【雅马哈中轴电机】电动自行车技术原理的深入分析

【自行车之家自行车评价】今年台北展览会上，我们看到了梅里达的第一辆电动山地车，在此之前，捷安特、Trick、SPECIALIZED、CUBE、SCOTT、HAIBIKE、Focus等品牌推出了电动自行车。

电动助力自行车在欧美被称为Pedelec，作为e-bike的一种，在国内还没有进入主流视野，这与普通山地车的特性有何不同？

自行车的轻便性和便利性兼具，是有效弥补上坡、逆风和货物负担感的个人交通工具。它以传统自行车为基础，配备了以力矩传感器为核心的动力系统，并配备了马达和电池。与电动自行车(电驴)最大的区别在于，它不是通过转动方向盘来调整动力大小，而是利用力矩传感器感知骑自行车的人踩脚的力量，根据人的大小来判断。因此，了解激光雷达的乘车意图，并提供相应的动力支持。(威廉莎士比亚、坦普林、电动自行车、电动自行车、电动自行车、电动自行车、电动自行车)因为不能像电动自行车一样进行纯电动行驶，需要“人力电动”的混合动力，所以这种骑车方式和骑自行车的方式没什么区别。电力提供的适当动力完全解决了骑自行车困难的问题，同时由于人力的配置，在配备小电池的情况下，可以超过普通电动自行车的续航里程，一般在50 ~ 100公里左右，续航时间持续。(大卫亚设)。

电动助力车(Pedelec)领域最先进的技术是“力矩传感器”，自行车电动助力车是理解激光雷达意图的核心。高端电动自行车目前使用最技术的“双变力矩传感器”。该传感器技术长期被德国BOSCH和日本雅马哈等多家跨国公司垄断，搭载该传感器的车辆售价通常在2000欧元以上。这也是电动助力自行车无法在中国打开市场的一大原因。在自行车创业团队中，轻客们独立开发了以力矩传感器为核心的智能动力系统，使城市电动助力车的车辆价格在4000韩元以下。这个价格预计在国内推广。

中低端电动助力车产品中广泛使用单边力矩传感器(只能检测一只脚的力大小，激光雷达的力需求不能正确理解)。这是目前大多数国产电动助力车使用的技术，骑自行车体验和高端车型之间存在很大差异。在低端电动助力车领域，也有使用“后轴爪子传感器”的产品。没有技术门槛，成本低，被广泛采用，实际使用中效果不好，只能用于低端车费。

今天这篇文章介绍了“力矩传感器”和“后轴爪子传感器”，分析了它们的工作原理和优缺点。

首先，要知道自行车的动力传递方式：人踩脚，然后驱动链条，将动力转移到后轮，然后驱动自行车。如果分解成结构名，是：发——曲柄——齿盘——链条3354飞轮——后面的花鼓——帧。

首先说说“后桥钩传感器”。

上图中的灰色元件是后上叉和后叉的组合，即安装在后轴的位置(图中的红点是后轴)上的“后轴挂钩传感器”。这相当于附加适配器，一般是铝合金材料。自行车前进的动力通过后轴传递到“后轴爪子传感器”，然后传递到自行车车架。后轴爪传感器在受到后轴给定的力时变形，挤压上图中红色圆圈的“压力传感器”，然后动用电池电机为电动助力器提供动力。“后轴爪传感器”的优点是原理简单，结构不复杂，生产价格低廉。电动助力车可以一直在平坦的道路上使用，但在实际道路状态下，这种传感器的缺点也会显现出来。(如上图所示，“后轴爪传感器”是铝合金加工工具包中内置的“压力传感器”。)。

缺点1 :“后轴爪传感器”要测量踩的力矩，需要脚、曲柄、齿板、链条、飞轮、后花鼓、车床的一系列传动环，各部分的部件都是弹性体，力在传输过程中消耗。此外，由于金属的“弹性延迟”效应，“后轴爪传感器”的测量力不仅误差大，而且有延迟，无法实时理解激光雷达的力量需求，乘坐时动力不准确，总是慢一拍，因此体验很差。就像你开车一样，明明踩了油门，但动力总是要等一会儿才能给你。

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缺点二:“后轴勾爪传感器”安装在后上叉和后下叉的结合处,如果想要精准测量力量,就要求安装位置的加工需非常精密,否则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,使用这种传感器就对车架的生产有较高的工艺要求,额外增加了电助力车的生产成本。

