CN108474700B

CN108474700B - 用于确定轴上的运行参数的测量装置和方法

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Publication number: CN108474700B
Application number: CN201780004883.5A
Authority: CN
Inventors: 克里斯托夫·维斯; 弗兰克·本克特
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-02-01
Filing date: 2017-01-31
Publication date: 2021-08-31
Anticipated expiration: 2037-01-31
Also published as: CN108474700A; US20180321099A1; DE102016201455B3; WO2017133726A1

Abstract

本发明涉及一种测量装置，用于确定在轴上的，特别是自行车或电动自行车的踏板轴承装置的轴上的运行参数，特别是扭矩或功率，其中，所述轴由至少一个轴承支承。所述测量装置包括至少一个第一传感器元件、至少一个第二传感器元件和运算装置，所述至少一个第一传感器元件用于检测所述轴的绝对角度，至少一个第二传感器元件用于检测所述轴相对所述第二传感器元件的距离变化，所述运算装置由所述轴的绝对角度和所述距离变化计算所述轴上的运行参数。

Description

用于确定轴上的运行参数的测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定轴上的，特别是自行车或电动自行车的踏板轴承装置的轴上的运行参数的测量装置和方法。

背景技术

在电动机辅助的自行车(通常被称为摩托化自行车或电动自行车)中，由电动机的力提供动力。这种力大多有益于驾驶者的蹬踏力。蹬踏力通过曲柄引入到踏板轴承中，并且正常变化。因此，例如能够这样保持预定的恒定速度，需要测量踏板轴承轴上的扭矩，以驱动调节电机。

即使对于没有电动机辅助的自行车，经常出于兴趣的原因，需要确定和显示驾驶者做的功。

从EP 0 983 934 B1已知一种扭矩传感器，通过该扭矩传感器能够确定施加到踏板轴承轴上的扭矩，例如电动自行车的踏板轴承轴上的扭矩。扭矩传感器包括压力传感器元件，压力传感器元件被布置在传感器支承件上并且被作用力式连接地安装在踏板轴承轴和自行车车架的包围踏板轴承轴的部件之间。因此，基本上在支承踏板轴承轴的轴承的外圈上测量力。压力传感器元件记录踏板轴承轴上力的值，力的值能够与踏板轴承轴上的扭矩成比例。

继EP 0 983 934 B1，从DE 103 39 304 A1已知一种用于将力从踏板轴承轴传递到传感器元件的传感器支承件。传感器支承件包括径向内侧部件和径向外侧部件，其中一个部件具有凸起部，例如从部件的表面凸出的元件，该元件用于使得另外的部件变形。当在踏板轴承轴上作用力以及由此向传感器支承件传递力时，凸出部变形。由于变形和踏板轴承轴上的引起变形的力之间的关系已知，能够由变形确定力。然后，能够通过测量变形的长度，例如借助应变仪测量长度来间接确定扭矩。

此外，基于逆磁致伸缩原理的扭矩传感器是已知的，参见例如US 5,351,555和US5,520,059。在此，永久地将磁场引入到踏板轴承轴中。作用在踏板轴承轴上的力引起磁场的变化。这种变化能够通过相应的传感器来测量，从而能够确定扭矩。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于确定轴上的运行参数的测量装置，所述运行参数例如是自行车或电动自行车的踏板轴承轴上的扭矩或功率，所述测量装置在结构上和/或功能上改进了上述的测量装置或者在此提供备选方案。测量装置应当基本能够被集成到这种踏板轴承装置的标准结构空间中。此外，本发明还要解决的技术问题是，使得电动机驱动的部件，例如电动机的驱动调节器，具有用于控制辅助动力的最佳反应时间。本发明还要解决的技术问题是，向自行车或电动自行车的使用者示出例如其做出的功率。

根据本发明，该技术问题通过以测量装置形式的独立权利要求的特征以及用于确定轴上的运行参数的方法来解决。该轴由至少一个轴承支承，并且该轴能够特别是自行车或电动自行车的踏板轴承装置的轴。

因此，测量装置包括至少一个第一传感器元件和至少一个第二传感器元件，第一传感器元件用于检测轴的绝对角度，第二传感器元件用于检测轴相对第二传感器元件的距离的变化。

轴的距离变化能够因轴的挠度而产生，挠度例如因在轴的端部上的负载造成。而且，轴上的距离变化也能够因轴的位移而产生。轴的位移通常由轴承运行间隙或轴在滚动轴承中的弹性跳动引起。

