CN113677967B - 具有感应地联接、相互啮合的部件的扭矩传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种扭矩传感器(12)，该扭矩传感器用于对引入到机动车辆的上部轴(3)中的扭矩进行测量，其中，能够围绕纵向轴线(100)旋转的上部轴(3)可以经由扭转杆(12)连接至下部轴(30)。扭矩传感器(11)具有两个相互啮合的部件，其中，第一部件(13)可以连接至上部轴(3)并且第二部件(14)可以连接至下部轴(30)。部件(13、14)具有沿纵向方向突出的表面，其中，一部件(13、14)的表面与另一部件(13、14)的相关联的表面沿纵向方向至少部分地交叠。扭矩传感器具有至少一个传感器对，其中，一个传感器对具有：传感器线圈(23)，该传感器线圈布置在一部件(13、14)的沿纵向方向突出的表面中的一个表面上，该传感器线圈可以产生高频的交变磁场；以及金属元件(22)，该金属元件布置在另一部件(13、14)的沿纵向方向突出的表面中的一个表面上。引入到上部轴(3)中的扭矩引起传感器线圈(23)与金属元件(22)之间的距离的改变，其中，扭矩传感器包括下述装置：该装置设计成对由距离的改变引起的交变磁场的频率进行测量以及根据该频率确定引入到上部轴(3)中的扭矩。

Description

具有感应地联接、相互啮合的部件的扭矩传感器
技术领域
本发明涉及扭矩传感器、特别是用于机动车辆的机电式辅助动力转向系统的扭矩传感器。
背景技术
扭矩传感器通常具有旋转角度传感器。此处，可以相对于彼此旋转一定限制范围的两个轴部分经由扭转弹簧弹性地联接至彼此。当一个轴部分相对于另一个轴部分通过由车辆的驾驶员施加的扭矩转动时，旋转的相对角度与引入的扭矩大致成比例。为了精确地确定扭矩，能够准确地测量旋转的角度是重要的。
通常，轴部分相对于彼此的转动通过对轴部分相对于固定的传感器壳体的旋转角度进行测量来确定。轴部分与壳体之间存在很大的机械运动并且最终限制了传感器的准确性。通常使用基于磁通量的传感器，该传感器对这种错位不太敏感，而且也不太准确。
从现有技术、例如从公开文献DE 29 51 148 A1和DE 10 2009 021 191A1，已知使用了用于旋转角度和/或扭矩的非接触式检测的感应角度传感器，该感应角度传感器具有高精确性。
发明内容
本发明的目的是提出一种扭矩传感器，该扭矩传感器具有提高的精确性并且使存在的磁场干扰对扭矩值的确定的影响减少。
该目的通过本发明的扭矩传感器来实现。
因此，提供了一种用于对引入到机动车辆的上部轴中的扭矩进行测量的扭矩传感器，其中，能够围绕纵向轴线旋转的上部轴经由扭转杆连接至下部轴。扭矩传感器具有沿纵向轴线的纵向方向相互啮合的两个部件，其中，第一部件可以连接至上部轴并且第二部件可以连接至下部轴，并且其中，部件具有沿纵向方向突出的表面，其中，一个部件的表面与另一部件的相关联的表面沿纵向方向至少部分地交叠，并且其中，扭矩传感器具有至少一个传感器对，其中，传感器对具有传感器线圈和金属元件，该传感器线圈布置在部件的沿纵向方向突出的表面中的一个表面上，该传感器线圈可以产生高频的交变磁场，该金属元件布置在另一部件的沿纵向方向突出的表面中的一个表面上，并且其中，引入到上部轴中的扭矩引起传感器线圈与金属元件之间的距离的变化，其中，扭矩传感器包括下述装置：该装置设置成对由距离的变化引起的交变磁场的频率变化进行测量并且根据该频率变化来确定引入到上部杆中的扭矩。优选地，设置两对传感器。因此，感应扭矩传感器具有对杂散场以及机械公差的测量降低的敏感性。为了增加冗余度，可以设置多于两对的传感器。
