CN113498476A - 包括磁屏蔽罩的扭矩传感器单元 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种扭矩传感器单元(1)，包括：环形磁体(4)，其可以以在旋转方面联合的方式连接至第一部分轴(2)且相对于纵向轴线(100)同心地布置；两个第一磁通导体(5)，其可以连接至第二部分轴，且布置在从环形磁体(4)产生的磁场中并且对磁通进行传导；物理固定的传感器单元(7)，其具有两个第二磁通导体(9)和布置在印刷电路板(10)上的磁传感器(11)，两个第二磁通导体和磁传感器容纳在传感器单元(7)的传感器壳体(8)中，其中，传感器单元(7)被设计成通过测量在两个第一磁通导体(5)之间产生的磁通密度来检测部分轴(2)之间的旋转角度的变化；第二壳体(12)，其围绕环形磁体(4)、两个第一磁通导体(5)和传感器单元(7)，其特征在于，扭矩传感器单元包括磁屏蔽罩(19)，该磁屏蔽罩相对于纵向轴线(100)至少部分地周向围绕传感器单元(7)并且沿纵向轴线(100)的方向布置在将第二壳体(12)封闭的壳体覆盖件(13)与第二壳体(12)之间。
Description
技术领域
本发明涉及具有权利要求1的前序部分的特征的扭矩传感器单元，并且涉及包括这种扭矩传感器单元的用于机动车辆的机电式助力转向系统。
背景技术
扭矩传感器在机动车辆中得到使用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，磁传感器的测量值可能很容易受到外部磁场的干扰。机动车辆在未来将是并且在一定程度上目前已经是完全地或部分地电动操作的，这可能导致通过通常位于转向系统附近中的高载流量电缆而受到高强度外部磁场影响的测量值。地球磁场同样会对传感器产生干扰影响。
现有技术公开了一系列具有磁屏蔽罩的扭矩传感器。
专利US 7,021,161 B2公开了一种具有第一齿轮的转向角传感器，该第一齿轮连接至上转向轴并且与较小的第二齿轮接合，其中，较小的齿轮被屏蔽罩围绕，该屏蔽罩具有用于第一齿轮的切口。屏蔽罩界定了第二齿轮的传感器的磁场。
公开文献EP 3 276 317 A1、EP 3 276 318 A1和EP 3 239 678 A1公开了包括磁屏蔽罩的扭矩传感器单元，该磁屏蔽罩具有C形形状的横截面并且周向地围绕布置在下转向轴上的磁通导体。
发明内容
本发明的目的是限定一种扭矩传感器单元，在该扭矩传感器单元中，现有的外部干扰磁场对扭矩值的确定产生的影响减小，并且相关联地具有提高的精确度。
该目的通过具有权利要求1的特征的扭矩传感器单元并且通过包括这种扭矩传感器单元的用于机动车辆的机电式助力转向系统来实现。有利的改进方案可以在从属权利要求中找到。
因此，本发明提供了一种扭矩传感器单元，包括：
-环形磁体，该环形磁体可以以在旋转方面固定的方式连接至第一部分轴并且相对于纵向轴线同心地布置，
-两个第一磁通导体，所述两个第一磁通导体可以连接至第二部分轴，所述两个第一磁通导体布置在从环形磁体产生的磁场中并且对磁通进行传导，
-在空间上固定的传感器单元，该传感器单元具有两个第二磁通导体和磁传感器，该磁传感器布置在印刷电路板上，两个第二磁通导体和磁传感器容纳在传感器单元的传感器壳体中，其中，传感器单元被设计成通过测量两个第一磁通导体之间产生的磁通密度来检测部分轴之间的旋转角度的变化，
-第二壳体，该第二壳体围绕环形磁体、两个第一磁通导体和传感器单元，其中，扭矩传感器单元包括：磁屏蔽罩，该磁屏蔽罩至少部分地周向围绕传感器单元并且布置在将第二壳体封闭的壳体覆盖件与第二壳体之间。
磁屏蔽罩将传感器单元屏蔽不受外部干扰磁场的影响，因此可以显着地提高信号质量。壳体覆盖件优选地由钢形成。屏蔽罩优选地夹持在壳体覆盖件与第二壳体之间。
磁屏蔽罩优选地具有至少一个支撑表面，所述至少一个支撑表面与第二壳体中的导引件相互作用。这使屏蔽罩可以简单地插入第二壳体中。
可以设置为，环形磁体也被磁屏蔽罩至少部分地周向围绕。
