一种用于中轴的力传感器的制作方法

1.本技术涉及自行车及电动自行车技术领域，尤其涉及一种用于中轴的力传感器。


背景技术：

2.在自行车骑行过程中，骑行者对脚踏板施加的骑行力通过曲柄传递给中轴驱动中轴转动，中轴再带动与之连接的牙盘转动，最后牙盘通过链条和飞轮带动车轮转动，实现骑行动作。
3.用于中轴的力传感器即为了测量中轴受到来自曲柄的输入力(即骑行力)与中轴传递给牙盘的输出力之间的差值。相关技术中的力传感器测量输入力和输出力之间差值的方式对中轴的材质要求较高，且力传感器自身的电路结构较为复杂，适用性较差。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术的目的在于提出一种用于中轴的力传感器，以解决相关技术中的中轴力传感器结构复杂，适用性较差的问题。
5.基于上述目的，本技术提供了用于中轴的力传感器，包括：中轴、用于安装牙盘的输出轴套、被测件、采集装置以及复位件；所述输出轴套套装于所述中轴；所述被测件位于所述中轴与所述输出轴套之间，用于将所述中轴的周向力传递给所述输出轴套；所述复位件安装于所述中轴，用于在所述被测件沿所述中轴轴向滑动时提供复位力；所述中轴与所述被测件之间设有分力结构，当所述中轴向所述被测件传递周向力时，通过所述分力结构会产生轴向力；所述轴向力推动所述被测件克服所述复位力滑动；所述采集装置用于记录所述被测件的移动距离。
6.进一步地，所述分力结构包括沿轴向设置于所述中轴的斜槽、螺旋槽、螺纹或螺旋花键，以及设置于被测件并与所述斜槽、所述螺旋槽、所述螺纹或所述螺旋花键配合的结构。
7.进一步地，所述斜槽相对于所述中轴轴线的倾斜角度、所述螺旋槽的螺旋升角角度、所述螺纹的螺旋升角角度、所述螺旋花键的螺旋升角角度为大于等于5
°
并小于90
°
。
8.进一步地，所述被测件固定连接有永磁钢；所述采集装置为与所述中轴间隔设置的霍尔位移传感器；所述霍尔位移传感器用于检测记录所述永磁钢的位移量。
9.进一步地，所述复位件为弹簧或与所述永磁钢对应的对相磁钢，所述弹簧产生的弹力或所述对相磁钢与所述永磁钢产生的相斥磁力不小于所述被测件与所述中轴之间的静摩擦力。
10.进一步地，所述被测件为套装于所述中轴的筒状结构，所述永磁钢为安装于所述筒状结构外侧的环状结构。
11.进一步地，所述中轴设有螺旋槽，所述被测件的内壁嵌装有伸入所述螺旋槽内的第一传动滚子。
12.进一步地，所述中轴靠近所述采集装置的位置设有中轴轴肩，所述中轴还安装有
与所述中轴轴肩间隔的轴用卡簧；所述被测件、所述复位件和所述输出轴套安装于所述中轴轴肩与所述轴用卡簧之间；所述输出轴套的内孔为阶梯孔，所述阶梯孔由所述中轴轴肩至所述轴用卡簧的方向依次包括用于容纳所述被测件的第一孔段、用于容纳所述复位件的第二孔段，以及用于与所述中轴配合的第三孔段；所述第一孔段、所述第二孔段和所述第三孔段的孔径依次减小；所述复位件为套装于所述中轴的弹簧；所述被测件静止时，所述被测件的一端与所述中轴轴肩抵接，另一端通过所述复位件与所述第二孔段的端部抵接；所述输出轴套与所述轴用卡簧抵接。
13.进一步地，所述输出轴套的所述第一孔段的内壁设有沿轴向延伸的条形通孔，所述被测件的外壁嵌装有伸入所述条形通孔的第二传动滚子；所述输出轴套的外侧套装有保护套筒，所述保护套筒的内径与所述输出轴套的外径相匹配，用于保持所述第二传动滚子位于所述条形通孔内。
14.进一步地，所述中轴安装有第一轴承，所述输出轴套安装有第二轴承，所述第一轴承的外圈和所述第二轴承的外圈之间安装有中轴套，所述采集装置安装于所述中轴套的内侧。
15.从上面所述可以看出，本技术提供的用于中轴的力传感器，采用力的分解原理，通过分力结构使中轴在进行周向力传递的过程中，产生可测量的轴向力，且中轴与被测件之间的相互作用力与轴向力之间的比例固定；在通过复位件和采集装置算得轴向力后，即可获得相互作用力，进而获得经中轴传递的输入力与输出力之间的差值。本技术提供的用于中轴的力传感器与相关技术相比，机械结构简单、对中轴材质的要求较低、电路简单耐用且响应速度快，在降低维护安装成本和制造成本的同时，具有较好的适用性。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术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技术的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本技术实施例的用于中轴的力传感器的示意图；
