CN1433514A - 用来测量转角和/或扭矩的传感装置 - Google Patents

用来测量转角和/或扭矩的传感装置 Download PDF

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Abstract

推荐一种用来测量旋转着的机械构件上的转角和/或扭矩的传感装置，其中在旋转构件上形成一作为外轴(3)的扭转轴，扭矩作用在一末端区域(2)上，在另一轴端区域(5)内可输出扭矩。与外轴(3)同心设置一内轴(7)，并以其一端固定在外轴(3)上扭矩输入区(2)内。在外轴(3)和内轴(7)的轴端上最好安装带有相对于轴心线径向分布的磁场的磁铁(8，10)，它们分别配设一位置固定的传感器(9，11)。在扭矩作用下可测量磁场相互的相对扭转，其中扭转角正比于扭矩。

Description

用来测量转角和/或扭矩的传感装置
技术领域
本发明涉及一种按独立权利要求前序部分的、用来测量转角和/或扭矩、特别是装在轮轴或轴上的传感装置。
背景技术
由US-PS 5,501,110已知一种传感装置，其中它可以测量传递到轮轴上的扭矩。扭矩由轮轴末端的扭转或转角错位和取决于轮轴材料和几何形状的弹性常数确定。这里设置有两块磁铁，在和车桥一起旋转的盘的外圆周上偏心地各安装一个位于磁铁对面的霍尔传感器。
例如为了测量在转向轮旋转期间作用在汽车转向轮轴上的扭矩，必须测量在转向轮两个旋转方向的非常小的角度变化。在旋转着的转向轮轴上的扭矩对于汽车中的许多调节和控制任务是一个关键量，并且原则上可以用不同的已知方法测量。例如这可以用按涡流原理的传感装置或用一由刻度盘和CCD芯片组成的光学装置构成。
在按开头所述的、由现有技术已知的原理的传感装置中主要存在这样的危险，即通过在安装磁铁的极时由于误差问题形成的循环调制可能出现比较大的测量误差。其次在测量旋转轴上的信号时信号可能难以传送，虽然根据应用场合的不同这可以用旋转传送器或滑环解决，但是费用较高并且易受干扰。
发明概述
开头所述类型的用来测量旋转着的机械构件转角和/或扭矩的传感装置按权利要求1的特征有利地通过这样的方法来改进，即在旋转构件上形成一作为外轴的扭转轴，在其一个末端上作用着扭矩。这样在外轴的另一端的端面区域内可以测取扭矩，其中一内轴与外轴同心布置，此内轴以其一端固定在外轴上扭矩输入区内。按本发明在外轴和内轴的末端端面上设有信号发生元件，它们分别配设一个位置固定的检测元件。
在一种优选的实施形式中在内轴上安装一作为信号发生元件的磁铁，以测量扭矩输入端的转角，并产生一朝向轴心线的径向磁场。这里有利地在外轴上与内轴同心地在一个磁铁之外安装作为信号发生元件的另一个磁铁，以测量扭矩输出端的转角。由此产生另一个径向磁场，使得从现在起可以通过扭矩的作用测量磁场的相对旋转，这里转角与扭矩成正比。
检测元件或传感器可以简单地是一个磁阻传感器，例如是所谓的AMR或GMR传感器(AMR＝各向异性磁阻的，GMR＝巨磁阻的)，它们可以发出基本上取决于与可旋转的轴连接的磁铁的磁力线方向的信号，并这样地设置在磁铁的磁场内，使其磁场敏感层位于引起角度变化的轴的旋转的切线方向。
在一优良的处理线路中可以由这些信号分别求出内轴和外轴的绝对转角，和如上所述，由相对转角求出作用的扭矩。如果内外轴装在汽车的转向轴上，便得到本发明一种特别优良的应用。
其次，如果在外轴轴端上与轴心线偏心或同心地安装用于其他旋转构件的驱动装置，是有利的。以此可以方便地测出和算出外轴或转向轴的大于360°的转角，其中其他物体的转角的测量同样可以用磁场敏感的传感装置进行。所要求的驱动装置可以是一个齿轮传动装置，其中在另一物体圆周上的齿数不同于在外轴上的齿数，从而对于每一整转提供一个单一的信号。
总之对于按本发明的具有同心安装在轴上的转角测量装置的传感装置特别是通过磁铁中心和传感元件定位在轴心线上得到一系列优点。用同时测量各个磁场方向可以根据两个磁场方向测量的比较监测旋转构件，例如转向轴的角度误差。
在应用于汽车中时电子处理装置也可以方便地模块化地安装在一个紧凑的壳体内，因为特别是可以没有附加的摩擦力矩地非接触测量扭矩和转向轮角度(＞360°)。因此这里可以制造一封闭的壳体，使得可能对湿度不敏感，并使传感器壳体连同电子装置的更换方便。
这里可用本发明的传感装置进行的角度测量可以用许多，尤其是非接触式的测量方法进行，并不局限于磁场方向的测量。测量可以在许多旋转构件上进行，例如用在汽车中时也可以在转向传动箱、在驾驶室内的转向轮，在差动箱或发动机轴上进行，以求出例如转向轮角度、车轮角度、角速度、角加速度和扭矩。
本发明优选的改进结构的这些和其它特征除由权利要求书还由说明和附图中看出，其中各个特征各自单独地或许多特征在相互组合的形式能够在本发明的实施形式中和其它领域中实现，并可用是优良的以及单独可保护的结构表示出来，在这里均要求得到保护。
附图简介
借助于附图对本发明的传感装置的实施例加以说明。附图表示：
图1一用于汽车的转向器传动箱连同用来测量作用在旋转构件上的扭矩的传感装置的剖视图，和
图2转向器传动箱的内外轴的轴端连同一附加的用来测量转向轴整转数的装置的局部剖视图。
实施例说明
在图1中用一示意图表示一转向器传动箱1，它可以通过一可旋转的连接元件2施加带有扭矩的转向运动(扭矩输入)。在转向器传动箱1内形成一外轴3，它具有一扭转区4，并具有一用于将旋转运动传递到一转向横拉杆6上的连接元件5，其中在这个连接元件上转向运动的扭矩用相应设计的传动箱进一步传递出去(扭矩输出)。
其次在按图1的转向器传动箱1内有一内轴7，它牢固固定在连接元件2上(扭矩输入)。在内轴7的轴端上有一磁铁8，在其径向磁场内设有一磁场敏感的传感器9，例如AMR传感器。在外轴3的轴端上有一磁铁10，其径向磁场由一第二传感器11检测。
传感器9和11连接在一电子处理回路12上，在该回路中测量取决于磁场方向，从而与旋转位置有关的传感器9和11的信号并可以部分地处理。在处理回路12中的各个构件及其功能对于理解本发明在这里不需详细说明。处理回路12的输出信号通过一用于连接的电气插头13提供给汽车的车用电子装置。
在在按图1的转向器传动箱1上施加一转向运动时通过在外轴3的位于连接元件2(扭矩输入端)上的区域上和位于另一轴端(扭矩输出端)上的区域5内加上一扭矩产生一转角(外轴的扭转角)。这时外轴3上的磁铁10扭转和外轴上所谓的扭矩输出端的区域5一样的角度。但是内轴7和内轴7上的磁铁8扭转和外轴3的所谓扭矩输入端上的区域2同样的角度。因此两上磁铁8和10以及其磁场相互相对扭转，并且相应的扭转角可以检测出来。在磁场测量部位传感器9和11上的磁场的这个扭转角度正比于外轴3的扭转角度，从而正比于扭矩。
图2中表示按图1的转向器传动箱1连同一旋转构件14的附加驱动装置的放大图。这里通过外轴3轴端上的一外齿圈15和附加构件14上的一相应齿圈15促使第三个磁铁16跟随旋转，它同样可以用一磁场敏感的传感器17测量。这里测量原理和处理最好相应于图1中的传感器9和11的工作原理。用按图2的这种结构可以例如通过两上齿圈15不同的齿数进行单一的测量和连接在连接元件2上的转向轴的整转数的计数。

