CN104675942A

CN104675942A - 用于测量谐波传动器的扭矩输出的技术

Info

Publication number: CN104675942A
Application number: CN201410299587.0A
Authority: CN
Inventors: 朴俊奂
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2034-06-26
Also published as: US20150153240A1; KR101664534B1; US9945468B2; DE102014210513A1; CN104675942B; KR20150064625A

Abstract

本发明提供一种谐波传动器，包括：输入轴，上述输入轴连接到第一元件，上述第一元件是波发生器、柔轮和刚轮中的一者；传动器壳，上述传动器壳经由轴承连接到上述输入轴；负载传感器，上述负载传感器安装在上述传动器壳、上述输入轴和上述波发生器中的任一者中，并测量轴向负载，上述轴向负载从上述波发生器产生并转移到上述输入轴或经由上述输入轴转移到上述传动器壳；以及处理器，上述处理器配置为从由上述负载传感器测量得到的上述轴向负载倒算出从第二元件输出的输出扭矩，上述第二元件是除上述第一元件外的两个元件中的一者。

Description

用于测量谐波传动器的扭矩输出的技术

技术领域

本发明涉及能够测量从谐波传动器(harmonic drive)的波发生器生成的轴向力，由此无需扭矩单元就能测量输出扭矩的谐波传动器。

背景技术

谐波传动器与传统齿轮系(例如斜齿轮或行星齿轮)相比较能够改善运动平移(motion translation)的某些特性。一般而言，谐波传动器(也称为“应变波传动装置(strain wave gearing)”)一般由三个基本组件组成：波发生器、柔轮(flex spline)和刚轮(circular spline)。在谐波传动器中，波发生器通常具有椭圆形并安装在柔轮内，安装有波发生器的柔轮安装在刚轮的内周面上。刚轮的内周面与柔轮的外周面一般被啮合以便防止滑动。

在这些类型的系统中，重要的是测量输出扭矩。当前，这通过扭矩单元完成。然而，随着输出扭矩增加，扭矩单元的刚度也增加。这样，结果是扭矩单元的体积/重量也应增加。另外，需要用于将扭矩单元限制在一个自由度的附加构件，这也使体积/重量增加。因此，由于输出级的惯性增加，因此由当前测量技术引起系统的响应性变差。

前述内容仅意在帮助理解本发明的背景技术，不意在使本发明落入本领域技术人员已知的相关技术的范围内。

发明内容

于是，本发明是鉴于相关技术中出现的上面问题而做出的，本发明旨在提供一种谐波传动器，该谐波传动器能够测量从其波发生器生成的轴向力，由此无需扭矩单元就能够测量输出扭矩。

为实现上面目标，根据本发明的一方面，提供一种用于测量谐波传动器的扭矩输出的技术，该谐波传动器包括：输入轴，上述输入轴连接到第一元件，上述第一元件是波发生器、柔轮和刚轮中的一者；传动器壳，上述传动器壳经由轴承连接到上述输入轴；负载传感器(loadcell)，上述负载传感器安装在上述传动器壳、上述输入轴和上述波发生器中的任一者中，并测量轴向负载，上述轴向负载从上述波发生器产生并转移到上述输入轴或经由上述输入轴转移到上述传动器壳；以及处理器，上述处理器配置为从由上述负载传感器测量得到的上述轴向负载倒算出从第二元件输出的输出扭矩，上述第二元件是除上述第一元件外的两个元件中的一者。

这样，在本发明的某些示例性实施例中，上述输入轴可以固定于驱动电动机的转子。此外，上述传动器壳可以围绕上述输入轴的侧面，并且配置为其后端经由轴承连接到上述输入轴的后端，其前端固定于上述刚轮。

另外，关于上述处理，上述处理器可以配置为利用下面公式倒算出上述输出扭矩：

F＝2×T/D×0.07×tan(a)

其中F是轴向负载，T是输出扭矩，D是校正系数，a是取决于减速比的常数。

另外，在本发明的某些示例性实施例中，上述第一元件可以是波发生器，上述第二元件可以是柔轮。

作为优点，根据具有如上所述的结构的谐波传动器，无需扭矩单元就能够测量驱动模块的输出扭矩。由于移除了扭矩单元，因此驱动模块的体积/重量能够减小。而且，设计的自由度得以提高。另外，与驱动模块关联的部件的数目能够减少，而且通过减小输出级的惯性，系统响应性得以改善。另外，由于轴向负载的大小根据减速/加速状态而变化，因此能够测量输出级负载的变化。