优选地，两个部件中的每个部件具有至少两个表面，其中，传感器线圈布置在第一表面上并且金属元件布置在第二表面上，并且其中，传感器线圈和金属元件远离彼此指向。然而，还可以设置的是，部件中的一个部件承载仅传感器线圈并且另一部件承载仅金属元件，使得仅具有传感器线圈的部件需要电力供给。由于每个部件存在至少两个表面，也可以确定扭矩的方向，因为一个传感器对的元件之间的距离减小同时另一传感器对的元件之间的距离增加，并且一个传感器对的元件之间的距离增加同时另一传感器对的元件之间的距离减小。
为了使信号足够强，有利的是，一个部件的传感器线圈与另一部件的金属元件相对于彼此定向并且位于距彼此接近的距离处。
优选地，部件同心地围绕相应的轴并且呈大致筒形设计。
在一个实施方式中，部件具有圆形基板，至少一个突出部从该圆形基板突出，所述至少一个突出部在扇形区的上方延伸并且所述至少一个突出部在沿纵向方向并且沿着半径延伸的侧向端面上形成了所述表面。优选地，所述表面是平坦的。
每个部件优选地设置两个突出部，这两个突出部以相同的方式设计并且沿着周向、对称地围绕纵向轴线布置在基板的共同侧部上。
有利地，两个部件是相同的设计。
频率测量所需的电子装置优选地布置在线圈支承部件的基板的表面上。
由于部件随着轴旋转，因此传感器对的电力供给和测量信号的传输优选地以无线的方式进行。有利的是，在线圈承载部件的基板的表面上或端面上布置WPT(无线动力传递)线圈，该WPT线圈设置成从与传感器壳体连接的初级线圈感应地接收电能。
优选地，信号联接线圈布置在线圈承载部件的基板的周向表面上，该线圈设置成将传感器对的数字输出信号传输至与固定的传感器壳体附接的次级线圈。
此外，提供了一种用于机动车辆的机电式动力转向系统，该机电式动力转向系统包括：上部轴和下部轴，该上部轴连接至方向盘，该下部轴经由扭转杆连接至上部轴；前面所描述的扭矩传感器；以及电动马达，该电动马达用以根据通过扭矩传感器测量的扭矩而支持由驾驶员引入到方向盘中的转向运动。
附图说明
下面根据附图对本发明的优选的实施方式进行更详细地说明。相同的或功能相同的部件在附图中被提供有相同的附图标记。在附图中：
图1：示出了机电式动力转向系统的示意图，
图2：示出了穿过扭矩传感器的纵向截面，
图3：示出了扭矩传感器的两个部件的空间视图，
图4：示出了穿过在一个侧部上布置有电子装置的扭矩传感器的纵向截面，
图5：示出了穿过在同心地布置有WPT线圈的一个侧部上布置有电子装置的扭矩传感器的纵向截面。
具体实施方式
在图1中，示意性地描绘了具有方向盘2的机电式机动车辆动力转向系统1，方向盘2在旋转方面固定地联接至上部轴3。借助于方向盘2，驾驶员将对应的扭矩引入到上部轴3中作为转向指令。然后扭矩经由上部轴3和下部轴30传递至转向小齿轮4。小齿轮4以已知的方式与齿条50的齿形部段50啮合。转向小齿轮4与齿条5一起形成转向传动机构。齿条5在其自由端部处经由未示出的球窝接头连接至拉杆6。拉杆6自身经由转向节以已知的方式连接至机动车辆的转向轮7。方向盘2的旋转经由转向轴3、30和小齿轮4的连接而导致齿条5的纵向移位，并且因此导致转向轮7的转动。转向轮7经历来自道路70的抵抗转向运动的反作用。为了使车轮7转动，因此需要力，该力需要在方向盘2上的对应扭矩。伺服单元9的电动马达8被设置成用于在该转向运动中辅助驾驶员。伺服单元9可以作为辅助动力支持装置9、10、11而被联接至转向轴3、转向小齿轮4或齿条5。相应的辅助动力支持装置9、10、11将辅助扭矩引入到转向轴3、转向小齿轮4和/或齿条5中，这在转向工作中支持驾驶员。在图1中示出的三个不同的辅助动力支持装置9、10、11示出了对于它们的布置而言的替代性位置。通常，所示出的位置中的仅一个位置由辅助动力支持装置占据。伺服单元可以作为叠加转向装置布置在转向柱上或作为辅助动力支持装置布置在小齿轮4或齿条5上。
