CN2505330Y - 车用光电式转矩传感器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型属于运输车辆专用电子设备技术领域,包括扭杆、光源、两个码盘、光电传感器、以及固定连接部件,还包括两个带有一导光槽孔的导光盘。所说的两个码盘相叠合固定在扭杆的一端部,所说的导光盘分别置于两个码盘的外侧,所说的光电转换器及光源相对设置在所说的两个导光盘的外侧。本传感器转矩的测量范围不受限制,对于前轴轴荷1000kg左右的轿车而言,转矩的测量范围为0~10Nm,测量精度为5%,线性度为5%。本实用新型适合于运输车辆转轴转矩、特别是电动助力转向系统转向转矩的测量。

Description

车用光电式转矩传感器
技术领域
本实用新型属于运输车辆专用电子设备技术领域,特别涉及电动助力转向系统中的光电式转矩传感器结构设计。
背景技术
电力电子技术的飞快发展,有力地促进了汽车电子化的进程。在现代汽车的各种系统中,采用了相当数量的电子装置。然而,由于尺寸、价格等方面的原因,把市场上已有的仪器化的电子装置原封不动地安装在汽车上是不可取的,因此,日、美、英等先进工业国都在大力开展汽车专用电子设备的研究与开发。
在这方面,有代表性的是英国卢卡斯(Lucas)公司于1992年推出的汽车电动助力转向系统(EPS)专用光电式转矩传感器。此类传感器具有电磁兼容性好、抗干扰能力强、小型轻量化、价格比较合适等特点。
该传感器的结构如图1、图2所示,主要由扭杆1、光源2、码盘3和4、光接收器5和6等组成。码盘3和4分别固定在扭杆1的两端,每个码盘上均有沿圆周方向的两圈透光孔7和遮光区8,二者交替布置。码盘3上的两圈透光孔7相差一个透光孔距(图2a),码盘4上的两圈透光孔7同相位(图2b)。来自光源2的光线穿过码盘3和4的两圈透光孔7,分别投射在光接收器5和6上。码盘3和4上两圈透光孔7的重叠度随扭杆1的相对转角而变化,因而由光接受器5和6转换成的输出电压也随之变化。此输出电压不会由于码盘3和4随其轴旋转受到影响,仅随作用于扭杆1上的转矩而变化。
该传感器的码盘3和4,之所以各设两圈透光孔7,并配置两个光接收器5和6,其目的是为了确定所测转矩的方向,并经过信号差动放大,消除由于光源光强的变化而引起的测量误差以及便于故障检测。
该传感器存在如下问题:
其一,两个码盘3和4各设两圈透光孔7,为了保持一定的测量精度,同一圈和不同圈上每个透光孔7的面积S1必须相等,由于光电转换器5和6转化成的电压与透光孔7和遮光区8重叠后的透光面积成比例,因此,对两圈透光孔7的尺寸精度、形状精度和位置精度要求相当高,使得码盘及相关部件的机械加工费远远高出电子器件的费用。
其二,该传感器的精度约10%,如此低的精度难以提高EPS整个系统的控制水平。
发明内容
本实用新型的目的是为克服已有技术的不足之处,提出一种车用光电式转矩传感器,具有结构简单、成本低廉、精度较高的特点。
本实用新型提出一种车用光电式转矩传感器,包括扭杆、光源、两个码盘、光电传感器、以及固定连接部件,其特征在于,还包括两个带有一导光槽孔的导光盘。所说的两个码盘相叠合固定在扭杆的两端部,所说的导光盘分别置于两个码盘的外侧,所说的光电转换器及光源相对设置在所说的两个导光盘的外侧。
所说的至少一个码盘可具有细长的扇形透光孔和遮光区交错而均匀地分布在靠近码盘外圆的一圈圆环上,并且透光孔与遮光区的平均周向弧长相等;扇形透光孔面积的宽度小于等于码盘圆环宽度的一半。
所说的至少一个码盘也可具有宽大的扇形透光孔和遮光区交错而均匀地分布在码盘圆环上,并且透光孔与遮光区的平均周向弧长相等,该扇形透光孔面积的宽度大于码盘圆环宽度的一半。
