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深度剖析电动助力自行车之技术原理(三)

2016-6-5 18:51| 发布者: admin| 查看: 271| 评论: 0

  [自行车之家热点新闻]“自行车的电动助力化”在欧洲及日本已经是大势所趋,电动助力自行车可以在不改变传统骑行方式的基础上让骑行变得更为轻松,解决了骑自行车费力的麻烦,又保留了骑自行车的乐趣,让爱好者骑的更畅爽,让普通人可以骑得更远,让体能不佳的人同样可以体验骑行带来的快乐。伴随中国经济生活水平的提高,人们对骑行运动重燃兴趣,中国市场在经过了自行车向电动自行车的转型后,电动助力自行车正在成为新的发展方向。

  在电动助力自行车(Pedelec)领域,“力矩传感器”(Torque sensor)是最为核心的技术,因为研发门槛高,德国BOSCH及日本YAMAHA等少数几个跨国公司形成了非常明显的技术壁垒,这是使用“力矩传感器”的电动助力自行车售价昂贵的主要原因。如果你是自行车爱好者,一定知道“功率计”的售价不菲,而“力矩传感器”也正是“功率计”的核心技术。

深度剖析电动助力自行车之技术原理(三)

  一种力矩传感器结构原理图

  在《深度剖析电动助力自行车之技术原理》(一)(二)中,笔者详细的为大家介绍了电动助力自行车的三种核心传感器技术以及发展趋势,今天这篇文章进行几种常见传感器技术横评及总结。

  在欧洲市场,搭载“力矩传感器”的电动助力自行车的入门售价在2000欧元(折合约15000人民币)左右,在日本最便宜的售价为13800日元(折合约8400人民币),还是打折后的价格。

深度剖析电动助力自行车之技术原理(三)

  因此,不少企业为了低成本的实现电动助力自行车(Pedelec),就采用其他传感器来替代“力矩传感器”,主要分为三种,分别是“后轴勾爪传感器”、“扭簧传感器”以及“转速传感器”,为了达成宣传及销售目的,他们在产品上一般也会标注使用“力矩传感器”(Torque sensor)的字样,但实际上都是“伪力矩”,在科技含量以及产品使用体验上与真正的力矩传感器有着巨大差距。

  真“力矩传感器”有怎样的特征?

  如果你看了之前的两篇文章,相信对“力矩传感器”已经有了相当的了解,它是去测量自行车中轴受力时金属表面产生的微观形变,从而获得高精度的扭力数值。

深度剖析电动助力自行车之技术原理(三)

  “力矩传感器”有三个标准,分别是:精度、实时、线性。

  精度:因为探测的是人眼所不可见的金属表面微观形变,所以“力矩传感器”的测量精度非常高,同时它也会非常敏感,可以测量极为小的受力。

  实时:因为非常敏感且精度高,所以“力矩传感器”的反应时间在毫秒之间,顶级产品的反应时间在个位数,反应速度超越其它类型传感器几十倍至数百倍,因此使用力矩传感的电动助力自行车在踩脚踏的同时,几乎瞬时就会有助力输出,而其它类型会有明显的助力迟滞感。

  线性:“力矩传感器”的测量是每时每刻都在进行的,因此非常线性,所以输出的助力总是可以恰到好处的满足骑行需求,不会出现阶梯感。

  伪力矩传感器一:后轴勾爪传感器

  “后轴勾爪传感器”的名字是很形象的,因为它就安装在自行车的后轴与车架的交接处,充当转接件,看着就是“勾着后轴的爪子”。

深度剖析电动助力自行车之技术原理(三)

  它整体是一块切削成型的局部镂空的铝合金板,然后在镂空区域嵌入“压力传感器”,当自行车在骑行时后轴就会受到来自链条的拉力,后轴在将力量传输给车架过程中就会挤压铝合金板,造成形变,挤压嵌入的“压力传感器”,进而也就测量到人踩脚踏的力量大小。

深度剖析电动助力自行车之技术原理(三)

  在诸多伪力矩传感器中,“后轴勾爪传感器”是最为接近力矩传感器的产品,它是真的去测量“力“的大小,但它相对真力矩传感器有着非常明显的三个缺点:

  首先,“后轴勾爪传感器”本质上是“压力传感器”,测量的不是真实的力矩,而是单一的横向压力,因此它无法还原人踩脚踏的真实力量情况,所获得的数据也就如同隔靴搔痒,在助力提供的精度及线性上均有所欠缺。而且“后轴勾爪传感器”想要测量压力,需要通过脚踏、曲柄、牙盘、链条、飞轮、后花鼓、车架的一系列传动环节,力量在传输过程中都会产生损耗,更由于金属的“弹性滞后”效应,“后轴勾爪传感器”测量力量的误差及延迟进一步加大造成精度的下降。

  另外就是“后轴勾爪传感器”安装在电动助力自行车整车受力最大的地方“后轴与车架之间”,各种路面的颠簸冲击受力都会通过这部分进行传递,而这种传感器为了方便量产加工,又基本都是使用硬度及强度都较差的铝合金材质,因此在真实路况下,由铝合金板切削而成的“后轴勾爪传感器”在使用中就极为容易变形受损,测量精度会随着使用时间的加长而急剧降低,产生的结果主要分为两种:一种是需要人用很大的踩踏力量才能感受到助力,起不到帮助用户的作用;另外一种就是轻轻一踩就有很强的助力,严重的直接飞车,造成安全风险。“后轴勾爪传感器”的安装位置及材料限制,使它的寿命及安全性要远远差于真的“力矩传感器”。

