專利名稱：汽車轉(zhuǎn)向扭矩測量裝置及汽車轉(zhuǎn)向扭矩的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車轉(zhuǎn)向扭矩的測量裝置及其測量方法，尤其是一種非接觸式扭矩測 量裝置及測量方法。
背景技術(shù)：
轉(zhuǎn)向盤扭矩傳感器是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn) 向盤扭矩傳感器輸出信號的大小和車速信號的大小來控制助力電機(jī)的電流以輸出助力，因 此轉(zhuǎn)向盤扭矩傳感器品質(zhì)的好壞直接影響電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能。非接觸式轉(zhuǎn)向盤扭矩 傳感器由于具有體積小，精度高、壽命長等優(yōu)點，已成為電動助力轉(zhuǎn)向的首選。非接觸式扭 矩傳感器又可分為電容式、電磁式、電感式、光電式等等。中國專利02116308. 1公開了一種光電式轉(zhuǎn)向盤扭矩傳感器，該種轉(zhuǎn)向盤扭矩傳 感器結(jié)構(gòu)簡單，但是其導(dǎo)線引出不方便。中國專利L200610031787.3公開了一種電磁式轉(zhuǎn) 向盤扭矩傳感器，該種轉(zhuǎn)向盤扭矩傳感器結(jié)構(gòu)也較簡單，靈敏度高，但是需要專門的信號發(fā) 生與處理電路，信號容易受干擾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種精度高、調(diào)整方便、性能可靠、成本低的汽車轉(zhuǎn)向扭矩 傳感裝置，用于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向盤扭矩的測量。本發(fā)明解決現(xiàn)有問題的技術(shù)方案是一種汽車轉(zhuǎn)向扭矩測量裝置，包括輸入軸、輸 出軸、PCB電路板，作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述的輸入軸、輸出軸之間設(shè)有隨輸入軸與輸出軸相 對轉(zhuǎn)動而聯(lián)動產(chǎn)生軸向位移的滑套，滑套上設(shè)有環(huán)狀交錯分布的N、S磁極；所述的滑套套 接有兩個與滑套磁極對稱的導(dǎo)磁環(huán)，所述的兩個導(dǎo)磁環(huán)之間設(shè)有檢測環(huán)磁通量、連接于PCB 電路板上的霍爾元件。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的滑套通過螺旋導(dǎo)軌連接于輸入軸、輸出軸之間， 隨輸入軸與輸出軸相對轉(zhuǎn)動而聯(lián)動產(chǎn)生軸向位移；所述的導(dǎo)磁環(huán)通過導(dǎo)磁環(huán)套機(jī)體固定連 接。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的導(dǎo)軌還包括設(shè)置于輸入軸或輸出軸上的導(dǎo)向 軌；所述的導(dǎo)磁環(huán)一側(cè)均布有梯形凸緣；所述的導(dǎo)磁環(huán)套其材質(zhì)為樹脂。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的霍爾元件為可編程霍爾元件。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的滑套上設(shè)有三個交錯的磁極，其磁極分布為N、 S、N 或 S、N、S0本發(fā)明還公開了一種汽車轉(zhuǎn)向扭矩的測量方法，利用霍爾元件檢測由扭矩引起磁通量變化，輸出與磁通變化量成比例的電信號變 化量，輸出與扭桿變形量成比例，而扭桿變形量與作用在輸入軸、輸出軸上的扭矩成比例， 測量出作用在輸入軸、輸出軸上的扭矩。