一种非接触复合式扭矩和角度位置传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种非接触复合式扭矩和角度位置传感器,包括同轴旋转的主动齿轮组件;与主动齿轮组件啮合的从动齿轮组件,从动齿轮组件由主动齿轮组件驱动旋转;设置在主动齿轮组件之间的测量电路;以及设置在从动齿轮组件上的被测元件,被测元件经由从动齿轮组件带动旋转,测量电路测量被测元件的旋转角度,根据旋转角度计算扭矩与角度位置。本发明同时计算扭矩和角度位置,测量范围大、精度高,结构紧凑、装配简单。
【专利说明】一种非接触复合式扭矩和角度位置传感器
【技术领域】
[0001]本发明属于汽车电动助力转向系统(EPS)技术,尤其一种利用磁敏角度芯片测量角度差同时测量方向盘操纵扭矩大小和方向盘角度位置的非接触复合式扭矩和角度位置传感器。
【背景技术】
[0002]公知地,汽车电动助力转向系统EPS —般由转向助力电机控制器ECU、扭矩传感器、带离合器的直流电机、减速装置涡轮蜗杆、机械转向装置(包括方向盘输入输出轴、转向扭杆、转向管柱、转向传动轴、齿轮、齿条等)五部分组成。控制器ECU通过扭矩传感器检测到的扭杆形变信号决策助力大小,发出电流指令控制助力转向电机的动作。首先,驾驶员转动方向盘,给方向盘施加了一定的操纵力矩,转向扭杆发生形变,扭矩传感器检测该形变量。同时,车速传感器(位于ABS系统)测出车辆当前行驶速度,电机也把电流信号和电机转角(位置)输入到ECU。然后,ECU根据内部控制策略计算出实施转向助力时所需的理想目标助力力矩,转化为电流指令发给电机;最后,电机产生的助力力矩经减速机构放大作用在机械转向装置上,与驾驶员的操纵力矩一起克服转向阻力矩,实现车辆轻便转向。严格来讲,绝大部分高档EPS系统和部分中档EPS系统除了上述助力控制功能外,同时还要具有减小方向盘抖动的阻尼控制功能和将方向盘带到零位的主动回正控制功能,E⑶实现这两个功能需要采集准确的方向盘角度位置信息。
[0003]EPS系统同时实现三个控制功能就必须设置方向盘角度位置传感器。驾驶员施加操纵力矩时,方向盘即转动一定(一圈或多圈)角度,方向盘角度位置传感器检测这个角度位置转换为电信号输给控制器ECU,根据该信号代表的方向盘角度位置以及控制器计算的零位偏差,ECU控制助力电机产生相应的阻尼,通过助力电机将方向盘带回零位。现有的扭矩传感器要同时检测操纵力矩和方向盘角度位置,是接触(电位计)复合式扭矩和角度位置传感器,安装于转向管柱。扭矩和角度位置信息由多个组合电刷分别在两个PCB板上的厚膜电阻图案上滑动得到,电刷滑动小范围角度即可输出线性的扭矩电压信号,直接输给ECU采样使用;电刷滑过多圈厚膜电阻以及计圈数电阻即可输出每圈电压信号和计圈数电压信号,然后由ECU采样计算方向盘角度位置。这种接触电位计式传感器的缺点是易损坏、寿命短,不但产生很高的售后更换成本,而且严重影响EPS系统性能。
[0004]现有另一类常用扭矩传感器仅仅能检测操纵力矩,是非接触(电磁耦合)扭矩传感器,包括基于电磁感应线圈原理和磁敏效应原理。传感器的漏磁环镶套在铁磁性齿条或永磁铁外面,两者相对运动,暴露的铁磁条或永磁铁面积发生变化引起线圈的电感或磁敏传感器探测到的磁通量变化,直接输出成比例的电压信号。但是,在有限的转向管柱空间,这类扭矩传感器的结构设计已经很复杂,要增加角度位置测量功能成为非接触(电磁耦合)复合式扭矩和角度位置传感器,势必再增加结构复杂性,而且管柱空间完全不允许,这是一个比较难解决的技术问题。
