CN103486965A - 测量转向角度和扭矩的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量转向角度和扭矩的装置，包括中壳，其特征是，所述的中壳一侧设有输入机构，所述的输入机构与中壳固定连接，所述的中壳另一侧设有输出机构，所述的输出机构与中壳固定连接，所述的输出机构包括转向角测量机构和扭矩测量机构，所述的转向角测量机构和扭矩测量机构均与中壳固定连接。输入机构与输入轴连接，输出机构与输出轴连接，通过转向角测量机构测量车辆的转向角度，通过扭矩测量机构测量测量转向时的扭矩。本发明与现有技术相比较其有益效果是可以应用于电动助力转向系统，检测转向盘旋转角度和输入扭矩，不仅结构简单、安装方便，而且成本较低、可靠性、精度都比较高。

Description

测量转向角度和扭矩的装置

 

技术领域

本发明涉及一种汽车生产检测装置，更具体的说，本发明涉及一种汽车转向系统的测量转向角度和扭矩的装置。

背景技术

目前，电动助力转向系统根据转向盘扭矩传感器输出的信号和车速信号的大小来控制助力电机输出助力。非接触式转向盘扭矩传感器由于具有精度高、可靠性高、使用寿命长等优点，已成为电动助力转向扭矩传感器发展的趋势。

非接触式扭矩传感器又可分为电磁式、电感式、光电式等等。光电式转向盘扭矩传感器原理简单，但其生产制造困难。电磁式转向盘扭矩传感器结构较简单，灵敏度高，但是需要专门的信号发生与处理电路，信号容易受干扰。

电动助力转向系统只有增加角度传感器方可实现“主动回正”、“辅助停车”等功能，为以后的无人驾驶奠定基础。

现有的角度和扭矩一体的传感器结构复杂、制造生产困难、成本高、可靠性不高的缺点。

发明内容

本发明的目的在于解决现有上述的问题，提供了一种结构简单、制造方便、成本低的测量转向角度和扭矩的装置。

为实现以上目的，本发明的技术方案是一种测量转向角度和扭矩的装置，包括中壳，其特征是，所述的中壳一侧设有输入机构，所述的输入机构与中壳固定连接，所述的中壳另一侧设有输出机构，所述的输出机构与中壳固定连接，所述的输出机构包括转向角测量机构和扭矩测量机构，所述的转向角测量机构和扭矩测量机构均与中壳固定连接。输入机构与输入轴连接，输出机构与输出轴连接，通过转向角测量机构测量车辆的转向角度，通过扭矩测量机构测量测量转向时的扭矩，结构简单，安装方便，成本低，精度高，可靠性高。

作为优选，所述的输入机构包括输入衬套，所述的输入衬套上设有磁环，所述的磁环与输入衬套固定连接。输入衬套与输入轴连接，通过磁环与其他部件的相互作用来测量扭矩。

作为优选，所述的扭矩测量装置包括输出衬套，所述的输出衬套上设有集磁圈保持架，所述的输出衬套与集磁圈保持架固定连接，所述的输出衬套中心线与输入衬套中心线重合。输出衬套与输出轴连接，输出衬套固定在集磁圈保持架上，输出衬套的中心线与输入衬套的中心线重合，能够保证测量数据的精度达到一定的要求。

作为优选，所述的磁环外部套设有两个相互交错的集磁圈，所述的集磁圈与集磁圈保持架固定连接，所述的两个集磁圈外侧均设有检测圈。集磁圈保持架上的两个相互交错的集磁圈套在磁环外部，两个集磁圈外侧还有检测圈，通过磁环与集磁圈的相互运动，再通过检测圈检测到磁环与集磁圈相互运动的磁场大小，从而测出扭矩的大小。

作为优选，所述的检测圈外侧设有扭矩PCB板，所述的检测圈之间设有扭矩芯片，所述的扭矩芯片与扭矩PCB板固定连接。扭矩芯片接收到检测圈的信号，通过信号数据处理从而得出扭矩数值。

