CN110753835A - 用于确定扭矩的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定旋转构件(100)处的扭矩的装置，包括至少一个被联接至第一旋转杆(100.1)的第一信号发生器(103)和至少一个被联接至第二旋转杆(100.2)的第二信号发生器(104)。第一和第二旋转杆(100.1、100.2)分别通过扭转元件(101)相对于彼此可旋转地联接。此外，该装置还包括至少一个传感器元件(105)。第一和第二信号发生器(103、104)分别包括至少一个导电的第一区域(103.1、104.1)以及至少一个不导电或弱导电的第二区域(103.2、104.2)。在此，第一和第二信号发生器(103、104)被布置在传感器元件(105)处，使得根据导电的第一区域(103.1、104.1)的重叠程度能够确定第一和第二信号发生器(103、104)彼此之间的相对旋转。

Description

用于确定扭矩的装置

背景技术

专利申请文件DE 10 2014 208 642 A1公开了一种用于检测车辆中旋转构件处的旋转角度的传感器组件，该传感器组件具有第一测量值发生器和第二测量值发生器，第一测量值发生器在周向上以预定的第一传动比与旋转构件联接，第二测量值发生器在周向上以预定的第二传动比与旋转构件联接，其中测量值发生器分别与至少一个测量值接收器相结合地产生至少一个信息以用于确定旋转构件的当前旋转角度，并且其中两个测量值发生器安装在共同的旋转轴上。

发明内容

根据本发明的用于确定旋转构件处的扭矩的装置包括被联接至第一旋转杆的第一信号发生器和被联接至第二旋转杆的第二信号发生器。第一和第二旋转杆通过扭转元件相对于彼此可旋转地联接。此外，该装置还包括至少一个传感器元件。第一和第二信号发生器分别具有至少一个导电的区域以及至少一个不导电或弱导电的区域。弱导电的区域可理解为该弱导电的第二区域具有比导电的第一区域低的导电率。此外，第一和第二信号发生器被布置在传感器元件处，使得根据导电的第一区域的重叠程度能够确定第一和第二信号发生器彼此之间的相对旋转。

这样的装置可理解为扭矩传感器。旋转杆和扭转元件可以是转向杆或转向柱的一部分。在转向柱的情况下，有利的是可以确定驾驶员在操作转向(通常为旋转运动)时所施加的力，从而确定驾驶员进行转向干预的大小或强度。信号发生器可以是具有不同电导率区域的圆盘。这样的信号发生器可以分别直接或间接地联接到旋转杆上。信号发生器与旋转杆的联接也可以通过以下方式实现，即，信号发生器被固定在扭转元件处，该扭转元件通过所连接的旋转杆进行旋转。在此，相应地设置在扭转元件上的信号发生器也随之旋转。

该装置的优点在于，通过确定重叠程度，可以直接确定信号发生器相对于彼此旋转时在信号发生器之间的相对偏转，而不是先确定各个角度然后通过计算将各个角度彼此关联。由此，通过借助重叠程度直接确定在信号发生器之间的相对旋转，可以直接确定扭矩。在假设已知扭转元件的扭转角-扭矩特性的情况下，已知的旋转角度是所施加的扭矩的量度。此外有利的是，该装置占用的空间很小，并且仅需要单个用于确定数值的传感器，而不像在由两个单独直接测量角度形成差角时而需要两个传感器。

在有利的设计方案中，通过使第一旋转杆和第二旋转杆彼此之间发生旋转，引起第一和第二信号发生器的彼此旋转。在转向中，例如力可能作用在旋转杆上。因此，在转向中，力一方面可作用在从车轴出来的第一旋转杆上，并且另一方面可作用在从方向盘出来的第二旋转杆上。这些作用力会导致旋转杆彼此旋转。这又会引起第一和第二信号发生器的所述旋转。有利的是，可以在旋转构件的特定位置，例如在扭转元件的周围，测量从外部作用在旋转构件上的力。通过旋转杆的设计，旋转构件也可相应地适配于所需的安装情况，例如在机动车中。

