一种自行车牵拉式力矩传感系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种自行车牵拉式力矩传感系统，属于助力脚踏车领域。

背景技术：

2.目前的力矩助力自行车所采用力矩传感器都是围绕对转动体的扭力或转矩的感应与采集的技术方案展开，都是对转动体运动模式下的力矩感应结构进行设计，现有技术中依据旋转环的扭力获取扭力传感数据，自动给出助力数据的大小，电机帮助提供合适的助力，从而减轻人力。缺点是旋转环复杂成本高、易磨损。
3.也有现有技术中早些年公开的“后钩爪”相关技术，它对设置在轮辐固定板等位置的感应片进行变形力收集传感数据。缺点是外界影响大（人体重量、路面平整度等）、使用可靠性低、传输稳定性差。
4.有鉴于此，在申请号为201610315886.8的专利文献中公开了一种蓄能助力自行车，中拉力传感器3检测自行车链条的张力值，当自行车处于下坡或刹车时，拉力传感器3检测的自行车链条张力值小于设定的最小值时，控制器2通过程序选择进入蓄能模式；拉力传感器3检测的自行车链条张力值大于设定最大值时，控制器2通过程序选择进入助力模式；当链条张力值介于最大值与最小值之间时，控制器2通过程序选择进入骑行模式；由此可知现有技术中是通过拉力传感器3对自行车链条的张力进行检测的。

技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理的自行车牵拉式力矩传感系统。
6.本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是：该自行车牵拉式力矩传感系统，包括牙盘、后轴、链轮、链条和五通，所述链轮设置在后轴上，所述牙盘与链轮通过链条传动，其结构特点在于：还包括中轴力矩传感器，所述中轴力矩传感器包括中轴、弹性体和传感器本体，所述传感器本体与弹性体配合，所述弹性体与中轴配合，所述中轴设置在五通上，所述牙盘设置在中轴上。
7.进一步地，所述中轴力矩传感器还包括左轴承座、右轴承座、轴承甲和轴承乙，所述弹性体的两端分别为弹性体固定端和弹性体自由端，所述左轴承座的外体固定在五通上，所述左轴承座的内体与轴承甲配合设置在中轴上，所述右轴承座的外体固定在五通上，所述右轴承座与弹性体固定端紧固，所述弹性体自由端与轴承乙配合设置在中轴上，所述传感器本体设置在弹性体与右轴承座之间。
8.进一步地，所述中轴力矩传感器还包括磁环和霍尔电路板，所述磁环设置在中轴上，且磁环位于左轴承座和右轴承座之间，所述磁环与霍尔电路板配合，检测并输出人力踩踏自行车时脚踏转动的速度频率。
9.进一步地，所述中轴力矩传感器还包括防护套，所述防护套设置在左轴承座和右轴承座之间，且防护套套装在磁环和霍尔电路板外。
10.进一步地，所述中轴力矩传感器还包括防护橡胶圈，所述防护橡胶圈设置在弹性体和右轴承座之间。
11.进一步地，所述中轴力矩传感器还包括测量电路板和防水信号线，所述传感器本体与测量电路板配合，所述测量电路板与防水信号线连接。
12.进一步地，所述中轴力矩传感器还包括调整圈，所述调整圈设置在中轴上，且调整圈位于磁环和右轴承座之间。
13.进一步地，所述传感器本体为电感式传感器，所述传感器本体包括铁芯和线圈，所述铁芯设置在弹性体上，所述线圈设置在右轴承座上，所述线圈与弹性体配合。
14.进一步地，所述传感器本体为电阻应变式传感器，所述传感器本体包括应变片，所述应变片设置在弹性体上。
15.进一步地，所述传感器本体为电容式传感器，所述传感器本体包括动极板和静极板，所述动极板设置在弹性体上，所述静极板设置在右轴承座上，所述动极板与静极板配合。
16.相比现有技术，本实用新型具有以下优点：通过设置中轴力矩传感器将自行车脚踏力矩的转动体扭力感应原理结构演变为直线运动的牵拉力弯曲形变原理结构，大大的简化了针对旋转体的转（力）矩检测的传感器应用工作方式以及简化降低了传感器结构成本，大大的提高了作为传感器敏感原件单元应用的可靠性和使用寿命。
