CN106794872B - 转矩传感器装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种转矩传感器装置，该转矩传感器装置设置在输入轴和输出轴之间，并且通过输入轴和输出轴之间的相对旋转位移来检测输入轴和输出轴之间的转矩。转矩传感器装置包括：外壳，其被配置成容纳输入轴的端部和输出轴的端部，被固定就位，并且能够相对于输入轴和输出轴旋转；磁体单元，其包括磁体块，磁体块通过固定就位于外壳中而容纳在外壳中；收集器单元，其具有分别与输入轴和输出轴连接的部分，被设置为一起旋转，并且具有收集器，该收集器的一个或多个部分在输入轴和输出轴的径向方向上设置在输入轴和输出轴与磁体块之间，从而将由磁体单元产生的磁场集中；以及感测单元，其包括转矩传感器，转矩传感器围绕收集器单元的周缘设置并且检测由收集器单元集中的磁场。

Description

转矩传感器装置
技术领域
本发明涉及转矩传感器，更具体地，涉及用于检测施加到包括输入轴和输出轴的轴的转矩的转矩传感器。
背景技术
通常，与路面接触的车辆车轮在车辆行驶或停驶期间根据方向盘的旋转而旋转。换句话讲，当方向盘向左或向右旋转时，车辆车轮在与方向盘的旋转方向相同的方向上旋转。然而，可能存在的问题是，因为车辆车轮与路面接触，所以方向盘和车辆车轮的旋转量由于车辆车轮和路面之间产生的摩擦而变得互不相同。为此原因，驾驶员需要很大的力量来操纵方向盘。
车辆包括作为转向力辅助装置的动力转向(PS)系统。在动力转向系统中，使用电动机的EPS方案的覆盖范围正推广到现实生活中使用的乘用车中。
出于动力辅助的目的，动力转向系统设置有转矩传感器，该转矩传感器测量与方向盘连接的输入轴侧和与车辆车轮连接的输出轴侧之间的旋转角度偏差，以检测输入轴和输出轴之间的转矩负载。
转矩传感器被主要划分成接触型和非接触型。因为接触型牵涉到产生噪声并且耐久性降低的问题，所以非接触型是近来优选的。另外，非接触型转矩传感器被大致分类为磁阻检测型、磁变形检测型、电容检测型和光学检测型。
同时，设置在电动力转向系统中的传统磁阻检测型转矩传感器包括输入轴和输出轴，输入轴的上端与驾驶员所操纵的方向盘联接，输出轴的上端通过扭力杆与输入轴的下端联接。输出轴的下端连接到车辆车轮。包括扭力杆的输入轴的下端和输出轴的上端被外壳覆盖，在外壳中容纳有如上所述的转矩传感器和动力装置。在这种情况下，输入轴包括磁极性以规则间隔交替布置的永磁体。另外，输出轴设置有具有齿轮结构的检测环，该齿轮结构的极性的数量对应于永磁体的极性的数量并且该齿轮结构由铁磁物质制成，铁磁物质可产生因输入轴中包括的永磁体所造成的磁感应。检测环被构造成使得用于检测磁性的传感器连接到检测环。在这种情况下，设置在输入轴处的永磁体和设置在输出轴处的齿轮结构的检测环之间的相对扭转造成永磁体和检测环彼此面对的区域改变。因此，检测环中的磁通量改变并且由传感器来检测磁通量的变化，使得可检测输出轴相对于输入轴的扭转角度。
然而，传统的非接触型转矩传感器遭遇的问题是，需要过量的构成元件并且组装过程是复杂的，从而导致出现错误操作的概率和制造成本增加，并且暴露出由于过量的构成元件而导致的与转矩传感器的耐用期关联的问题。
发明内容
技术问题
因此，本发明致力于解决以上提到的现有技术中出现的问题，并且本发明的目的是提供可被制造为具有简单结构的，可提高灵敏度和检测可靠性并且可降低制造成本的转矩传感器装置。
技术方案
