CN101400972A - 用于检测角度位置的装置、电动机、转向柱和减速齿轮 - Google Patents

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Abstract

一种装置(1)，用于检测电动机的轴(2)相对于非旋转元件的角度位置，其特征在于它包括减速齿轮(5)、单转式角度位置传感器(26)和角度位置传感器(27)，其中该减速齿轮(5)包括旋转连接到轴(2)的输入端和输出端，使得减速齿轮的输出端在小于2π的角度内移动，该单转式角度位置传感(26)被设置以便于测量减速齿轮输出端的角度，且该角度位置传感器(27)被设置在减速齿轮输入端上。

Description

用于检测角度位置的装置、电动机、转向柱和减速齿轮
技术领域
本发明涉及电动机轴的角度位置检测领域。本发明还涉及机动车转向柱领域，其中期望精确地确定该转向柱的角度位置。
背景技术
具体地说，越来越多的车辆使用电力辅助转向柱和转向柱偏转角度传感器以便于确定方向盘的角度并由此对制动器施加作用以用于轨迹校正。电力辅助转向柱往往使用无刷直流电动机，其开关动作对于闭环控制是必需的，且由此必须知道转子的绝对角度位置。助力电动机由此促动取向系统(orientation system)，且它们机械连接到一起。依赖于制造者和车辆的类型，在阻力电机和方向盘取向系统之间的机械连接可以在各种可能的位置形成，例如在转向柱轴上或者在方向盘取向台架(orientation rack)上。在转向柱中，通常在转向柱的旋转速度和电动机的旋转速度之间存在约为10-20的齿轮减速，以致当转向柱一转(revolution)时，电机轴转10-20转。转向柱从一个最大的偏转方向到另一个偏转方向的最大转数约为4转。由此必须确定电机轴在轴40到80转中的绝对角度以及转向柱在4转中的绝对角度。
文献EP 1 026 068(TRW)描述了电力辅助转向器，其包括转向轴、电动机、第一检测器件、第二检测器件和处理器件，其中电动机具有通过具有非整数减速比的齿轮箱操作地连接到转向轴的转子，第一检测器件产生作为转向轴角度位置的函数的输出，第二检测器件产生作为转子的角度位置的函数的输出，处理器件设计为处理两个输出信号以便于产生在大于完整一转的范围上指示转向轴的角度位置的角度位置信号。绝对角度位置传感器被设置在电机轴或转向柱轴上，该传感器由于是多转绝对传感器因此成本较高。此外，可以在转向柱轴或电机轴上设置分度(index)。然而，这些分度也不能提供足够的精度。
文献EP 1 413 499(Toyoda)描述了电力辅助转向器，其在转向柱上设置有两个传感器并在电机上设置有一个传感器。具有三个传感器是昂贵的且需要相对比较复杂的处理电子器件。
文献US 5 646 523(Kaiser)描述了一种用于确定方向盘偏转角度位置的设备，其包括精确传感器和近似传感器(approximate sensor)，其与转向柱轴相关联，精确传感器具有四重齿轮减速(quadruple gear reduction)，由于这些齿轮它可以更加快速地驱动相应的编码器。该装置相对比较复杂且不能确定电动机电极的位置。
文献US 6 248 993(柯世达，Leopold Kostal)描述了一种偏转角度传感器以便于确定方向盘偏转的绝对角度位置，该传感器包括两个传感器单元，一个检测整个偏转角度范围的角度段中的角度位置，另一单元检测通过具有不是1的比的齿轮的偏转，使得由两个传感器说检测到的旋转速度是不同的以便于检测绝对角度位置。同样，该文献的技术方案并不能确定电动马达的转子的绝对角度位置。
文献JP 2005 053 416(Toyoda Mach Works)的摘要描述了一种用于完全电转向类型的测量的偏转设备.电转向马达与两个减速齿轮相关联，一个用于方向盘的偏转且另一个用于在从中间位置一转中的旋转的旋转检测，就是说总共旋转两转。
