RU2165076C2

RU2165076C2 - Generator of torque of shaft

Info

Publication number: RU2165076C2
Application number: RU99114392A
Authority: RU
Inventors: И.А. Павлов; В.И. Писцова; Н.А. Болоян
Original assignee: Открытое акционерное общество "АВТОВАЗ"
Priority date: 1999-06-29
Filing date: 1999-06-29
Publication date: 2001-04-10

Abstract

FIELD: automotive industry, steering gears with servo mechanisms. SUBSTANCE: invention can be used in the capacity of transmitter for contactless measurement of torque of steering shaft in control system of electromechanical amplifier of steering wheel. Generator of torque of shaft has torsion shaft, body housing forms of inductance coils with windings and screens with perforated windows. Parts of shafts are joined by torsion shaft. Screens coming in the form of discs are positioned close to butts of parts of shaft facing each other. Windows in rows of first screen are displaced. Row of windows of second screen covers by width both rows of windows of first screen. Forms of inductance coils are sectional and has form of disc bordering on one of screens and that is spring-loaded relative to body. First winding is dropped in annular groove of one part of sectional form. Second winding is dropped in annular groove of another part of sectional form. Both parts are so interconnected that both grooves are positioned at least partially in plane perpendicular to axis of tested shaft and concentric on specified shaft. EFFECT: improved stability of output characteristic, simplified design and improved adaptability to manufacture. 11 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к автомобилестроению, а именно к рулевым приводам с сервомеханизмами, и может использоваться в качестве датчика для бесконтактного измерения крутящего момента рулевого вала в системе управления электромеханическим усилителем руля. The invention relates to the automotive industry, namely to steering drives with servomechanisms, and can be used as a sensor for non-contact measurement of torque of the steering shaft in the control system of an electromechanical power steering.

Известен сервомеханизм электроусилителя руля, описанный в заявке Великобритании N 1395954 (опубл. 29.05.75 г.), содержащий торсионный элемент, соединяющий две части рулевого вала. Крутящий момент замеряется на торсионе посредством следящего выключателя, выполненного в виде потенциометра, установленного на частях рулевого вала. Known servo-electric power steering described in UK application N 1395954 (publ. 05.29.75), containing a torsion element connecting the two parts of the steering shaft. Torque is measured on the torsion bar by means of a follow-up switch made in the form of a potentiometer mounted on parts of the steering shaft.

Недостатком конструкции является ее недостаточная надежность, вызванная наличием трущихся частей в потенциометре. Кроме того, чувствительность потенциометра не позволяет производить точное измерение на малых перемещениях. The disadvantage of the design is its lack of reliability due to the presence of rubbing parts in the potentiometer. In addition, the sensitivity of the potentiometer does not allow accurate measurements at small displacements.

Из патента США N 4173265 (опубл. 06.11.79 г.) известно устройство для измерения крутящего момента на валу, выполненное на принципе детектирования магнитного поля. Устройство содержит две части вала, соединенные торсионом, на одной части вала установлен постоянный магнит, а на другой части вала, напротив магнита, расположен пластинчатый датчик магнитного поля. При скручивании торсиона магнит перемещается относительно датчика, который детектирует изменение магнитного поля. From US patent N 4173265 (publ. 06.11.79 g.) Known device for measuring the torque on the shaft, made on the principle of detecting a magnetic field. The device contains two parts of the shaft connected by a torsion bar, a permanent magnet is installed on one part of the shaft, and on the other part of the shaft, opposite the magnet, is a plate magnetic field sensor. When the torsion is twisted, the magnet moves relative to the sensor, which detects a change in the magnetic field.

Однако чувствительность устройства также недостаточна, поскольку измерения осуществляются в зоне малых перемещений постоянных магнитов, имеющих, как правило, большой разброс параметров. However, the sensitivity of the device is also insufficient, since measurements are carried out in the zone of small displacements of permanent magnets, which, as a rule, have a large spread of parameters.

