Как работает датчик крутящего момента на электровелосипеде? Все, что вам нужно знать

Если вы когда-либо ездили на современном электрическом велосипеде с педальным управлением, скорее всего, вы испытали плавную и интуитивно понятную подачу мощности, которая стала возможной благодаря датчику крутящего момента. В отличие от базовых систем, основанных на частоте вращения педалей, которые просто определяют, когда вы крутите педали, датчик крутящего момента измеряет, насколько сильно вы нажимаете на педали. Затем двигатель реагирует пропорционально вашим усилиям, создавая ощущение от езды, которое очень похоже на езду на обычном велосипеде, только с дополнительным толчком позади вас.

Для инженеров, менеджеров по продукции и брендов электронных велосипедов, желающих понять технологию на более глубоком уровне, в этой статье объясняется, как именно работает датчик крутящего момента на электронном велосипеде, задействованные в нем инженерные принципы и как этот компонент интегрируется с системами ступичных двигателей, чтобы обеспечить качество езды, которое сразу замечают водители.

Что такое датчик крутящего момента на электровелосипеде?

Датчик крутящего момента на электровелосипеде — это прецизионное измерительное устройство, которое преобразует механическую силу, приложенную водителем к педалям, в электрический сигнал. Этот сигнал отправляется на контроллер двигателя, который использует его для модуляции мощности, подаваемой двигателем. Ключевое отличие состоит в том, что система реагирует на сила , а не просто движение. Слегка нажмите, и двигатель окажет мягкую помощь; нажмите с усилием, и двигатель отреагирует соответственно большей мощностью.

Датчик, по сути, измеряет деформацию скручивания или изгиба, возникающую в механическом компоненте — часто в оси каретки, шатуне или специальном шпинделе датчика — когда гонщик прикладывает крутящий момент. Это принципиально отличает эту технологию от датчика частоты вращения педалей, который только определяет, вращаются ли шатуны.

Как работает датчик крутящего момента: объяснение техники

Принцип работы датчика крутящего момента электровелосипеда можно разбить на три этапа: механическая деформация , электрическое преобразование и обработка сигналов .

1. Механическая деформация: тензорезисторы в ядре

Большинство датчиков крутящего момента, используемых на электрических велосипедах, основаны на тензодатчики . Тензорезистор — это крошечный резистор, похожий на фольгу, электрическое сопротивление которого меняет свое сопротивление при растяжении или сжатии. В датчике крутящего момента каретки датчики прикреплены к специально обработанной части оси или шпинделя. Когда водитель нажимает на педаль, сила создает скручивающее напряжение, которое слегка скручивает эту ось — обычно лишь на доли градуса. Этого микроскопического поворота достаточно, чтобы деформировать тензорезисторы, изменяя их сопротивление пропорционально приложенному крутящему моменту.

Тензорезисторы обычно подключаются по схеме полного моста Уитстона, которая компенсирует влияние изменений температуры и других факторов окружающей среды, одновременно обеспечивая максимальную чувствительность измерения. Такая конструкция гарантирует точность и стабильность сигнала в широком диапазоне рабочих условий.

2. Электрическое преобразование: от сопротивления к напряжению.

Изменение сопротивления тензодатчика незначительно, поэтому его необходимо преобразовать в читаемый электрический сигнал. Сборка датчика включает в себя небольшой аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и схему усилителя. Когда ось поворачивается, мост создает небольшую разницу напряжений. Усилитель усиливает этот сигнал до уровня, который может интерпретировать контроллер двигателя. В продвинутых системах сигнал измеряется сотни раз в секунду, предоставляя в реальном времени данные о том, какую именно силу генерирует гонщик.

3. Обработка сигналов: перевод усилий в силу

Обработанный сигнал крутящего момента отправляется на контроллер двигателя электровелосипеда. Контроллер сравнивает эти входные данные с другими параметрами, такими как частота вращения педалей (скорость вращения педалей) и текущая скорость велосипеда. Затем он рассчитывает соответствующую мощность двигателя. Большинство контроллеров используют карту, пропорциональную крутящему моменту: 10 % вашего усилия на педали может привести к определенной мощности двигателя, а 80 % — к гораздо более высокой мощности, в зависимости от уровня PAS (системы помощи при педалировании), выбранного водителем.

Весь этот процесс — от нажатия педали до двигательной реакции — происходит за миллисекунды. В результате поездка кажется отзывчивой, прямой и естественной, без заметной задержки между усилием и помощью.

Если вы оцениваете различные конфигурации двигателей электровелосипеда, полезно понять, как эта сенсорная технология сочетается с различными системами привода. Наш решения для электровелосипеда На странице представлены рекомендации по сопоставлению типов двигателей с сенсорной технологией в зависимости от впечатлений от езды, которые вы хотите доставить.