因此，通过本发明能够以有利的方式借助两个传感器元件确定基本的运行参数，例如扭矩或功率。因此，通过曲柄臂引入的力F_p能够分解为切向力F_t和径向力F_r。径向力F_r通常称为法向力。径向力F_r的作用线指向轴的中心，并且同时与切向力F_t的作用线形成直角。检测到的距离变化与力F_p直接相关。因此，力F_p能够根据至少一个第二传感器元件检测到的测量值来确定。

因此，确定切向力F_t：

F_t＝F_p*sin(β)，其中，β是至少一个第一传感器元件检测到的轴的绝对角度，并且力F_p由检测到的距离变化产生。

例如，能够从切向力F_t直接确定轴上的扭矩或功率。因此，本发明以有利地方式利用了简单且可靠的测量原理，这些测量原理需要很小的结构空间来确定轴上的扭矩或功率。此外，通过连续地测量轴的绝对角度，能够相对传统测量相对角度的应用更快速地确定轴的旋转方向。这使得电力驱动的部件(例如电动机的驱动调节器)具有用于控制引入的辅助动力的最佳反应时间。此外，检测轴的绝对角度β使得能够确定自行车的左脚踏曲柄和/或右脚踏曲柄的位置。

在一个实施方式中，至少一个第一传感器元件或至少一个第二传感器元件被设计为涡流传感器。涡流传感器是非接触式的距离传感器，并且基本上对测量间隙中的油，水和灰尘等介质不敏感。特别优选地，两个传感器元件被设计为涡流传感器。

在另外的实施方式中，至少一个第一传感器元件和至少一个第二传感器元件在结构上被集成在传感器单元中。例如，能够在传感器单元上布置两个线圈，两个线圈根据涡流原理同时检测绝对角度和距离变化。传感器单元的特别有利的实施方式由四个线圈组成，以便多次检测绝对角度和距离变化，并且因此能够更精确地计算数值。

在根据本发明的测量装置的实施方式中，为检测绝对角度，将编码器径向布置在轴上或径向布置在与轴抗扭连接的部件上，特别是在轴承的内圈的延伸部上。该实施方式使得能够以有利的方式检测在踏板轴承装置内，即在踏板轴承装置的受保护空间内的绝对角度。

在根据本发明的测量装置的实施方式中，为检测绝对角度，将编码器径向布置在轴上或径向布置在与轴抗扭连接的部件上，特别是在轴承的内圈的延伸部上或轴承的密封件上。该实施方式能够以有利的方式检测绝对角度，例如在轴的轴向表面或者踏板轴承装置(例如具有安装到框架的轴承衬套的踏板轴承)的内圈上检测绝对角度，并且由此能够简单地改装。此外，特别有利地，能够较薄地设计编码器的轴向配置，使得编码器基本不会受到轴的位移的影响。换言之，能够更广地选择第一传感器元件的空间检测，使得被设计得更薄的编码器，尽管受到轴的位移影响，却总是保持在第一传感器元件的检测范围内。

轴向或径向得编码器能够被设计为中心的，偏心的或正弦的楔形。二进制编码也是可能的。例如，两个二进制值能够被设计为由不同的材料，例如铜和非铜构成，或者被设计为编码器的几何形状的变化，例如凸出部和凹陷部。

在根据本发明的测量装置的实施方式中，至少一个轴承具有支承点，其中，至少一个第二传感器元件被布置在支承点处。通过在支承点处或其附近的布置能够测量因轴在支承点上的位移产生的距离变化。因此，尤其推断出通过相应的踏板轴承曲柄在支承点引入的运行参数。

在根据本发明的测量装置的另外的实施方式中，至少一个轴承具有第一支承点和第二支承点，并且测量装置包括至少两个第二传感器元件，其中，在第一支承点和第二支承点分别布置第二传感器元件中的一个。因此，能够确定相应支承点处的运行参数，例如，与自行车的左踏板轴承曲轴或右踏板轴承曲柄相关的运行参数。

在根据本发明的测量装置的实施方式中，至少一个轴承具有第一支承点和第二支承点，其中，至少一个第二传感器元件被布置在第一支承点和第二支承点之间。例如，这能够确定右踏板轴承曲柄和左踏板轴承曲柄的的总力矩或总功率。至少一个第二传感器元件的居中布置是特别有利的，因为轴在此处产生最大的挠度。此外，能够偏心地布置至少一个第二传感器元件，并且至少一个第二传感器元件与轴成一定角度对齐，使得至少一个第二传感器元件能够检测到最大的轴挠度。

在一个实施方式中，根据本发明的测量装置包括至少两个第二传感器元件，其中，沿径向绕所述轴偏移180度地布置至少两个第二传感器元件。因此，在轴负载情况下，一个第二传感器元件接近轴并且另一个第二传感器元件同时远离轴。这使得能够检查所确定的值的可信度。

