CN102798493A

CN102798493A - 扭矩传感器

Info

Publication number: CN102798493A
Application number: CN2012102843065A
Authority: CN
Inventors: 罗尔夫·施特罗特曼
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2012-05-24
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2032-05-24
Also published as: FR2975773B1; US20120297894A1; US8757012B2; CN102798493B; DE102012100682A1; FR2975773A1

Abstract

本发明涉及一种扭矩传感器，其包舍一个具有第一旋转件(2)的单向离合器(1)，通过该第一旋转件可以在一个旋转方向上将待确定的扭矩传输至与第一旋转件(2)同轴的第二旋转件(3)，和用以确定第一旋转件(2)在所述旋转方向上相对于第二旋转件(3)的扭转角以及根据所确定的扭转角来确定扭矩的装置(7-15)。

Description

扭矩传感器

技术领域

本发明涉及一种例如可在用于驱动装置的控制装置或调节装置中应用的扭矩传感器。

发明内容

根据本发明的扭矩传感器包含具有第一旋转件(通过该第一旋转件可以在一个旋转方向上将待确定的扭矩传输至与第一旋转件同轴的第二旋转件)的单向离合器和用以确定第一旋转件在所述旋转方向上相对于第二旋转件的扭转角大小以及根据所确定的扭转角大小来确定扭矩的装置。

根据本发明，通过两个旋转件在所述方向的相互扭转角大小来推断出产生该扭转角的扭矩。有利之处在于，单向离合器可以实现传输旋转运动的机械元件和产生测量效果的传感器部件的双重功能。为了作为扭矩传感器使用，只需要对单向离合器稍作改进。

因为可能直接检测旋转件的相互扭转度，因此，本发明的优选实施方式提供了所述用以确定相互扭转角的装置，以彼此独立地确定两个旋转件的旋转角。

有利地，该用以确定旋转件扭转角的装置可以产生扭转角相对于时间的导数，并且由此确定第一旋转件的旋转速度n和第二旋转件的旋转速度n’。

用以确定旋转件扭转角的装置例如持续地比较n和n’。若第一旋转件的旋转速度n达到了第二旋转件的旋转速度n’，则这表示扭矩开始传输。用以确定旋转件扭转角的装置将确定自该时刻起经过的旋转角并且也确定旋转速度n、n’。旋转速度n暂时超过旋转速度n’，并且随后在恒定扭矩情况下再次靠近n’。若存在n＝n’，则单向离合器传输的是待测扭矩。从关于上述时刻确定的旋转件旋转角之差可得出相互扭转角α。随后扭矩传感器根据所存储的角度α与扭矩之间的关系确定待测扭矩。

用以确定旋转件相互扭转角的装置优选包含至少一个与旋转件中的一个同轴的测量环，该测量环具有环绕的标记和探测该标记的探测器。

所述标记可以是一种可进行光学探测的线条刻度。但是所述标记优选由测量环在圆周方向上可变化的磁化构成。探测器可相应探测所述磁化。

适宜地，测量环按照一个周期函数进行循环磁化。

本发明的一种优选实施方式是，将磁化限制于测量环的外圈，探测器相对于该外圈径向对置。

优选探测器包含两个在测量环圆周方向上按一定距离布置的测值传感器，这样设计其距离，使得通过测量值可以确定探测器在周期函数的一个周期内的位置，而通过对周期计数来确定更大的旋转角。

本发明的一种实施方式是，可以设置两个在相反的旋转方向上起作用的单向离合器。因此可以在两个旋转方向进行扭矩测量，即可以测量正扭矩和负扭矩。

本发明的另一种设计是，设置记录第一和第二旋转件之间滑差的装置。这种滑差可能会去除在旋转件相互扭转角α和产生该扭转的扭矩M之间的单值关系并且使扭矩的测量值出错。

若待测扭矩具有确定的随时间分布曲线，特别是有一定的周期性，则可以进行滑差控制。例如，这种情况可以是在扭矩通过自行车踏板曲柄导入单向离合器时。最大扭矩每次总是在踏板力垂直于相应踏板连杆时出现。

优选设置用以获取周期长度T的装置。

本发明的另一种设计是，可以设置用以探测旋转件间的扭转角达到极值时的时刻的装置。

随后，所述记录旋转件间滑差的装置可以将两个旋转件之间扭转角的依次相继的各极值的时间间隔与周期长度T相比。若该时间间隔等于周期长度T，则可以排除旋转件间的滑差。

本发明的另一种优选的实施方式中，设置用以获取在待测扭矩随时间分布曲线的确定时间段T’内的旋转件之间扭转角的装置。适宜地，在该确定时间段期间出现旋转件之间扭转角α的最大值。