作为优选，所述的转向角测量机构包括主齿轮，所述的主齿轮与集磁圈保持架固定连接，所述的主齿轮连接有第一从动齿轮，所述的第一从动齿轮与主齿轮啮合，所述的第一从动齿轮连接有第二从动齿轮，所述的第二从动齿轮与第一从动齿轮啮合。主齿轮和第一从动齿轮相互啮合，第一从动齿轮与第二从动齿轮相互啮合，通过测量第一从动齿轮和第二从动齿轮的转动角度，再根据第一齿轮和第二齿轮相互关系，确定主动轮的转动角度，从而确定车辆的旋转角度。

作为优选，所述的第一从动齿轮和第二从动齿轮一侧与中壳活动连接，所述的第一从动齿轮和第二从动齿轮的另一侧设有角度PCB板，所述的角度PCB版与中壳活动连接。第一从动齿轮和第二从动齿轮一侧通过中壳连接，第一从动齿轮和第二从动齿轮另一侧通过角度PCB板连接，在中壳和角度PCB板的共同作用下，第一从动齿轮和第二从动齿轮稳定旋转，增加了测量的精度。

作为优选，所述的第一从动齿轮和第二从动齿轮上均设有检测磁片，所述的检测磁片与第一从动齿轮和第二从动齿轮均同轴，所述的检测磁片一端与第一从动齿轮和第二从动齿轮均固定连接，所述的检测磁片另一端与角度PCB板固定连接。检测磁片检测到第一从动齿轮和第二从动齿轮的转动角度，根据第一从动齿轮和第二从动齿轮的转动角度即可算出主齿轮的转动角度，从而得出车辆的转向角度。

作为优选，所述的中壳的一侧设有上盖，所述的上盖与中壳固定连接，所述的中壳的另一侧设有底盖，所述的底盖与中壳固定连接。中盖两侧的底盖和上盖都用户保护内部元件，防止内部元件损坏，保证测量的精度。

作为优选，所述的中壳上设有输出接口，所述的输出接口与中壳固定连接。输出接口与MCU芯片和电源连接，电源用于提供电能，MCU芯片用于处理计算装置内部测量的数据。

本发明具有以下有益效果：与现有技术相比较其有益效果是可以应用于电动助力转向系统，检测转向盘旋转角度和输入扭矩，不仅结构简单、安装方便，而且成本较低、可靠性、精度都比较高。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是图1的一种右视图；

图3是转向角测量机构的一种结构示意图；

图4是本发明使用安装的一种结构示意图；

图5 是扭矩测量机构的一种结构示意图；

图6是输入机构的一种结构示意图。

1、输入衬套；2、磁环；3、集磁圈；4、检测圈；5、输出衬套；6、集磁圈保持架；7、扭矩芯片；8、中壳；9、上盖；10、底盖；11、主齿轮；12、第一从动齿轮；13、第二从动齿轮；14、检测磁片；15、角度PCB板；16、输出轴；17、扭杆；18、销；19、输入轴；20、扭矩PCB板；21、输出接口。

具体实施方式

下面结合具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的说明：

实施例：测量转向角度和扭矩的装置（见附图1-6），包括中壳8，中壳8右侧设有输入机构，输入机构与中壳8螺栓连接，中壳8左侧设有输出机构，输出机构与中壳8螺栓连接，输出机构包括转向角测量机构和扭矩测量机构，转向角测量机构和扭矩测量机构均与中壳8螺栓连接，输入机构包括输入衬套1，输入衬套1上设有磁环2，磁环2与输入衬套1固定连接，扭矩测量装置包括输出衬套5，输出衬套5上设有集磁圈保持架6，输出衬套5与集磁圈保持架6固定连接，输出衬套5中心线与输入衬套1中心线重合，磁环2外部套设有两个相互交错的集磁圈3，集磁圈3与集磁圈保持架6固定连接，两个集磁圈3外侧均设有检测圈4，检测圈4外侧设有扭矩PCB板20，检测圈4之间设有扭矩芯片7，扭矩芯片7与扭矩PCB板20固定连接，转向角测量机构包括主齿轮11，主齿轮11与集磁圈保持架6固定连接，主齿轮11连接有第一从动齿轮12，第一从动齿轮12与主齿轮11啮合，第一从动齿轮12连接有第二从动齿轮13，第二从动齿轮13与第一从动齿轮12啮合，第一从动齿轮12和第二从动齿轮13一侧与中壳活动连接，第一从动齿轮12和第二从动齿轮13的另一侧设有角度PCB板15，角度PCB板15与中壳8活动连接，第一从动齿轮12和第二从动齿轮13上均设有检测磁片14，检测磁片14与第一从动齿轮12和第二从动齿轮13均同轴，检测磁片14一端与第一从动齿轮12和第二从动齿轮13均固定连接，检测磁片14另一端与角度PCB板15固定连接，中壳8的一侧设有上盖9，上盖9与中壳8螺栓连接，中壳8的另一侧设有底盖10，底盖10与中壳8螺栓连接，中壳8上设有输出接口21，输出接口21与中壳8螺栓连接。

