CN107923812B - 扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扭矩传感器(1)，该扭矩传感器包括：本体(2)、至少部分地由该本体(2)限定的第一气密腔室(3)、与该气密腔室连接以用于测量该气密腔室中的压力的压力传感器(4)、以及与该压力传感器连接的压力‑扭矩转换器(5)。该气密腔室被布置为当该本体受到扭矩时通过该本体的变形来改变其容积，其中，该容积变化引起该气密腔室中的封闭气体的压力的变化。

Description

扭矩传感器

技术领域

本发明涉及一种扭矩传感器。

背景技术

扭矩传感器用于机械工业许多应用中，比如机器的测量、控制和优化、组装过程中的质量保证、安全性和可靠性测试等等。

扭矩传感器通常是轴装式的。目前在机械工业中使用的最常见的轴装式扭矩传感器是基于应变片方法，该方法通过将应变片以与轴线成相反角度地粘合在轴的表面上并测量由于扭矩引起的轴上的压缩和拉伸应变而引起的电阻变化来测量轴变形。这种基于应变片的扭矩传感器的性能主要受限于：由于应变片中所用的合金的较小的应变系数而导致较低的信噪比、对于轴表面处理以及对于粘合胶的特性及其将应变片粘合到经处理的表面上的工艺的较高灵敏度、以及对于比如包装应力、温度和湿度变化等环境因素的较高灵敏度。

另一种类型的轴装式扭矩传感器是基于磁弹效应，又称为维拉里效应(Villarieffect)，其中，由比如NiCo、Galfenol和Terfenol-D等某些铁磁性合金制成的轴的全部或部分由于所施加的扭矩而改变其磁性。磁性变化接着改变一个或多个定子安装式感测线圈的电感，因此测得的电感变化指示了轴扭矩。这种基于磁弹效应的扭矩传感器的性能主要受限于：明显的非线性和磁滞连同不同铁磁性材料中磁弹效应的饱和极限、以及对于轴上的温度梯度和对于环境电磁干扰的较高灵敏度。

US 3581562披露了一种使用封闭空间中的压力变化来检测所施加的扭矩的扭矩传感器。扭矩传感器具有中空本体和两个轴，这些轴能在本体内移动来进行旋转和轴向移动两者。每个轴都安装有弹簧，以致于必须克服弹簧力才能使轴旋转。这些轴在轴的外侧表面设有相对于扭矩传感器的纵向扭矩轴线倾斜地延伸的导向槽。本体设有与这些槽接合的销。当扭矩传感器受到使轴旋转的扭矩时，导向槽相对于销移动，使得轴在旋转的同时朝向彼此轴向移动。扭矩传感器在轴的末端之间具有充液腔室、以及测量由轴的轴向移动引起的腔室容积减小量的计量器。容积的减小量与扭矩成比例。这种现有技术扭矩传感器具有有限的精确度和分辨率。

发明内容

有利的是提供一种具有比现有技术方法更高的分辨率和/或精确度的扭矩传感器。

为了更好地解决这个问题，在本发明的第一方面，提出了一种扭矩传感器，包括：本体、至少部分地由该本体限定的第一气密腔室、与该气密腔室连接用于测量该气密腔室中的压力的压力传感器、以及与该压力传感器连接的压力-扭矩转换器。该气密腔室被布置为当该本体受到扭矩时通过该本体的变形来改变其容积，其中，该容积变化引起该气密腔室中的封闭气体的压力的变化。有利地，经由扭矩传感器的直接尺寸变化来检测扭矩，该尺寸变化进而被认为是气密腔室内的压力的变化。这样比例如通过应变片进行间接检测更为可靠和精确，其中粘合剂是不太有效的力传递器。

目前可用的是敏感的(即具有高分辨率)的压力传感器。通过提供在受到扭矩时改变其容积的气密腔室，将扭矩的变化表示为压力的变化，如理想气体定律所公认的，即PV＝nRT，其中P是气体的压力，V是气体的体积，n是气体的摩尔质量，R是理想气体常数，并且T是气体的温度。压力变换为扭矩。由此，实现了具有高分辨率、高精确度的扭矩值。

根据扭矩传感器的实施例，该第一气密腔室是由包括第一主壁的第一腔室壳体限定的，该第一主壁构成了该本体的包括变形增强部的部分，并且该第一主壁被布置为当该本体受到该扭矩时改变其尺寸，由此改变该气密腔室的容积。这些变形增强部对于一定扭矩产生较大的容积变化，这进一步增强了扭矩传感器的功能。

根据扭矩传感器的实施例，该扭矩传感器还包括第二气密腔室，该第二气密腔室是由包括第二主壁的第二腔室壳体限定的，该第二主壁构成了该本体的包括变形增强部的部分，并且该第二主壁被布置为当该本体受到该扭矩时改变其尺寸，由此改变该第二气密腔室的容积，该第一和第二气密腔室中的一个被布置为在该本体受到该扭矩时增大其容积，而另一个被布置为在该本体受到该扭矩时减小其容积，其中，该压力传感器被布置为测量该第一气密腔室与该第二气密腔室之间的压力差。差异性结构是有利的。

根据该扭矩传感器的实施例，该变形增强部包括凹槽，其中，该扭矩传感器包括与该本体同轴布置并覆盖这些凹槽的外套筒，并且其中，该第一和第二腔室壳体进一步包括该套筒的覆盖这些凹槽的相应部分。

