CN109204443A - 一种汽车eps系统有线无源式扭矩测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种汽车EPS系统有线无源式扭矩测量装置，属于汽车转向控制检测技术领域。本发明提供了一种新型的应用于汽车EPS系统的扭矩测量装置，通过利用无源有线的扭矩测量方式提高了信号传输速度,降低了无线信号衰减及电磁干扰问题；通过改变输入轴结构、输出轴结构、控制器结构及安装位置减小了汽车EPS系统扭矩测量部分的结构尺寸；通过运用差分原理，降低了环境因素对传感信号造成的共模干扰，提高了灵敏度。整体结构包括由弹性扭杆轴，输入轴，输出轴，椭圆形销轴组成的机械传动部分；由第一声表面波谐振器、第二声表面波谐振器、数据传输线组成的扭矩测量部分；由PCB板、处理电路组成的控制器。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车EPS用扭矩测量装置，尤其涉及一种汽车EPS系统有线无源式扭矩测量装置，属于汽车转向控制检测技术领域。
背景技术
汽车电动助力转向系统(EPS)是通过电子控制单元采集并分析处理汽车转向系统中的扭矩信号、方向盘转角信号与车速信号后控制助力电动机的转速和转向，以达到提供实时随速转向助力并改善驾驶舒适性与安全性的目的。
扭矩信号作为汽车EPS系统三大主要测量信号,其测量精度的高低与响应速度的快慢直接决定着车辆转向系统的舒适性与安全性。目前应用于汽车EPS系统的扭矩传感器有如下几种形式：电位计式扭矩传感器，其属于接触式测量方式，由于其工作时磨损严重，导致其测量精度不高，使用寿命较短；光电式扭矩传感器，其属于非接触式测量方式，由于其对加工精度要求很高且光源寿命短，导致使用成本较高；电感式扭矩传感器，其属于非接触式测量方式，由于结构中含有磁性元件，导致测量结果受温度影响较大；电磁式扭矩传感器，其属于非接触式测量方式，由于结构简单，动态性能好，所以是目前汽车EPS系统中使用最为广泛的扭矩传感器，但是极易受到外界磁场干扰，导致测量精度降低，如果增加电磁屏蔽设施，又会增大其整体结构。
因此亟待设计一种新型的应用于汽车EPS系统的扭矩测量装置，并改变其配套结构以达到减小结构尺寸，降低温度影响与电磁干扰，提高响应速度与灵敏度的目的。
经过对现有技术文献检索后发现，虽然有基于声表面波无源无线式扭矩传感器结构及原理的相关研究，但是被测转轴工作条件及结构特点与汽车EPS系统差别较大，所以目前并未有一种可以完全应用于汽车EPS系统的基于声表面波原理的无源有线式扭矩测量机构。
发明内容
本发明提出了一种汽车EPS系统有线无源式扭矩测量装置，该装置安装在汽车方向盘与助力电动机之间，用于测量方向盘转动时输入轴与输出轴之间的扭矩，以至少解决现有汽车EPS扭矩传感器结构复杂,体积大,存在温度与电磁干扰的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种汽车EPS系统有线无源式扭矩测量装置，由机械传动部分，扭矩测量部分以及控制器部分组成。
所述机械传动部分包括弹性扭杆轴，输入轴，输出轴，椭圆形销轴。
所述扭矩测量部分包括第一声表面波谐振器、第二声表面波谐振器、数据传输线。
所述控制器部分包括PCB板、处理电路部分。
本发明采用的技术方案工作原理如下：
当车辆直线行驶或怠速时，输入轴与输出轴无直接接触关系，控制器按照设定好的固定周期通过数据传输线向第一声表面波谐振器与第二声表面波谐振器发射激励信号，并通过数据传输线接收返回信号，控制器处理电路对返回信号进行处理运算并与第一声表面波谐振器及第二声表面波谐振器固有中心频率进行比较，由于弹性扭杆轴此时并未出现扭转变形，运算处理后的频率与固有中心频率相同，此时控制器不给助力电机提供启动电压，助力系统不工作；