本发明涉及的转向角度计算公式为：M/M1-M/M2=1/N

其中M、M1、M2分别为主齿轮、第一从动齿轮、第二从动齿轮三齿轮的齿数，N为角度传感器可测量的总圈数。

环状交错均匀分布的N、S磁极的磁环2通过注塑工艺固定在输入衬套1上；两个集磁圈3交错与输出衬套5作为嵌件一同注塑固定在集磁圈保持架6上；中壳8位于集磁圈保持架6和主齿轮11之间，主齿轮11固定在集磁圈保持架6上，与输出衬套5同心，主齿轮11与第一从动齿轮12啮合，第一从动齿轮12与第二从动齿轮13啮合，第一从动齿轮12和第二从动齿轮13中各嵌有一枚与其同心转动的检测磁片14，检测磁片14上对称分布着一对N\S磁极，第一从动齿轮12和第二从动齿轮13均位于中壳8与PCB板15之间，均绕其齿轮中心线啮合旋转，两检测磁片14通过标贴工艺固定在PCB板15上，PCB板15上同时还具有根据上述公式计算绝对角度值的一块MCU芯片和电源管理模块，电源管理模块的作用是给本装置供电的电源电压进行滤波和防止电源短路、接错等。

两集磁圈3的上方分别有一个检测圈4，且集磁圈和检测圈之间存有一定间隙，两个检测圈4分别固定在上盖9和底壳10上，扭矩芯片7位于两检测圈之间，扭矩芯片7通过标贴工艺固定在扭矩PCB板20上，PCB板15位于底壳10与主齿轮11、第一从动齿轮12、第二从动齿轮13三齿轮之间，上盖9和底壳10通过螺钉与中壳8固定在一起。

输入衬套1通过铆接或者焊接固定在输入轴19上，输出衬套5通过铆接或者焊接固定在输出轴16上，输入轴19与输出轴16经过弹性元件扭杆17固定连接在一起，扭杆17一端过盈压装到输出轴16中，一端与输入轴19通过销18固定连接。

搭载本发明装置的车辆静止或者直线行驶时，即输入轴19上未施加扭矩，扭杆17没有发生弹性形变。磁环2与集磁圈3没有相对转动，则两个集磁圈3收集到的磁场强度为零，那么两个检测圈4没有传导磁场，扭矩芯片7会输出两路大小相等，数值不变的电信号。

输出轴16未转动，主齿轮11也没有旋转，两角度芯片也没有检测到磁场的变化，PCB板15上的MCU也会输出一个不变的关于绝对角度信息的电信号。

搭载本发明装置的车辆左转向，即输入轴19向左旋转，扭杆17产生左转的弹性变形，磁环2与集磁圈3发生相对向左的转动，两个集磁圈3会收集到大小相等、磁极相反的磁场（磁场的大小和磁环上磁场强度、扭杆刚度、扭杆变形量等有关），该磁场经两个检测圈4传导给扭矩芯片7，扭矩芯片7根据磁场强度的大小和方向输出两路电信号，该两路电信号的类型和大小可对扭矩芯片7编程来满足使用者的需求。

输入轴19通过扭杆17带动输出轴16向左旋转，主齿轮11向左旋转，带动与其啮合的第一从动齿轮12旋转，从而带动第二从动齿轮11旋转，第一从动齿轮12和第二从动齿轮11下方的角度芯片检测到其内部的检测磁片14旋转的方向和角度值，PCB板15上的MCU通过两角度芯片的信号就可根据公式推算出主齿轮11旋转的角度值，即为输出轴16向左旋转的绝对角度值。