根据该扭矩传感器的实施例，该本体包括被布置为与外部装置连接的第一和第二端部，其中，这些凹槽由若干互连的中间凹槽、若干互连的第一末端凹槽以及若干互连的第二末端凹槽组成，其中，这些中间凹槽围绕该中心部的外周等距地布置，并且相对于该本体的扭矩轴线沿一个方向倾斜地延伸，其中，这些第一和第二末端凹槽相对于该扭矩轴线沿另一个方向倾斜地延伸，并且在这些中间凹槽的任一端围绕该中心部的外周等距地布置，使得这些第一末端凹槽被布置在该第一端部与这些中间凹槽之间，并且这些第二末端凹槽被布置在该第二端部与这些中间凹槽之间，其中，该第一气密腔室包括这些中间凹槽，并且其中，该第二气密腔室包括第一子腔室和第二子腔室，该第一子腔室包括这些第一末端凹槽，该第二子腔室包括这些第二末端凹槽。该第二气密腔室的这种划分降低了对于在扭矩传感器的不同部分的不同温度的灵敏度。

根据该扭矩传感器的实施例，所述第一和第二末端凹槽中的每个凹槽的长度是所述中间凹槽中的每个凹槽的长度的一半。由此，所述第一和第二气密腔室的容积是相等的。

根据该扭矩传感器的实施例，该变形增强部包括凹槽，其中，该扭矩传感器包括与该本体同轴布置的内套筒，其中，该内套筒在该套筒的外表面设有若干凹部，这些凹部与这些凹槽纵向对齐，并且其中，该第一和第二腔室壳体进一步包括该套筒的具有相应凹部的相应部分。在这个实施例中，该内套筒的凹部提供了与刚刚上面提到的实施例中的凹槽相似的空间。

根据该扭矩传感器的实施例，该本体包括被布置为与外部装置连接的第一和第二端部，其中，这些凹槽由若干中间凹槽、若干第一末端凹槽以及若干第二末端凹槽组成，其中，这些中间凹槽围绕该中心部的外周等距地布置，并且相对于该本体的扭矩轴线沿一个方向倾斜地延伸，其中，这些第一和第二末端凹槽相对于该扭矩轴线沿另一个方向倾斜地延伸，并且在这些中间凹槽的任一端围绕该中心部的外周等距地布置，使得这些第一末端凹槽被布置在该第一端部与这些中间凹槽之间，并且这些第二末端凹槽被布置在该第二端部与这些中间凹槽之间，其中，这些凹部包括与这些中间凹槽纵向对齐的若干互连的中间凹部、与这些第一末端凹槽纵向对齐的若干互连的第一末端凹部、以及与这些第二末端凹槽纵向对齐的若干互连的第二末端凹部。

根据该扭矩传感器的实施例，该扭矩传感器包括被布置为与外部装置连接的相反的第一和第二端部。所述气密腔室位于该第一端部与该第二端部之间。该主壁限定了该本体的中空部。该腔室壳体包括盖子，该盖子通过至所述主壁的气密附接部而封闭所述主壁的外端。中空部和盖子的结构是用于定制气密腔室的简单但灵活的结构。

根据该扭矩传感器的实施例，该扭矩传感器包括第一和第二气密腔室，其中，所述第一和第二气密腔室中的一个被布置为在该本体受到该扭矩时增大其容积，而另一个被布置为在该本体受到该扭矩时减小其容积。该压力传感器被布置为测量该第一气密腔室与该第二气密腔室之间的压力差。通过提供差异性结构，比如轴的外部轴向力和常见温度变化等任何共模干扰都被排除。此外，除了扭矩大小之外还可以提供对扭矩的方向的感测。

根据该扭矩传感器的实施例，该扭矩传感器包括被布置为与外部装置连接的相反的第一和第二端部。该第一和第二气密腔室相继地定位在该第一端部与该第二端部之间。每个腔室壳体的主壁包括变形增强部，其中，所述变形增强部包括相对于该扭矩传感器的扭矩轴线倾斜地延伸的若干凹槽，该扭矩轴线在该第一端部与该第二端部之间延伸。由此，该扭矩传感器的灵敏度提高。

根据该扭矩传感器的实施例，每个腔室壳体的主壁是该本体的圆柱形部，并且在该主壁的外表面上形成这些凹槽。该第一和第二气密腔室的相应凹槽沿相互不同的方向延伸。在不同的气密腔室处沿不同方向延伸的这些位于表面上的凹槽是提供气密腔室的容积差变的有利实施方式。

根据该扭矩传感器的实施例，每个盖子是杯状的，具有管状部，该管状部具有外端和内端，其中，该气密附接部位于该管状部的外端，并且在该管状部的内端具有端壁。每个腔室壳体进一步包括位于该主壁的内端的壁部，该壁部与该主壁连接并且被定位成与该端壁相邻，其中，分别在该盖子与该主壁以及所述壁部之间设置构成该气密腔室的至少一部分的空间。

根据该扭矩传感器的实施例，该盖子的管状部的表面设有面向该主壁的内表面的若干凹部、以及与该主壁的内表面接合的中间表面部。因此，封闭的容积可能较小并且可精确地调节。这个实施例的优点在于，与气密腔室的总气体体积相比，该扭矩传感器的感测结构中的更易受环境温度变化影响的气体体积可以被最小化，因此减小了由腔室之间的气体温度差引起的扭矩传感器的不准确性的净影响。盖子的管状部与主壁的内表面之间的表面接触也是改善盖子与包围扭矩传感器的感测结构中的气体体积的主壁之间的导热性、并且因此减小由于环境温度变化而引起的腔室容积变化的影响的有利实施方式。此外，如上所述，当主壁设有凹槽时，优选地盖子的凹部与主壁的凹槽对齐，以便优化对由于所施加的扭矩而引起的尺寸变化的反应性。