17.将中轴力矩传感器安装在自行车的五通内，自行车的中轴与后轴平行设置，中轴上的牙盘与后轴上的链轮通过链条啮合，由于后轴的两端分别设置有固定支点a和固定支点b,中轴的一端为固定支点c，另一端为自由支点d（即安装牙盘的一端），使得中轴呈悬臂梁结构设置，当人蹬踏脚时使得中轴转动，安装在中轴上的牙盘转动同时使得链条绷紧，进而产生牵引力与反牵引力，由于自由支点d处设置有弹性体，传感器本体设置在弹性体上，使得自由支点d发生弹性形变，进而通过设置的传感器本体将信号输出。
18.用链式传动的自行车、拖拉机、电机等软连接传动的机械，在链条牵引力的作用下，均具有轴与轴产生的向中间收缩的力（拉力），以该力为采集样本，通过电感式传感器、电阻应变式传感器或电容式传感器均可得到相关数据；其优点是：检测结构原理简单、磨损小、成本低、传输度高、数据更精确可靠、应用寿命长，使用范围广。
19.本技术具体应用时采用自行车中轴与后轴三点固定、一点悬空式悬臂梁方式（外部固定、内部保留悬空间隙），传感器本体安装于悬臂梁上，间隙大小只需满足位移量传感数据的应用即可，设计合理，应用性高。
附图说明
20.图1是本实用新型实施例的传感器本体为电感式传感器时的结构示意图。
21.图2是本实用新型实施例的传感器本体为电阻应变式传感器时的结构示意图。
22.图3是本实用新型实施例的传感器本体为电容式传感器时的结构示意图。
23.图4是本实用新型实施例的电感式传感器的转换原理图。
24.图5是本实用新型实施例的电阻应变式传感器的转换原理图。
25.图6是本实用新型实施例的电容式传感器的转换原理图。
26.图7是本实用新型实施例的中轴力矩传感器的安装示意图。
27.图中：中轴1、左轴承座2、右轴承座3、轴承甲4、轴承乙5、防护套6、磁环7、霍尔电路板8、防护橡胶圈9、弹性体10、测量电路板11、防水信号线12、调整圈13、牙盘14、铁芯15、线圈16、应变片17、动极板18、静极板19、后轴20、链轮21、链条22、五通23、固定支点a、固定支点b、固定支点c、自由支点d。
具体实施方式
28.下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。
29.实施例。
30.参见图1至图7所示，须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中若有引用如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。
31.本实施例中的自行车牵拉式力矩传感系统，包括牙盘14、后轴20、链轮21、链条22、五通23和中轴力矩传感器，链轮21设置在后轴20上，牙盘14与链轮21通过链条22传动；中轴力矩传感器包括中轴1、左轴承座2、右轴承座3、轴承甲4、轴承乙5、防护套6、磁环7、霍尔电路板8、防护橡胶圈9、弹性体10、测量电路板11、防水信号线12、调整圈13和传感器本体。
32.本实施例中的传感器本体与弹性体10配合，弹性体10与中轴1配合，中轴1设置在五通23上，磁环7、调整圈13和牙盘14均设置在中轴1上，左轴承座2通过轴承甲4设置在中轴1上，弹性体10通过轴承乙5设置在中轴1上，右轴承座3设置在弹性体10上，即弹性体10的一端采用螺丝固定与右轴承座3固定，弹性体10的另一端通过轴承乙5设置在中轴1上，使得弹性体10的一端为悬臂梁固定端，弹性体10的另一端为悬臂梁自由端，传感器本体设置在弹性体10与右轴承座3之间，左轴承座2和右轴承座3均安装在自行车的五通23内。
33.通常情况下，弹性体10的两端分别为弹性体固定端和弹性体自由端（即悬臂梁固定端和悬臂梁自由端），左轴承座2的外体固定在五通23上，左轴承座2的内体与轴承甲4配合设置在中轴1上，右轴承座3的外体固定在五通23上，右轴承座3与弹性体固定端紧固，弹性体自由端与轴承乙5配合设置在中轴1上。
34.本实施例中的防护套6和磁环7均位于左轴承座2和右轴承座3之间，磁环7与霍尔电路板8配合，通过霍尔电路板8测量磁环7的转速，霍尔电路板8与防水信号线12连接，用于测量转速的变化，并传输踏频信号，防护套6套装在磁环7和霍尔电路板8外，防护橡胶圈9设置在弹性体10和右轴承座3之间，防护橡胶圈9用于阻挡水及尘土进入弹性体10的内部，传感器本体与测量电路板11配合，传感器本体与测量电路板11连接，测量电路板11与防水信号线12连接，用于测量力矩的变化，并传输力矩信号，调整圈13位于磁环7和右轴承座3之间。