随着驾驶员施加于方向盘上的扭矩的增大，输入轴棘爪与输出轴棘爪开始相互靠近，在此过程中，控制器按照设定好的固定周期通过数据传输线向第一声表面波谐振器与第二声表面波谐振器发射激励信号，并通过数据传输线接收返回信号，控制器处理电路对返回信号进行处理运算并与第一声表面波谐振器及第二声表面波谐振器固有中心频率进行比较，由于弹性扭杆轴此时出现扭转变形，导致返回频率与固有中心频率出现差值，此时控制器根据该差值的大小给助力电机提供电压，差值越大，提供电压越大，助力系统提供的助力扭矩越大；
当驾驶员施加于方向盘上的扭矩增大到输入轴棘爪与输出轴棘爪相互接触时，弹性扭杆轴将达到最大允许扭转变形，此时控制器提供给助力电机的电压将不再增加，助力系统提供的助力扭矩也将不再增大，若此时驾驶员继续增大施加于方向盘上的扭矩，这些额外的扭矩将通过输入轴直接传递给与之接触的输出轴，再通过输出轴后端传递给转向机构；
当弹性扭杆轴损坏或无法正常工作时，驾驶员施加于方向盘上的扭矩将通过输入轴棘爪直接传递给与之接触的输出轴棘爪，再通过输出轴后端花键传递给转向机构，虽然此时助力完全消失且方向盘无效转角增大，但是依然能提供给驾驶员足够的转向功能尽快前往修理厂维修。
与现有汽车EPS系统扭矩测量技术相比,本发明所达到的有益效果为：
1)在信号传输方式上没有选用一般声表面波器件的无源无线方式而是根据汽车EPS系统动力传递特点,选用无源有线方式，选用该方式既提高了信号的传输速度，避免了无线信号在传输过程中的衰减及易受电磁场干扰的问题，又可以去除用于信号收发的固定天线结构，同时简化了信号收发电路；
2)结合无源有线信号传输形式以及汽车转向系统双向最大转角固定的特点，本发明将一般安装在助力电机旁的矩形控制器设计为圆形并安装与输出轴上，并且由于处理电路更为简单，所以进一步缩小了控制器的体积，最终达到了简化整体结构，减小了整体装配体积的效果，也符合汽车EPS系统安装环境狭小的特点；
3)利用差分原理,将两个相同的声表面波谐振器遭受外界环境影响所产生的共模干扰信号消除的同时提高一倍的扭矩测量灵敏度。
附图说明
图1是本发明的一种汽车EPS系统有线无源式扭矩测量装置粘贴有声表面波谐振器的弹性扭杆轴示意图；
图2是本发明的一种汽车EPS系统有线无源式扭矩测量装置输入轴示意图；
图3是本发明的一种汽车EPS系统有线无源式扭矩测量装置输出轴示意图；
图4是本发明的一种汽车EPS系统有线无源式扭矩测量装置控制器示意图；
图5是本发明的一种汽车EPS系统有线无源式扭矩测量装置椭圆形销轴示意图；
图6是本发明的一种汽车EPS系统有线无源式扭矩测量装置总成爆炸图；
图7是本发明的一种汽车EPS系统有线无源式扭矩测量装置总成装配图。
图中：1为弹性扭杆轴；2为椭圆形销座孔；3为第一矩形平面；4为第二矩形平面；5为花键；6为输入轴；7为圆形凸起；8为输入轴棘爪；9为槽口底平面；10为椭圆形销座孔；11为花键；12为输出轴；13为棘爪前端面；14为圆形凹槽；15为输出轴棘爪；16为花键；17为控制器安装平面；18为定位凸台；19为花键；20为导线孔；21为控制器；22为椭圆形销轴；23为第一声表面波谐振器；24为第二声表面波谐振器；25为数据传输线。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述。
在此，还需要说明的一点是，为了避免不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅表示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而忽略了与本发明关系不大的其他细节。
一种汽车EPS系统有线无源式扭矩测量装置，由机械传动部分，扭矩测量部分以及控制器21组成。
所述机械传动部分包括弹性扭杆轴1，输入轴6，输出轴12，椭圆形销轴22。
所述扭矩测量部分包括第一声表面波谐振器23、第二声表面波谐振器24、数据传输线25。