在根据本发明的测量装置的实施方式中，至少一个第一传感器元件和至少一个第二传感器元件同时检测它们各自的测量变量。

根据本发明的测量装置包括另外的运算装置。运算装置借助测得的测量值运算运行参数，特别是扭矩或功率。运行参数能够作为电信号提供给另外的应用。

在一个实施方式中，根据本发明的测量装置包括供能单元。该供能单元使得测量装置，特别是运算装置能够自给自足地运行操作。另外，还能够通过能提供的能量经由无线连接(例如蓝牙或另外的无线标准)传输数据。因此，能够完全封闭地设计测量装置，并且很好地防止外部环境影响。供能单元例如是集成在轴承中的爪极发电机。备选地，能够将电源(例如可充电电池)集成到轴承的结构空间中或布置在空间上靠近的位置。

根据本发明的测量装置的前述实施方式基于传感器元件或传感器单元被布置在静止的或固定的部件上，例如轴承壳体上，并且编码器和/或轴被布置在旋转部件上或者编码器和/或轴是旋转部件本身。本发明还包括一种相反的布置方式。因此传感器元件或传感器单元能够布置在旋转部件上，例如轴上。然后，也同样能够确定轴到固定参考点的距离的变化，或者能够将用于测量绝对角度的编码器固定地布置在非旋转部件上。例如能够通过无线电传输信号。

另外，本发明包括具有如上下文所述的测量装置的踏板轴承装置，以及具有这种踏板轴承装置的自行车，特别是电动自行车。

本发明还包括一种方法，用于确定在轴上的，特别是自行车或电动自行车的踏板轴承装置的轴上的运行参数，特别是扭矩或功率，其中，力F_p能够经由至少一个踏板曲柄引入到轴上，其中，力F_p能够被分解为切向力F_t和径向力F_r，其中，径向力F_r的作用线指向轴的中心，并且其中，切向力F_t的作用线与径向力F_r的作用线成直角，所述方法包括：检测轴的绝对角度β，检测轴相对特定部件，特别是传感器元件的距离变化，以及由绝对角度β和距离变化计算轴上的运行参数，其中，力F_p能够由距离变化算出，其中，切向力F_t能够由力F_p和绝对角度β算出，并且其中，轴上的运行参数由切向力F_t确定。

由下面的实施例并且结合附图给出本发明的另外的优点，特征和细节。

附图说明

下面结合附图示出本发明的实施例。附图未示出度量范围。附图为：

图1是踏板轴承装置中的作用力的示意图，

图2是用于检测轴的绝对角度的径向编码器和轴向编码器的可能编码，以及

图3是用于检测踏板轴承装置的轴的挠度的示意图。

具体实施方式

图1示出了踏板轴承装置中的作用力的示意图。虚线101示出曲柄臂(未示出)的曲柄踏板(未示出)围绕踏板轴承轴(未示出)的中心M的回转轨道。圆周线101的圆圈具有半径103。蹬踏力F_p110通过曲柄踏板和曲柄臂被引入到踏板轴承轴上。方向105示出了曲柄踏板或曲柄臂围绕踏板轴承轴的回转方向。换句话说，它示出沿着圆周线101的导入力的回转方向(但是，这并不指实际的蹬踏力的矢量方向)。蹬踏力F_p110能够分解为径向力F_r120和切向力F_t130。径向力F_r120和切向力F_t130相互成直角。力平行四边形中的绝对角度β150通过由附图标记120，121，130，131构成的力平行四边形和蹬踏力F_p111的投影的力矢量产生。力平行四边形中的绝对角度β150与具有所示的半径线103的曲柄臂的绝对角度β151相同。该半径线103平行于蹬踏力F_p110的矢量方向。因此，能够通过测量曲柄臂的实际的绝对角度β151确定力平行四边形中的绝对角度β150。例如，能够利用诸如涡流传感器的传感器元件实际测量曲柄臂的实际的绝对角度β151，该传感器元件利用根据图2的编码来检测在踏板轴承轴上的编码器。

图2示出用于检测轴的绝对角度的径向编码器和轴向编码器的可能编码。因此，示出了用于径向编码器的楔形编码210和正弦编码220。此外，示出了用于轴向编码的轴向编码器的相应的变形方案230。