Известен датчик крутящего момента, описанный в заявке PCT N 88/05742 (опубл. 11.08.88 г.). Указанный датчик состоит из индуктивных катушек, установленных на одной части вала, и кольцевого элемента, установленного на другой части вала с возможностью осевого смещения при скручивании торсиона, соединяющего обе части вала. В результате перемещения кольцевого элемента в индуктивных катушках, связанных с ним, индуцируется соответствующий сигнал. Недостатком рассмотренного технического решения является снижение надежности датчика в процессе эксплуатации из-за наличия механического трения и, соответственно, износа кольцевого элемента. A known torque sensor described in PCT application N 88/05742 (publ. 11.08.88). The specified sensor consists of inductive coils mounted on one part of the shaft, and an annular element mounted on the other part of the shaft with the possibility of axial displacement when twisting the torsion bar connecting both parts of the shaft. As a result of the movement of the ring element in the inductive coils associated with it, the corresponding signal is induced. The disadvantage of the considered technical solution is the decrease in the reliability of the sensor during operation due to the presence of mechanical friction and, accordingly, wear of the ring element.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для бесконтактного измерения крутящего момента вращающегося вала, описанное в авторском свидетельстве СССР N 1781566 (опубл. 15.12.92 г.), взятое за прототип. The closest in technical essence is a device for non-contact measurement of torque of a rotating shaft, described in the USSR author's certificate N 1781566 (publ. 15.12.92), taken as a prototype.

Устройство содержит корпус, внутри которого размещены каркас катушек индуктивности с обмотками и торсионный вал с установленными на нем подшипниками. На валу закреплена центральная двусторонняя зубчатая втулка и боковые односторонние зубчатые втулки, обращенные зубцами к центральной втулке, а на концах вала установлены экраны с выполненными в них окнами, простирающиеся в зазоре между втулками и катушками индуктивности. Боковые втулки выполнены из чередующихся слоев материала с различной магнитной проницаемостью, причем количество слоев соответствует числу окон экранов. The device comprises a housing, inside of which there is a frame of inductors with windings and a torsion shaft with bearings mounted on it. A central two-sided gear sleeve and side one-sided gear sleeves facing the central hub are fixed on the shaft, and screens with windows made therein are installed at the ends of the shaft, extending in the gap between the bushings and inductors. Side bushes are made of alternating layers of material with different magnetic permeability, and the number of layers corresponds to the number of windows screens.

Размещение экранов между втулками и катушками увеличивает длину магнитной цепи и ее магнитное сопротивление, что снижает чувствительность устройства. К недостаткам можно также отнести конструктивную и технологическую сложность устройства из-за большого числа деталей и необходимости изготовления втулок из чередующихся слоев материала с различной магнитной проницаемостью, что затрудняет его изготовление в массовом производстве. Основной недостаток прототипа - нестабильность выходной характеристики из-за невозможности обеспечения постоянства зазоров между взаимно перемещающимися частями устройства (экраном и катушками). Placing screens between the bushings and coils increases the length of the magnetic circuit and its magnetic resistance, which reduces the sensitivity of the device. The disadvantages include the structural and technological complexity of the device due to the large number of parts and the need to manufacture bushings from alternating layers of material with different magnetic permeabilities, which complicates its manufacture in mass production. The main disadvantage of the prototype is the instability of the output characteristic due to the impossibility of ensuring the constancy of the gaps between the mutually moving parts of the device (screen and coils).

Задачей изобретения является повышение стабильности выходной характеристики, упрощение конструкции и повышение технологичности датчика крутящего момента вала. The objective of the invention is to increase the stability of the output characteristics, simplifying the design and improving the manufacturability of the shaft torque sensor.

Указанная задача в датчике крутящего момента вала, содержащем торсионный вал, электропроводящие экраны с перфорированными в них окнами и корпус, внутри которого установлен каркас катушек индуктивности с обмотками, решается тем, что экраны выполнены в виде дисков, установленных у обращенных друг к другу торцов частей контролируемого вала, соединенных торсионным валом, окна в первом экране расположены по окружности в два ряда со смещением, а во втором экране окна расположены в один ряд, захватывающий по ширине оба ряда окон первого экрана, при этом каркас катушек индуктивности выполнен в виде составного диска, прилегающего к одному из экранов, причем первая обмотка установлена в кольцевом пазу первой детали каркаса, а вторая обмотка установлена в кольцевом пазу второй детали каркаса, соединенной с первой деталью так, что оба паза по крайней мере частично расположены в плоскости, перпендикулярной оси контролируемого вала, концентрично указанному валу. The indicated problem in a shaft torque sensor containing a torsion shaft, electrically conductive screens with perforated windows and a housing inside which a frame of inductors with windings is installed is solved by the fact that the screens are made in the form of disks installed at the ends of the parts of the monitored facing the shaft connected by a torsion shaft, the windows in the first screen are arranged in a circle in two rows with offset, and in the second screen the windows are arranged in one row, capturing the width of both rows of windows of the first screen, the frame of the inductors is made in the form of a composite disk adjacent to one of the screens, the first winding being installed in the ring groove of the first frame part, and the second winding installed in the ring groove of the second frame part connected to the first part so that both grooves are at least least partially located in a plane perpendicular to the axis of the controlled shaft concentrically specified shaft.

