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技术领域

本发明涉及测量施加至可旋转运动部分上的转矩的领域。更具体地，其涉及用于确定施加至牙盘轴上的转矩的装置。本发明能够尤其有利地使用在自行车上的转矩测量装置中，但不限于此类用途。

背景技术

目前使用不同的装置来确定施加至可旋转运动部分上的转矩。通常所述部分构建至包括许多元件的机械系统中，这些元件旨在将机械能从所述机械系统的输入传递到输出。

例如，此类装置用于测量施加至传动轴的转矩，其中传动轴定位在乘用车辆中的发动机输出处。在机动车辆的常见情况下，例如，这些装置使能检查发动机是否按照规定的效率目标将功率传递到所述车辆的其它元件（例如车轮或交流发电机）。

本发明涉及循环运输车辆，例如自行车，其中，使用者在踏板上施加作用力，该踏板连接至通过该作用力来进行旋转的牙盘轴。

除了检查功率从机械系统的一端至另一端的正确传递，特别地，还需要此类装置来检查所施加的转矩强度是否未超过给定值，超出该给定值，则所述转矩会在该轴上产生扭转效果。例如，在电动自行车的牙盘轴扭转的情况下，此类检查旨在使能触发电动马达以分担使自行车移动所需要的作用力，由此有助于使用者的舒适。

按照惯例，除了能使支撑元件能安装在所述传输机构中的特定支撑元件，此类机载装置还包括：

·轴，其由所述转矩驱动旋转，

·传感元件，其能提供表示在所述转矩的作用下施加至所述至少一个传感元件的应力的信号，

·用于将所述信号发送到处理模块的机构，所述处理模块配置成根据所述信号确定所述转矩。

目前存在若干种类型的装置用来确定施加至旋转轴的转矩。通常，它们使用应变仪检测轴的机械变形或检测与由所述转矩引起的此类变形有关的一些量值，例如伸长或收缩。

传感元件（例如所述应变仪）通常直接接触旋转轴，且由此在扭转状态下工作。这些传感元件因此遭受高应力，造成该装置的执行和使用不是非常稳健。

此类布局还用于发送机构，由于这样，尤其在考虑到磨损现象和周期性维护时，其是较大的。例如差分联接旋转变换器的较新的系统将无接触传感元件与无接触传感元件结合，但它们仍然同样地依靠复杂的电子支持并且由此难以机载携带。

发明内容

本发明旨在克服现有技术中的这些缺点中的一些或全部，尤其上文陈述的那些，其通过提供用于确定施加至车辆的旋转轴的转矩的装置来提出解决方案，该装置包括不接触所述旋转轴的传感元件，且该传感元件设计成供应能够由处理模块测量的信号，该处理模块也不接触所述旋转轴。

为此目的，本发明涉及一种用于确定施加至牙盘轴的转矩的装置，尤其自行车的牙盘，所述牙盘轴能够围绕旋转轴线旋转运动，并且装置包括支撑元件，其特征在于：

·所述牙盘轴具有单独的两个部分：能够分别围绕旋转轴线旋转运动的第一部分和第二部分，

·所述支撑元件设计成使所述第一部分和所述第二部分与所述牙盘的轴的所述旋转轴线大致保持同轴，

·所述两个部分具有各自的接触机构，所述接触机构设计成将所述两个部分中一个的旋转运动转换为所述两个部分中另一个的同时的平移和旋转运动，所述接触机构是所述两个部分各自的端部，其沿所述牙盘的轴的旋转轴线布置成彼此相对，所述端部分别具有至少一个扁平接触表面，所述接触表面不平行且不垂直于所述旋转轴线，所述端部的各自的所述接触表面设计成撑靠彼此，

·所述两个部分具有限位机构，所述限位机构设计成与所述支撑元件配合以限制所述两个部分的相对平移运动的幅度，

·所述装置具有布置在所述限位机构和所述支撑元件之间的至少一个传感元件，其设计成供应表示施加至所述至少一个传感元件的机械应力的信号，

·所述装置具有处理模块，所述处理模块配置成根据由所述至少一个传感元件供应的所述信号确定施加至所述牙盘轴的转矩。

在特定实施例中，用于确定施加至牙盘轴的装置还可以单独或以任意技术上可能的组合的方式包括以下特征中的一个或若干个。

在特定实施例中，所述两个部分的各自的接触表面分别包含在相对于所述牙盘的轴10的旋转轴线倾斜θ角度的平面内，以90°的模进行计算，所述θ角度具有在[40°,50°]范围内的值。

