)傳感器系統(tǒng)同時(shí)擔(dān)任，使整個(gè)測量裝置總體上大大簡化，這是現(xiàn)有技術(shù)不能做到的。
第二、結(jié)構(gòu)非常簡潔，由于采用位相比較的原理，所以測量精度高。由于部件少，可靠性、長期穩(wěn)定性也得到提高。
第三、由于不需要將腳蹬轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成軸向的直線位移，所以軸向結(jié)構(gòu)尺寸小，整個(gè)測量裝置占用的結(jié)構(gòu)空間也非常小。
第四、裝配、調(diào)整簡單、方便。
第五、本測量裝置可方便地設(shè)置在承受或傳遞腳蹬轉(zhuǎn)矩的任何一個(gè)部位上，如中軸輪盤，后輪軸等。


圖1是本發(fā)明中傳感器接收的信號圖。
圖2是本發(fā)明的一種實(shí)施例總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為圖2的側(cè)視圖。
結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的一種實(shí)施例。圖2為本實(shí)施例的總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2中，左右兩半旋轉(zhuǎn)部件1上承受腳蹬轉(zhuǎn)矩。其中一半輸入腳蹬轉(zhuǎn)矩，另一半輸出。均勻分布的四個(gè)彈簧2的兩端分別支承在左、右兩半旋轉(zhuǎn)部件11、12上。由鋼片制成的兩片相對轉(zhuǎn)角園盤3分別固定在兩半旋轉(zhuǎn)部件11、12上。在相對轉(zhuǎn)角園盤3上沿園周開有六組等間距L、成α＝20°角的透光槽孔4，光電傳感器5安裝在一不動(dòng)的冂形支架6上，使光電傳感器5在園周方向恰對準(zhǔn)透光槽孔4，如圖3所示。當(dāng)無受力時(shí)，兩園盤上的槽孔將處于相互遮蓋的位置，這時(shí)光電傳感器無信號接收；當(dāng)受力時(shí)，兩園盤上的槽孔重疊部分41透光，這時(shí)光電傳感器接收光信號。同時(shí)接收兩個(gè)相鄰的重疊槽孔(41，42)間的信號，則可得知腳蹬轉(zhuǎn)矩值和轉(zhuǎn)速值。
本實(shí)施例可單獨(dú)安裝在電助動(dòng)車的中軸上，也可單獨(dú)或與電動(dòng)輪轂合為一體安裝在車的后輪軸上。
權(quán)利要求
1.一種電助動(dòng)車腳蹬轉(zhuǎn)矩測量裝置，包括檢測傳感器，其特征在于還包括設(shè)置在承受或傳遞腳蹬轉(zhuǎn)矩的任何一組旋轉(zhuǎn)部件上的一組相對轉(zhuǎn)角檢測環(huán)，該旋轉(zhuǎn)部件分別支承在彈性體的兩端，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(dòng)體上，傳感器檢測出轉(zhuǎn)矩信號，并可同時(shí)檢測轉(zhuǎn)速。
2.如權(quán)利要求1所說的電助動(dòng)車腳蹬轉(zhuǎn)矩測量裝置，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。
3.如權(quán)利要求1所說的電助動(dòng)車腳蹬轉(zhuǎn)矩測量裝置，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。
4.如權(quán)利要求1所說的電助動(dòng)車腳蹬轉(zhuǎn)矩測量裝置，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。
全文摘要
本發(fā)明屬于電助動(dòng)自行車技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明包括檢測傳感器，還包括設(shè)置在承受或傳遞腳蹬轉(zhuǎn)矩的任何一組旋轉(zhuǎn)部件上的一組相對轉(zhuǎn)角檢測環(huán)，該旋轉(zhuǎn)部件分別支承在彈性體的兩端，每個(gè)檢測環(huán)有兩個(gè)以上呈已知間隔排列的角度標(biāo)記構(gòu)件。該裝置能夠由唯一的一個(gè)傳感器系統(tǒng)同時(shí)擔(dān)任轉(zhuǎn)矩檢測、轉(zhuǎn)速檢測，從而可用簡單的結(jié)構(gòu)直接精確地檢測出腳蹬轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。
文檔編號G01P3/36GK1156247SQ9610983
公開日1997年8月6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)