发明内容
本发明的目的是弥补上述文献中的缺点和限制。
本发明目的是通过单个模块来测量电转向电机的轴的绝对角度位置和转向方向盘的偏转角度。通常方向盘的偏转角度与转向柱的角度位置成一一对应关系。
本发明的目的是通过可靠和成本低廉的装置来提供所述角度位置。
用于检测电动机的轴相对于旋转元件的角度位置的装置包括减速齿轮、单转式角度位置传感器和角度位置传感器，其中该减速齿轮包括旋转连接到轴的输入端(input)和输出端(output)，使得减速齿轮的输出端在小于2π的角度内移动，该单转式角度位置传感被安置以便于测量减速齿轮输出端的角度，且该角度位置传感器被安置在减速齿轮输入端上。这由此给出了设置有输入端角度位置传感器和输出端角度位置传感器的减速齿轮，且其在安装到转向机构中时可以提供两个信号使得可以具有足够精度地确定电动机转子的角度位置和方向盘的偏转的角度位置。由此辅助系统可以在车辆的轨迹上发挥作用。安装有两个传感器的减速齿轮形成一子组件，其可以安装到通常类型的电转向电机上。
减速齿轮的减速比在5和100之间
在一个实施例中，减速齿轮包括滚动轴承和壳体。滚动轴承包括安装在轴上的内滚道和安装在壳体上的外滚道。编码器可以由内滚道支撑，并与角度位置传感器相互作用。
在一个实施例中，该单转式传感器是绝对角度位置传感器。与多转式绝对角度位置传感器相比，单转式绝对角度位置传感器显著地降低了成本。
在一个实施例中，单转式传感器安装在由所述减速齿轮的壳体支撑的电路板上。两个传感器可以安装在电路板上。编码器可以安装在滚动轴承上。
在一个实施例中，该装置包括旋转内滚道和非旋转外滚道，该旋转内滚道安装在轴上。
在一个实施例中，减速齿轮包括至少一个行星轮系。这使得可以获得约为5到20的减速比。
在另一个实施例中，减速齿轮包括至少一个谐波减速齿轮。这使得可以获得在15和100之间的减速比。
在一个实施例中，输出端被设计为处于力矩中以用于装置本身的阻力矩。装置的阻力矩可以主要包括减速齿轮的滚动轴承的阻力矩和减速齿轮的齿轮的阻力矩。装置的阻力矩非常微小。
在一个实施例中，该输入端角度位置适于测量以2π为模的角度。由此可以使用绝对或增量型的经济的角度位置传感器。
在一个实施例中，该轴连接到由传动装置驱动的元件，其中该传动装置具有在1和5之间的减速比。
在一个实施例中，输入端角度位置传感器包括多极编码器。
角度位置传感器处于编码器的径向外侧。单转式角度位置传感器与编码器具有轴向气隙。
单转式角度位置传感器可以安置在角度位置传感器的径向外侧。
传感器可以包括设置为与编码器元件相对的一个或多个敏感元件，例如一个或多个设置为与多极磁性编码环相对的霍尔效应单元。
电动机包括转子、定子和轴，其中轴支撑转子和用于检测轴相对于非旋转元件的角度位置的装置。减速齿轮包括旋转连接到轴的输入端和输出端。减速齿轮的减速比被选择为在5和100之间，使得减速齿轮的输出端在一个小于2π的角度上移动。单转式角度位置传感器被设置以测量减速齿轮的输出端的角度，以及角度位置传感器被设置在减速齿轮的输入端上。
动力辅助转向装置可以包括如上所述的电动机，以及由设置了由电动机驱动的轴以使得车辆的方向盘偏转。
减速齿轮包括减速机构、输入端和输出端、设置为用来测量输出端的角度的单转式位置传感器，所述减速齿轮的减速比被选择为使得减速齿轮的输出端在一个小于2π的角度上移动，和被设置在减速齿轮的输入端上的角度位置传感器。
减速齿轮包括滚动轴承和壳体，滚动轴承包括安装在轴上的内滚道、安装在壳体上的外滚道和编码器，该编码器由内滚道支撑并与角度位置传感器相互作用。
附图说明
在阅读了作为示例的实施例的具体描述之后，将会更好的理解本发明，其中实施例并不是限制性的且通过附图示出，其中：
图1是角度位置检测装置的轴向截面图；
图2是图1的装置的分解透视图；和
图3是图1的装置的正视图。