18.图2为本技术实施例的用于中轴的力传感器的部分剖切示意图；
19.图3为本技术实施例的用于中轴的力传感器的剖视图；
20.图4为本技术实施例的用于中轴的力传感器的原理示意图。
21.附图标记说明：
22.1、中轴；1-1、中轴轴肩；1-2、输入端；
23.2、输出轴套；2-1、第一孔段；2-1-1、条形通孔；2-2、第二孔段；2-3、第三孔段；2-4、输出端；
24.3、被测件；3-1、永磁钢；
25.4、采集装置；
26.5、复位件；
27.6、分力结构；6-1、斜槽；6-2、第一传动滚子；
28.7、轴用卡簧；8、第二传动滚子；9、保护套筒；10、第一轴承；11、第二轴承；13、中轴
套。
具体实施方式
29.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本技术进一步详细说明。
30.需要说明的是，除非另外定义，本技术实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本技术所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本技术中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
31.如背景技术部分所述，现有技术中的中轴力传感器的测量方法是对中轴的应力形变进行测量。中轴受到骑行力后会发生的微小弹性形变，经信号放大和隔离传输后测量进而得到中轴所受的力。若采用上述方法进行测量，则对中轴的材质要求较为特殊和严苛。同时，信号放大传输系统的电路结构复杂，成本高昂，使得中轴力传感器难以普及应用。
32.如图1、图2、图3和图4所示，本技术实施例提供的用于中轴1的力传感器，包括：中轴1、用于安装牙盘的输出轴套2、被测件3、采集装置4以及复位件5；输出轴套2套装于中轴1外侧；被测件3位于中轴1与输出轴套2之间，用于将中轴1的周向力传递给输出轴套2；复位件5安装于中轴1，用于在被测件3沿中轴1轴向滑动时提供复位力；中轴1与被测件3之间设有分力结构6，当中轴1向被测件3传递周向力f1时，通过分力结构6会产生轴向力f2；轴向力f2推动被测件3克服复位力滑动；采集装置4用于记录被测件3的移动距离。
33.如图1，中轴1的两端为输入端1-2，其与曲柄连接。输出轴套2上设有输出端2-4，其与牙盘连接。
34.初始时，中轴1、被测件3以及输出轴套2均为静止状态。骑行者或测试人员通过曲柄向中轴1传递输入力(可理解为骑行者踩蹬脚踏的骑行力)，输入力为周向力，中轴1在输入力的作用下产生转动趋势，由静止状态向转动状态转变。中轴1再通过分力结构6将输入力传递给静止的被测件3，以带动被测件3由静止状态向转动状态转变。在中轴1与被测件3之间，中轴1为施力件，被测件3为受力件，被测件3相对于中轴1运动滞后从而在两者之间产生相互作用力f1，该相互作用力f1用于提升被测件3的转速直至被测件3与中轴1同步转动。当被测件3静止时，中轴1与被测件3之间的相互作用力f1为最大，随着被测件3的转速逐渐升高，该相互作用力f1的值逐渐降低，当被测件3与中轴1的转速相同时该相互作用力f1为0。换句话说，相互作用力f1即为中轴1与被测件3之间的输入力与输出力的差值。
35.本实施例的力传感器为了测量相互作用力f1的数值，在中轴1与被测件3之间设置分力结构6，使相互作用力f1经过分力结构6从中轴1传递到被测件3的过程中，会产生作用于被测件3的轴向力f2，且轴向力f2与相互作用力f1的比例固定，换句话说当测得轴向力f2时，可通过计算得出输入力f1。
36.为了测量轴向力f2，本实施例的力传感器设置复位件5和采集装置4。被测件3在轴
向力f2的作用下沿轴向滑动时，其与复位件5之间的距离改变，而复位件5产生的复位力(即驱动被测件3恢复到原始位置的力)与该距离变化量的关系为已知，因此只要测得被测件3的相对于复位件5的位移距离则可求得复位件5产生的复位力，即被测件3的轴向力f2。而被测件3的位移距离可通过采集装置4获取。