Корпус датчика выполнен преимущественно зацело с кожухом электроусилителя рулевого управления автомобиля. The sensor housing is made predominantly integrally with the casing of the electric power steering of the car.

Внутренняя поверхность корпуса датчика расположена, как правило, концентрично контролируемому валу. The inner surface of the sensor housing is usually located concentrically controlled shaft.

Каркас катушек индуктивности может быть установлен в корпусе посредством радиальных выступов, расположенных в направляющих пазах корпуса, выполненных на его внутренней поверхности параллельно оси контролируемого вала. The frame of the inductors can be installed in the housing by means of radial protrusions located in the guide grooves of the housing, made on its inner surface parallel to the axis of the controlled shaft.

Каркас катушек индуктивности расположен преимущественно концентрично контролируемому валу и выполнен прилегающим к экрану с подпружиниванием относительно корпуса. The frame of the inductors is located mainly concentrically controlled shaft and made adjacent to the screen with springing relative to the housing.

Обмотки катушек индуктивности включены, в частном случае, в мостовую измерительную цепь переменного тока. The windings of the inductors are included, in a particular case, in an alternating current bridge measuring circuit.

Экраны установлены на частях контролируемого вала преимущественно посредством втулок. Screens are mounted on parts of the monitored shaft, mainly by means of bushings.

Окна первого экрана могут быть выполнены круглого сечения, а окна второго экрана могут иметь сечение двух состыкованных кругов, причем оба ряда окон первого экрана охвачены рядом окон второго экрана. The windows of the first screen can be made of circular cross-section, and the windows of the second screen can have a cross-section of two joined circles, both rows of windows of the first screen covered by a number of windows of the second screen.

В другом случае окна первого и второго экранов могут быть выполнены трапецеидального или прямоугольного сечения, причем оба ряда окон первого экрана охвачены рядом окон второго экрана. In another case, the windows of the first and second screens can be made of a trapezoidal or rectangular cross-section, and both rows of windows of the first screen are covered by a number of windows of the second screen.

В первом экране окна одного ряда расположены, как правило, напротив межоконных перемычек другого ряда. In the first screen, the windows of one row are usually located opposite the window bridges of the other row.

Экраны могут быть выполнены из меди и/или медных сплавов или из алюминия и/или алюминиевых сплавов. Screens can be made of copper and / or copper alloys or of aluminum and / or aluminum alloys.

Приведенная совокупность признаков в сравнении с известным уровнем техники позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию "новизна". В то же время, совокупность отличительных признаков, приводящая к решению поставленной задачи, явным образом не следует из уровня техники, поэтому заявляемое техническое решение соответствует условию "изобретательский уровень". The above set of features in comparison with the prior art allows us to conclude that the claimed technical solution meets the condition of "novelty." At the same time, the combination of distinctive features, leading to the solution of the problem, does not explicitly follow from the prior art, therefore, the claimed technical solution meets the condition of "inventive step".

Изобретение поясняется следующими чертежами. На фиг.1 изображен продольный разрез датчика; на фиг. 2 показан поперечный разрез датчика. The invention is illustrated by the following drawings. Figure 1 shows a longitudinal section of a sensor; in FIG. 2 shows a cross section of a sensor.

Датчик крутящего момента вала 1, 2 содержит торсионный вал 3, корпус 4, внутри которого размещен каркас 5 катушек индуктивности с обмотками 6, 7 и экраны 8,9 с перфорированными в них окнами 10, 11. The torque sensor of the shaft 1, 2 contains a torsion shaft 3, a housing 4, inside of which there is a frame 5 of inductors with windings 6, 7 and screens 8.9 with perforated windows 10, 11 in them.