磁屏蔽罩优选地具有两个臂部，所述两个臂部各自具有第一侧部和第二侧部，其中，第二侧部平行于纵向轴线延伸并且第一侧部近似垂直于纵向轴线布置。臂部优选地是矩形的。
为了简化组装，臂部仅通过臂部的第一侧部中的一个第一侧部或臂部的第二侧部中的一个第二侧部来彼此连接。
在这种情况下，屏蔽罩的臂部优选地各自在与纵向轴线平行的平面中延伸。
可以设置为，磁屏蔽罩具有供传感器元件的数据线和/或电源通过的开口。
传感器单元优选地布置成相对于纵向轴线沿径向方向与环形磁体相距一定距离。
在优选实施方式中，屏蔽罩由金属片材制造而成。出于形成屏蔽罩的目的，金属片材优选地被冲压和弯曲。可以设置为，屏蔽罩由冷加工金属形成。
本发明还提供了一种用于机动车辆的机电式转向系统，该机电式转向系统包括：转向小齿轮，该转向小齿轮连接至第二部分轴并且与用于方向盘的带齿齿条接合，带齿齿条在第三壳体中安装成使得该带齿齿条可以沿着纵向轴线移位；用于转向力辅助的至少一个电动马达，其中，转向系统还包括上述扭矩传感器单元，该扭矩传感器单元布置在连接至方向盘的第一部分轴与第二部分轴之间并且出于控制转向力辅助的目的而检测由驾驶员引入到方向盘中的扭矩。
附图说明
在下文中，将参照附图对本发明的优选实施方式进行详细描述。贯穿附图，相同的部件或具有相同功能的部件设置有相同的附图标记。在附图中：
图1：示出了扭矩传感器单元的三维视图，
图2：示出了在轴的纵向轴线的方向上完全组装的扭矩传感器单元的侧视图，
图3：示出了沿着图2中所示的线A-A穿过扭矩传感器单元的纵向截面，
图4：示出了屏蔽罩的三维视图，
图5：示出了来自图4的屏蔽罩的若干个视图，
图6：示出了另一屏蔽罩的三维视图，以及
图7：示出了来自图6的屏蔽罩的若干个视图。
具体实施方式
图1图示了扭矩传感器单元1，该扭矩传感器单元1测量上转向轴2相对于未图示的下转向轴的旋转，以作为由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在旋转方面弹性的方式彼此联接。扭矩传感器单元1具有旋转角度传感器，该旋转角度传感器也被称为扭矩传感器。根据由扭矩传感器单元1测得的扭矩，伺服单元为驾驶员提供转向辅助。
扭矩传感器单元1具有环形磁体(永磁体)4，该环形磁体4以在旋转方面固定的方式连接至上转向轴2并且具有多个极。固定至下转向轴的一组磁通导体5布置在由多极磁体4产生的磁场中。磁通导体5中的每个磁通导体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。两个磁通导体5布置成使得这两个磁通导体5的爪极相互接合。该多极磁体4和组装的磁通导体5布置成使得磁通导体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)重合以便于获得中性点，在该中性点处，如果扭力杆没有扭转(即，在上转向轴与下转向轴之间没有转向力传递时)，则磁场传感器的输出信号(输出电压)变为零。
磁通导体5传导并且“聚集”磁通。在空间上固定的传感器单元7检测在沿轴向方向彼此相反地定位的磁通导体5之间的气隙中产生的磁通的密度。
传感器单元7具有在下文中也被称为第一壳体的传感器壳体8，并且在该第一壳体8中布置有磁通导体9和磁传感器11，该磁传感器11布置在印刷电路板10上。磁通导体5、9用于将磁通集中在磁传感器11上。磁传感器11检测与磁体环4连接的上转向轴2相对于与磁通导体5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插入到扭矩传感器单元1的第二壳体12中。
在组装状态下，扭矩传感器单元的第二壳体12围绕环形磁体4、所述一组磁通导体5和传感器单元7。扭矩传感器单元的第二壳体12具有用作基部的基部表面120，并且在该基部表面120上安置有外壁121，外壁121用作边缘且大致垂直地布置在基部120上。外壁121优选地焊接到基部120上。外壁121和基部120优选地在冲压操作中形成为一件。作为替代性方案，该部分在铸造工艺中准备，优选地在铝压铸中准备。外壁121周向地包围整个扭矩传感器单元1。第二壳体12在远离基部的一个侧部上具有开口123。该开口123使壳体12朝向上转向轴2敞开。开口123被壳体覆盖件13覆盖。壳体覆盖件13具有切口130，上转向轴2在安装状态下经过该切口130。壳体覆盖件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部分。内套管14被未图示的外套管围绕，并且这两个套管被设计成相对于彼此套叠伸缩。