35.该中轴力矩传感器安装在自行车的五通23内，自行车的中轴1与后轴20平行设置，
中轴1上的牙盘14与后轴20上的链轮21通过链条22啮合，由于后轴20的两端分别设置有固定支点a和固定支点b,中轴1的一端为固定支点c，另一端为自由支点d（即安装牙盘14的一端），使得中轴1呈悬臂梁结构设置，当人蹬踏脚时使得中轴1转动，安装在中轴1上的牙盘14转动同时使得链条22绷紧，进而产生牵引力与反牵引力，由于自由支点d处设置有弹性体10，传感器本体设置在弹性体10上，使得自由支点d发生弹性形变，进而通过设置的传感器本体将信号输出。
36.自行车的后轴20固定在自行车的车架上，后轴20的两端分别设置有固定支点a和固定支点b，中轴力矩传感器安装在五通23内，左轴承座2将中轴力矩传感器的一端固定在五通23的左端，右轴承座3将中轴力矩传感器的另一端固定在五通23的右端，在安装左右两只曲柄踏脚的中轴1上靠近右半轴部分安装弹性体10，弹性体10的一端采用螺丝连接在右轴承座3上，而弹性体10的另一端则通过轴承乙5安装在中轴1上，这样就使得弹性体10的一端通过左轴承座2与五通23固定，且该端设置有固定支点c，弹性体10的另一端通过轴承甲4与中轴1固定，且该端设置有自由支点d，而中轴1的右端在一定小范围的空间内是可以上下左右自由变形的，即弹性体10的安装结构设计成为了一端自由形变，另一端固定的悬臂梁形式结构。
37.传感器本体为电感式传感器、电阻应变式传感器或电容式传感器中的一种。
38.当传感器本体为电感式传感器，传感器本体包括铁芯15和线圈16，铁芯15设置在弹性体10上，线圈16设置在右轴承座3上，线圈16与弹性体10配合，弹性体10作为衔铁、通电时具有弹性磁性铁芯特征。
39.具体的说，电感式传感器是利用电磁感应原理将被测的物理量如位移量等转换长线圈的自感系数l或互感系数m的变化，实现由非电量到电量转换的装置。
40.电感式传感器是将非电量的相关量如位移量转换为电感的变化（
△
l），或互感的变换（
△
m）。
41.（1）电感式传感器按原理分为电感式和互感式。
42.（2）电感式传感器按结构分为变气隙式（单线圈电感式，差动式）和螺管式。
43.电感式传感器也叫变磁阻式传感器，工作原理：电感式传感器的基本结构实际上是由衔铁、铁芯15和匝数为w的线圈16三部分组成，它的工作原理是基于外力运动部分使弹性体10上的衔铁发生位移时，导致线圈16的电感值（线圈16磁回路中磁阻）的变化，线圈16电感量的变化通过测量电路中的测量电路板11转换成电量输出。
44.如图1所示，所表达的是电感式（变磁阻式或变间隙式）传感器结构如下所示，弹性体10上安装有衔铁，与衔铁隔空对应的有铁芯15和线圈16，当脚踏转动自行车牙盘14使链条22拉动后轮转动时，绷紧的链条22将固定在五通23中的中轴1产生一种向后的拉力，该拉力通过中轴1使弹性体10发生弯曲变形，即线圈16与衔铁之间的空气隙发生大小变化，改变了磁路磁阻变化，引起线圈16电感值变化，变化值通过测量电路中的测量电路板11转换成电量输出。
45.当传感器本体为电阻应变式传感器，传感器本体包括应变片17，应变片17设置在弹性体10上。
46.具体的说，牵拉式的中轴力矩传感器应用于自行车的脚踏力扭力的测量，其应用结构的创造性在于：
47.如图2所示，将自行车的后轴20和自行车脚踏的中轴1这两条平行轴的4个固定支点设计为3个固定支点，改留中轴1上1个支点右边安装牙盘14（产生反牵引力最大），该中轴1上的1个支点为自由支点，并在自由支点处安装一只悬臂梁式弯曲弧度和电阻应变式传感器，利用链条22的牵引力对该支点来说产生的反牵引力去影响悬臂梁上的传感器本体的弯曲形变，最终获取与脚踏力大小成正比例输出的电信号。