为了实现以上目的，本发明提供了一种转矩传感器装置，该转矩传感器装置设置在输入轴和输出轴之间，并且被配置成通过所述输入轴和所述输出轴之间的相对旋转位移来检测所述输入轴和所述输出轴之间的转矩，该转矩传感器装置包括：外壳，该外壳被配置成容纳所述输入轴的端部和所述输出轴的端部并且被固定就位，以能够执行相对于所述输入轴和所述输出轴的相对旋转；磁体单元，该磁体单元包括磁体块，所述磁体块以被固定就位于所述外壳这样的方式容纳在所述外壳中；收集器单元，该收集器单元包括收集器，所述收集器以与所述输入轴和所述输出轴中的每个部分地连接从而能旋转这样的方式，在所述输入轴和所述输出轴的径向方向上至少部分设置在所述输入轴和所述磁体块之间以及所述输出轴和所述磁体块之间，所述收集器被配置成将由所述磁体单元产生的磁场集中；以及感测单元，该感测单元包括转矩传感器，所述转矩传感器设置在所述收集器单元的外周缘处并且被配置成检测由所述收集器单元集中的磁场。所述收集器单元包括：上收集器，该上收集器连接到所述输入轴，以与所述输入轴一起旋转；下收集器，该下收集器连接到所述输出轴，以与所述输出轴一起旋转；以及固定收集器，该固定收集器以间隔地设置在所述上收集器和所述下收集器的外周缘上这样的方式固定就位于所述外壳，其中，所述转矩传感器插在所述固定收集器的相应端部之间，并且其中，所述磁体块在所述输入轴和所述输出轴的轴向纵向方向上具有不同极性。
在该转矩传感器装置中，所述上收集器可包括：上收集器环，该上收集器环形成在所述输入轴的旋转方向上；以及上收集器齿阵列，该上收集器齿阵列由多个上收集器齿构成，所述多个上收集器齿被形成为按沿周缘以相等的角间隔彼此分隔开这样的方式，在所述输入轴的纵向方向上从所述上收集器环的周缘端向着所述输出轴延伸。所述下收集器可包括：下收集器环，该下收集器环形成在所述输出轴的旋转方向上；以及下收集器齿阵列，该下收集器齿阵列由多个下收集器齿构成，所述多个下收集器齿被形成为按沿周缘以相等的角间隔彼此分隔开这样的方式，在所述输出轴的纵向方向上从所述下收集器环的周缘端向着所述输入轴延伸。如果所述输入轴和所述输出轴之间没有相对旋转，则所述上收集器齿阵列和所述下收集器齿阵列可在投影到与所述输入轴和所述输出轴垂直的平面上时彼此重叠。
在该转矩传感器装置中，所述磁体块可以是弧形形状的结构。
在该转矩传感器装置中，所述固定收集器可包括：上固定收集器，该上固定收集器包括上固定板和上固定端子，所述上固定板设置在所述上收集器的外周缘处，所述上固定端子被形成为从所述上固定板的外周缘端向着所述转矩传感器延伸；以及下固定收集器，该下固定收集器包括下固定板和下固定端子，所述下固定板设置在所述下收集器的外周缘处，所述下固定端子被形成为从所述下固定板的外周缘端向着所述转矩传感器延伸。
在该转矩传感器装置中，在所述输入轴和所述输出轴的旋转半径上，所述磁体块与所述上收集器和所述下收集器之间的距离可小于所述磁体块与所述转矩传感器之间的距离。
有益效果
如上构造的根据本发明的实施方式的转矩传感器装置具有以下的有益效果。
第一，本发明的转矩传感器装置可通过磁体的位置固定结构来提高组装能力并且防止材料被浪费，从而致使装置的制造成本降低。
第二，本发明的转矩传感器装置可通过上收集器和下收集器被布置成彼此相对的结构来实现更简单且准确地检测转矩。
附图说明
根据下面结合附图对本发明的优选实施方式的详细描述，将清楚本发明的以上和其他目的、特征和优点，在附图中：
图1是示出根据本发明的实施方式的转矩传感器装置的示意性分解立体图；
图2是示出根据本发明的实施方式的当没有转矩传感器装置的扭力时上收集器齿和下收集器齿的示意性部分侧视图；
图3是示出在图2的情况下的收集器单元和感测单元的部分侧剖视图；
图4是示出根据本发明的实施方式的当存在转矩传感器的扭力时上收集器齿和下收集器的示意性部分侧视图；以及
图5是示出图4的情况下的收集器单元和感测单元的部分侧剖视图。
具体实施方式
下文中，将参照附图来详细描述本发明的转矩传感器装置10的构造和操作。
本发明的转矩传感器装置10包括外壳100、磁体单元200、收集器单元300和感测单元400。本发明的转矩传感器装置10设置在输入轴2和输出轴3之间，并且通过输入轴2和输出轴3之间的相对旋转位移来检测输入轴2和输出轴3之间的转矩。
外壳100容纳输入轴2的端部和输出轴3的端部，并且被固定就位以能够执行相对于输入轴2和输出轴3的相对旋转。