图3示出用于检测踏板轴承装置300的轴310的挠度的示意图。轴310在其轴向端部处与第一曲柄臂312和第二曲柄臂314抗扭连接。第一曲柄臂312具有踏板轴313，第二曲柄臂314相应地具有踏板轴315。轴310由第一支承点322和第二支承点324支承。蹬踏力F_p导致轴310出现挠度和位移，例如能够通过踏板轴313，315上的曲柄踏板经由的第一曲柄臂和第二曲柄臂将蹬踏力F_p引入到轴310中。由虚线示出轴在施力期间可能的挠度335。例如，轴310的这种弯曲导致在涡流测量(未示出)中涡流的变化。作用在轴310上的扭矩被传递到与轴310抗扭连接的链轮360上。

附图标记列表

101 圆圈的圆周线

103 圆圈的半径

105 沿圆周线施力的旋转方向

M 圆圈的圆心

110，111 蹬踏力/力F_p

120，121 径向力F_r

130，131 切向力F_t

150 力平行四边形中的绝对角度β

151 曲柄臂的实际的绝对角度β

210 用于径向编码器的楔形编码

220 用于径向编码器的正弦形编码

230 用于轴向编码器的编码

300 踏板轴承装置

310 轴

312 左曲柄臂

313 左踏板轴

314 右曲柄臂

315 右踏板轴

322 左支承点

324 右支承点

330 力F

335 轴在施力期间可能的挠度

360 链轮

Claims

1.一种测量装置，用于确定在轴（310）上的运行参数，所述运行参数是扭矩或功率，其中，所述轴（310）由至少一个轴承支承，其特征在于，所述测量装置包括：

- 至少一个第一传感器元件，用于检测所述轴（310）的绝对角度，

- 至少一个第二传感器元件，用于检测所述轴（310）相对所述第二传感器元件的距离变化，以及

- 运算装置，所述运算装置由所述轴（310）的绝对角度和所述距离变化计算在所述轴（310）上的运行参数。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其中，所述轴（310）是自行车或电动自行车的踏板轴承装置（300）的轴（310）。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其中，为了检测所述轴（310）的绝对角度，将编码器径向布置在所述轴（310）上或径向布置在与所述轴（310）抗扭连接的部件上。

4.根据权利要求3所述的测量装置，其中，所述抗扭连接的部件是所述轴承的内圈的延长部。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其中，为了检测所述轴（310）的绝对角度，将编码器轴向布置在所述轴（310）上或轴向布置在与所述轴（310）抗扭连接的部件上。

6.根据权利要求5所述的测量装置，其中，所述抗扭连接的部件是所述轴承的内圈或密封件。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的测量装置，其中，所述至少一个轴承具有支承点（322，324），并且其中，所述第二传感器元件被布置在所述支承点（322，324）上。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的测量装置，其中，所述至少一个轴承具有第一支承点和第二支承点（322，324），其中，所述测量装置包括至少两个第二传感器元件，并且其中，在所述第一支承点和所述第二支承点（322，324）上分别布置所述第二传感器元件中的一个。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的测量装置，其中，所述至少一个轴承具有第一支承点和第二支承点（322，324），并且其中，所述第二传感器元件被布置在所述第一支承点和所述第二支承点（322，324）之间。

10.根据权利要求9所述的测量装置，其中，所述第二传感器元件被居中地布置在所述第一支承点和所述第二支承点（322，324）之间。

11.根据权利要求1至6中任一项所述的测量装置，其中，所述至少一个第一传感器元件和/或所述至少一个第二传感器元件被设计为涡流传感器。

12.根据权利要求1至6中任一项所述的测量装置，其中，所述至少一个第一传感器元件和所述至少一个第二传感器元件在结构上被集成在传感器单元中。

13.一种用于确定在轴（310）上的运行参数的方法，所述运行参数是扭矩或功率，

其中，力（110）能够经由至少一个与所述轴（310）抗扭连接的曲柄臂（312，314）引入到所述轴（310）上，

其中，所述力（110）能够被分解为切向力（130）和径向力（120），

其中，所述径向力（120）的作用线指向所述轴（310）的中心，并且其中，所述切向力（130）的作用线与所述径向力（120）的作用线构成直角，

所述方法包括：

- 检测所述轴（310）的绝对角度，

- 检测所述轴（310）相对特定部件的距离变化，以及

- 由所述轴（310）的绝对角度和所述距离变化计算所述轴（310）上的运行参数，其中，能够由所述距离变化算出所述力（110），其中，能够由所述力（110）和所述轴（310）的绝对角度算出所述切向力（130），并且其中，由所述切向力（130）确定在所述轴（310）上的运行参数。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述轴（310）是自行车或电动自行车的踏板轴承装置（300）的轴（310）。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，所述特定部件是传感器元件。