所述控制器21包括PCB板、处理电路。
如图1所示，本发明所述弹性扭杆轴1可分为前端、中端及后端三部分，所述弹性扭杆轴1前端中部开有椭圆形销座孔2，所述弹性扭杆轴1中端两侧切削有完全对称的第一矩形平面3与第二矩形平面4，所述弹性扭杆轴1后端制有外花键5；所述第一声表面波谐振器23粘贴于所述弹性扭杆轴1中端第一矩形平面3上，轴线方向与所述弹性扭杆轴1轴线方向呈45°，所述第二声表面波谐振器24粘贴于所述弹性扭杆轴中端第二矩形平面4上，轴线方向与所述弹性扭杆轴1轴线方向呈-45°。
如图2所示，本发明所述输入轴6可分为前端、中端及后端三部分，所述输入轴6前端为等间距环形阵列布置的四个棘爪8，每个棘爪8两侧均有半圆形凸起7，所述输入轴6中端为中空桶结构，中端中部开有椭圆形销座孔10，所述输入轴6后端制有三段外花键11。
如图3所示，本发明所述输出轴12可分为前端、中端及后端三部分，所述输出轴12前端为等间距环形阵列布置的四个棘爪15，每个棘爪15两侧均有半圆形凹槽14，所述输出轴12中端为中空桶结构，中端表面制有内花键16，中端外表面靠近所述输出轴12前端棘爪15槽口位置钻有对称的两个导线孔20，所述输出轴12中端外表面中部制有控制器安装平面17，控制器安装平面17后部制有定位凸台18，所述输出轴12后端制有两段外花键19。
如图4所示，本发明所述控制器21部分包括PCB板、处理电路部分。所述PCB板为中空圆形结构。所述处理电路部分包含信号激励电路、信号接收电路、信号处理电路，所述处理电路部分印刷于所述PCB板上。
如图5所示，本发明所述椭圆形销轴22为中空结构，中空结构亦为椭圆形。
如图6所示，本发明所述输入轴6、所述弹性扭杆轴1、所述控制器21与所述输出轴12同轴，所述椭圆形销轴22轴线与输出轴6前端的椭圆形销座孔2同轴，所述两个导线孔20圆心与所述第一声表面波谐振器23几何中心与所述第二声表面波谐振器24几何中心处于同一水平面内，所述数据传输线25一端连接于所述第亦声表面波谐振器23及所述第二声表面波谐振器24。
如图7所示，本发明所述输入轴6中端内表面与所述弹性扭杆轴1前端外表面贴合，所述输入轴6中端中部开有的椭圆形销座孔10与所述弹性扭杆轴1前端中部开有的椭圆形销座2孔完全重合，所述椭圆形销轴22与所述输入轴6中端中部开有的椭圆形销座孔10与所述弹性扭杆轴1前端中部开有的椭圆形销座孔2配合；
如图7所示，本发明所述输出轴12中端内表面花键16与所述所述弹性扭杆轴1后端外花键5相配合，所述输入轴6前端棘爪8与所述输出轴12前端棘爪15尺寸完全相同，处于同一圆周平面内，相互深入对方槽口内，所述输入轴6前端每个棘爪8两侧半圆形凸起7与所述输出轴12前端每个棘爪15两侧半圆形凹槽14半径相同，圆心处于同一圆周上，所述输入轴6前端每个棘爪8同与之相邻的所述输出轴12前端棘爪15的相对转角可变化范围为0～12°，所述输出轴12棘爪前端面13与所述输入轴6槽口底平面9距离为10mm；
如图7所示，本发明所述控制器21平面垂直于所述输出轴12轴线方向，通过螺栓固定于所述输出轴12中端外表面中部的控制器安装平面17上；
如图7所示，本发明所述数据传输线25通过所述输出轴12中端外表面上的两个导线孔20将所述第一声表面波谐振器23、所述第二声表面波谐振器24与所述控制器21相连接。
当本扭矩测量装置应用于汽车EPS转向系统时，输入轴6后端花键11与汽车方向盘连接，输出轴12后端花键19与助力电动机总成及转向机构连接。
Claims (6)
1.一种汽车EPS系统有线无源式扭矩测量装置，其特征在于由机械传动部分，扭矩测量部分以及控制器三部分组成；
所述机械传动部分包括：
弹性扭杆轴(1)，所述弹性扭杆轴(1)可分为前端、中端及后端三部分，所述弹性扭杆(1)轴前端中部开有椭圆形销座孔(2)，所述弹性扭杆轴(1)的中端两侧切削有完全对称的第一矩形平面(3)与第二矩形平面(4)，所述弹性扭杆轴(1)后端制有外花键(5)；