【发明内容】
[0005]本发明克服了现有技术中接触电位计式传感器损耗快维护成本高,扭矩传感器结构复杂,且扭矩及角度位置测量单一性等缺陷,提出了一种能够同时测量方向盘操纵扭矩及方向盘角度位置的非接触复合式扭矩和角度位置传感器
[0006]一种非接触复合式扭矩和角度位置传感器,包括:同轴旋转的主动齿轮组件;与所述主动齿轮组件啮合的从动齿轮组件,所述从动齿轮组件由所述主动齿轮组件驱动旋转;设置在所述主动齿轮组件之间的测量电路;以及设置在所述从动齿轮组件上的被测元件,所述被测元件经由所述从动齿轮组件带动旋转,所述测量电路测量所述被测元件的旋转角度,根据所述旋转角度计算扭矩与角度位置。
[0007]本发明提出的非接触复合式扭矩和角度位置传感器,所述主动齿轮组件包括第一主动齿轮与第二主动齿轮;所述第一主动齿轮与所述第二主动齿轮同轴设置。
[0008]本发明提出的非接触复合式扭矩和角度位置传感器,所述第一主动齿轮包括第一主体,所述第一主体的外缘设置有第一齿轮部,所述第一主体的轴心设有第一中空部,绕所述第一中空部设置向上凸起的第一中空柱体部;所述第一中空柱体部的内表面设置有向外延伸的第一转子;所述中空柱体部的顶部设有一对弧形槽;所述第二主动齿轮包括第二主体,所述第二主体的外缘设置有第二齿轮部,所述第二主体的的轴心设有第二中空部,绕所述第二中空部设置向上凸起的第二中空柱体部,所述第二中空柱体部的内表面设置有向外延伸的第二转子,所述第二主体上设有凸台,所述凸台与所述第一中空柱体部的顶部接触。
[0009]本发明提出的非接触复合式扭矩和角度位置传感器,所述第一主体与所述第二主体的相同,所述第一齿轮部与所述第二齿轮部的齿数相同。
[0010]本发明提出的非接触复合式扭矩和角度位置传感器,所述从动齿轮组件包括至少2个从动齿轮;所述从动齿轮包括从动齿轮部及与所述从动齿轮部固定的联动部;所述从动齿轮部与所述主动齿轮组件啮合,并随所述主动齿轮组件旋转;所述联动部中设有所述被测元件。
[0011]本发明提出的非接触复合式扭矩和角度位置传感器,所述从动齿轮组件包括3个从动齿轮:第一从动齿轮、第二从动齿轮与第三从动齿轮;所述第一从动齿轮与所述第二从动齿轮的齿轮数不同。
[0012]本发明提出的非接触复合式扭矩和角度位置传感器,所述测量电路包括电路主体、至少一个感测元件;所述感测元件设置在所述电路主体上;所述感测元件测量所述被测元件的旋转角度,通过所述电路主体计算所述扭矩与所述角度位置。
[0013]本发明提出的非接触复合式扭矩和角度位置传感器,所述感测元件正对于所述被测元件设置。
[0014]本发明提出的非接触复合式扭矩和角度位置传感器,进一步包括与所述测量电路连接的电极电路。
[0015]本发明提出的非接触复合式扭矩和角度位置传感器,进一步包括设置在所述主动齿轮组件与所述从动齿轮组件外的壳体。
[0016]本发明的非接触复合式扭矩和角度位置传感器应用于汽车电动转向器中,巧妙设计了齿轮传动组,应用三颗磁敏角度芯片两两求差的方法能同时计算扭矩和角度位置,测量范围大、精度高,结构紧凑、装配简单。【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明非接触复合式扭矩和角度位置传感器的内部结构图。
[0018]图2是非接触复合式扭矩和角度位置传感器的示意图。
[0019]图3是测量电路的示意图。
[0020]图4是底座的示意图。
[0021]图5是顶盖的示意图。
