阅读说明：本技术 一种扭矩传感器、中置电机及电助力自行车 (Torque sensor, middle-placed motor and electric power-assisted bicycle ) 是由 郑大松 于 2020-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种扭矩传感器、中置电机及电助力自行车,涉及助力车技术领域,为解决现有电助力自行车的扭矩传感器精度较低且空间占用较大的问题而设计。该扭矩传感器包括套设于中轴的扭杆和固设于扭杆的应变片,扭杆与中轴之间设置有用于限制二者周向相对转动的第一周向限位结构,输出轴与扭杆之间设置有用于限制二者周向相对转动的第二周向限位结构,其中,中轴沿其径向支承于中置电机的箱壳,且中轴与箱壳之间设置有用于限制二者轴向相对移动的轴向限位结构。该中置电机包括上述扭矩传感器。该电助力自行车包括上述中置电机。本发明提供的扭矩传感器测量精度高、占用空间小,能够满足电助力自行车的使用要求。(The invention provides a torque sensor, a middle-mounted motor and an electric power-assisted bicycle, relates to the technical field of power-assisted bicycles, and aims to solve the problems that the torque sensor of the existing electric power-assisted bicycle is low in precision and large in occupied space. The torque sensor comprises a torsion bar sleeved on a center shaft and a strain gauge fixedly arranged on the torsion bar, wherein a first circumferential limiting structure used for limiting the circumferential relative rotation of the torsion bar and the center shaft is arranged between the torsion bar and the center shaft, a second circumferential limiting structure used for limiting the circumferential relative rotation of the output shaft and the torsion bar is arranged between the output shaft and the torsion bar, the center shaft is radially supported on a box shell of a middle motor, and an axial limiting structure used for limiting the axial relative movement of the center shaft and the box shell is arranged between the center shaft and the box shell. The centrally-mounted motor comprises the torque sensor. The electric power-assisted bicycle comprises the middle-mounted motor. The torque sensor provided by the invention has the advantages of high measurement precision and small occupied space, and can meet the use requirements of an electric power-assisted bicycle.)

一种扭矩传感器、中置电机及电助力自行车

技术领域

本发明涉及助力车技术领域，具体而言，涉及一种扭矩传感器、中置电机及电助力自行车。

背景技术

电助力自行车凭借其操控方便、污染少等特点，得到了广泛应用。通常，电助力自行车中设置有扭矩传感器，电助力自行车的控制器能够根据扭矩传感器检测到的扭矩值对实际工况进行判断，以达到较好的助力效果。

然而，现有电助力自行车中采用的扭矩传感器多为磁电式扭矩传感器或者应变片式扭矩传感器。其中，前者在使用时，容易受到中置电机机芯磁场的影响，而且测量精度较低；后者在使用时，是将应变片贴在弾性轴上，通过测量弾性轴的变形量来获得扭矩，这种扭矩测量方式需要在弾性轴的两端增加联轴器以保护弾性轴，这就导致空间占用较大，且重量较大，不能很好满足电助力自行车用中置电机的使用需求。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种扭矩传感器，以解决现有电助力自行车的扭矩传感器精度较低且空间占用较大的技术问题。

本发明提供的扭矩传感器，用于测量自中置电机的中轴传递至输出轴的扭矩，所述扭矩传感器包括套设于所述中轴的扭杆和固设于所述扭杆的应变片，所述扭杆与所述中轴之间设置有用于限制二者周向相对转动的第一周向限位结构，所述输出轴与所述扭杆之间设置有用于限制二者周向相对转动的第二周向限位结构，其中，所述中轴沿其径向支承于所述中置电机的箱壳，且所述中轴与所述箱壳之间设置有用于限制二者轴向相对移动的轴向限位结构。

进一步地，所述轴向限位结构包括沿所述中轴的轴向间隔设置于所述中轴的第一限位部和第二限位部，所述第一限位部和所述第二限位部中的至少一者与所述中轴可拆卸固定连接，其中，沿第一轴向，所述中轴通过所述第一限位部与所述箱壳抵接；沿第二轴向，所述中轴通过所述第二限位部与所述箱壳抵接。