Часть вала 1 и часть вала 2 соединены торсионным валом 3, у обращенных друг к другу торцов частей вала 1, 2 установлены экраны 8, 9, выполненные в виде дисков. В частном случае экраны 8, 9 могут быть установлены посредством втулок 12, 13. Окна 10 в рядах первого экрана 8 выполнены со смещением, как правило окна одного ряда расположены напротив межоконных перемычек другого ряда. Ряд окон 11 второго экрана 9 захватывает по ширине оба ряда окон 10 первого экрана 8, наиболее предпочтителен вариант, когда ряд окон 11 охватывает оба ряда окон 10. Окна 10 первого экрана 8 могут иметь круглое сечение, а сечение окон 11 второго экрана 9 может иметь форму двух состыкованных кругов. В другом случае окна 10, 11 первого и второго экранов 8, 9 могут иметь трапецеидальное или прямоугольное сечение. Экраны 8, 9 изготовлены из электропроводящего материала, преимущественно из меди, медных сплавов, алюминия или алюминиевых сплавов. Part of the shaft 1 and part of the shaft 2 are connected by a torsion shaft 3, screens 8, 9 made in the form of disks are installed at the ends of the parts of the shaft 1, 2 facing each other. In the particular case, the screens 8, 9 can be installed by means of bushings 12, 13. The windows 10 in the rows of the first screen 8 are offset, as a rule, the windows of one row are located opposite the window bridges of the other row. The row of windows 11 of the second screen 9 captures both rows of windows 10 of the first screen 8 in width, the most preferred option is when the row of windows 11 covers both rows of windows 10. The windows 10 of the first screen 8 may have a circular cross section, and the section of the windows 11 of the second screen 9 may have the shape of two joined circles. In another case, the windows 10, 11 of the first and second screens 8, 9 may have a trapezoidal or rectangular cross-section. Screens 8, 9 are made of electrically conductive material, mainly from copper, copper alloys, aluminum or aluminum alloys.

Каркас 5 катушек индуктивности выполнен составным в виде диска, прилегающего к одному из экранов, например ко второму экрану 9 (фиг. 1), как правило, с подпружиниванием относительно корпуса 4. В качестве пружинящего элемента может использоваться упругое резиновое кольцо 14. Первая обмотка 6 установлена в кольцевом пазу первой детали 15 составного каркаса 5, а вторая обмотка 7 установлена в кольцевом пазу второй детали 16 составного каркаса 5. Обе детали 15,16 соединены так, что оба паза по крайней мере частично расположены в плоскости, перпендикулярной оси контролируемого вала 1, 2, концентрично указанному валу. Детали 15, 16 жестко соединены между собой, например, заклепками. Каркас 5 расположен преимущественно концентрично контролируемому валу 1, 2 и установлен в направляющих пазах 17 корпуса 4 посредством радиальных выступов 18. Направляющие пазы 17 выполнены, как правило, на внутренней поверхности корпуса 4 датчика параллельно оси контролируемого вала. The frame 5 of the inductors is made integral in the form of a disk adjacent to one of the screens, for example, to the second screen 9 (Fig. 1), as a rule, spring-loaded relative to the housing 4. As an spring element, an elastic rubber ring 14. The first winding 6 can be used installed in the annular groove of the first part 15 of the composite frame 5, and the second winding 7 is installed in the annular groove of the second part 16 of the composite frame 5. Both parts 15,16 are connected so that both grooves are at least partially located in a plane perpendicular to axis of the controlled shaft 1, 2, concentrically to the specified shaft. Details 15, 16 are rigidly interconnected, for example, rivets. The frame 5 is located mainly concentrically controlled shaft 1, 2 and is installed in the guide grooves 17 of the housing 4 by means of radial protrusions 18. The guide grooves 17 are usually made on the inner surface of the housing 4 of the sensor parallel to the axis of the controlled shaft.

Корпус 4 датчика выполнен преимущественно зацело с кожухом электроусилителя рулевого управления автомобиля, внутренняя поверхность корпуса 4 расположена, как правило, концентрично контролируемому валу 1, 2, через него проходят электрические выводы обмоток 6, 7 катушек индуктивности, которые могут быть включены, в частном случае, в мостовую измерительную цепь переменного тока. The housing 4 of the sensor is made predominantly integrally with the casing of the electric power steering of the vehicle, the inner surface of the housing 4 is located, as a rule, concentrically controlled shaft 1, 2, through it are the electrical leads of the windings 6, 7 of the inductors, which can be included, in the particular case into a bridge measuring circuit of alternating current.

Устройство работает следующим образом. При отсутствии крутящего момента напротив каждого окна 11 второго экрана 9 симметрично устанавливают части окон 10 обоих рядов первого экрана 8. При этом напротив каждой катушки индуктивности расположение окон 10, 11 одинаково, соответственно равны длины просветов совместного окна напротив каждой катушки. В результате индуктивности катушек одинаковы и мостовая измерительная цепь переменного тока находится в состоянии баланса. The device operates as follows. In the absence of torque, parts of the windows 10 of both rows of the first screen 8 are symmetrically installed in front of each window 11 of the second screen 9. Moreover, opposite to each inductance coil, the position of the windows 10, 11 is the same, respectively, the lengths of the gaps of the joint window opposite each coil are equal. As a result of the inductance of the coils are the same and the bridge measuring circuit of the alternating current is in a state of balance.