根据该扭矩传感器的实施例，每个盖子的端壁的表面设有多个相对于本体径向延伸的细长槽口，各个槽口与一个相应的凹部连接，其中，该扭矩传感器进一步包括在该第一和第二腔室壳体的相应壁部之间的中间腔体，其中，该第一和第二腔室壳体分别包括第一和第二腔室部，该第一和第二腔室部被布置在该中间腔体中，并且经由延伸穿过相应壁部的相应中心气体导管而与相应的多个槽口连接。这是有利的实施方式，因为气密腔室中的大部分气体可以紧密地一起位于该第一和第二腔室部中以减小其自身之间的热阻并因此减小腔室之间的可能导致扭矩传感器不精确的温差。根据该扭矩传感器的实施例，该第一和第二腔室部与该本体的周围外壁部间隔开。由此实现了对本体的温度变化的一定程度的隔热。通过将具有低导热性的材料插入间隙空间，可以进一步改善这种隔热性。

根据该扭矩传感器的实施例，该第一和第二腔室壳体在接合部彼此接合，并且其中，至少该接合部是由导热材料制成的。这个实施例有利地降低了由于腔室内的气体温度不同而导致的不精确性。

附图说明

现在将参考以下附图更详细地描述本发明，在附图中：

图1是根据本发明的扭矩传感器的实施例的分解图；

图2是图1的实施例的截面视图；

图3是根据本发明的扭矩传感器的实施例的框图；

图4是图3的实施例的分解图；

图5是图4的实施例的截面视图；

图6是示出了扭矩传感器的使用的实例的侧视图；

图7是根据本发明的扭矩传感器的实施例的截面视图；

图8是图7的实施例的分解图；

图9是根据本发明的扭矩传感器的实施例的截面视图；

图10是图9的实施例的分解图；

图11是根据本发明的扭矩传感器的实施例的截面视图；

图12是图11的实施例的分解图；

图13是根据本发明的扭矩传感器的实施例的截面视图；并且

图14是图13的实施例的分解图。

具体实施方式

根据如图1和图2所示的扭矩传感器的第一实施例，扭矩传感器1包括本体2、设置在本体2中的气密性或气密腔室3、测量气密性腔室3中的压力的压力传感器4、以及与压力传感器4连接的压力-扭矩转换器(或简称为扭矩转换器)5。这个扭矩传感器1是基于当将扭矩引起的压缩应力或拉伸应力施加到部分或整个气密性腔室3上时产生的气密性腔室3的容积变化的测量值。在典型的应用中，扭矩传感器1是轴装式的，即它是安装在机械的轴中或者构成该轴的一部分。这在图6中进行了举例说明，并将在下面进一步描述。更具体地，扭矩传感器1具有与外部装置连接的第一和第二端部67、68。因此，当比如通过旋转轴的驱动端来驱动与轴的相反的从动端连接的装置而使轴受到扭矩时，扭矩传感器1通过略微扭转来感测扭矩。由扭矩传感器1执行的测量是基于如上所述的理想气体定律。连接到气密性腔室3的压力传感器4感测由于气密性腔室3在扭矩下的容积变化而引起的气密性腔室3内部的气体的压力变化。气体可以是任何合适的类型，但通常使用普通的空气。术语“气体”和“空气”在整个本申请中被用作可完全交换的等同物或同义词。

气密性腔室3是由包括主壁6的腔室壳体7限定的。主壁6构成了本体2的中空部8，并且限定了本体2中的轴向铣削的中心镗孔69的一部分，即沿着作为扭矩传感器1的纵向轴线的扭矩轴线A。主壁6是圆柱形的。腔室壳体7进一步包括已经插入本体2中(即中心镗孔69中)的盖子9，并且通过至主壁6的气密性附接部而封闭主壁6的外端10。例如，气密性附接部或密封件是通过O形环或通过粘合剂构成的，或者通过钎焊、焊接、收缩装配或任何其他合适的可用方法来完成。

在此实施例中，盖子9是杯形的，并且具有管状部11，该管状部具有外端12和内端13。气密性附接部位于管状部11的外端12，其中，管状部11设有边沿70，并且盖子9在管状部11的内端13具有端壁14，该端壁14可以被认为是杯状物的底部。除了主壁6和盖子9之外，腔室壳体7还包括位于主壁6的内端18处的、与端壁14平行的壁部15。因此，壁部15垂直于扭矩轴线A延伸。镗孔69如果不是用于壁部15，则将是通孔。分别在盖子9与主壁6以及与壁部15之间、更具体地一方面在管状部11与主壁6之间、另一方面在端壁14与壁部15之间设有间隙16。管状部11与主壁6的内表面之间的间隙16的宽度对应于边沿70的高度，并且相对于主壁的内径是较小的。端壁14与壁部15之间的间隙16的宽度也是这样。间隙宽度的非限制性实例是0.5mm，主壁6的内径为40mm，腔室3的总长度为25mm，并且腔室3中的总空气体积为约1.5cm³。压力传感器4优选地安装在气密性腔室3之外但是在其附近。非限制性实例是在盖子9的底部上、在扭矩轴线A处、在由盖子9产生的杯状空间的内部。气密性腔室3与压力传感器4之间的优选连接位置和方法是在盖子9的端壁14的中心、在扭矩轴线A上的小钻孔开口。扭矩转换器5接收来自压力传感器4的压力作为输入，并且计算对应的扭矩。扭矩转换器5例如是具有显示器的外部计算装置，并且其优选地通过电感耦合或RF通信来与压力传感器4无线连接。