在有利的设计方案中，第一信号发生器被联接至第一旋转杆，并且第二信号发生器被联接至第二旋转杆，使得在第一旋转杆和/或第二旋转杆发生旋转运动时，相应联接的信号发生器也随之运动。

在有利的设计方案中，传感器元件包括至少一个线圈。借助线圈可使用电磁测量原理。其优点在于，该测量原理无接触地工作，这可减少构件的磨损，否则构件会由于运动时的接触而受到摩擦从而受到磨损。此外，该结构和连接技术与用作敏感元件(例如直接施加在扭转元件上的应变计)的传感器相比更简单且更稳固。

在有利的设计方案中，传感器元件包括励磁线圈和接收线圈。励磁线圈可用来产生磁场。这种磁场会影响信号发生器的导电区域，特别是第一和第二信号发生器的导电的第一区域。借助于接收线圈能够以感应电压的形式探测磁场。

通过设置接收线圈和励磁线圈，可以简单地使信号激励和探测解耦，并使之适配于所需的条件。

在该装置的设计方案中，第一信号发生器的导电区域和第二信号发生器的导电区域都具有朝向传感器元件的表面。第一信号发生器的导电的第一区域的表面和第二信号发生器的导电的第一区域的表面具有基本相同的尺寸。信号发生器被设置为使得第一信号发生器和第二信号发生器可彼此匹配地布置。此外有利的是，第一和第二信号发生器彼此互补地设置。在此，互补的设置特别是可以关于导电的第一区域和相应的不导电或弱导电的第二区域来理解。其优点在于，例如在第一和第二信号发生器相对于彼此处于第一扭转位置时，从第一和第二信号发生器的共同旋转轴的方向看，可产生导电材料的封闭表面。在进一步的扭转位置中，可实现各自导电的第一区域彼此重叠，并且第一发生器元件和第二发生器元件的不导电或弱导电的第二区域也彼此重叠。由此，在这里示例性说明的两个扭转位置之间，第一区域的重叠程度以及传感器元件的重叠程度将变化。在此，传感器元件的重叠程度从与第一和第二信号发生器的第一区域的导电材料的较大重叠向与第一和第二信号发生器的第一区域的导电材料的较小重叠进行变化。

在该装置的另一设计方案中，可借助于在励磁线圈和接收线圈之间的电感耦合来确定传感器元件上方导电的第一区域的重叠程度。

在该装置的有利的设计方案中，传感器元件的励磁线圈和接收线圈分别沿旋转构件的圆周单向布置。单向可理解为，励磁线圈和接收线圈在定向意义上沿旋转构件的圆周延伸，例如仅沿顺时针方向或者仅沿逆时针方向延伸。

在另一设计方案中，仅传感器元件的励磁线圈单向地设计，而相反地，传感器元件的接收线圈沿着旋转构件的圆周多向地设计。与单向的励磁线圈相比，接收线圈具有沿着圆周朝第一定向方向延伸的第一部分和沿着圆周朝另一相反的定向方向延伸的另一部分。因此，接收线圈的第一部分可先沿圆周朝第一方向延伸，然后改变方向并且朝相反方向延伸回去。方向的改变特别是可相对于旋转轴线径向地延伸。

同样有利的是，传感器元件的励磁线圈和接收线圈都沿旋转构件的圆周多向地延伸。在此，至少接收线圈的和必要时附加的励磁线圈的多向延伸可以受到张角的限制。该设计方案的优点在于，与励磁线圈和接收线圈几乎完全围绕旋转构件相比，传感器装置被设计得更小并且更节省空间。

此外，通过这种方式可以在旋转门处进行装置的简单安装。小于360°的角度、特别是小于180°的张角使得可以将传感器元件侧向地移近旋转构件并且安装在此处。

在有利的设计方案中，第一和第二信号发生器的导电的第一区域彼此之间的重叠程度会影响传感器元件与第一和第二信号发生器的导电的第一区域的重叠程度，特别是对应于传感器元件与第一和第二信号发生器的导电的第一区域的重叠程度。以这种方式，借助于传感器元件也可以确定信号发生器彼此之间的旋转，该旋转使导电的第一区域彼此之间的重叠改变。