所说的至少一个码盘还可具有双圈的透光孔和遮光区,均匀而交错地分布在码盘圆环上,并且内圈每个透光孔的面积与外圈每个透光孔的面积相等,内圈透光孔与遮光区的平均周向弧长相等,外圈透光孔和遮光区的平均周向弧长相等,内外圈上透光孔相错一个周向弧长。
所说的导光盘的导光槽孔可为在该导光盘的圆环上开一个窄而短的扇形槽孔,该扇形槽孔的面积等于该码盘一个透光孔的面积与一个遮光区的面积之和。
所说的导光盘的导光槽孔也可为在该导光盘的圆环上开一个窄而长的扇形槽孔,该扇形槽孔的面积等于该码盘两个透光孔距所包容的面积。
所说的导光盘的导光槽孔还可为在该导光盘的圆环上开一个较宽的扇形槽孔,该扇形槽孔的面积等于该码盘一个透光孔距所包容的面积。
所说的导光盘的导光槽孔还可为在该导光盘的圆环上开两个相位相同、面积相等的扇形槽孔,每个扇形槽孔的面积等于该码盘一个透光孔距所包容的面积。
所说的固定连接部件可包括:与所说的扭杆的两端相连的输出轴和输入轴,分别套于该输出轴和输入轴的外端部的两个头部带有牙嵌的套筒,分别将该扭杆、输出轴和输入轴、套筒穿合在一起的销钉;分别安装两个导光盘的导光盘座。
所说的光源可采用激光器或发光二极管组件或聚光灯泡之一种,所说的光电转换器可采用市场上已标准化的方形或长形光电池。
本实用新型具有抗干扰性强、精度适中、便于制造、成本较低、小型轻量、适合车上安装等特点,特别适合用于低速、变转速和变负载情况下的转矩测量。
附图说明
图1为已有的一种车用光电式转矩传感器的结构示意图。
图2a、图2b为图1中的两个码盘结构示意图。
图3为本实用新型的一种车用光电式转矩传感器的结构示意图。
图4a、图4b和图4c分别为本实用新型的三种透光孔分布方式的码盘实施例结构示意图。
图5~图8分别为本实用新型三种码盘四种组合方式的工作示意图。各图中a、b、c分别表示在没有或已经产生相对转角θ时透光面积S的变化情况示意图。
图9为本实用新型实施例的特性曲线图。
图10为本实用新型具有差动放大功能的特性曲线图。
图11a、图11aa、图11b、图11c分别为本实用新型四种形式导光槽的实施例结构示意图。
图12为本实用新型的车用光电式转矩传感器实施例结构总体装配示意图。
具体实施方式
以下结合各附图及实施例更加详细地描述本实用新型的内容。
本实用新型设计的一种车用光电式转矩传感器,如图3所示,主要由扭杆1、光源2、码盘3和4、光电转换器5及导光盘9和10等组成。图中,码盘3和4分别固定在扭杆1的两端,导光盘9和10分别置于两个码盘3和4的外侧、光电转换器5及光源2相对设置在两个导光盘9和10的外侧。
每个码盘上都有沿着圆周方向按照一定的方式分布着透光孔7和遮光区8,选择合适的两个码盘相配合,并将两者错开半个透光孔7之后,再安装在扭杆1上。
本实用新型的工作原理为:
当扭杆1在外载荷作用下产生相对的扭转角θ时,码盘3和4上相对着的两个透光孔7和7′实际重合部分的透光面积(有效透光面积)发生变化。因而从光源2发射出来的光线经过该透光面积照射在光电转换器5,并由光电转换器5转换成的输出电压U亦随之变化。当码盘3和4刚性地一起旋转时,电压U不会发生变化,电压U只与扭杆1所承受的转矩或相对扭转角θ的大小成比例,与转矩或相对扭转角θ的方向一致,如图9所示。
本实用新型提出码盘透光孔7布置的三种型式的实施例结构,简称a、b、c型码盘。
a型码盘:如图4a所示,具有细长的扇形透光孔7和遮光区8,交错而均匀地分布在靠近码盘外圆的一圈圆环上。并且透光孔7与遮光区8的平均周向弧长相等。扇形面积S的宽度(扇形外圆半径r2与内圆半径r1之差),不超过码盘圆环宽度的一半,扇形面积S的最大弧长L≥2r2θmax。虽然透光面积S较小,但加工比较容易,相对误差适中。特别是由于a型码盘的透光孔7仅仅占用了整个码盘环形面积的一部分,尚有余地(无孔部分)可以用来固定码盘自身,或安装相关元件(如光电转换器5等),避免遮挡透过透光孔7的光线,故安装简单易行。