从上面提到的理想气体定律中显而易见的是，当温度T恒定时，气体的压力P与体积V彼此成反比，这意味着如果气体腔室的体积增加，则气体压力降低，反之亦然。通过测量气密性腔室3内的气体的压力变化，可以计算出气密性腔室3的容积变化，并且因此可以根据等式T＝kΔP导出在轴上施加的扭矩，其中T是施加的扭矩，k是取决于扭矩传感器的感测结构的材料和几何结构两者的灵敏度常数，并且ΔΡ是由压力传感器测量的由于所施加的扭矩而引起的腔室内的气体的压力变化

优选地，主壁6包括变形增强部17。变形增强部17是已经在主壁6的外表面上铣削的凹槽。凹槽17围绕主壁6的外周等距地定位。凹槽17相对于扭矩轴线A倾斜地延伸，并且与没有凹槽17的实施例相比在受到相等扭矩时引起气密性腔室3的附加变形。优选地，与扭矩轴线A所成的角度是45度，但是可以应用相当宽区间的角。该角度还提供了检测旋转方向的可能性，这在扭矩传感器1的一些应用中是有用的。气密性腔室3当扭转扭矩传感器1时(更具体地，当朝一个方向扭转其本体2时)变得更小，而当朝另一个方向扭转扭矩传感器时变得更大。

为了实现有利于排除共模干扰(比如轴的外部轴向力和常见温度变化)的差异性设计，可以在同一个轴中形成两个容积相同的气体腔室，并且这些气体腔室可以被设计成在相同的扭矩下不同地变形，使得一个气体腔室减小容积而另一个增大容积。为此目的，扭矩传感器20的第二实施例设计如下，如图3-5所示。

扭矩传感器20包括本体21、第一气密性腔室22以及第二气密性腔室23。第一和第二气密性腔室22、23中的一个被布置为当本体21受到扭矩并由此被扭转时增大其容积，而另一个被布置为减小其容积。在此实施例中，压力传感器24被布置为测量第一与第二气密性腔室22、23之间的压力差。因此，扭矩转换器25将压力差转换为对应的扭矩。相反的第一和第二端部30、31被布置为与外部装置32、33连接，如图6所示。第一和第二气密性腔室22、23相继地定位在第一与第二端部30、31之间。第一和第二气密性腔室22、23分别由各自包括主壁26、27的第一腔室壳体36和第二腔室壳体37限定，这些主壁又分别表示第一和第二主壁。每个腔室壳体36、37的主壁26、27包括变形增强部28、29，这些变形增强部是由相对于中心扭矩轴线B倾斜地延伸的若干凹槽28、29构成的。更具体地，每个腔室壳体36、37的主壁26、27是本体21的圆柱形部，并且凹槽28、29形成在主壁26、27的外表面34、35上，与第一实施例相似，并且它们围绕主壁26、27的外周等距地定位。然而，第一和第二腔室壳体36、37的相应凹槽28和29沿相互不同的方向延伸。例如，第一腔室壳体36的凹槽28与扭矩轴线B成+45度延伸，而第二腔室壳体37的凹槽29与扭矩轴线B成-45度延伸。

由此可以通过气体压差传感器24来测量与所施加的扭矩的方向和大小两者成比例的压力差。可以通过不同的方法形成这种差异性设计所需的两个气密性腔室26、27之间的各向异性，但是这里提出的方法，即在两个腔室壳体36、37的外侧铣削出具有相反角度的凹槽28、29(其又可以被称为螺旋狭槽)，是完成该各向异性的简单方式。相对于扭矩轴线成±45°角的选择使气密性腔室22、23由于所施加的扭矩引起的容积变化最大化。

第一和第二主壁26、27中的每一个都构成了本体21的中空部38、39，类似于第一实施例。第一和第二腔室壳体36、37中的每一个都进一步包括盖子40、41，该盖子通过至主壁26、27的气密性附接部而封闭主壁26、27的外端42、43。因此，第一和第二腔室壳体36、37是镜像的。

与第一实施例相似，每个盖子40、41都是杯状的，并且具有管状部44、45，该管状部具有外端46、48和内端47、49。气密性附接部位于管状部44、45的外端46、48，并且端壁50、51位于管状部44、45的内端47、49。每个腔室壳体36、37进一步包括位于中空部38、39的内端71、72的壁部52、53，该壁部52、53与主壁26、27连接并且被定位成与盖子40、41的端壁50、51相邻。构成气密性腔室22、23的一部分的间距54、55分别设置在盖子40、41与主壁26、27之间以及在盖子40、41与壁部52、53之间。

盖子40、41的管状部44、45的表面(其可以被称为外周表面)设有面向主壁26、27的内表面的若干凹部56、57以及与主壁26、27的内表面接合的中间表面部58、59。盖子40、41通常是收缩配合的，并且因此盖子40、41与主壁26、27的相应配合表面在收缩配合组装之后受到应力。这样确保了盖子40、41精确地遵循主壁26、27的维度运动，并且实现了抵抗凹部56、57上的由热膨胀引起的压力误差的甚至更好的稳定性。凹部56、57与相邻主壁26、27的凹槽28、29对齐。这种对齐改善了扭矩传感器20的变形灵敏度。

