CN1788191A - 转矩检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种转矩检测装置，该转矩检测装置具有足够的机械强度，可进行正确的转矩测定，具有适合批量生产的优良的加工性，还可避免热处理时的损伤问题。该装置由设置于钢材制的转矩传动轴(2)的表层部的转矩被检测部(3)，按照与其外周相对，不与其接触的方式设置的检测线圈(4)，检测信号处理机构(5)构成。转矩被检测部(3)为由Al的扩散层形成的磁致伸缩材料层。在该扩散层中，Al从轴表面沿中心方向逐渐按照Al浓度减小的方式扩散于钢材中。

Description

转矩检测装置
技术领域
本发明涉及转矩检测装置，该转矩检测装置在轴上作用转矩时，检测产生于其表层的磁致伸缩现象，由此，以非接触的方式检测负荷转矩。
背景技术
在磁致伸缩方式的非接触转矩检测装置中，在用机械结构用钢制作被测定轴的场合，磁致伸缩现象小，难于检测正确的转矩。于是，人们还提出被测定轴采用特殊合金，比如，采用Fe-Al合金的转矩检测装置(JP特许第2592491号文献)。但是，由于Fe-Al合金具有硬脆的性质，故机械加工性显著降低。另外，在具有缺口结构的被测定轴的场合，扭转疲劳强度和冲击值也显著降低。由此，难以用于结构部件。
作为该对策，人们还尝试下述的方式，即，仅仅作为被测定轴的被测定部的表层部采用Fe-Al合金，在必须要求强度、韧性的部位接合结构用钢制造轴。但是，在此场合，接合部的可靠性缺乏，成本也上升。由此，人们提出了几项下述的方案，其中，Fe-Al合金与被测定轴的表层部的必要部位焊接接合，但是，这些方案均像下述那样，仍具有许多问题。
比如，在由机械结构用钢形成的被测定轴的表层部上，堆焊Fe-Al合金等的高磁致伸缩材料，用作转矩被检测部件的实例(JP特许2765340号文献)的场合，由于Fe-Al合金具有脆性，故具有在堆焊时产生开裂或剥离的问题。为了解决这样的问题，人们还提出了Fe-Al合金的堆焊的厚度在3mm或3mm以下，由此来防止开裂的提案。但是，在堆焊和喷镀(JP特许2974554号文献)等的场合，由于具有孔，故伴随反复负荷转矩，在早期产生开裂，磁致伸缩特性产生误差。由于该磁致伸缩特性的差异，转矩检测精度显著降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种转矩检测装置，该转矩检测装置具有足够的机械强度，可进行正确的转矩测定，具有适合批量生产的优良的加工性，还可避免热处理时的损伤的问题。
本发明的转矩检测装置的特征在于其包括设置于钢材的转矩传递轴的表层部的转矩被检测部；以非接触的方式与该转矩被检测部的外周相对设置的检测线圈；检测信号处理机构，该检测信号处理机构与上述检测线圈连接，根据转矩被检测部的透磁率的变化检测转矩，上述转矩被检测部为Al(铝)从上述转矩传递轴的表面沿中心方向逐渐按照Al浓度减小的方式扩散于钢材中的扩散层。
如果采用该结构，由于在钢材中按照浓度逐渐减小的方式倾斜地扩散分布Al，故不会降低转矩传递轴的机械的强度，获得磁致伸缩特性较高的磁致伸缩材料扩散层的转矩被检测部，可进行正确的转矩测定。该倾斜的浓度的扩散层形成像堆焊的场合那样没有孔的均匀的合金层，可大幅度地抑制疲劳造成的早期龟裂的发生。另外，也不产生热处理时的开裂。由于上述扩散层在转矩传递轴的机械加工结束后进行Al的扩散处理，故与普通的钢材相同，具有适合批量生产的优良的加工性，生产性提高，这样可降低成本。
最好，上述扩散层的表面的Al浓度在5～25wt％的范围内，扩散深度超过0.1mm。
表面的Al扩散浓度小于5％，则磁致伸缩特性降低，如果该表面的Al扩散浓度超过25％，则磁致伸缩特性降低或饱和。由此，通过使Al浓度在5～25wt％的范围内，获得优良的磁致伸缩特性。另外，一般的磨削余量为0.1mm，故如果Al的扩散层的扩散深度超过0.1mm，则即使在平时进行磨削的情况下，仍可残留Al的扩散层，即使在磨削之后，仍可确保磁致伸缩特性。
在本发明中，上述转矩传递轴可采用在母材的成分中，C(碳)含量在0.15～0.6wt％的范围内，从Si(硅)、Mn(锰)、Cr(铬)、Mo(钼)、Ni(镍)中选择出的1种或1种以上的元素的含量分别在0.1～1.0wt％的范围内，S(硫)，P(磷)的含量在0.02wt％或0.02wt％以下的钢材。
