專利名稱：位相比較式腳蹬轉矩及轉速檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電助動自行車技術領域，特別涉及智能型電助動自行車腳蹬轉矩檢測機構及轉速檢測機構的設計。
電助動自行車是一種人力驅動和電力驅動并用的輕便型交通工具，一般的電助動自行車人力驅動與電力驅動之間無關聯。而較先進的智能型電助動自行車將首先測出騎行者腳蹬力的轉矩(或稱腳蹬力矩)及轉速的大小，并以此轉矩值及轉速值作為控制信號來控制調節(jié)電動機的輸出功率及電流的大小，以達到既減輕人力又省電的效果。目前微電腦控制技術已作為較成熟的技術在各個技術領域廣泛采用，故該智能型控制方式的關鍵技術是如何適時測出每一時刻腳蹬轉矩的大小及轉速的大小，以便根據這兩個數值進行智能控制。而測量腳蹬轉矩的難點在于當騎行者腳蹬施力時，傳遞該腳蹬轉矩的各個部件都在不停地轉動之中。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動，把信號從傳感器傳出的引線也將在不停的轉動纏繞之中而成為一個難處理的問題。同時，該轉矩檢測系統(tǒng)要在長年的騎行過程中保持穩(wěn)定、可靠和高重復性。為解決電助動自行車腳蹬轉矩測量中這些特殊的技術難點，出現了不同的檢測機構。
例如，本申請人申請的一項中國專利(申請?zhí)枮?620018231)，是在自行車中軸上加裝偏心機構。該偏心機構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層滾動軸承中旋轉。由于有偏心，當騎行者施加腳蹬力時，外層偏心機構將克服彈簧力而發(fā)生偏轉。由于外層只發(fā)生偏轉而不是像內層一樣在不停地轉動，故易將此偏轉量轉換成直線位移的變化。測出這個變化信號，即可測出腳蹬轉矩。但采用此方案的自行車，其中軸比普通自行車中軸結構要粗大、復雜得多。同時，轉速也需由另外的一套轉速檢測傳感器系統(tǒng)單獨檢出。
另一個現有技術的例子，也是將腳踏轉矩測量機構放在自行車中軸上。在中軸上布置棒狀彈性體。當施加腳蹬力時，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動，滑塊的端面需再推動一個不隨中軸轉動的擺桿。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矩的信號。這種結構也非常復雜，并且轉速同樣需由另外單獨設置的轉速檢測傳感器系統(tǒng)檢出。
現有技術中的另外一個例子申請?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園盤上。施加腳蹬力時，螺旋傾斜楔面推動一個可沿著軸向方向滑動的尼龍滑動件。在旋轉的尼龍件的端部有一園環(huán)狀導電體，而在它的外部布置有一個不動的線圈，當尼龍件發(fā)生軸向直線位移時，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矩的變化。但此種結構也太復雜。同樣，該機構也必須另外設置單獨的轉速檢測傳感器系統(tǒng)。
綜上所述，現有技術的一個共同點是，均需將旋轉件上承受的腳蹬轉矩轉換成不旋轉的直線位移信號。而為完成這種轉化，結構均很復雜，另一個共同點是均需另外設置單獨的轉速檢測傳感器系統(tǒng)。這就使結構更加復雜化。
本發(fā)明的目的在于為克服已有技術的不足之處，研創(chuàng)出一種原理完全不同的電助動車輛用的腳蹬轉矩及轉速檢測裝置，該裝置能夠由唯一的一個傳感器系統(tǒng)同時擔任轉矩檢測、轉速檢測，從而可用簡單的結構直接精確地檢測出腳蹬轉矩和轉速。
本發(fā)明所述的一種電助動車腳踏轉矩測量裝置，包括檢測傳感器，其特征在于還包括設置在承受或傳遞腳蹬轉矩的任何一個轉軸上的一組旋轉部件，該旋轉部件分別支承在彈性體的兩端，分別附于該旋轉部件上的一組相對轉角檢測環(huán)，所說的每個檢測環(huán)的同一園周上有兩個以上呈已知間隔排列的角度標記構件，所說的檢測傳感器設置在相對于角度標記構件的位置的不動體上，傳感器檢測出轉矩信號，并可同時檢測轉速。
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，所說的角度標記構件則可是一定角度的透射區(qū)、反射區(qū)或光柵之一種。
采用上述的腳蹬轉矩測量裝置的工作原理為當腳蹬受力后，這組旋轉部件也將受轉矩，支承在旋轉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，同軸的兩部分旋轉部件間將發(fā)生相對轉動。分別附在這兩半部分上的檢測環(huán)上的兩組角度標記構件，例如透射區(qū)相互間也轉過一個角度。不受力時，兩半部上的透射區(qū)互相遮蓋不透光，由于錯開角度，兩透射區(qū)將部分重疊而透光。腳蹬力大，兩檢測環(huán)錯開角度大，兩透射區(qū)重疊部分越大，透光時間越長。但由于轉速快慢在時刻變化著，所以透光的時間并不真正代表相對轉角的大小，還需和周期分布相隔已知角度的透射區(qū)的透光時間進行比較，才能真正得出精確的相互轉角的大小，從而精確地測量出腳蹬轉矩。