Типы конструкций датчиков крутящего момента

Датчики крутящего момента могут существенно различаться по своей физической конструкции и методу измерения. Это наиболее распространенные конструкции, встречающиеся на серийных электронных велосипедах.

Датчики крутящего момента нижнего кронштейна

Также известен как Датчики крутящего момента BB , они интегрированы в область каретки — корпус, в котором шатуны крепятся к раме. Сам шпиндель датчика заменяет стандартную ось. Это наиболее распространенное место, поскольку крутящий момент, прикладываемый водителем, проходит непосредственно через ось кривошипа. Датчики крутящего момента BB точны, надежны и относительно просты в калибровке.

Датчики крутящего момента заднего моста

Некоторые системы ступичных двигателей интегрируют компоненты измерения крутящего момента в область задней оси. Вместо измерения поворота кривошипа эти датчики измеряют реактивный момент в трансмиссии — величину силы, с которой цепь тянет ступицу. Эту конструкцию иногда используют на мотоциклах с задней втулкой, поскольку она упрощает моторный агрегат, сохраняя при этом пропорциональную помощь.

Интеграция датчика и контроллера, монтируемого на нижнем кронштейне

В некоторых системах двигателей датчик крутящего момента интегрирован с самим контроллером двигателя, иногда в одном герметичном блоке. Эта конфигурация распространена в преобразователях ступичного двигателя и агрегатах среднего привода, где контроллер расположен рядом с двигателем. Это уменьшает количество отдельных компонентов и сокращает путь сигнала между датчиком и контроллером.

Датчики крутящего момента и ступичные моторы: естественное соответствие

Датчики крутящего момента исключительно хорошо сочетаются с ступичными электродвигателями, на которых сосредоточен наш производственный опыт здесь, в HENTACH. А бесщеточный двигатель постоянного тока передает мощность непосредственно на колесо без промежуточных потерь в трансмиссии. Когда добавляется датчик крутящего момента, система может производить точно настроенную реакцию, которая ощущается почти как продолжение собственных ног гонщика.

Эта комбинация особенно эффективна на грузовых, пригородных и горных электронных велосипедах, где рельеф и нагрузка постоянно меняются. Водитель, перевозящий тяжелый груз на крутом склоне, получает выгоду от немедленного и пропорционального крутящего момента. Городской житель, передвигающийся по пробкам с остановками, ценит предсказуемое и естественное ускорение, которое обеспечивает мотор-редуктор, чувствительный к крутящему моменту.

Что замечают водители при использовании ступичных моторов с датчиком крутящего момента

С точки зрения гонщика разница между системой измерения крутящего момента и системой измерения частоты вращения педалей очевидна. Благодаря датчику крутящего момента мотоцикл ускоряется плавно и предсказуемо. Подъем на холмы требует от водителя больше усилий, и двигатель вознаграждает эти усилия дополнительной мощностью. Напротив, датчик частоты вращения педалей часто действует как переключатель включения/выключения: двигатель выдает полную мощность, как только шатуны поворачиваются, что может показаться резким и нерафинированным.

Для производителей выбор правильной комбинации датчика и двигателя является критически важным решением. Характеристики крутящего момента двигателя, настройка контроллера и чувствительность датчика — все это влияет на конечное качество езды. Вот почему многие производители электронных велосипедов предпочитают тесно сотрудничать с производителями двигателей во время разработки. В HENTACH мы активно работаем с клиентами над настройкой параметров двигателя и датчиков для конкретных потребностей применения, независимо от того, включает ли это грузовой велосипедный мотор или компактный городской мотор-редуктор.

Долговечность и надежность датчиков крутящего момента

Одной из распространенных проблем, связанных с датчиками крутящего момента, является долговечность. Поскольку они расположены в трансмиссии и подвергаются постоянной механической нагрузке, они должны быть спроектированы и изготовлены так, чтобы выдерживать значительные нагрузки. Сами тензорезисторы герметизированы внутри корпуса датчика и покрыты защитным составом, защищающим их от влаги, пыли и вибрации.

Контроль качества в процессе производства имеет важное значение. Калибровка, в частности, требует точности. Каждый датчик должен выдавать стабильный выходной сигнал при одинаковой входной силе, иначе реакция двигателя будет противоречивой. На нашем предприятии мы соблюдаем строгие процедуры тестирования и придерживаемся стандартов качества ISO 9001, чтобы гарантировать надежную работу каждого двигателя и системы датчиков на протяжении тысяч миль. Приверженность долговечности является одной из причин, по которой производители, обслуживающие требовательные рынки, доверяют ступичным двигателям HENTACH.