具体实施方式
如在这些图中可以看出，角度位置检测装置1安装在电动机的轴2上。轴2还支撑由楔4所楔住的小齿轮3，该小齿轮3例如设计为用于驱动转向柱的附加齿轮。
检测装置1包括减速齿轮5，在此情况下为谐波(harmonic)类型的减速齿轮，滚动轴承6和检测部分7。
在此情况下为谐波类型的减速齿轮5包括设置有向内的齿的冠轮8、与冠轮8在两个径向相对区域啮合的径向柔性齿轮(flexible gear)9(见图3)，以及波发生器10，这些器件同心地安装。柔性齿轮9设置有轴向内表面。波发生器10包括环11，其孔眼安装在轴2上，其方式是通过楔12被固定防止其旋转。两个径向相对的臂从环11径向向外延伸。波发生器10包括两个支撑触爪13，其每一个都安装在臂上。环、臂和触爪可以是一件式的。波发生器10附有两个光滑套筒14，其每一个都安装在触爪13上。套筒14与柔性齿轮9的内表面接触，它们迫使所述柔性齿轮9径向变形以在两个径向相对的区域与冠轮8的齿啮合。可以预想用轴承来替代套筒14。波发生器10通过楔12楔到轴2上。
滚动轴承6安装在轴2上，轴向上位于小齿轮3和减速齿轮5之间。滚动轴承6包括套装(sleeve-fitted)到轴2的内滚道15，外滚道16、一系列通过保持架保持圆周上均匀间隔分布的滚动元件17，其在此情况下为球，和密封凸缘18，该密封凸缘18安装在外滚道16的凹槽中并与内滚道15的轴向轴承表面形成一窄通道。滚道15和16每一个都具有环形曲面的部分的形状以便于接收滚动元件17。滚道15和16是深槽类型。滚动轴承6可以是标准类型的，其可以大批量经济地制造。
检测装置1包括围绕减速齿轮5和滚动轴承6的壳体19，其例如由合成材料制成。在所示的实施例中，壳体9是环形的且包括较小直径的轴向部分20，滚动轴承6的外滚道16刚性地连接到轴向部分20的孔眼中。在小齿轮3的一侧，较小直径的轴向部分20通过指向内部的较短径向凸缘21延伸并与外滚道16的正面接触，由此形成轴向止动件。壳体19还包括径向部分22，该径向部分22从较小直径轴向部分20的与径向凸缘21相对的端部向外延伸并具有基本与滚动轴承6的内滚道15和外滚道16的横切径向表面(transverse radial surface)共面的面。壳体19包括较大直径的轴向部分23，该较大直径的轴向部分23从径向部分22的较大直径端部沿与小齿轮3相反的方向延伸。冠轮8固定地连接到较大直径的轴向部分23。
有利的，壳体19的一些部分与冠轮8以一件式制成，例如模制到一起。壳体19可以用矿物填料增强的聚酰胺制成。
检测部分7通常安置在这样一个空间中，该空间在轴向上一侧由减速齿轮5界定，另一侧由滚动轴承6界定；且在径向上一侧由轴2界定，另一侧由壳体19的较大直径轴向部分23界定。检测部分7包括电路板24，该电路板占用有限角度的扇形(见图2和3)，例如约为90°，其安装到壳体19的径向部分22的内部径向表面并与滚动轴承在减速齿轮5一侧的外滚道16的横向表面接触。替代地，电路板可以安装到外滚道16并与壳体19接触。
电路板24支撑电子处理电路25和两个传感器26和27，例如磁敏类型的。传感器26在角度上基本安装在板24的中间，且径向上位于柔性齿轮9处。传感器27在角度上基本安装在板24的中间，且径向上位于板24径向向内的内边缘上。由此传感器26径向上安置在传感器27的外侧。传感器26和27每一个都可以是光或磁类型的。在后文中，将假设两个传感器26和27是磁敏类型的情况。
检测部分7包括两个环形编码器28和29。编码器28是具有细长矩形截面的多极环的形状，其例如通过焊接或者包覆模塑(overmolding)径向连接到柔性齿轮9的径向表面，并且面向传感器26且两者之间具有微小的轴向气隙。比柔性元件9具有较小的刚性的编码器28可以跟随所述柔性齿轮9的径向变形并在传感器26中产生磁信号。
编码器28和齿轮9可以形成为单件。