像这样，从机械加工性和淬火硬度的观点来说，在钢材中的C含量小于0.15wt％的场合，淬火硬度降低，无法获得需要的硬度。另外，如果该C含量超过0.6wt％，则加工性和韧性降低。如果使C含量在0.15～0.6wt％的范围内，则可获得足够的淬火硬度，并且可确保加工性和韧性。最好，添加于钢材中的Si、Mn、Cr、Mo、Ni按照1种或1种以上的方式添加，以便确保淬火性。在此场合，在相应的添加物的含量小于0.1wt％时，无法确保充分的淬火性，另外，如果该添加物的含量超过1.0wt％，则加工性显著降低。通过使添加物的含量在0.1～1.0wt％的范围内，可确保充分的淬火性和加工性。另外，通过使S、P的含量在0.02wt％或0.02wt％以下，可防止扩散部和母材部的韧性降低。
在本发明中，上述转矩传递轴的母材也可为下述的材料，其中，Al的含量在0.01～0.15wt％的范围内，从Nb(铌)、V(钒)、Ti(钛)、Zr(锆)中选择出的1种或1种以上的元素的含量分别在0.01～0.25wt％的范围内。
由于Al的扩散处理在高温下进行，故钢材的结晶颗粒粗大。为了抑制该情况，添加Nb、V、Ti、Zr中的1种或1种以上。Al作为在制造钢时的脱酸材料，必须在0.01wt％或0.01wt％以上，如果其含量超过0.15wt％，则其作为杂质而存在于钢中，使强度降低。Nb、V、Ti、Zr在进行细微化处理所必需的0.01wt％或0.01wt％以上，但是，如果其含量超过0.25wt％，则材料的硬度增加，使加工性显著降低。通过添加防止颗粒变粗大的元素，可取消Al扩散处理后的正火处理。
在本发明中，也可使上述转矩传递轴在转矩被检测部具有槽，在上述槽的加工结束后对上述扩散层进行扩散处理。
在上述转矩传递轴中，由于为了提高检测特性或与其它部件连接等的各种目的，在转矩被检测部加工形成槽。由于Al的扩散层的加工性优良，故也可在扩散后进行槽加工，但是，通过像上述那样，在槽加工结束后进行扩散处理，加工性大幅度地提高。
在本发明中，也可在上述转矩传递轴中的上述Al的扩散层中具有凹凸部，该凹凸部与其它部件连接，用于传递转矩，该凹凸部沿轴向延伸，并且有规则地沿圆周方向排列。上述凹凸部比如，为锯齿形。
由于Al的扩散层的加工性优良，故像锯齿部等的凹凸部也可容易地加工。通过像这样设置凹凸部，连接精度增加，可在没有晃动的情况下承受较高的转矩。另外，Al扩散层的焊接性也优良，焊接、摩擦接合、搅拌摩擦接合也可容易地进行。
在本发明中，上述转矩传递轴也可为在Al的扩散处理后进行淬火回火处理而形成的轴。
通过淬火回火处理，至少使扩散层边界附近的硬度的增大大于材料硬度的增大，由此，可提高该转矩传递轴的强度。即使进行淬火回火处理，仍可确保扩散层的磁致伸缩性。由于在进行淬火回火处理之后进行Al扩散，会导致硬度降低，故进行淬火回火处理是在Al的扩散处理后进行。也可在Al扩散处理后加工，在去除Al扩散层的部位进行渗碳淬火，使机械的特性提高。
在本发明中，上述转矩传递轴也可为在Al的扩散处理后，通过对扩散层的表面进行淬火钢切削、磨削、或喷丸处理，按照最外面部分的残余应力为压缩应力的方式进行处理而形成的轴。另外，上述淬火钢切削仅仅为切削，切削通常在坯材的状态进行，因此，为了明确为淬火后的切削，故称为淬火钢切削。
如果进行淬火，则扩散层容易残留残余拉应力，在此状态下，疲劳强度会降低。如果像上述那样，对扩散层的表面进行淬火钢切削、磨削或喷丸处理，则可对Al扩散层的最表面部，施加残留压缩应力，由此，扩散层的疲劳强度提高。
在本发明中，也可在上述Al的扩散层中扩散氮。
如果扩散氮，则可增加Al扩散层的硬度，可提高Al扩散层的强度。
在本发明中，设置于上述转矩被检测部的转矩传递轴也可为等速球承的组成部件的轴部。
等速球承为进行转矩传递的接头，故在该轴部设置上述扩散层，由此，可测定轴转矩。在该结构用于车轮驱动用的等速球承的场合，可更进一步精细的进行车辆控制和发动机控制。另外，在用于动力操纵的等速球承的场合，通过高精度的转矩检测，操纵性提高。