外壳100包括外壳盖110和外壳底座120。外壳盖110与外壳底座120接合，以限定容纳其他构成元件的内部空间。
外壳盖110设置在输入轴处，并且外壳底座120设置在输出轴3处，从而面对外壳盖110。外壳盖110包括形成在其外周缘处的外壳盖安装部分(未示出)，并且外壳底座120包括形成在其外周缘处的外壳盖安装部分(未示出)，以形成相互接合结构。
外壳盖110和外壳底座120分别包括穿通开口113和穿通开口(未示出)，使得输入轴2和输出轴3以及用于将输入轴2和输出轴3直接互连的扭力杆5可贯穿地设置在其中。
磁体单元200以固定就位于外壳100这样的方式被容纳在外壳100中。换句话讲，磁体单元形成以下结构：它没有相对于外壳旋转而是固定就位于外壳。磁体单元可按各种方式构造，但在这个实施方式中，磁体单元200包括磁体块220。
在这个实施方式中，磁体块被设置成单个，但不限于此。虽然在这个实施方式中未示出，但磁体单元可包括固定安装于外壳100内侧的磁体支架，以采取磁体支架支撑磁体块220的构造。本发明的磁体块220形成以下结构：不同极性布置在输入轴2和输出轴3的轴向纵向方向上，即，N极和S极或S极和N极被排列或布置成在输入轴2和输出轴3的轴向纵向方向上磁化。
收集器单元300形成以下结构：它以相对于外壳100与输入轴2和输出轴3中的每个至少部分连接这样的方式被容纳在外壳100中，以与输入轴2和输出轴3一起旋转。
另外，收集器单元300在输入轴2和输出轴3的径向方向上，至少部分设置在输入轴2和磁体块220以及输出轴3和磁体环220之间，使得收集器单元300形成在磁体单元200的磁体块220处形成的磁场的磁路或者将磁场集中，从而将磁场传递到感测单元400来实现更准确的检测功能。
感测单元400被实现为转矩传感器，所述转矩传感器设置在收集器单元300的外周缘处并且检测由收集器单元300集中的磁场。感测单元400可包括诸如霍尔传感器的非接触型传感器。如有必要，则感测单元400还可包括单独的传感器。
在这个实施方式中，感测单元采取以下构造：它包括一对转矩传感器，以提高灵敏度的准确性，并且当转矩传感器中的一个失效时，通过从另一个输出的信号来实现自动防故障功能，但如有必要，则可采取它包括单个转矩传感器的构造。
同时，本发明的收集器单元300包括上收集器310、下收集器320和固定收集器330。
上收集器310连接到输入轴，以与输入轴一起旋转。
上收集器套筒301和上收集器支架302可设置在上收集器310和输入轴2之间。上收集器套筒301的一端连接到输入轴2。可在防止上收集器套筒301和输入轴2之间有相对旋转的范围内，按诸如焊接、塑料卡扣装配和压紧的各种联接方式来实现上收集器套筒301和输入轴2之间的连接。
另外，可按各种方式来修改上收集器套筒301，诸如被实现为钢结构或合成树脂结构。
另外，上收集器支架302连接到上收集器套筒301的外周缘。上收集器支架302是将上收集器套筒301和上收集器310互连的构成元件，并且最终实现了防止输入轴和上收集器310之间相对旋转的连接功能。
上收集器310包括上收集器环311和上收集器齿阵列313。
上收集器环311具有在输入轴2的旋转方向上形成的预定环状形状。上收集器齿阵列313由多个下收集器齿构成，所述多个下收集器齿被形成为从上收集器环311的周缘端在输入轴2的纵向方向上向着输出轴3延伸，以沿周缘彼此以相等的角间隔分隔开。
另外，下收集器320连接到输出轴，以与输出轴一起旋转。
下收集器套筒303和下收集器支架304可设置在下收集器320和输出轴3之间。下收集器的该连接结构与如上所述的上收集器的该连接结构相同，但如有必要，可采取不同的构造。下收集器套筒303的一端连接到输出轴3。可在防止下收集器套筒303和输出轴3之间有相对旋转的范围内，按诸如焊接、塑料卡扣装配和压紧的各种联接方式来实现下收集器套筒303和输出轴3之间的连接。