第二壳体12在边缘121中于传感器元件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连接至数据线并且连接至电源。
传感器壳体8借助于螺钉129固定至第二壳体12。壳体覆盖件13同样牢固地旋拧至第二壳体12。
传感器单元7被具有第一区域81的第一壳体8围绕，该第一区域81中容纳有磁通导体9、印刷电路板10和磁传感器11。在与第一区域81邻接的第二区域82中，第一壳体8构造成具有T形形状的纵向截面。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处于组装状态时，该颈部83沿扭矩传感器单元的纵向轴线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是板状的并且在安装状态下在两侧、在不同情况下位于第二壳体12的边缘121的向内指向的突出部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形成一种用于将传感器单元7引入到第二壳体12中的导引件。
第二壳体12由铝制造而成并且因此不适用于屏蔽磁场。
需要附加的屏蔽罩19，该屏蔽罩19至少部分地围绕传感器壳体8并且与传感器壳体8一起容纳在扭矩传感器单元的第二壳体12中。该屏蔽罩19由导磁材料形成。具有高程度磁导率的软磁材料、比如镍铁合金或铁硅合金是特别合适的。屏蔽罩19具有经由后侧部20连接的两个大致矩形的臂部21。屏蔽罩19在图4至图6中详细图示出。这两个臂部21从后侧部20大致垂直地伸出，后侧部20接合在臂部22的在垂直于纵向轴线100的平面中延伸的第一侧部中的一个侧部上。在远离传感器的一侧上，臂部21各自在两个侧部23中的一个侧部上具有向内指向的弯曲部分24。臂部22各自具有切口25，该切口25与轴100的纵向轴线平行延伸并且用作下述导引件：该导引件用于将屏蔽罩推到布置在第二壳体12的基部120上的突出部上。突出部位于轴与向内指向的突出部18之间。整个屏蔽罩19位于突出部18下方。臂部21朝向侧部将整个传感器单元7屏蔽。在弯曲部分24之间形成有开口26，用于传感器单元7的连接可以通过该开口26。屏蔽罩19在远离传动装置的一侧上是敞开的。在本实施方式中，在扭矩传感器单元1的组装期间，首先将屏蔽罩19插入到第二壳体12中，并且然后将传感器单元7插入到第二壳体12中。在下一步骤中，壳体覆盖件30朝向远离传动装置的一侧将屏蔽罩19封闭。因此，在组装期间，屏蔽罩19夹持在第二壳体12与壳体覆盖件13之间并且固定在该位置中。屏蔽罩19和壳体覆盖件13形成将干扰磁场屏蔽的封闭盒。壳体覆盖件13优选地由钢制造而成。
图2和图3示出了完全组装好的扭矩传感器单元1。在另一实施方式中，可以设置为，两个臂部借助于臂部的与纵向轴线平行延伸的第二侧部连接。在这种情况下，连接壁位于远离环形磁体的一侧上。所述连接壁具有切口，该切口至少部分地包围传感器单元的颈部。在这种情况下，在组装期间首先将传感器单元引入到第二壳体中并且然后将屏蔽罩引入到第二壳体中。在安装状态下，连接壁位于第二壳体的突出部与传感器壳体的第一区域之间。
图6和图7示出了屏蔽罩190的另一实施方式，在安装状态下，屏蔽罩190完全周向地围绕传感器壳体，除了供第一壳体的颈部通过的小的中断部193。屏蔽罩190的后侧部20具有供轴通过的圆形开口191。在供第一壳体的颈部通过的区域中具有中断部193的边缘192从后侧部20的周向侧部近似垂直地延伸。屏蔽罩190定尺寸成使得该屏蔽罩190周向地围绕磁通导体和环形磁体。屏蔽罩190在后侧部20并且在边缘192中具有切口25，该切口与轴的纵向轴线平行延伸并且用作下述导引件：该导引件用于将屏蔽罩推到布置在第二壳体的基部上的突出部上。如以上已经描述的，在组装期间，屏蔽罩190也夹持在第二壳体与壳体覆盖件之间。这样一来，壳体覆盖件与边缘192交叠并且位于该边缘的端侧部上。
