专利名称：中轴式蹬踏转矩传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种能直接输出转矩线性电信号、可连续进行非接触测量的中轴式蹬踏转矩传感器，尤其是可基本不改变中接头外形尺寸、小体积、全封闭又易于安装使用的中轴式蹬踏转矩传感器，属助力型电动自行车领域。
蹬踏式转矩传感器是助力型电动自行车实现1∶1真助力的核心部件，目前已出现多种类型。根据安装的部位分，有中轴式、链轮式、链条式、飞轮式、电机内置式等。现有的各种蹬踏转矩传感器都存在不同程度的缺点，限制了它在助力型电动自行车上的大量推广应用。例如一些中轴式传感器使用扭杆—应变片作转矩变送器，由于变形太小，传感器输出信号过低，仅为毫伏级，因而必须加装电子电路放大；又由于传感器需引入电源与输出信号，而为保持低成本则通常需使用电刷与滑环的接触测量方式，从而因骑行状态下的长期触点磨损必然使其寿命有限也易受外界干扰。工业上利用旋转变压器引入电源与输出信号的方式因成本太高以及体积较大难以采用。
使用扭杆与双齿轮组合的结构方式，由与其输出为脉冲小相位差信号，这通常难于简单处理，体积也大，结果使测量电路复杂化。
中轴偏心式转矩传感器是一种较好的设计，但外径尺寸过大，由于显著改变了中接头的外形尺寸因而导致其安装使用不便。
一些中轴或链轮式使用磁钢与磁敏霍尔开关元件输出的电脉冲测量，但蹬踏转矩在人脚蹬踏一周内并非恒定，如果磁钢使用数量太少则无法准确采集、测量瞬时的转矩变化；为克服这一缺点必需使磁钢数量大大增加，这又将增大成本；此外，这种脉冲信号输出同样也不易用简单电路进行处理。
光电脉冲式转矩传感器同样也有上述缺点，而对结构的密封要求通常更严，否则潮湿与灰尘的侵入将很快使传感器工作失效。
一些链条式传感器利用了链条在蹬踏拉力下张紧而上下移动的特性，但这种移动与链条拉力之间存在强烈的非线性关系一转矩稍大输出信号即饱和，因此无法真正实现大范围的转矩测量与1∶1真助力。
目前市场上销量很大的电动自行车多以速度传感器控制助力，这种车的重大缺陷是蹬的越快、助力越大，完全不是根据骑行人所在路况实际所需蹬力大小提供1∶1电助力，其结果是在爬坡与逆风等正需要大助力时电助力反而越小，达不到骑行真省力效果。
在国外，许多国家已立法，出于骑行安全的考虑，已完全禁止电动自行车以机动车的纯电动方式上路。为参于国际大市场竞争，就必需提供完全适应出口国法规确定的1∶1真助力车型。国内已有的大城市也有采用这种立法的倾向。目前已大量生产的电动自行车的最大问题是车体过重或一次充电续行里程仍较短，采用1∶1真助力型电动自行车可使车体重量大大减轻或使一次充电续行里程倍增。因此，1∶1真助力型电动自行车有巨大市场前景与重大经济效益，其重要性无论如何也不能低估。
为了克服现有蹬踏转矩传感器的不足，本实用新型提供一种中轴式蹬踏力矩传感器，该传感器基本不改变中接头的外形尺寸，体积小，结构封闭，因而易于安装使用。尤其是该传感器采用非接触测量方式，具有线性特性，可直接输出大信号，因此易于与测量电路匹配处理，也大大延长了传感器使用寿命。
本实用新型为解决现有方案存在问题所采用的新技术方案是使用在给定扭矩下有大扭角变形与线性特性的扭簧或螺旋扭管作扭矩变换元件，使用并连、同外径、同轴的多头扭簧或多头螺旋开槽扭管，利用叠加原理解决在狭小空间内大扭矩测量的难题；使用心轴与普通弹簧材料制成的扭簧或扭管组合，在不降低心轴强度条件下替代通常单独使用的高弹性合金心轴带来的成本过高的问题；使用永磁磁环及线性霍尔元件结合凸轮结构等组成的位移传感器，解决旋转扭矩即转矩非接触测量与大信号输出的难题；采用将转矩变换用小型位移传感器全部装入中接头内部解决现有传感器尺寸大、不封闭的问题。
以下结合附图和实例对本实用新型进一步说明。