另外，可按各种方式来修改下收集器套筒303，诸如被实现为钢结构或合成树脂结构。
另外，下收集器支架304连接到下收集器套筒303的外周缘。下收集器支架304是将下收集器套筒303和下收集器320互连的构成元件，并且最终实现了防止输入轴和下收集器320之间相对旋转的连接功能。
下收集器320包括下收集器环321和下收集器齿阵列323。
下收集器环321具有在输出轴3的旋转方向上形成的预定环状形状。下收集器齿阵列323由多个下收集器齿构成，所述多个下收集器齿被形成为从下收集器环321的周缘端在输出轴3的纵向方向上向着输入轴2延伸，以沿周缘彼此以相等的角间隔分隔开。
同时，在输入轴2和输出轴3之间没有相对旋转的情况下，即，在输入轴2和输出轴3在扭力杆不存在任何扭力时在同一旋转速度下一起旋转的情况下，或者在输入轴2和输出轴3没有被施加外力而是处于固定状态的情况下，上收集器齿阵列313和下收集器齿阵列323采取以下结构：当相应的上收集器齿阵列和下收集器齿阵列被投影到与输入轴2和输出轴3垂直的平面(即，由上收集器310和下收集器320形成的虚拟平面(未示出))上时，相应的两个收集器齿阵列的区域彼此重叠，从而占据几乎同一区域A(参见图2)。
相反地，在存在预定角位移的情况下，即，在输入轴和输出轴之间存在任何扭力的情况下，相应两个收集器齿阵列之间存在非重叠区，因此相应两个收集器齿阵列之间的重叠区域B小于以上提到的情况的区域A。
同时，固定收集器330按间隔地设置在上收集器310和下收集器320的外周缘上这样的方式固定就位于外壳，其中，转矩传感器400插在固定收集器的相应端部之间。
固定收集器330包括上固定收集器340和下固定收集器350。
上固定收集器340包括上固定板341和上固定端子343。
上固定板341形成在上收集器310的外周缘处，并且上固定端子343被形成为从上固定板341的外周缘端向着转矩传感器400延伸。
上固定板341形成在上收集器310的外周缘处，并且上固定端子343被形成为从上固定板341的外周缘端向着转矩传感器400延伸。上固定端子343具有预定弯曲形状，使得上固定端子343的端部靠近转矩传感器400，使气隙减小，由此增加集中的磁通量传递到转矩传感器400的能力，从而实现更准确地检测转矩。
上固定板341和上固定端子343彼此一体地形成。上固定板341的一端设置成接近上收集器310，并且上固定端子343的一端设置成接近转矩传感器400，与上收集器相对。
下固定收集器350包括下固定板351和下固定端子353。下固定收集器350的整个结构与上固定收集器340的整个结构相同，但如有必要，可采取与上固定收集器340的构造略有不同的构造。
下固定板351形成在下收集器320的外周缘处。下固定板351被形成为从下固定板351的外周缘端向着转矩传感器400延伸。下固定端子353具有预定弯曲形状，使得下固定端子353的端部靠近转矩传感器400，使气隙减小，由此增加集中的磁通量传递到转矩传感器400的能力，从而实现更准确地检测转矩。
下固定板351和下固定端子353彼此一体地形成。下固定板351的一端设置成接近下收集器320，并且下固定端子353的一端设置成接近转矩传感器400，与下收集器320相对。
同时，在输入轴2和输出轴3的旋转半径上，磁体块220与上收集器310和下收集器320之间的距离d1小于磁体块220与转矩传感器400之间的距离d2。
换句话讲，用参考符号d1来指示上固定板341和下固定板351与上收集器310和下收集器320之间的间隙，并且用参考符号d2来指示形成为弧形形状的磁体块220与转矩传感器400之间或磁体块220与上固定端子343和下固定端子353的竖直内壁表面之间的间隙，使得建立了d2＞＞d1的关系。依据此构造，当上收集器齿阵列和下收集器齿阵列彼此紧密靠近时，形成如图3中所示的磁路，并且转矩传感器通过输入轴和输出轴的重复连续旋转来检测预定幅度的信号。