在本发明中，也可在上述转矩传递轴中，沿圆周方向并列形成多个相对轴线而倾斜的槽，在上述转矩传递轴中的设置有上述槽的轴向范围，设置由上述扩散层形成的转矩被检测部。
由于通过作用于上述转矩传递轴上的转矩而产生的扭转变形为倾斜方向，故通过沿圆周方向并列地设置在上述扩散层中倾斜的槽，较大地产生转矩造成的变形，灵敏度提高。
在本发明中，也可这样形成，上述Al的扩散层由相对上述转矩传递轴的轴线倾斜，并且相互沿周向并列的多个孤立的扩散层形成部形成，上述转矩传递轴中的设置有上述多个扩散层形成部的轴向部分作为上述转矩被检测部。
同样在形成像这样倾斜的孤立的扩散层形成部的图案的场合，变形的发生增加，可提高检测灵敏度。
在像上述那样，沿圆周方向并列地形成多个相对轴线倾斜的槽，或者并列地形成相对轴线倾斜的孤立的扩散层形成部的场合，上述转矩传递轴也可为等速球承的轴部。
在该结构的场合，可以良好的精度测定车辆等的驱动轴的转矩，可进行更加精细的车辆控制和发动机控制等。
另外，在设置倾斜的槽或倾斜的孤立的扩散形成部的场合，上述转矩传递轴也可为滚动轴承的轨道圈。
在该结构的场合，可采用紧凑结构的带有转矩检测功能的滚动轴承。
附图说明
图1为表示本发明的第1实施例的转矩检测装置的结构的示意图；
图2为表示本发明的第2实施例的转矩检测装置的结构的示意图；
图3为表示上述各转矩检测装置中的检测信号处理机构的电路结构的电路图；
图4为表示本发明的第3实施例的转矩检测装置的结构的示意图；
图5为表示该转矩检测装置中的检测信号处理机构的电路结构的电路图；
图6A为本发明的第4实施例的转矩检测装置的剖视图；
图6B为组装有上述转矩检测装置的电动机的剖视图；
图7为表示本发明的第5实施例的转矩检测装置的剖视图；
图8A为本发明的第6实施例的转矩检测装置的剖视图；
图8B为组装有上述转矩检测装置的电动机的剖视图；
图9为表示组装本发明的第7实施例的转矩检测装置的驱动轮支承结构的剖视图。
具体实施方式
根据图1，对本发明的第1实施例进行描述。图1为表示本实施例的转矩检测装置的简要结构的示意图。该转矩检测装置1为磁致伸缩式，其包括转矩被检测部3，该转矩被检测部3设置于钢材的转矩传递轴2的表层部；检测线圈4，该检测线圈4以非接触的方式与该转矩被检测部3的外周相对而设置；检测信号处理机构5，该检测信号处理机构5与该检测线圈4连接，根据该转矩被检测部3的透磁率的变化检测转矩。形成该转矩传递轴2的母材的钢材采用比如，机械构造用钢。上述转矩被检测部3为扩散层，其中，Al从上述转矩传递轴2的表面沿中心方向逐渐按照Al的浓度减小的方式扩散到作为母材的钢材中。该扩散层为磁致伸缩层。这样的扩散层的扩散处理通过下述方式而进行，该方式为：将作为被处理物的转矩传递轴2的母材，与Fe-Al的合金粉末和各种调合材等一起密封于容器内部，对其进行加热。该扩散层也可仅仅设置于转矩传递轴2的轴向的一部分，但是，在本实施例中，为了实现有效的扩散处理，在转矩传递轴2的整个表面上设置上述扩散层，将该轴向的一部分用作转矩被检测部3。在形成该转矩被检测部3的轴向范围L，沿圆周方向并设多个相对轴线而倾斜的槽6。该槽6等间距地设置，各槽6的倾斜角度比如，为45°。
在上述转矩传递轴2的端部，设置有用于与其它的轴连接的，由槽或缺口等形成的连接用凹部2a。最好，上述扩散层的扩散处理在该连接用凹部2a和上述倾斜槽6的加工后进行，但是也可在加工之前进行。在加工后进行扩散处理的场合，还可在上述倾斜槽6的内面形成扩散层。
对上述结构的作用和具体的材质实例进行描述。人们熟知，Fe-Al合金呈现高磁致伸缩特性，但是，由于Fe-Al合金具有较脆的特性，在以通常的Fe-Al合金的使用形式用于机械构造用部件时缺乏可靠性。因此，在本实施例中，在构造用钢中按照浓度逐渐减小的方式倾斜地使Al扩散分布，由此，可使转矩传递轴2的机械的强度不降低，即可获得磁致伸缩特性较高的磁致伸缩扩散层的转矩被检测部3。为了按照作为倾斜的浓度的方式使Al从表面分布，因此可通过在高温环境下，使Al从表面扩散，由此，在上述转矩传递轴2的母材的钢材上，在描绘从表面向中心方向缓慢弯曲的浓度曲线的同时，可逐渐地形成Al的浓度减小的层。该倾斜的浓度的扩散层形成为像堆焊的场合这样的没有孔的均匀的合金层，大幅度地抑制疲劳造成的早期龟裂的发生。另外，也不会发生热处理时的开裂。