b型码盘:如图4b所示,具有宽大的扇形透光孔7和遮光区8,交错而均匀地分布在码盘圆环上,并且透光孔7与遮光区8的平均周向弧长相等。扇形面积S的宽度(扇形外圆半径r2与内圆半径r1之差),几乎占据码盘圆环宽度的大部分,即有着最大的透光面积Smax,故加工容易,相对误差小,但安装性较差。为此,可以将透光孔7的内径r1适当地缩小,留出足够的区域用于固定b型码盘自身,或便于安装相关元件,改善安装性。当然,减小透光孔7的内径r1,将使b型码盘的透光面积S略有减小,但仍然大于其它类型码盘的透光面积S。
c型码盘:如图4c所示,该码盘具有双圈的透光孔7和遮光区8,均匀而交错地分布在码盘圆环上,并且内圈每个透光孔7的面积S1与外圈每个透光孔7的面积S2相等,即S1=S2,内圈透光孔7与遮光区8的平均周向弧长相等,外圈透光孔7和遮光区8的平均周向弧长相等,内外圈上透光孔7相错相位角2θ。显然,c型码盘的透光面积S比a型码盘大,比b型码盘小,而加工难度高,相对误差亦大,特别是安装性差。为此,外圈透光孔7的外圆弧半径r2保持不变,将其内圆弧半径r1及内圈上透光孔7的外、内圆弧半径均适当地加大,留出足够的区域用于固定码盘自身,或便于安装相关元件,改善安装性。
本实用新型在上述三种码盘的基础上,提出四种码盘的组合方式实施例,结合附图分别说明如下:
a型码盘组:图5表示两个相同的a型码盘3(靠近读者)和码盘4(远离读者)重叠组合后,在没有或已经产生相对转角θ时透光面积S的变化情况。其中,图5a表示码盘3相对码盘4逆时针错开半个透光孔作为起始中间位置(θ=0)。图5a中,实线扇形面积Sa表示两个码盘3和4上的透光孔7和7′在中间位置时的有效透光面积,即Sa≥S;虚线扇形面积Sa′表示码盘4上的透光孔7′被码盘3上遮光区8遮挡的面积;剖面线扇形面积Sa″表示码盘3上的透光孔7被码盘4上遮光区8′遮住的面积。图5b表示码盘3相对码盘4顺时针旋转(+θ)时的有效透光面积Sa,即Sa≤S。图5c表示码盘3相对码盘4逆时针旋转(-θ)时的有效透光面积Sa,即Sa≥0。a型码盘组的特性曲线如图9所示。
b型码盘组:图6表示两个相同的b型码盘3(靠近读者)和码盘4(远离读者)重叠组合后,在没有或已经产生相对转角θ时透光面积S的变化情况。其中,图6a表示码盘3相对码盘4逆时针错开半个透光孔作为起始中间位置(θ=0)。图6a中,实线扇形面积Sb表示码盘3和4上透光孔7和7′中间位置时的有效透光面积,即Sb=S;虚线扇形面积Sb′表示码盘4上的透光孔7′被码盘3上遮光区8遮挡住的面积;剖面线扇形面积Sb″表示码盘3上的透光孔7被码盘4上遮光区8′遮挡住的面积。图6b表示码盘3相对码盘4顺时针旋转(+θ)时的有效透光面积Sb,即Sb≤S。图6c表示码盘3相对码盘4逆时针旋转(-θ)时的有效透光面积Sb,即Sb≥0。b型码盘组的特性曲线亦如图9所示。
c型码盘组:图7表示两个相同的c型码盘3(靠近读者)和码盘4(远离读者)重叠组合后,在没有或已经产生相对转角θ时透光面积S的变化情况。其中,图7a表示码盘3相对码盘4逆时针错开半个透光孔作为起始中间位置(θ=0)。图7a中,实线扇形面积Sc1和Sc2表示两个码盘3和4上透光孔7和7′中间位置时的有效透光面积,即Sc1S,Sc2=S,Sc=Sc1+Sc2=S;虚线扇形面积Sc1′和Sc2′表示码盘4上的外、内圈透光孔7’被码盘3上外、内圈上遮光区8遮挡住的面积;剖面线扇形面积Sc1″和Sc2″表示码盘3上的外、内圈透光孔7被码盘4上内外圈遮光区8′遮挡住的面积。图7b表示码盘3相对码盘4顺时针旋转(+θ)时的有效透光面积Sc1和Sc2,即Sc1=Sc2≤S,Sc=Sc1+Sc2≤2S。图7c表示码盘3相对码盘4逆时针旋转(-θ)时的有效透光面积Sc1和Sc2,即Sc1=Sc2≥0。c型码盘组的特性曲线亦如图9所示。