Выбор правильной системы двигателя с измерением крутящего момента

При планировании новой модели электронного велосипеда выбор двигателя и датчика должен зависеть от вашего целевого варианта использования. Вот простое руководство, которое поможет сузить выбор.

• Городские поездки и легкий отдых: Задний мотор-редуктор мощностью от 250 до 500 Вт с датчиком крутящего момента обеспечивает сбалансированное сочетание эффективности, быстроты реакции и простоты. Это наиболее распространенная спецификация городских электронных велосипедов.
• Грузовое и тяжелое использование: Мотор-ступицы с более высоким крутящим моментом в диапазоне от 500 Вт до 1000 Вт в сочетании с надежным датчиком крутящего момента обеспечивают сильное ускорение и плавное управление под нагрузкой.
• Езда по бездорожью и горам: Двигатели горных электронных велосипедов выигрывают от датчиков, которые могут измерять высокие пиковые значения крутящего момента. Датчик с широким диапазоном измерений позволяет мотору точно оказывать помощь при езде по корням, камням и крутым склонам.
• Компактные и складные электронные велосипеды: Мини-мотор-концентраторы со встроенными датчиками крутящего момента — отличный выбор для велосипедов с небольшими колесами, где пространство ограничено.

Если вы находитесь на ранней стадии разработки и вам нужна помощь в выборе технических характеристик двигателя, наша команда регулярно работает с OEM-производителями, чтобы определить индивидуальные решения для двигателей. Вы можете изучить нашу стандартную линейку ступичных моторов, чтобы найти отправную точку для своего проекта.

Датчики крутящего момента и интеллектуальное управление двигателем

По мере развития технологий электронного велосипеда датчик крутящего момента становится ключевым компонентом более широких стратегий интеллектуального управления двигателем. Современные контроллеры не просто умножают сигнал крутящего момента на фиксированный коэффициент. Они объединяют входной крутящий момент с данными частоты вращения педалей, скоростью автомобиля, уровнем заряда аккумулятора, а иногда даже данными наклона от встроенного сенсорного модуля, чтобы создать сложную кривую помощи.

Это обеспечивает такие функции, как плавный пусковой момент, ограничение скорости и повышенная энергоэффективность. Например, когда гонщик трогается с места, датчик крутящего момента обнаруживает начальный толчок, и контроллер плавно увеличивает мощность двигателя, предотвращая резкий крен, часто связанный с системами, работающими только с частотой вращения педалей. Аналогичным образом, на более высоких скоростях контроллер может постепенно уменьшать помощь по мере того, как водитель замедляет движение, создавая плавный переход между вращением педалей и движением накатом.

Работа с производителем двигателей, который разбирается в датчиках

Датчик крутящего момента эффективен настолько, насколько хорош двигатель и контроллер, с которыми он соединен. При выборе ступичных моторов для вашей линейки электронных велосипедов крайне важно работать с производителем, который понимает проблему полной интеграции. В HENTACH мы производим ступичные двигатели и тесно сотрудничаем с нашими клиентами, чтобы гарантировать, что настройка контроллера, протоколы связи и калибровка датчиков оптимизированы для каждого конкретного применения.

Наш опыт производства двигателей для грузовых велосипедов, городских велосипедов, электронных велосипедов с толстыми шинами и горных электронных велосипедов научил нас тому, что «правильное» поведение датчика крутящего момента зависит от варианта использования. Оператору автопарка требуется постоянный, предсказуемый крутящий момент, позволяющий справляться с большими нагрузками и частыми остановками. Гонщик-любитель хочет чувствовать себя естественно, как на велосипеде. Горному байкеру нужен максимальный контроль и оперативность на сложной местности.

Согласовав выбор двигателя, датчика и контроллера на ранних стадиях процесса проектирования, вы сможете избежать проблем с интеграцией и обеспечить тот опыт езды, которого ожидают ваши клиенты. Мы призываем OEM-производителей и бренды электронных велосипедов сотрудничать с нами на этапе спецификации. Такой совместный подход помогает нам адаптировать наши разработка индивидуального двигателя услуги для достижения ваших точных целей производительности.

Если вы оцениваете ступичные моторы с датчиком крутящего момента для своего следующего проекта электронного велосипеда, мы будем рады поделиться нашим инженерным взглядом и обсудить, как можно настроить наши моторные системы в соответствии с вашими потребностями. Если у вас есть четкая цель в отношении производительности, запаса хода и качества езды, хорошо интегрированный датчик крутящего момента и комплект мотор-редукторов могут стать решающим фактором между хорошим электровелосипедом и действительно отличным.