附图说明

图1示出了一种用于测量两个构件彼此之间的旋转的装置。

图2示出了第一和第二信号发生器。

图3示出了第一和第二信号发生器相对于彼此的不同布置方式。

图4至图6示出了用于确定测量值的不同实施方式。

图7和图8示出了第一和第二信号发生器彼此相对旋转时的可能的波形。

图9示出了用于确定测量值的另一布置方式。

具体实施方式

下面将参考附图说明本发明的实施方式。

图1示出了用于确定两个可旋转构件的相对旋转的装置。将以转向柱或转向杆为例来说明该装置，但并不局限于转向机构。

转向杆100的第一部分100.1和转向杆100的第二部分100.2通过扭转元件101相互连接。在转向杆的第一部分100.1和第二部分100.2彼此旋转时，扭转元件可被扭转并且可使得转向杆100的相连接的第一和第二部分彼此扭转。

在转向杆100的第一部分100.1处附接有第一目标元件103。目标元件103在第一部分100.1处的附接可以通过相应的支承结构102进行。支承结构例如可以是套筒102。在此，该附接可设置为刚性。在转向杆100的第一部分100.1旋转时，相连接的目标元件103也随之旋转。

在转向杆100的第二部分100.2处附接有第二目标元件104。该附接也可设置为刚性。在转向杆100的第二部分100.2旋转时，第二目标元件104也随之旋转。

作为替代，第一目标元件103和第二目标元件104也可附接到扭转元件101处。在此仅须确保在转向杆100的第一部分100.1和第二部分100.2旋转时第一目标元件103和第二目标元件104相对于彼此旋转。

此外，传感器电路板105刚性地与转向杆100的第二部分100.2附接，或者如图所示相对于转向杆100的整体旋转以固定的方式安装。在相对于转向杆100以固定的方式布置时，传感器电路板105在转向杆旋转时不会随之旋转。

两个目标元件103、104之间的垂直距离可通过在转向杆100处、特别是在第一部分100.1、第二部分100.2处相应的间隔安装来设定。作为替代，如上所述，也可在扭转元件101处设置第一和/或第二目标元件103和104的附接。

在图1中可看出，通过确定支承结构102的尺寸可设置目标元件103和104之间的距离。

两个目标元件103、104之间在转向杆的延伸方向上的垂直距离可以是几百微米。该距离优选地应设计得尽可能小。同样可行的是，目标元件103、104彼此接触。

在向转向杆施加扭矩时，在转向杆100的第一部分100.1和转向杆100的第二部分100.2之间可能发生相对旋转。这将引起两个目标元件103和104彼此之间的旋转。

在图2中示出目标元件103和104。

第一目标元件103由相同数量的导电的第一扇形元件103.1和不导电或弱导电的第二扇形元件103.2组成。两者分别跨角度103a或103b。

两个角度103a和103b可以大小相同。角度103a和103b可以分别对应于转向杆100的第一部分100.1和第二部分100.2的最大扭转角的一到两倍。在此应再次指出，转向杆的描述不是限制性的，而是转向杆可视为旋转构件的代表。

角度103a和角度103b之和可以是360°的整除数。

除了第一目标元件103之外，还示出了第二目标元件104。第二目标元件104可以具有与第一目标元件103相同的尺寸。在此，扇形元件104.1和104.2又分别跨相应的角度104a和104b。关于角度103a和103b所述的内容同样适用于角度104a和104b。

第二目标元件104的导电的第一扇形元件104.1的几何形状可以与目标元件103的不导电或弱导电的第二扇形元件103.2相同。

第一目标元件103的导电的第一扇形元件103.1的几何形状可以与目标元件104的不导电或至少弱导电的扇形元件104.2相同。

换言之，第一和第二目标元件103、104在其几何形状上彼此互补。

如果两个目标元件103、104在共同的旋转轴上彼此相叠地放置，则在俯视图中在沿旋转轴的相应旋转位置上仅可以看到导电的第一扇形元件103.1和104.1。由目标元件103和104以相应导电的第一扇形元件103.1或104.1形成封闭的表面。