[0022]图6是第一主动齿轮及其从动齿轮的示意图。
[0023]图7是第二主动齿轮及其从动齿轮的不意图。
[0024]图8是第一个从动齿轮的示意图。
[0025]图9是第二个从动齿轮的示意图。
[0026]图10是第二个从动齿轮的不意图。
【具体实施方式】
[0027]结合以下具体实施例和附图,对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等,除以下专门提及的内容之外,均为本领域的普遍知识和公知常识,本发明没有特别限制内容。
[0028]图1至图10显示的是应用于汽车电动助力转向系统EPS中的非接触复合式扭矩和角度位置传感器,其外层为壳体。参阅图4与图5,壳体包括相互配合的底座I与顶盖8,底座I与顶盖8构成中空的圆柱形壳体,底座I与顶盖8的中心是中空的,从而将本发明设置在EPS中。底座I与顶盖8之间设置有主动齿轮组件,与主动齿轮组件啮合的从动齿轮组件。主动齿轮组件与方向盘的转向输入轴和转向输出轴连接并同步转动,从而驱动从动齿轮组件作无偏心旋转。主动齿轮组件中设置有测量电路5,从动齿轮组件上设置有被测元件。当转动方向盘引起从动齿轮组件旋转时,测量电路5通过测量被测元件的旋转角度,从而测量方向盘的扭矩及其角度位置。
[0029]具体如图1所示,主动齿轮组件包括第一主动齿轮2与第二主动齿轮6。第一主动齿轮与第二主动齿轮可同轴旋转。
[0030]第一主动齿轮2设置在底座I中。参阅图6,第一主动齿轮2包括盘形的第一主体,第一主体的外缘设置有第一齿轮部,第一齿轮部的齿数为135个。第一主体的轴心设有第一中空部,绕第一中空部设置向上凸起的第一中空柱体部22。
[0031]优选地,底座I上设置有向上突起的定位件19,第一中空柱体部22嵌套在定位件19上,第一中空柱体部22的内表面设置有向底座I延伸的第一转子23 ;中空柱体部22的顶部设有一对弧形槽11a,lib。如图2所示,第一转子23包括至少6个轴向定位卡爪,第一转子23的轴向定位卡爪扣入方向盘的转向输入轴中与其连接,从而使第一主动齿轮2与转向输入轴同步旋转。
[0032]第二主动齿轮6设置在顶盖中;参阅图7,第二主动齿轮6包括盘形的第二主体,其模数与第一主体相同。第二主体的外缘设置有第二齿轮部,第二齿轮部的齿数为135个。第二主体的的轴心设有第二中空部,绕第二中空部设置向上凸起的第二中空柱体部21。
[0033]优选地,顶盖8上设置有向上突起的定位孔20,第二中空柱体部21的内表面设置有向顶盖8的定位孔20中延伸的第二转子24。如图2所示,第二转子24包括至少6个轴向定位卡爪,第二转子24的轴向定位卡爪扣入方向盘的转向输出轴中与其连接,从而使第二主动齿轮6与转向输出轴同步旋转。在第二主体上与第一主动齿轮2接触的一侧设有两个凸台10a, IOb,凸台IOa与凸台IOb与第一中空柱体部的顶部接触。当凸台IOa与凸台IOb落入弧形槽11a,Ilb时,第一主动齿轮2与第二主动齿轮6同步转动。
[0034]从动齿轮组件包括至少2个从动齿轮,2个从动齿轮在转动时产生绝对角度差或者相对角度差。本实施例中,从动齿轮组件包括3个从动齿轮:第一从动齿轮3、第二从动齿轮4与第三从动齿轮7。参阅图8,第一从动齿轮3包括从动齿轮部3b,及与从动齿轮部3b连接的联动部3c。从动齿轮部3b的轴心为中空的,该中空的轴心与设置在底座I上的定位柱3d匹配,从而第一从动齿轮3固定在底座I上并可绕定位柱3d转动。从动齿轮部3b的齿数为16个。联动部3c中设置有被测元件3a。