每个盖子40、41的端壁50、51的表面设有多个相对于本体21径向延伸的细长槽口60、61。各个槽口与凹部56、57中的一个相应凹部连接。它们一起形成气密性腔室22、23的次要部分。扭矩传感器20进一步包括在第一与第二腔室壳体36、37的相应壁部52、53之间的中间腔体62。第一和第二腔室壳体36、37分别包括被布置在中间腔体62中的第一和第二腔室部63、64。第一和第二腔室部63、64各自构成了其相应腔室22、23的主要部分并与相应的次要部分互连。更具体地，相应的第一和第二腔室部63、64经由延伸穿过相应壁部52、53的相应中心气体导管65、66与相应的多个槽口60、61连接。换言之，每个气密性腔室22、23具有经由中心气体导管互连的次要部分和主要部分。

此外，第一和第二腔室部63、64与本体21的周围外壁部间隔开，该外壁部与壁部52、53相结合限定中间腔体62。

压力传感器24与第一和第二腔室部63、64连接并且被布置为测量它们之间的压力差。第一和第二腔室壳体36、37在接合部彼此接合，该接合部在此构成了共同腔室端壁73或分隔壁，这样因此将第一腔室部63与第二腔室部64分开。至少该接合部优选地但不一定由比如铜或铝等热传导良好的材料制成。此外，接合部73与本体21的外壁部通过它们之间的间隙而隔热，该间隙可以用空气或其他气体或另一种隔热材料填充。这是有利的，因为气密性腔室22、23之间可能产生的环境温度波动和温度梯度可能对扭矩传感器20引起误差。一个误差是由于腔室结构的热膨胀引起的两个气密性腔室22、23之间的容积变化差所引起的。另一个误差是由于空气本身的温度差造成的压力差所引起的。通常是气密性腔室的相对较小的大小、尤其是气密性腔室的次要部分的相对较小的大小同样有助于使热误差最小化。

为了进一步举例说明气密性腔室的尺寸和扭矩传感器的分辨率，在一个实施方式中，根据第二实施例的扭矩传感器具有±2000Nm的感测范围。压力传感器的范围是±250Pa，并且其分辨率为满量程的1/10000，即±0.025Pa。每个凹部与槽口组合的容积为约8mm³。每个气密性腔室具有8个凹部。中间腔体中的每个主要腔室部的容积为约733mm³。各个气密性腔室的总容积为约800mm³。气密性腔室的初始气压为101325Pa，对应于海平面的标称气压。第一气密性腔室的凹部与槽口的每个组合在2000Nm的扭矩下的容积变化为1mm³，并且第二气密性腔室的凹部与槽口的每个组合的容积变化为-1mm³。第一气密性腔室中的容积变化引起的压力变化为-125Pa，并且第二气密性腔室中的压力变化为+125Pa。因此，总压力差是250Pa。

根据如图7和图8所示的扭矩传感器80的第三实施例，该扭矩传感器包括本体81、第一气密且因此气密性腔室82、以及第二气密性腔室83。然而，在这个第三实施例中，本体优选地但不一定是实心的。第一和第二气密性腔室82、83中的一个被布置为当本体81受到扭矩并由此被扭转时增大其容积，而另一个被布置为减小其容积。与第二实施例相似，压力传感器84被布置为测量第一与第二气密性腔室82、83之间的压力差，并且扭矩转换器85将压力差转换为对应的扭矩。本体81的相反的第一和第二端部86、87被布置为与外部装置连接，与前述实施例相似。第一和第二气密性腔室82、83相继定位在本体81的在第一与第二端部86、87之间的中心部88处。中心部88是圆柱形的并具有外表面94，在该外表面设有由凹槽89、90、91构成的变形增强部。扭矩传感器80进一步包括套筒92，该套筒与中心部88同轴地安装在该中心部外部，并且覆盖凹槽89、90、91。第一和第二气密性腔室82、83是由第一和第二腔室壳体180、181限定的。每个腔室壳体180、181通常包括主壁182、183、以及套筒92的一部分，该主壁构成了本体81的包括相应凹槽89-91的部分。

更具体地，凹槽89-91由若干中间凹槽89和若干末端凹槽90、91组成，这些凹槽可以视为三组凹槽。中间凹槽89沿一个方向相对于本体81的纵向方向、并且因此相对于扭矩轴线C倾斜地延伸。中间凹槽89围绕中心部88的外周等距地布置。末端凹槽90、91沿另一个方向相对于扭矩轴线C倾斜地延伸，并且在中间凹槽89的任一端围绕中心部88的外周等距地布置。因此，末端凹槽90、91包含被布置在第一端部86与中间凹槽89之间的第一末端凹槽90、以及被布置在第二端部87与中间凹槽89之间的第二末端凹槽91。