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準確地得出轉速值。檢測時，可以用一個傳感器檢測出兩個檢測環(huán)的綜合信號，也可用兩個傳感器分別檢測出每個檢測環(huán)的信號。圖1是在四種情況下，傳感器接收到的信號圖。(A)表示用一個傳感器接受到的一組檢測盤的綜合信號，腳蹬轉矩的值由相對轉動量信號t1(即一個重疊的透光區(qū)域的透光時間)和已知角信號T1(經過相鄰的兩個重疊透光區(qū)域之間的時間)的比值確定，而轉速值可由已知角信號T1直接確定。(B)中，腳蹬轉矩的大小與(A)一樣，但轉速不同。故t2和T2的數值與(A)中不同，但t2和T2的比值與t1和T1的比值相等。(C)中，表示當腳蹬轉矩變大時信號的圖形，此時t3和T3的比值增大。(D)表示當用兩個傳感器分別檢測兩片相對轉角檢測盤時，相對轉動量信號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傳感器分別檢測出的信號。
本發(fā)明提出了利用轉動位相比較的原理，直接測出承受轉矩的一組旋轉部件的相對轉角的新技術方案，籍此直接測出正在旋轉著的部件上的腳蹬轉矩，而無須將其轉換成不旋轉的位移信號，同時還可同時測出智能控制所必須的轉速數值。
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，所說的角度標記構件則是介質或金屬構成的一定角度區(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、所說的角度標記構件還可是磁性材料構成的一定角度區(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、腳蹬轉矩測量和轉速測量，可以由同一個傳感器系統(tǒng)同時擔任，使整個測量裝置總體上大大簡化，這是現有技術不能做到的。
第二、結構非常簡潔，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矩轉換成軸向的直線位移，所以軸向結構尺寸小，整個測量裝置占用的結構空間也非常小。
第四、裝配、調整簡單、方便。
第五、本測量裝置可方便地設置在承受或傳遞腳蹬轉矩的任何一個部位上，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)明的一種實施例總體結構示意圖。
圖3為圖2的側視圖。
結合附圖詳細說明本發(fā)明的一種實施例。圖2為本實施例的總體結構示意圖。圖2中，左右兩半旋轉部件1上承受腳蹬轉矩。其中一半輸入腳蹬轉矩，另一半輸出。均勻分布的四個彈簧2的兩端分別支承在左、右兩半旋轉部件11、12上。由鋼片制成的兩片相對轉角園盤3分別固定在兩半旋轉部件11、12上。在相對轉角園盤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安裝在一不動的冂形支架6上，使光電傳感器5在園周方向恰對準透光槽孔4，如圖3所示。當無受力時，兩園盤上的槽孔將處于相互遮蓋的位置，這時光電傳感器無信號接收；當受力時，兩園盤上的槽孔重疊部分41透光，這時光電傳感器接收光信號。同時接收兩個相鄰的重疊槽孔(41，42)間的信號，則可得知腳蹬轉矩值和轉速值。
本實施例可單獨安裝在電助動車的中軸上，也可單獨或與電動輪轂合為一體安裝在車的后輪軸上。
權利要求
1.一種電助動車腳蹬轉矩測量裝置，包括檢測傳感器，其特征在于還包括設置在承受或傳遞腳蹬轉矩的任何一組旋轉部件上的一組相對轉角檢測環(huán)，該旋轉部件分別支承在彈性體的兩端，所說的每個檢測環(huán)的同一園周上有兩個以上呈已知間隔排列的角度標記構件，所說的檢測傳感器設置在相對于角度標記構件的位置的不動體上，傳感器檢測出轉矩信號，并可同時檢測轉速。
2.如權利要求1所說的電助動車腳蹬轉矩測量裝置，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，所說的角度標記構件是一定角度的透射區(qū)、反射區(qū)或光柵之一種。
3.如權利要求1所說的電助動車腳蹬轉矩測量裝置，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，所說的角度標記構件是介質或金屬構成的一定角度區(qū)域的平面，角度柵紋或角度齒。
4.如權利要求1所說的電助動車腳蹬轉矩測量裝置，其特征在于所說的傳感器為磁傳感器，所說的角度標記構件為磁性材料構成的一定角度區(qū)域的平面，角度柵紋或角度齒。
全文摘要
本發(fā)明屬于電助動自行車技術領域，本發(fā)明包括檢測傳感器，還包括設置在承受或傳遞腳蹬轉矩的任何一組旋轉部件上的一組相對轉角檢測環(huán)，該旋轉部件分別支承在彈性體的兩端，每個檢測環(huán)有兩個以上呈已知間隔排列的角度標記構件。該裝置能夠由唯一的一個傳感器系統(tǒng)同時擔任轉矩檢測、轉速檢測，從而可用簡單的結構直接精確地檢測出腳蹬轉矩和轉速。
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)先權日1996年9月20日
發(fā)明者賈維溥 申請人:清華大學