作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn)，具體為輸入軸、輸出軸之間設(shè)有隨輸入軸與輸出軸相對轉(zhuǎn)動而聯(lián)動產(chǎn)生軸向位移的滑套，滑套上設(shè)有環(huán)狀交錯分布的N、S磁極；所述的滑 套套接有兩個與滑套磁極對稱的導(dǎo)磁環(huán)，所述的兩個導(dǎo)磁環(huán)之間環(huán)設(shè)有檢測磁通量連接與 PCB電路板上的霍爾元件，其測量具體如下a、滑套沒有軸向移動時，兩個導(dǎo)磁環(huán)之間的磁通量為(K;b、輸入軸與輸出軸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，固定連接于輸入軸與輸出軸之間的扭桿也隨之 產(chǎn)生變形，滑套的軸向位移與扭桿變形量成比例，即當(dāng)滑套產(chǎn)生軸向移動時，兩個導(dǎo)磁環(huán)對 應(yīng)的N、S極面積發(fā)生改變，且極性變化方向相反，兩個導(dǎo)磁環(huán)之間的磁通量為Φ ‘ ^ ；滑套 產(chǎn)生軸向移動后的兩個導(dǎo)磁環(huán)之間的磁通變化量Δ φ = (φ ‘ 0-φ0)與滑套的軸向移動 位移成比例；C、霍爾元件輸出與磁通變化量成比例的電信號變化量，霍爾元件輸出電信號給電 動助力轉(zhuǎn)向控制器。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的霍爾元件為可編程霍爾元件；所述的導(dǎo)磁環(huán)通 過導(dǎo)磁環(huán)套機(jī)體固定連接。作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的導(dǎo)軌還包括設(shè)置于輸入軸或輸出軸上的導(dǎo) 向軌；所述的導(dǎo)磁環(huán)一側(cè)均布有梯形凸緣；所述的導(dǎo)磁環(huán)套其材質(zhì)為樹脂。作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的滑套上設(shè)有三個交錯的磁極，其磁極分布 為 N、S、N 或 S、N、S。本發(fā)明是一種非接觸式轉(zhuǎn)向盤扭矩傳感器和測量方法，采用可編程霍爾元件檢測 隨作用扭矩變化的磁通量，磁通量的變化量與扭矩變化量成比例。與現(xiàn)有技術(shù)相比較其有 益效果是可以應(yīng)用于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，檢測轉(zhuǎn)向盤扭矩，不僅結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，而且 成本較低、精度較高，具有很好的應(yīng)用前景。


本發(fā)明的上述結(jié)構(gòu)可以通過附圖和實施例作進(jìn)一步說明。圖1是本發(fā)明采用鋼球連接的滑套上布置三個磁極的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1結(jié)構(gòu)中滑套與導(dǎo)磁環(huán)的結(jié)構(gòu)圖。圖3-5是圖1結(jié)構(gòu)中滑套與導(dǎo)磁套的位置關(guān)系圖。圖6是本發(fā)明的扭矩傳感器輸出信號大小與扭桿變形的關(guān)系圖。圖7是本發(fā)明采用鋼球連接的滑套上布置兩個磁極的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是圖7結(jié)構(gòu)中導(dǎo)磁環(huán)的立體圖。圖9是圖7結(jié)構(gòu)中滑套與導(dǎo)磁環(huán)的結(jié)構(gòu)圖。圖10-圖12是圖7結(jié)構(gòu)中滑套與導(dǎo)磁套的位置關(guān)系圖。圖13是本發(fā)明采用雙銷連接的滑套上布置三個磁極的結(jié)構(gòu)示意圖。圖14是本發(fā)明采用雙銷連接的滑套上布置兩個磁極的結(jié)構(gòu)示意圖。上述圖中，1為輸入軸；2為輸出軸；3為扭桿；4為扭桿固定銷；5為滑套機(jī)體；5A 為S磁極；5B為N磁極；5C為S磁極；6為蝸輪；7為彈簧；8為鋼球；8A為輸入軸銷；8B為 輸出軸銷-M為左側(cè)導(dǎo)磁環(huán)；9B為右側(cè)導(dǎo)磁環(huán)；9為導(dǎo)磁環(huán)機(jī)體；11為霍爾元件；12為PCB 電路板。