换言之，中间凹槽以与扭矩轴线C成第一角度地延伸，并且末端凹槽以与该扭矩轴线成第二角度地延伸，其中第一和第二角度中的一个是正的，而另一个是负的。优选地，第一和第二角度是±45°，如以上针对第二实施例的凹槽所述的。通过围绕中心部88、即围绕其外表面94在外周延伸的中间槽口而使中间凹槽89互连。类似地，第一末端凹槽90通过第一末端槽口96互连，并且第二末端凹槽91通过第二末端槽口97互连，其中，第一和第二末端槽口同样在外表面94的外周延伸。因此，确切地讲，中间凹槽89和中间槽口95与覆盖它们的套筒92的内表面93的中间部分(即用作盖子)一起形成了第一气密性腔室82。第一末端凹槽90和第一末端槽口96与内表面93的第一端部一起形成了第二气密性腔室83的第一子腔室98，并且第二末端凹槽91和第二末端槽口97与内表面93的第二端部一起形成了第二气密性腔室83的第二子腔室99。第二气密性腔室83的第一和第二子腔室98、99没有在本体81中物理地互连，而是在压力传感器84处或通过从第一和第二子腔室98、99延伸至压力传感器84的气体导管100、101的互连而互连。套筒92设有径向延伸穿过套筒92的壁进入第一气密性腔室82的第一通孔102、以及分别进入第二气密性腔室83的第一和第二子腔室98、99的第二和第三通孔103、104。第一气体导管105在第一通孔102与压力传感器84之间延伸，并且第二和第三气体导管106、107分别从第二和第三通孔103、104中延伸出来并在到达压力传感器84之前互连。

第一和第二末端凹槽90、91中的各凹槽的长度是各中间凹槽89的长度的约一半。围绕各组凹槽的外周的凹槽数量相同，并且由此第一气密性腔室82的总气体体积与第二气密性腔室83的总气体体积大致相等。

套筒92例如通过收缩装配或压力装配紧密地安装在本体81上，使得在套筒92与本体81之间不存在相对运动。然而，为了确保不透气性，优选地和此外，在相应的第一和第二末端凹槽90、91与中间凹槽89之间以及还有在第一和第二末端凹槽90、91与第一和第二端部86、87之间布置外周密封环108。因此，密封环108被挤压在本体81与套筒92之间。

当外部装置在扭矩传感器80上引起扭矩并由此使得扭矩传感器80稍微扭转(即变形)时，第一和第二末端凹槽90、91以一种方式改变其大小，并且中间凹槽89以相反的方式改变其大小。换言之，如果第一和第二末端凹槽90、91变长，则中间凹槽89变短，反之亦然。由此，第一和第二气密性腔室82、83的容积以对应地相反的方式改变，从而在它们之间引起由压力传感器84检测的压力差。由于腔室的容积较小，与使用单个腔室相比，产生差异性变化是有利的。此外，与第一和第二实施例相比，扭矩传感器80的这个第三实施例的制造和组装更简单。

在图9和图10中示出了扭矩传感器110的第四实施例。第四实施例类似于第三实施例。主要区别在于有两组凹槽而不是三组凹槽。因此，扭矩传感器110包括本体111、第一气密性腔室112以及第二气密性腔室113。若干第一凹槽114和若干第二凹槽115围绕本体111的中心部116的外周布置，与第三实施例相似，其中，第一和第二凹槽114、115相对于扭矩轴线D沿相互不同的方向延伸。第一和第二凹槽114、115彼此相邻地、并沿着本体111相继地布置。套筒117覆盖凹槽114、115。第一和第二气密性腔室112、113是由第一和第二腔室壳体184、185限定的。每个腔室壳体184、185通常包括主壁186、187、以及套管117的相应部分，该主壁构成了本体111的包括相应凹槽114、115的部分。

第一外周槽口118将第一凹槽114互连，并且第二外周槽口119将第二凹槽115互连，与第三实施例中的槽口95-97相似。在套筒117中有两个通孔120、121延伸到第一和第二气密性腔室112、113中，并且相应的气体导管122、123在一端连接至通孔120、121，并且在另一端连接至压力传感器124。同样地在这个实施例中，扭矩转换器125将压力差值转换为对应的扭矩值。围绕本体111的外周延伸的三个密封环126、127、128被布置为确保第一和第二气密性腔室112、113的密封，一个密封环127位于气密性腔室112、113之间，并且其他密封环126、128位于气密性腔室112、113的任一侧。

根据图11和图12中所示的扭矩传感器129的第五实施例，与第一和第二实施例相似，该扭矩传感器包括中空本体130，但该中空本体具有由本体130的光滑内表面131限定的完全贯通镗孔。此外，本体130具有外表面135，该外表面在本体130的中心部设有三组凹槽132、133、134，这些凹槽被表示为中间凹槽133、第一末端凹槽132和第二末端凹槽134。这些组的凹槽132-134与第三实施例的这些组的凹槽89-91类似地成形和布置。换言之，中间凹槽133从纵向视角看被布置在本体130的中部，并且它们围绕本体130的外表面135外周地且等距地分布。此外，中间凹槽133以与扭矩传感器129的纵向轴线或扭矩轴线E成第一角度倾斜地延伸。第一和第二末端凹槽132、133被布置在中间凹槽133旁边，即分别在中间凹槽133与本体130的第一端部136之间和在中间凹槽133与本体130的第二端部137之间。

与其他实施例相似，端部136、137设有连接构件，比如轮齿138或凹部109(参见图8)，用于将这些端部与外部装置连接。第一和第二末端凹槽132、134类似地围绕本体130的外表面135外周地且等距地分布，并且与中间凹槽相比以与扭矩轴线成相反角度延伸。即，如果中间凹槽以+a度的角度延伸，则第一和第二末端凹槽132、134以-a度的相反角度延伸。每个第一和第二末端凹槽132、134具有的长度是每个中间凹槽133的长度的一半。然而，如在具有两个气密性腔室的所有实施例中那样，角度的大小可以不同，只要它们具有不同的符号即可，比如角度+30°和-45°。