进一步地，所述第一限位部包括安装于所述中轴的卡簧，所述第二限位部包括设置于所述中轴的轴肩。

进一步地，所述扭杆的第一端与所述中轴通过花键配合，用于使所述扭杆与所述中轴相配合的花键形成所述第一周向限位结构。

进一步地，所述扭矩传感器还包括电控盒，所述电控盒与所述扭杆相对固定，所述电控盒内设置有电路板，所述应变片与所述电路板电连接，所述电路板与所述中置电机的控制器电连接。

本发明扭矩传感器带来的有益效果是：

本发明提供的扭矩传感器，用于测量自中置电机的中轴传递至输出轴的扭矩，包括扭杆和应变片，其中，扭杆套设于中轴，且扭杆与中轴之间设置有第一周向限位结构，第一周向限位结构用于限制扭杆与中轴发生周向相对转动，应变片固设于扭杆；输出轴与扭杆之间设置有第二周向限位结构，第二周向限位结构用于限制输出轴与扭杆发生周向相对转动。并且，中轴沿其径向支承于箱壳，中轴与箱壳之间设置有轴向限位结构，轴向限位结构用于限制中轴沿其轴向相对箱壳移动。

以该扭矩传感器用于电助力自行车的中置电机为例进行说明，当需要测量自中置电机的中轴传递至输出轴的扭矩时，中轴转动，在第一周向限位结构的作用下，扭杆跟随中轴转动；在第二周向限位结构的作用下，输出轴跟随扭杆转动。上述过程中，由于中轴沿其径向支承于箱壳，使得在中置电机工作过程中，中轴受到的径向力将传递至箱壳，由箱壳进行承载，而不会对扭杆造成径向上的干扰；与此同时，由于中轴与箱壳之间设置有用于限制二者轴向相对移动的轴向限位结构，使得中轴受到的轴向力也传递至箱壳，由箱壳进行承载，因而也不会对扭杆造成轴向上的干扰。故设置于扭杆的应变片能够较为精确地测量到自中轴传递至输出轴的扭矩，抗干扰性较强，测量精度较高。

此外，上述在中轴与输出轴之间设置扭杆传递扭矩、将应变片固设于扭杆实现扭矩测量的结构形式，无需额外布置联轴器，占用空间小，布局紧凑，重量较轻，能够很好地满足电助力自行车用中置电机的使用需求。

本发明的第二个目的在于提供一种中置电机，以解决现有电助力自行车的扭矩传感器精度较低且空间占用较大的技术问题。

本发明提供的中置电机，包括离合器和上述扭矩传感器，所述离合器套设于所述中轴并与所述中轴间隙配合，且所述离合器的外周可离合地支承于所述输出轴的内周；所述扭杆的第二端与所述离合器通过花键配合，在所述离合器的结合状态下，用于使所述扭杆与所述离合器相配合的花键形成所述第二周向限位结构。

进一步地，沿所述中轴的轴向，所述扭矩传感器的第一限位部位于所述离合器与所述扭杆之间，且所述第一限位部沿第一轴向与所述离合器抵接。

进一步地，所述中置电机还包括第一轴承、第二轴承和第三轴承，其中，所述第一轴承和所述第二轴承二者的内圈固定套装于所述输出轴，外圈固定设置于所述箱壳；所述第三轴承位于所述扭杆的远离所述离合器的一端，所述第三轴承的内圈固定套装于所述中轴，外圈固定设置于所述箱壳。

进一步地，所述箱壳内固定设置有支承盖板，所述支承盖板将所述箱壳的内腔分隔为第一腔和第二腔，所述输出轴的外周固设有传动齿，所述传动齿位于所述第一腔，所述扭矩传感器的电控盒位于所述第二腔。

进一步地，所述箱壳包括沿第一轴向依次设置的箱体和箱盖，所述箱盖与所述箱体可拆卸固定连接，所述支承盖板固定连接于所述箱盖，其中，所述第一轴承的外圈固定设置于所述箱盖，所述第二轴承的外圈固定设置于所述支承盖板，且所述第一轴承和所述第二轴承分设于所述传动齿的两侧；所述第三轴承的外圈固定设置于所述箱体。

本发明中置电机带来的有益效果是：

通过在中置电机中设置离合器和上述扭矩传感器，其中，离合器套设于中轴并与中轴间隙配合，且离合器的外周可离合地支承于输出轴的内周。扭杆的第二端通过花键与离合器配合，用于限制扭杆与离合器二者周向的相对转动。