在特定实施例中，所述接触机构包括布置在所述两个部分的接触表面之间的滚珠轴承。

在特定实施例中，左手端部和右手端部分别具有接触肩部，其被约束成分别与所述接触表面所属的第一部分和第二部分一起进行旋转和平移运动。

在特定实施例中，所述支撑元件具有侧壁，其通过所形成的通孔彼此刚性连接，使得所述两个部分接合在其中。

在特定实施例中，所述限位机构是所述两个部分的各自的两个限位肩部，其被约束成与所述两个部分一起进行平移和旋转运动，并且设计成与所述支撑元件的所述侧壁配合。

在特定实施例中，所述至少一个传感元件是压阻或压电传感器。

在一个特定实施例中，其具有用于将平移运动传递到所述至少一个传感元件的传递机构，其布置在所述至少一个传感元件与所述限位机构之间，所述传递机构包括：

·传递支撑件，其能够平移运动并且撑靠所述至少一个传感元件，

·摩擦减小机构，其用于减少所述传递支撑件与所述限位机构之间的摩擦。

在一个特定实施例中，所述摩擦减小机构是布置在所述传递支撑件与所述限位机构之间的两个锥形滚柱轴承。

在一个特定实施例中，所述传递机构包括引导机构，所述引导机构布置成使得所述传递支撑件能沿所述牙盘的轴的旋转轴线运动。

本发明的特征和优点将在以下说明书中更详细地进行陈述，其使用非限制性优选实施例来陈述本发明的特征。

附图说明

基于附图进行说明，这些附图示出：

-图1：根据本发明的用于确定施加至牙盘轴的转矩的装置的示例实施例的示意图。

-图2：根据本发明的图1中的包括接触肩部的装置的特定实施例的示意图。

-图3和图4：根据本发明的分别在图1和图2中的包括滚珠轴承的装置的两个特定实施例的示意图。

-图5：根据本发明的图1中的装置的优选实施例的示意图。

具体实施方式

本发明涉及确定施加至运输车辆的旋转轴的转矩的领域，并且机载携带在所述运输车辆上。

图1是用于确定施加至旋转轴的转矩的装置1的示例实施例的示意图，其示出了根据本发明的装置1的截面。

说明书的其余部分涉及（特别地但并非限制性地）已知类型的自行车（例如电动自行车，未在附图中示出）上所携带的装置1。

在说明书的其余部分中，自行车的右手侧和左手侧应该意指，当使用者使用所述自行车以常规方式运动时，位于使用者的右侧和左侧。

此外，如果能建立包含两条线的单个平面，使得根据二维空间中平行的常规定义这两条线在所述平面内是平行的，则这两条线在三维空间中是平行的。以此类推，这种约束还使用于一维中的所有元素，例如射线和线段。

此类自行车尤其包括具有轴10的牙盘，其中该轴设计成围绕旋转轴线旋转。

装置1包括牙盘的轴10。牙盘的所述轴10是刚性的，并且由（例如）金属材料经机械加工或铸造制成。优选地，牙盘的所述轴10由钢制成。

说明书的其余部分涉及非限制性方案，其中，牙盘的轴10是基于两个几何形状相同的盘的圆筒，这两个盘包含在两个不同的、平行的平面内：

盘11，其称作“右手盘”且布置在自行车的右手侧上，

盘12，其称作“左手盘”且布置在自行车的左手侧上，

包括连接所述右手盘和左手盘11、12的边缘的周围表面13。

在此情况下，牙盘的轴10的旋转轴线是连接右手盘和左手盘11、12的各自中心的线。此外，每个盘刚性连接到踏板，使用者推动该踏板以进行运动。牙盘的轴10可以是不同的形状，例如，具有方形基底的梁或基于几何形状不同的两个盘的截锥。

牙盘的轴10的右手盘和左手盘11、12如此布置，使得当旋转力施加至其时，每个旋转力包含在垂直于牙盘的所述轴10的旋转轴线的平面内，所述旋转力在牙盘的轴10上的合力是力矩，在说明书的其余部分中称作“转矩”。

例如，在装置携载在电动自行车上的情况下，所述转矩由使用者交替踩在每个踏板上所施加的力产生。

对于说明书的其余部分，在此建立相对于用于确定施加至牙盘的轴10的转矩的装置1的轴线X。所述轴线X的方向是牙盘的所述轴10的旋转轴线。而且，使所述轴线X取向成从所述左手盘12朝向所述右手盘11。还建立轴线Z，其方向垂直于自行车在使用中所在的平面，并且轴线Z取向成从所述平面朝向所述自行车。以非限制性示例的方式，在图1中示出由所述两个轴线X和Z所形成的正交系统XZ。