48.当中轴1的右端的牙盘14通过链条22去牵引后轴20上的链轮21转动时，链条22对中轴1上牙盘14的自由支点d会产生反牵引力的控力，使得弹性体10的悬臂梁自由端被反牵引拉力产生弯曲形变，弹性体10的悬臂梁自由端上粘贴有电阻感应式的应变片17，弹性体10的弯曲形变使得应变片17的阻值发生变化，进而应变片组桥的测量电路发生变化，当人脚踩踏用力越大链条22对中轴1上自由支点d的反牵引力也就越大，结果产生力矩的电信号也就越大，对于传感器本体来说，其电信号的输出值与人力踩踏使用的力的大小成正比例线性关系。
49.当传感器本体为电容式传感器，传感器本体包括动极板18和静极板19，动极板18设置在弹性体10上，静极板19设置在右轴承座3上，动极板18与静极板19配合。
50.具体的说，电容式传感器在本实施例中应用的结构形式为变间隙式，其基本的工作转换原理如图6所示。
51.电容式传感器设计成两块极板，这两块极板之间有一个可变气隙，当外力使得两块极板产生相对位移时，即两极板之间的可变气隙发生距离上的变化（位移），将引起电容量的变化，该电容变化量通过测量电路中的测量电路板11将其转换为电压量的输出。
52.使用原理说明：如图3所示，将整只中轴电容式传感器安装固定在自行车的五通23中，然后链条22挂在牙盘14上，安装后左右曲柄脚踏，当骑行自行车时，不论左脚或右脚踩踏起步使中轴1转动同时牙盘14也一并跟随转动，当牙盘14随脚踏转动而转动时，通过牵动自行车的后轴20上的链轮21随之转动，链轮21的转动带动自行车后轮滚动骑行，在这种始于人力脚蹬让牙盘转动，牵动链条22拖动后轮的链轮21，带动自行车后轮滚动的力的传递过程中，即已将人脚蹬踏的转动力转换成了链条22牵拉后轮（链轮21转动）的直线牵拉力，这种直线牵拉力与人脚蹬踏脚的力的大小成正比例关系，人蹬踏使用的力越大，对自行车的后轴20支点和五通23）内中轴1的支点（这两个点由链条22联扣在一条受力线上）相向牵拉力也就越大。
53.也就是说，人为地将自行车后轮支点锁紧固定，而降踏脚中轴1处的牙盘14这边的中轴1的支点自由放松，使自行车的五通23中的中轴1成为悬臂梁结构形式，即中轴1的左脚边以轴承乙5为支点锁紧固定，中轴1上安装牙盘14的右边以传感器本体中的弹性体10的安装方式使之成为悬臂梁结构状态。
54.当人蹬踏脚使牙盘14转动时，牙盘14上的链条22产生对后轮的牵拉力，同时自行车后轮滚动的阻力也给牙盘14在中轴1上的支点产生反牵拉力，由于牙盘14在中轴1上的支点已人为设为悬臂梁的结构，当悬臂梁被反牵拉力而产生位移时，使安装在弹性体10上的动极板18相对于静极板19之间的空隙发生了距离上的变化，这位移量的变化引出的空隙距离变化而造成了电容量的变化，该电容量的变化量被测量电路中的测量电路板11检测并将其转换成电压信号输出。
55.本实施例中的自行车牵拉式力矩传感系统的工作方法，其特征在于：所述工作方
法如下：
56.后轴20的两端分别设置有固定支点a和固定支点b，中轴力矩传感器安装在五通23内，左轴承座2将中轴力矩传感器的一端固定在五通23的左端，右轴承座3将中轴力矩传感器的另一端固定在五通23的右端，中轴1的右侧上安装有弹性体10，弹性体10的一端采用螺丝固定连接在右轴承座3上，而弹性体10的另一端则通过轴承乙5安装在中轴1上，使得中轴1的左端设置有固定支点c，中轴1的右端设置有自由支点d，进而中轴1的右端在一定范围的空间内是可以上下左右自由变形（变形的范围根据材料和敏感材料的灵敏系数来决定，不是一个定量），即弹性体10的安装结构设计成为了一端自由形变，另一端固定的悬臂梁形式结构，当人力踩踏使固定在中轴1上的牙盘14转动，通过链条22牵拉后轴20转动时，后轴20通过链条22给中轴1一种反牵拉力，使得中轴1同时带动呈悬臂梁结构设置的弹性体10向牵拉方向位移形变，该位移形变的大小与牵拉力的大小成正比例关系，牵拉式力矩传感器将通过内部的测量电路中的测量电路板11将感应物理量转换成可控的电量信号输出。
57.此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型结构所作的举例说明。凡依据本实用新型专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本实用新型专利的保护范围内。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。