cb型码盘组:图8表示一个c型码盘3(靠近读者)和一个b型码盘4(远离读者)重叠组合后,在没有或已经产生相对转角θ时透光面积S的变化情况。图8a表示c型码盘3相对b型码盘4逆时针错开半个透光孔作为起始中间位置(θ=0)。其中,图8a中实线扇形面积Scb1和Scb2表示c型码盘3上的外、内透光孔7与b型码盘4上的透光孔7′在中间位置时的有效透光面积,即Scb1=Scb2=S,Scb≈(Scb1+Scb2)+2×(Scb2-Scb1);虚线扇形面积Scb1′和Scb2′表示b型码盘4的透光孔7′被c型码盘外、内圈上透光区8遮挡住的面积;剖面线扇形面积Scb1″和Scb2″表示c型码盘3外、内圈上透光孔7被b型码盘遮光区8′遮挡的面积。图8b表示c型码盘3相对b型码盘4顺时针旋转(+θ)时的有效面积Scb1和Scb2,即Scb1<S,Scb2>0。图8c表示c型码盘3相对b型码盘4逆时针旋转(-θ)时的有效面积Scb1和Scb2,即Sc1>0,Scb2<S。由此可见,cb型码盘组具有差动放大的功能。cb型码盘组的特性曲线如图10所示。
至于一个a型码盘和一个b型码盘,或者一个a型码盘与一个c型码盘相组合,二者透光面积S的变化与两个a型码盘组合透光面积S的变化完全相同,其道理是不言而喻的。
本实用新型在三种码盘(a、b和c)四种码盘组合(a、b、c和cb)的基础上,提出四种形式导光盘的导光槽结构实施例,分别具有不同的特点,适用于不同类型的码盘组合。
a型导光盘:如图11a所示,在导光盘9或10的圆环上开一个窄而短的扇形导光槽21a,确保光源2的光线准确地投射在码盘3和4上一个透光孔距所包容的面积Sa3,即光源2的投射面积Sa3等于一个透光孔7的面积S与一个遮光区8的面积W之和,即Sa3=S+W。因S=W,故Sa3=2S。a型导光盘9和10适合于a型码盘组的组合。
aa型导光盘:如图11aa所示,在导光盘9或10的圆环上开一个窄而长的扇形导光槽21aa,确保光源2的光线准确地投射在码盘3和4上两个透光孔距所包容地面积Saa3,即Saa3=2(S+W)=4S。aa型导光盘9和10非常适用于a型码盘组的组合,可以使透光面积Saa3比a型导光盘9和10与a型码盘组的组合高出一倍,因而获得精度较高的转矩传感器。
b型导光盘:如图11b所示,在导光盘9或10的圆环上开一个较宽的扇形导光槽21b,确保光源2的光线准确地投射在码盘3和4上一个透光孔距所包容的面积Sb3,即Sb3=2S,具有b型导光槽21b的导光盘9和10适合用于a型码盘组或c型码盘组的组合。
c型导光盘:如图11c所示,在导光盘9或10的圆环上开两个相位相同、面积相等的导光槽21c1和21c2,每个导光槽的面积Sc13和Sc23确保光源2的光线准确地投射在码盘3和4上一个透光孔距所包容的面积,即Sc13=Sc23=2S。c型导光槽21c的导光盘9和10适合于cb型码盘组的组合,是具有差动放大功能的转矩传感器必要的相关件之一。
本实用新型为了减小误差,提高测量精度,采用一个光源2和一个光电转换器5,但在具有差动功能的传感器中,必须采用两个光电转换器5。
本实用新型的光源2,可采用激光管、光电二极管组件和聚光灯泡等市售器件。
本实用新型的光电转换器5,可采用市场上已标准化的方形或长形光电池。
本实用新型设计的一种轿车电动助力转向系统用的光电式转矩传感器实施例,具体结构如图12所示。本实施例选用两个a型码盘3和4与两个aa型导光盘9和10,以及一个光源2和一个光电池5相组合。头部带有牙嵌的套筒11和19的尾部分别压套在输出轴8和输入轴17的外端部。扭杆1的两端压入输出轴8和输入轴17的内端部,并用销18将三者穿在一起。两个a型码盘3和4错开半个透光孔套在两个套筒11和19的头部牙嵌处,并压入两个定位销6,使码盘3和4分别与套筒11和19固定在一起,构成码盘—扭杆总成。两个aa型导光盘9和10分别安装在导光盘座13和15上,再安装上光源2和光电池5。先将带有光源2和导光盘10的导光盘座15装入壳体7中,并用螺栓14固定。再将码盘—扭杆总成从左侧穿过导光盘座15至适当位置,将带有光电池5和导光盘9的导光盘座13亦从左侧装进壳体7中,并用螺栓14固定。把带有轴承12的两个轴承座16,分别从两侧装入壳体7上,且保证码盘—扭杆总成转动灵活,无摩擦声。