编码器29由滚动轴承6的内滚道15支撑并在传感器27中产生磁信号。编码器29包括支承件30和活动部分31，其中支承件30例如为金属板衬套形式，其设置有套装到内滚道15的外轴承表面的轴向部分、邻接内滚道15在减速齿轮5一侧的横切径向表面的径向部分和沿着减速齿轮5方向延伸的较小直径轴向部分，活动部分31例如为塑性铁素体(plastoferrite)类型，包覆模塑到支承件29上，并围绕较小直径轴向部分和部分的较大直径轴向部分，且具有以较小径向气隙面向传感器27的轴向外表面。
在所示的实施例中，滚动轴承6在编码器29一侧没有密封凸缘。然而可以设置摩擦密封件或者适当形状的凸缘与编码器29的部分相互作用。
检测部分7由此包括相同类型的电路板，该电路板支撑两个传感器和电子电路，该电子电路接收来自所述传感器的输出信号并适于向外部传送，例如通过未示出的有线或者无线连接，表示轴2的绝对角度位置的信息项和关于偏转角度的信息项。电路板25可以在简单的格式化后传送来自传感器26和27的输出信号或者，替代地，执行处理使得一方面可以基于由传感器27供应的信息确定具有期望精度的电动机的轴2的绝对角度位置，且另一方面确定作为传感器26的输出信号和传感器27的输出信号的函数的方向盘(wheel)偏转角度。
检测装置1由此可以包括单个滚动轴承，减速齿轮，两个编码器，两个传感器和单个电路板，该电路板支撑传感器，该检测装置1是非常经济和紧凑的。此外，检测装置1形成这样的子组件，其可以容易地组装到电动机的轴2的一端，例如在转向柱驱动小齿轮和电机的壳体(未示出)之间。这由此使用单个和紧凑的系统以替代现有技术中分布在转向柱和动力辅助转向电机上的系统。
在操作中，电动机的轴2适于在驱动小齿轮3的同时旋转，该小齿轮3致动方向盘偏转装置，电机的轴2与方向盘取向系统机械连接使得电机的轴2的角运动和转向柱轴的角运动之间的减速比约为10到20。滚动轴承6的内滚道15以及由此编码器29被以与轴2相同的速度驱动。轴2的角运动由此被传感器27检测并传送到电子电路25以传送到外部元件并适当地处理。减速齿轮5的波发生器10也被以与轴2相同的旋转速度驱动，该波发生器以5到100的减速比旋转柔性齿轮9，优选地减速比约为40到80。换句话说，轴2移动40°到80°角时柔性齿轮9和编码器28移动1度角。编码器28和柔性齿轮9的角运动被传感器26检测并传送到电子电路25以用于传输到外部元件并适当地处理。
为了限定柔性齿轮9和编码器28的角运动小于一转，减速齿轮5的齿轮比被设计为大于或等于与转向柱相关的轴2的齿轮比和该转向柱从一个止动位置到另一个，也就是说方向盘向左的极限偏转位置到向右的极限偏转位置的回转数的乘积。这确保编码器28具有小于360°的旋转范围。由此可以使用单转型的编码器28和传感器26，显然这比多转型传感器更加经济。传感器26和编码器28的分辨率可以较低，因为传感器27和编码器29提供了轴2的精确地角度位置然而传感器26和编码器28仅提供较低精度的信号。由于由减速齿轮5所提供的齿轮减速，由此可以确定具有约为0.1°精度等级的转向柱的角度位置。
编码器28可以是圆周交替极型或者四个极类型的，具有在180°上的外部北极和内部南极，以及在180°上的外部南极和内部北极。由传感器所观察到的磁场根据编码器28由于柔性齿轮9径向变形而导致的角度位置和径向位置变化。
为了控制电动机2，其可以是无刷直流类型的，期望可精确知道转子的电极以及由此轴2的角度位置。传感器27和编码器29是具有高分辨率的多转类型或者供应绝对角度。
在所示的实施例中，壳体19设计为非旋转型，例如旋转固定地连接到电动机的壳体，同时编码器中的一个与滚动轴承的内滚道相关联而另一个与减速齿轮的柔性齿轮相关联。作为变式，编码器29可以安装在波发生器10的轴向环形部分1上或者直接安装在轴2上，这使得可以使用标准类型的滚动轴承和两个也是标准类型的密封元件。这给出了这样一个减速齿轮，其冠轮可以设计为支撑传感器，滚动轴承确保冠轮和电动机轴的同心。