技术特征：

1.一种自行车牵拉式力矩传感系统，包括牙盘（14）、后轴（20）、链轮（21）、链条（22）和五通（23），所述链轮（21）设置在后轴（20）上，所述牙盘（14）与链轮（21）通过链条（22）传动，其特征在于：还包括中轴力矩传感器，所述中轴力矩传感器包括中轴（1）、弹性体（10）和传感器本体，所述传感器本体与弹性体（10）配合，所述弹性体（10）与中轴（1）配合，所述中轴（1）设置在五通（23）上，所述牙盘（14）设置在中轴（1）上。2.根据权利要求1所述的自行车牵拉式力矩传感系统，其特征在于：所述中轴力矩传感器还包括左轴承座（2）、右轴承座（3）、轴承甲（4）和轴承乙（5），所述弹性体（10）的两端分别为弹性体固定端和弹性体自由端，所述左轴承座（2）的外体固定在五通（23）上，所述左轴承座（2）的内体与轴承甲（4）配合设置在中轴（1）上，所述右轴承座（3）的外体固定在五通（23）上，所述右轴承座（3）与弹性体固定端紧固，所述弹性体自由端与轴承乙（5）配合设置在中轴（1）上，所述传感器本体设置在弹性体（10）与右轴承座（3）之间。3.根据权利要求1所述的自行车牵拉式力矩传感系统，其特征在于：所述中轴力矩传感器还包括磁环（7）和霍尔电路板（8），所述磁环（7）设置在中轴（1）上，且磁环（7）位于左轴承座（2）和右轴承座（3）之间，所述磁环（7）与霍尔电路板（8）配合。4.根据权利要求1所述的自行车牵拉式力矩传感系统，其特征在于：所述中轴力矩传感器还包括防护套（6），所述防护套（6）设置在左轴承座（2）和右轴承座（3）之间，且防护套（6）套装在磁环（7）和霍尔电路板（8）外。5.根据权利要求1所述的自行车牵拉式力矩传感系统，其特征在于：所述中轴力矩传感器还包括防护橡胶圈（9），所述防护橡胶圈（9）设置在弹性体（10）和右轴承座（3）之间。6.根据权利要求1所述的自行车牵拉式力矩传感系统，其特征在于：所述中轴力矩传感器还包括测量电路板（11）和防水信号线（12），所述传感器本体与测量电路板（11）配合，所述测量电路板（11）与防水信号线（12）连接。7.根据权利要求1所述的自行车牵拉式力矩传感系统，其特征在于：所述中轴力矩传感器还包括调整圈（13），所述调整圈（13）设置在中轴（1）上，且调整圈（13）位于磁环（7）和右轴承座（3）之间。8.根据权利要求1所述的自行车牵拉式力矩传感系统，其特征在于：所述传感器本体为电感式传感器，所述传感器本体包括铁芯（15）和线圈（16），所述铁芯（15）设置在弹性体（10）上，所述线圈（16）设置在右轴承座（3）上，所述线圈（16）与弹性体（10）配合。9.根据权利要求1所述的自行车牵拉式力矩传感系统，其特征在于：所述传感器本体为电阻应变式传感器，所述传感器本体包括应变片（17），所述应变片（17）设置在弹性体（10）上。10.根据权利要求1所述的自行车牵拉式力矩传感系统，其特征在于：所述传感器本体为电容式传感器，所述传感器本体包括动极板（18）和静极板（19），所述动极板（18）设置在弹性体（10）上，所述静极板（19）设置在右轴承座（3）上，所述动极板（18）与静极板（19）配合。

技术总结

本实用新型涉及一种自行车牵拉式力矩传感系统，属于助力脚踏车领域。本实用新型包括牙盘、后轴、链轮、链条和五通，所述链轮设置在后轴上，所述牙盘与链轮通过链条传动，其特征在于：还包括中轴力矩传感器，所述中轴力矩传感器包括中轴、左轴承座、右轴承座、轴承甲、轴承乙、弹性体和传感器本体，所述牙盘设置在中轴上，所述中轴与后轴平行设置，所述弹性体的两端分别为弹性体固定端和弹性体自由端，所述左轴承座的外体固定在五通上，所述左轴承座的内体与轴承甲配合设置在中轴上，所述右轴承座的外体固定在五通上，所述右轴承座与弹性体固定端紧固，所述弹性体自由端与轴承乙配合设置在中轴上，所述传感器本体设置在弹性体与右轴承座之间。承座之间。承座之间。