[0035]类似地,参阅图9,第二从动齿轮4包括从动齿轮部4b,及与从动齿轮部4b连接的联动部4c。从动齿轮部4b的轴心为中空的,该中空的轴心与设置在底座I上的定位柱4d匹配,从而第二从动齿轮4固定在底座I上并可绕定位柱4d转动。从动齿轮部4b的齿数为17个。由于从动齿轮部4b的齿数与从动齿轮部3b的齿数不同,从而在旋转时形成绝对角度差。联动部4c中设置有被测元件4a。
[0036]参阅图10,第三从动齿轮7包括从动齿轮部7b,及与从动齿轮部7b连接的联动部7c。从动齿轮部7b的轴心为中空的,该中空的轴心与设置在顶盖8上的定位柱7d匹配,从而第三从动齿轮7固定在底座I上并可绕定位柱7d转动。从动齿轮部7b的齿数为16个。联动部7c中设置有被测元件7a。从动齿轮部7b的齿数与从动齿轮部3b的齿数相同,但实际使用中,第二主动齿轮6会滞后于第一主动齿轮2旋转,因此第一从动齿轮3与第三从动齿轮7之间会产生相对角度差。
[0037]因此,从动齿轮组件在转动时同时产生绝对角度差与相对角度差,使得本发明能够根据绝对角度差与相对角度差同时测量方向盘的角度位置与扭矩。
[0038]测量电路5为圆环形状,其直径略小于底座I与顶盖8的圆形直径。参阅图3,测量电路5的中心是中空的,测量电路5能够套设在第一主动齿轮2的第一中空柱体部22上。测量电路5包括电路主体与3个感测元件12a,12b,12c。电路主体中装载有具有数据处理功能的单片机,感测元件12a,12b,12c均为磁敏角度芯片,感测元件12a,12b,12c分别正对于被测元件3a,4a,7a设置,能够实时测量被测元件的转动角度,并由电路主体计算扭矩与角度位直。
[0039]进一步地,底座I设置有三个设有螺纹的柱体14a,14b,14c,顶盖8上相应的设置有三个设有螺纹的柱体15a,15b,15c,测量电路5上相应地设置有三个通孔17a,17b,17c。柱体14a,14b,14c的顶部设有阶梯形结构,通孔17a,17b,17c与该阶梯形结构匹配。测量电路5固定在该阶梯形结构中,柱体14a, 14b, 14c与柱体15a, 15b, 15c通过三个螺栓13a,13b, 13c 固定。
[0040]测量电路5还与电极电路18连接,电极电路18包括7个电极,电极包括了电源、接地和信号输出引线,电极电路18从底座I与顶盖8之间引出,从而连接EPS与测量电路5。
[0041]优选地,电极电路18的外围套设有卡扣结构9,从而保护电极电路18。卡扣结构9包括卡扣9a与卡槽9b,卡扣9a与卡槽9b分别设置在底座I与顶盖8的外侧。卡扣9a与卡槽9b还可以与底座I与顶盖8成一体设置。
[0042]当方向盘转动时,连接转向输入轴和转向输出轴的中间扭杆发生形变,与转向输出轴连接的第一主动齿轮2按顺时针转动,第一主动齿轮2带动与其啮合的第一从动齿轮3与第二从动齿轮4旋转,但第一从动齿轮3与第二从动齿轮4的齿数不同引起转动圆周角速度不一样产生绝对角度差。与转向输入轴连接的第二主动齿轮6按顺时针滞后第一主动齿轮2转动,第二主动齿轮6带动与其啮合的第三从动齿轮7旋转。第三从动齿轮7的齿数与第一从动齿轮3相同,由于第二主动齿轮6按顺时针滞后于第一主动齿轮2旋转,第三从动齿轮7与第一从动齿轮3产生相对角度差。测量电路5通过感测元件12a,12b,12c测量得到相对角度差与绝对角度差,计算与相对角度差成比例的扭矩和与绝对角度差成比例的角度位置,并将扭矩转化为扭矩电压信号,将角度位置转化为角度位置电压信号,最后通过电极电路18输出。