附图说明

本发明的上述和其他目的、特征和其他优点将在结合附图进行的以下具体实施方式中更加显而易见，在这些附图中：

图1示出本发明的示例性实施例的谐波传动器的主要部件；以及

图2示出本发明的示例性实施例的谐波传动器的整体配置。

具体实施方式

应理解，本文使用的术语“车辆”(vehicle)或“车辆的”(vehicular)或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)在内的乘用车、公交车、卡车、各种商务车、包括各种船只和船舶的水运工具、飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车、燃料电池车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。

此外，应该理解，下述方法由至少一个控制器执行。术语控制器是指包括存储器和处理器的硬件装置，该处理器配置为执行应解释为其算法结构的一个或多个步骤。该存储器配置为存储算法步骤，而处理器具体配置为执行算法步骤，以便执行下面进一步描述的一个或多个进程。

此外，本发明的控制逻辑也可具体化为计算机可读介质上的有形的非瞬时性计算机可读介质，该计算机可读介质包含由处理器、控制器等执行的可执行程序指令。计算机可读介质的例子包括但不限于ROM、RAM、CD-ROM(只读光盘)，磁带、软盘、闪盘(flash drive)、智能卡和光学数据存储装置。计算机可读记录介质也可分布在连接网络(network coupled)的计算机系统中，以便例如通过远程服务器或控制器局域网络(CAN：Controller Area Network)以分布形式存储和执行计算机可读介质。

如上讨论，本发明致力于在与谐波传动器关联的驱动模块中容易地测量输出扭矩。如上讨论，在常规扭矩输出测量系统中，随着输出扭矩增加，扭矩单元的刚度也一定增加。这样，结果是扭矩单元的体积/重量增加。另外，一般需要用于将扭矩单元限制在一个自由度的附加构件，该另外构件使上述体积/重量增加。所以，由于输出级的惯性增加，因此系统响应性变差。这样，根据本发明提供无需扭矩单元就能测量谐波传动器输出扭矩的技术。

在下文中，参考附图，详细描述本发明的示例性实施例。

图1示出本发明的示例性实施例的谐波传动器的主要部件，图2示出本发明的示例性实施例的谐波传动器的整体配置。

本发明的示例性实施例的用于测量谐波传动器的输出扭矩的技术和设备包括：连接到第一元件的输入轴，该第一元件是三个元件即波发生器、柔轮和刚轮中的一者；经由轴承连接到输入轴的传动器壳；负载传感器，其安装在传动器壳、输入轴和波发生器中的任一者中并测量轴向负载，该轴向负载从波发生器发生并转移到输入轴或经由输入轴转移到传动器壳；以及处理器，其配置为从由负载传感器测量得到的轴向负载倒算出从第二元件输出的输出扭矩，该第二元件是除第一元件外的两个元件中的一个。

在以下实施例中，第一元件描述为波发生器，第二元件描述为柔轮。然而，很显然，本发明的范围不仅限于以下实施例。

在如示出的本发明的实施例中，输入轴620连接到波发生器100，传动器壳660经由轴承640连接到输入轴620。负载传感器680安装在传动器壳660中，并测量在轴向上施加到传动器壳660的轴向负载。另外，处理器690配置为从由负载传感器680测量得到的轴向负载倒算出从柔轮300输出的输出扭矩。

在此情况下，当显著的外部负载施加到输出侧，即柔轮时，谐波传动器反向充当增速器，因此波发生器可作为输出侧操作。

另一方面，如图1所示，本发明的示例性实施例的谐波传动器由刚轮500、柔轮300和波发生器100组成，与在通常谐波传动器中的情况相同。取决于电动机的驱动的输入转移到波发生器100，并且输出通过柔轮300被转移。刚轮500固定在所设置位置中。

图2详细示出整个谐波传动器。本发明的实施例的谐波传动器包括：连接到波发生器100的输入轴620；经由轴承640连接到输入轴620的传动器壳660；负载传感器680，其安装在传动器壳660中并测量轴向负载，该轴向负载在轴向上施加到传动器壳660；以及处理器690，其从由负载传感器680测量得到的轴向负载倒算出从柔轮300输出的输出扭矩。另外，输入轴620的中间部610可固定到驱动电动机的转子600。