另外，如果为由Fe-Al合金的散装材料形成的磁致伸缩材料的话，由于较脆，故加工性降低，但是，如果采用上述的扩散处理，则在转矩传递轴2的机械加工结束后进行Al的扩散处理，由此，具有与普通的钢材相同的加工性，生产性显著增加。由此，可实现低成本。另外，由于上述Al的扩散层的加工性良好，故也可在扩散处理后，进行上述倾斜槽6和连接用凹部2a的加工。转矩被检测部3的槽6使转矩被检测部3的磁致伸缩特性提高，使检测灵敏度提高。
如果转矩被检测部3的表面的Al的扩散浓度小于5wt％，则磁致伸缩特性降低，如果该扩散浓度超过25wt％，则磁致伸缩特性降低或饱和，由此，该扩散浓度在5～25wt％的范围内。Al的扩散深度必须为磨削余量(0.1mm)以上的深度。另外，在普通的磁致伸缩的转矩检测装置中，由于按照30KHz前后的频率而激励，故通过表面效果，其磁通量仅仅在最外表面层(200μm左右的深度的层)的表面深度区域流动。由此，如果Al的扩散深度在表面深度区域以上就足够了，如果为0.8mm，则即使在比该尺寸更深的情况下仍没有效果。由于这样措施，转矩被检测部3的Al扩散深度为超过0.1mm的值，特别优选在0.15～0.8mm的范围内。
在转矩传递轴2的钢材的母材的成分中，C的含量在0.15～0.6wt％的范围内，从Si、Mn、Cr、Mo、Ni中选择出的1种或1种以上的元素的含量分别在0.1～1.0wt％的范围内，S，P的含量在0.02wt％或0.02wt％以下。
从机械加工性和淬火硬度的观点来说，在钢材中的C含量小于0.15wt％时，淬火硬度降低，无法获得必要的硬度。另一方面，如果C含量超过0.6wt％，则加工性和韧性降低。由此，钢材中的C含量像上述那样，在0.15～0.6wt％的范围内。
为了确保钢材的淬火性，添加Si、Mn、Cr、Mo、Ni中的1种或1种以上。在此场合，在添加量小于0.1wt％的场合，无法确保充分的淬火性，如果该添加量超过1.0wt％，则加工性显著地降低。由此，该添加量在0.1～1.0wt％的范围内。另外，S、P的含量在0.02wt％或0.02wt％以下，以便降低扩散部和母材部的韧性。上述转矩传递轴2的形状既可为杆状也可为管状。在为管状的场合，既可为无缝管，也可为电焊管。
由于上述Al的扩散处理在高温下进行，故钢材的结晶颗粒变得粗大。为了抑制该情况，添加Al，另外添加从Nb、V、Ti、Zr中选择出的1种或2种元素。Al在制造钢时，必须要采用0.01wt％或0.01wt％以上的脱酸材料，但是，如果脱酸材料的含量在0.15wt％或0.15wt％以上，则会成为杂质存在于钢中，使强度降低。由此，钢材中的Al的含量在0.01～0.15wt％的范围内。Nb、V、Ti、Zr的含量为足以实现细微化的0.01wt％，但是，如果该含量超过0.25wt％，则钢材的硬度增加，加工性显著降低。由此，从Nb、V、Ti、Zr中选择出的1种或2种元素在钢材中的含量分别为0.01～0.25wt％的范围内。通过细微化处理，可取消Al扩散处理后的正火处理。
形成转矩被检测部3的Al的扩散处理在转矩被检测部3的槽6的加工结束后进行。由此，加工性大幅度地提高。
为了提高强度，对上述转矩传递轴2进行Al的扩散处理后进行淬火回火处理。由此，至少扩散层和扩散层边界附近的硬度的增大大于母材硬度的增大。淬火方法采用高频淬火，但是淬火后的硬度最好在Hv300～700的范围内。在该场合，作为转矩被检测部3的Al扩散层未淬火硬化。
如果进行上述淬火处理，由于在作为转矩被检测部3的Al扩散层中残留有残余拉应力，故在这里，在淬火后对Al扩散层的表面进行淬火钢切削、磨削、或喷丸处理。由此，在Al扩散层的最外面部施加残余压缩应力，由Al扩散层形成的转矩被检测部3的疲劳强度提高。另外，也可在Al扩散层中扩散氮，以便增加其硬度。由此，可提高Al扩散层的强度。也可在Al扩散处理后进行机械加工，在去除扩散层的部位渗碳淬火，提高机械特性。
本实施例的转矩检测装置1通过整理具有下述的各项优点。即，设置于转矩传递轴2的表层部的转矩被检测部3作为下述的扩散层而具有磁致伸缩特性，在该扩散层中，Al从转矩传递轴2的表面沿中心方向逐渐按照Al的浓度减小的方式扩散于钢材中，由此，转矩传递轴2具有下述的各项优点。