Claims (12)
1.一种扭矩传感器单元(1)，包括：
-环形磁体(4)，所述环形磁体(4)能够以在旋转方面固定的方式连接至第一部分轴(2)并且相对于纵向轴线(100)同心地布置，
-两个第一磁通导体(5)，所述两个第一磁通导体(5)能够连接至第二部分轴，所述两个第一磁通导体(5)布置在从所述环形磁体(4)产生的磁场中并且对磁通进行传导，
-在空间上固定的传感器单元(7)，所述传感器单元(7)具有两个第二磁通导体(9)和布置在印刷电路板(10)上的磁传感器(11)，所述两个第二磁通导体(9)和所述磁传感器(11)容纳在所述传感器单元(7)的传感器壳体(8)中，其中，所述传感器单元(7)被设计成通过测量在所述两个第一磁通导体(5)之间产生的磁通密度来检测所述部分轴(2)之间的旋转角度的变化，
-第二壳体(12)，所述第二壳体(12)围绕所述环形磁体(4)、所述两个第一磁通导体(5)和所述传感器单元(7)，其特征在于，所述扭矩传感器单元包括磁屏蔽罩(19)，所述磁屏蔽罩(19)相对于所述纵向轴线(100)至少部分周向地围绕所述传感器单元(7)并且沿所述纵向轴线(100)的方向布置在将所述第二壳体(12)封闭的壳体覆盖件(13)与所述第二壳体(12)之间。
2.根据权利要求1所述的扭矩传感器单元，其特征在于，所述磁屏蔽罩(19)具有至少一个支撑表面，所述至少一个支撑表面与所述第二壳体(12)中的导引件相互作用。
3.根据权利要求1或2所述的扭矩传感器单元，其特征在于，所述磁屏蔽罩(19)在远离所述环形磁体的外侧部的至少一个区域中屏蔽所述传感器壳体(8)。
4.根据前述权利要求中的一项所述的扭矩传感器单元，其特征在于，所述磁屏蔽罩(19)具有两个臂部(21)，所述两个臂部(21)各自具有第一侧部(22)和第二侧部(23)，其中，所述第二侧部(23)平行于所述纵向轴线(100)延伸，并且所述第一侧部(22)布置成近似垂直于所述纵向轴线(100)。
5.根据权利要求4所述的扭矩传感器单元，其特征在于，所述臂部(21)仅通过所述臂部(21)的第一侧部(22)中的一个第一侧部或所述臂部(21)的第二侧部(23)中的一个第二侧部来彼此连接。
6.根据权利要求4或5所述的扭矩传感器单元，其特征在于，所述磁屏蔽罩(19)借助于所述壳体覆盖件(13)夹持到所述第二壳体(12)中。
7.根据前述权利要求中的一项所述的扭矩传感器单元，其特征在于，所述磁屏蔽罩(19)具有供所述传感器元件(7)的数据线/或电源通过的开口。
8.根据前述权利要求中的一项所述的扭矩传感器单元，其特征在于，所述传感器单元(7)布置成相对于所述纵向轴线(100)沿径向方向与所述环形磁体(4)相距一定距离。
9.根据前述权利要求中的一项所述的扭矩传感器单元，其特征在于，所述屏蔽罩(19)由金属片材制造而成。
10.根据权利要求9所述的扭矩传感器单元，其特征在于，所述金属片材被冲压和弯曲。
11.根据前述权利要求1至8中的一项所述的扭矩传感器单元，其特征在于，所述屏蔽罩(19)由冷加工金属形成。
12.一种用于机动车辆的机电式转向系统，所述机电式转向系统包括：转向小齿轮，所述转向小齿轮连接至第二部分轴并且与用于方向盘的带齿齿条接合，所述带齿齿条在第三壳体中安装成使得所述带齿齿条能够沿着纵向轴线移位；用于转向力辅助的至少一个电动马达；根据前述权利要求中的一项所述的扭矩传感器单元(1)，所述扭矩传感器单元(1)布置在连接至所述方向盘的第一部分轴(2)与第二部分轴之间并且检测由驾驶员引入到所述方向盘中的扭矩。
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