关于装置1的左、右、顶、底、上、下等概念是相对于系统XZ所限定。而且，系统XZ中的角度测量的正向是从轴线X向轴线Z的方向。在说明书的其余部分中，使用沿正向测量所有角度的惯例。

牙盘的轴10具有两个单独的部分，其可分别围绕旋转轴线旋转运动。所述两个单独的部分是称作“第一部分”的部分20和称作“第二部分”的部分30，其如此布置，使得所述第一部分20定位为所述第二部分30沿牙盘的轴10的旋转轴线的延伸。

在图1中所示的非限制性示例中，所述两个单独的部分沿牙盘的旋转轴线形成牙盘的轴10的分隔。每个所述单独的部分具有右手端部和左手端部。因为牙盘的轴10划分成两个单独的部分，所述第一部分20的右手端部包括所述右手盘11，并且所述第二部分的左手端部包括所述左手盘12。而且，所述两个单独的部分如此布置，使得各自的旋转轴线大致与轴线X重合。

所述两个单独的部分包括接触机构，其设计成将所述分开部分中之一的旋转运动转换为所述分开部分中另一个的同时的平移和旋转运动。

例如，所述接触机构包括第一部分20的左手端部21以及第二部分30的右手端部31，所述左手端部和右手端部21、31沿轴线X布置成彼此相对。所述左手端部和右手端部21、31分别具有至少一个扁平接触表面，其既不平行也不垂直于轴线X。而且，接触机构如此设计，使得所述接触表面优选地彼此平行并且设计成撑靠彼此。为此目的，以及如图1中所示且非限制性地，左手端部21的包含在相对于轴线X倾斜θ角度的平面内的每个接触表面定位成沿其表面接触右手端部31的包含在相对于轴线X倾斜也等于θ角度的平面内的单个接触表面。因此，第一和第二部分20、30具有相同数量的接触表面。在其它未在此详述的实施例中，第一和第二部分20、30可具有不同数量的接触表面，假设所述第一部分20的至少一个接触表面与所述第二部分30的接触表面接触并且与其配合，以此方式将这两个部分中之一的旋转运动转换为这两个部分中另一个的同时的平移和旋转运动。

在图1所示的非限制性示例中，第一部分20和第二部分30各自的所述左手端部和右手端部21、31每个均具有两个接触表面：

·左上接触表面22（相应地，右上接触表面32）包含在相对于轴线X倾斜60°角度的平面内并且从位于轴线X上方的周围表面13向所述轴线X延伸，

·左下接触表面23（相应地，右下接触表面33）包含在相对于轴线X倾斜60°角度的平面内并且从位于轴线X下方的周围表面向所述轴线X延伸。

此类几何布置如此设计，使得第一和第二部分20、30通过接触机构配合，所述左上和右上接触表面22、32（相应地，左下23和右下33）沿其整个表面相接触。

在可替代实施例中，所述左手端部21的所述至少一个接触表面是弯曲的，并且如此配置使得在平面XZ内连接所述至少一个弯曲的接触表面的两个端部的弦属于与上文描述的一个倾斜相同角度的扁平表面。此外，所述右手端部31的所述至少一个接触表面配置成与所述左手端部21的所述至少一个接触表面具有相同的几何特征。

装置1还具有支撑元件50，其设计来使所述两个单独的部分与轴10的旋转轴线大致保持同轴。

在图1中所示的非限制性示例中，所述支撑元件50是刚性的中空的平行六面体的壳体，其包括：

·下壁51，其大致垂直于轴线Z并且位于牙盘的轴下方，

·上壁52，其关于牙盘的轴10与所述下壁相对，

·侧壁，其通过所述下壁和上壁51、52刚性连接至彼此。

例如，由所述侧壁形成的组件具有与轴线X正交的左手侧壁53和右手侧壁54。所述左手侧壁53（相应地，右手侧壁54）具有圆形截面的通孔，以及其回转轴线平行于轴线X，并且至少与第二部分30（相应地，第一部分20）的直径一样大。所述左手侧壁53（相应地，右手侧壁54）的所述通孔如此布置，使得第二部分30（相应地，第一部分20）接合在其中。而且，通孔的相对位置如此设置，使得当插入到所述通孔中时，第一和第二部分20、30保持同轴。未在此详述的其它实施例可具有不带下壁51或上壁52的支撑元件50（假设侧壁刚性连接在一起），或具有不是平行六面体形状的壳体的支撑元件。