图2和图3示出了图1中所示的机电式机动车辆动力转向系统的扭矩传感器12，该扭矩传感器12具有相互啮合的两个筒形部件13、14。上部轴3经由扭转杆15连接至下部轴30。第一部件13在扭转方面固定地连接至上部轴3并且第二部件14在扭转方面固定地联接至下部轴30。两个部件13、14沿纵向方向在扭转杆15的相反端部处连接至对应的轴3、30。部件13、14同心地围绕相关联的轴3、30。部件13、14具有凹部16，该凹部16优选地适于轴的外部形状，凹部16用于将部件13、14附接至相关联的轴。两个部件13、14是相同的。部件13、14具有基板17，该基板17围绕轴的纵向轴线100以旋转对称的方式延伸，并且两个突出部18在相同的侧部上沿纵向方向从基板17突出。突出部18围绕纵向轴线100沿周向方向距离均匀地布置，并且从凹部16沿着半径延伸至基板的周向侧部19。突出部18各自优选地占据小于90°的扇形区。突出部18可以是相同的形状。在突出部18的沿周向方向的两个端部处，突出部18各自具有平坦表面20、21(端面)，平坦表面20、21沿着半径在突出部的整个高度hv上延伸。在相应的突出部的两个平坦表面中的一个平坦表面20上布置有金属元件22、特别是形成传导性传感器表面的传导性材料，并且在另一平坦表面21上布置传感器线圈23。每个部件13、14因此具有两个传感器线圈23以及两个传导性传感器表面22。在周向方向上，单个部件13、14的突出部18中的一个突出部的传导性传感器表面22和另一突出部18的传感器线圈23彼此间隔开。部件13、14在安装状态下相互啮合。第一部件13的突出部18沿周向方向布置在第二部件14的突出部18之间，使得第一部件的传感器线圈23布置成在周向方向上与第二部件14的传导性传感器表面22直接相对并且彼此面对，并且第二部件的传感器线圈23布置成在周向方向上与第一部件14的传导性传感器表面22直接相对并且彼此面对。在每种情况下，紧邻地布置的传导性传感器表面22和传感器线圈23形成传感器对，使得存在总共四个这样的传感器对。在每种情况下，传感器对的传感器线圈23与传导性传感器表面22在纵向方向100上的交叠优选地为至少80％。
两个部件13、14在扭转杆的两个端部处附接至上部轴3和下部轴30，使得当扭矩增加时部件13、14相对于彼此转动，其中，两个传感器对的传导性传感器表面22与传感器线圈23之间的距离变得更大，而另外两个传感器对的传导性传感器表面22与传感器线圈23之间的距离变得更小。如果传导性传感器表面22更接近于传感器线圈23，则传感器线圈的感应系数减小。传感器线圈23的磁场在传导性传感器表面22中感应出涡电流，并且这些电流形成这些电流自己的磁场，这使传感器线圈23的磁场弱化，因此互感系数降低。另一方面，如果传导性传感器表面22更远离传感器线圈23，则感应系数增加。传感器对形成感应传感器，该感应传感器优选地具有三个主要元件：振荡器，该振荡器是通过自身进行震荡的系统；频率测量单元，该频率测量单元既比较数据又评估数据；以及输出单元，该输出单元将值转换为电信号。在操作期间，感应传感器借助于传感器线圈产生高频交变磁场。产生感应的涡电流的事实引起传感器线圈的阻抗的变化。该阻抗抵抗磁场并且以电子的方式转换为切换信号。如果金属对象(传导性传感器表面)在生成的磁场中移动，则在对象中感应出涡电流，该涡电流抵抗磁场并且因此收取能量。使用基于参考振荡器的传感器单元对由变化的感应系数引起的频率变化进行测量。
因此，传感器线圈优选地布置在具有环回逆变器的并联震荡电路中，该并联震荡电路的输出信号具有矩形形状。传感器线圈激励优选地是正弦曲线的并且相对于多个通道的复用允许更好的频率设计。该信号的频率是并联LC震荡电路的共振频率。