(1)可使转矩传递轴2具有足够大的机械强度。
(2)检测灵敏度高，可测定正确的转矩。
(3)按照与机械构造用钢相同的程度获得加工性，可降低制作成本。
(4)不必制造特殊的合金，可采用市场上销售的钢，降低材料成本。
(5)耐腐蚀性、高温氧化性、耐磨耗性提高。
(6)槽6的加工方法可采用滚轧，可进一步降低制作成本。
(7)没有热处理时的淬裂的发生。
(8)不必要求接合、喷镀等的加工。
(9)获得均匀的组织。
(10)与其它部件的连接性提高，可传递较高的转矩，也没有晃动。
下面对试验实例进行描述。针对下述的比较实例(1)、(2)、实施例(3)而进行试验(比较实例和实施例采用相同的标号。材料的符号表示JIS规格的材料种类)。
(材料成分)
比较实例(1)：构造用特殊钢(镍铬钼钢(SNCM439))
比较实例(2)：散装Fe-Al(比较实例)
实施例(3)：在机械结构用碳素钢(S45)中扩散Al
在这些比较实例(1)，(2)与实施例(3)中，像下述这样，材料化学成分和加工系列不同。材料化学成分在表1中示出。
                                     表1材料化学成分(wt％)
  C   Si   Mn   P   S   Ni   Cr   Mo   Al   接合的有无
 (1)   SNCM439   0.41   0.20   0.51   0.015   0.016   1.70   0.81   0.22   0.016   无
 (2)   散装Fe-Al   0.004   0.03   -   0.002   0.01   -   -   -   13.5   摩擦接合
 (3)   S45CA扩散   0.39   0.19   0.67   0.019   0.016   0.08   0.15   0.02   0.015   无
(加工系列)
各材料的处理像下述这样进行。
(1)SNCM439：机械加工→槽加工→高频热处理→磨削
(2)散装Fe-Al：机械加工→槽加工→接合→高频热处理→磨削
(3)S45C中的Al扩散：机械加工→槽加工→Al扩散处理→高频热处理→磨削
(形状)
各比较实例(1)，(2)和实施例(3)的形状像图1所示的转矩传递轴2那样。
(Al的扩散处理)
上述加工系列的Al扩散处理像下述这样进行。将S45C的机械结构用钢与Fe-Al合金粉末与NH4Cl粉末的调合剂，与作为缓冲剂的Al2O3粉末一起埋入钢制的箱内部，将其密封，在950℃×28hr的条件下，对其进行均匀加热，进行Al扩散处理。该扩散的原理可通过下述的反应式而表示。
即，Fe-Al合金粉末中的Al与HCl反应，形成AlCl3(蒸汽)，其在S45C的表面与S45C钢的Fe金属(Me)进行置换反应，实现扩散渗透。
表面的Al的浓度可通过调整Fe-Al粉末的Al的浓度而变化。扩散温度也可通过时间而调整。
像这样形成的Al扩散层的特性为，表层的Al浓度为16％，全扩散深度为0.25mm，表层硬度为Hv315。
(试验结果)
图2表示上述各比较实例(1)，(2)和实施例(3)的试验结果。根据表2可知道，在实施例(3)和比较实例(2)的场合，从灵敏度和磁滞方面可获得相同程度的功能，但是在比较实例(2)的场合，产生槽部的淬裂，与此相对，在实施例(3)的场合，不产生淬裂，从磁特性和淬裂这两个方面来说是优良的。另外还知道，同样对于扭转强度，在实施例(3)的场合，可获得与进行普通的机械加工和高频热处理的场合(与比较实例(1))相同的程度的效果。
                                 表2
  灵敏度  磁滞   扭转强度   槽部淬裂的发生
  (1)   SNCM439   1(基准)  1(基准)   1(基准)   没有
  (2)   散装Fe-Al   11.6  2.70   0.5   发生
  (3)   S45C Al扩散   9.7  2.75   1   没有
灵敏度和磁滞的测定条件：50Nm负荷