为了清楚起见，电动机的壳体32和转向柱33在图1中用虚线示出。
由于本发明，为使用者提供了非常紧凑和经济的装置，该装置可以作为子组件安装到电力辅助转向或完全电转向系统的电动机轴上，且装备有电路板，该电路板供应指示电动机轴的精确角度位置的信号以及指示方向盘的偏转角度的信号。仅需要两个传感器就足以提供这些数据。此外，可以免除其他的附加检测系统，例如放置在转向柱滚动轴承上或转向架上的系统。
还可以在不背离本发明的范围的情况下，提供行星(epicyclic)类型的减速齿轮以替代谐波类型的减速齿轮。

Claims (13)

1.一种装置(1)，用于检测电动机的轴(2)相对于非旋转元件的角度位置，其特征在于，它包括减速齿轮(5)、单转式角度位置传感器(26)和角度位置传感器(27)，其中该减速齿轮(5)包括旋转连接到轴(2)的输入端和输出端，使得减速齿轮的输出端在小于2π的角度内移动，该单转式角度位置传感(26)被安置以便于测量减速齿轮输出端的角度，且该角度位置传感器(27)被安置在减速齿轮输入端上。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述减速齿轮的减速比选择在5和100之间。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中所述单转式传感器(26)是绝对角度位置传感器。
4.如权利要求1到3中任一项所述的装置，其中所述单转式传感器(26)安装在由所述减速齿轮的壳体(19)支撑的电路板上。
5.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述减速齿轮包括至少一个行星轮系或至少一个谐波减速齿轮。
6.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述减速齿轮(5)包括滚动轴承(6)和壳体(19)，所述滚动轴承(6)包括安装在轴(2)上的内滚道(15)和安装在壳体(19)上的外滚道(16)，由内滚道(15)支撑的编码器(29)与角度位置传感器(27)相互作用。
7.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述角度位置传感器(27)处于编码器(29)的径向外侧，和/或单转式角度位置传感器(26)与编码器(28)具有轴向气隙。
8.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述单转式角度位置传感器(26)安置在角度位置传感器(27)的径向外侧。
9.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述角度位置传感器(27)能测量以2π为模的角度。
10.一种电动机，包括转子、定子和如前述权利要求中任一项所述的装置，所述转子连接到所述减速齿轮(5)的输入端。
11.一种动力辅助转向装置，包括如权利要求10所述的电动机，由电动机驱动的轴(2)被设计为操纵车辆的方向盘。
12.一种减速齿轮(5)，包括减速机构、输入端和输出端，其特征在于，它包括设置为用来测量输出端的角度的单转式位置传感器(26)和角度位置传感器(27)，所述减速齿轮的减速比被选择为使得减速齿轮的输出端在一个小于2π的角度上移动，该角度位置传感器(27)被设置在减速齿轮的输入端上。
13.如权利要求12所述的减速齿轮，包括单个滚动轴承。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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