当输入轴17和输出轴8产生相对转角时,因两码盘3和4的透光孔重叠面积发生变化,则从光源2射出的光线,经过导光盘10上的导光槽21及码盘3和4上的透光孔7和7′,再经码盘4左侧的导光盘9上的导光槽21,照射在光电池5的透光面积S0,并由光电池5转换成的输出电压亦发生变化,其电压—转矩特性如图9所示。
本实施例的转矩测量范围0~10Nm,测量精度5%,线性度5%,适用于前轴轴荷1000kg左右轿车电动助力转向系统的转矩测量。

Claims (10)

1.一种车用光电式转矩传感器,包括扭杆、光源、两个码盘、光电传感器、以及固定连接部件,其特征在于,还包括两个带有一导光槽孔的导光盘。所说的两个码盘相叠合固定在扭杆的两端部,所说的导光盘分别置于两个码盘的外侧,所说的光电转换器及光源相对设置在所说的两个导光盘的外侧。
2.如权利要求1所述的车用光电式转矩传感器,其特征在于,所说的至少一个码盘具有细长的扇形透光孔和遮光区交错而均匀地分布在靠近码盘外圆的一圈圆环上,并且透光孔与遮光区的平均周向弧长相等;扇形透光孔面积的宽度小于等于码盘圆环宽度的一半。
3.如权利要求1所述的车用光电式转矩传感器,其特征在于,所说的至少一个码盘具有宽大的扇形透光孔和遮光区交错而均匀地分布在码盘圆环上,并且透光孔与遮光区的平均周向弧长相等,该扇形透光孔面积的宽度大于码盘圆环宽度的一半。
4.如权利要求1所述的车用光电式转矩传感器,其特征在于,所说的至少一个码盘具有双圈的透光孔和遮光区,均匀而交错地分布在码盘圆环上,并且内圈每个透光孔的面积与外圈每个透光孔的面积相等,内圈透光孔与遮光区的平均周向弧长相等,外圈透光孔和遮光区的平均周向弧长相等,内外圈上透光孔相错一个周向弧长。
5.如权利要求2所述的车用光电式转矩传感器,其特征在于,所说的导光盘的导光槽孔为在该导光盘的圆环上开一个窄而短的扇形槽孔,该扇形槽孔的面积等于该码盘一个透光孔的面积与一个遮光区的面积之和。
6.如权利要求2所述的车用光电式转矩传感器,其特征在于,所说的导光盘的导光槽孔为在该导光盘的圆环上开一个窄而长的扇形槽孔,该扇形槽孔的面积等于该码盘两个透光孔距所包容的面积。
7.如权利要求2或4所述的车用光电式转矩传感器,其特征在于,所说的导光盘的导光槽孔为在该导光盘的圆环上开一个较宽的扇形槽孔,该扇形槽孔的面积等于该码盘一个透光孔距所包容的面积。
8.如权利要求3或4所述的车用光电式转矩传感器,其特征在于,所说的导光盘的导光槽孔为在该导光盘的圆环上开两个相位相同、面积相等的扇形槽孔,每个扇形槽孔的面积等于该码盘一个透光孔距所包容的面积。
9.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的车用光电式转矩传感器,其特征在于,所说的固定连接部件包括:与所说的扭杆的两端相连的输出轴和输入轴,分别套于该输出轴和输入轴的外端部的两个头部带有牙嵌的套筒,分别将该扭杆、输出轴和输入轴、套筒穿合在一起的销钉;分别安装两个导光盘的导光盘座。
10.如权利要求1所述的车用光电式转矩传感器,其特征在于:所说的光源采用激光器或发光二极管组件或聚光灯泡之一种,所说的光电转换器采用市场上已标准化的方形或长形光电池。
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