图2表示本发明的第2实施例。在该转矩检测装置1中，针对图1所示的第1实施例，代替在转矩传递轴2上设置Al扩散层和倾斜槽6的方式，对倾斜的多个扩散层形成部16进行制作图案处理，作为转矩被检测部3。即，设置多个孤立的扩散层形成部16，该多个扩散层形成部16相对转矩传递轴2的轴线而倾斜，并且相互沿周向排列，将扩散层形成部16中的设置该多个扩散层形成部16的轴向部分作为转矩被检测部3。在这些扩散层形成部16的成形中，将相对轴线倾斜的具有多个槽的薄带(图中未示出)设定在转矩传递轴2的母材表面上的状态，与上述实施例相同，形成Al扩散层，然后去除该薄带，由此，残留于各槽部分的各Al扩散层形成上述扩散层形成部16。
通过上述多个扩散层形成部16，转矩被检测部3的磁致伸缩特性提高，检测灵敏度提高。其它的结构与第1实施例的场合相同。
图3表示上述各实施例的检测信号处理机构5的电路结构实例。在该检测信号处理机构5中，第1串联电路部7由电阻R1和检测线圈4构成，通过2个电阻R2、R3构成与第1串联电路7并联的第2串联电路部8，从信号发生器9向该两个串联电路部7、8施加交流电压。检测线圈4的分压(分割电压)通过整流器10和低通滤波器11变为直流电压，输入到差动放大器12的第1输入端子中。另外，上述第2串联电路部8的电阻R3的电压通过另一整流器10和低通滤波器11变换为直流电压，作为基准电压而输入到差动放大器12的第2输入端子中，检测线圈4的分压变换为直流电压后的值与上述基准电压之间的差分从上述差动放大器12输出。通过转矩被检测部3的转矩，转矩被检测部2的透磁率变化，由此检测线圈4的感应系数变化，伴随该情况检测线圈4的分压变化，这样，仅按照该变化量，差动放大器12的输出变化。该输出检测转矩传递轴2的转矩变化。
图4和图5表示本发明的第3实施例。在该转矩检测装置中，在图1所示的第1实施例中，像图4那样，在转矩传递轴2的转矩被检测部3，按照2排并列地在周向的多个部位，形成相对轴线倾斜的多个槽6，两列的槽6A、6B的倾斜方向相互相反。检测线圈4对应于上述各排的槽6A、6B设置成2组(4A、4B)。检测信号处理机构5像图5所示的那样，按照从信号发生器9对第1串联电路部7A和第2串联电路部7B施加交流电压的方式构成，该第1串联电路部7A由与一排槽6A相对设置的检测线圈4A和电阻R1形成，该第2串联电路部7B由与另一排槽6B相对设置的检测线圈4B和电阻R4形成，该第2串联电路部7B与第1串联电路部7A并联。检测线圈4A的分压通过整流器10和低通滤波器11变为直流电压，输入到差动放大器12的第1输入端子中。另外，检测线圈4B的分压也通过另一整流器10和低通滤波器11变换为直流电压，输入到差动放大器12的第1输入端子中。另外，检测线圈4B的分压也通过另一整流器10和低通滤波器11，变换为直流电压，输入到差动放大器12的第2输入端子中。该差动放大器12将差分输出到上述2个输入端中。其它的结构与第1实施例的场合相同。
在该转矩检测装置1中，如果在转矩传递轴2上作用转矩，在转矩被检测部2中的一排槽6A中作用拉应力，由于在另一排槽6B中作用压缩应力，故与这两排的槽6A、6B相对应的各检测线圈4A、4B的检测值(阻抗变化)的差分像图5这样，作为转矩变化的检测信号而输出，由此，根据该输出的正负和大小，可得知作用于转矩传递轴2上转矩的方向和大小。
另外，在该实施例中，也可代替上述的2排槽6A、6B，而像图2所示的实施例的场合那样，按照倾斜的方向相互相反的方式设置2排多个孤立的扩散层形成部16，在此场合同样可得知作用于该转矩传递轴2上的转矩的方向和大小。
图6表示本发明的第4实施例。在该转矩检测装置1中，第1实施例的转矩传递轴2用于电动机13的旋转轴。图6A为表示转矩传递轴2的剖视图，图6B为表示该转矩传递轴2组装于电动机13中的状态的剖视图。作为电动机旋转轴的转矩传递轴2以可装卸的方式与电动机13的转子14连接。在转矩传递轴2的外周面上安装滚动轴承15，该转矩传递轴2通过该滚动轴承15，以可旋转的方式支承于电动机13的外壳17的前部内径面上。另外，转子14的轴部14a通过另一滚动轴承18，以可旋转的方式支承于外壳17的后部内径面上。在外壳17的中间部内径面上，设置位于转子14的外周侧的定子19。支承该转矩传递轴2的滚动轴承15由内圈20、外圈21和滚珠22构成，该内圈20嵌合于从该转矩传递轴2的外周面的转矩被检测部3沿轴向离开的位置，该外圈21与上述外壳17的前部内径面嵌合，该滚珠22为介于该内外圈20、21之间的滚动体。该转矩检测装置1的检测线圈4按照与上述转矩传递轴2的转矩被检测部3相对的方式设置于外圈21的内径面上。也可代替该转矩被检测部3的槽6，而形成图2的实施例场合那样的孤立的扩散层形成部16。