装置具有限位机构，其设计成与所述支撑元件50配合以限制所述两个单独的部分的相对平移运动的幅度。

在图1中所示的非限制性示例中，所述限位机构是称作“限位肩部”的两个周围肩部：

·第一部分20的第一限位肩部60，其大于所述第一部分20的直径，其约束成与所述第一部分20一起进行旋转和平移运动，并且布置在所述第一部分20的左手端部和右手侧壁54之间，

·第二部分30的第二限位肩部70，其大于所述第二部分30的直径，其约束成与所述第二部分30一起进行旋转和平移运动，并且布置在所述第二部分30的右手端部和左边手侧壁53之间。

而且，第一和第二限位肩部60、70分别大于穿过右手侧壁和左手侧壁54、53的通孔，并且它们分别被设计成与右手侧壁和左手侧壁54、53配合。因此，限制可移动的右手部分20（相应地，可移动的左手部分30）沿轴线X的平移运动的幅度。

装置1还具有至少一个传感元件80，其布置在所述限位机构和所述支撑元件50之间，其设计成供应表示施加至所述至少一个传感元件80的机械应力的信号。此类布置是有利的在于，所述至少一个传感元件不与牙盘的轴10接触。

在图1中所示的非限制性示例中，装置1具有至少两个传感元件80，其布置在静态的支撑元件50的左手侧壁53与第二限位肩部70之间并且与其接触。例如，所述至少两个传感元件80通过胶合、焊接或任意其它方式固定至所述左手侧壁53并且布置在所述左手侧壁53上，面向在通孔任一侧上的第二肩部70。在本示例实施例中，第一限位肩部60与右手侧壁54接触。其它未示出的示例可具有多个传感元件80，其以数量相同或不同的方式分布在左手侧壁53与第二肩部70之间以及在右手侧壁54与第一肩部60之间。此后者布置是有利的，例如在电动自行车的情况下，其中使用者交替地推动踏板，由此使转矩的位置在牙盘的轴10的一个端部和另一个端部之间交替。

在特定实施例中，所述至少一个传感元件80是压阻传感器，即由压阻材料制成的可变电阻器，例如硅。

在另外的特定实施例中，所述至少一个传感元件80是在压缩作用下产生电压的压电传感器，优选地由PZT材料（锆钛酸铅）制成。

装置还具有处理模块（未在附图中示出）。所述处理模块包括配置的软件机构（特定的计算机程序产品）和/或硬件机构（FPGA、PLD、ASIC等）的组件，以根据由所述至少一个传感元件80所供应的信号来确定施加至牙盘的轴10的转矩。

说明书的其余部分涉及非限制性方案，其中，旋转力施加至第一部分20的右手端部，并且所述至少一个传感元件是压阻传感器。

由于所述旋转力，所述第一部分20被驱动旋转，所述第一部分20的每个质点遭受取向成沿平行于轴线X的轴线的局部驱动力F_E。所述驱动力F_E经由每个接触表面被传递到第二部分30，同时将接触力F_C定义为F_E沿每个所述接触表面的法线上的投影。如果所述接触表面不垂直于轴线X，则所述力F_C不为零。因为所述接触表面也不平行于轴线X，所述接触力F_C在轴线X上具有非零分量F_T，体现为由第一部分20沿轴线X施加在第二部分30上的平移力。以经典数学的方式，利用符号|F|来标示二维空间向量F的欧几里德规律或标量的绝对值，力F_T的强度由以下公式给出：

|F_T|=|F_E|×|cos(θ)|×|sin(θ)|。

|F_T|的表达式示出：就乘积|cos(θ)|×|sin(θ)|完全介于0和1之间的范围而言，所述两个单独的部分中一个的旋转运动转换为所述两个单独的部分中另一个的平移运动是部分的。

由于第二部分30的连续的平移运动，第二限位肩部70压缩所述至少一个传感元件80。因此，该限位机构确保力F_T到所述至少一个传感元件80的传递，其在受压状态下工作。