При приложении между частями контролируемого вала 1, 2 крутящего момента окна 10, 11 экранов 8, 9 взаимно смещаются, длина просвета совместного окна напротив одной катушки увеличивается, а напротив другой уменьшается. Индуктивности катушек изменяются в противоположных направлениях, что приводит к разбалансу мостовой измерительной цепи переменного тока и генерации сигнала, величина которого пропорциональна моменту скручивания. При этом, меняя конфигурацию окон 10, 11, можно получить различные виды характеристик выходного сигнала. When torque is applied between the parts of the monitored shaft 1, 2, the windows 10, 11 of the screens 8, 9 are mutually displaced, the lumen length of the joint window opposite one coil increases, and on the other decreases. The inductances of the coils change in opposite directions, which leads to an imbalance of the bridge measuring circuit of the alternating current and the generation of a signal whose value is proportional to the moment of twisting. In this case, changing the configuration of the windows 10, 11, you can get various kinds of characteristics of the output signal.

В случае приложения к контролируемому валу крутящего момента противоположного направления мостовая измерительная цепь разбалансируется и выходной сигнал оказывается сдвинутым по фазе на 180 эл.град. Таким образом, с помощью заявляемого устройства определяется направление и величина крутящего момента вала. In the case of application of the opposite direction of torque to the monitored shaft, the bridge measuring circuit is unbalanced and the output signal is phase shifted by 180 degrees. Thus, using the inventive device determines the direction and magnitude of the torque of the shaft.

Подпружинивание каркаса катушек устраняет зазор между катушками и экраном, вследствие чего сопротивление магнитному потоку в датчике остается стабильным, следовательно, стабильна и выходная характеристика датчика. The coil frame springing eliminates the gap between the coils and the screen, as a result of which the magnetic flux resistance in the sensor remains stable, and therefore, the output characteristic of the sensor is also stable.

Claims

1. The shaft torque sensor, comprising a torsion shaft, electrically conductive screens with perforated windows and a housing inside which a frame of inductors with windings is installed, characterized in that the screens are made in the form of disks mounted at the ends of the parts of the controlled shaft facing each other connected by a torsion shaft, the windows in the first screen are arranged in a circle in two rows with offset, and in the second screen the windows are arranged in one row, capturing the width of both rows of windows of the first screen, with the frame from the inductors is made in the form of a composite disk adjacent to one of the shields, the first winding is installed in the ring groove of the first frame part, and the second winding is installed in the ring groove of the second frame part connected to the first part so that both grooves are at least partially located in a plane perpendicular to the axis of the controlled shaft concentrically specified shaft.

2. The sensor according to claim 1, characterized in that its body is made integrally with the casing of the electric power steering of the car.

3. The sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the inner surface of the housing is located concentrically controlled shaft.

4. The sensor according to any one of paragraphs.1 to 3, characterized in that the frame of the inductors is installed in the housing by means of radial protrusions located in the guide grooves of the housing, made on its inner surface parallel to the axis of the controlled shaft.

5. The sensor according to claim 1 or 4, characterized in that the frame of the inductors is located concentrically controlled shaft and is made adjacent to the screen with springing relative to the housing.

6. The sensor according to claim 1, characterized in that the windings of the inductors are included in the bridge measuring circuit of an alternating current.

7. The sensor according to claim 1, characterized in that the screens are mounted on parts of the monitored shaft by means of bushings.

8. The sensor according to claim 1 or 7, characterized in that the windows of the first screen are circular in cross-section, and the windows of the second screen have a cross-section of two joined circles, both rows of windows of the first screen being covered by a number of windows of the second screen.

9. The sensor according to claim 1 or 7, characterized in that the windows of the first and second screens are made of trapezoidal or rectangular cross-section, and both rows of the first screen are covered by a number of windows of the second screen.

10. The sensor according to any one of claims 1, 8 and 9, characterized in that in the first screen the windows of one row are located opposite the window bridges of the other row.

11. The sensor according to any one of paragraphs.1, 7 to 10, characterized in that the screens are made of copper and / or copper alloys.

12. The sensor according to any one of paragraphs.1, 7 to 10, characterized in that the screens are made of aluminum and / or aluminum alloys.