搭载本发明装置的车辆右转向，即输入轴19向右旋转，扭杆17产生右转的弹性变形，磁环2与集磁圈3发生相对向右的转动，两个集磁圈3会收集到大小相等、磁极相反的磁场，磁场的方向与案例2中的磁场方向相反。同样经过检测圈4传导给扭矩芯片7，扭矩芯片7输出两路电信号，其方向与案例2中的相反，其大小也和磁环上磁场强度、扭杆刚度、扭杆变形量等有关，也可根据扭矩芯片7可编程的特点来满足使用要求。

输入轴19通过扭杆17带动输出轴16向右旋转，主齿轮11向右旋转，带动与其啮合的第一从动齿轮12旋转，从而带动第二从动齿轮11旋转，第一从动齿轮12和第二从动齿轮11下方的角度芯片检测到其内部的检测磁片14旋转的方向和角度值，PCB板15上的MCU通过两角度芯片的信号就可根据公式推算出主齿轮11旋转的角度值，即为输出轴16向右旋转的绝对角度值。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种测量转向角度和扭矩的装置，包括中壳，其特征是，所述的中壳一侧设有输入机构，所述的输入机构与中壳固定连接，所述的中壳另一侧设有输出机构，所述的输出机构与中壳固定连接，所述的输出机构包括转向角测量机构和扭矩测量机构，所述的转向角测量机构和扭矩测量机构均与中壳固定连接。

2.根据权利要求1所述的测量转向角度和扭矩的装置，其特征是，所述的输入机构包括输入衬套，所述的输入衬套上设有磁环，所述的磁环与输入衬套固定连接。

3.根据权利要求2所述的测量转向角度和扭矩的装置，其特征是，所述的扭矩测量装置包括输出衬套，所述的输出衬套上设有集磁圈保持架，所述的输出衬套与集磁圈保持架固定连接，所述的输出衬套中心线与输入衬套中心线重合。

4.根据权利要求3所述的测量转向角度和扭矩的装置，其特征是，所述的磁环外部套设有两个相互交错的集磁圈，所述的集磁圈与集磁圈保持架固定连接，所述的两个集磁圈外侧均设有检测圈。

5.根据权利要求3所述的测量转向角度和扭矩的装置，其特征是，所述的检测圈外侧设有扭矩PCB板，所述的检测圈之间设有扭矩芯片，所述的扭矩芯片与扭矩PCB板固定连接。

6.根据权利要求3所述的测量转向角度和扭矩的装置，其特征是，所述的转向角测量机构包括主齿轮，所述的主齿轮与集磁圈保持架固定连接，所述的主齿轮连接有第一从动齿轮，所述的第一从动齿轮与主齿轮啮合，所述的第一从动齿轮连接有第二从动齿轮，所述的第二从动齿轮与第一从动齿轮啮合。

7.根据权利要求5所述的测量转向角度和扭矩的装置，其特征是，所述的第一从动齿轮和第二从动齿轮一侧与中壳活动连接，所述的第一从动齿轮和第二从动齿轮的另一侧设有角度PCB板，所述的角度PCB版与中壳活动连接。

8.根据权利要求6或7所述的测量转向角度和扭矩的装置，其特征是，所述的第一从动齿轮和第二从动齿轮上均设有检测磁片，所述的检测磁片与第一从动齿轮和第二从动齿轮均同轴，所述的检测磁片一端与第一从动齿轮和第二从动齿轮均固定连接，所述的检测磁片另一端与角度PCB板固定连接。

9.根据权利要求1至7任意一项所述的测量转向角度和扭矩的装置，其特征是，所述的中壳的一侧设有上盖，所述的上盖与中壳固定连接，所述的中壳的另一侧设有底盖，所述的底盖与中壳固定连接。

10.根据权利要求1至7任意一项所述的测量转向角度和扭矩的装置，其特征是，所述的中壳上设有输出接口，所述的输出接口与中壳固定连接。

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