传动器壳600可形成为围绕输入轴的侧面，并配置为其后端经由轴承640连接到输入轴620的后端，其前端可固定到刚轮500。

此外，在本发明的示例性实施例中，处理器可配置为由下面公式倒算出输出扭矩：

F＝2×T/D×0.07×tan(a)

在现有谐波传动系统中，驱动模块限制除输出轴方向上的自由度之外的所有自由度，扭矩单元安装在输出轴上。这样，应该要实际地验证谐波传动器的输出扭矩。

然而，本发明涉及测量施加到波发生器的轴向负载并测量输出扭矩的技术。在该谐波传动器中，轴向负载在输出轴的方向上通过波发生器的自转/公转而施加，并且从波发生器生成的轴向负载的方向和大小根据波发生器的加速/减速方向而变化。

如示例性实施例所示，波发生器设计成由单个轴承支承其轴向力。负载传感器附着于单个轴承所处的壳。当输入为零(0)时，壳的应变调整到零点。此处，当输入轴旋转时，连接到输入轴的波发生器接收轴向负载，轴向负载经由输入轴和轴承转移到壳，这样，测量壳的应变。

由于轴向负载具有如下面公式中的与输出扭矩的比例关系，因此输出扭矩可利用由负载传感器测量得到的壳的应变倒算得到。

F＝2×T/D×0.07×tan(a)

其中F是轴向负载，T是输出扭矩，D是校正系数，该校正系数是根据谐波传动器确定的实验值，并且a是取决于减速比的常数。

而且，由于轴向负载的大小根据减速/加速状态而变化，因此可以测量输出级的负载变化。

由此，无需扭矩单元就能测量驱动模块的输出扭矩。由于移除了扭矩单元，因此驱动模块的体积/重量得以减小。而且，设计的自由度得以提高。

另外，驱动模块的部件数目得以减少，并且通过减小输出级的惯性，系统响应性得以改善。

尽管本发明的示例性实施例是为了说明目的而描述的，但本领域技术人员应明白，在不背离如所附权利要求中公开的本发明的范围和精神的情况下，能够做出各种修改、添加和替换。

Claims

1.一种谐波传动系统，包括：

输入轴，所述输入轴连接到第一元件，所述第一元件是波发生器、柔轮和刚轮中的一者；

传动器壳，所述传动器壳经由轴承连接到所述输入轴；

负载传感器，所述负载传感器安装在所述传动器壳、所述输入轴和所述波发生器中的任一者中，并测量轴向负载，所述轴向负载从所述波发生器产生并转移到所述输入轴或经由所述输入轴转移到所述传动器壳；以及

处理器，所述处理器配置为从由所述负载传感器测量得到的所述轴向负载倒算出从第二元件输出的输出扭矩，所述第二元件是除所述第一元件外的两个元件中的一者。

2.根据权利要求1所述的谐波传动系统，其中所述输入轴固定于驱动电动机的转子。

3.根据权利要求1所述的谐波传动系统，其中所述传动器壳围绕所述输入轴的侧面，并且配置为其后端经由轴承连接到所述输入轴的后端，其前端固定于所述刚轮。

4.根据权利要求1所述的谐波传动系统，其中所述处理器利用下面公式倒算出所述输出扭矩：

F＝2×T/D×0.07×tan(a)

5.根据权利要求1所述的谐波传动系统，其中所述第一元件是波发生器，所述第二元件是柔轮。

6.一种用于测量谐波传动系统的扭矩输出的方法，所述方法包括：

由安装在传动器壳、输入轴和波发生器中的任一者中的负载传感器测量轴向负载，所述轴向负载从所述波发生器发生并转移到所述输入轴或经由所述输入轴转移到所述传动器壳，其中所述输入轴连接到第一元件，所述第一元件是所述波发生器、柔轮和刚轮中的一者；以及

由处理器从由所述负载传感器测量得到的所述轴向负载计算出从第二元件输出的输出扭矩，所述第二元件是除所述第一元件外的两个元件中的一者。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括：利用下面公式倒算出所述输出扭矩：

F＝2×T/D×0.07×tan(a)

其中F是轴向负载，T是输出扭矩，D是校正系数，并且a是取决于减速比的常数。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一元件是波发生器，所述第二元件是柔轮。

9.根据权利要求1所述的方法，其中配置为执行所述计算步骤的控制逻辑存储在非瞬时性计算机可读介质上。