37.由于被测件3与输出轴套2之间仅为周向力传递关系，因此可将被测件3与输出轴套2看做一个整体。换句话说，被测件3与中轴1之间的相互作用力f1(即输入力与输出力的差值)就等于中轴1与输出轴套2之间相互作用力，即中轴受到的周向输入力与中轴传递至牙盘的输出力的差值。
38.本技术实施例提供的用于中轴1的力传感器，采用力的分解原理，通过分力结构6使中轴1在进行周向力传递的过程中，产生可测量的轴向力f2，且中轴1与被测件3之间的相互作用力f1与轴向力f2之间的比例固定；在通过复位件5和采集装置4算得轴向力f2后，即可获得相互作用力f1，进而获得经中轴1传递的输入力与输出力之间的差值。本技术实施例提供的用于中轴1的力传感器与相关技术相比，机械结构简单、对中轴1材质的要求较低、电路简单耐用且响应速度快，在降低维护安装成本和制造成本的同时，具有较好的适用性。
39.如图3，一些实施例中，分力结构6包括沿轴向设置于中轴1的斜槽6-1、螺旋槽、螺纹或螺旋花键，以及设置于被测件3并与斜槽6-1、螺旋槽、螺纹或螺旋花键配合的结构。
40.为了使周向力在传递过程中产生轴向力，需要使中轴1和被测件3之间的传动结构的中心线与中轴1的轴线之间具有一定的夹角。
41.如图3，为了便于理解，选择斜槽6-1作为分力结构6进行说明。所选结构中，被测件3与斜槽6-1配合的结构为与被测件3一体成型连接的凸起、通过孔插装或嵌装于被测件3上的销或滚子，且凸起、销或滚子伸入斜槽6-1。当中轴1通过斜槽6-1推动上述被测件3上的配合结构时，配合结构沿斜槽6-1滑动，被测件3在配合结构的带动下沿斜槽6-1移动，即被测件3在受周向力进行转动的同时也受到轴向力进行轴向移动。
42.如图3和如图4所示，一些实施例中，斜槽6-1相对于中轴1轴线的倾斜角度、螺旋槽的螺旋升角角度、螺纹的螺旋升角角度、螺旋花键的螺旋升角角度为大于等于5
°
并小于90
°
。
43.当设置于中轴1上的结构为斜槽6-1时，图4中的角度α为其相对于中轴1的倾斜角度。当设置于中轴1上的结构为螺旋槽、螺纹或螺旋花键时，图4中的角度α为螺旋升角的角度。
44.由图4可知，f1＝tanα*f245.通过上式即可由测得的轴向力f2求得输入力与输出力之间的差值f1。
46.如图2和图3所示，一些实施例中，被测件3固定连接有永磁钢3-1；采集装置4为与中轴1间隔设置的霍尔位移传感器；霍尔位移传感器用于检测记录永磁钢3-1的位移量。
47.霍尔位移传感器是一种基于霍尔效应的磁传感器。工作时，霍尔位移传感器的工作电流保持不变，输出的霍尔电压值只由其与永磁钢3-1之间的相对距离决定。霍尔位移传感器能够对永磁钢3-1滑移所产生的磁场变化做出快速响应，实现对永磁钢3-1的移动距离的测量。
48.霍尔位移传感器可选用103sr13a系列直线位移传感器。
49.一些实施例中，复位件5为弹簧或与永磁钢3-1对应的对相磁钢，弹簧产生的弹力
或对相磁钢与永磁钢3-1产生的相斥磁力不小于被测件3与中轴1之间的静摩擦力。
50.以复位件5选用弹簧为例进行说明，当被测件3在轴向力f2的作用下滑移时，被测件3挤压或拉伸弹簧，此时轴向力f2大于弹簧所产生的弹力。在弹簧收缩或伸展的过程中，其产生的弹力逐渐增大，弹力值为弹簧的弹性系数与收缩或伸展的长度的乘积。当弹力与轴向力f2相等时，被测件3停止移动。此时，通过采集装置4获得的被测件3的移动距离即弹簧的收缩或伸展长度，即可算得弹簧此时产生的弹力，即轴向力f2。
51.如图2和图3所示，被测件3为套装于中轴1的筒状结构，永磁钢3-1为安装于筒状结构外侧的环状结构。
52.筒状结构的被测件3能够稳定而均匀的进行力的传递，有助于提供本实施例的力传感器的测量准确性。永磁钢3-1为磁环结构，使其在随被测件3转动的过程中也能产生稳定的磁场，有助于减小采集装置4的测量误差，提高本实施例的力传感器的测量准确性及可靠性。
53.一些实施例中，中轴1设有螺旋槽，被测件3的内壁嵌装有伸入螺旋槽内的第一传动滚子6-2。
54.可选的，第一传动滚子6-2为球形结构。安装时，可在被测件3上开设通孔，将第一传动滚子6-2放入通孔中。套装于被测件3外侧的输出轴套2能够对第一传动滚子6-2进行束缚，使第一传动滚子6-2的一部分保持在螺旋槽内，以实现中轴1与被测件3之间的力的传动。