因此，所述处理模块使用由所述至少一个传感元件80提供的信号来确定施加至牙盘的轴10的转矩。

而且，由于接触机构的形状，第一部分20还驱动第二部分30旋转。实际上，旋转运动通过所述第一部分20的接触表面撑靠在所述第二部分30的接触表面上来进行传递。

图2是图1中的装置1的特定实施例的示意图，其示出装置1的截面，其中，左手端部和右手端部21、31分别包括第一接触肩部200和第二接触肩部300。所述第一和第二接触肩部200、300是周围的，且其分别大于第一和第二部分20、30的直径，并且分别被约束成第一部分20和第二部分30一起进行旋转和平移运动。而且，接触表面属于所述接触肩部，并且在几何上设计成与图1中所描述那些具有相同的几何特征。此类布置是有利的，因为其使能避免第一部分20与第二部分30之间的摩擦。

在图2中所示的非限制性示例中，第一限位肩部60（相应地，第二限位肩部70）布置在第一接触肩部200（相应地，第二接触肩部300）与右手侧壁54（相应地，左手侧壁53）之间，使得第一接触肩部200（相应地，第二接触肩部300）与第一限位肩部60（相应地，第二限位肩部70）配合。

图3和图4分别是图1和图2中的装置1的两个特定实施例的示意图，其分别示出装置1的截面，其中，接触机构具有滚珠轴承40。

例如以及如图3和图4中所示，所述滚珠轴承40布置在第一部分20和第二部分30的接触表面之间，使得每个滚珠40是球形的并且分别与第一部分20和第二部分30的接触表面接触。根据与上文所述完全相同的原理，此类布置设计成首先使得能够由于所述滚珠的球形传递第一部分20与第二部分30之间的旋转运动，且其次能使将所述部分中一个的旋转运动转换为所述部分中另一个的平移运动。此类布置也是有利的在于，其使能减少接触表面之间的摩擦，由此使得该装置更稳健。而且，所述球形滚珠40优选地由刚性材料制成，例如钢，以确保驱动力F_E、接触力F_C和平移力F_T在装置1的运行期间不会减小。

图5是图1中的装置1的优选实施例的示意图，其示出了装置1的截面，其中，接触机构具有滚珠轴承40，如图3和图4中所述的，且第一部分20和第二部分30的各自的接触表面如此倾斜以最大化力F_T的强度。

例如以及如图5中所示，第一部分20和第二部分30的各自的接触表面都包含在相对于牙盘的轴10的旋转轴线倾斜θ角度的平面内，以90°的模进行计算（modulo90°），所述θ角度具有在[40°,50°]范围内的值。此类布置是有利的，因为其使能最大化平移力F_T的强度，在θ角度为45°时达到最佳。随后，传感元件80的压缩应力是最大的。

在图5中所示的示例中，装置1还具有用于将平移运动传递到传感元件80的机构。所述传递机构布置在所述传感元件80和所述限位机构之间，并且它们包括可沿轴线X平移运动的传递支撑件400，并且其撑靠在所述传感元件80上。例如，所述传递支撑件400由大于牙盘的轴10的直径的周围肩部形成，并且不接触所述轴10。

而且，传递机构优选地包括用于减少传递支撑件400和限位机构之间的摩擦的机构。如图5中所示，所述摩擦减小机构是布置在所述传递支撑件400和第二限位肩部70之间的锥形的滚柱轴承，使得在所述轴承中的每个滚珠403分别与所述传递支撑件400和所述第二限位肩部70的倾斜表面接触。

此类布置是有利的，因为传递支撑件400不接触牙盘的轴10。因此，所述传递支撑件400不与其所触的传感元件80一起旋转，并且由此不产生从长期来看会引起损害的任何旋转摩擦。因此所述传递支撑件400设计成仅将力F_T传递到所述至少一个传感元件80。随后，所述至少一个传感元件80也不接触牙盘的旋转轴10。

如图5中所示，传递机构包括（例如）引导机构，其设计成使所述传递支撑件400能沿轴线X运动。例如，所述引导机构是通过胶合、焊接或任何其它方式与支撑元件50的左手侧壁53静态保持的下杆401和上杆402。所述杆设计成分别与所述传递支撑件400的通孔配合，其具有圆形截面和平行于轴线X的回转轴线。

在装置1的所述优选实施例的变型中，至少一个传感元件还布置在右手侧壁54和第一限位肩部60之间并且与其接触。而且，装置1在第一限位肩部60与所述至少一个传感元件之间还包括具有与上文所述相同特征的传递机构。

通常，应注意的是，上文所讨论的实施例已经被描述为非限制性示例，且其它变型由此是可能的。

特别地，本发明已经描述有关携载在自行车（例如电动自行车）上的装置1。然而，其它示例可包括携载在机动车辆上具有大致相似特征的装置1。