具體實施例方式下面結(jié)合實施案例進(jìn)一步闡述本發(fā)明的裝置及測量方法參見圖1，包括輸入軸1、輸出軸2、固定連接與輸入軸1與輸出軸2之間的扭桿3、 PCB電路板12，輸入軸1、輸出軸2之間設(shè)隨輸入軸1與輸出軸2相對轉(zhuǎn)動而聯(lián)動產(chǎn)生軸向 位移的滑套5，滑套5上設(shè)有環(huán)狀交錯分布的N、S磁極；滑套5套接有兩個與滑套5磁極對 稱的導(dǎo)磁環(huán)，兩個導(dǎo)磁環(huán)之間設(shè)有檢測磁通量、連接于PCB電路板12上的霍爾元件11，霍爾 元件11為可編程霍爾元件?；?通過螺旋導(dǎo)軌連接于輸入軸1、輸出軸2之間，隨輸入軸1與輸出軸2相對 轉(zhuǎn)動而聯(lián)動產(chǎn)生軸向位移。導(dǎo)軌還包括設(shè)置于輸入軸1或輸出軸2上的導(dǎo)向軌。實施案例1，參見圖1-6，輸入軸1與扭桿3的一端通過過盈配合的方式固定連接；輸出軸2與 扭桿3的另一端通過銷固定連接；蝸輪6與輸出軸2過盈配合；滑套5的上兩個環(huán)狀槽，滑 套5至少一個環(huán)狀槽通過滾珠8與輸入軸1的導(dǎo)向槽配合，滑套5另一側(cè)至少一個環(huán)狀槽 通過滾珠8與輸入軸2的螺旋槽相配合。本實施案例中，滑套5的每個環(huán)狀球槽中均勻嵌 有4個鋼球；當(dāng)輸入軸1與輸出軸2之間作用扭矩時，扭桿3會發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，輸入軸1與 輸出軸2之間產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動；滑套5的靠近輸入軸1 一側(cè)環(huán)狀槽中的滾珠8受輸出軸2上 的螺旋槽和輸入軸1上的軸向?qū)虿圩饔孟?，產(chǎn)生軸向移動，滑套5也產(chǎn)生軸向移動?；?上壓配有環(huán)狀磁極5A、磁極5B、磁極5C，其中磁極組合為S、N、S或者N、S、 N。磁極5A、磁極5B、磁極5C的結(jié)合處對應(yīng)布置導(dǎo)磁環(huán)套9，導(dǎo)磁環(huán)套9包括導(dǎo)磁環(huán)9A和導(dǎo) 磁環(huán)9B，磁極5A與磁極5B的結(jié)合處對應(yīng)布置導(dǎo)磁環(huán)9A，磁極5B與磁極5C的結(jié)合處對應(yīng) 布置導(dǎo)磁環(huán)9B ；導(dǎo)磁環(huán)9A和導(dǎo)磁環(huán)9B通過導(dǎo)磁環(huán)套9機(jī)體固定連接在一起，兩個可編程 霍爾元件11設(shè)置于導(dǎo)磁環(huán)9A、9B之間，霍爾元件11焊接在PCB電路板12上，PCB電路板 12安裝在導(dǎo)磁環(huán)套9內(nèi)(圖2所示)。輸入軸1與輸出軸2之間沒有作用扭矩，如圖3所示，導(dǎo)磁環(huán)9A內(nèi)孔面一半對著磁 極5A另一半對著磁極5B，導(dǎo)磁環(huán)9B內(nèi)孔面一半對著磁極5B另一半對著磁極5C，此時導(dǎo)磁 環(huán)9A與導(dǎo)磁環(huán)9B之間的磁通量基本等于零；當(dāng)輸入軸1與輸出軸2之間作用扭矩后滑套 5帶動磁極5A、磁極5B、磁極5C —同軸向移動，若向左移動，如圖4所示，則導(dǎo)磁環(huán)9A內(nèi)孔 面對著磁極5A的面積增加，對著磁極5B的面積減小，導(dǎo)磁環(huán)9A的極性將與磁極5A相同， 導(dǎo)磁環(huán)9B內(nèi)孔面對著磁極5B的面積增加，對著磁極5C的面積減小，導(dǎo)磁環(huán)9B的極性將與 磁極5B相同，導(dǎo)磁環(huán)9A與導(dǎo)磁環(huán)9B之間出現(xiàn)磁通量，極性與磁極5A、5B之間的極性相同， 若向右移動，則情況正好相反，如圖5所示，導(dǎo)磁環(huán)9A與導(dǎo)磁環(huán)9B之間出現(xiàn)磁通量，極性與 磁極5B、5C之間的極性相同。兩個霍爾元件11分別用于檢測導(dǎo)磁環(huán)9A與導(dǎo)磁環(huán)9B之間的磁通量大小和方向， PCB電路板將霍爾元件11的信號調(diào)理后經(jīng)線束護(hù)套端子送給電動助力轉(zhuǎn)向控制器。圖6所示曲線為兩個霍爾元件11輸出信號與扭桿變形的關(guān)系，橫坐標(biāo)為扭桿變 形，縱坐標(biāo)為兩個霍爾元件11輸出信號大小，兩個霍爾元件11分別獨立輸出信號，是一種 扭矩傳感器冗余設(shè)計，用于電動助力轉(zhuǎn)向控制器對扭矩傳感器信號進(jìn)行故障診斷。