  最后,虽然“后轴勾爪传感器”有研发成本低,生产成本也低的优点,但使用它的车辆必须要重新设计车架来安装它,而且对安装位置有较高的加工精密度要求,否则就会在安装的时候造成传感器的变形,进而造成传感器测量数据不准,因此,使用“后轴勾爪传感器”就要求开发新车架或者对原有车架进行局部重新设计并提高加工精度,额外增加了不少生产成本。

  伪力矩传感器二:扭簧传感器

  “扭簧传感器”从外观上来看最为接近“力矩传感器”,它名字的由来正是因为内部使用了“弹簧”结构,本质上其实是“弹簧+霍尔传感器”,就是把电动自行车的“转把”安装到了牙盘上。

深度剖析电动助力自行车之技术原理(三)

  当脚在向脚踏施加作用力时,弹簧被压缩,“霍尔传感器”也就探测到磁场的变化,进而判断出受作用力的大小,这与电动自行车旋拧转把使磁铁产生位移是一样的。

深度剖析电动助力自行车之技术原理(三)

  这种传感器相对真力矩传感器也有着非常明显的三个缺点:

  首先,“扭簧传感器”使用“霍尔传感器”作为测量元件,原始的测量精度就不高。在使用了弹簧作为核心结构后,力量在传递时就会被损耗及延迟,进一步降低了测量数据的精度,而“扭簧传感器”一个传感器里又要使用多根弹簧,但弹簧的一致性并不高,这也就再次造成测量精度的下降,即便是同一批“扭簧传感器”也会存在测量精度上的差异。更为重要的是,“扭簧传感器”这种结构是无法持续测量力的,比如一开始力量大,弹簧被压缩,但弹开后就没有力了,左右脚在切换发力过程中就会出现很大的波动,所以这就需要使用大的滤波来避免传感器数据波动,这就第三次造成测量数据的误差及延迟。

  因此使用“扭簧传感器”的电动助力自行车提供的助力不仅误差大而且延迟高,不仅远远不如“力矩传感器”,甚至比“后轴勾爪传感器”还要差。

  另外,因为使用弹簧作为核心结构,曲柄与牙盘之间不是刚性的连接结构,在真实的骑行过程中就会出现“一弹一弹”的晃动情况,并且用力稍微大一些弹簧就会被压缩到极限出现金属碰撞的“哒哒”声,严重影响骑行体验。

  最后,扭簧传感器的结构原理确实比较简单,没有什么技术含量,但加工起来其实并不算容易,金属盘片的切削会耗费大量的时间,而且因为产品一致性差,如果稍微对精度要求高一些,次品率就会很高。

  伪力矩传感器三:转速传感器

  “力矩传感器”、“后轴勾爪传感器”是电动助力自行车领域最常用的两种与“力”相关的传感器技术,之所以要跟“力”相关,是因为这样电动助力自行车才能更好的去理解“人力”,进而辅助“人力”,达到“人电合一”的混合动力骑行体验。不过,在电动助力自行车领域依然有厂商使用跟“力”无关的传感器技术,“扭簧传感器“是一种,而最伪的伪力矩传感器则是“转速传感器”。

深度剖析电动助力自行车之技术原理(三)

  “转速传感器”正如同它的名字,是测量自行车中轴的转速,由此判断助力的需求,踩得越快助力也就越强,踩得慢助力也就越弱。这种工作特性就决定了“转速传感器”不能匹配真实的路况,在遇到逆风、上坡等路况时由于阻力增大,人踩脚踏的速度就会变慢,此时转速传感器会认为骑行者需要弱的助力,导致在需要助力时得不到帮助,而当遇到下坡情况时,如果骑行者踩脚踏的速度加快,转速传感器就会认为你需要强助力,造成速度过快产生安全隐患。为了解决逆风、上坡无法提供良好助力的问题,一般使用“转速传感器”的电动助力自行车还会额外增加“纯电动”模式,在遇到上坡逆风等情况时按下纯电动开关就变成了“电动自行车”。

  电动助力自行车之所以成为新的趋势,正是因为人们越来越在意骑行体验,使用“转速传感器”后,人力与电力之间没有任何的配合而言,也就丢掉了骑车的最根本兴趣。

  在“转速传感器”中,能去测量转速的其实还是高阶型号,有些转速传感器其实只是充当探头,当探头感受到中轴转了一圈之后就提供恒定功率的助力,然后在车把上设置不同的档位,进行助力多少的调节,骑行体验与有脚踏的电动自行车并没有本质上的区别。

  通过深度剖析电动助力自行车之技术原理(一)(二),以及今天这篇综合对比文章,相信大家对电动助力自行车的实现原理已经有了相当的了解,“力矩传感器”凭借卓越的性能及最佳的使用体验无疑可以折得桂冠,但它也有缺点,那就是技术门槛高,实现成本也高,德国BOSCH的一套力矩传感器助力系统在没有电池的基础下售价接近6000元,而日本YAMAHA的整套助力系统包含电池在内达到8000元人民币左右,即便是售价最为低廉的国产轻客的使用力矩传感器的整车产品售价也达到了3580元(力矩传感器系统售价目前不详)。因此,在国人对电动助力自行车(Pedelec)还没有更多认知的当下,在中国市场想打开局面还有不短的路要走。

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