扭矩传感器的两个部件13、14相对于彼此的运动允许以微分形式进行简单的距离测量，该距离测量是稳健的测量并且允许对扭矩的直接测量。优选地，所有四个传感器对被评估以用于测量。
频率测量所需的电子装置24坐置于基板19的表面上。由于部件13、14随着转向运动而旋转，因此电力供给和测量信号的传输是无线的。因此，在基板19上在远离突出部的端面上设置有WPT线圈(次级线圈)25，该WPT线圈25感应地并且因此无接触地从连接至传感器壳体26的初级线圈27接收电能，并且WPT线圈25因此为相关联的部件的电子装置供电。
基板的周向表面19承载信号联接线圈(初级线圈)28以用于将传感器对的数字输出信号从对应的部件13、14传输至次级线圈29，该次级线圈29附接至固定的传感器壳体26。优选地经由串行接口、特别地借助于在部件侧上的UART和在次级线圈侧上的RX接收单元31进行该连接。
在另一实施方式中，可以提供的是，信号传输和电力传输经由单个共同线圈发生。通常还可以提供的是，输出信号的无线传输借助于电容性元件执行。
图4示出了示例性实施方式，其中，传感器线圈23布置在两个部件中的第一部件14上并且传导性传感器表面22布置在第二部件13上。因此，第一部件14是需要供电的有源元件并且第二部件13是不需要供电的无源元件。频率测量所需的电子装置24坐置于第一部件14的基板19的表面上。第一部件14的供电借助于两个WPT线圈(次级线圈)25来执行。第一部件14优选地是壶形的，并且在其他示例性实施方式中所描述的突出部18在护套32的内侧坐置于基板19上。第二部件13如上所述来设计。第二部件13完全被第一部件14周向地包围。第一WPT线圈25布置在第一部件14的护套32的表面的端面上，并且第二WPT线圈25布置在基部的端面上。因此，WPT线圈25从连接至传感器壳体26并与WPT线圈25相关联的两个初级线圈27接收电力，并且因此可以为第一部件的电子装置供电。
第一部件14的护套32的周向表面承载两个信号联接线圈(初级线圈)28以用于将传感器对的数字输出信号从第一部件14传输至相应的次级线圈29，该次级线圈29附接至固定的传感器壳体26。
图5示出了另一实施方式，其中，传感器线圈23布置在两个部件中的第一部件14上并且传导性传感器表面22布置在第二部件13上。与前面的示例不同，两个部件13、14具有基本上相同的几何形状。第一部件14的供电借助于两个WPT线圈(次级线圈)25来执行，这两个WPT线圈以同心布置的方式布置在第一部件的远离突出部的外部端面上。WPT线圈25从连接至传感器壳体26并且还同心地布置的两个初级线圈27接收电力，并且因此可以为第一部件14的电子装置供电。
第一部件14的基板的周向表面19承载两个信号联接线圈(初级线圈)28以用于将传感器对的数字输出信号从第一部件13传输至与固定的传感器壳体26附接的两个固定的线圈29。优选地，经由串行接口、特别地借助于在次级线圈侧上的RX接收单元31进行该连接。
附图中所示出的示例性实施方式包括总共四个传感器对。然而，该原则通常也能够适用于至少两对传感器的存在。传感器对设置得越多，扭矩测量的分辨率就越高。

Claims (13)

1.一种扭矩传感器(12)，所述扭矩传感器(12)用于对引入到机动车辆的上部轴(3)中的扭矩进行测量，其中，能够围绕纵向轴线(100)旋转的所述上部轴(3)能够经由扭转杆(12)连接至下部轴(30)，其特征在于，所述扭矩传感器(11)具有沿所述纵向轴线(100)的纵向方向相互啮合的两个部件，其中，第一部件(13)能够连接至所述上部轴(3)并且第二部件(14)能够连接至所述下部轴(30)，并且其中，所述部件(13、14)具有沿所述纵向方向突出的表面，其中，一个部件(13、14)的表面与另一部件(13、14)的相关联表面在所述纵向方向上至少部分地交叠，并且