實施案例2:參見圖6-12，本實施例中滑套5的軸向移動的傳動機(jī)構(gòu)與實施案例1相同，如圖5所示，滑套5上配兩個有環(huán)狀磁極5A、磁極5B，其中磁極分布為S、N或N、S，滑套5外設(shè)置 有，相結(jié)合的磁極5A與磁極5B其分別對應(yīng)布置導(dǎo)磁環(huán)9A、導(dǎo)磁環(huán)9B ；導(dǎo)磁環(huán)9的凸緣分布 與導(dǎo)磁環(huán)9B的凸緣分布在圓周上的相位相差15° ；如圖7所示，霍爾元件11設(shè)置于導(dǎo)磁 環(huán)9A、9B之間。輸入軸1與輸出軸2之間沒有作用扭矩時，如圖10所示，導(dǎo)磁環(huán)9A上每個凸緣軸 向長度的一半對著磁極5A另一半對著磁極5B，導(dǎo)磁環(huán)9B上每個凸緣軸向長度的一半對著 磁極5A另一半對著磁極5B ；由于凸緣是梯形形狀，此時導(dǎo)磁環(huán)9A的磁極性與磁極5A相同， 導(dǎo)磁環(huán)9B的磁極性與磁極5B相同，導(dǎo)磁環(huán)9A與導(dǎo)磁環(huán)9B之間的磁通量為；當(dāng)輸入軸 1與輸出軸2之間作用扭矩后滑套5帶動磁極5A、5B —同軸向移動，若向左移動，如圖11所 示，則導(dǎo)磁環(huán)9A每個凸緣對著磁極5A的面積減小，對著磁極5B的面積增加，同樣導(dǎo)磁環(huán)9B 每個凸緣對著磁極5A的面積減小，對著磁極5B的面積增加，導(dǎo)磁環(huán)9A與導(dǎo)磁環(huán)9B之間的 磁通量減小，極性與磁極5A、5B之間的極性相同，若向右移動，則情況正好相反，如圖12所 示，導(dǎo)磁環(huán)9A與導(dǎo)磁環(huán)9B之間的磁通量增加，極性與磁極5A、5B之間的極性相同；通過檢 測導(dǎo)磁環(huán)9A與導(dǎo)磁環(huán)9B之間的磁通量變化就可得到扭桿變形的大小，該磁通量變化的檢 測原理與圖1所示的實施例相同。實施案例3參見圖13，輸入軸1與扭桿3的過盈配合固定連接；輸出軸2與扭桿3的另一端 通過銷固定連接；蝸輪6與輸出軸2過盈配合；導(dǎo)軌為設(shè)置于滑套5上靠近輸出軸2側(cè)的內(nèi) 壁螺旋槽，輸出軸2徑向上設(shè)有凸出軸徑的銷8b，凸出軸徑的銷8b與滑套5內(nèi)壁所設(shè)的螺 旋槽配合，導(dǎo)向軌為設(shè)置于滑套5上靠近輸入軸1側(cè)內(nèi)壁上的導(dǎo)向槽，輸入軸1徑向上設(shè)有 凸出軸徑的銷8a，凸出軸徑的銷8a與滑套5內(nèi)壁所設(shè)的導(dǎo)向槽配合。輸入軸1與輸出軸2之間作用扭矩時，扭桿3扭轉(zhuǎn)變形，輸入軸1與輸出軸2之間 產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動；滑套5在銷8B及其嵌套的螺旋槽和銷8A及其嵌套的導(dǎo)向槽的作用下，產(chǎn)生 軸向移動，該移動量與扭桿3的變形成比例，為了獲得扭桿3的變形大小，檢測滑套5的軸 向移動量，該移動量的檢測原理實施案例1、2相同。實施案例4 如圖14所示，本實施例滑套5的軸向移動結(jié)構(gòu)與實施案例3相同，磁極、導(dǎo)磁環(huán)9 的布置及磁通量的檢測原理實施案例2相同。
權(quán)利要求
一種汽車轉(zhuǎn)向扭矩測量裝置，包括輸入軸、輸出軸、PCB電路板，其特征是所述的輸入軸、輸出軸之間設(shè)有隨輸入軸與輸出軸相對轉(zhuǎn)動而聯(lián)動產(chǎn)生軸向位移的滑套，滑套上設(shè)有環(huán)狀交錯分布的N、S磁極；所述的滑套套接有兩個與滑套磁極對稱的導(dǎo)磁環(huán)，所述的兩個導(dǎo)磁環(huán)之間設(shè)有檢測磁通量、連接于PCB電路板上的霍爾元件。
2.如權(quán)利要求1所述的汽車轉(zhuǎn)向扭矩測量裝置，其特征是所述的滑套通過螺旋導(dǎo)軌 連接于輸入軸、輸出軸之間，隨輸入軸與輸出軸相對轉(zhuǎn)動而聯(lián)動產(chǎn)生軸向位移；所述的導(dǎo)磁 環(huán)通過導(dǎo)磁環(huán)套機(jī)體固定連接。
3.如權(quán)利要求1或2所述的汽車轉(zhuǎn)向扭矩測量裝置，其特征是所述的導(dǎo)軌還包括設(shè) 置于輸入軸或輸出軸上的導(dǎo)向軌；所述的導(dǎo)磁環(huán)一側(cè)均布有梯形凸緣；所述的導(dǎo)磁環(huán)套其 材質(zhì)為樹脂。