输入轴(6)，所述输入轴(6)可分为前端、中端及后端三部分，所述输入轴(6)前端为等间距环形阵列布置的四个棘爪(8)，每个棘爪(8)两侧均有半圆形凸起(7)，所述输入轴(6)中端为中空桶结构，中端中部开有椭圆形销座孔(10)，所述输入轴(6)后端制有三段外花键(11)；
输出轴(12)，所述输出轴(12)可分为前端、中端及后端三部分，所述输出轴(12)前端为等间距环形阵列布置的四个棘爪(15)，每个棘爪(15)两侧均有半圆形凹槽(14)，所述输出轴(12)中端为中空桶结构，中端内表面制有内花键(16)，中端外表面靠近所述输出轴(12)的前端棘爪(15)槽口位置钻有对称的两个导线孔(20)，所述输出轴(12)中端外表面中部制有控制器安装平面(17)，控制器安装平面(17)后部制有定位凸台(18)，所述输出轴(12)后端制有两段外花键(19)；
椭圆形销轴(22)，所述椭圆形销轴(22)为中空结构，中空结构亦为椭圆形；
所述扭矩测量部分包括：
第一声表面波谐振器(23)，其为单端口谐振器，粘贴于弹性扭杆轴(1)的第一矩形平面(3)上，轴线方向与所述弹性扭杆轴(1)轴线方向呈45°，基底选择欧拉角为(0°,35.24°,0°)的石英单晶体，中心频率为400MHz；
第二声表面波谐振器(24)，其为单端口谐振器，粘贴于弹性扭杆轴(1)的第二矩形平面(4)上，轴线方向与所述弹性扭杆轴(1)轴线方向呈-45°，基底选择欧拉角为(0°,35.24°,0°)的石英单晶体，中心频率为404MHz；
数据传输线(25)，所述数据传输线(25)通过所述输出轴(12)中端外表面上的两个导线孔(20)将所述第一声表面波谐振器(23)、所述第二声表面波谐振器(24)与控制器(21)相连接；
其中所述控制器(21)包括：
PCB板，所述PCB板为中空圆形结构；
处理电路，所述处理电路部分包含信号激励电路、信号接收电路、信号处理电路，所述处理电路部分印刷于所述PCB板上。
2.据权利要求1所述的一种汽车EPS系统有线无源式扭矩测量装置，其特征在于：所述弹性扭杆轴(1)采用40Cr钢材料制作，所述弹性扭杆轴(1)中端两侧第一矩形平面(3)与第二矩形平面(4)位于所述弹性扭杆轴中端中心位置，切削深度为0.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种汽车EPS系统有线无源式扭矩测量装置，其特征在于：所述两个导线孔(20)圆心与所述第一声表面波谐振器(23)几何中心、所述第二声表面波谐振器(24)几何中心处于同一水平面内。
4.根据权利要求1所述的一种汽车EPS系统有线无源式扭矩测量装置，其特征在于：所述输入轴(6)的前端棘爪(8)与所述输出轴(12)的前端棘爪(15)长、宽、厚尺寸完全相同，处于同一圆周平面内，相互深入对方槽口内，所述输入轴(6)前端每个棘爪(8)两侧半圆形凸起(7)与所述输出轴(12)前端每个棘爪(15)两侧半圆形凹槽(14)半径相同，所述输入轴(6)前端每个棘爪(8)同与之相邻的所述输出轴(12)前端棘爪(15)的相对转角可变化范围为0～12°，所述输出轴(12)棘爪前端面(13)与所述输入轴(6)槽口底平面(9)距离为10mm。
5.根据权利要求1所述的一种汽车EPS系统有线无源式扭矩测量装置，其特征在于：所述控制器(21)平面垂直于所述输出轴(12)轴线方向，通过螺栓固定于所述输出轴(12)中端外表面中部的控制器安装平面(17)上。
6.根据权利要求1所述的一种汽车EPS系统有线无源式扭矩测量装置，其特征在于：所述数据传输线(25)通过所述输出轴(12)中端外表面上的两个导线孔(20)将所述第一声表面波谐振器(23)、所述第二声表面波谐振器(24)与所述控制器(21)相连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |