CN113167665B - 扭矩传感器装置和机电转向系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种扭矩传感器装置(1)，该扭矩传感器装置包括：‑可连接至第一部分轴(2)以与其共同旋转的环形磁体(4)；‑可连接至第二部分轴并布置在由环形磁体(4)引起的磁场中的至少一个磁轭(5)；以及‑可连接至第二部分轴并传导由所述至少一个磁轭(5)产生的磁通的至少两个磁通导体(6)；‑具有第一壳体(8)的传感器单元(7)，该传感器单元通过测量在磁通导体(6)之间产生的磁通的密度来检测部分轴(2)之间的旋转角度的变化；‑围绕环形磁体(4)、所述至少一个磁轭(5)、所述至少两个磁通导体(6)以及传感器单元(7)的第二壳体(12)，并且该第二壳体具有由壳体盖(13)至少部分地封闭的壳体开口(123)，其中，第二壳体(12)和壳体盖(13)由用于扭矩传感器装置(1)的磁屏蔽的导磁材料制成。

Description

扭矩传感器装置和机电转向系统
技术领域
本发明涉及扭矩传感器装置，且涉及具有这种扭矩传感器装置的用于机动车辆的机电助力转向系统。
背景技术
扭矩传感器用于机动车辆中以测量由驾驶员引入到方向盘中的扭矩。当前使用的扭矩传感器是磁传感器，其测量值可能很容易受到外部磁场的干扰。在将来并且目前已经达到一定程度地，机动车辆将全部或部分地电动运行，这可能导致通过通常位于转向系统附近的高载流量电缆而受到高强度外部磁场影响的测量值。
现有技术公开了一系列具有磁屏蔽的扭矩传感器。
文献US 7,021,161 B2公开了一种转向角传感器，该转向角传感器具有连接至上转向轴的第一齿轮，该第一齿轮与较小的第二齿轮接合，其中，较小的齿轮被具有用于第一齿轮的切口的屏蔽罩围绕。该屏蔽罩为第二齿轮的传感器的磁场定界。
公开文献EP 3 276 317 A1、EP 3 276 318 A1和EP 3 239 678 A1公开了具有磁屏蔽罩的扭矩传感器装置，该磁屏蔽罩的横截面呈C形，并且该磁屏蔽罩周向地围绕布置在下转向轴上的磁通导体。
发明内容
本发明的目的是提出一种扭矩传感器装置，该扭矩传感器装置在确定扭矩值方面受现有的外部磁干扰场的影响减小，并且与之相关联地具有提高的精度。
该目的通过本发明的扭矩传感器装置并通过具有该扭矩传感器装置的用于机动车辆的机电助力转向系统来实现。
因此，本发明提供了一种扭矩传感器装置，包括：
-环形磁体，该环形磁体能够以防扭转的方式连接至第一部分轴，
-至少一个磁轭，所述至少一个磁轭能够连接至第二部分轴并布置在源自环形磁体的磁场中，
-至少两个磁通导体，所述至少两个磁通导体能够连接至第二部分轴并传导由所述至少一个磁轭产生的磁通，
-传感器单元，该传感器单元具有第一壳体，该传感器单元通过测量在磁通导体之间产生的磁通的密度来检测部分轴之间的旋转角的变化，
-第二壳体，该第二壳体围绕环形磁体、所述至少一个磁轭、所述至少两个磁通导体和传感器单元，并且该第二壳体具有由壳体盖至少部分地封闭的壳体开口，其中，第二壳体和壳体盖由用于扭矩传感器装置的磁屏蔽的导磁材料制成。
由于整个扭矩传感器装置都被壳体包围，因此可以保护其免受破坏性外部磁场的影响。
优选地，壳体盖具有切口，在安装时，第一部分轴穿过该切口，并且该切口中容置有内套管，其中，内套管同样由用于扭矩传感器装置的磁屏蔽的导磁材料制成。因此，屏蔽在扭矩传感器装置的整个周围延伸，并磁性地封闭。
内套管优选地是可调节的转向柱的一部分。优选地，内套管被焊接至壳体盖。
在优选的实施方式中，屏蔽的软磁材料具有高磁导率和低矫顽力，特别是铁素体钢。
在优选的实施方式中，传感器单元包括至少一个磁通导体和布置在电路板上的磁传感器，该磁通导体和该布置在电路板上的磁传感器被容置在第一壳体中。根据诺纽斯(Nonius)原理，还可以使传感器单元与减速变速器一起工作。优选地，壳体盖通过螺钉固定至第二壳体的外壁。传感器壳体(第一壳体)同样优选地通过第二壳体内部的螺钉固定至第二壳体的基板。
在有利的实施方式中，第二壳体在传感器元件的区域中具有壳体开口，用于使数据线和/或电源被引导穿过该壳体开口以固定至传感器元件。
第二壳体的基板的远离开口的一侧可以附接有用于将第二壳体固定至变速器壳体的凸缘。
此外，提供了一种用于机动车辆的机电转向系统，该机电转向系统包括：连接至第二部分轴并且与用于使轮转向的齿条接合的转向小齿轮，其中，齿条被安装成使得其能够在第三壳体中沿着纵向轴线移位；用于转向力辅助的至少一个电动马达；前文中描述的扭矩传感器装置，该扭矩传感器装置布置在连接至方向盘的第一部分轴与第二部分轴之间并检测由驾驶员引入到方向盘中的扭矩。这产生了前述优点。
优选地，包括第一部分轴和第二部分轴的转向柱是能伸缩的，其中，转向柱具有外套管和内套管。
在优选的实施方式中，电动马达布置在转向柱上，并通过布置在变速器壳体中的变速器将动力转向辅助引入下部分轴中。
附图说明
在下文中，将通过使用附图来描述本发明的示例性实施方式。相同的部件或具有相同功能的部件具有相同的附图标记。在附图中：
图1：示出了扭矩传感器装置和带有传感器壳体的转向角传感器的三维视图，
图2：示出了扭矩传感器装置的壳体的正面的平面图，
图3：示出了沿线A-A穿过图2中所图示的扭矩传感器装置的壳体的截面，
图4：示出了沿线B-B穿过图2中所图示的扭矩传感器装置的壳体的截面，
图5：示出了图4中所图示的区域Y、X、W的三个局部视图。
图6：示出了沿线C-C穿过图2中所图示的扭矩传感器装置的壳体的截面，
图7：示出了沿线D-D穿过图2中所图示的扭矩传感器装置的壳体的截面，
图8：示出了扭矩传感器装置的壳体的正面的另一平面图，
图9：示出了图8中所图示的区域U的局部视图，以及
图10：示出了图8中所图示的区域V的局部视图。
具体实施方式
图1图示出了扭矩传感器装置1，该扭矩传感器装置1测量上转向轴2相对于未图示出的下转向轴的旋转，以作为驾驶员手动施加在上转向轴2或与上转向轴2连接的方向盘上的扭矩的测量值。上转向轴2和下转向轴经由未示出的扭力杆以扭转上弹性的方式彼此可旋转地联接。扭矩传感器装置1具有旋转角传感器，该旋转角传感器也被称为扭矩传感器。根据扭矩传感器装置1测得的扭矩，伺服单元为驾驶员提供转向辅助。
扭矩传感器装置1是整体组件的包括转向角传感器单元3的部分。转向角传感器单元3测量下转向轴的当前转向角。
扭矩传感器装置1具有环形磁体(永磁体)4，该环形磁体4以防扭转的方式连接至上转向轴2，并且具有多个磁极。固定至下转向轴的一组磁轭5布置在由四极磁体4产生的磁场中。每个磁轭5由软磁材料制成并且具有沿周向方向等距地布置的多个爪极。各磁轭5布置成使得其爪极相互接合。该四磁极磁体4和组装的磁轭5被布置成使得磁轭5的每个爪极的中心与磁边界线(即，N极与S极之间的边界)重合，以获得中性点，在该中性点处，在扭力杆没有被扭转的情况下(即，在上转向轴与下转向轴之间无转向力传递时)，来自磁场传感器的输出信号(输出电压)变为零。
一组磁通导体6传导并“聚集”由磁轭5产生的磁通。物理地固定的传感器单元7检测在轴向方向上彼此相反地定位的磁通导体6之间的气隙中产生的磁通的密度。
传感器单元7具有第一壳体8，并且在该第一壳体8中布置有第二磁通导体9和布置在电路板10上的磁传感器11。磁通导体6、9用于将磁通集中在磁传感器11上。磁传感器11检测与磁环4连接的上转向轴2相对于与磁轭5和磁通导体6连接的下转向轴的旋转。在安装期间，传感器单元7的第一壳体8被插入到扭矩传感器装置1的第二壳体12中。
当安装时，扭矩传感器装置的第二壳体12围绕环形磁体4、所述一组磁轭5、磁通导体6和传感器单元7。扭矩传感器装置的第二壳体12具有基座表面120，该基座表面120用作基座，并且在该基座表面120上安置有用作边缘且在基座120上大致垂直地布置的外壁121。外壁121优选地焊接到基座120上。在传感器元件7之外的区域中，基座相对于外壁121向外突出，从而在外壁121的外侧上形成壁架122。外壁121在周向上包围整个扭矩传感器装置1。在远离基座的一侧，第二壳体12具有开口123。该开口123使壳体12朝向上转向轴2敞开。开口123被壳体盖13覆盖。壳体盖13具有切口130，上转向轴2在安装时穿过该切口130。壳体盖13连接至、优选地焊接至转向柱的内套管14。内套管14插入到切口130中。内套管14是可调节的转向柱的一部分。内套管14被未图示出的外套管围绕，并且两个套管被设计为相对于彼此可伸缩。
第二壳体12在边缘121中在传感器元件7的区域处具有壳体开口124。传感器元件7可以通过壳体开口124连接至数据线并连接至电源。
如图7所图示，壳体盖13通过螺钉131牢固地旋拧到第二壳体12上。为此，第二壳体12在外壁121的区域中具有螺纹孔125，该螺纹孔125平行于扭矩传感器装置1的纵向轴线100延伸。螺纹孔125优选地沿周部均匀地分布。壳体盖13具有对应于螺纹孔125的切口132，并且要被拧入螺纹孔125中的螺钉131穿过该切口132。
第二壳体12的局部细节在图2至10中图示出。
如图2和图3所图示，基座120在壁架122的区域中具有用于将第二壳体12固定至未图示出的变速器壳体的两个另外的螺纹孔126。在所述另外的螺纹孔126旁边，设有凸缘127以形成与未图示出的变速器壳体的连接。第二壳体12用作变速器壳体的壳体盖。
传感器壳体8同样通过螺钉129固定至第二壳体12。如在图4中图示并在图5中详细图示出的，第二壳体12的壳体基座120具有螺纹孔128。连接螺钉129穿过传感器壳体7上的图1所图示的孔70，以便然后接合到壳体基座120中的螺纹孔129中。另外，在壳体基座120中还设置有两个定位孔15、16。定位孔15、16和螺纹孔29两者均平行于壳体纵向轴线100延伸。在图8至图10中，详细图示出了定位孔15、16。所述孔中的一个孔16的横截面为椭圆形，而第二孔15的横截面为圆形。附接至传感器壳体8的后侧部的定位销接合在两个定位孔15、16中。
传感器单元7被第一壳体8包围，该第一壳体8具有第一区域81，在该第一区域81中容置有第二磁通导体9、电路板10和磁传感器11。当组装好时，第一壳体8的该第一区域81由未图示出的壳体盖封闭。在与第一区域81邻接的第二区域82中，第一壳体8构造成在纵向截面上呈T形形状。为了形成该T形形状，第一壳体8具有颈部83，当传感器单元7安装好时，该颈部83沿扭矩传感器装置的纵向轴线100的径向方向延伸并且与横向定位的腹板84邻接。横向定位的腹板84是板状的，并且横向定位的腹板84在安装好时两侧均各自停靠在第二壳体12的边缘121的突出部18上。每个突出部具有两个接触表面181、182，所述两个接触表面181、182形成一种用于引入传感器单元7的导引件。
第二壳体12、壳体盖13以及优选地内套管14由用于扭矩传感器装置1的磁屏蔽的导磁材料制成。在此，磁屏蔽通过对应部件的适当材料选择来确保。优选地，部件12、13、14由具有高磁导率和低矫顽场强的软磁材料、特别是铁素体钢制成。借助于这种屏蔽，可以使扭矩传感器装置1周围的外部磁场的场力线偏转，并因此完全或至少在相当程度上抑制干扰磁场对扭矩传感器的影响。屏蔽不是被提供用于为扭矩传感器装置和整体组件的部件之间的磁场定界的。它可以保护整个扭矩传感器装置不受外界影响。

Claims (12)

1.一种扭矩传感器装置(1)，包括：
-环形磁体(4)，所述环形磁体(4)能够以防扭转的方式连接至第一部分轴(2)，
-至少一个磁轭(5)，所述至少一个磁轭(5)能够连接至第二部分轴并且所述至少一个磁轭(5)布置在源自所述环形磁体(4)的磁场中，以及
-至少两个磁通导体(6)，所述至少两个磁通导体(6)能够连接至所述第二部分轴并且所述至少两个磁通导体(6)传导由所述至少一个磁轭(5)产生的磁通，
-传感器单元(7)，所述传感器单元(7)具有第一壳体(8)，所述传感器单元(7)通过测量在所述磁通导体(6)之间产生的磁通的密度来检测所述第一部分轴(2)与第二部分轴之间的旋转角的变化，
-第二壳体(12)，所述第二壳体(12)围绕所述环形磁体(4)、所述至少一个磁轭(5)、所述至少两个磁通导体(6)和所述传感器单元(7)，并且所述第二壳体(12)具有由壳体盖(13)至少部分地封闭的第一壳体开口(123)，其特征在于，所述第二壳体(12)和所述壳体盖(13)由用于所述扭矩传感器装置(1)的磁屏蔽的导磁材料制成；
所述壳体盖(13)具有切口(130)，所述第一部分轴(2)在安装时穿过所述切口(130)，并且在所述切口(130)中容置有内套管(14)，其中，所述内套管(14)由用于所述扭矩传感器装置(1)的磁屏蔽的导磁材料制成；所述传感器单元(7)被所述第一壳体(8)包围，所述第一壳体(8)具有第一区域(81)，在所述第一区域(81)中容置有第二磁通导体(9)、电路板(10)和磁传感器(11)；
当组装好时，所述传感器单元(7)的所述第一壳体(8)被插入到所述第二壳体(12)中，所述第一壳体(8)的第一区域(81)由所述壳体盖(13)封闭。
2.根据权利要求1所述的扭矩传感器装置，其特征在于，所述内套管(14)是能够调节的转向柱的一部分。
3.根据权利要求1或2所述的扭矩传感器装置，其特征在于，所述内套管(14)被焊接至所述壳体盖(13)。
4.根据前述权利要求1-2中的一项所述的扭矩传感器装置，其特征在于，所述导磁材料包括铁素体钢。
5.根据前述权利要求1-2中的一项所述的扭矩传感器装置，其特征在于，所述传感器单元(7)包括布置在电路板(10)上的磁传感器(11)和至少一个第二磁通导体(9)，该至少一个第二磁通导体(9)和所述磁传感器(11)被容置在第一壳体(8)中。
6.根据前述权利要求1-2中的一项所述的扭矩传感器装置，其特征在于，所述壳体盖(13)通过第一螺钉(131)固定至所述第二壳体(12)的外壁。
7.根据前述权利要求1-2中的一项所述的扭矩传感器装置，其特征在于，所述第一壳体(8)通过第二螺钉(129)固定至所述第二壳体的基板(120)。
8.根据前述权利要求1-2中的一项所述的扭矩传感器装置，其特征在于，所述第二壳体(12)在所述传感器单元(7)的区域中具有第二壳体开口(124)，以用于使数据线和/或电源引导穿过所述第二壳体开口(124)。
9.根据前述权利要求7所述的扭矩传感器装置，其特征在于，在所述第二壳体的所述基板(120)的远离所述第一壳体开口的一侧上设置有用于将所述第二壳体(12)固定至变速器壳体的凸缘(127)。
10.一种用于机动车辆的机电转向系统，包括：转向小齿轮，所述转向小齿轮连接至第二部分轴并且所述转向小齿轮与用于使轮转向的齿条接合，其中，所述齿条被安装成使得所述齿条能够在第三壳体中沿着纵向轴线移位；用于转向力辅助的至少一个电动马达；根据前述权利要求1-9中的任一项所述的扭矩传感器装置(1)，所述扭矩传感器装置(1)布置在连接至方向盘的第一部分轴(2)与所述第二部分轴之间并检测由驾驶员引入到所述方向盘中的扭矩。
11.根据权利要求10所述的机电转向系统，其特征在于，包括所述第一部分轴(2)和所述第二部分轴的转向柱是能够伸缩的，并且所述转向柱具有外套管和内套管(14)。
12.根据权利要求11所述的机电转向系统，其特征在于，所述电动马达布置在所述转向柱上，并且通过布置在变速器壳体中的变速器将动力转向辅助引入所述第二部分轴中。
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