[0043]方向盘回正时,第一从动齿轮3、第二从动齿轮4和第三从动齿轮7的初始位置分别为α 3(|、α 4(|、α 7(|,方向盘转到角度位置Θ,从动轮的位置变为α 3、α 4。方向盘角度位置Θ与从动齿轮3、从动齿轮4的绝对角度差φ的关系如下式:
[0044]
【权利要求】
1.一种非接触复合式扭矩和角度位置传感器,其特征在于,包括: 同轴旋转的主动齿轮组件; 与所述主动齿轮组件啮合的从动齿轮组件,所述从动齿轮组件由所述主动齿轮组件驱动旋转; 设置在所述主动齿轮组件之间的测量电路;以及 设置在所述从动齿轮组件上的被测元件, 所述被测元件经由所述从动齿轮组件带动旋转,所述测量电路测量所述被测元件的旋转角度,根据所述旋转角度计算扭矩与角度位置。
2.如权利要求1所述的非接触复合式扭矩和角度位置传感器,其特征在于:所述主动齿轮组件包括第一主动齿轮与第二主动齿轮;所述第一主动齿轮与所述第二主动齿轮同轴设置。
3.如权利要求2所述的非接触复合式扭矩和角度位置传感器,其特征在于: 所述第一主动齿轮包括第一主体,所述第一主体的外缘设置有第一齿轮部,所述第一主体的轴心设有第一中空部,绕所述第一中空部设置向上凸起的第一中空柱体部;所述第一中空柱体部的内表面设置有向外延伸的第一转子;所述中空柱体部的顶部设有一对弧形槽; 所述第二主动齿轮包括第二主体,所述第二主体的外缘设置有第二齿轮部,所述第二主体的轴心设有第二中空部,绕所述第二中空部设置向上凸起的第二中空柱体部,所述第二中空柱体部的内表面设置有向外延伸的第二转子,所述第二主体上设有凸台,所述凸台与所述第一中空柱体部的顶部接触。
4.如权利要求3所述的非接触复合式扭矩和角度位置传感器,其特征在于:所述第一主体与所述第二主体的相同,所述第一齿轮部与所述第二齿轮部的齿数相同。
5.如权利要求1所述的非接触复合式扭矩和角度位置传感器,其特征在于:所述从动齿轮组件包括至少2个从动齿轮;所述从动齿轮包括从动齿轮部及与所述从动齿轮部固定的联动部;所述从动齿轮部与所述主动齿轮组件啮合,并随所述主动齿轮组件旋转;所述联动部中设有所述被测元件。
6.如权利要求5所述的非接触复合式扭矩和角度位置传感器,其特征在于:所述从动齿轮组件包括3个从动齿轮:第一从动齿轮、第二从动齿轮与第三从动齿轮;所述第一从动齿轮与所述第二从动齿轮的齿轮数不同。
7.如权利要求1所述的非接触复合式扭矩和角度位置传感器,其特征在于:所述测量电路包括电路主体、至少一个感测元件; 所述感测元件设置在所述电路主体上;所述感测元件测量所述被测元件的旋转角度,通过所述电路主体计算所述扭矩与所述角度位置。
8.如权利要求7所述的非接触复合式扭矩和角度位置传感器,其特征在于:所述感测元件正对于所述被测元件设置。
9.如权利要求1所述的非接触复合式扭矩和角度位置传感器,其特征在于:进一步包括与所述测量电路连接的电极电路。
10.如权利要求1所述的非接触复合式扭矩和角度位置传感器,其特征在于:进一步包括设置在所述主动齿轮组件与所述从动齿轮组件外的壳体。
【文档编号】G01D5/12GK103528601SQ201310461236
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月30日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】潘海林, 赵振杰, 王江涛, 逄金鑫, 唐光德 申请人:华东师范大学