以该中置电机用于电助力自行车为例进行说明。当电助力自行车以电力与人力相结合的模式行驶时，离合器与输出轴处于结合状态，此时，输出轴由以下路径获得动力：人力驱动中轴转动，在第一周向限位结构的作用下，扭杆跟随中轴转动，扭杆进一步将转动力输出至离合器，离合器将动力输出至输出轴；与此同时，电动力由输出轴输入，驱动输出轴转动，即：输出轴同时获得人力和电力。当电助力自行车以电力模式行驶时，离合器与输出轴处于分离状态，此时，输出轴仅仅获得电动力，由电动力驱动输出轴转动，电助力自行车在电力模式下行驶。

离合器的设置，使得该中置电机的动力输出具有两种不同模式，满足了电助力自行车的功能需求。并且，由于使用了上述扭矩传感器，扭矩测量精度高，从而使得该电助力自行车在行驶过程中，能够准确地获知驾驶者的行驶意图；而且，由于上述扭矩传感器占用空间小，还使得中置电机的结构较为紧凑。

本发明的第三个目的在于提供一种电助力自行车，以解决现有电助力自行车的扭矩传感器精度较低且空间占用较大的技术问题。

本发明提供的电助力自行车，包括上述中置电机。

本发明电助力自行车带来的有益效果是：

通过在电助力自行车中设置上述中置电机，相应地，该电助力自行车具有上述中置电机的所有优势，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的中置电机的结构主视图；

图2为图1中的A-A剖视图(中置电机为部分结构示意)。

附图标记说明：

100-中轴；200-输出轴；300-扭矩传感器；400-离合器；500-箱壳；600-第一限位部；800-支承盖板；

110-第一外花键；120-第二限位部；

210-传动齿；

310-扭杆；311-第一内花键；312-第二外花键；320-应变片；330-电控盒；

410-第二内花键；

510-箱盖；520-箱体；

710-第一轴承；720-第二轴承；730-第三轴承；740-第四轴承；

810-限位凸台。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本实施例提供的中置电机的结构主视图，图2为图1中的A-A剖视图(中置电机为部分结构示意)。如图1和图2所示，本实施例提供了一种中置电机，该中置电机包括离合器400和扭矩传感器300，其中，离合器400用于控制中轴100与输出轴200二者的结合和分离，扭矩传感器300用于测量自中置电机的中轴100传递至输出轴200的扭矩。

具体地，请继续参照图2，扭矩传感器300包括套设于中轴100的扭杆310和固设于扭杆310的应变片320，扭杆310与中轴100之间设置有用于限制二者周向相对转动的第一周向限位结构，输出轴200与扭杆310之间设置有用于限制二者周向相对转动的第二周向限位结构，其中，中轴100沿其径向支承于中置电机的箱壳500，且中轴100与箱壳500之间设置有用于限制二者轴向相对移动的轴向限位结构。

当需要测量自中置电机的中轴100传递至输出轴200的扭矩时，中轴100转动，在第一周向限位结构的作用下，扭杆310跟随中轴100转动；在第二周向限位结构的作用下，输出轴200跟随扭杆310转动。上述过程中，由于中轴100沿其径向支承于箱壳500，使得在中置电机工作过程中，中轴100受到的径向力将传递至箱壳500，由箱壳500进行承载，而不会对扭杆310造成径向上的干扰；与此同时，由于中轴100与箱壳500之间设置有用于限制二者轴向相对移动的轴向限位结构，使得中轴100受到的轴向力也传递至箱壳500，由箱壳500进行承载，因而也不会对扭杆310造成轴向上的干扰。故设置于扭杆310的应变片320能够较为精确地测量到自中轴100传递至输出轴200的扭矩，抗干扰性较强，测量精度较高。

此外，上述在中轴100与输出轴200之间设置扭杆310传递扭矩、将应变片320固设于扭杆310实现扭矩测量的结构形式，无需额外布置联轴器，占用空间小，布局紧凑，重量较轻，能够很好地满足电助力自行车的使用需求。