另一方面，如图4所示，当输入轴和输出轴之间出现扭力时，上收集器齿阵列和下收集器齿阵列之间的重叠区域减小，使得如图5所示围绕转矩传感器形成磁路，而非在以上提到的情况下形成磁路。结果，实现了与以上提到的情况下的信号不同的信号的检测，使得可计算因预定扭力而造成的转矩值。
如上所述，可在通过非接触型转矩传感器来检测施加到轴的转矩的范围和上收集器齿阵列和下收集器齿阵列之间的重叠区域的变化内，按各种方式来修改本发明。
工业适用性
本发明可用于各种工业领域和技术领域，诸如，在通过非接触型转矩传感器来检测施加到轴的转矩的范围内，被实现为除了用于机动车辆的方向盘轴外的用于电动自行车或电动摩托车的转矩传感器。

Claims (5)

1.一种转矩传感器装置，该转矩传感器装置设置在输入轴和输出轴之间，并且被配置成通过所述输入轴和所述输出轴之间的相对旋转位移来检测所述输入轴和所述输出轴之间的转矩，该转矩传感器装置包括：
外壳，该外壳被配置成容纳所述输入轴的端部和所述输出轴的端部并且被固定就位，以能够执行相对于所述输入轴和所述输出轴的相对旋转；
磁体单元，该磁体单元包括磁体块，所述磁体块以被固定就位于所述外壳这样的方式容纳在所述外壳中；
收集器单元，该收集器单元包括收集器，所述收集器以与所述输入轴和所述输出轴中的每个部分地连接从而能旋转这样的方式，在所述输入轴和所述输出轴的径向方向上至少部分设置在所述输入轴和所述磁体块之间以及所述输出轴和所述磁体块之间，所述收集器被配置成将由所述磁体单元产生的磁场集中；以及
感测单元，该感测单元包括转矩传感器，所述转矩传感器设置在所述收集器单元的外周缘处并且被配置成检测由所述收集器单元集中的磁场，
其中，所述收集器单元包括：
上收集器，该上收集器连接到所述输入轴，以与所述输入轴一起旋转；
下收集器，该下收集器连接到所述输出轴，以与所述输出轴一起旋转；以及
固定收集器，该固定收集器以间隔地设置在所述上收集器和所述下收集器的外周缘上这样的方式固定就位于所述外壳，其中，所述转矩传感器插在所述固定收集器的相应端部之间，并且
其中，所述磁体块在所述输入轴和所述输出轴的轴向纵向方向上具有不同极性。
2.根据权利要求1所述的转矩传感器装置，
其中，所述上收集器包括：
上收集器环，该上收集器环形成在所述输入轴的旋转方向上；以及
上收集器齿阵列，该上收集器齿阵列由多个上收集器齿构成，所述多个上收集器齿被形成为按沿周缘以相等的角间隔彼此分隔开这样的方式，在所述输入轴的纵向方向上从所述上收集器环的周缘端向着所述输出轴延伸，
其中，所述下收集器包括：
下收集器环，该下收集器环形成在所述输出轴的旋转方向上；以及
下收集器齿阵列，该下收集器齿阵列由多个下收集器齿构成，所述多个下收集器齿被形成为按沿周缘以相等的角间隔彼此分隔开这样的方式，在所述输出轴的纵向方向上从所述下收集器环的周缘端向着所述输入轴延伸，并且
其中，如果所述输入轴和所述输出轴之间没有相对旋转，则所述上收集器齿阵列和所述下收集器齿阵列在投影到与所述输入轴和所述输出轴垂直的平面上时彼此重叠。
3.根据权利要求2所述的转矩传感器装置，其中，所述磁体块是弧形形状的结构。
4.根据权利要求2所述的转矩传感器装置，其中，所述固定收集器包括：
上固定收集器，该上固定收集器包括上固定板和上固定端子，所述上固定板设置在所述上收集器的外周缘处，所述上固定端子被形成为从所述上固定板的外周缘端向着所述转矩传感器延伸；以及
下固定收集器，该下固定收集器包括下固定板和下固定端子，所述下固定板设置在所述下收集器的外周缘处，所述下固定端子被形成为从所述下固定板的外周缘端向着所述转矩传感器延伸。
5.根据权利要求4所述的转矩传感器装置，其中，在所述输入轴和所述输出轴的旋转半径上，所述磁体块与所述上收集器和所述下收集器之间的距离小于所述磁体块与所述转矩传感器之间的距离。
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