CN102564663B - 扭矩传感器的测力结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扭矩传感器的测力结构，通过检测作为扭矩检测对象的轴体中部弹性体的扭转角度，来检测作用于轴体的扭矩。本发明的扭矩传感器的测力结构通过将弹性体的一端结合在花键上，另一端与方向盘相结合以使得方向盘转动时弹性体在扭矩的作用下产生扭转，从而带动与其一端相结合的花键发生相应转动，同时固定在花键上的磁性体沿齿槽相应转动，使所述磁性体和固定的磁传感器的相对位置发生变化，从而使穿过磁传感器的磁通的大小和方向发生改变，并通过磁传感器输出。

Description

扭矩传感器的测力结构

技术领域：

本发明涉及一种扭矩传感器的测力结构，尤其是涉及一种主要用于汽车电动助力转向系统（EPS）、阀门控制系统的扭矩传感器的测力结构，属于扭矩测力技术领域。

背景技术：

目前，扭矩传感器被用于很多领域，尤其是在汽车的电动助力转向系统（EPS）、各种阀门的自动控制系统等领域。

现有的EPS扭矩传感器多采用安装在管柱上的电位计式扭矩传感器，在转向管柱上设有一机械接触式扭矩传感装置，其设置在两段式的转向管柱的端部联接处，转向管柱的是由端部联接在一起的输入轴和输出轴构成，输入轴的上端部与方向盘固定连接。该扭矩传感装置的结构包括套接在输入轴上的滑套、设于滑套与输入轴之间的几个钢球、设于滑套外侧并与滑套相联接的扭矩传感器。所述钢球与输入轴端部外周面上所设的螺旋凹槽相配合，并且与设于滑套中的环状凹槽相配合，在输出轴的联接端固连有一圆筒状的套筒，该套筒的端部开有与所述钢球数目相一致的开口，输出轴与输入轴相联接时，钢球位于所述的开口内。当与方向盘直接相连的输入轴在方向盘的带动下发生转动时，由于输出轴与输入轴之间设有扭杆，输入轴与输出轴之间具有一个相对的转动角度，而输出轴相对不动，这样，输入轴在转动时，螺旋凹槽会促使钢球轴向滑动，钢球轴向滑动时会进一步促使滑套进行轴向滑动，进而会使作用在扭矩传感器上的力发生变化，使扭矩传感器输出信号，促使助动电机通过控制模块适时而动，为汽车的转向提供助力。

但是，这种扭矩传感器的安装结构复杂，对输出轴上的螺旋凹槽及滑套上的环状凹槽加工精度要求很高，使得造价高提高。另外，由于钢球是在相应的凹槽中进行滑动，当扭矩传感器工作时间过久后钢球与凹槽之间会出现磨损的现象，这样输入轴与输出轴之间偏转相同的角度时，扭矩传感器所感应信号的强弱不一致，从而导致测量精度不高。

因此，如何设计出安装结构简单、测量精度高、造价低的扭矩传感器的测力结构是目前扭矩测力技术领域一个重要问题。

发明内容：

为了克服目前扭矩传感器的测力结构复杂以及部件之间容易磨损的不足，本发明提供一种新型扭矩传感器的测力结构，该测力结构采用非接触式结构且结构简单。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种扭矩传感器的测力结构，包括方向盘，方向盘带有齿槽，该测力结构是左右对称的，它有一转轴，转轴外面是花键，所述测力结构包括：弹性体，所述弹性体一端结合在花键上，另一端与方向盘相结合，以使得方向盘转动时弹性体在扭矩的作用下产生扭转，从而带动与其一端相结合的花键发生相应转动；一对对称的磁性体，固定地对称装配在花键上用于以在方向盘上的齿槽周围产生磁场，使得当弹性体发生扭转时，固定在花键上的磁性体沿齿槽相应转动，从而使穿过磁传感器中的磁通量发生变化；一对对称的磁传感器，固定在所述磁性体的外面且分别与磁性体隔着空隙彼此相向，用于检测通过其中的磁通量的变化，产生输出信号通过电路板发送到电动助力系统的电子控制单元。

进一步，所述弹性体位于花键的中部。

进一步，所述一对磁性体和一对磁传感器在方向盘不转动时，磁传感器与磁性体位置是分别正对的；在方向盘发生转动时，所述磁性体和磁传感器的相对位置发生变化，从而使穿过磁传感器的磁通的大小和方向发生改变。

进一步，所述磁传感器是固定的，而所述磁性体随弹性体的扭转沿齿槽相应转动。

进一步，所述测力结构还包括分别用于将所述磁传感器固定在方向盘上的两个磁传感器座。

进一步，所述测力结构是对称的。

进一步，所述磁传感器是霍尔元件。

本发明的新型扭矩传感器采取的是非接触式结构，通过检测作为扭矩检测对象的轴体中部弹性体的扭转角度，来检测作用于轴体的扭矩，且采用磁传感器，使得其内的各相关可动作部件之间没有磨损，产品的使用寿命长，相比于接触式扭矩传感器具有更小的延时和滞后性，受轴的偏转和轴向偏移的影响更小，便于产生较稳定的电信号，且所输出的电信号不会随着产品的使用时间的推离而发生改变，便于对信号处理模块进行预先的设定，结构简单，制造成本低于现行的扭矩传感器的测力结构。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1是本发明的新型扭矩传感器的测力结构的方向盘的俯视图。

图2是本发明的新型扭矩传感器的测力结构的方向盘的正视图。

图3是本发明的新型扭矩传感器的测力结构沿图1中A-A线剖视图。

图4是本发明的新型扭矩传感器的测力结构的方向盘无转动时沿图2中的B-B线的剖视图。

图5是本发明的新型扭矩传感器的测力结构的方向盘向左转动时沿图2中的B-B线的剖视图。

图6是本发明的新型扭矩传感器的测力结构的方向盘向右转动时沿图2中的B-B线的剖视图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明的实施方式。