Claims (10)

1.用来测量旋转着的机械构件(3，7；14)上的转角和扭矩的传感装置，具有
-信号发生元件(8，10；16)和信号检测元件(9，11；17)，其中信号发生元件(8，10；16)分别固定在运动的机械构件(3，7；14)上，其特征在于：
-在旋转着的构件上形成一作为外轴(3)的扭转轴，在外轴的一端的区域(2)上作用一扭矩，在另一轴端的区域(5)内可输出扭矩，其中与外轴(3)同心地设一内轴(7)，它以其一端固定在外轴(3)上扭矩输入的区域(2)内，
-外轴(3)和内轴(7)的轴端上安装信号发生元件(8，10)，它们分别配设一位置固定的信号检测元件(9，11；17)。
2.按权利要求1所述的传感装置，具有
-至少一个作为信号发生元件的磁铁(8，10；16)和至少一个作为信号检测元件的传感器(9，11；17)，传感器发生一取决于磁铁(8，10；16)磁力线方向的输出电信号，其特征在于：
-在外轴(3)和内轴(7)的轴端上安装带有沿径向分布的磁场的磁铁(8，10)，它们最好在轴心线上分别配设一位置固定的磁场敏感的传感器(9，11；17)。
3.按权利要求2所述的传感装置，其特征在于：
-在内轴(7)上用来测量扭矩输入区(2)的转角的磁铁(8)产生一径向磁场，在外轴(3)上的用来测量扭矩输出区(5)内的转角的另一磁铁安装在第一块磁铁(8)之外，并产生另一个径向磁场，
-在扭矩的作用下可测出磁场相互的相对扭转，其中扭转角度正比于扭矩。
4.按上述权利要求之任一项所述的传感装置，其特征在于：
-在外轴(3)轴端上安装一用于另一旋转构件(14)的驱动装置(15)，用它可以测量轴(3，7)的大于360°的转数。
5.按权利要求4所述的传感装置，其特征在于：
-另一构件(14)的转角的测量同样可以用一磁场敏感的传感装置(16，17)进行。
6.按权利要求4或5的传感装置，其特征在于：
-驱动装置是一齿轮传动装置(15)，其中另一构件(14)圆周上的齿数不同于外轴(3)上的齿数。
7.按上述权利要求之任一项所述的传感装置，其特征在于：
-传感器(9，11；17)是磁阻传感器，它这样地设置在磁铁(8，10；16)的磁场内，使得其磁场敏感层位于轴(3，7；14)的引起转角变化的传动的切线方向上。
8.按权利要求7所述的传感器，其特征在于：
-传感器(9，10；17)为磁阻式各向异性磁阻的或巨磁阻的传感器，它们发出基本上取决于与可旋转的轴(3，7；14)相连的磁铁(8，10；16)的磁力线的信号，
-在处理回路(12)内由这些信号可分别求出内、外轴(3，7)的绝对转角，并由相对的扭转角度求出作用的扭矩。
9.按上述权利要求之任一项所述的传感装置，其特征在于：
-内外轴(3，7)装在汽车的转向轴上。
10.按上述权利要求之任一项所述的传感装置，其特征在于：
-内、外轴(3，7)内置在发动机轴内。
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