此外，也可形成下述的结构，其中，省略上述图的滚动轴承15中的内圈20，像图7的第5实施例所示的那样，该转矩传递轴2的外周面兼用作内圈。
图8表示本发明的第6实施例。在该转矩检测装置1中，第1实施例的转矩传递轴2适用于以可旋转的方式支承电动机13的旋转轴23的滚动轴承15A的内圈20A。图8A表示该滚动轴承15A的剖视图，图8B表示该滚动轴承15A组装于电动机13中的状态的剖视图。滚动轴承15A由作为转矩传递轴2的内圈20A，与电动机13的外壳17的前部内径面嵌合的外圈21，与介于该内外圈20A、21之间的，作为滚动体的滚珠22构成。从内圈20A中作为滚珠22的滚动面的部位，沿轴向离开的表层部作为设置有Al扩散层的转矩被检测部3。Al扩散层也可设置于内圈20A的整个外表面上。在此场合，比如，也可在作为滚珠22的滚动面的部位进行磨削加工和研磨加工，另外，也可在用作与作为滚动面的部位邻接的转矩被检测部3的部位，设置上述各实例那样的倾斜的槽6(图1)。在内圈20A的内径面，具有沿轴向延伸，并且有规则地沿圆周方向并排的凹凸部20a。该凹凸部20a比如为锯齿部。按照该凹凸部20a与形成于电动机旋转轴23的外周面上的，沿轴向延伸，并且有规则地沿圆周方向并排的凹凸部23a啮合的方式，内圈20A和电动机旋转轴23连接。通过该连接，将电动机旋转轴23的转矩传递给上述转矩被检测部3。该转矩检测装置1的检测线圈4按照与作为转矩传递轴2的内圈20A的转矩被检测部3相对的方式，设置于外圈21的内径面上。该电动机13的其它结构与图6的实施例的场合相同。
通过像这样构成，可紧凑地将转矩检测装置1设置于电动机13中。在作为转矩传递轴2的内圈20A上，像上述那样，形成锯齿状等的凹凸部20a的场合，转矩被检测部3的Al扩散层的扩散处理既可在上述凹凸部20a的加工完成后进行，也可在该加工前进行。由于由上述Al扩散层形成的磁致伸缩件的加工性优良，故可在其成形后，对形成上述锯齿部的凹凸部20a进行加工。通过这样的凹凸部20a而连接，由此，连接精度较高，没有晃动，可容易承受高转矩。
另外，转矩被检测部3也可代替形成槽6的方式，像通过图2的实施例的场合那样的孤立的扩散层形成部16构成。
图9表示本发明的第7实施例。在该转矩检测装置1中，第1实施例的转矩传递轴2适用于形成驱动轮支承组件中的等速球承37的外圈的组成部件32C的轴部32c。驱动轮支承组件包括内圈旋转型的车轮用轴承25。该车轮用轴承25包括外方部件31，在该外方部件31的内周具有多排(在这里为2排)滚动面；内方部件32，该内方部件32具有分别与该外方部件31的滚动面相对的滚动面；多排滚动体33，该多排滚动体33介于该多排滚动面之间。该外方部件31为作为固定侧的部件的部件，其为在外周具有固定于转向节46上的车体安装法兰31a的一体的部件。在车体安装法兰31a上，固定于车体(图中未示出)上的转向节46通过转向节螺栓49紧固。内方部件32为作为旋转侧的部件的部件，其由具有车轮安装法兰32a的轮毂32A，和嵌合于该轮毂32A的端部外径处的单独件的内圈组成部件32B，以及与轮毂32A的内径处嵌合的等速球承组成部件32C构成。在轮毂32A和内圈组成部件32B上，分别形成各排滚动面。
等速球承37由作为上述外圈的等速球承组成部件32C，连接内圈34，介于两个部件32C、34之间的滚动体36，与保持器35构成。作为连接外圈的组成部件32C为成一体形成有杯部32b和轴部32c的部件，其轴部32c通过花键嵌合而与轮毂32A的内径面接合。即，在轮毂32A的内径面和轴部32的外径面上，形成作为花键槽的凹凸部。车轮安装法兰32a位于内方部件32的外侧端部，在该车轮安装法兰32a上，通过制动转子47，借助螺栓50安装有车轮48。内圈组成部件32B通过设置于轮毂32A的内侧端部的压紧部，沿轴向紧固于轮毂32A上。内外的部件32、31之间的环状空间的外侧和内侧的各开口端部分别通过接触式的密封件37、38密封。