图3示出了本发明的新型扭矩传感器的测力结构沿图1中A-A线剖视图，该测力结构由转轴1、小卡簧2、花键3、大卡簧4、轴承5、弹性体6、右磁性体7、左磁性体8、右磁传感器9、左磁传感器10、右磁传感器座11、左磁传感器座12、右电路板13、左电路板14、右线束15、左线束16、方向盘（带齿槽）17组成。

该测力结构是左右对称的，转轴1位于该结构的中心位置，转轴1的外面是花键3，用小卡簧2将花键3固定。轴承5和弹性体6在花键3和方向盘17之间，在轴承5的上端有一大卡簧4，用以固定该轴承5。弹性体6位于花键3的中部，它的一端结合在花键3上，另一端与方向盘17相结合，以使得方向盘17转动时弹性体6在扭矩的作用下发生扭转。左右对称的磁性体7、8固定地装配在花键3的引脚上，并位于方向盘17的齿槽中以在齿槽周围产生磁场，弹性体6发生扭转时带动与其一端相结合的花键3发生相应转动，同时固定在花键3上的磁性体7、8沿齿槽相应转动。

左右对称的磁传感器9、10例如，霍尔元件，产生与通过它的磁通的方向及大小相应的输出信号，且它们位于上述磁性体7、8的外面，分别与左右对称的磁性体7、8的隔着空隙彼此相向。磁传感器9、10通过磁传感器座11、12固定在方向盘17上，且磁传感器9、10的引脚连接在电路板13、14上，磁传感器9、10产生的输出信号，可通过电路板发送到汽车电动助力系统的电子控制单元。在方向盘不转动时，如图4所示，左磁传感器10与左磁性体8位置是正对的，右磁传感器9与右磁性体7位置是正对的；当方向盘转动时，如图5和图6所示，磁性体7、8沿方向盘17的齿槽转动，磁性体7、8与磁传感器9、10之间产生相对位移，使得通过磁传感器9、10中的磁通方向和大小与他们的相向状态相应地变化。磁传感器9、10通过线圈将磁通量的变化转化为电压信号，其大小与上述检测的磁通的大小相应地变化，信号的高频部分由检测电路滤波，仅有扭矩信号部分被放大。

如此，能将弹性体6上产生的扭转量作为流经磁传感器9、10回路的磁通的变化量进行检测，能够将该检测量作为扭矩扭转量通过磁传感器9、10求得，并通过电路板13、14上的线束15、16传送到控制电路，例如EPS电子控制单元。

此外，本发明的实施例中采用大卡簧和小卡簧进行固定，当然也可以采用固定销、螺钉等公知的固定方式；所采用的磁性体可以是永久性磁铁。

该测力结构的工作过程为：当方向盘17左右扭转时，弹性体6在扭矩作用下产生扭转变形，使得与弹性体6一端结合的花键3发生转动，同时磁性体7、8沿方向盘17齿槽移动，从而使磁性体7、8和磁传感器9、10产生相对位移，即磁传感器9、10在磁场中所处的位置发生变化，由此导致穿过磁传感器9、10的磁通量发生变化。而后，磁传感器9、10将此变化量转换成电压量输出。由此可以得出扭矩与输出电压之间的关系曲线。磁传感器9、10的工作电压是+5V，当方向盘17处于中间位置时，即磁性体位置正对着磁传感器9、10，磁传感器9、10输出的电压是2.5V；如当向左或向右扭转方向盘17时，此时弹性体6发生变形，永久磁性体7、8沿方向盘17齿槽移动，其位置相对于磁传感器9、10发生相对位移，输出电压增大或减小，例如，EPS电动助力系统电子控制单元通过输出电压值就可以判断方向盘17扭转的方向和扭矩的大小。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不仅仅受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种扭矩传感器的测力结构，包括一转轴和一方向盘，转轴外面是花键，方向盘带有齿槽，其特征在于，所述测力结构包括：

弹性体，所述弹性体一端结合在花键上，另一端与方向盘相结合，以使得方向盘转动时弹性体在扭矩的作用下产生扭转，从而带动与其一端相结合的花键发生相应转动；

一对对称的磁性体，固定地对称装配在花键上以在方向盘上的齿槽周围产生磁场，使得在弹性体发生扭转时，固定在花键上的磁性体沿齿槽相应转动，从而使穿过磁传感器中的磁通量发生变化；

一对对称的磁传感器，固定在所述磁性体的外面且分别与磁性体隔着空隙彼此相向，用于检测通过其中的磁通量的变化，产生输出信号通过电路板发送到电动助力系统的电子控制单元。

2.如权利要求1所述的扭矩传感器的测力结构，其特征在于，所述弹性体位于所述花键的中部。

3.如权利要求1所述的扭矩传感器的测力结构，其特征在于，所述一对磁性体和一对磁传感器在方向盘不转动时，磁传感器与磁性体位置是分别正对的；在方向盘发生转动时，所述磁性体和磁传感器的相对位置发生变化，从而使穿过磁传感器的磁通的大小和方向发生改变。

4.如权利要求1所述的扭矩传感器的测力结构，其特征在于，所述磁传感器是固定的，而所述磁性体随弹性体的扭转沿齿槽相应转动。

5.如权利要求1所述的扭矩传感器的测力结构，其特征在于，所述测力结构还包括分别用于将所述磁传感器固定在方向盘上的两个磁传感器座。

6.如权利要求1所述的扭矩传感器的测力结构，其特征在于，所述测力结构是对称的。

7.如权利要求1所述的扭矩传感器的测力结构，其特征在于，所述磁传感器是霍尔元件。