请继续参照图2，中置电机中，离合器400套设于中轴100并与中轴100间隙配合，离合器400的外周可离合地支承于输出轴200的内周，以切断输出轴200向中轴100输出的正方向转动的动力以及切断中轴100向输出轴200输出的反方向转动的动力；扭杆310的第一端与中轴100通过花键配合，扭杆310的第二端也与离合器400通过花键配合。其中，用于使扭杆310与中轴100相配合的花键形成第一周向限位结构，在离合器400的结合状态下，用于使扭杆310与离合器400相配合的花键形成第二周向限位结构。

以该中置电机用于电助力自行车为例进行说明。当电助力自行车以电力与人力相结合的模式行驶时，离合器400与输出轴200处于结合状态，此时，输出轴200由以下路径获得动力：人力驱动中轴100转动，在第一周向限位结构的作用下，扭杆310跟随中轴100转动，扭杆310进一步将转动力输出至离合器400，离合器400将动力输出至输出轴200；与此同时，电动力由输出轴200输入，驱动输出轴200转动，即：输出轴200同时获得人力和电力。当电助力自行车以电力模式行驶时，离合器400与输出轴200处于分离状态，此时，输出轴200仅仅获得电动力，由电动力驱动输出轴200转动，电助力自行车在电力模式下行驶。

离合器400的设置，使得该中置电机的动力输出具有两种不同模式，满足了电助力自行车的功能需求。并且，由于使用了上述扭矩传感器300，扭矩测量精度高，从而使得该电助力自行车在行驶过程中，能够准确地获知驾驶者的行驶意图；而且，由于上述扭矩传感器300占用空间小，还使得中置电机的结构较为紧凑。

需要说明的是，本实施例中，离合器400为机械式离合器，其工作原理与现有技术中的楔块式单向离合器的原理类似，当中轴100沿第一方向转动时，离合器400与输出轴200处于结合状态，当中轴100沿第二方向转动时，离合器400与输出轴200处于分离状态，从而实现自中轴100向输出轴200的动力输入与动力切断。

请继续参照图2，本实施例中，具体地，扭杆310的第一端设置有第一内花键311，中轴100与扭杆310的第一端相对应的位置处设置有第一外花键110，第一外花键110与第一内花键311间隙配合，形成第一周向限位结构；扭杆310的第二端设置有第二外花键312，离合器400设置有第二内花键410，第二内花键410与第二外花键312间隙配合，形成第二周向限位结构。利用第一周向限位结构和第二周向限位结构，实现离合器400结合状态下，自中轴100向输出轴200的动力传递。

本实施例中，由于第一外花键110与第一内花键311之间以及第二外花键312与第二内花键410之间采用间隙配合连接，有一定的间隙可以容许少量的加工及装配误差，而中轴100受到的径向力和轴向力完全由箱壳500承载，从而使中轴100在受到外界的作用力后，不会对扭杆310造成干扰。

请继续参照图2，本实施例中，扭矩传感器300还包括电控盒330，具体地，电控盒330与扭杆310相对固定，电控盒330内设置有电路板，应变片320与电路板电连接，电路板与中置电机的控制器电连接。

在使用时，应变片320将自身形变引起的电信号变化反馈至电路板，进而，经电路板反馈至控制器，以获知各种实际工况下的驾驶意图。通过将电路板设置于电控盒330内，实现了对电路板的保护，降低了电路板发生短路等故障的风险。并且，电控盒330与扭杆310相对固定的设置形式，使得扭杆310转动过程中，电控盒330同步转动，从而避免了信号线的缠绕或连接失效等情形。

需要说明的是，本实施例中，“电连接”不仅包括采用信号线实现两个部件之间的连接，还包括采用无线信号传输方式实现两个部件之间的连接。具体地，无线信号传输可以通过蓝牙模块实现。

请继续参照图2，本实施例中，中置电机还包括第一轴承710、第二轴承720和第三轴承730，其中，第一轴承710和第二轴承720二者的内圈固定套装于输出轴200，第一轴承710和第二轴承720二者的外圈固定设置于箱壳500；第三轴承730位于扭杆310的远离离合器400的一端，且第三轴承730的内圈固定套装于中轴100，第三轴承730的外圈固定设置于箱壳500。并且，离合器400通过第四轴承740支承于输出轴200，具体地，第四轴承740的内圈固定套装于离合器400的外周面，第四轴承740的外圈安装于输出轴200的内周面。