图3以俯视图示出了第一目标元件103与第二目标元件104的布置，其沿着目标元件103和104的共同旋转轴布置在不同的旋转位置。

在未旋转的状态下，两个目标元件103、104彼此相对旋转地定位，使得它们例如在没有扭矩作用到转向杆上的情况下在俯视图中共同形成连续的导电表面。该布置方式在图3的左侧示出。

在两个目标元件103、104相对旋转时，例如在有扭矩作用到转向杆100上时，根据相对旋转角度，在俯视图中得到目标元件103、104彼此之间的不同旋转位置。

如在图3的中间可见，目标元件103、104相对于彼此的旋转将导致表面的开口，该开口不再被导电的第一扇形元件103.1、104.1的其中一个覆盖，而是取而代之被目标元件103、104的相应不导电或弱导电的扇形元件103.2、104.2覆盖。

在目标元件103、104相对于彼此进一步旋转时，该表面进一步打开。对这些表面103.2、104.2的尺寸的探测使得可以推断出旋转角度。借助于该旋转角度，可以在已知现有扭转元件100的联接强度的情况下确定扭矩。

换言之，在目标元件103、104相对于彼此旋转时，会产生对应的传感器元件105与导电的第一材料103.1、104.1的区域的重叠程度的变化。重叠程度会影响借助于传感器元件105要确定的测量量。这与不导电或弱导电的材料103.2和104.2的重叠变化相关联。

开口的表面的尺寸可以通过图4所示的线圈组件来确定。在第一设计方案中，线圈组件包括位于传感器电路板105上的圆形励磁线圈202。为了清楚起见，在图4至图6中未示出传感器电路板105。

励磁线圈202沿着旋转构件的圆周延伸，旋转构件的圆周在图4中通过其直径di表示。

在励磁线圈202内设置有接收线圈203。接收线圈和励磁线圈也可以相反布置。

线圈结构的外部尺寸(直径da)与目标元件103、104的直径具有相同的数量级。此外，线圈组件202、203还必须能够至少部分地容纳直径为di的转向杆100。

在图4的实施例中，励磁线圈202和接收线圈203的延伸可以分别理解为单向的。在示例中所示的延伸是同向的，励磁线圈202或接收线圈203没有与第一部分反向延伸的其他部分。不同于图5或图6的双向延伸，在此可看到单向延伸。

励磁线圈202将被施加频率为若干MHz(优选5MHz)的交流电压。由此将产生交变电磁场。交变电磁场在目标元件103、104中产生涡电流，该涡电流通过所产生的磁场在接收线圈203中感应出相应的交变电压。通过解调可以利用励磁信号确定接收信号的耦合系数。

这例如可以通过将接收信号与励磁信号相乘并随后进行低通滤波来进行。低通滤波器的截止频率可以很低，范围可以从几Hz到几kHz。作为替代，也可以借助于(数字)傅立叶变换或用于测量幅度的替代方法来确定接收信号的幅度。

线圈结构202、203与目标元件103、104的导电材料103.1、104.1的重叠(即重叠程度)越小，则在接收信号和励磁信号之间的耦合系数越大。

如果使用如图3中所示的目标元件103、104，则得到根据图7的在旋转角302和耦合系数301之间的关系。

如图7所示关系的线性曲线并非是必须的，同样可以存在函数关系，其取决于线圈组件202、203与目标元件103、104的导电材料103.1、104.1的重叠如何随着目标元件的相互旋转而改变。

如上所述，旋转角度301可以表示所施加的转矩，特别是与此成比例。如果扭转元件的旋转与扭矩成线性关系，并且线圈结构202、203与目标元件103、104的导电材料103.1、104.1的重叠线性地作用于耦合系数，则所示曲线是适用的。特别是对于较小的最大扭转，这种关系可认为是有效的。