此外，根据这个第五实施例，扭矩传感器129包括内套筒140，该内套筒已经插入到本体130中，并且该内套筒与本体130的在其外侧具有凹槽132-134的圆柱形中心部141同轴地延伸。套筒140与本体130的内表面131接合。套筒140设有三组凹部142、143、144，这些凹部与这些组的凹槽132-134纵向对齐。每组凹部142-144包含若干凹部142-144，这些凹部与本体130的凹槽132-134径向相邻。凹部142-144是细长的并且以与本体130的相邻凹槽132-134呈相同的角度而相对于扭矩轴线倾斜地延伸。每组凹部142-144中的凹部142-144与相应的外周槽口145-147互连。这些组的凹槽142-144被外周密封环148-151分隔开，与第三实施例的这些组的凹槽相似。然而，在这个第五实施例中，密封环148-151被布置在套筒的外表面152与中空本体130的内表面131之间，并且由此在套筒与本体130之间形成了第一和第二气密性腔室。第一气密性腔室由两个子腔室构成，这些子腔室分别包括第一和第二末端凹部142、144的空间、及其槽口145、147。子腔室通过连接至套筒140的通孔158、159并且连接至压力传感器155的互连的第一和第二气体导管153、154而互连。通孔158、159各自进入一个子腔室。中间凹部143经由第三通孔156通过第三气体导管157与压力传感器155连接。

第一和第二气密性腔室是由第一和第二腔室壳体188、189限定的。每个腔室壳体188、189通常包括主壁190、191、以及套筒140的一部分，该主壁构成了本体130的包括相应凹槽132-134的部分。因此，当扭矩传感器129受到来自外部装置的扭矩时，该扭矩传感器被扭转，并且内套筒140也被扭转，因为该内套筒与本体130在相对于本体130的固定位置接合。这样引起第一和第二气密性腔室中的一个气密性腔室的容积增大，而另一个气密性腔室的容积减小，从而引起压力差变化。压力变化增大了压力传感器155检测到的总压力差。

图13和图14中所示的扭矩传感器160的第六实施例类似于第五实施例，主要区别是扭矩传感器160的本体161设有两组凹槽162、163而不是三组，并且内套筒164因此设有两组凹部165、166而不是三组，并且因此设有两个由凹部165、166的空间、其对应的外周槽口167、168、以及本体161的内表面171的覆盖了凹部165、166和槽口167、168的部分限定的气密性腔室。因此，第一和第二气密性腔室是由第一和第二腔室壳体192、193限定的。每个腔室壳体192、193通常包括主壁195、196、以及套管164的一部分，该主壁构成了本体161的包括相应凹槽162、163的部分。此外，所有凹槽162、163长度相等，并且所有凹部165、166都长度相等。套筒164设有两个通孔169、170，每个气密性腔室一个通孔。

应注意，第三和第五实施例的气密腔室之一被分成两个子腔室，一个子腔室在另一个气密腔室的任一侧，即在另一个气密腔室与本体的末端之间，受到传感器本体上的沿着扭矩轴线的环境温度梯度的影响甚至更小。例如，如果在一端较热而另一端较冷的应用中使用扭矩传感器，则除了另一腔室之外被分成两个子腔室的气密性腔室仍然会具有与该另一腔室相同的由平均温度变化引起的压力变化，并且压力差传感器排除这种常见压力变化引起的误差。

虽然在附图和以上描述中已经详细地展示并描述了本发明，但是这样的展示和描述应被解释为说明性或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所披露的实施例。

例如，可以提供超过两个气密性腔室。

外周地延伸的槽口可以被布置在凹槽/凹部的任何部分，比如在它们的中间，看起来是相继的单独的各槽口部，每个槽口部在两个相邻的凹槽/凹部之间延伸。

本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过学习附图、披露内容、以及所附权利要求可以理解和实现所披露实施例的其他变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其他要素或步骤，而不定冠词“一(a)”、“一个(an)”不排除多个。单个单元可以实现权利要求中引用的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中引用某些措施这一简单事实并不表明这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的附图标记不应被理解为对范围进行限制。

Claims (15)

1.一种扭矩传感器，包括：本体、由包括第一主壁和盖子的第一腔室壳体限定的第一气密腔室、与该第一气密腔室连接以用于测量该第一气密腔室中的压力的压力传感器、以及与该压力传感器连接的压力-扭矩转换器，其中，该第一气密腔室被布置为当该本体受到扭矩时通过该本体的变形来改变其容积，其中，该本体被布置为当受到扭矩时扭转，其中，该容积变化引起该第一气密腔室中的封闭气体的压力的变化。

2.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中，该第一主壁构成了该本体的包括变形增强部的部分，并且该第一主壁被布置为当该本体受到该扭矩时改变其尺寸，由此改变该第一气密腔室的容积。

3.根据权利要求2所述的扭矩传感器，还包括第二气密腔室，该第二气密腔室是由包括第二主壁的第二腔室壳体限定的，该第二主壁构成了该本体的包括变形增强部的部分，并且该第二主壁被布置为当该本体受到该扭矩时改变其尺寸，由此改变该第二气密腔室的容积，该第一气密腔室和第二气密腔室中的一个被布置为在该本体受到该扭矩时增大其容积，而另一个被布置为在该本体受到该扭矩时减小其容积，其中，该压力传感器被布置为测量该第一气密腔室与该第二气密腔室之间的压力差。

4.根据权利要求3所述的扭矩传感器，其中，所述变形增强部包括凹槽，其中，该扭矩传感器包括与该本体同轴布置并覆盖这些凹槽的外套筒，并且其中，该第一腔室壳体和第二腔室壳体进一步包括该外套筒的覆盖这些凹槽的相应部分。

5.根据权利要求4所述的扭矩传感器，其中，该本体包括被布置为与外部装置连接的第一端部和第二端部，其中，这些凹槽由若干互连的中间凹槽、若干互连的第一末端凹槽以及若干互连的第二末端凹槽组成，其中，这些中间凹槽围绕中心部的外周等距地布置，并且相对于该本体的扭矩轴线沿一个方向倾斜地延伸，其中，这些第一末端凹槽和第二末端凹槽相对于该扭矩轴线沿另一个方向倾斜地延伸，并且在这些中间凹槽的任一端围绕中心部的外周等距地布置，使得这些第一末端凹槽被布置在该第一端部与这些中间凹槽之间，并且这些第二末端凹槽被布置在该第二端部与这些中间凹槽之间，其中，该第一气密腔室包括这些中间凹槽，并且其中，该第二气密腔室包括第一子腔室和第二子腔室，该第一子腔室包括这些第一末端凹槽，该第二子腔室包括这些第二末端凹槽。

6.根据权利要求5所述的扭矩传感器，其中，所述第一末端凹槽和第二末端凹槽中的每个凹槽的长度是所述中间凹槽中的每个凹槽的长度的一半。

7.根据权利要求3所述的扭矩传感器，其中，该变形增强部包括凹槽，其中，该扭矩传感器包括与该本体同轴布置的内套筒，其中，该内套筒在该内套筒的外表面设有若干凹部，这些凹部与这些凹槽纵向对齐，其中，该第一和第二腔室壳体进一步包括该内套筒的具有相应凹部的相应部分。

8.根据权利要求7所述的扭矩传感器，其中，该本体包括被布置为与外部装置连接的第一端部和第二端部，其中，这些凹槽由若干中间凹槽、若干第一末端凹槽以及若干第二末端凹槽组成，其中，这些中间凹槽围绕中心部的外周等距地布置，并且相对于该本体的扭矩轴线沿一个方向倾斜地延伸，其中，这些第一末端凹槽和第二末端凹槽相对于该扭矩轴线沿另一个方向倾斜地延伸，并且在这些中间凹槽的任一端围绕中心部的外周等距地布置，使得这些第一末端凹槽被布置在该第一端部与这些中间凹槽之间，并且这些第二末端凹槽被布置在该第二端部与这些中间凹槽之间，其中，这些凹部包括与这些中间凹槽纵向对齐的若干互连的中间凹部、与这些第一末端凹槽纵向对齐的若干互连的第一末端凹部、以及与这些第二末端凹槽纵向对齐的若干互连的第二末端凹部。

9.根据权利要求2所述的扭矩传感器，包括被布置为与外部装置连接的相反的第一端部和第二端部，所述第一气密腔室位于该第一端部与该第二端部之间，其中，该第一主壁限定了该本体的中空部，其中，该盖子通过至该第一主壁的气密附接部而封闭该第一主壁的外端。

10.根据权利要求9所述的扭矩传感器，其中，该盖子是杯状的，具有管状部，该管状部具有外端和内端，其中，该气密附接部位于该管状部的该外端，并且在该管状部的该内端具有端壁，其中，该第一腔室壳体进一步包括在该中空部的内端处的与该端壁平行的壁部，其中，分别在该盖子与该第一主壁以及该壁部之间设有间隙。

11.根据权利要求3所述的扭矩传感器，包括被布置为与外部装置连接的相反的第一端部和第二端部，所述第一气密腔室和第二气密腔室相继地定位在该第一端部和该第二端部之间，其中，这些变形增强部包括相对于该扭矩传感器的扭矩轴线倾斜地延伸的若干凹槽，该扭矩轴线在该第一端部与该第二端部之间延伸。

12.根据权利要求11所述的扭矩传感器，其中，所述第一主壁和第二主壁中的每个主壁都是该本体的圆柱形部，并且其中，在该第一主壁与该第二主壁的外表面中分别形成这些凹槽，其中，该第一气密腔室和第二气密腔室的相应凹槽沿相互不同的方向延伸。

13.根据权利要求3、11和12中任一项所述的扭矩传感器，其中，每个主壁限定了该本体的中空部，并且其中，每个腔室壳体进一步包括盖子，该盖子通过至该主壁的气密附接部而封闭该主壁的外端。

14.根据权利要求4所述的扭矩传感器，其中，这些凹槽由若干互连的第一凹槽和若干互连的第二凹槽组成，其中，这些第一凹槽围绕中心部的外周等距地布置，并且相对于该本体的扭矩轴线沿一个方向倾斜地延伸，其中，这些第二凹槽相对于该扭矩轴线沿另一个方向倾斜地延伸，并且围绕中心部的外周、与这些第一凹槽相邻地、等距地布置，其中，该第一气密腔室包括这些第一凹槽，并且其中，该第二气密腔室包括这些第二凹槽。

15.根据权利要求7所述的扭矩传感器，其中，这些凹槽由若干第一凹槽和若干第二凹槽组成，其中，这些第一凹槽围绕中心部的外周等距地布置，并且相对于该本体的扭矩轴线沿一个方向倾斜地延伸，其中，这些第二凹槽相对于该扭矩轴线沿另一个方向倾斜地延伸，并且围绕中心部的外周、与这些第一凹槽相邻地、等距地布置，其中，这些凹部包括与这些第一凹槽纵向对齐的若干互连的第一凹部、以及与这些第二凹槽纵向对齐的若干互连的第二凹部。

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