4.如權(quán)利要求1或2所述的汽車轉(zhuǎn)向扭矩測量裝置，其特征是所述的霍爾元件為可 編程霍爾元件。
5.如權(quán)利要求1或2所述的汽車轉(zhuǎn)向扭矩測量裝置，其特征是所述的滑套上設(shè)有三 個交錯的磁極，其磁極分布為N、S、N或S、N、S。
6.一種汽車轉(zhuǎn)向扭矩的測量方法，其特征是利用霍爾元件檢測由扭矩引起磁通量變 化，輸出與磁通變化量成比例的電信號變化量，輸出與扭桿變形量成比例，而扭桿變形量與 作用在輸入軸、輸出軸上的扭矩成比例，測量出作用在輸入軸、輸出軸上的扭矩。
7.如權(quán)利要求6所述的汽車轉(zhuǎn)向扭矩的測量方法，其特征是具體為輸入軸、輸出軸之 間設(shè)有隨輸入軸與輸出軸相對轉(zhuǎn)動而聯(lián)動產(chǎn)生軸向位移的滑套，滑套上設(shè)有環(huán)狀交錯分布 的N、S磁極；所述的滑套套接有兩個與滑套磁極對稱的導(dǎo)磁環(huán)，所述的兩個導(dǎo)磁環(huán)之間設(shè) 有檢測磁通量、連接與PCB電路板上的霍爾元件，其測量具體如下a、滑套沒有軸向移動時，兩個導(dǎo)磁環(huán)之間的磁通量為Φ。；b、輸入軸與輸出軸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，固定連接于輸入軸與輸出軸之間的扭桿也隨之產(chǎn)生 變形，滑套的軸向位移與扭桿變形量成比例，即當(dāng)滑套產(chǎn)生軸向移動時，兩個導(dǎo)磁環(huán)對應(yīng)的 N、S極面積發(fā)生改變，且極性變化方向相反，兩個導(dǎo)磁環(huán)之間的磁通量為Φ ‘ ^ ；滑套產(chǎn)生 軸向移動后的兩個導(dǎo)磁環(huán)之間的磁通變化量Δ φ = (φ' 0-φ0)與滑套的軸向移動位移 成比例；C、霍爾元件輸出與磁通變化量成比例的電信號變化量，霍爾元件輸出電信號給電動助 力轉(zhuǎn)向控制器。
8.如權(quán)利要求6或7所述的汽車轉(zhuǎn)向扭矩的測量方法，其特征是所述的霍爾元件為 可編程霍爾元件；所述的導(dǎo)磁環(huán)通過導(dǎo)磁環(huán)套機(jī)體固定連。
9.如權(quán)利要求8所述的汽車轉(zhuǎn)向扭矩的測量方法，其特征是所述的導(dǎo)軌還包括設(shè)置 于輸入軸或輸出軸上的導(dǎo)向軌；所述的導(dǎo)磁環(huán)一側(cè)均布有梯形凸緣；所述的導(dǎo)磁環(huán)套其材 質(zhì)為樹脂。
10.如權(quán)利要求7所述的汽車轉(zhuǎn)向扭矩的測量方法，其特征是所述的滑套上設(shè)有三個 交錯的磁極，其磁極分布為N、S、N或S、N、S。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種汽車轉(zhuǎn)向扭矩測量裝置及汽車轉(zhuǎn)向扭矩的測量方法，包括輸入軸、輸出軸、PCB電路板，作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述的輸入軸、輸出軸之間設(shè)有隨輸入軸與輸出軸相對轉(zhuǎn)動而聯(lián)動產(chǎn)生軸向位移的滑套，滑套上設(shè)有環(huán)狀交錯分布的N、S磁極；所述的滑套套接有兩個與滑套磁極對稱的導(dǎo)磁環(huán)，所述的兩個導(dǎo)磁環(huán)之間設(shè)有檢測環(huán)磁通量、連接于PCB電路板上的霍爾元件。本發(fā)明的測量方法，采用可編程霍爾元件檢測隨作用扭矩變化的磁通量，磁通量的變化量與扭矩變化量成比例。與現(xiàn)有技術(shù)相比較其有益效果是可以應(yīng)用于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，檢測轉(zhuǎn)向盤扭矩，不僅結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，而且成本較低、精度較高，具有很好的應(yīng)用前景。
文檔編號G01L3/10GK101949750SQ20101027248
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
發(fā)明者華建平, 田地 申請人:杭州飛越汽車零部件有限公司