所述用以检测确定时间段内扭转角的装置可以用于检测从最大值出现的时刻直到所述确定时间段T’结束时的扭转角Δα。在最大值附近可以认为滑差最小。

附图说明

下面相据实施例和与实施例相关的附图对本发明进行进一步说明。其中：

图1根据本发明的扭矩传感器示意图；

图2通过一个探测器来探测图1中扭矩传感器测量环的说明图；

图3图1中扭矩传感器测量环的磁化说明图；

图4扭转传感器旋转件间的相互扭转角α随时间变化图；

图5待测扭矩与相互扭转角α的变化量Δα之间的关系图。

具体实施方式

扭矩传感器包含设计成单向轴承的具有第一旋转件2和与第一旋转件2同轴的第二旋转件3的单向离合器1。旋转件2可能例如与同轴的驱动轴相连，旋转件3可能例如与自行车车轮处于驱动连接(驱动轴和车轮未画出)。

滚珠轴承4和5处于空心圆柱状的旋转件2、3之间。附图标记6表示通过第一旋转件2使第二旋转件3这样同步的装置，使得可以通过第一旋转件2在一个旋转方向上将扭矩传输至第二旋转件3。在相反的旋转方向上不能进行这样的传输。旋转件3可以沿该相反的旋转方向在旋转件2上自由旋转。

如从图1进一步可知，旋转件2与测量环7相连，旋转件3与测量环8相连。根据图3，与旋转件2、3同轴并且轴向错开布置的测量环7、8含有一个外层9，该外层环绕地相应于由10表示的函数曲线进行磁化。

相对于测量环7、8的各环外部表面位置固定布置的、分别与数据分析装置15相连的探测器11、12探测在圆周方向上进行周期性变化的测量环7、8的磁化。如图2所示，各探测器分别含有两个分别提供信号的传感器13、14，所述传感器在测量环7、8的圆周方向上按一定距离这样布置，使得可以从传感器13、14的测量信号之比确定分别在磁化的一个周期内测量环的准确位置。

在没有扭矩传输的空载运行方式中，旋转件3的旋转速度n’大于旋转件2的旋转速度n，该旋转件2可能处于静止状态。若在第一旋转件2上施加扭矩，则旋转件2的旋转加速度将使旋转速度n向旋转速度n’靠近，并最终将其超过。

探测器11、12彼此独立地连续确定测量环7、8的与旋转件2、3的旋转角或旋转速度n、n’相对应的旋转角和旋转速度。从旋转件2的旋转速度n刚好超过旋转件3的旋转速度n’的时刻起，确定相互扭转角(即所测得的旋转件2与旋转件3的旋转角之差)。相互扭转角α越大，则所传输的扭矩就越大。根据所存储的扭转角α与扭矩M间的关系，数据分析装置15确定所传输的扭矩M。

一方面，通过对经过的磁化周期进行计数来确定旋转角。可以通过数据分析装置15对传感器13和14的两个测量信号进行分析来对周期内的中间位置进行精确确定。根据周期性的函数曲线，在周期内存在的两个测量信号之比与测量环位置之间的单值关系。

测量环7、8也可能按照多个轨迹(例如按照一个正弦函数和一个余弦函数)进行磁化，并且给每个传感器13、14分配一个轨迹。随后可以从传感器13、14的测量信号确定精确的位置和旋转方向。

在确定扭矩时，上述方式的前提条件是，旋转件2、3在n≥n’时能够以角度α互相无滑差扭转，同时会产生一个与作用的扭矩相应的反转扭矩M(α)，该反转扭矩始终随角度α增长并大致与角度α成正比。

但是相互扭转也不总是无滑差的。首先，在单向离合器1较长时间运行后，尽管满足条件n≥n’，仍然可以出现单向离合器的锁紧的显著的延迟。除此之外，即使在锁紧后并且满足条件n≥n’时，也不能排除旋转件2、3的相互滑移运动，即滑移运动也可能在通过单向离合器1进行扭矩转输过程中产生。

这种旋转件2、3之间的滑移运动将致使施加于单向离合器1上的扭矩M和旋转件2、3的相互扭转角α之间不存在单值的、可以用于单值地确定M的关联。因此，现在的目标是，消除滑移运动对确定扭矩M所产生的影响。，以下根据图4说明对此的可能方案。

图4示出将待测扭矩M通过例如踏板曲柄(特别是自行车踏板曲柄)导入旋转件2时旋转件2、3的扭转角α曲线。总是在施加的踏板力垂直于连杆时，转矩M达到最大。由于M和α间的比例关系，角度α也存在一个这样的最大值。在对踏板曲柄进行均衡操作和没有滑差情况下，存在如图4所示的周期为T的周期性时间变化曲线α(t)。

可以对周期T(即在旋转件2、3的相互扭转角α两个最大值之间的时间段)进行测量。替代地，可以通过测量旋转件2的角速度或旋转速度通过关系式n＝2π/T来确定周期T。

在均衡操作踏板曲柄情况下，若每次在周期T之后角度α能达到其最大值并且每次能达到相同的角度值，则可以排除旋转件2、3之间的滑差影响。无论滑差是否出现，都可以进行持续控制，即获取到每次角度α出现最大值的时刻t’和其角速度n并且而后确定在t’+T时刻是否会再次出现最大值。若是这种情况，则没有滑差，并且所确定的旋转件2、3间的扭转角α值可用于确定扭矩M。