转矩检测装置1的转矩被检测部3设置位于等速球承组成部件32C的外圈轴部32c的基端的较大直径轴部32d。在该较大直径轴部32d的表层部，设置有构成转矩被检测部3的Al扩散层。在施有该Al扩散层的较大直径轴部32d上，与第1实施例相同，设置多个倾斜槽6，或者代替该倾斜槽6，形成与图2的实例相同的扩散层形成部16。与转矩被检测部3相对的检测线圈4设置于外方部件31上。
像这样，在驱动轮支承结构的等速球承组成部件32C上，形成由上述那样的Al扩散层形成的转矩被检测部3，由此，可测定车辆的驱动轴的转矩。由此，可进行更精细的车辆控制和发动机控制。另外，也可在形成等速球承37的组成部件的内圈34，以及与内圈34连接的中间轴(图中未示出)等上，设置上述各结构的转矩被检测部3。上述等速球承37用于驱动轮的驱动传递，但是，其也可用于动力操纵的等速球承组成部件和与该等速球承连接的轴，在此场合，可获得由高精度的转矩检测产生的反应性良好的操纵特性。

Claims (16)

1.一种转矩检测装置，其特征在于该转矩检测装置包括设置于钢材的转矩传递轴的表层部的转矩被检测部；以非接触的方式与该转矩被检测部的外周相对设置的检测线圈；检测信号处理机构，该检测信号处理机构与上述检测线圈连接，根据转矩被检测部的透磁率的变化检测转矩，上述转矩被检测部为Al从上述转矩传递轴的表面沿中心方向逐渐按照Al浓度减小的方式扩散于钢材中的扩散层。
2.根据权利要求1所述的转矩检测装置，其特征在于上述扩散层的表面的Al浓度在5～25wt％的范围内，扩散深度超过0.1mm。
3.根据权利要求1所述的转矩检测装置，其特征在于在上述转矩传递轴所使用的钢材，其母材的成分中，C含量在0.15～0.6wt％的范围内，从Si、Mn、Cr、Mo、Ni中选择出的1种或1种以上的元素的含量分别在0.1～1.0wt％的范围内，S，P的含量在0.02wt％或0.02wt％以下。
4.根据权利要求3所述的转矩检测装置，其特征在于在上述转矩传递轴的母材为下述的钢材，其中，Al的含量在0.01～0.15wt％的范围内，从Nb、V、Ti、Zr中选择出的1种或1种以上的元素的含量分别在0.01～0.25wt％的范围内。
5.根据权利要求1所述的转矩检测装置，其特征在于在上述转矩传递轴中，在转矩被检测部具有槽，在上述槽的加工结束后，对上述扩散层进行扩散处理。
6.根据权利要求1所述的转矩检测装置，其特征在于在上述转矩传递轴中的上述Al的扩散层中具有凹凸部，该凹凸部与其它部件连接，用于传递转矩，该凹凸部沿轴向延伸，并且有规则地沿圆周方向排列。
7.根据权利要求1所述的转矩检测装置，其特征在于上述转矩传递轴为在Al的扩散处理后，进行淬火回火处理，或渗碳热处理而形成的轴。
8.根据权利要求7所述的转矩检测装置，其特征在于上述转矩传递轴为在Al的扩散处理后，通过对扩散层的表面进行淬火钢切削、磨削、或喷丸处理，按照最外面部分的残余应力为压缩应力的方式进行处理而形成的轴。
9.根据权利要求1所述的转矩检测装置，其特征在于在上述Al的扩散层中扩散有氮。
10.根据权利要求1所述的转矩检测装置，其特征在于设置于上述转矩被检测部的转矩传递轴为等速球承的组成部件的轴部。
11.根据权利要求1所述的转矩检测装置，其特征在于在上述转矩传递轴中，沿圆周方向并列而形成多个相对轴线而倾斜的槽，在上述转矩传递轴中的设置有上述槽的轴向范围，设置由上述扩散层形成的转矩被检测部。
12.根据权利要求1所述的转矩检测装置，其特征在于上述Al的扩散层由相对上述转矩传递轴的轴线而倾斜，并且相互沿周向并列的多个孤立的扩散层形成部形成，上述转矩传递轴中的设置有上述多个扩散层形成部的轴向部分构成上述转矩被检测部。
13.根据权利要求11所述的转矩检测装置，其特征在于上述转矩传递轴为等速球承的轴部。
14.根据权利要求12所述的转矩检测装置，其特征在于上述转矩传递轴为等速球承的轴部。
15.根据权利要求11所述的转矩检测装置，其特征在于上述转矩传递轴为滚动轴承的轨道圈。
16.根据权利要求12所述的转矩检测装置，其特征在于上述转矩传递轴为滚动轴承的轨道圈。
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