55.可选的，第一传动滚子6-2设有多组，且围绕所述被测件3均布；
56.可选的，每个第一传动滚子组包括沿被测件3的轴向设置的多个第一传动滚子6-2。
57.当中轴1通过螺旋槽推动第一传动滚子6-2时，第一传动滚子6-2沿螺旋槽滑动，被测件3在第一传动滚子6-2的带动下也沿螺旋槽移动，即被测件3在受周向力进行转动的同时也受到轴向力进行轴向移动。
58.如图3所示，一些实施例中，中轴1靠近采集装置4的位置设有中轴轴肩1-1，中轴1还安装有与中轴轴肩1-1间隔的轴用卡簧7，被测件3、复位件5和输出轴套2安装于中轴轴肩1-1与轴用卡簧7之间。
59.输出轴套2的内孔为阶梯孔，阶梯孔由中轴轴肩1-1至轴用卡簧7的方向依次包括用于容纳被测件3的第一孔段2-1、用于容纳复位件5的第二孔段2-2，以及用于与中轴1配合的第三孔段2-3。第一孔段2-1、第二孔段2-2和第三孔段2-3的孔径依次减小。
60.复位件5为套装于中轴1的弹簧；被测件3静止时，通过复位件5使被测件3与第二孔段2-2的端部保持间隔，被测件3的远离复位件5的一端与中轴轴肩1-1抵接，输出轴套2与轴用卡簧7抵接。
61.通过中轴轴肩11和轴用卡簧7限定被测件3和输出轴套2在中轴1上位置，进而限制被测件3沿中轴1轴向滑移的移动范围，确保被测件3的滑移范围均在采集装置4的有效测量范围内。
62.如图2和图3所示，一些实施例中，输出轴套2的第一孔段2-1的内壁设有沿轴向延伸的条形通孔2-1-1，被测件3的外壁嵌装有伸入条形通孔2-1-1的第二传动滚子8。
63.输出轴套2的外侧套装有保护套筒9，保护套筒9的内径与输出轴套2的外径相匹
配，用于保持第二传动滚子8位于条形通孔2-1-1内。
64.被测件3与输出轴套2之间的传动通过第二传动滚子8与条形通孔2-1-1之间的配合实现。当被测件3转动时，通过嵌装在其上的第二传动滚子8推动条形通孔2-1-1的孔壁，由此带动输出轴套2转动。
65.由于被测件3具有轴向移动的动作，因此条形通孔2-1-1沿轴向的延伸长度需大于被测件3的轴向移动范围。
66.为了保持保护套筒9与输出轴套2之间的相对位置，可在输出轴套2上设置轴肩，保护套筒9的内孔则设置为与轴肩抵接的阶梯孔，如图3。
67.如图1、图2和图3所示，一些实施例中，中轴1安装有第一轴承10，输出轴套2安装有第二轴承11，第一轴承10的外圈和第二轴承11的外圈之间安装有中轴套13，采集装置4安装于中轴套13的内侧。
68.本实施例的力传感器在使用时，中轴套13固定，通过设置于中轴套13两端的第一轴承10和第二轴承11实现中轴1和输出轴套2相对于中轴套13的转动。中轴套13能够对安装于其内部的被测件3和采集装置4起到保护作用，有助于增加本实施例的力传感器的使用寿命。
69.此外，由于本实施例的力传感器结构简单，体积较小，可安装于现有结构的自行车或电动自行车的中轴上，无需改变现有车架结构，具有较高的适用性和通用性。
70.本技术中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。
71.本技术的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本技术限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本技术的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本技术从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
72.所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本技术的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本技术的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本技术的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
73.本技术的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。