该中置电机中，离合器400与中轴100之间间隙配合，离合器400还通过第四轴承740支承于输出轴200，与此同时，输出轴200通过第一轴承710和第二轴承720支承于箱壳500，故可看成中轴100单点支承于箱壳500；中轴100的另一端设置有第三轴承730，使得中轴100的另一端通过第三轴承730支撑于箱壳500。因此，中轴100的两端均支承于箱壳500，即：中轴100受到的径向力能够传递至箱壳500，不会因中轴100径向受力而对扭杆310造成干扰。

请继续参照图2，本实施例中，箱壳500内固定设置有支承盖板800，具体地，支承盖板800将箱壳500的内腔分隔为第一腔和第二腔，输出轴200的外周固设有传动齿210，传动齿210位于第一腔，扭矩传感器300的电控盒330位于第二腔。

通过在箱壳500内设置支承盖板800，实现了对内腔的分隔，在一定程度上避免了位于第一腔中的传动齿210的润滑脂甩入第二腔对扭矩传感器300造成干扰，从而影响测量结果。

请继续参照图2，本实施例中，箱壳500包括沿第一轴向依次设置的箱体520和箱盖510，其中，箱盖510与箱体520可拆卸固定连接，支承盖板800固定连接于箱盖510，第一轴承710的外圈固定设置于箱盖510，第二轴承720的外圈固定设置于支承盖板800，且第一轴承710和第二轴承720分设于传动齿210的两侧，第三轴承730的外圈固定设置于箱体520。

如此设置，便于对中置电机进行拆卸维护。本实施例中，支承盖板800设置有限位凸台810，支承盖板800通过限位凸台810与箱盖510配合实现装配，由于支承盖板800与箱盖510固定连接，而第一轴承710支承于箱盖510，第二轴承720支承于支承盖板800，从而保证了对输出轴200的稳定支承，也避免了因箱体520受力变形而对输出轴200造成的影响。

请继续参照图2，轴向限位结构包括沿中轴100的轴向间隔设置于中轴100的第一限位部600和第二限位部120，具体地，第一限位部600与中轴100可拆卸固定连接，其中，沿第一轴向(图2中箭头a所指的方向)，中轴100通过第一限位部600与箱壳500抵接；沿第二轴向(图2中箭头b所指的方向)，中轴100通过第二限位部120与箱壳500抵接。其中，第一限位部600位于离合器400与扭杆310之间。

当中轴100受到沿第一轴向的作用力时，即：受到图2中向左的作用力时，力的传递路径为：中轴100——第一限位部600——离合器400——第四轴承740的内圈——第四轴承740的滚珠——第四轴承740的外圈——输出轴200——第一轴承710和第二轴承720二者的内圈——第一轴承710和第二轴承720二者的滚珠——第一轴承710和第二轴承720二者的外圈——箱盖510和支承盖板800，也就是说，中轴100受到的沿第一轴向的作用力将最终传递至箱壳500，不会对扭杆310造成沿第一轴向的干扰。

当中轴100受到沿第二轴向的作用力时，即：受到图2中向右的作用力时，力的传递路径为：中轴100——第二限位部120——第三轴承730的内圈——第三轴承730的滚珠——第三轴承730的外圈——箱体520，也就是说，中轴100受到的沿第二轴向的作用力也将最终传递至箱壳500，不会对扭杆310造成沿第二轴向的干扰。

请继续参照图2，本实施例中，第一限位部600包括安装于中轴100的卡簧，第二限位部120包括设置于中轴100的轴肩。具体地，中轴100开设有环槽，卡簧卡设于环槽。这种第一限位部600和第二限位部120的设置形式，结构简单，易于布置。

在其他实施例中，也可以将第一限位部600和第二限位部120均设置成卡簧的结构形式，即：第一限位部600和第二限位部120均与中轴100可拆卸固定连接。

此外，本实施例还提供了一种电助力自行车，该电助力自行车包括上述中置电机。

通过在电助力自行车中设置上述中置电机，相应地，该电助力自行车具有上述中置电机的所有优势，在此不再一一赘述。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

上述实施例中，诸如“左”、“右”等方位的描述，均基于附图所示。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。