但是，若存在滑差，在确定M时，则需要在时间变化曲线α(t)上的一个阶段(在该阶段滑差尽可能小的)期间确定旋转件2、3的相互扭转角。根据图4，为此观察例如最大值a_max之后长度为T’的阶段，其中，任意确定长度T’与周期T的比例。在该阶段T’内，旋转件2、3的相互扭转角减小角度Δα，Δa与α_max成一定比例。在与α_max相对应的最大转矩M_max和角度Δα之间存在一个函数关系，该函数关系可用于从测得的Δa值来确定M_max。M_max和Δα之间大致成比例关系，如图5所示。

为了测量M_max，需要确定最大值α_max出现的时刻t’，并且随后确定从该时刻到时间段T’结束所出现的变化量Δα。周期T并因而阶段T’长度可以由旋转件2的角速度n确定(T＝2π/n)，其中，测量角速度n可以与确定时刻T’例如同时进行。

也可以将函数α(t)的靠近α_max的两个拐点之一与α_max之间的时间间隔或所述两个拐点之间的时间间隔作为阶段T’。

Claims

1.扭矩传感器，其特征为：设有包含第一旋转件(2)的单向离合器(1)，通过该第一旋转件能在一个旋转方向上将待确定的扭矩传输至与第一旋转件(2)同轴的第二旋转件(3)；和设有用以确定第一旋转件(2)在所述旋转方向上相对于第二旋转件(3)的扭转角α以及根据所确定的扭转角来确触扭矩M的装置(7-15)。

2.根据权利要求1的扭矩传感器，其特征在于，用以确定旋转件(2、3)之间相互扭转角α的装置(7-15)设置用于彼此独立确定旋转件(2、3)的旋转角。

3.根据权利要求2的扭矩传感器，其特征在于，用以确定旋转件(2、3)之间相互扭转角α的装置(7-15)设置用以确定两个旋转件(2、3)的旋转角对于时间的导数。

4.根据权利要求1至3之一的扭矩传感器，其特征在于，用以确定旋转件(2、3)之间相互扭转角α的装置(7-15)包舍至少一个与其中一个旋转件(2、3)同轴的测量环(7、8)，所述测量环具有环绕的标记(10)和探测该标记的探测器(11、12)。

5.根据权利要求4的扭矩传感器，其特征在于，所述标记由测量环(7、8)的在圆周方向上可变化的磁化(10)构成。

6.根据权利要求5的扭矩传感器，其特征在于，测量环(7、8)在圆周方向上按照一个周期函数进行磁化。

7.根据权利要求4至6之一的扭矩传感器，其特征在于，测量环(7、8)的外层(9)是被磁化的。

8.根据权利要求4至7之一的扭矩传感器，其特征在于，探测器(11、12)包含两个在测量环圆周方向上这样按一定距离布置的测值传感器(13、14)，使得通过测值传感器(13、14)的测量值能确定周期函数的一个周期内的测量环(7、8)位置。

9.根据权利要求1至8之一的扭矩传感器，其特征在于，扭矩传感器包含多个同轴的、在相反旋转方向上起作用的单向离合器。

10.根据权利要求1至9之一的扭矩传感器，其特征在于，设置用于记录旋转件(2、3)之间滑差的装置。

11.根据权利要求1至10之一的扭矩传感器，其特征在于，待测扭矩具有确定的随时间分布曲线，特别是具有周期性。

12.根据权利要求11的扭矩传感器，其特征在于，设置用以检测周期长度(T)的装置。

13.根据权利要求1至12之一的扭矩传感器，其特征在于，设置用以检测旋转件(2、3)之间的扭转角α达到极值时的时刻(t’)的装置。

14.根据权利要求12或13的扭矩传感器，其特征在于，设置记录旋转件之间滑差的装置，以将旋转件(2、3)之间扭转角(α)的依次相继的各极值之间的时间间隔与周期长度(T)比较。

15.根据权利要求11至14之一的扭矩传感器，其特征在于，设置用以在待确定扭矩的随时间分布曲线的确定时间段(T’)内检测旋转件(2、3)之间扭转角(Δα)的装置。

16.根据权利要求15的扭矩传感器，其特征在于，在所述确定时间段期间出现旋转件(2、3)之间扭转角(α)的最大值。

17.根据权利要求16的扭矩传感器，其特征在于，所述用以检测在确定时间段期间扭转角(Δα)的装置设置用于检测从最大值出现的时刻(t’)直到所述确定时间段(T’)结束时的扭转角(Δα)，其中，时间段长度(T’)与周期(T)成确定的比例。