根据图5，为了减小转向杆对线圈信号的影响，提供了线圈组件的另一设计方案。

类似于图4，励磁线圈202沿着转向杆的圆周布置。

接收线圈203同样沿着圆周延伸，但不是如图4所示单向延伸，而是多向延伸。多向可理解为接收线圈203在第一部分中沿着转向杆100的圆周延伸，并且在至少另一部分中沿着圆周与第一部分反向地延伸。在图5中可看出，第一部分具有在逆时针方向上的走向，而第二部分具有在顺时针方向上的走向。两条走向均沿圆周延伸，但具有不同的半径。在接收线圈的第一部分和第二部分之间可以存在将第一部分与第二部分连接的区段。

例如，该中间区段可以相对于线圈组件以及转向杆100的中心径向地延伸。

此外，在根据图6的另一实施方式中，线圈组件202、203可以不完全包围转向杆100。在图6中，接收线圈203仅具有一个张角204，该张角以与角度204相同的方式同样出现在虚线辅助线的另一侧。另外，励磁线圈202现在也设置为多向。励磁线圈202现在也具有沿圆周延伸的第一部分和反向的第二部分，第二部分也沿圆周延伸，但与第一部分方向相反。励磁线圈202也具有小于360°的张角(图6中未示出)。由此，励磁线圈202多向且按比例地围绕转向杆。

由此，图6示出了励磁线圈202和接收线圈203的多向的按比例的延伸。

这可实现简单的安装，因为可以将线圈组件202、203仅侧向地移到待测量的对象处。

显而易见的是，待选择的张角204仅可以被选择为使得在接收线圈203上方目标元件103和104的扇形段103.1和104.1之间始终存在至少一个间隙103.2、104.2。为此，对于所示的目标结构，接收线圈204的张角优选为60°。

对于图4、图5和图6所示的线圈组件202、203，无论是励磁线圈202还是接收线圈203都可以在电路板105的多个电路板层中实现。

励磁线圈202和接收线圈203也可以具有多于一个的绕组，如在线圈中通常已知的情况。附加的绕组例如可在图4、图5或图6中所示的线圈组件202、203的后面或前面延伸，即近似于在附图平面的里面或超出附图平面的外面。

同样可行的是，使用多个励磁线圈202和/或接收线圈203。由此，例如可满足对功能安全(例如测量系统的冗余)的要求。

在图9中示出了替代的线圈组件202。根据先前说明的实施方式，利用该线圈组件202也可确定两个目标元件103和104相对于彼此的相对偏转，特别是旋转。

与具有励磁线圈202和接收线圈203的前述实施方式相比，在该实施方式中仅设置有一个线圈元件202。根据图9，线圈元件202为圆形线圈202，例如平面线圈。线圈202被安装在传感器电路板105上。

线圈202具有第一连接部202.1和第二连接部202.2。线圈组件202的尺寸被设计为使得直径da与目标元件103、104的直径处于相同数量级。内径di取决于转向杆100的直径，这可以由线圈组件202执行。在图9中未示出转向杆100。

图9示出了具有多个绕组的线圈组件202，其全部沿着转向杆100的圆周延伸。该布置方式又可理解为单向。在该实施方式中，不存在线圈202的反向部分。

该线圈组件的基本测量效果是，当例如目标元件103和104的导电部分103.1和104.1位于该导电材料上方时，线圈202具有电感变化。

如果向线圈202施加交流电压，则产生交变电磁场，交变电磁场在位于其上方的目标元件103、104中、特别是在目标元件103、104的导电部分中感应出涡电流。该涡电流产生与第一交变电磁场相反的反向磁场，这使得传感器线圈202的电感减小。

导电材料覆盖的面积越大，则电感减小得越多。根据图3中的目标元件103、104的布置方式，这意味着更小的相对旋转将产生更低的电感。

如果现在例如在根据图10的电谐振电路中接入线圈202，由此线圈202的谐振频率将根据以下公式变化：

f_0＝1/(2＊PI＊sqrt(L＊C))

其中，f_0表示谐振电路的谐振频率，PI表示圆周率，sqrt表示方根，L表示谐振电路的电感，并且C表示谐振电路的电容。

线圈电感L越低，则谐振电路的频率f_0越大。因此，例如通过在定义的时间窗内对周期进行计数来测量频率f_0，这可使得推断出目标元件彼此之间的旋转。所施加的扭矩将影响目标元件103、104相对于彼此的旋转，由此可基于旋转的确定来推导所施加的扭矩。