其中，所述扭矩传感器具有至少一个传感器对，其中，传感器对具有传感器线圈(23)和金属元件(22)，所述传感器线圈(23)能够产生高频的交变磁场，所述传感器线圈(23)布置在一个部件(13、14)的沿所述纵向方向突出的所述表面中的一个表面上，所述金属元件(22)布置在另一个部件(13、14)的沿所述纵向方向突出的所述表面中的一个表面上，并且其中，引入到所述上部轴(3)中的扭矩引起所述传感器线圈(23)与所述金属元件(22)之间的距离的变化，其中，所述扭矩传感器包括下述装置：所述装置设计成对由距离的所述变化引起的所述交变磁场的频率变化进行测量并且根据所述频率变化来确定引入到所述上部轴(3)中的所述扭矩。
2.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于，两个所述部件(13、14)中的每个部件具有至少两个表面，其中，传感器线圈(23)布置在第一表面上并且金属元件(22)布置在第二表面上，并且其中，所述传感线圈(23)和所述金属元件(22)远离彼此指向。
3.根据权利要求2所述的扭矩传感器，其特征在于，一个部件(13、14)的所述传感器线圈(23)和另一部件(13、14)的所述金属元件(22)以及一个部件(13、14)的所述金属元件(22)和另一部件(13、14)的所述传感器线圈(23)朝向彼此定向并且位于距彼此接近的距离处。
4.根据前述权利要求1-3中的任一项所述的扭矩传感器，其特征在于，所述部件(13、14)同心地围绕相应的所述轴(3、30)并且呈大致筒形的形式。
5.根据前述权利要求1-3中的任一项所述的扭矩传感器，其特征在于，所述部件(13、14)具有圆形的基板(19)，至少一个突出部(18)从所述基板(19)突出，所述至少一个突出部(18)在一扇形区的上方延伸并且所述至少一个突出部(18)在沿所述纵向方向并且沿着半径延伸的侧向表面上形成所述表面。
6.根据前述权利要求5所述的扭矩传感器，其特征在于，所述表面是平坦的。
7.根据前述权利要求5所述的扭矩传感器，其特征在于，设置有两个突出部(18)，两个所述突出部(18)是相同的设计并且两个所述突出部(18)沿着周向、对称地围绕所述纵向轴线布置。
8.根据前述权利要求1-3中的任一项所述的扭矩传感器，其特征在于，两个部件(13、14)是相同的。
9.根据前述权利要求5所述的扭矩传感器，其特征在于，在所述基板(19)的所述表面上布置有频率测量所需的电子装置(24)。
10.根据前述权利要求1-3中的任一项所述的扭矩传感器，其特征在于，所述传感器对的电力供给和测量信号的传输是无线的。
11.根据前述权利要求5所述的扭矩传感器，其特征在于，在所述基板(19)的远离所述突出部的表面上布置有WPT线圈(25)，所述WPT线圈(25)设置成从连接至传感器壳体(26)的初级线圈(27)感应地接收电能。
12.根据前述权利要求11所述的扭矩传感器，其特征在于，在所述基板(19)的周向表面上布置有信号联接线圈(28)，所述信号联接线圈(28)设置成将所述传感器对的数字输出信号传输至次级线圈(29)，所述次级线圈(29)附接至固定的传感器壳体(26)。
13.一种用于机动车辆的机电式动力转向系统，所述机电式动力转向系统包括：上部轴(3)和下部轴(30)，所述上部轴(3)连接至方向盘(2)，所述下部轴(30)经由扭转杆(15)连接至所述上部轴(3)；根据权利要求1至12中的任一项所述的扭矩传感器(12)；以及电动马达(8)，所述电动马达(8)用以根据通过所述扭矩传感器(12)测量的扭矩而支持由驾驶员引入到所述方向盘(2)中的转向运动。
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