缺点三:自行车的后上叉与后下叉的结合处是车身受力很大的部位,各种路面的颠簸冲击都会通过这部分传递,而“后轴勾爪传感器”就安装在这个力量传递点上。这种传感器绝大多数使用硬度及强度都较差的铝合金材质,因此它在真实路况下使用就极易受损,测量精度及使用寿命会随着使用时间的加长而急剧下降。比如下个马路牙子或者被风吹倒之类就有可能造成传感器的变形,出现飞车或无动力的情况。

因此,虽然“后轴勾爪传感器”有原理简单,实现成本低的优势,但因为测量力矩不精准且有延迟,骑行体验差。它对车辆的生产工艺要求高,将传感器省掉的成本转移到了车架加工上。铝合金材质容易变形,使用寿命短,用户的后期维护成本高,所以目前稍微高端一些的电助力车均抛弃了这种传感器。早年间捷安特就曾经尝试使用“后轴勾爪传感器”生产廉价版本的电助力车,但因其体验差、故障多、寿命短而最终放弃。

再谈谈前沿的“力矩传感器”

随着技术发展,尤其是日本及欧美对于自行车这种形态的个人交通工具的推崇,“力矩传感器”最终被应用到了自行车上。正如开篇所说,“力矩传感器”相对“后轴勾爪传感器”来说,最大的区别就是在对“力”的理解上,而“双边力矩传感器”可以测量两只脚踏的力量,下文中主要讲的就是这种更有科技含量的传感器。

相对落后的“后轴勾爪传感器”来说,双边力矩传感器的优势极为明显,它主要被安装在曲柄和牙盘之间,也就是五通的外侧,有些则直接安装在中轴上。世界上没有绝对的刚体,因此中轴在受力时就会产生极为细微的扭力形变,通过测量中轴表面的细微形变信号即可得出当前踩踏的力矩的大小,它的精度非常高。因为是由扭力测量力矩,所以力矩传感器也被称为“扭矩传感器”。

优点一:因为是安装在五通的外侧或是直接安装在中轴上,所以力矩传感器测量踩踏力量的中间环节很少。而且脚踏,曲柄,中轴大都是刚性极大的钢金属构件,弹性滞后效应小,产生的力矩信号便能非常快速地随踩踏力的大小变化而变化。这样最直接的结果就是使用双边力矩传感器的电助力车的动力响应都很快,大多的反应时间都是毫秒级别,近乎零延迟,动力随踩随有。

优点二:如果力矩传感器采用安装在五通外侧的方式,就可以使用标准的模块化设计,基本所有自行车都能实现无缝安装,也无需为其研发专用的车架,更不需要每个车架都针对上述的“后轴勾爪传感器”那样做高精度的处理,从研发以及生产两个方面降低了成本。

优点三:还是因为安装在五通外侧或者是中轴上,所以路面的那些颠簸带来的冲击力被车架的韧性及弹性缓冲了其中的绝大部分,因此力矩传感器受到的冲击力就会很小,工作负荷也不大。外加它一般都是使用自行车的中轴工艺制造,优质钢金属材料在硬度强度及韧性上都极佳,拥有良好的耐磨损性,因此力矩传感器的寿命都比较长。

总结

从骑行体验角度来说,因为可以更为精准地测量用户给予脚踏的力量大小,而且不受路况的影响,力矩传感器可以做到真正理解用户的骑行意图,从而调动电池电机输出恰到好处的动力给予骑行者帮助,让骑行者感受到更为舒适的骑行体验;

从研发生产角度来说,力矩传感器普适性强,无需研发专用的车架,也无需对安装位进行高精度的处理。虽然单个传感器价格贵,但分摊到整车生产上,成本便相对降低了;

从日常使用角度来说,力矩传感器的寿命长,而且不易出现故障,日常也无需维护,大大降低了骑行者的使用门槛及购买障碍;

还有最后一点就是使用安全性。力矩传感器性能稳定,而后轴勾爪传感器在使用过程中容易变形造成精度下降以及故障,在骑行过程中会出现飞车及无助力等情况,造成骑行危险。

电助力车是种全新的品类,大众在准备购买前需要做好功课,因为任何新兴市场在成长期都难免会被鱼目混珠。读了这篇文章,你应该会对“力矩传感器”这个关键部位增加了些了解,可作为认识这种车型的参考。

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