在谐振电路中所使用的电容器可选择为使得频率达到几十MHz的范围。为了提高基础电感，平面线圈也可集成在印刷电路板的多层中，由此可将多个绕组彼此叠置。同样也可考虑增加匝数。

频率的计数可借助于专用的控制单元来进行。同样可以借助于现有控制单元通过评估来进行，分析也已经分配给该控制单元。在这种情况下，不需要额外部件(例如微控制器)，并且整个系统变得非常低成本。

除了在谐振电路中进行测量之外，也可直接测量电感。这例如可利用以下方法进行：

-通过L-积分器，

·其中向线圈施加直流电压，电流相应地增大并且通过运算放大器被转换为测量电压。

-通过DC-DC转换器，

·在原理上基于：测量线圈的能量被加载到电容器上，该电容器的电压用作测量信号。

-通过无功分压器，

·其中例如通过锁相环(PLL)确定在正弦励磁信号和LC谐振电路两端电压之间的相位关系。

-通过将测量线圈集成到桥式电路中，

·其中硬件的主要任务是对测量信号进行解调。

·其中必须具有至少另一线圈作为参考。

Claims (11)

1.一种用于确定旋转构件(100)处的扭矩的装置，包括：

-至少一个第一信号发生器(103)，其被联接至第一旋转杆(100.1)，

-至少一个第二信号发生器(104)，其被联接至第二旋转杆(100.2)，

-其中所述第一和第二旋转杆(100.1、100.2)通过扭转元件(101)相对于彼此可旋转地联接，

-以及包括至少一个传感器元件(105)，

其特征在于，

-所述第一和第二信号发生器(103、104)分别包括至少一个导电的第一区域(103.1、104.1)以及至少一个不导电或弱导电的第二区域(103.2、104.2)，

-所述第一和第二信号发生器(103、104)被布置在所述传感器元件(105)处，使得根据所述导电的第一区域(103.1、104.1)的重叠程度能够确定所述第一和第二信号发生器(103、104)彼此之间的相对旋转。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二信号发生器(103、104)的旋转由所述第一旋转杆(100.1)和所述第二旋转杆(100.2)彼此之间的旋转引起。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述第一信号发生器(103)被联接至所述第一旋转杆(100.1)并且所述第二信号发生器(104)被联接至所述第二旋转杆(100.2)，使得相应联接的信号发生器(103、104)在所述第一旋转杆(100.1)和/或第二旋转杆(100.2)发生旋转运动时随之运动。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器元件(105)包括至少一个线圈(202、203)。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述传感器元件包括至少一个励磁线圈(202)以及至少一个接收线圈(203)。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一发生器元件(103)的导电的第一区域(103.1)和所述第二发生器元件(104)的导电的第一区域(104.1)具有朝向所述传感器元件(105)的表面，其中所述第一发生器元件(103)的导电的第一区域(103.1)的表面和所述第二发生器元件(104)的导电的第一区域(104.1)的表面具有大致相同的尺寸。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述导电的第一区域(103.1、104.1)的所述重叠程度能够借助于所述励磁线圈(202)和所述接收线圈(203)的感应耦合来确定。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述传感器元件(105)的所述励磁线圈(202)和所述接收线圈(203)分别沿所述旋转构件(100)的圆周单向布置。

9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述传感器元件(105)的所述励磁线圈(202)沿所述旋转构件(100)的圆周单向布置，并且所述传感器元件(105)的所述接收线圈(203)沿所述旋转构件的所述圆周多向布置。

10.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述传感器元件(105)的所述励磁线圈(202)和所述接收线圈(203)都沿所述旋转构件(100)的圆周多向延伸，其中所述多向延伸受到张角(204)的限制。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二信号发生器(103、104)的导电的第一区域(103.1、104.1)彼此之间的所述重叠程度影响所述传感器元件(105)与所述第一和第二信号发生器(103、104)的导电的第一区域(103.1、104.1)的重叠程度，特别是对应于所述传感器元件与所述第一和第二信号发生器的导电的第一区域的重叠程度。

Images