图1是蹬踏转矩传感器第一个实施例的纵剖面构造图图2是蹬踏转矩传感器第二个实施例的纵剖面构造图图中1.中轴 2.左轴碗 3.锁母 4.钢珠 5.扭簧 6.左盖 7.左磁环 8.线形霍尔元件 9.电缆 10.传感器座 11.滑架 12.右磁环13.园柱凸轮管 14.五通管 15.滚柱 16.大链轮 17.支承管 18.传动管 19.轴套 20.右轴碗 21.左加固板 22.右加固板 23.锁母 24.键块 25.键 26.推拉杆 27.橡胶密封环在图2中，支承管(17)中部外园的凸台上开有与中轴(1)轴线平行的孔或槽用于安放推拉杆(26)，推拉杆(26)可沿孔或槽的轴线平行移动；推拉杆(26)的右端插入园柱凸轮管(13)的凹槽中，利用推拉杆(26)一端的挡圈与园柱凸轮管(13)连接并由园柱凸轮管(13)推动平移而由扭簧(5)复位，推拉杆(26)的另一端与位移传感器连接。
根据本实用新型的转矩传感器，其扭簧(5)为单头或多头并行绕制扭簧(5)，也可以使用两端开有凸台的单头或多头螺纹扭管；滑架(11)、支承管(17)、传动管(18)均为非磁性材料制成；磁环(7)、(12)为整园环，也可以为两半园环构成；为保证密封，防止灰尘与雨水侵入，可在左轴碗(2)与中轴(1)轴颈、右轴碗(20)与轴套(19)轴颈旋转接合处加装旋转密封橡胶环，以保证传感器的高可靠、长寿命。
权利要求1.一种中轴式蹬踏转矩传感器，由扭簧—位移传感器及中轴—链轮—曲柄两大部分组成，其特征是扭簧变送—位移传感器完全置于中接头五通管内，五通管内的中轴上仅有一侧钢珠滚道与轴身连体，另一侧钢珠滚道则位于可在中轴上转动并仅可单向向外沿中轴移动的轴套上，轴套向内则由中轴上的台阶止挡定位；扭簧松套于中轴中部外园表面，两端分别插入中轴与轴套上钢珠滚道内侧端面上开出的孔或槽内；轴套外端伸出五通管，其上开有螺纹、定位槽或键，大链轮连同其加固板用螺母按定位槽或键锁紧固定于其上；轴套上钢珠滚道内侧端面的上部固定有键块，键块上固定有传动管，滚柱固定在传动管内园表面并插入园柱凸轮管外园表面的凸轮槽内；园柱凸轮管直接或通过推拉杆与滑架固定连接，滑架套在支承管的外部；支承管套在扭簧的外园表面，一端固定于中轴钢珠滚道内侧的外园，另一端松套于轴套上钢珠滚道内侧的外园；支承管中部外园上固定有键，键插入园柱凸轮管上沿轴向开出的键槽内；园柱凸轮管的左端固定连接位移传感器，位移传感器由磁敏线性霍尔元件与一对永磁磁环及滑架构成，磁环分别以同极性面以一定间隔相对镶嵌于滑架内而与中轴轴线同轴相对放置，霍尔元件插入两磁环间，在无蹬踏力时与其中一磁环表面接触或接近，安装霍尔元件的传感器座固定在五通管的外表面上。
2.根据权利要求1所述的中轴式蹬踏转矩传感器，其特征是支承管中部外园的凸台上开有与中轴轴线平行的孔或槽用于安放推拉杆，推拉杆可沿孔或槽的轴线平行移动；推拉杆的右端插入园柱凸轮管的凹槽中，利用推拉杆一端的挡圈与园柱凸轮管连接并由园柱凸轮管推动平移而由扭簧复位，推拉杆的另一端与位移传感器连接。
3.根据权利要求1所述的中轴式蹬踏转矩传感器，其特征是扭簧为单头或多头并行绕制扭簧。
4.根据权利要求1所述的中轴式蹬踏转矩传感器，其特征是扭簧为扭管两端开有凸台的单头或多头螺纹扭管。
5.根据权利要求1所述的中轴式蹬踏转矩传感器，其特征是滑架、支承管、传动管均为非磁性材料制成。
6.根据权利要求1所述的中轴式蹬踏转矩传感器，其特征是磁环可以为整园环，也可以为两半园环构成。
7.根据权利要求1所述的中轴式蹬踏转矩传感器，其特征是左轴碗与中轴轴颈、右轴碗与轴套轴颈旋转接合处加装旋转密封橡胶环。
8.根据权利要求1所述的中轴式蹬踏转矩传感器，其用途不仅限于电动自行车，也适用于其它低速、大转矩的测量应用。
专利摘要一种不仅限于电动自行车使用的中轴式蹬踏转矩传感器，它是在中接头内加装扭簧变送器与位移传感器相组合，以提供准确的1∶1助力信号而基本不改变中接头外形尺寸，由于位移传感器采用磁环与霍尔元件，可实现线性、连续、非接触式测量，并直接提供易于与电机控制器或测量仪表接口的大信号输出；本传感器体积小、全封闭、结构简单，可保证高可靠、长寿命且安装方便，也适用于其它低速、大转矩的测量应用。
文档编号G01L5/24GK2591605SQ0229158
公开日2003年12月10日 申请日期2002年12月20日 优先权日2002年12月20日
发明者李平 申请人:李平